專(zhuān)利名稱(chēng)：擠出螺桿、擠出機(jī)和軸轂聯(lián)接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種擠出螺桿，所述擠出螺桿由螺桿軸組成，所述螺桿軸具有多個(gè)可以可拆地套裝在螺桿軸上或套裝在螺桿軸上的螺桿元件，其中，螺桿軸具有外齒部，而螺桿元件具有與所述外齒部接合的內(nèi)齒部。
背景技術(shù)：
這種也稱(chēng)為插接螺桿的擠出螺桿是已知的，而且使得擠出螺桿可具有有不同的構(gòu)造，在所述構(gòu)造中，可以按照要求的不同，在螺桿軸上按不同的排列順序布置不同的螺桿元件，其中可能有輸送元件、揉捏元件(Knetelement)或混合元件。為了一方面能夠進(jìn)行套插，另一方面能夠?qū)⑦\(yùn)行中所需要的轉(zhuǎn)矩從轉(zhuǎn)矩通過(guò)擠出電動(dòng)機(jī)引入其中的螺桿軸傳到螺桿元件上，在螺桿軸與螺桿元件之間設(shè)置軸轂接合部，也就是說(shuō)，螺桿軸具有外齒部，而起轂作用的螺桿元件在其孔的內(nèi)側(cè)具有內(nèi)齒部，其中，兩個(gè)齒部彼此嚙合。
按照標(biāo)準(zhǔn)DIN 5480、DIN5464或ISO4156，在擠出螺桿中，通常采用漸開(kāi)線(xiàn)齒形式的軸轂聯(lián)接。這種形鎖合(formschlüssig)的、對(duì)稱(chēng)的嚙合，使得在可簡(jiǎn)單地安裝和拆卸螺桿元件的同時(shí)能夠傳遞大的轉(zhuǎn)矩。
在擠出機(jī)中，通常要求盡可能大的功率，這種功率主要在體現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)量上。這里，在機(jī)器設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，可供使用的轉(zhuǎn)矩—即可有效地通過(guò)螺桿軸傳至螺桿元件上的轉(zhuǎn)矩、螺桿轉(zhuǎn)速以及由此得到的驅(qū)動(dòng)功率和可供使用的自由螺桿容積是決定性的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。原則上，大的可供使用的轉(zhuǎn)矩是有利的，因?yàn)?，一方面可?shí)現(xiàn)高的填充度，另外，還可實(shí)現(xiàn)較小的平均剪切速度和較低的產(chǎn)品溫度?？s短了產(chǎn)品在擠出機(jī)中的停留時(shí)間，與轉(zhuǎn)矩較小的類(lèi)似工藝步驟相比，產(chǎn)品負(fù)荷(Produktbelastung)整體上較小。總體上，較大的轉(zhuǎn)矩允許有較大的螺桿轉(zhuǎn)速，因而有較大的產(chǎn)量。
但轉(zhuǎn)矩的提高主要通過(guò)螺桿軸和螺桿元件的材料特征值和通過(guò)由齒部構(gòu)造確定的元件構(gòu)形強(qiáng)度來(lái)決定，由此最終確定可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩。雖然通過(guò)一定的針對(duì)材料的后處理還能實(shí)現(xiàn)少量的轉(zhuǎn)矩提高，但是，這種提高很小，并且通常還導(dǎo)致高的成本。
提高產(chǎn)量的另一可能性為加大可供使用的容積，所述容積通常用螺桿外徑Da與螺桿內(nèi)徑Di之比形式的容積度來(lái)描述。例如在按同一方向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機(jī)中，常見(jiàn)的容積度在1.4至最大1.6的范圍內(nèi)。在軸間距相同時(shí)，通過(guò)加深螺紋槽(Schneckengang)來(lái)加大容積雖然提供改進(jìn)的拉入和小的剪切，但由于小的能量輸入，也只實(shí)現(xiàn)較低的材料溫度，以便最終可以以提高產(chǎn)量的、高的螺桿轉(zhuǎn)速運(yùn)行。但此時(shí)缺點(diǎn)是，在軸間距相同時(shí)，隨著容積度的增加，螺桿軸就越來(lái)越細(xì)，或者螺桿元件的壁變得非常薄。在大的容積度，假設(shè)其值＞1.6時(shí)，由幾何形狀導(dǎo)致的情況使得不再能傳遞大的轉(zhuǎn)矩，這是因?yàn)?，在轉(zhuǎn)矩從螺桿軸傳遞至螺桿元件上時(shí)所傳遞的力造成不允許的局部高應(yīng)力，并最終導(dǎo)致軸轂聯(lián)接的破壞。

發(fā)明內(nèi)容
由此，本發(fā)明的目的是，提供一種擠出螺桿，這種擠出螺桿與上述情況相比得到改進(jìn)，并通常允許傳遞很大的轉(zhuǎn)矩，最后，但并非最不重要的是，尤其是在大容積度的螺桿中，允許傳遞很大的轉(zhuǎn)矩。
為了實(shí)現(xiàn)所述目的，按照本發(fā)明在前述類(lèi)型的擠出螺桿中設(shè)想，外齒部和內(nèi)齒部的齒的齒形輪廓(Zahnprofil)是不對(duì)稱(chēng)的，其中，相對(duì)于擠出螺桿的優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向，外齒部和內(nèi)齒部的齒的傳遞轉(zhuǎn)矩的齒側(cè)與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的法線(xiàn)成一角度，該角度分別小于外齒部和內(nèi)齒部的該齒上相對(duì)的齒側(cè)與該旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的法線(xiàn)所成的角度。
