DE2921977A1

DE2921977A1 - Wellenantriebselement

Info

Publication number: DE2921977A1
Application number: DE19792921977
Authority: DE
Inventors: Andrew C Schnur; Donald M Wilhelm
Original assignee: California Pellet Mill Co
Current assignee: California Pellet Mill Co
Priority date: 1978-06-05
Filing date: 1979-05-30
Publication date: 1979-12-13
Also published as: FR2428174A1; GB2022214A; JPS54162048A; JPS63191202U; GB2022214B; BR7903502A; AU4711179A; ES481246A1; CA1106647A; FR2428174B1; AU525709B2; ZA792320B

Description

Die Erfindung betrifft ein Wellenantriebselement.

Nach dem Stand der Technik besteht bei Schnellwechsel-Pelletmühlen und anderen Anwendungen seit langem ein Bedürfnis für ein Antriebselement, das hohe Drehmomente übertragen kann, das selbstzentrierend und selbstlösend ist und das einen maximalen Oberflächenkontakt zwischen dem antreibenden und dem angetriebenen Element bietet.

Bisherige Versuche zur Verbindung der Antriebselemente auf diesem Fachgebiet und anderen Fällen hoher Belastungen beruhten auf verkeilten Kegelverbindungen, Spannhülsen oder Bolzenverbindungen. Keine dieser Anordnungen erwies sich unter den schwierigen Bedingungen einer Pelletmühle als völlig zufriedenstellend, und zwar wegen des Punkt- oder Linienkontaktes, einer beschleunigten Korrosion und/oder zu Herstellungsschwierigkeiten führenden engen Toleranzen und/ oder Schwierigkeiten beim Zusammenbau oder Auseinandernehmen der Antriebselemente. Durch die Erfindung werden diese Probleme behoben, wobei gleichzeitig die selbstzentrierenden Eigenschaften einer Kegelpassung beibehalten werden.

Die Erfindung betrifft Kraftantriebselemente, insbesondere Elemente zur Kopplung eines Antriebselements mit einem angetriebenen Element zur Übertragung einer Antriebskraft. Insbesondere betrifft die Erfindung rotierende Wellenantriebselemente mit einem eindringenden und einem aufnehmenden Antriebselement. Speziell bezieht sich die Erfindung auf die Ausbildung des eindringenden und des aufnehmenden antreibenden bzw. angetriebenen Elements. Gemäß der Erfindung ist ein nicht kreisförmiger Festsitz vorgesehen, der bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel durch ein vielflügeliges Antriebselement gekennzeichnet ist, dessen Kontaktflächen von einer logarithmischen Spirale abgeleitet sind. Diese Kopplung ist

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selbstzentrierend und kann derart ausgestaltet sein, daß sie entweder Sperr- oder Löseeigenscbaften bei Anwendung eines Drehmoments aufweist.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Schnellöse-Antriebselement zu schaffen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein selbstzentrierendes Antriebselement zu schaffen. Durch die Erfindung soll überdies ein Antriebselement bereitgestellt werden, dessen Lösungseigenschaften von dem Konstrukteur vorbestimmt werden können.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Antriebselement zu schaffen, das mit einem Maximum an Antriebskontaktfläche ein Minimum an Kraftkonzentrationspunkten aufweist. Durch die Erfindung soll zusätzlich ein Antriebselement geschaffen werden, dessen Passung in einem weiten Bereich gewählt werden kann, wobei dennoch der volle Flächenantriebskontakt beibehalten wird«,

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein extrem starkes Wellenantriebselement zu schaffen, das wirtschaftlich herstellbar ist, eine hohe Betriebslebensdauer hat und nur geringe Wartung erfordert»

Diese und andere Ziele werden erfindungsgemäß durch ein Antriebselement erreicht, welches durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet ist: ein eindringendes Antriebselement, dessen Querschnitt durch an ihren Enden miteinander verbundene Segmente einer logarithmischen Spirale begrenzt ist_? ein aufnehmendes Antriebselement, dessen Querschnitt durch an ihren Enden miteinander verbundene Segmente der gleichen Spirale mit größerem Radius definiert ist_$ wobei bei dem eindringenden und dem aufnehmenden Antriebselement die eine Hälfte der Segmente einer Spirale im Uhrzeigersinn und die andere Hälfte

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der Segmente einer Spirale im Gegenuhrzeigersinn entsprechen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 die Entwicklung der zugrundeliegenden logarithmischen Spirale;

Fig. 2 die Anwendung der logarithmischen Spirale auf ein Segment des Antriebselements;

Fig. 3 eine Teilschnittansicht einer Pelletmühle, in der eine Anwendung des Antriebselements gezeigt ist; und

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 der Fig. 3» wobei der Antriebseingriff des Antriebselements gezeigt ist.

