DE102021132561A1

DE102021132561A1 - Gelenkverbindung, rotierende Einheit und Exzenterschneckenpumpe

Info

Publication number: DE102021132561A1
Application number: DE102021132561.7A
Authority: DE
Inventors: Charles O. Morgan; Gordon L. Fenton
Original assignee: Seepex GmbH
Current assignee: Seepex GmbH
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-06-15
Also published as: WO2023104388A1

Abstract

Gelenkverbindung (1) innerhalb einer rotierenden Einheit (2) einer Pumpe, insbesondere einer Exzenterschneckenpumpe (3), mit zumindest einem ersten Gelenkteil (A), das einen endseitigen Gelenkzapfen (10) aufweist und einem zweiten Gelenkteil (B), das zumindest eine endseitige Gelenkaufnahme (11) aufweist, in die der Gelenkzapfen (10) (zur Übertragung von Axialkräften und eines Drehmomentes) gelenkig eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gelenkteil (A) und/oder das zweite Gelenkteil (B) zumindest bereichsweise oder vollständig aus einem Werkstoff auf Basis eines thermoplastischen Hochleistungspolymers gefertigt ist/sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkverbindung innerhalb einer rotierenden Einheit einer Pumpe, insbesondere innerhalb einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe, mit zumindest einem ersten Gelenkteil, das einen endseitigen Gelenkzapfen aufweist und zumindest einem zweiten Gelenkteil, das zumindest eine endseitige Gelenkaufnahme aufweist, in die der Gelenkzapfen des ersten Gelenkteils zur Übertragung von Axialkräften und Drehmomenten gelenkig eingreift. Die Erfindung betrifft außerdem eine rotierende Einheit einer Pumpe, insbesondere einer Exzenterschneckenpumpe, mit einer oder mit mehreren solcher Gelenkverbindungen. Ferner betrifft die Erfindung eine Exzenterschneckenpumpe mit einem Antrieb, einem Stator und mit einer solchen rotierenden Einheit. Die rotierende Einheit weist eine oder mehrere Gelenkverbindungen und folglich Gelenke auf, die für die Übertragung von Drehmoment und Schub über einen gelenkigen Bewegungsbereich konzipiert sind.
Bei einer Exzenterschneckenpumpe handelt es sich um eine Pumpe aus der Gruppe der rotierenden Verdrängerpumpen, die zur Förderung unterschiedlicher Medien und insbesondere flüssiger Medien und auch hochviskoser Flüssigkeiten in unterschiedlichsten Industriebereichen verwendet werden. Die zu fördernden Flüssigkeiten können dabei z. B. auch Feststoffanteile enthalten.
Die Exzenterschneckenpumpe weist zumindest einen Stator, einen in dem Stator rotierenden Rotor, einen Antrieb für den Rotor und z. B. ein an den Stator angeschlossenes Pumpengehäuse auf, das je nach Betriebsweise auch als Sauggehäuse bezeichnet wird und das zumindest eine Gehäuseöffnung (z. B. Einlassöffnung) für das zu fördernde Medium aufweist. Der Antrieb (z. B. ein Elektromotor) arbeitet auf eine zentrisch rotierende Welle, bei der es sich z. B. um eine Antriebswelle oder auch eine Steckwelle handeln kann. Die (zentrisch) rotierende Welle arbeitet über eine Kupplungseinrichtung (z. B. eine Kuppelstange) auf den Rotor oder dessen Rotorkopf, der exzentrisch rotiert, so dass über die Kupplungseinrichtung die Exzentrizität erzeugt bzw. gewährleistet wird. So kann z. B. die Welle über eine erste Gelenkverbindung mit der Kupplungseinrichtung (z. B. Kuppelstange) verbunden sein und die Kupplungseinrichtung wiederum über eine zweite Gelenkverbindung mit dem Rotor bzw. dem Rotorkopf. Die rotierende Einheit einer solchen Exzenterschneckenpumpe umfasst folglich die von dem Antrieb angetriebene Welle, die Kupplungseinrichtung und den Rotor oder zumindest dessen Rotorkopf.
Der Stator besteht aus z. B. elastischem Material und er ist in der Regel von einem einteiligen oder mehrteiligen Statormantel bzw. Statorgehäuse (z. B. aus Metall) umgeben. Der elastische (z. B. elastomere) Stator kann dabei fest mit dem Statormantel verbunden sein, z. B. in diesen einvulkanisiert sein. Alternativ kann der Stator aber auch lösbar und damit austauschbar von dem Statormantel umgeben sein. Alternativ werden aber auch Statoren aus anderem Material, z. B. aus Metall erfasst. Das Pumpengehäuse wird in der Praxis auch als Sauggehäuse bezeichnet. Auf der dem Sauggehäuse abgewandten Seite des Stators ist z. B. ein weiteres Gehäuseteil vorgesehen, das als Anschlussstutzen, z. B. als Druckstutzen bezeichnet werden kann.
Exzenterschneckenpumpen der beschriebenen Art sind z. B. aus der DE 10 2014 112 552 A1 , DE 10 2010 037 440 A1 , WO 2009/024279 A1 , DE 10 2018 113 347 A1 oder DE 10 2016 121 581 A1 bekannt.
Bei derartigen Exzenterschneckenpumpen wird die Kupplungseinrichtung z. B. von einer Kuppelstange gebildet und die Gelenkverbindungen sind häufig als Bolzengelenke und/oder Kardangelenke ausgebildet. Die Kuppelstange ist zum Ausgleich exzentrischer Bewegungen über jeweils ein Bolzengelenk an einerseits den Rotor bzw. Rotorkopf und andererseits die Welle (z. B. Antriebswelle oder Steckwelle) angelenkt. Ein solches Bolzengelenk weist einerseits einen Gelenkzapfen und andererseits eine Gelenkaufnahme, z. B. Einsteckaufnahme für den jeweils zugeordneten Gelenkzapfen auf. Die Verbindung erfolgt über Kupplungszapfen, die in entsprechende Bohrungen der Bauteile eingesetzt sind.
Eine Exzenterschneckenpumpe mit Bolzengelenken im Bereich der Kuppelstange ist z. B. aus der DE 101 16 641 C2 bekannt.
Davon ausgehend beschreibt die DE 10 2006 058 166 A1 Bolzengelenke einer Exzenterschneckenpumpe, bei welchen in die Gelenkkopfbohrungen Führungsbuchsen eingesetzt sind.
Alternativ zu Bolzengelenken kommen auch flexible Verbindungen zum Einsatz. So beschreibt z. B. die DE 298 12 846 U1 eine Exzenterschneckenpumpe, bei der der Rotor, die Kuppelstange und die Verbindungswelle als einteiliges Bauteil aus thermoplastischem Kunststoff ausgeführt sind, wobei in diese rotierende Einheit gelenkbildende Einschnürungen integriert sind (vergleiche DE 298 12 846 U1 ).
Schließlich beschreibt die DE 10 2019 107 078 A1 ein Gelenk einer Exzenterschneckenpumpe, welches ein inneres Anschlussteil mit einer Außenkontur und ein äußeres Anschlussteil mit einer Innenkontur umfasst, wobei zwischen dem inneren Anschlussteil und dem äußeren Anschlussteil eine nachgiebige oder elastische Zwischenschicht angeordnet ist. Innenkontur und Außenkontur können sternförmig oder polygonförmig ausgebildet sein.