與現(xiàn)有技術(shù)不同，本發(fā)明推薦使用具有特殊齒側(cè)幾何形狀的不對(duì)稱(chēng)齒部。利用這種不對(duì)稱(chēng)的齒部，可以在擠出機(jī)的不同使用場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)矩提高。本發(fā)明以這樣的考慮為基礎(chǔ)，即擠出螺桿有一突出的優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向，也就是說(shuō)，在擠出機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果應(yīng)同時(shí)輸送材料并對(duì)其進(jìn)行加工，則擠出螺桿只沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。相對(duì)于此旋轉(zhuǎn)方向，在按照本發(fā)明的齒形輪廓中，現(xiàn)在外齒部和內(nèi)齒部的彼此接合并通過(guò)它們從軸的外齒部向轂的內(nèi)齒部傳遞轉(zhuǎn)矩的齒側(cè)與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的法線(xiàn)有一較小的角。與此相對(duì)，相對(duì)于軸線(xiàn)法線(xiàn)，不參與轉(zhuǎn)矩傳遞的相對(duì)的齒側(cè)則以明顯較大的角度延伸。由于這種不對(duì)稱(chēng)性，與只是對(duì)稱(chēng)的花鍵軸齒部相比，按照本發(fā)明的齒形輪廓具有寬得多齒根。這種寬的齒根使得可實(shí)現(xiàn)明顯較大的轉(zhuǎn)矩傳遞，齒根處可能產(chǎn)生的應(yīng)力尤其是缺口應(yīng)力的影響將由此大大變小。由于所選擇的、傳遞轉(zhuǎn)矩的彼此接合的齒側(cè)的斜度，即在前面運(yùn)行的外齒部齒側(cè)和在后面運(yùn)行的內(nèi)齒部齒側(cè)的斜率，傳入轂中的徑向應(yīng)力分量也明顯減小，而是基本上只或只存在切向應(yīng)力，這里，該應(yīng)力分量隨著齒側(cè)斜率的加大而加大。由此，明顯減小通過(guò)受載齒側(cè)傳入轂中的擴(kuò)張力/膨脹力(Spreizkraft)，這將有利于采用對(duì)法向應(yīng)力敏感的材料例如整體硬化的耐磨螺桿元件，而且在沒(méi)有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的外輪廓(專(zhuān)門(mén)分段地有非常小的壁厚)的轂中，這還對(duì)承載性能有非常有利的影響。即，通過(guò)按照本發(fā)明采用的不對(duì)稱(chēng)齒形，可明顯改善在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力狀況。
不對(duì)稱(chēng)齒形的另一特別的優(yōu)點(diǎn)為，與常用的漸開(kāi)線(xiàn)齒部相比，可明顯提高齒數(shù)，由此，可實(shí)現(xiàn)較高的承載能力，并同時(shí)能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩。如果在常用的漸開(kāi)線(xiàn)齒部中由于所選的模數(shù)迄今設(shè)置例如24個(gè)齒，則現(xiàn)在當(dāng)要傳遞明顯較大的轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以通過(guò)相應(yīng)的模數(shù)選擇，設(shè)置例如36個(gè)齒。
由此，與現(xiàn)有技術(shù)中單獨(dú)采用的通常為漸開(kāi)線(xiàn)齒部形式的對(duì)稱(chēng)齒部相比，按照本發(fā)明設(shè)想的軸轂聯(lián)接的不對(duì)稱(chēng)性可明顯地提高由螺桿軸傳遞至各元件上的轉(zhuǎn)矩。這里，對(duì)于任意容積度的螺桿，都可實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)矩提高，這是因?yàn)?，由于載荷和應(yīng)力優(yōu)化的齒形輪廓設(shè)計(jì)，連接區(qū)的承載能力根據(jù)實(shí)際情況得到了優(yōu)化。即使對(duì)于具有較大的容積度的螺桿，即具有Da/Di比＞1.6，對(duì)于這種螺桿，由于由較大的螺紋深度得到減小的芯部尺寸或壁厚而得到會(huì)限制可傳遞轉(zhuǎn)矩的幾何形狀，也可以實(shí)現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)矩提高，并且即使對(duì)于例如為1.65或1.7的容積度時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)迄今為止不能傳遞的轉(zhuǎn)矩。