Zum besseren Verständnis wird zunächst die Anwendung der Erfindung auf die Antriebswelle einer Pelletmühle beschrieben« Nach dem Stand der Technik sind Schnellwechsel-Gesenk-Walzen-Anordnungen für Pelletmühlen bekannt. Eine derartige Anordnung ist in US-PS 5 911 550 beschrieben. Die Arbeitsweise und Funktion der Schnellwechsel-Pelletmühle werden daher nicht im einzelnen sondern nur insoweit beschrieben, als es für die Anwendung der Erfindung wesentlich ist. Zur Erläuterung ist jedoch in der Fig. 3 ein Teil einer Pelletmühle, genauer gesagt die Mühlenhauptwelle , die innere und die äußere Hohlwelle und der Getriebekasten, gezeigt. Der Getriebekasten 1 trägt die äußere Hohlwelle 2, die innere Hohlwelle 3 und die Hauptwelle 4, die einen Teil des Antriebs für die Pelletmühle darstellen.

Die innere und die äußere Hohlwelle 2 und 3 stehen miteinan-

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der mittels eines AntriebsZwischenelements 5 im Eingriff. Die Zentral- oder Hauptwelle 4, die innerhalb der beiden Hohlwellen untergebracht ist, ist gegen eine Drehung festgelegt, jedoch an dem hinteren Ende der Hauptwelle 4- axial lösbar und gegen eine axiale oder seitliche Bewegung mittels einer Mutter und einer Scheibe oder einer ähnlichen Vorrichtung (nicht gezeigt) gehalten. An dem Joch 6 des Arbeitsoder Vorderendes der Hauptwelle sind zwei oder mehrere Walzen 7 (nicht im ganzen gezeigt) angebracht. Diese Walzen können innerhalb des Pelletmühlen-Gesenks 8 rotieren, wodurch die Walze von dem Gesenk während dessen Rotation angetrieben ist. Die Walzen rotieren auf der inneren ringförmigen Arbeitsfläche 9 des Gesenks und extrudieren dadurch Material nach außen durch die im Gesenk radial geformten Löcher.

Ein Stützkragen 11 umgibt das Vorderende der Hauptwelle und hält das Lager 15 axial ortsfest an der Walzenwelle. Die Lagerhülse 12 trägt ein Lager 15 zur Drehlagerung der Hauptwelle 4- innerhalb der inneren Hohlwelle 3. Um die Hauptwelle herum ist überdies eine Rotationsdichtung 13 vorgesehen, um zu verhindern, daß Öl aus den Lagern in das zugeführte Material entweicht und daß zugeführtes Material aus dem Extrusionsbereich in die Lager eindringt.

Ein ähnliches Lager 16 für die äußere Hohlwelle ist zwischen der äußeren Hohlwelle und dem Getriebekastengehäuse 1 angebracht. Eine Dichtung 17 verhindert den Ölaustritt aus dem Getriebekasten. Überdies ist eine Dichtung 18 zwischen der inneren und der äußeren Hohlwelle angeordnet, damit das zugeführte Material nicht zum Antriebszwischenelement eindringt. Am hinteren Ende der äußeren Hohlwelle ist ein Lager 19 vorgesehen, um die äußere Hohlwelle im Getriebekastengehäuse drehbar zu lagern. Das Lager ist ebenfalls zur Verhinderung

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eines ülaustritts in geeigneter V/eise abgedichtet. Eine Zentrierbuchse 20 führt das hintere Ende der inneren Hohlwelle in der äußeren Hohlwelle. Die Anordnung der Lager und Dichtungen gestattet, daß die innere Hohlwelle 3 und die Hauptwelle 4- dadurch schnell von dem Getriebekasten getrennt werden können, daß die Haltemutter und die Scheibe entfernt und die Anordnung axial nach rechts in der Fig. 3 gleitend verschoben werden.

