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Bolzen
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Die Erfindung betrifft einen Bolzen zum Verbinden zweier mit koaxialen
Bohrungen versehener Teile und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bolzens.
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Zur Verbindung, Befestigung und Kupplung mechanischer Teile sind eine
Vielzahl von Einrichtungen und Verfahren bekannt.
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Bei Vorliegen bestimmter Randbedingungen, wie Kosten, Festigkeit,
Lebensdauer, Biegewechselspannungen, Zuverlässigkeit, Wartung etc. reduziert sich
die Anzahl der verfügbaren Mittel drastisch. Im vorliegenden Fall geht es um die
Verbindung zweier mechanischer Teile, die unter Wahrung einer bestimmten Elastizität
so miteinander verbunden werden sollen, daß statische und dynamische Spannungen
reduziert werden, Stoßbelastungen aufgenommen und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
kompensiert werden. Dabei sollen über die Verbindung jedoch gleichzeitig hohe Kräfte
übertragbar sein.
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Ein Beispiel für eine solche Verbindung stellt die Befestigung einer
Bremsscheibe an einer Nabe dar. Üblicherweise wird diese mit einer Vielzahl von
radial gerichteten Bolzen an entsprechenden Bortsätzen der Nabe verschraubt. Die
Bolzen sind von Federhülsen umgeben, die einerseits gewisse Durchmesserschwankungen
der Bohrungen sowie unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen Reibscheibe und Scheibennabe
kompensieren und andererseits Scherkräfte übertragen. Insbesondere bei Schienenfahrzeug-Bremsscheiben
beim Befahren schlechter Schienenstrecken infolge der hier außerordentlich großen
Fahrstöße, aber auch im Balle, daß die radial ausgefluchteten Bohrungen nicht exakt
angeordnet sind, kann es zu hohen Spannungskonzentrationen an einigen der Hülsen
bzw. Bolzen kommen.
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Diese Verbindungselemente werden sich somit stärker und schneller
abnutzen als die übrigen. Ist erst einmal eine gewisse Abnutzung in Gang gekommen,
schreitet diese bekanntlich immer schneller fort, was zu einem Ausschlagen der betreffenden
Bohrungen und schließlich zu einem Beschädigen der miteinander verbundenen Teile
selbst führen kann. Aus den dargelegten Gründen ist die übliche Verbindung der Bremsscheibe
mit der Radnabe bei einer Schienenfahrzeug-Scheibenbremse nachteilig.
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Ähnliche Nachteile treten immer dann auf, wenn zwei Teile miteinander
verbunden werden sollen, die unterschiedlichen dynamischen Belastungen unterworfen
sind und aus diesem Grunde eine gewisse elastische Bewegungsfreiheit gegeneinander
aufweisen müssen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungselement
für zwei mit unterschiedlichen Kräften beaufschlagte mechanische Teile zu schaffen,
das in der Lage ist, gewisse Verformungen bzw. Verlagerungen elastisch aufzunehmen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch glöst, daß in dem Bereich
des Bolzens, der mit einem Teil in Eingriff steht, eine Büchse koaxial angeordnet
ist, deren Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Bolzens ist und
der dadurch gebildete Ringraum von einer Büchse und Bolzen verbindenden elastischen
Masse ausgefüllt ist. Damit wird erreicht, daß zwischen die beiden Teile eine Art
Gummilager geschaltet wird, das einerseits Stöße, insbesondere die erwähnten, hohen
Fahrstöße und Vibrationen sowie die Wärmedehnungen auffängt und andererseits auch
ermöglicht, nicht genau fluchtende Bohrungen miteinander zu verbinden. Falls die
auftretenden Spannungen ein gewisses Maß überschreiten, wird es zunächst zu einer
Zerstörung bzw. Verdrängung der elastischen Masse kommen, was im Zuge einer Routinewartung
leicht feststellbar ist. Somit braucht nur der betreffende Bolzen ausgewechselt
zu werden, ohne daß Gefahr besteht, daß auch eines der mit dem Bolzen verbundenen
Teile beschädigt wurde. Im Falle der Verbindung einer Bremsscheibe mit der Nabe
eines Schienenfahrzeugs wird sich von vornherein eine gleichmäßigere Lastaufteilung
über die Gesamtheit der eingesetzten Bolzen ergeben, da die elastische Masse sich
in gewissen Grenzen verformen kann und Fluchtungsfehler damit kompensiert werden.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung sind auf dem Bolzen zwei voneinander
getrennte Büchsen angeordnet, die mit je einem der zu verbindenden Teile in Eingriff
stehen. Damit wird die Elastizität der Verbindung noch erhöht.