在傳遞轉(zhuǎn)矩的齒側(cè)上較小的角度應(yīng)在0°與5°之間，也就是說(shuō)，在0°受載齒側(cè)的情況下，所述角度沿徑向朝旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)延伸，并占據(jù)非常小的最大為5°的角。較大的角度應(yīng)當(dāng)在45°和50°之間。為了進(jìn)一步優(yōu)化，較小的角度應(yīng)當(dāng)在0°和2°之間，而較大的角度則在25°與35°之間。具體的、特別有利的齒側(cè)幾何形狀設(shè)想為，較小的角度為0°，而較大的角度為30°，也就是說(shuō)，當(dāng)前受載齒側(cè)與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)垂直，而相對(duì)的齒側(cè)則與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)成30°的角。如在少見(jiàn)的特殊情況下為了使卡死的螺桿可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)所要求的那樣，在規(guī)定的45°～15°的基本區(qū)間內(nèi)尤其是30°左右的接合角使得可以特別有利地使螺桿反向旋轉(zhuǎn)。這里，如在常用的、由于其對(duì)稱(chēng)性通常能夠沿兩個(gè)方向具有相同的傳遞能力的并且通常在兩側(cè)都設(shè)置30°的齒側(cè)的DIN 5840漸開(kāi)線(xiàn)嚙合那樣，30°的齒側(cè)使得能夠?qū)崿F(xiàn)接近相同的轉(zhuǎn)矩傳遞。在此處應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)然，每個(gè)包含在所給出的最大區(qū)間中的中間角度，這里也作為本發(fā)明的重要內(nèi)容看作是公開(kāi)的，盡管并沒(méi)有明確提到每個(gè)角度的值。
考慮到最佳的力矩傳遞，如還有特別要使在0°受載齒側(cè)時(shí)接近零的擴(kuò)張力或徑向力為最小，一種有利的本發(fā)明實(shí)施形式設(shè)想，將彼此相對(duì)的齒側(cè)段，包括受載側(cè)和背側(cè)，都設(shè)計(jì)成平面的。此處，“平面”一詞既可以理解為平的，也可以在合理的情況下理解為極小程度的球面。對(duì)于外齒部或內(nèi)齒部的齒頂形狀時(shí)，這同樣適用，它們同樣也可以基本是平面的。
本發(fā)明的一種特別有利的改進(jìn)方案設(shè)想，在內(nèi)齒部和/或外齒部的齒頂上，設(shè)置這樣成形和/或定位的凹座，即，在必要時(shí)分別承受載荷的齒側(cè)上留下一齒段。此時(shí)，內(nèi)齒部和/或外齒部的齒頂在表面上通過(guò)至少一個(gè)凹座這樣在表面上形成成型部，即，以使在相應(yīng)傳遞轉(zhuǎn)矩的齒側(cè)上留下一突出部或齒段，所述齒段下降至與其相鄰的凹座中，最好通過(guò)在缺口應(yīng)力上有利的圓角來(lái)下降。由此，可以使形式為彼此接合的、傳遞載荷的齒側(cè)區(qū)中的邊緣壓力升高的效應(yīng)最小化。由于留下的齒段或升高部可略微地塑性流動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)在這里產(chǎn)生的力或壓應(yīng)力的降低。也就是說(shuō)，通過(guò)相應(yīng)的成型部，可以在這里提供與常見(jiàn)的齒截面相比較軟的、可以塑性化的區(qū)域，該區(qū)域用于減少應(yīng)力。所述在齒頂上的成型部可優(yōu)選設(shè)置在螺桿元件的內(nèi)齒部上，這是因?yàn)?，在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，最大壓應(yīng)力在傳遞轉(zhuǎn)矩的齒側(cè)的區(qū)域內(nèi)在朝齒頂露出/懸置的角部處產(chǎn)生。為了優(yōu)化應(yīng)力狀況，可根據(jù)按照本發(fā)明設(shè)想的成型部有利地降低該應(yīng)力峰值。這里合理的是，凹座應(yīng)從成較大角度的齒側(cè)出發(fā)，基本平面地沿朝另一齒側(cè)的方向延伸。即，在齒頂上形成一種過(guò)渡至與其相比較高的齒段內(nèi)的平臺(tái)(Plateau)。所形成的平臺(tái)地與基本也是平面的齒頂相同當(dāng)然依從相應(yīng)元件位置處的外圓半徑或內(nèi)圓半徑變化，即同時(shí)也可以根據(jù)半徑略微彎曲。
在現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于對(duì)稱(chēng)的齒形輪廓，通過(guò)通常在齒底處的非常尖銳的齒根倒圓產(chǎn)生的大的缺口作用或缺口應(yīng)力以及由此引起的極度的載荷過(guò)高進(jìn)一步形成限制轉(zhuǎn)矩傳遞的核心問(wèn)題。雖然在ISO 4516中規(guī)定了完全齒根倒圓，但是，由于明顯減少了軸的芯部橫截面或元件壁的橫截面，它是有缺點(diǎn)的。這里，ISO 4156和類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不變的倒圓半徑。由此，在現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)論如何都限制了可傳遞的轉(zhuǎn)矩的提高。
與之相反，本發(fā)明設(shè)想，完全利用優(yōu)化的半徑變化對(duì)外齒部和內(nèi)齒部的齒底進(jìn)行倒圓。由于齒側(cè)的位置，在按照本發(fā)明的不對(duì)稱(chēng)的齒形輪廓中，這可以毫無(wú)問(wèn)題地實(shí)現(xiàn)。于是，即使是完全倒圓，軸的芯部橫截面以及還有元件芯部橫截面也只是不明顯地減小，這是因?yàn)?，齒根由于不對(duì)稱(chēng)性而較寬，變化的倒圓半徑不會(huì)引起或只引起其余的橫截面極小的減小。此處，這樣的情況也起特別的作用，即齒數(shù)可明顯地加大，同時(shí)還可以減小齒距。此時(shí)，外齒部的齒底的半徑可在0.35m與0.45m之間，尤其是為0.4m，而內(nèi)齒部的齒底的半徑可在0.3m與0.4m之間，尤其是為0.35m。當(dāng)然，相應(yīng)選擇的半徑取決于軸的直徑或轂的直徑以及所選的模數(shù)。
