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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Überlastung einer Welle-Nabe-Verbindung.
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Welle-Nabe-Verbindungen sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt. Typische Welle-Nabe-Verbindungen umfassen eine zylindrische Welle und eine ebenso geformte Nabe. Zur verdrehfesten Verbindung von Welle und Nabe hat es sich etabliert, in die Welle eine Nut einzuarbeiten die mit einer Passfeder ausgestattet ist, die in eine entsprechende Nut, die in der Nabe vorgesehen ist, formschlüssig eingeführt wird.
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Die Nabe kann auf diese Weise so leicht auf die Welle aufgesteckt werden, dass ein anschließendes Entfernen des Aufnahmeteils noch möglich ist. Andererseits ist durch die Passfeder eine feste radiale Position des Aufnahmeteils auf der Welle vorgesehen. Das Aufnahmeteil ist also gegen Durchdrehen gesichert.
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Sensoren zur Bestimmung des Drehmoments an einer Welle sind ebenfalls in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Die Drehmomenterfassung kann unterschiedlichen Prinzipien folgen und entweder absolute oder relative Werte liefern. Eine exakte Drehmomentmessung ist jedoch aufwendig und die zugehörige Vorrichtung oftmals kostspielig.
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In der
DE10205089 ist eine Passfeder mit integriertem Sensor beschrieben. Die dort beschriebene Passfeder ist mit einer Messvorrichtung ausgestattet, die es ermöglicht Zustandsgrößen in der Welle-Nabe-Verbindung zu ermitteln.
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In vielen Anwendungen einer Welle-Nabe-Verbindung ist die Bestimmung des Drehmoments ausschließlich im Fall einer Störung notwendig, wofür der Aufwand einer entsprechenden Messvorrichtung nicht lohnend ist.
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Aus der
DE 2830198 A1 ist eine Klemmvorrichtung zur Verbindung koaxial angeordneter Konstruktionselemente bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Überlastung einer Welle-Nabe-Verbindung in einfacher Weise feststellbar darzustellen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll preiswert sein, einfach in ihrer Handhabung und die Möglichkeit bieten in bestehende Geräte nachgerüstet zu werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren sind, dass es zur Detektion einer Überlastung einer Welle-Nabe-Verbindung, wobei zur radialen Verbindung eine Passfeder mit Ausnehmungen, nämlich durchgängigen Bohrungen, Löchern und/oder Schlitzen, eingesetzt wird, wobei bei oder nach dem Auftreten der Überlastung eine Verformung der Ausnehmungen in der Passfeder festgestellt wird.
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Wichtige Merkmale bei einer Passfeder zur drehfesten Verbindung einer Welle-Nabe-Verbindung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind, dass in der Welle und in der Nabe jeweils eine Nut vorgesehen ist, in die die Passfeder einbringbar ist, dass in der Passfeder Ausnehmungen vorgesehen sind, die eine Verformung der Passfeder ermöglichen, und dass die Verformung der Passfeder nachweisbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Passfeder die Überlastung zwar registriert, die weitere Übertragung des Drehmoments aber nicht gestört ist, wobei eine Erhöhung des Spiels die Übertragung nicht stört.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in die Passfeder Ausnehmungen eingearbeitet sind, die sich bei einem definierten Drehmoment in kontrollierter Weise irreversibel, elastisch Verformen. Von Vorteil ist dabei, dass eine Überlastung der Welle-Nabe-Verbindung festgehalten werden kann. Ein weiterer Vorteil ist dabei, dass die verformte Passfeder bei Bedarf auf einfache Weise austauschbar ist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Form und Anordnung der Ausnehmungen derart gestaltet, dass die Passfeder sich bei mindestens einem Schwellenwert des angreifenden Moments verformt. Die Passfeder ist hier derart gestaltet, dass die Verformung schrittweise bei unterschiedlichen Belastungen einsetzt. Von Vorteil ist dabei, dass die Überlastung der Welle-Nabe-Verbindung in diskreten