Die beschriebenen Gelenkverbindungen, die in der Praxis vor allem als Bolzengelenke ausgebildet sind, haben sich bei Exzenterschneckenpumpen seit Jahrzehnten hervorragend bewährt. Sie sind jedoch weiterentwicklungsfähig. Denn die Verbindungen innerhalb der rotierenden Einheit sind im Betrieb hohen Belastungen ausgesetzt, wobei nicht nur Drehmomente übertragen werden müssen, sondern es entstehen auch hohe Axialkräfte bzw. Axiallasten innerhalb der rotierenden Einheit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkverbindung zu schaffen, die sich als optimierte Alternative zu herkömmlichen Gelenken insbesondere innerhalb einer Exzenterschneckenpumpe bzw. einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe einsetzen lässt und mit der bei einfacher und wirtschaftlicher Konstruktion sowohl hohe Drehmomente als auch hohe Axiallasten übertragen bzw. aufgenommen werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung bei einer gattungsgemäßen Exzenterschneckenpumpe der eingangs beschriebenen Art, dass das erste Gelenkteil und/oder das zweite Gelenkteil (oder die mit diesen Gelenkteilen ausgerüsteten Komponenten einer rotierenden Einheit, z. B. Rotor, Rotorkopf, Welle, Kuppelstange) zumindest bereichsweise oder vollständig aus einem Werkstoff auf Basis eines thermoplastischen Hochleistungspolymers gefertigt sind. Die Gelenkverbindung besteht folglich aus Teilen oder Komponenten, die vollständig oder teilweise oder bereichsweise aus einem thermoplastischen Hochleistungspolymer oder auf Basis eines thermoplastischen Hochleistungspolymers und bevorzugt aus einem modifizierten Hochleistungspolymer bzw. Polymercompound gefertigt sind. Als Hochleistungspolymer kann ein teilkristallines und/oder aromatisches Polymer verwendet werden. Das Hochleistungspolymer kann (z. B. als Basispolymer) aromatische Molekülketten aus Paraphenylen enthalten, die sich mit Sulfidverbindungen abwechseln, und so eine teilkristalline Struktur bilden, deren Festigkeit mit steigender Temperatur zunimmt. Es kann sich z. B. um ein aromatisches Polysulfid handeln, z. B. Polyphenylensulfid (PPS). Alternativ kann es sich bei dem Hochleistungspolymer um ein aromatisches Polyetherketon (PEK) bzw. Polyaryletherketon (PAEK) handeln. Bei dem aromatischen Polyaryletherketon kann es sich z. B. um ein Polyetheretherketon (PEEK) handeln.
Optional wird als Werkstoff des jeweiligen Gelenkteils ein modifizierter Kunststoff verwendet, der einen Basiskunststoff bzw. ein Basispolymer und einen oder mehrere Zusätze aufweist, wobei der Basiskunststoff ein thermoplastisches Hochleistungspolymer ist, z. B. eines der beschriebenen, thermoplastischen Hochleistungspolymere. Der Kunststoff kann mit einem oder mehreren Zusätzen bzw. Additiven modifiziert/verstärkt sein, die einen Betrieb bei Temperaturen von mehr als 150 °C ermöglichen, die Reibung zwischen den Komponenten verringern und/oder das Material bei hohen Belastungen verstärken, z. B. bei vorübergehenden Momentspitzen. Durch geeignete Additivierung lässt sich die Reibung verringern, das Oberflächenelastizitätsmodul reduzieren, die Hochtemperaturleistung erhöhen und/oder die selbstschmierenden Eigenschaften verbessern. Außerdem lässt sich durch ein oder mehrere Additive die Belastungsfähigkeit der Komponenten erhöhen, insbesondere gegenüber Kompressionen durch hohe Axialkräfte sowie durch Scherkräfte durch die Drehmomentübertragung während des Betriebes.
Der modifizierte Kunststoff kann als Zusatz zumindest ein reibungsminderndes Additiv aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann der modifizierte Kunststoff als Zusatz zumindest ein verstärkendes Additiv aufweisen. Bei dem verstärkenden Additiv kann es sich um Verstärkungsfasern, z. B. anorganische Verstärkungsfasern handeln, z. B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, Basaltfasern, Borfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern und/oder Quarzfasern. Als reibungsmindernden Zusatz kann der Werkstoff ein Fluorpolymer, z. B. PTFE (Teflon) enthalten. Alternativ oder ergänzend kann der Werkstoff als reibungsmindernden Zusatz zumindest einen Festschmierstoff, z. B. Graphit, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid oder einen Festschmierstoff auf Basis von Keramik, Weichmetallen und/oder Edelmetallen oder Kombinationen davon enthalten.
Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass durch die beschriebene Zusammenstellung der Materialien (Hochleistungspolymer, Verstärkungszusatz und/oder reibungsmindernder Zusatz), z. B. PEEK, PTFE und Carbon) ein Werkstoff mit hervorragenden Eigenschaften, insbesondere ein selbstschmierender Werkstoff, für die erfindungsgemäße Gelenkverbindung verwendet wird. Der erfindungsgemäße Werkstoff eignet sich exzellent für die beschriebenen Anwendungen mit Bewegung und Verschleiß und folglich für den Einsatz in Gelenken. Zudem hat der beschriebene (selbstschmierende) Werkstoff einen äußerst niedrigen Gleitreibungskoeffizienten, wodurch sich der Wartungsaufwand deutlich minimieren lässt. Dank der höheren Abriebfestigkeit gegenüber anderen Materialien lässt sich eine längere Lebensdauer der Gelenke und damit insbesondere eine längere Standzeit der Pumpe erzielen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Werkstoff des jeweiligen Gelenkteils wie folgt zusammengesetzt:

Hochleistungspolymer (z. B. aromatisches Polymer: 30 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 60 Gew.-%, z. B. 50 Gew.-%
Verstärkungszusatz: 20 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 50 Gew.-%, z. B. 40 Gew.-%
Reibungsmindernder Zusatz: 1 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-%, z. B. 10 Gew.-%.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich Gelenkverbindungen und insbesondere Komponenten einer rotierenden Einheit einer Pumpe, z. B. einer Exzenterschneckenpumpe, hervorragend aus thermoplastischen Hochleistungskunststoffen und insbesondere modifizierten thermoplastischen Hochleistungskunststoffen der beschriebenen Art herstellen lassen. Diese Materialien zeichnen sich durch hervorragende Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, günstige Reibungseigenschaften und insbesondere ein hohes Maß an Beständigkeit gegenüber verschiedensten Medien und insbesondere auch aggressiven Medien und Chemikalien aus. Damit lassen sich die beim Einsatz herkömmlicher Metalle und herkömmlicher Kunststoffe im Bereich von Gelenkverbindungen in der Praxis auftretenden Probleme vermeiden. Es kann auch auf den Einsatz von Spezialmetallen bzw. Speziallegierungen und auf den Einsatz von keramischen Produkten verzichtet werden. Die beschriebenen Komponenten lassen sich sehr wirtschaftlich mit hervorragender Qualität herstellen und montieren. Mit den beschriebenen Werkstoffen lassen sich die gleichen oder auch höhere Festigkeiten erreichen wie mit herkömmlichen metallischen Legierungen. Die Oberflächenreibung lässt sich jedoch gegenüber Metallen oder Legierungen reduzieren und insbesondere zeichnet sich der Werkstoff durch eine deutlich verbesserte Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien und Chemikalien aus.