此外，這樣來(lái)選擇外齒部和內(nèi)齒部的模數(shù)/模量(Modul)，即，至少是外齒部的齒至少在齒頂區(qū)為彎曲彈性的。至少在齒的上部區(qū)域內(nèi)的輕微彎曲彈性有如下的優(yōu)點(diǎn)，即齒可以較好地與配對(duì)件相匹配。由于不對(duì)稱(chēng)，齒寬朝頂部逐漸降低，由此，必要時(shí)在利用也存在于齒根區(qū)的部分塑性變形的情況下，可以在相應(yīng)的大模數(shù)時(shí)實(shí)現(xiàn)必然小的彎曲彈性，以用于在齒頂區(qū)改進(jìn)容許偏差(abweichungstolerant)的性能。由于不對(duì)稱(chēng)而本來(lái)就可以選擇得較大的模數(shù)與所述彎曲彈性相結(jié)合可提供還要高的承載能力，以大大提高可傳遞的轉(zhuǎn)矩以及優(yōu)化齒部之間的形鎖合。
如果按照本發(fā)明的擠出螺桿通過(guò)齒段頂部具有徑向?qū)χ胁?Durchmesserzentrierung)，則可以得到進(jìn)一步的改進(jìn)。當(dāng)對(duì)同心度容差有特別要求時(shí)，可以采用徑向?qū)χ胁俊?br> 最后可以設(shè)想，螺桿軸至少在外齒部區(qū)由可塑性化的材料組成，而螺桿元件至少在內(nèi)齒區(qū)則與其相比較硬。這使外齒部能與其配對(duì)件有一定的塑性適配，并因此改善軸轂聯(lián)接的形鎖合和傳遞性能。
除了擠出螺桿本身，本發(fā)明還涉及一種擠出機(jī)，它包括一個(gè)或多個(gè)前述類(lèi)型的擠出螺桿。所述擠出機(jī)可以是單螺桿擠出機(jī)，或是同向或反向運(yùn)行的雙螺桿擠出機(jī)，或是多軸擠出機(jī)。在不同的擠出機(jī)類(lèi)型中都可以相同地實(shí)現(xiàn)利用按照本發(fā)明的擠出螺桿得到的優(yōu)點(diǎn)。尤其是在采用按照本發(fā)明的擠出螺桿的情況下，可以實(shí)現(xiàn)具有很高的容積度＞1.6，即例如1.65～1.7的大功率擠出機(jī)，它允許傳遞非常大的轉(zhuǎn)矩，或?qū)崿F(xiàn)大的比轉(zhuǎn)矩密度Md/a3(Md＝轉(zhuǎn)矩，a＝軸間距離)以及高的轉(zhuǎn)速，因?yàn)檩S轂聯(lián)接在轉(zhuǎn)矩傳遞和所產(chǎn)生的壓應(yīng)力和缺口應(yīng)力上得到了優(yōu)化。
除了包含按照本發(fā)明的不對(duì)稱(chēng)軸轂聯(lián)接的擠出螺桿外，本發(fā)明還一般地涉及這種軸轂聯(lián)接，其中，軸具有外齒部，而轂具有與外齒部接合的內(nèi)齒部。所述軸轂聯(lián)接的特征在于，外齒部和內(nèi)齒部的齒的齒形輪廓為不對(duì)稱(chēng)的，其中，相對(duì)于軸的優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向，外齒部和內(nèi)齒部的齒的傳遞轉(zhuǎn)矩的齒側(cè)與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的法線(xiàn)所成的角度小于外齒部和內(nèi)齒部相應(yīng)齒上的相對(duì)齒側(cè)的角度。如上所述，齒的這種不對(duì)稱(chēng)允許沿優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向傳遞較大的轉(zhuǎn)矩。按照本發(fā)明的軸轂聯(lián)接或軸轂裝置的其它優(yōu)點(diǎn)可由從屬權(quán)利要求中得到。


本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、特征和細(xì)節(jié)從下面描述的實(shí)施例并參考附圖得出。其中圖1示出一擠出機(jī)的原理圖，圖2以插接式擠出螺桿的分解視圖示出一原理圖，圖3示出通過(guò)兩個(gè)處于彼此安裝的位置的按照本發(fā)明的擠出螺桿的剖視圖，該螺桿在工作時(shí)同向旋轉(zhuǎn)并彼此嚙合，圖4示出螺桿軸的外齒部的放大的圖示，圖5示出螺桿元件的內(nèi)齒部的放大的圖示，以及圖6示出兩個(gè)彼此接合的齒的圖示。
具體實(shí)施例方式
圖1示出具有帶后接的傳動(dòng)裝置3的電動(dòng)機(jī)2和擠出缸4的擠出機(jī)，該擠出缸由多個(gè)缸段5組成，在所示實(shí)施例中，在擠出缸的內(nèi)部在相應(yīng)的孔中接納兩個(gè)擠出螺桿，所述螺桿通過(guò)傳動(dòng)裝置3驅(qū)動(dòng)，螺桿通過(guò)未詳細(xì)示出的、但是公知的聯(lián)接器與傳動(dòng)裝置連接。該擠出機(jī)例如是同向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)。擠出缸4與所有必需的、鋪設(shè)在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件中的冷卻劑管路、供電和控制線(xiàn)路一起組裝在托架7上，該托架又支承在機(jī)座9的壁8上。冷卻劑裝置和供電裝置以及控制裝置設(shè)置在供電及控制柜10中，通過(guò)這些裝置對(duì)各部件進(jìn)行供電。這種擠出機(jī)的構(gòu)造是公知的。
如上所述，在由多個(gè)彼此可拆地連接的缸段5組成的擠出缸的內(nèi)部布置兩個(gè)擠出螺桿。所述擠出螺桿是所謂的插接螺桿，這種螺桿可以考慮要加工的材料或要制造的產(chǎn)品專(zhuān)門(mén)構(gòu)造或配置。必要時(shí)可將所述螺桿從擠出缸4中取出。