Schritten bestimmbar ist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung sind die Ausnehmungen in der Passfeder derart gestaltet, dass eine Verformung umkehrbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Passfeder nach dem Nachweis einer Überlastung wiederverwertbar ist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zum Bestimmen einer Überlast in die Passfeder einbringbar. Von Vorteil ist dabei, dass die Überlast ohne einen Ausbau der Passfeder darstellbar ist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist den Mitteln zur Detektion der Verformung eine Auswerteschaltung nachgestellt, die eine Regulierung der an der Welle-Nabe-Verbindung anliegenden Momente ermöglicht, insbesondere eine Reduktion zur Vermeidung von Schäden am Gesamtsystem. Von Vorteil ist dabei, dass eine mittels Steuerschaltung mithilfe des Signals der Auswerteschaltung direkt auf die Überlast Aktoren entsprechend aktivierbar sind.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Passfeder derart gestaltet, dass sie eine Sollbruchstelle enthält. Von Vorteil ist dabei, dass die Verbindung bei einer Überlastung unterbrochen wird und somit die weiteren Komponenten des Systems geschont werden.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Passfeder derart gestaltet, dass sie bereits vorhandene Passfedern in Welle-Nabe-Verbindungen ersetzt. Von Vorteil ist dabei, dass bereits bestehende Welle-Nabe-Verbindungen mit der erfindungsgemäßen Passfeder nachrüstbar sind.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2
- Nabe
- 3
- Aufnahmeteil
- 4
- Anzeigemittel
- 5
- Passfeder
- 6
- Ausnehmung
- 7
- Sensor
- 8
- Arbeitsbereich vor der Überlastung
- 9
- Arbeitsbereich nach der Überlastung
- 10
- kritischer Drehmomentwert
- 11
- Anschlussleitung
- b
- Passfederbreite
- M
- Drehmoment
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Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist eine Welle-Nabe-Verbindung in Schnittansicht dargestellt.
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2 zeigt als Draufsicht Passfedern mit unterschiedlichen Arten von Ausnehmungen.
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3 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Passfederbreite b über dem Drehmoment M.
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In 4 ist als Draufsicht eine Passfeder mit einem Sensor und Anschlussleitung 11 dargestellt.
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Die 1 veranschaulicht die Welle-Nabe-Verbindung, bei der eine Passfeder 5 zum Einsatz kommt, die zur formschlüssige Übertragung des Drehmoments zwischen Welle 1 und Nabe 2 eines Aufnahmeteils 3 dient. Die Passfeder 5 ist in einer Nut der Welle 1 vorgesehen.
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In der 1 sind auch Anzeigemittel 4 vorgesehen, die einen erste Pfeil auf dem Aufnahmeteil 3 und einen zweiten auf der Welle 1 umfassen. Nach Montage und im Normalbetrieb, also beim Übertragen von Drehmoment, das unterhalb eines maximal zulässigen Wertes liegt, zeigen die Spitzen der Pfeile aufeinander.
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Der maximal zulässige Wert ist bestimmt durch die ausgewählten Dimensionen und die verwendeten Materialien. Der maximal zulässige Wert liegt vorzugsweise im Bereich des Übergangs zwischen dem elastischen und dem inelastischen Bereich. Ein Überlasten führt also zu bleibender Verformung der Passfeder.
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Dabei sind die Pfeile derart vorsehbar, dass sie sich in allen Betriebspunkten des Normalbetriebs gegenüberstehen. Bei einer Beobachtung mit Stroboskop ist somit keine Abweichung mit bloßem Auge feststellbar. Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Passfeder derart vorsehbar, dass abhängig vom übertragenen Drehmoment eine entsprechende Abweichung der Pfeilspitzen voneinander ablesbar ist – gegebenenfalls unter Verwendung optischer Hilfsmittel. Insbesondere können die Anzeigemittel zusätzlich mit einer entsprechenden Skala zum Messen der Abweichungen ausgestattet werden und es kann ein Wert für Drehmoment somit bestimmt werden. Dies gilt solange der maximal zulässige Wert nicht überschritten wurde, also alle vorigen Betriebspunkte im elastischen Bereich liegen.