Der Einsatz thermoplastischer Hochleistungskunststoffe bietet außerdem vielfältige Möglichkeiten der Fertigung und Formgebung, so dass sich Gelenkverbindungen mit optimierter Geometrie wirtschaftlich herstellen lassen.
Die Gelenkverbindung kann (konstruktiv) z. B. als herkömmliche Bolzengelenkverbindung ausgebildet sein, bei der ein Gelenkzapfen in eine Gelenkaufnahme, z. B. eine Einsteckaufnahme eingreift und die Verbindung über einen zusätzlichen Kupplungszapfen realisiert wird, der in geeignete Bohrungen der Bauteile eingesetzt wird. Der erfindungsgemäße Werkstoff lässt sich folglich bei herkömmlichen Gelenkgeometrien einsetzen, insbesondere innerhalb einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe.
In besonders bevorzugter Ausführungsform wird jedoch eine neuartige, optimierte Gelenkgeometrie vorgeschlagen. So ist in bevorzugter Ausführungsform vorgesehen, dass der Gelenkzapfen eine zumindest bereichsweise sphärische oder teil-sphärische Außenkontur aufweist, in welcher über den Umfang verteilt mehrere taschenartige Vertiefungen integriert sind, zwischen denen über den Umfang verteilt mehrere, in radialer Richtung orientierte Flügel gebildet sind und
dass die Gelenkaufnahme eine (korrespondierende) zumindest bereichsweise sphärische oder (teil-)sphärische Innenkontur und mehrere von der (teil-) sphärischen Innenkontur in radialer Richtung nach innen vorkragende Vorsprünge aufweist, zwischen denen rinnenartige Ausnehmungen gebildet sind, wobei die Flügel der Gelenkzapfen in die Ausnehmungen der Gelenkaufnahme und die Vorsprünge der Gelenkaufnahme in die Vertiefungen des Gelenkzapfens greifen,
so dass (während des Betriebes) einerseits über das Zusammenwirken der (teil-)sphärischen Außenkontur und der (teil-)sphärischen Innenkontur Axialkräfte und andererseits über das Zusammenwirken der Flügel und der Vorsprünge ein Drehmoment übertragbar sind und zugleich Schwenkbewegungen zwischen dem ersten Gelenkteil und dem zweiten Gelenkteil ermöglicht werden.
Besonders bevorzugt ist die Gelenkverbindung derart ausgestaltet, dass Axialkräfte einerseits und Drehmoment andererseits über voneinander getrennte Bereiche der Gelenkverbindung übertragen werden, indem Axialkräfte ausschließlich über das Zusammenwirken der sphärischen oder (teil-)sphärischen Außenkontur und der sphärischen oder (teil-)sphärischen Innenkontur übertragen werden und Drehmomente ausschließlich über das Zusammenwirken der Flügel und Ausnehmungen und/oder der Vorsprünge und Vertiefungen übertragen werden.
Durch diese Maßnahmen wird eine neuartige Gelenkverbindung geschaffen, die insbesondere die herkömmlichen Bolzengelenke innerhalb einer rotierenden Einheit einer Pumpe, z. B. einer Exzenterschneckenpumpe ersetzen kann. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass Axialkräfte bzw. Druckkräfte innerhalb einer Gelenkverbindung optimal übertragen und aufgenommen werden, wenn maximale Oberflächen und folglich Gelenkflächen realisiert werden. Ferner geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass sich maximale und folglich optimale Oberflächen bei gleichzeitig minimalem Gesamtdurchmesser der Gelenkverbindung zur Übertragung maximaler Axiallasten durch eine sphärische Oberflächengestaltung, d. h. eine Kugelform bzw. Teil-Kugelform realisieren lassen. Da sich durch eine solche Gelenkgeometrie mit sphärischen Gelenkflächen zwar hohe Axialkräfte und folglich Druckkräfte aufnehmen und übertragen lassen, da jedoch ein ausschließlich sphärisches Design nicht für die Übertragung von Drehmomenten geeignet ist, wird erfindungsgemäß der sphärischen Grundform von Gelenkaufnahme und Gelenkzapfen jeweils eine Kontur zur Übertragung von Drehmomenten überlagert, indem einerseits der Gelenkzapfen mit taschenartigen Vertiefungen und Flügeln und andererseits die Gelenkaufnahme mit (korrespondierenden) Vorsprüngen und Ausnehmungen versehen ist, so dass diese Formschlusskonturen zur Übertragung von Drehmomenten flügelartig bzw. zahnradartig ineinandergreifen. So kann der Gelenkzapfen in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest drei Flügel und drei Vertiefungen, vorzugsweise vier Flügel und vier Vertiefungen aufweisen und die Gelenkaufnahme kann zumindest drei korrespondierende Vorsprünge und drei Ausnehmungen, z. B. vier Vorsprünge und vier Ausnehmungen aufweisen. Der Gelenkzapfen kann dabei an seinem kopfseitigen Ende einen Pilzkopf bilden und folglich eine Pilzkopfform aufweisen, wobei dieser Pilzkopf eine sphärische bzw. teil-sphärische Außenkontur aufweist, die in die Außenkontur der Flügel übergeht. Die Rückseite des Pilzkopfes zwischen den Flügeln im Übergang zu den taschenartigen Vertiefungen bilden Hinterschneidungen, so dass die Verbindung bei Beanspruchung auf Zug nicht ohne Weiteres gelöst wird. Dementsprechend kann die Gelenkaufnahme an ihrem inneren Ende eine pilzkopfförmige Ausnehmung bilden, dessen sphärische Innenkontur in die Innenkontur der rinnenartigen Ausnehmungen übergeht. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Axialkräfte ausschließlich über das Zusammenwirken der sphärischen oder teil-sphärischen Außenkontur bzw. Innenkontur des Pilzkopfes und der pilzkopfförmigen Ausnehmung übertragen werden und Drehmomente ausschließlich über die hinter dem Pilzkopf bzw. hinter der pilzkopfartigen Ausnehmung angeordneten Flügel und Ausnehmungen bzw. Vorsprünge und Vertiefungen übertragen werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Außenkontur des Gelenkzapfens in einem Querschnitt im Bereich der Flügel und Vertiefungen und folglich im Bereich, in dem Drehmomente übertragen werden, aus einer oder mehreren Zykloidkurven konstruiert. Dementsprechend kann die Innenkontur der Gelenkaufnahme in einem Querschnitt im Bereich der Vorsprünge und Ausnehmungen (ebenfalls) aus einer oder mehreren Zykloidkurven konstruiert sein. Besonders bevorzugt ist die Außenkontur des Gelenkzapfens und/oder die Innenkontur der Gelenkaufnahme jeweils aus einer Kombination aus einer Epizykloidkurve und einer Hypozykloidkurve konstruiert. Alternativ ist eine Kombination aus einer Epizykloidkurve und einer Epitrochoidkurve möglich. Die Zykloidkurve bzw. die Zykloidkurven können einer sphärischen Kontur mit gleichem Durchmesser und Ursprung überlagert sein.