圖2以原理圖的形式示出一擠出螺桿11，它包括一軸12，該軸在其后面的較粗的端部處一方面具有第一外齒部13，通過(guò)該外齒部所述軸可與傳動(dòng)裝置3驅(qū)動(dòng)地接合。一具有外齒部16的軸段15連接在止擋軸環(huán)14上。根據(jù)要加工的材料或要制造的產(chǎn)品，可在所述軸段15上套插或穿上各種單獨(dú)的螺桿元件并使其支承在止擋軸環(huán)14上。圖2示例性地示出三個(gè)螺桿元件16a、16b和16c。螺桿元件16a例如可以是輸送元件，該元件具有螺紋17，其中，在螺紋槽中輸送材料。螺桿元件16b例如可以是同樣具有螺紋18的機(jī)械元件，但是它具有通孔19。最后，螺桿元件16c可以是揉捏元件，它有相應(yīng)的揉捏段20。通過(guò)這種揉捏元件以高的能量輸入處理待加工的材料并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合例如使其塑性化或熔化。
為了套插在軸段15上，每個(gè)螺桿元件16a、16b、16c都具有一中心孔21a、21b、21c，在孔的內(nèi)側(cè)，即在轂上，分別設(shè)置內(nèi)齒部22a、22b、22c，螺桿元件利用所述內(nèi)齒部套插在軸段15的外齒部16上，從而內(nèi)齒部與外齒部彼此接合。這是一種形鎖合的軸轂聯(lián)接，下面將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖3示出兩個(gè)按照本發(fā)明的擠出螺桿23a、23b，它們平行并排地示出，如在擠出缸4中彼此相對(duì)定位的那樣。螺桿軸24a、24b彼此隔開(kāi)一軸間距a。此外還示出螺紋外徑Da和螺紋底部處的螺紋內(nèi)徑Di。從比值Da/Di得到螺桿或擠出機(jī)的容積度，其中，容積度是擠出機(jī)的一個(gè)特征量。
此外還示出各軸24a和24b的外齒部25a和25b以及在各自的螺桿元件27a和27b的轂上的內(nèi)齒部26a和26b。如圖3所示，所述齒部分別是不對(duì)稱(chēng)的齒形輪廓，這種齒形輪廓是專(zhuān)門(mén)針對(duì)擠出螺桿23a、23b確定的優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向設(shè)計(jì)的，該優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向用兩個(gè)用R表示的箭頭示出。按照本發(fā)明的齒部幾何形狀的細(xì)節(jié)由圖4和5得出。
圖4用放大的細(xì)部視圖的形式示出來(lái)自螺桿軸24a的外齒部25a的局部，其中，對(duì)于軸24b的齒當(dāng)然適用同樣的結(jié)構(gòu)。齒28用細(xì)部視圖示出。相對(duì)于優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向R，每個(gè)齒28具有一在前的齒側(cè)29，該齒側(cè)與螺桿元件上的內(nèi)齒部的相應(yīng)齒側(cè)共同作用或與其接合。相對(duì)地是齒28在后的后齒側(cè)30，在沿優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，該后齒側(cè)距離內(nèi)齒部的相應(yīng)地相對(duì)的齒側(cè)通常具有在小于百分之一毫米的范圍內(nèi)的最小間距(側(cè)隙)。
按照本發(fā)明的不對(duì)稱(chēng)齒形輪廓的特點(diǎn)在于，在前的傳遞轉(zhuǎn)矩或傳遞載荷的、至少在其上部到自由的齒頂?shù)膮^(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)成平面的齒側(cè)29相對(duì)于螺桿軸的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)A的法線(xiàn)N成0°的角。即，齒側(cè)29在傳遞載荷的、與相對(duì)的齒側(cè)接合的區(qū)域內(nèi)是沿旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)A的徑向延伸的。
與此不同，在后的齒側(cè)30與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)A的法線(xiàn)N成30°的角α。該齒側(cè)30直到至齒底的過(guò)渡部是平面的?？梢钥闯?，由于這種布置，形成非常寬的齒根Z，因此所述齒側(cè)朝齒底31相互逐漸分開(kāi)。此外齒底31是完全倒圓的，由于齒根Z的寬度以及由此朝軸的芯部變狹的齒間空間，這是可以實(shí)現(xiàn)的。圓角半徑r例如為0.35m。齒頂32本身在所示實(shí)施例中基本為平面的，它只對(duì)應(yīng)于外齒的外徑略成拱形。
在圖5中示出的螺桿元件27a的內(nèi)齒部26a的齒形輪廓以類(lèi)似的方式設(shè)計(jì)，其中，相應(yīng)的構(gòu)型當(dāng)然也適用于內(nèi)齒部26b。此處還示出齒33，其中，每個(gè)齒33具有相對(duì)于優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向R在后的、傳遞轉(zhuǎn)矩或傳遞載荷的齒側(cè)34，該齒側(cè)在這里與螺桿軸的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)A的法線(xiàn)N也成0°的角。相對(duì)的、沿優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向R在前的齒側(cè)35在這里也與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)A的法線(xiàn)N成30°的角α。這就是說(shuō)，每個(gè)齒側(cè)的角度位置一致地對(duì)應(yīng)于外齒部，這使得可以實(shí)現(xiàn)良好的形鎖合，其中，相應(yīng)的齒側(cè)在這里當(dāng)然在貼合區(qū)域也設(shè)計(jì)成平面的。