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Es ist von Vorteil, wenn der Bolzen abgestuft ist und der Außendurchmesser
des dickeren Bolzenbereichs gleich dem Außendurchmesser der Büchse ist. Die miteinander
zu verbindenden Teile können in diesem Fall mit Bohrungen gleichen Durchmessers
versehen werden, die beispielsweise in einem Arbeitsgang gebohrt sind, um Fluchtungsfehler
zu vermeiden.
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Um die Elastizität der Verbindung weiter zu erhöhen, kann die Büchse
als an sich bekannte Federbüchse ausgebildet sein.
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Zur Erhöhung der Haftung der elastischen Masse am Bolzen können die
Flächen des Bolzens, die mit der elastischen Masse verbunden sind, geriffelt, mit
Gewinde versehen oder aufgerauht sein. Damit können auch in geringem Maße Axialkräfte
übertragen werden. Sollen größere Axialkräfte übertragen werden, kann nach einer
Weiterbildung der Erfindung der Bolzen einen radialen Bund aufweisen, an dem eine
Hülse mit einem entsprechend ausgebildeten radialen Flansch anliegt, wobei sich
die elastische Masse auch zwischen Bund und Flansch befindet.
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Als elastische Masse wird vorteilhaft ein formbarer thermoplastischer
Kunststoff eingesetzt. Bevorzugt wird dabei Polyurethan, Polyfluorkohlenwasserstoff,
synthetischer Gummi, Polyester oder ein anorganisches Polymer.
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Erfindungsgemäß wird der Bolzen so hergestellt, daß er zusammen mit
einer Hülse in eine Spritzgußform eingelegt wird und die elastische Masse in flüssigem
oder halb flüssigem Zustand in den Hohlraum zwischen Bolzen und Hülse eingebracht
wird und dort aushärtet, wobei sie sich mit den entsprechenden Oberflächen fest
verbindet.
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Mit der Erfindung wird ein Verbindungselement geschaffen, das, eine
gewisse Standardisierung vorausgesetzt, in der Industrie zur elastischen Verbindung
einzelner Teile allgemein anwendbar ist.
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Nachfolgend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 die Befestigung
einer Bremsscheibe an einer Scheibennabe von Schienenfahrzeugen, Fig. 2 einen Querschnitt
durch einen Bolzen mit einer Büchse, Fig. 3 einen Querschnitt durch eine andere
Ausführungsform mit zwei Büchsen, Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch Bremsscheibe
und Scheibennabe, die mittels eines erfindungsgemäßen Bolzens verbunden sind, Fig.
5 einen schematischen Querschnitt bzw. eine Seitenansicht eines Bolzens für allgemeine
Anwendungen und Fig. 6 einen schematischen Querschnitt eines Bolzens für die Aufnahme
radialer und axialer Kräfte.
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Ein Beispiel für zwei mechanische Teile, die unter Wahrung einer gewissen
Elastizität miteinander verbunden werden müssen, stellen Bremsscheibe 1 und Nabe
2 der Bremsvorrichtung eines Schienenfahrzeugs dar (Fig. 1). Üblicherweise erfolgt
die Befestigung in der gezeigten Art, d.h. Scheibe 1 wird mittels radial gerichteter
Bolzen 4 in entsprechende fingerartige Fortsätze der Nabe 2 eingeschraubt. Bolzen
4 selbst hat einen geringeren Durchmesser als die Bohrungen, die er durchsetzt.