Eine Zykloidkurve ist eine Kurve bzw. Bahn, die einen Punkt auf dem Umfang eines Kreises beschreibt, wenn dieser Kreis auf einer (beliebigen) Leitkurve abrollt. Sofern es sich um einen Punkt auf dem Umfang eines Kreises handelt, der wiederum außen auf einem zweiten Kreis abrollt, wenn also die Leitkurve selbst ein Kreis ist, wird diese Zykloidkurve als Epizykloid bezeichnet. Wenn der Punkt auf dem Kreisumfang innerhalb eines zweiten Kreises abrollt, spricht man dagegen von einer Hypozykloiden. Stets entstehen diese Kurven der gewöhnlichen Zykloide dann, wenn ein Punkt, der auf dem Kreisumfang des ersten Kreises selbst liegt auf einem zweiten Kreis als Leitkurve innen oder außen abrollt. Davon zu unterscheiden sind Konstruktionen, bei denen wiederum ein erster Kreis auf einen zweiten Kreis oder in einem zweiten Kreis abrollt, wobei jedoch der Punkt, der der Konstruktion zugrunde gelegt wird, nicht auf dem Kreisumfang des ersten Kreises liegt, sondern entweder außerhalb oder innerhalb des ersten Kreises. In diesem Fall entstehen dann keine gewöhnlichen Zykloide, sondern verlängerte oder verkürzte Zykloide, die auch als Trochoide bezeichnet werden. Rollt der Kreis außen ab, entsteht ein Epitrochoid. Rollt der Kreis innen ab, entsteht ein Hypotrochoid.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die für die Drehmomentübertragung verantwortliche Kontur im Bereich der Flügel, Ausnehmungen, Vorsprünge und/oder Vertiefungen durch eine Kombination aus einerseits einer Epizykloidkurve und andererseits einer Hypozykloidkurve konstruiert. Dazu wird auf die Figurenbeschreibung verwiesen.
Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass sich durch eine Geometrie auf Basis von Zykloiden bzw. Zykloidkurven und insbesondere durch eine Kombination verschiedenartiger Zykloidkurven eine optimierte Geometrie zur Übertragung von hohen Drehmomenten bei gleichzeitig geringem Gesamtdurchmesser der Gelenkverbindung realisieren lässt. So besteht die Möglichkeit, nicht nur die für die Kraftübertragung verantwortlichen Oberflächen zu vergrößern, sondern zugleich einen hohen Materialanteil - im Querschnitt betrachtet - auf Oberflächenbereiche zu verteilen, die eine maximale (radiale) Entfernung vom Mittelpunkt bzw. von der Achse des Gelenkes aufweisen.
Diese für die Drehmomentübertragung optimierte Kontur auf Basis von Zykloidkurven wird erfindungsgemäß kombiniert mit einer sphärischen oder teil-sphärischen Außenkontur für die Übertragung von Druck- oder Axialkräften. Damit wird die Möglichkeit einer optimalen Übertragung von Axialkräften einerseits und Drehmomenten andererseits in einer einheitlichen Geometrie kombiniert, um eine optimierte Gelenkverbindung zu schaffen, die sich z. B. innerhalb einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe einsetzen lässt. Da durch die erfindungsgemäße Geometrie jeweils individuell ein Schwerpunkt auf Axialkräfte einerseits und Drehmomente andererseits gelegt wird, lässt sich die Gelenkverbindung und damit auch die gesamte rotierende Einheit mit geringem Durchmesser realisieren.
Bei der beschriebenen, optimierten Geometrie mit sphärischen Konturen einerseits und Flügeln, Vertiefungen, Vorsprüngen und/oder Ausnehmungen andererseits, handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform, welcher im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Material der Komponenten besondere Bedeutung zukommt. So lässt sich eine Gelenkverbindung mit hervorragenden Festigkeitseigenschaften, hoher Temperaturbeständigkeit, günstigen Reibungseigenschaften und/oder einem hohen Maß an Beständigkeit gegenüber verschiedensten Medien mit optimierter Geometrie schaffen, die sowohl für die einwandfreie Übertragung von Drehmomenten als auch für die einwandfreie Übertragung von Druck- oder Axialkräften optimiert ist.
In besonders bevorzugter Weiterbildung greift der Gelenkzapfen unmittelbar und ohne elastische Zwischenschicht in die Gelenkaufnahme ein, so dass die Gelenkfunktion ausschließlich durch die Geometrie des Gelenkzapfens und der Gelenkaufnahme und nicht durch elastisches Material zwischen den beschriebenen Flächen realisiert ist.
Der Gelenkzapfen ist vorzugsweise einstückig ausgebildet und er kann z. B. einstückig an die Welle, z. B. Antriebswelle, Steckwelle oder dergleichen angeformt sein. In der gleichen Weise kann der Gelenkzapfen z. B. einstückig an den Rotor oder das Rotorende oder einen separaten Rotorkopf angeformt sein. Denn in einer bevorzugten Ausführungsform wird eine rotierende Einheit einer Pumpe, insbesondere einer Exzenterschneckenpumpe zur Verfügung gestellt, die eine angetriebene oder antreibbare Welle, einen exzentrisch zu der Welle rotierenden Rotor oder Rotorkopf und eine zwischen Welle und Rotor bzw. Rotorkopf angeordnete Kupplungseinrichtung zur Erzeugung der Exzentrizität zwischen Welle und Rotor bzw. Rotorkopf aufweist. Erfindungsgemäß ist die Welle, z. B. Antriebswelle oder Steckwelle, mit dem ersten Gelenkzapfen ausgerüstet. Der Rotor oder dessen Rotorkopf ist mit einem zweiten Gelenkzapfen ausgerüstet. Zwischen diesen Gelenkzapfen ist die Kupplungseinrichtung angeordnet, die eine herkömmliche Kuppelstange ersetzt und auch als Kuppelstange bezeichnet werden kann, wobei diese Kuppelstange sowohl antriebsseitig als auch rotorseitig jeweils eine Gelenkaufnahme aufweist, in die die (beiden) beschriebenen Gelenkzapfen gelenkig eingreifen. Diese Kupplungseinrichtung, die auch als Kuppelstange bezeichnet werden kann, kann einstückig mit den beiden Gelenkzapfen ausgebildet sein. Die Erfindung umfasst aber auch Ausführungsformen, bei denen - umgekehrt - die Kupplungseinrichtung mit einem oder mehreren Gelenkzapfen ausgerüstet ist und die Welle und/oder der Rotor mit korrespondierenden Gelenkaufnahmen.
Um die Montage der Gelenkverbindungen und insbesondere die Montage einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe zu vereinfachen, wird optional vorgeschlagen, die Gelenkaufnahme aus mehreren Segmenten, z. B. aus zwei Halbschalen zusammenzusetzen, die miteinander formschlüssig und lösbar verbunden sind, z. B. miteinander verschraubt oder verrastet sind, z. B. mittels Schraubverbindung und/oder Rast- oder Schnappverbindung.