與常用的對(duì)稱(chēng)的花鍵軸齒部相比，這里還得到非常寬的齒根Z，如上所述，這要?dú)w因于朝齒底相互分開(kāi)延伸的齒側(cè)。齒底36同樣完全倒圓，這里半徑r約為0.4m。能完全倒圓的可能性這里也是由于非常寬的齒根Z和由此形成的變窄的齒底36。對(duì)于螺桿軸和螺桿元件，完全倒圓都有利地導(dǎo)致各自的芯部橫截面只是很小地減小。這就是說(shuō)，在按照本發(fā)明的齒形中，可以充分利用由倒圓引起的、在缺口效應(yīng)上的特別的好處。
與外齒部的齒頂32不同，在內(nèi)齒中，齒頂37設(shè)有成型部。設(shè)有凹座38，該凹座從成30°的角的在前齒側(cè)35朝0°的在后受載齒側(cè)34延伸，但是通過(guò)一圓角終止，從而留下一朝齒側(cè)34延伸的齒段39。這種通過(guò)去除材料產(chǎn)生的齒段39使得可通過(guò)齒段材料的塑性流動(dòng)強(qiáng)烈地減少在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)特別是在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力。由此，由于應(yīng)力減小，可以有利地使該區(qū)域內(nèi)的邊緣壓力過(guò)高效應(yīng)最小化。
圖6用原理圖的形式示出兩個(gè)彼此接合的齒。螺桿軸24a沿優(yōu)選方向R旋轉(zhuǎn)，以便實(shí)現(xiàn)從0°齒側(cè)29向0°齒側(cè)34的轉(zhuǎn)矩傳遞?？梢钥闯觯捎谄淦矫嫘院推湓谒形恢枚枷嗤慕嵌?，兩個(gè)齒側(cè)以大的面積彼此帖靠，從而減少了單位面積壓力。單位面積壓力的減小也是有用的，這是因?yàn)椋捎诓粚?duì)稱(chēng)的齒形輪廓相應(yīng)齒部的齒數(shù)可大大提高，也就是說(shuō)，與類(lèi)似的對(duì)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)齒形相比，模數(shù)/模量可以由于齒形輪廓的不對(duì)稱(chēng)而選擇(得較小)。
通常0°齒側(cè)允許產(chǎn)生熱膨脹，該膨脹最好沿徑向平行于受載齒側(cè)作用。此時(shí)，還可以進(jìn)一步無(wú)間隙地傳遞轉(zhuǎn)矩，因此，按照本發(fā)明的不對(duì)稱(chēng)的齒形輪廓還適用于溫度交變負(fù)荷。此外，0°齒側(cè)導(dǎo)致轂即螺桿元件的內(nèi)齒部中的擴(kuò)張力最小化。這樣，由于齒側(cè)的相互位置，幾乎只有切向力被導(dǎo)入內(nèi)齒部相應(yīng)的齒中，但如常用的花鍵軸齒形輪廓的情形那樣，沒(méi)有徑向力。這使得還可以在內(nèi)齒部的區(qū)域內(nèi)采用對(duì)法向應(yīng)力敏感的材料，例如整體硬化的耐磨材料，或者采用陶瓷元件。由于擴(kuò)張力的最小化，尤其在具有有很小的壁厚時(shí)，可有利地對(duì)轂的承載性能產(chǎn)生影響。
相應(yīng)齒底31或36中的相應(yīng)倒圓起特別有利的作用。在每個(gè)受載的齒側(cè)29和43至齒底的過(guò)渡部處產(chǎn)生最大的應(yīng)力，因而產(chǎn)生最大的缺口效應(yīng)。但是，由于完全的齒根倒圓，通過(guò)齒底中優(yōu)化的幾何形狀，可以明顯地減少缺口效應(yīng)，而且，由于因?yàn)辇X的中間空間變狹而較小的倒圓半徑，同時(shí)還留下足夠大的軸芯部橫截面或螺桿元件上相應(yīng)的橫截面。與具有非常寬的齒中間空間和從齒至齒底非常強(qiáng)烈的過(guò)渡部的花鍵軸不同，由于完全倒圓，高應(yīng)力的區(qū)域比較小，這個(gè)區(qū)域在圖6中示例性地由虛線(xiàn)L1示出。
如上所述，通過(guò)齒段39可以實(shí)現(xiàn)在所述邊緣區(qū)域中產(chǎn)生的壓應(yīng)力的減小。由于齒段的塑性性能，壓應(yīng)力被轉(zhuǎn)移，如線(xiàn)L2示出的那樣，在齒段39朝凹座38的過(guò)渡部?jī)?nèi)形成一應(yīng)力中心。
按照本發(fā)明的不對(duì)稱(chēng)齒形輪廓的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，齒至少在齒頂?shù)纳喜繀^(qū)域內(nèi)略有彎曲彈性，因?yàn)槿鐖D所示，從齒根至齒頂明顯地變窄。因此，必要時(shí)在利用齒根區(qū)的小的部分塑性變形的情況下，彎曲彈性有助于改進(jìn)容許偏差上的性能。這就是說(shuō)，由于此彎曲彈性而存在這樣的可能性，即在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，與對(duì)應(yīng)支承件即內(nèi)齒部的齒相匹配或補(bǔ)償可能的容差。通常，尤其是在內(nèi)齒硬得多，有時(shí)用特殊的方式進(jìn)行表面處理的時(shí)候，特別如此。為此，優(yōu)選選擇具有較大的拉伸屈服限性能的螺桿軸材料，這使得即使對(duì)于動(dòng)態(tài)載也有高的持久強(qiáng)度。此外，轉(zhuǎn)矩的提高通常例如通過(guò)對(duì)齒部分以及在外齒部和內(nèi)齒部的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行噴丸、補(bǔ)充滾壓(Nachrollen)、冷軋等來(lái)實(shí)現(xiàn)。