Um den Bolzen herum sind daher ein oder zwei Federhülsen 6 angeordnet, die durch
entsprechende Einschnitte in axialer Richtung federnd ausgebildet sind, so daß Unterschiede
im Durchmesser zwischen der Bohrung in der Nabe und einer zugehörigen Bohrung in
der Bremsscheibe in gewissem Umfang aufgefangen werden können. Auch Fluchtung
fehler
lassen sich damit korrigieren. Der Bolzen 4 wird einerseits durch seinen Kopf und
eine Beilagscheibe und am freien Ende ebenfalls durch eine Beilagscheibe gesichert,
die mittels einer versplinteten Kronenmutter 8 festgehalten wird.
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Bei einer Beaufschlagung der Bremsscheibe 1 durch die (nicht gezeigten)
Bremsklötze wird diese gegenüber der Nabe 2 abgebremst, wobei Bolzen 4 auf Scherung
beansprucht wird. Sehr hohe Beanspruchungen ergeben sich beim Überfahren von Schienenstößen.
Ein Großteil der Scherkräfte wird von den Federhülsen 6 aufgenommen. Falls die Bohrungen
jedoch nicht genau fluchten, übernehmen einige der am Umfang gleichmäßig verteilten
Bolzen einen höheren Anteil der zu übertragenden Kräfte. Dies kann unter Umständen
zu örtlichen Spannungskonzentrationen führen, die ein Fließen des Materials zur
Folge haben. Eine einmal auftretende.Beschädigung vergrößert sich sprunghaft und
führt schließlich zu einem Ausschlagen der Bohrungen und damit auch zu einer Beschädigung
der Bremsscheibe 1 bzw. der Nabe 2.
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Anstelle der in Fig. 1 gezeigten Bolzen wird nun vorgeschlagen, Bolzen
zu verwenden, wie sie in Fig. 2 und 3 schematisch dargestellt sind. Die Anordnung
der Bolzen kann dabei so wie in Fig. 1 dargestellt vorgenommen werden.
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Fig. 2 zeigt einen abgestuften Bolzen 10, der in eine axiale Bohrung
der Bremsscheibe 1 satt und möglichst ohne Spiel eingeführt ist. Der Bolzen 10 ist
etwa im Bereich der Trennfuge zwischen Bremsscheibe 1 und Nabe 2 abgestuft. Über
dem Bereich kleineren Durchmessers des Bolzens 10 ist eine Büchse 12 angeordnet,
die mit dem Bolzen 10 über eine elastische Masse 14 verbunden ist, die den Ringraum
zwischen Bolzen und Büchse 12 ausfüllt. Die axiale Erstreckung von Büchse 12 entspricht
etwa der Breite der Nabe 2 in diesem Bereich.
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Die Oberfläche des Bolzens 10 ist im Bereich der elastischen Masse
14 geriffelt bzw. mit Gewinde versehen, um die Haftung der elastischen Masse 14
zu erhöhen. Das freie Ende des Bolzens 10 ist in üblicher Weise mit einem Gewinde
versehen, auf das eine Kronenmutter 16 aufgeschraubt ist. Wie gezeigt, können zwischen
Bolzenkopf und Bremsscheibe einerseits und Kronenmutter 16 und Nabe 2 andererseits
jeweils Beilagscheiben angeordnet sein.
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Büchse 12 kann sich infolge der Verformbarkeit der elastischen Masse
14 sowohl in radialer Richtung verschieben als auch in einem Winkel zur Achse verschwenken.
Geringfügige Fluchtungsfehler zwischen den Bohrungen in Scheibe 1-und Nabe 2 können
dadurch aufgenommen werden. Ebenso werden Wärmedehnungen der Bremsscheibe 1 relativ
zur Nabe 2 durch elastische Verformung der Masse 14 aufgenommen, ohne daß zwischen
Bolzen 10 und Bremsscheibe 1 oder Büchse 12 und Nabe 2 ein Gleiten auftritt. Beim
Betrieb der Bremse unvermeidliche Stöße und Vibrationen werden stark gedämpft auf
die Nabe bzw. in umgekehrter Richtung weitergegeben.