Im Falle einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe ist z. B. eine zentrale Kupplungseinrichtung, z. B. eine Kuppelstange vorgesehen, die die beiden Gelenkaufnahmen aufweist. Diese Kuppelstange kann dann aus z. B. zwei Segmenten, z. B. zwei Halbschalen zusammengesetzt sein, so dass sich im Zuge der Montage die Gelenkzapfen, z. B. der Gelenkzapfen der Welle und der Gelenkzapfen des Rotors oder Rotorkopfes zwischen die Halbschalen setzen lässt, so dass die gelenkige Verbindung im Zuge des Zusammenfügens der beiden Halbschalen erfolgt. Die beiden Segmente bzw. Halbschalen unterscheiden sich dabei über die gesamte Länge der Kuppelstange und die Teilungsebene zwischen den Segmenten verläuft entlang der Längsrichtung der rotierenden Einheit bzw. Kuppelstange.
Wie bereits beschrieben, kann das erste Gelenkteil mit dem Gelenkzapfen eine angetriebene oder antreibbare Welle oder Teil einer Welle sein. Das erste Gelenkteil mit dem Gelenkzapfen kann auch Teil eines Rotors oder eines Rotorkopfes sein, z. B. innerhalb einer Exzenterschneckenpumpe. Das zweite Gelenkteil mit der Gelenkaufnahme kann eine von einer Welle angetriebene oder antreibbare Kupplungseinrichtung oder Teil einer Kupplungseinrichtung sein, z. B. Teil einer Kuppelstange. Es kann eine Kuppelstange innerhalb einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe realisiert sein, die endseitig jeweils ein zweites Gelenkteil der beschriebenen Art mit der Gelenkaufnahme aufweist.
Für die Übertragung des Drehmomentes ist die beschriebene Konstruktion wesentlich, die z. B. Flügel und/oder Ausnehmungen und/oder Vorsprünge und/oder Vertiefungen aufweisen kann. Diese Strukturen können in ihren jeweiligen Endbereichen z. B. spitz zulaufend unter Bildung eines sternförmigen Querschnittes oder auch abgerundet ausgebildet sein.
Optional können in die Gelenkaufnahme Funktionsaufnahmen, z. B. Ausnehmungen integriert sein, die z. B. Zusatzkomponenten aufnehmen können. Bei solchen Zusatzkomponenten kann es sich z. B. um elektronische Bauteile, vorzugsweise Sensoren handeln. Besonders bevorzugt können diese Funktionsaufnahmen in die Segmente, z. B. Halbschalen integriert sein.
Das Gelenkteil, z. B. das erste Gelenkteil und/oder zweite Gelenkteil, welches erfindungsgemäß aus dem beschriebenen Material besteht, lässt sich durch formgebende Fertigungsverfahren, wie z. B. das Spritzgießen, Spritzpressen, Pressen oder auch Extrudieren herstellen. Optional oder ergänzend können subtraktive Fertigungsverfahren, z. B. eine spanabhebende Bearbeitung eingesetzt werden. Ferner kann die Herstellung durch ein additives Fertigungsverfahren, z. B. durch 3D-Druck erfolgen. Sofern die jeweiligen Gelenkteile Bestandteile bestimmter Komponenten einer rotierenden Einheit (z. B. Welle, Kupplungseinrichtung/Kuppelstange, Rotorkopf oder Rotor) sind, lassen sich diese Bauteile unmittelbar einstückig mit dem jeweiligen Gelenkteil durch die beschriebenen Fertigungsverfahren herstellen, z. B. eine einstückige Kuppelstange mit endseitigen Gelenkaufnahmen.
Erfindungsgemäß besteht vor allem die Möglichkeit, die verwendeten Bauteile, z. B. die Gelenkteile oder auch die Welle, Kuppelstange und/oder den Rotor oder Rotorkopf, nicht homogen aus einem einzigen Werkstoff zu fertigen, sondern unterschiedliche Bereiche des Werkstückes aus unterschiedlichen Werkstoffen zu fertigen, um die Eigenschaften an die jeweiligen Gegebenheiten im Bereich des Werkstückes anzupassen. So können z. B. im Bereich der Oberflächen der sphärischen Außenkontur und Innenkontur einerseits und der taschenartigen Vertiefungen und vorkragenden Vorsprünge bzw. Ausnehmungen und Flügel andererseits unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, die Festigkeit in Bereichen besonders hoher Belastung anzupassen und/oder die Reibungseigenschaften in Bereichen mit hohen Relativbewegungen anzupassen. Dazu können die erfindungswesentlichen Werkstoffe verwendet werden, und zwar mit selektiv an den jeweiligen Bereich angepassten Materialeigenschaften, indem z. B. derselbe Basiskunststoff bzw. dasselbe Basispolymer in unterschiedlichen räumlichen Bereichen der Gelenkverbindung unterschiedlich additiviert ist. So kann in Bereichen, in denen die Festigkeit im Vordergrund steht, eine Additivierung mit Verstärkungsfasern zweckmäßig sein. In Oberflächenbereichen, in denen bestimmte Reibungseigenschaften im Vordergrund stehen, kann eine entsprechende Additivierung mit reibungsmindernden Zusätzen vorgesehen sein. Insgesamt bietet die Erfindung vielfältige und variable Optimierungsmöglichkeiten.
In diesem Zusammenhang ist die eingangs beschriebene Konstruktion vorteilhaft, bei der Axialkräfte einerseits und Drehmomente andererseits in unterschiedlichen Bereichen des jeweiligen Gelenkteils übertragen werden bzw. verschiedene Bereiche des Gelenkteils für die Übertragung unterschiedlicher Kräfte eingerichtet sind, so dass gezielt eine Anpassung der jeweiligen Fläche oder des jeweiligen Bereichs durch Auswahl eines geeigneten Werkstoffs erfolgen kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert, die lediglich ein Ausführungsbeispiel zeigen. Es zeigen

1 eine Exzenterschneckenpumpe in einer vereinfachten Seitenansicht,
2a bis 2e einen Teil einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe nach 1 in verschiedenen Ansichten,
3a bis 3d einen Rotorkopf mit einem ersten Gelenkteil in verschiedenen Ansichten,
4a bis 4d eine Kupplungseinrichtung bzw. Kuppelstange mit zweiten Gelenkteilen in verschiedenen Ansichten und
5a bis 5d eine Welle einer rotierenden Einheit mit einem ersten Gelenkteil in verschiedenen Ansichten.

In 1 ist eine Exzenterschneckenpumpe 3 dargestellt, die in ihrem grundsätzlichen Aufbau einen Stator 4, einen in dem Stator 4 rotierenden Rotor 5 und einen Antrieb 9 für den Rotor 5 aufweist. Die Exzenterschneckenpumpe kann ein (zentrales) Pumpengehäuse 21 aufweisen, das auch als Sauggehäuse 21 bezeichnet wird. In diesem Fall ist das Pumpengehäuse 21 saugseitig an den Stator 4 angeschlossen. Auf der gegenüberliegenden Seite des Pumpengehäuses ist an den Stator 4 z. B. ein weiteres Gehäuseteil 23 angeschlossen, das auch als Druckstutzen 23 bezeichnet wird. Das Pumpengehäuse 21 weist eine Gehäuseöffnung 22 auf, die z. B. als Einlassöffnung für das zu fördernde Medium dient, so dass - je nach Betriebsrichtung - das Medium z. B. von dem Pumpengehäuse über den Stator/Rotor zu dem Druckstutzen gefördert wird. Der Antrieb treibt eine Welle 7 an, die als Antriebswelle oder auch als Steckwelle ausgebildet ist oder bezeichnet wird. Diese Welle 7 rotiert zentrisch. Der Rotor 5 ist mit seinem Ende, das auch als Rotorkopf 6 bezeichnet wird, über eine Kupplungseinrichtung 8 mit der Welle 7 verbunden. Die Welle 7 ist über eine Gelenkverbindung 1 mit der Kupplungseinrichtung 8 verbunden und der Rotor bzw. der Rotorkopf 6 ist über eine Gelenkverbindung 1 mit der Kupplungseinrichtung 8 verbunden, so dass die exzentrische Bewegung des Rotorkopfes 6 gewährleistet wird. Es sind folglich zwei Gelenkverbindungen 1 realisiert, zum einen zwischen Welle 7 und Kupplungseinrichtung 8 und zum anderen zwischen Kupplungseinrichtung 8 und Rotor bzw. Rotorkopf 6. Die von dem Antrieb 9 rotierend angetriebene Einheit aus Welle 7, Kupplungseinrichtung 8 und Rotor (oder zumindest Rotorkopf) wird auch als rotierende Einheit bezeichnet, in die bevorzugt zwei Gelenkverbindungen 1 bzw. Gelenke integriert sind.