總之，按照本發(fā)明的擠出螺桿或按照本發(fā)明的不對(duì)稱(chēng)齒形輪廓提供這樣的可能性，即可以傳遞比類(lèi)似的對(duì)稱(chēng)齒形輪廓高得多的轉(zhuǎn)矩，這是從按照本發(fā)明的齒形輪廓形狀得到的。因此，建議了一種在缺口效應(yīng)還有壓應(yīng)力上得到優(yōu)化的幾何形狀。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于存在這樣的可能性，即明顯地加大齒數(shù)，這同樣具有有助于提高可傳遞的轉(zhuǎn)矩的可能性。最后還有這樣的特別的優(yōu)點(diǎn)，即在采用按照本發(fā)明的齒形輪廓的情況下，第一次實(shí)現(xiàn)了這樣的可能性，即，即使在螺桿或擠出機(jī)具有處于超過(guò)比值Da/Di＞1.6，即例如1.66、1.68或1.70或更大的范圍內(nèi)的非常大容積度的設(shè)計(jì)情況下，也能提供大的轉(zhuǎn)矩。這使得按照本發(fā)明的擠出機(jī)的功率效率提高至迄今未能實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)量。
權(quán)利要求
1.擠出螺桿，它由螺桿軸和多個(gè)可拆地能夠套插或套插在該螺桿軸上的螺桿元件組成，其中，所述螺桿軸具有外齒部，所述螺桿元件具有與外齒部接合的內(nèi)齒部，其特征為，所述外齒部和內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的齒(28、33)的齒形輪廓是不對(duì)稱(chēng)的，其中，相對(duì)于擠出螺桿(12、23a、23b)的優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向(R)，外齒部和內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的齒(28、33)的傳遞轉(zhuǎn)矩的齒側(cè)(29、34)與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)(A)的法線(xiàn)(N)成一角度，該角度分別小于外齒部和內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的該齒(28、33)上相對(duì)的齒側(cè)(30、35)與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的法線(xiàn)所成的角度。
2.如權(quán)利要求1的擠出螺桿，其特征為，所述較小的角度在0°與5°之間，而所述較大的角度在45°和15°之間。
3.如權(quán)利要求2的擠出螺桿，其特征為，所述較小的角在0°與2°之間，而所述較大的角在25°和35°之間。
4.如權(quán)利要求3的擠出螺桿，其特征為，所述較小的角為0°，而所述較大的角為30°。
5.如前述權(quán)利要求之一的擠出螺桿，其特征為，外齒部和內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的彼此相對(duì)的齒側(cè)段是平面的。
6.如前述權(quán)利要求之一的擠出螺桿，其特征為，外齒部和/或內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的齒頂(32、37)基本上是平面的。
7.如前述權(quán)利要求之一的擠出螺桿，其特征為，內(nèi)齒部(22a、22b、22c、26a、26b)和/或外齒部(16、25a、25b)的齒頂(32、37)設(shè)有這樣成形和/或定位的凹座(38)，即，在必要時(shí)相應(yīng)的承受載荷的齒側(cè)(29、34)上留下一齒段(39)。
8.如權(quán)利要求7的擠出螺桿，其特征為，所述凹座(38)從成較大的角度的齒側(cè)(30、35)出發(fā)，基本上平面地朝另一齒側(cè)(29、34)的方向延伸。
9.如前述權(quán)利要求之一的擠出螺桿，其特征為，外齒部和內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的齒底(31、36)倒圓。
10.如權(quán)利要求9的擠出螺桿，其特征為，外齒部(16、25a、25b)的齒底(31)中的半徑(r)在0.35m至0.45m之間，尤其是為0.4m，內(nèi)齒部(22a、22b、22c、26a、26b)的齒底(36)中的半徑(r)則在0.3m和0.4m之間，尤其是為0.35m。
11.如前述權(quán)利要求之一的擠出螺桿，其特征為，這樣來(lái)選擇外齒部和內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的模數(shù)，即，至少使外齒部(16、25a、25b)的齒(28)至少在齒頂區(qū)(32)為彎曲彈性的。
12.如前述權(quán)利要求之一的擠出螺桿，其特征為，所述螺桿軸(12、24a、24b)至少在外齒部(16、25a、25b)的區(qū)域內(nèi)由可塑性化的材料組成，而螺桿元件(16a、16b、16c、27a、27b)至少在內(nèi)齒部(22a、22b、22c、26a、26b)的區(qū)域內(nèi)比上述區(qū)域硬。