Das Gesenk 8 kann dadurch von der inneren Hohlwelle abgenommen werden, daß die Gesenkklemme (nicht gezeigt) entfernt wird, welche den Flansch der inneren Hohlwelle 3 und den Flansch des Gesenks 8 ergreift. Der Fachmann wird dabei erkennen, daß das Gesenk, die Walzen, das Joch, die Hauptwelle und die innere Hohlwelle zur Wartung ohne weiteres aus der Pelletmühle herausgenommen werden können.

Die Antriebskraft zur Drehung der äußeren Hohlwelle 2 wird an die äußere Hohlwelle durch das Antriebsgetriebe ΊΟ übertragen, welches mittels des Keils 23 an der äußeren Hohlwelle verkeilt ist. Das Antriebsgetriebe ist mittels eines nicht gezeigten Ritzelgetriebes angetrieben, welches seinerseits von der Kraftquelle angetrieben ist, die beispielsweise ein nicht gezeigter Elektromotor sein kann.

Damit die innere Hohlwelle aus der äußeren Hohlwelle herausgenommen werden kann und dennoch das zum Drehen des Gesenks erforderliche hohe Antriebsdrehmoment übertragen werden kann, ist ein Kopplungs- oder Antriebselement 5 erforderlich, wie dem Fachmann einleuchten wird. Dieses Antriebselement muß einerseits das auftretende hohe Drehmoment übertragen können und andererseits zur Erleichterung des Auseinandernehmens ohne weiteres leicht lösbar sein.

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In der Fig. 4- ist eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 4—4- der Fig. 3 dargestellt, in welcher das erfindungsgemäße Antriebselement gezeigt ist, welches die Erfordernisse dieser Betriebsweise erfüllt. Das Antriebselement ist eine spezielle Gestaltung eines nicht kreisförmigen ineinandergreifenden Antriebs mit einem eindringenden angetriebenen Element 30, welches auf der inneren Hohlwelle angeordnet ist, und einem aufnehmenden Antriebselement 40, welches wirkungsmäßig der umgebenden äußeren Hohlwelle zugeordnet ist. Das spezielle Antriebselement umfaßt sechs Segmente einer logarithmischen Spirale, die an ihren Enden miteinander verbunden sind; drei Segmente sind aus einer Spirale im Uhrzeigersinn geformt und drei Segmente aus einer Spirale im Gegenuhrzeigersinn mit dem gleichen Radius. Das aufnehmende Antriebselement ist in gleicher Weise aus der gleichen logarithmischen Spirale geformt, jedoch mit einem geringfügig größeren Radius.

Fig. 1 zeigt die Entwicklung der zugrundegelegten logarithmischen Spirale.

Fig. 2 zeigt die Anwendung der logarithmischen Spirale auf ein Segment eines Antriebselements. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und zur Förderung des Verständnisses der Erfindung wird das nachfolgende spezielle Beispiel für ein typisches Pellet-Mühlen-Antriebselement weiter ausgeführt. Bei dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Antriebselement die Gestalt eines dreiflügeligen Antriebs auf, der nachstehend als Vielflügel- bzw. Vielnocken-Antrieb bezeichnet wird. Wie bereits erwähnt, ist die Vielnockenflache aus einem Teil einer logarithmischen Spirale konstruiert.

Gemäß der Fig. 1 kann die zugrundeliegende logarithmische Spirale durch die Gleichung R = e definiert werden, wobei

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ίο -

e die Basis des natürlichen Logarithmus ist und den Wert von ungefähr 2,3025851 aufweist; a kann durch die folgende Gleichung definiert werden: a = Λ/taxi'Y . θ ist der Rotationswinkel ausgehend vom Beginn der Spirale und R ist der Radius der Spirale beim Winkel Θ.

Ύist als der Winkel definiert, unter dem die logarithmische Spirale eine radiale Projektion vom Mittelpunkt der Spirale aus kreuzt, und zwar mit Bezug auf die radiale Projektion. Der Komplementärwinkel von *P , d. h. 90 minus Ύ kann als Sperrwinkel oder Freigabe- bzw. Lösewinkel der Spirale gekennzeichnet werden.

Die besonders erwünschte Eigenschaft der in Fig. 1 abgebildeten logarithmischen Spirale besteht darin, daß der Winkel "*f für jede radiale Linie oder Projektion ausgehend vom Mittelpunkt der Kurve für jede gegebene logarithmische Spirale konstant ist. Der Winkel"V kann verändert werden, doch dies führt zu einer neuen Spirale, die beim Vielflügel-Antriebselement unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben wird.