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Bei der Erfindung nach 1 ist die Passfeder derart ausgeführt, dass ein Überschreiten des maximal zulässigen Wertes an durch die Welle-Nabe-Verbindung übertragenem Drehmoment, also eine am inelastischen Bereich liegende Belastung, zu einer bleibenden Verschiebung der einen Pfeilspitze gegen die andere führt.
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Wenn das Drehmoment höhere Werte annimmt, kann es entweder in der Welle-Nabe-Verbindung 4 oder in anderen an der Drehmomentübertragung beteiligten Komponenten des Gesamtsystems, zu Verformungen oder gar zu Zerstörung einzelner Bauteile kommen.
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Bei der Erfindung wird also die Passfeder als Mittel zum Detektieren eines Auftretens von unzulässig hohem Drehmoment verwendet. Hierzu ist sie entsprechend ausgeführt.
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Die Passfeder 5 ist also zur Analyse der Ursachen für Zerstörung verwendbar. Beispielsweise ist sie hilfreich, wenn in einem Antriebsstrang, umfassend mehrere erfindungsgemäße Passfederverbindungen, eine Überlastung auftritt.
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Die 2a–d zeigen verschiedene erfindungsgemäße Passfedern 5 mit unterschiedlichen Arten von Ausnehmungen 6. Bei Überlastung an der Passfeder 5 ergeben sich daraus unterschiedliche Verformungsbilder, also unterschiedliche Verformungen der Passfeder.
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Die Ausnehmungen 6 sind als durchgängige Bohrungen, als Nuten oder sonstig geformte Hohlräume ausführbar.
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Die Ausnehmungen 6 in 2a sind symmetrisch angelegt und führen zu einer Quetschung der Passfeder 5 bei Überlastung. Die Ausnehmungen 6 sind alle identisch, sodass die Verformung bei einem kritischen Drehmomentwert einsetzt. Nach dieser irreversiblen Verformung ist die Passfeder 5 weiter verwendbar, wobei allerdings der Wert für Spiel in der Welle-Nabe-Verbindung erhöht ist.
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Die schräge Anordnung der im Gegensatz zu 2a jeweils kleineren Ausnehmungen 6, wie sie in 2b dargestellt ist, führt zu einer Quetschung, die erst bei höheren Belastungen, also einem höheren kritischen Drehmomentwert, einsetzt als bei der in 2a dargestellte Passfeder 5. Die Verformung ist bei dieser Ausführungsform nur sehr gering, wodurch die weitere Benutzung der Welle-Nabe-Verbindung 4 gewährleistet bleibt. Die Erhöhung des Spiels ist geringer als bei 2a.
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Bei einer Anordnung wie sie in 2c schematisch skizziert ist, wird im Fall einer Überlastung die Passfeder 5 durch eine Scherung verformt, wobei der kritische Drehmomentwert durch die Größe der Ausnehmungen 6 und dem dazwischenliegenden Material definierbar ist. Die Erhöhung des Spiels nach Verformung ist dadurch reduziert.
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Bei einer Anordnung wie sie in 2d schematisch skizziert ist, wird im Fall einer Überlastung die Passfeder 5 ebenfalls schräg verformt, wobei der kritische Drehmomentwert durch Lage und Breite der Ausnehmungen 6 definierbar ist. Auch der Wert für die Spielerhöhung nach Verformung ist dadurch bestimmt.
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Das Diagramm in 3 zeigt den zugehörigen hysteretischen Verlauf der Relation zwischen der Passfederbreite b und dem Drehmoment M. Der obere Teil der Kurve, die Neukurve, die die Passfederbreite vor der Überlast 8 wiedergibt, bleibt solange konstant, bis der durch die Konstruktion festgelegte kritische Drehmomentwert 10 erreicht ist. Unter Einwirkung des zu hohen Drehmoments wird die Passfeder 5 irreversibel verformt und erhält die neue Passfederbreite b, die im unteren Ast der Kurve, die die Breite nach der Überlast 9 wiedergibt, dargestellt ist. Da die Passfeder 5 dann diese Passfederbreite b beibehält, kann das Gesamtsystem weiterhin im Betrieb bleiben. Eine Belastung der Passfeder auch im Drehmomentbereich größer dem kritischen Drehmomentwert 10 ist auch weiterhin möglich.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele wird die Passfeder 5 nach der genannten Verformung ausgetauscht, insbesondere bei einer Wartung. Die Verformung ist detektierbar mittels Beobachtung der Anzeigemittel 4 oder durch einen Sensor 7, der nachfolgend näher erläutert wird.