Jede dieser beiden Gelenkverbindungen 1 weist jeweils ein erstes Gelenkteil A auf, das einen endseitigen Gelenkzapfen 10 aufweist und ein zweites Gelenkteil B, das eine endseitige Gelenkaufnahme 11 aufweist, wobei der Gelenkzapfen 10 des ersten Gelenkteils A zur Übertragung von Axialkräften und Drehmomenten gelenkig in die Gelenkaufnahme 11 des zweiten Gelenkteils B eingreift. Der Ausgestaltung dieser Gelenkteile A, B bzw. der Gelenkaufnahme 11 und des Gelenkzapfens 10 kommt erfindungsgemäß besondere Bedeutung zu.
So ist vorgesehen, dass der Gelenkzapfen 10 eine zumindest bereichsweise sphärische oder teil-sphärische Außenkontur 12 aufweist, in welcher über den Umfang verteilt mehrere taschenartige Vertiefungen 14 integriert sind, zwischen denen über den Umfang verteilt mehrere, in radialer Richtung orientierte Flügel 15 gebildet sind. Dementsprechend weist die Gelenkaufnahme 11 eine korrespondierende, zumindest bereichsweise sphärische oder teil-sphärische Innenkontur 13 und mehrere von dieser Innenkontur in radialer Richtung nach innen vorkragende Vorsprünge 16 auf, zwischen denen rinnenartige Ausnehmungen 17 gebildet sind. Die Flügel 15 des Gelenkzapfens 10 greifen in die Ausnehmungen 17 der Gelenkaufnahme 11 und die Vorsprünge 16 der Gelenkaufnahme 11 greifen in die Vertiefungen 14 des Gelenkzapfens 10. Auf diese Weise werden während des Betriebes und folglich während der Rotation der rotierenden Einheit 2 einerseits über das Zusammenwirken der sphärischen Außenkontur 12 und der sphärischen Innenkontur 13 Axialkräfte übertragen/aufgenommen und andererseits über das Zusammenwirken der Flügel 15 und der Vorsprünge 16 ein Drehmoment übertragen und zugleich werden durch diese Konstruktion Schwenkbewegungen zwischen dem ersten Gelenkteil A und dem zweiten Gelenkteil B ermöglicht.
Die dargestellte Ausführungsform zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass Axialkräfte einerseits und Drehmoment andererseits über voneinander getrennte Bereiche der Gelenkverbindung 1 übertragen werden. Denn Axialkräfte werden ausschließlich über das Zusammenwirken der sphärischen oder teil-sphärischen Außenkontur 12 und der sphärischen oder teil-sphärischen Innenkontur 13 aufgenommen oder übertragen. Demgegenüber werden Drehmomente ausschließlich über das Zusammenwirken der Flügel 15 und Ausnehmungen 17 und/oder der Vorsprünge 16 und Vertiefungen 14 übertragen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Gelenkzapfen 10 vier Flügel 15 und vier Vertiefungen 14 auf und die Gelenkaufnahme 11 weist vier Vorsprünge 16 und vier Ausnehmungen 17 auf, so dass eine vierflüglige Geometrie zur Übertragung der Drehmomente realisiert ist. Dabei ist in den Figuren erkennbar, dass der Gelenkzapfen 10 an seinem kopfseitigen Ende einen Pilzkopf 18 bildet, dessen sphärische Außenkontur 12 in die Flügel 15 übergeht. Die Rückseite des Pilzkopfes 18 zwischen den Flügeln 15 bilden im Übergang zu den taschenartigen Vertiefungen 14 eine Hinterschneidung 20. Die Gelenkaufnahme 11 bildet an ihrem inneren Ende eine pilzkopfförmige Ausnehmung 19, deren sphärische Innenkontur 13 in die Innenkontur der rinnenartigen Ausnehmungen 17 übergeht. Damit werden Axialkräfte ausschließlich über das Zusammenwirken der sphärischen Konturen 12, 13 des Pilzkopfes 18 bzw. der pilzkopfförmigen Ausnehmung 19 übertragen. Drehmomente werden ausschließlich über die hinter dem Pilzkopf 18 und hinter der pilzkopfartigen Ausnehmung 19 angeordneten Flügel 15 und Ausnehmungen 17 sowie Vorsprünge 16 und Vertiefungen 14 übertragen.
Aus den Zeichnungen wird folglich sehr gut (beispielhaft) deutlich, dass die Konstruktion unterschiedliche Bereiche für die Übertragung von Axialkräften einerseits und Drehmomenten andererseits zur Verfügung stellt. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass einerseits über die sphärischen Konturen optimal Axialkräfte, z. B. Druckkräfte übertragen werden bzw. solche Axialkräfte aufgenommen werden, die in einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe von enormer Bedeutung sind und gegebenenfalls deutlich höher oder gegebenenfalls auch mehrere Größenordnungen höher sein können als die zu übertragenden Drehmomente. Die flügelartige Konstruktion zur Übertragung der Drehmomente ist gleichsam in die sphärische Kontur integriert bzw. dieser überlagert. Durch diese Konstruktion lassen sich trotz der sphärischen Konturen, die eigentlich für die Übertragung von Drehmomenten nicht geeignet sind, Drehmomente übertragen.
In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die flügelartigen Konstruktionen zur Übertragung des Drehmomentes durch eine besonders vorteilhafte Geometrie gekennzeichnet, denn die Außenkontur 12 des Gelenkzapfens 10 ist in einem Querschnitt im Bereich der Flügel 15 und der Vertiefungen 14 aus einer oder aus mehreren Zykloidkurven konstruiert. Gleiches gilt für die Innenkontur 13 der Gelenkaufnahme 11, die in einem Querschnitt im Bereich der Vorsprünge 16 und Ausnehmungen 17 aus einer oder aus mehreren Zykloidkurven konstruiert ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Außenkontur 12 und die Innenkontur 13 jeweils aus einer Kombination aus einer Epizykloidkurve und einer Hypozykloidkurve konstruiert. Diese Ausgestaltung ist vor allem deshalb vorteilhaft, weil für die Übertragung der Drehmomente eine hohe Oberfläche zur Verfügung gestellt wird und dennoch maximal Material und Oberfläche in Bereichen der Verbindung, die in radialer Richtung weit weg von der Rotationsachse positioniert sind. Denn in diesen Bereichen, die im Zuge der Rotation in radialer Richtung weit entfernt vom Mittelpunkt bzw. von der Rotationssachse liegen, entstehen maximale Kräfte, die durch die erfindungsgemäße Konstruktion gut aufgenommen werden.