Für die Zwecke des Pelletmühlen-Vielflügel-Antriebs wurde ein Winkel *¥ von 75 ausgewählt, und zwar aufgrund der Tatsache, daß Kegelpassungen mit einem Winkel von größer als 8° bezüglich der Mittellinie als selbstlösende Kegel zu bezeichnen sind. Der Sperrwinkel von 15° führt also zu einem selbstlösenden Antrieb. Es wird dabei in Betracht gezogen, daß der brauchbare Winkel für Hochleistungsantriebe innerhalb des Bereichs von 5 bis 20° (Ύ + 70 bis 85°) verändert werden kann, und zwar in Abhängigkeit von den Konstruktionsmaterialien und dem Ausmaß der zwischen den aneinandergepaßten Teilen gewünschten Verriegelung. Der Winkel 6 wird in Radian gemessen und bestimmt, welcher Abschnitt der

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logarithmischen Spirale definiert ist. Dadurch wird andererseits die Entfernung vom Mittelpunkt der Spirale zur Kurvenfläche bestimmt.

Die physische Größe der Teile und das von einem Teil zum anderen zu übertragende Drehmoment bestimmen die Anwendung der vorstehend genannten Gleichungen. Zur Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels wird beispielsweise angenommen, daß die Pelletmühle verschiedene Größenbegrenzungen aufweist, in welche das Vielflügel-Antriebselement eingepaßt sein muß. Der Bereich von R ist daher bekannt und die Gleichung kann für θ in den extremen Bedingungen gelöst werden, d. h. für den kleinsten und den größten Radius des Antriebs. Beispielsweise betrug der minimale Radius bei dem in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel 14,2875 cm (5 5/8 Zoll). Es war auch bekannt, daß ein Segment mit einer Kurvenlänge von 60° (560° dividiert durch 6) benötigt wurde.

Somit gilt, R = 5 5/8 = e^aÖ

5 5/8 = e⁰'^{2679 θ} oder In 5 5/8 = 0,2679 θ

θ = 6,4461 RAD

^a - ΪΞΓψ - ΈΖΗ75 = °'^2679;

bei Umwandlung in Gradangabe erhält man 369,3330°.

Dies bedeutet» daß bei diesem Beispiel der Abschnitt der Kurve bei "Z" beginnt, nachdem die Spirale um die Achse herum mehr als einmal entwickelt wurde. Zur Ermittlung des Radius am größeren Ende der Kurve werden zu dem oben genannten Wert 60° addiert und dann wiederum die Lösung für R ermittelt.

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Es gilt also: 369,5350° + 60° = 429,3330° = 7,4933 RAD R = e^a0 = e 0,2679 (7,4933) R = 7,4443 Zoll = 18,908522 cm;

nachdem nun die Endpunkte des Kurvenabschnitts gefunden sind, werden genügend Zwischenpunkte bestimmt, um ein Programm für eine numerisch gesteuerte Fräsmaschine schreiben zu können. Dieser Vorgang wurde mit 2 -Intervallen, beginnend mit 369,3 durchgeführt. Es ergab sich eine Reihe von Werten für θ und R für ein 60° Segment der Kurve. Unter Verwendung von drei Segmenten im Gegenuhrzeigersinn der Kurve und drei Segmenten im Uhrzeigersinn der Kurve ergab sich der Gesamtquerschnitt der Welle bzw. der Nabe. In der Fig. 2 bedeuten:

A = 60°-Segment im Gegenuhrzeigersinn der logarithmischen

Spirale
-Segment
Spirale.