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In 4 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt, bei der die Passfeder 5 reversibel betrieben wird, also im elastischen Bereich. In einer der Ausnehmungen 6 ist ein Sensor 7 vorgesehen, der einen Wert für Belastung der Passfeder 5 ermittelt. Somit sind Werte für von der Passfeder 5 übertragenes Drehmoment, in ihr herrschende Temperatur und/oder weitere Größen detektierbar.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Sensor mit zumindest einer weiteren Vorrichtung zur Übermittelung der Werte verbunden. Somit ist eine Steuerung und/oder Regelung einer Maschine oder eines Antriebsstranges ausführbar unter Berücksichtigung dieser Größen. Insbesondere ist die entsprechende Information übermittelbar an Bedienpersonal.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Sensor beispielsweise als verformungsabhängiger Schalter ausgeführt, der bei Überschreiten eines gewissen Drehmomentwertes geschlossen wird und nach Unterschreiten wieder geöffnet ist. Als Schalter ist auch eine im Normalbetrieb durchtrennte Leitung vorsehbar. Es sind aber auch druckabhängige Schalterelemente vorsehbar. Da sich die Passfeder 5 im reversiblen Bereich nach der Überlastung 10 wieder in ihre Ausgangsform zurückverformt, kann diese Anordnung vielfache Überlastungen in der Welle-Nabe-Verbindung 4 detektieren und mittels der entsprechenden Kommunikationsmittel nach außen weiterleiten.
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Die Weiterleitung des Sensorsignals von der Passfeder 5 zur weiteren Auswertung erfolgt mittels Schleifkontakten an der Welle, optischen Signalen, Funkwellen oder auf induktivem Weg.
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Als Teil der Kommunikationsmittel sind Feldbussysteme oder einfache Bussysteme verwendbar.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind die Komponenten derart elektronisch oder physikalisch gestaltet, dass ihre Resonanzfrequenz durch die Formveränderung der Ausnehmungen veränderbar ist. Somit ist eine externe elektronische Schaltung vorzusehen, die eine Fernabfrage ermöglicht.
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Bei dieser Ausführungsform ist dem Signal des Sensors 7 eine Auswerteschaltung nachschaltbar, die das an der Welle-Nabe-Verbindung 4 anliegende Drehmoment derart reduziert, sodass kein Schaden an den weiteren Komponenten des Gesamtsystems entsteht.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist das Aufnahmeteil 3 ein Rad, ein Zahnrad oder ein beliebiges Maschinenteil.
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Die in den 2a–d und 4 dargestellten Passfedern 5 sind als geradstirnige Passfedern skizziert. In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind rundstirnige Passfedern verwendbar. Ebenso ist die Lage der Ausnehmungen radial, axial oder auch in beliebiger Richtung vorsehbar.
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Vorteiligerweise ist die Passfeder 5 derart ausgeführt, dass sie ohne besonderen Aufwand aus der Nut entfernbar ist, insbesondere von Hand.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Passfeder 5 mehrteilig ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfacherer Wechsel nach der Verformung der Passfeder ermöglicht ist.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Passfeder 5 an einer Welle-Nabe-Verbindung an einer am Gehäuse der Antriebseinheit herausstehenden Endbereich der Antriebswelle vorzusehen. Die Antriebseinheit wird beispielsweise dargestellt durch ein Getriebe, einen Motor, insbesondere einen Elektromotor, eine Kupplung oder sonstige Verbindungen zwischen Welle und Nabe.