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Kommt es trotzdem zu einer übermäßigen Beanspruchung eines Bolzens,
wird die elastische Masse 14 schließlich zerstört, wodurch Bolzen 10 selbst weitgehend
kräftefrei wird. Die Zerstörung beschränkt sich also auf die elastische Masse 14
und greift nicht auf die Bohrungen bzw. Teile 1 und 2 über.
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In Fig. 3 ist eine Ausführungsform des Bolzens 10 mit zwei Büchsen
12 und 18 gezeigt, die jeweils in entsprechenden Bohrungen der Scheibe 1 bzw Nabe
2 ohne Spiel eingeführt sind. Die Trennung zwischen den beiden Hülsen 12 und 18
liegt im Bereich der Trennfuge zwischen Scheibe 1 und Nabe 2. Bolzen 10 ist ähnlich
wie bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform auf der Fläche, die mit der elastischen
Masse in Berührung kommt, geriffelt bzw. mit Gewinde versehen, um einerseits die
Haftung der elastischen Masse zu
erhöhen und andererseits die Übertragbarkeit
auch gewisser axialer Kraftkomponenten zu ermöglichen. Der in Fig. 3 gezeigte Bolzen
ermöglicht eine größere elastische Verschiebung der beiden zu verbindenden Teile
gegeneinander. In noch größerem Maße als bei dem in Fig. 2 gezeigten Bolzen sind
Korrekturen in der Ausfluchtung der Bohrungen in den beiden zu verbindenden Teilen
möglich.
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Schlagartige Stöße werden in noch höherem Maße aufgefangen und gleichmäßig
verteilt. Eine axiale Belastung des Bolzens führt zu seiner Verschiebung, die wiederum
durch Beilagscheiben in gewählten Grenzen gehalten werden kann. Ein Ausschlagen
der Bohrungen ist bei der Ausführungsform nach Fig. 3 noch weniger wahrscheinlich
als bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Zunächst wird die elastische
Masse 14 zerstört, was zu einer Lockerung des Bolzens 10 führt, die bei einer Routineüberwachung
leicht feststellbar und durch Ersetzen des Bolzens behebbar ist.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die elastische Hasse
14 niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Sie behindert daher den Wärmeübergang von
der sich bei Bremsungen stark erhitzenden Bremsscheibe1 auf die Nabe 2, die infolgedessen
relativ kühl bleibt. Der üblicherweise zwischen der Nabe 2 und der nicht dargestellten,
sie tragenden Welle des Schienenfahrzeug-Radsatzes vorgesehene Preßsitz wird daher
nicht durch Wärmedehnungen der Nabe 2 beeinträchtigt. Weiterhin bleiben auch die
Welle und deren Lagerungen kühler, so daß keine durch Aufheizen von der Bremsscheibe
1 her bedingte Heißläufer zu befürchten sind.
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In Fig. 4 ist eine weitere Art der Anordnung der Bolzen 10 zur Verbindung
von Bremsscheibe 1 und Nabe 2 gezeigt, die anstelle derjenigen in Fig. 1 gezeigten
gewählt werden kann. In diesem Fall sind die Bolzen axial angeordnet,
was
ihre Zugänglichkeit und Wartung erleichtert bzw. verbessert. Die Bolzen gemäß Fig.
2 und 7 können selbstverständlich auch in der in Fig. 4 gezeigten Weise angewendet
werden.
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Unter beengten Platzverhältnissen kann der Bolzen auch statt durch
Kopf und Mutter in axialer Richtung durch einen Mitnehmer- oder Federstift gesichert
werden.
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Insbesondere der Bolzen nach Fig. 3 kann zur Verbindung zweier Ringflansche
eingesetzt werden, die an den Enden zweier Wellen befestigt sind. Fluchtungsfehler
sowohl in radialer, als auch axialer Richtung können dabei in gewissem Maße aufgenommen
werden, wodurch die Vorsehung einer speziellen flexiblen Wellenkupplung entfällt.