B = 60°-Segment im Uhrzeigersinn der logarithmischen

Die wesentlichste Eigenschaft der Vielflügel-Gestalt besteht darin, daß das eindringende Teil nennenswert kleiner gemacht werden kann, als das aufnehmende Teil für jede Zusammenpassung, und daß dennoch keine hohen Druckbeanspruchungen erzeugt werden, wenn zwei Teile aneinander verriegelt werden. Um gerade dies zu erreichen, wird ein geringfügig unterschiedlicher Abschnitt der gleichen Spirale benutzt. Bei dem Ausführungsbeispiel wurde für die Oberfläche des eindringenden Teils ein Segment der Kurve von 369,3° bis 429,3° verwendet. Für die Oberfläche des aufnehmenden Teils wurde ein Abschnitt zwischen 370,9° und 430,9° verwendet. Dies ergab ein Durchmesserspiel von ungefähr 0,2032 cm zwischen dem eindringenden und dem aufnehmenden Teil. Wenn das eindringende Teil in das aufnehmende Teil eingesetzt und ein Drehmoment angelegt wurde, ergab sich eine Berührung über nahezu die gesamte

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Länge des Antriebssegments des Vielflügelelements (siehe Pig. 4). In der Pig. 4 ist der Zustand dargestellt, bei dem das aufnehmende Antriebselement das eindringende Antriebselement im Uhrzeigersinn antreibt. Wie zu sehen ist, wird etwa die Hälfte der Umfangsoberfläche zur Übertragung des Drehmoments ausgenutzt.

Ein weiteres Merkmal dieser Konstruktion besteht darin, daß die Welle sich in der Nabe bei Anlegung eines Drehmoments oder bei Drehung selbst zentriert. Überdies kann das Vielflügelelement, welches aus Spiralen im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn aufgebaut ist, in beiden Richtungen arbeiten. Wenn nur eine Rotationsrichtung erforderlich ist, kann eine Gruppe der Spiralen weggelassen werden.

Obwohl vorstehend die Erfindung mit Bezug auf einen dreiflügeligen Antrieb erläutert wurde, soll angemerkt werden, daß ein geeigneter Antrieb auch mit zwei oder mehreren Flügeln bzw. Nocken gebildet werden kann.

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Claims

PAVdNTANWAt-VE

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

DIPL.-PHYS. DIPL.-ING.

CALIFORNIA PELLET MILL COMPANY ir-75

U/w

30. 05. 1979

Wellenantriebselement

Patentanspruch e

Wellenantriebselement, gekennzeichnet durch ein eindringendes Koppelelement (30), dessen Querschnitt durch Segmente einer logarithmischen Spirale begrenzt ist, deren Enden miteinander verbunden sind, durch ein aufnehmendes Koppelglied (4-0), dessen Querschnitt durch an ihren Enden miteinander verbundene Segmente der gleichen Spirale mit größerem Radius begrenzt ist, und dadurch, daß sowohl bei dem eindringenden als auch bei dem aufnehmenden Koppelelement die eine Hälfte der Segmente einer Spirale im Uhrzeigersinn und die andere Hälfte der Segmente einer Spirale im Gegenuhrzeigersinn entspricht .

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D-7070 SCHWABISCH GMOND GEMEINSAME KONTEN: D-βΟΟΟ MÜNCHEN 70

Telefon: (07171) 56 90 Deutsche Bank AG PustsActkkomo Telefon: (089) 725 2071

H. SCHROETER Telegramme: Sdiroepac München 70/37 369 München K.LEHMANN Telegramme: Schroep«

Bodugasse49 Telex: 72« 868 pagdeä (BLZ 700 700 10) 1679 41-80* Lipowskystraße 10 Telex: 5212248 pawe d
2. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das eindringende Koppelelement (30) durch sechs an ihren Enden miteinander verbundene Segmente einer logarithmischen Spirale definiert ist und daß der Querschnitt des aufnehmenden Koppelelements (40) durch sechs Segmente der gleichen Spirale begrenzt ist.
3. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die logarithmische Spirale durch die Gleichung

R = e
definiert ist.
4. Antriebselement nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß a als der Reziprokwert der Tangente des Komplementärwinkels des Sperrwinkels definiert ist.
5. Antriebselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Sperrwinkel im Bereich zwischen 5 und 20 Grad liegt.
6.Antriebselement nach Anspruch 3» dadurch g ek e η η zeichnet , daß der Sperrwinkel ungefähr 15 Grad beträgt.
7. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das eindringende Koppelelement (30) im Antriebseingriff mit der inneren Hohlwelle (3) einer Pelletmühle steht, daß das aufnehmende Antriebselement (40) im Antriebseingriff mit der äußeren Hohl-

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welle (2) einer Pelletmühle steht, und daß das eindringende Antriebselement (30) und das aufnehmende Antriebselement (4-0) zur Bildung eines Kraftübertragungsantriebs zwischen der inneren und der äußeren Hohlwelle zusammenwirken.

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