Im Übrigen ist in den Figuren erkennbar, dass die Kuppelstange 8 und damit auch die darin integrierten Gelenkteile B mit den Gelenkaufnahmen 11 aus jeweils zwei Segmenten 11A, 11A zusammengesetzt sind, die Halbschalen bilden und die miteinander formschlüssig und lösbar verbunden sind, z. B. miteinander verschraubt oder auch durch eine Schnappverbindung verrastet werden. Dadurch lässt sich die rotierende Einheit 2 einfach montieren.
Erfindungsgemäß sind die in den Figuren dargestellten Bauteile A und B und insbesondere den Rotorkopf 6, die Welle 7 und die Kuppelstange 8 (bereichsweise oder vollständig) aus einem thermoplastischen Hochleistungspolymer oder auf Basis eines thermoplastischen Hochleistungspolymers gefertigt, bei dem es sich z. B. um ein teilkristallines und/oder aromatisches Polymer handeln kann, z. B. PPS, PAEK oder PEEK. Bevorzugt wird als Werkstoff für diese Komponenten ein modifizierter Kunststoff verwendet, der einen Basiskunststoff und einen oder mehrere Zusätze aufweist, wobei der Basiskunststoff das beschriebene Hochleistungspolymer sein kann. Als Zusätze kommen z. B. ein reibungsminderndes Additiv und/oder ein verstärkendes Additiv infrage, wobei es sich bei dem verstärkenden Additiv z. B. um Verstärkungsfasern handeln kann. Als reibungsminderndes Additiv kann ein Fluorpolymer, zum Beispiel PTFE, verwendet werden.
Die dargestellten Komponenten 6, 8 und/oder 7 lassen sich auf Basis eines Hochleistungskunststoffes durch Spritzgießen, Spritzpressen, Formpressen oder Extrudieren oder auch durch ein additives Fertigungsverfahren, z. B. durch 3D-Druck herstellen. Dabei besteht auch die Möglichkeit, unterschiedliche Bereiche der Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften zu konstruieren, so dass z. B. stark beanspruchte Bereiche aus einem Werkstoff mit höherer Festigkeit und Bereiche mit hohen Relativbewegungen mit reibungsmindernden Eigenschaften gefertigt werden können. Dazu können die Komponenten z. B. auf der Basis desselben Basispolymers gefertigt werden und zugleich eine unterschiedliche Additivierung in unterschiedlichen Bereichen zur Anpassung an die gewünschten Eigenschaften erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014112552 A1 [0005]
DE 102010037440 A1 [0005]
WO 2009/024279 A1 [0005]
DE 102018113347 A1 [0005]
DE 102016121581 A1 [0005]
DE 10116641 C2 [0007]
DE 102006058166 A1 [0008]
DE 29812846 U1 [0009]
DE 102019107078 A1 [0010]

Claims

Gelenkverbindung (1) innerhalb einer rotierenden Einheit (2) einer Pumpe, insbesondere einer Exzenterschneckenpumpe (3), mit zumindest einem ersten Gelenkteil (A), das einen endseitigen Gelenkzapfen (10) aufweist und einem zweiten Gelenkteil (B), das zumindest eine endseitige Gelenkaufnahme (11) aufweist, in die der Gelenkzapfen (10) (zur Übertragung von Axialkräften und eines Drehmomentes) gelenkig eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gelenkteil (A) und/oder das zweite Gelenkteil (B) zumindest bereichsweise oder vollständig aus einem Werkstoff auf Basis eines thermoplastischen Hochleistungspolymers gefertigt ist/sind.
Gelenkverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gelenkteil (A) und/oder das zweite Gelenkteil (B) vollständig aus einem Werkstoff auf Basis eines thermoplastischen Hochleistungspolymers gefertigt sind.
Gelenkverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Hochleistungspolymer ein teilkristallines und/oder aromatisches Polymer verwendet wird.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des ersten Gelenkteils (A) und/oder des zweiten Gelenkteils (B) ein modifizierter Kunststoff ist, der einen Basiskunststoff und einen oder mehrere Zusätze aufweist, wobei der Basiskunststoff ein thermoplastisches Hochleistungspolymer, vorzugsweise ein teilkristallines und/oder aromatisches Polymer ist.
Gelenkverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der modifizierte Kunststoff als Zusatz zumindest ein reibungsminderndes Additiv aufweist.
Gelenkverbindung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der modifizierte Kunststoff als Zusatz zumindest ein verstärkendes Additiv aufweist.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochleistungspolymer ein aromatisches Polysulfid ist.
Gelenkverbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aromatische Polysulfid ein Polyphenylensulfid (PPS) ist.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochleistungspolymer ein aromatisches Polyetherketon bzw. Polyetherarylketon (PAEK) ist.
Gelenkverbindung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das aromatische Polyetherarylketon ein Polyetheretherketon (PEEK) ist.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff als verstärkendes Additiv Verstärkungsfasern, z. B. anorganische Verstärkungsfasern, z. B. enthält, z. B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, Basaltfasern, Borfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern und/oder Quarzfasern.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff als reibungsmindernden Zusatz ein Fluorpolymer, z. B. PTFE (Teflon) enthält.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff als reibungsmindernden Zusatz zumindest einen Festschmierstoff, z. B. Graphit, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid oder einen Festschmierstoff auf Basis von Keramik, Weichmetallen und/oder Edelmetallen oder Kombinationen davon enthält.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff wie folgt zusammengesetzt ist: Hochleistungspolymer, z. B. aromatisches Polymer 30 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 60 Gew.-%, z. B. 50 Gew.-% Verstärkungszusat: 20 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 50 Gew.-%, z. B. 40 Gew.-% reibungsmindernder Zusatz 1 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-%, z. B. 10 Gew.-%.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gelenkteil (A) und/oder das zweite Gelenkteil (B) aus dem Werkstoff auf Basis des Hochleistungskunststoffes durch Spritzgießen, Spritzpressen, Formpressen oder Extrudieren hergestellt ist.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gelenkteil (A) und/oder das zweite Gelenkteil (B) durch ein additives Fertigungsverfahren, z. B. durch 3D-Druck, hergestellt ist/sind.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkzapfen (10) eine zumindest bereichsweise sphärische oder (teil-)sphärische Außenkontur (12) aufweist, in welcher über den Umfang verteilt mehrere taschenartige Vertiefungen (14) integriert sind, zwischen denen über den Umfang verteilt mehrere, in radialer Richtung orientierte Flügel (15) gebildet sind und dass die Gelenkaufnahme (11) eine zumindest bereichsweise sphärische oder (teil-)sphärische Innenkontur (13) und mehrere von der sphärischen bzw. (teil-)sphärischen Innenkontur in radialer Richtung nach innen vorkragende Vorsprünge (16) aufweist, zwischen denen rinnenartige Ausnehmungen (17) gebildet sind, wobei die Flügel (15) des Gelenkzapfens (10) in die Ausnehmungen (17) der Gelenkaufnahme (11) und die Vorsprünge (16) der Gelenkaufnahme (11) in die Vertiefungen (14) des Gelenkzapfens (10) greifen, so dass einerseits über das Zusammenwirken der (teil-)sphärischen Außenkontur (12) und der (teil-) sphärischen Innenkontur (13) Axialkräfte übertragen werden und andererseits über das Zusammenwirken der Flügel (15) und der Vorsprünge (16) ein Drehmoment übertragen wird und zugleich Schwenkbewegungen zwischen dem ersten Gelenkteil (A) und dem zweiten Gelenkteil (B) ermöglicht werden.