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In Fig. 5 ist ein Bolzen 20 gezeigt, der in verschiedenster Art und
Weise zur Verbindung zweier Teile einsetzbar ist. Der Bolzen ist mit einem durchgehenden
Gewinde versehen und trägt zwei koaxiale
Hülsen 12, 18, die mittels
einer elastischen Masse 14 mit dem Bolzen 20 verbunden sind. Auf die freien Enden
des Bolzens 20 können Muttern oder Anschläge aufgeschraubt werden, die eine axiale
Verlagerung des Bolzens verhindern. Liegt ein solcher Bolzen in gewisser Standardisierung
und verschiedenen Abmessungen vor, kann er in der Industrie vielseitige Verwendung
finden.
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In Fig. 6 ist schließlich ein Bolzen 22 gezeigt, mit dem sowohl axiale,
als auch radiale Kräfte übertragbar sind. Der Bolzen 22 weist einen Bund 24 auf,
dem ein radial gerichteter Flansch 26 der Hülse 12 gegenüberliegt. Die zwischen
Bolzen 22 und Hülse 12 angeordnete elastische Masse 14 ist radial zwischen Bund
24 und Flansch 26 nach außen geführt und sichert damit auch eine gewisse elastische
Bewegungsmöglichkeit der Büchse 12 in axialer Richtung. Die freien Enden des Bolzens
22 können je nach Anwendungsfall beliebig mit einem Gewinde oder entsprechenden
Anschlägen versehen werden.
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Für den Fall, daß die durch die Vorsehung der elastischen Masse 14
gegebene Elastizität nicht ausreicht, können die Hülsen 12 bzw. 18 auch mit geeigneten
Einschnitten versehen werden, die den Hülsen selbst eine gewisse federnde Eigenschaft
vermitteln.
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Solche Einschnitte sind bekannt und werden beispielsweise bei den
Federbüchsen 6 zur Verbindung von Bremsscheibe 1 und Nabe 2 von Scheibenbremsen
verwendet. In Kombination mit den erfindungsgemäßen Bolzen sind sie jedoch besonders
vorteilhaft.
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Die Herstellung der Bolzen erfolgt vorteilhaft in einer Form durch
ein einstufiges oder auch mehrstufiges Verfahren. Die Volumenform der elastischen
Masse wird einerseits durch die innere Oberfläche der Büchse und andererseits durch
die äußere Oberfläche des Bolzens bestimmt. Bolzen und Büchse werden daher in entsprechender
Ausfluchtung in einer Form angeordnet und der
Ringraum zwischen
diesen beiden Teilen mit der elastischen Masse ausgefüllt. Abhängig von dem verwendeten
Material ähnelt die angewandte Technik beispielsweise dem Spritzgußverfahren, bei
dem ein Elastomer in flilssigem oder halbflüssigem Zustand in die Form eingespritzt
und dort ausgehärtet wird oder auch einer Druckformtechnik. Falls noch ein nachträglicher
Vulkanisierungsschritt erforderlich sein sollte, können dafür bekannte Verfahren
verwandt werden.
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Unter den gegebenen Randbedingungen kommen nur einige Kunststoffe
in Frage, besonders gut bewährt haben sich thermoplastische Kunststoffe, die nach
einem Spritzgußverfahren verformt werden können. Geeignete Materialien sind Polyurethane,
Polyfluorkohlenwasserstoffe, synthetische Gummis, Polyester, etc. wie auch einige
der erst kürzlich entwickelten anorganischen Polymere. Für höchste Anforderungen
sollten die Kunststoffe einem Druck von etwa 700 kg/cm2 und einer Temperatur von
etwa 2600C Stand halten können.
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Falls an die Außenflächen des Bolzens hohe Genauigkeitsanforderungen
gestellt werden, können die Büchsen bzw. Bolzen und Büchsen nach dem Anformen nochmals
überschliffen werden. Für die meisten Anwendungsfälle reicht jedoch die übliche
Oberflächengüte der vorgefertigten Metallteile.
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