Gelenkverbindung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche für die Übertragung der Axialkräfte einerseits und die Bereiche für die Übertragung des Drehmomentes andererseits oder zumindest deren Oberflächen aus unterschiedlichen Materialien gefertigt bzw. mit unterschiedlichen Oberflächenmaterialien versehen sind.
Gelenkverbindung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass Axialkräfte einerseits und Drehmoment andererseits über voneinander getrennte Bereiche der Gelenkverbindung (1) übertragen werden, indem Axialkräfte ausschließlich über das Zusammenwirken der sphärischen oder (teil-)sphärischen Außenkontur (12) und der sphärischen oder (teil-)sphärischen Innenkontur (13) übertragen werden und Drehmomente ausschließlich über das Zusammenwirken der Flügel (15) und Ausnehmungen (17) und/oder der Vorsprünge (16) und Vertiefungen (14) übertragen werden.
Gelenkverbindung nach einem der Anspruche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkzapfen (10) zumindest drei Flügel (15) und drei Vertiefungen (14), z. B. vier Flügel und vier Vertiefungen, und die Gelenkaufnahme (11) zumindest drei korrespondierende Vorsprünge (16) und drei Ausnehmungen (17), z. B. vier Vorsprünge und vier Ausnehmungen aufweist.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkzapfen (10) an seinem kopfseitigen Ende einen Pilzkopf (18) bildet, dessen (teil-)sphärische Außenkontur (12) in die Außenkontur der Flügel (15) übergeht und dass die Rückseite des Pilzkopfes (18) zwischen den Flügeln (15) im Übergang zu den taschenartigen Vertiefungen (14) Hinterschneidungen (20) bilden.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkaufnahme (11) an ihrem inneren Ende eine pilzkopfförmige Ausnehmung (19) bildet, deren sphärische Innenkontur (13) in die Innenkontur der rinnenartigen Ausnehmungen (17) übergeht.
Gelenkverbindung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass Axialkräfte ausschließlich über das Zusammenwirken der sphärischen oder (teil-)sphärischen Außenkontur (12) bzw. Innenkontur (13) des Pilzkopfes (18) bzw. der pilzkopfförmigen Ausnehmung (19) übertragen werden und Drehmomente ausschließlich über die hinter dem Pilzkopf (18) bzw. der pilzkopfartigen Ausnehmung (19) angeordneten Flügel (15) und Ausnehmungen (17) bzw. Vorsprünge (16) und Vertiefungen (14) übertragen werden.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkzapfen (10) unmittelbar ohne elastische Zwischenschicht in die Gelenkaufnahme (11) eingreift, so dass die Gelenkfunktion ausschließlich durch die Geometrie des Gelenkzapfens (10) und der Gelenkaufnahme (11) und nicht durch elastisches Material realisiert ist.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkzapfen (10) einstückig ausgebildet ist und/oder dass die Gelenkaufnahme (11) aus zumindest zwei Segmenten (11 a, 11b), z. B. zwei Halbschalen, zusammengesetzt ist, die miteinander formschlüssig und lösbar verbunden sind, z. B. miteinander verschraubt sind.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (12) des Gelenkzapfens (10) in einem Querschnitt im Bereich der Flügel (15) und Vertiefungen (14) aus einer oder mehreren Zykloidkurven konstruiert ist und/oder dass die Innenkontur (13) der Gelenkaufnahme (11) in einem Querschnitt im Bereich der Vorsprünge (16) und Ausnehmungen (17) aus einer oder mehreren Zykloidkurven konstruiert ist.
Gelenkverbindung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (12) des Gelenkzapfens (10) und/oder die Innenkontur (13) der Gelenkaufnahme (11) jeweils aus einer Kombination aus einer Epizykloidkurve und einer Epitrochoidkurve oder aus einer Kombination aus einer Epizykloidkurve und einer Hypozykloidkurve konstruiert ist bzw. konstruiert sind.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gelenkteil (A) mit dem Gelenkzapfen (10) eine (angetriebene oder antreibbare) Welle (7) oder Teil einer Welle (7) ist und/oder dass das zweite Gelenkteil (B) mit der Gelenkaufnahme (11) eine (z. B. von einer Welle angetriebene oder antreibbare) Kupplungseinrichtung (8) oder Teil einer Kupplungseinrichtung (8) ist und/oder dass das erste Gelenkteil (A) mit dem Gelenkzapfen (10) Teil eines Rotors (5) oder eines Rotorkopfes (6) ist, z. B. Teil eines Rotors (5) oder Rotorkopfes (6) in einer Exzenterschneckenpumpe (3) ist.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gelenkaufnahme (11) Funktionsaufnahmen, z.B. Ausnehmungen, für Zusatzkomponenten, z.B. für elektronische Bauteile, vorzugsweise für Sensoren, integriert sind, wobei diese Funktionsaufnahmen bevorzugt in die Segmente (1 1a, 11 b), z.B. Halbschalen, integriert sind.
Gelenkverbindung nach einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der Oberflächen der sphärischen Außenkontur (12) und Innenkontur (13) einerseits und der taschenartigen Vertiefungen (14) und vorkragenden Vorsprünge (16) bzw. Ausnehmungen (17) und Flügel (15) andererseits unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden.
Rotierende Einheit (2) einer Pumpe, insbesondere einer Exzenterschneckenpumpe (3), mit zumindest einer Gelenkverbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gelenkteil (A) mit dem Gelenkzapfen (10) eine Welle (7) oder Teil einer Welle (7) ist und dass das zweite Gelenkteil (B) mit der Gelenkaufnahme (11) eine von der Welle angetriebene Kupplungseinrichtung oder Teil einer Kupplungseinrichtung (8) ist.
Rotierende Einheit nach Anspruch 31, mit einer angetriebenen oder antreibbaren Welle (7), einem exzentrisch zu der Welle rotierenden Rotor (5) oder Rotorkopf (6) und einer zwischen Welle (7) und Rotor (5) bzw. Rotorkopf (6) angeordneten Kupplungseinrichtung (8) zur Erzeugung der Exzentrizität, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (7) einen ersten Gelenkzapfen (10) aufweist, der gelenkig in eine erste Gelenkaufnahme (11) der Kupplungseinrichtung (8) eingreift und dass der Rotor (5) oder dessen Rotorkopf (6) einen zweiten Gelenkzapfen (10) aufweist, der gelenkig in eine zweite Gelenkaufnahme (11) der Kupplungseinrichtung (8) eingreift.
Exzenterschneckenpumpe (3) mit einem Antrieb (9), einem Stator (4) und mit einer rotierenden Einheit (2) nach Anspruch 31 oder 32.