13.包括一個(gè)或多個(gè)如前述權(quán)利要求之一的擠出螺桿(11、23a、23b)的擠出機(jī)。
14.如權(quán)利要求13的擠出機(jī)，其特征為，在采用兩個(gè)或多個(gè)的擠出螺桿(11、23a、23b)時(shí)，擠出螺桿(11、23a、23b)同向或反向旋轉(zhuǎn)。
15.軸轂聯(lián)接，在該軸轂聯(lián)接中，軸具有外齒部，而轂具有與所述外齒部接合的內(nèi)齒部，其特征為，所述外齒部和內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的齒(28、33)的齒形輪廓是不對(duì)稱(chēng)的，其中，相對(duì)于擠出螺桿(12、23a、23b)的優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向(R)，外齒部和內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的齒(28、33)的傳遞轉(zhuǎn)矩的齒側(cè)(29、34)與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)(A)的法線(xiàn)(N)成一角度，該角度分別小于外齒部和內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的該齒(28、33)上相對(duì)的齒側(cè)(30、35)與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的法線(xiàn)所成的角度。
16.如權(quán)利要求15的軸轂聯(lián)接，其特征為，所述較小的角度在0°與5°之間，而所述較大的角度在45°和15°之間。
17.如權(quán)利要求16的軸轂聯(lián)接，其特征為，所述較小的角度在0°與2°之間，而所述較大的角度在25°和35°之間。
18.如權(quán)利要求17的軸轂聯(lián)接，其特征為，所述較小的角為0°，而所述較大的角為30°。
19.如權(quán)利要求15至18之一的軸轂聯(lián)接，其特征為，外齒部和內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的彼此相對(duì)的齒側(cè)段是平面的。
20.如權(quán)利要求15至19之一的軸轂聯(lián)接，其特征為，外齒部和/或內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的齒頂(32、37)基本上是平面的。
21.如權(quán)利要求15至20之一的軸轂聯(lián)接，其特征為，內(nèi)齒部(22a、22b、22c、26a、26b)和/或外齒部(16、25a、25b)的齒頂(32、37)設(shè)有這樣成形和/或定位的凹座(38)，即，在必要時(shí)相應(yīng)的承受載荷的齒側(cè)(29、34)上留下一齒段(39)。
22.如權(quán)利要求21的軸轂聯(lián)接，其特征為，所述凹座(38)從成較大的角度的齒側(cè)(30、35)出發(fā)，基本上平面地朝另一齒側(cè)(29、34)的方向延伸。
23.如權(quán)利要求15至22之一的軸轂聯(lián)接，其特征為，外齒部和內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的齒底(31、36)倒圓。
24.如權(quán)利要求23的軸轂聯(lián)接，其特征為，外齒部(16、25a、25b)的齒底(31)中的半徑(r)在0.35m至0.45m之間，尤其是為0.4m，內(nèi)齒部(22a、22b、22c、26a、26b)的齒底(36)中的半徑(r)則在0.3m和0.4m之間，尤其是為0.35m。
25.如權(quán)利要求15至24之一的軸轂聯(lián)接，其特征為，這樣來(lái)選擇外齒部和內(nèi)齒部(16、25a、25b、22a、22b、22c、26a、26b)的模數(shù)，即，至少使外齒部(16、25a、25b)的齒(28)至少在齒頂區(qū)(32)為彎曲彈性的。
26.如權(quán)利要求15至25之一的軸轂聯(lián)接，其特征為，所述螺桿軸(12、24a、24b)至少在外齒部(16、25a、25b)的區(qū)域內(nèi)由可塑性化的材料組成，而螺桿元件(16a、16b、16c、27a、27b)至少在內(nèi)齒部(22a、22b、22c、26a、26b)的區(qū)域內(nèi)比上述區(qū)域硬。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種擠出螺桿(11)，它由一螺桿軸(12)和多個(gè)可以可拆地套插或套插在所述螺桿軸上的螺桿元件(16a、16b、16c)組成，其中，螺桿軸具有外齒部(16)，而螺桿元件具有與外齒部接合的內(nèi)齒部(22a、22b、22c)，其中，外齒部和內(nèi)齒部的齒(28、33)的齒形輪廓是不對(duì)稱(chēng)的，其中，相對(duì)于擠出螺桿(11)的優(yōu)選旋轉(zhuǎn)方向(R)，外齒部和內(nèi)齒部的齒的傳遞載荷的齒側(cè)(29、34)與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)(A)的法線(xiàn)(N)成一角度，該角度小于外齒部和內(nèi)齒部在相應(yīng)齒上的相對(duì)的齒側(cè)(30、35)與法線(xiàn)所成的角度。本發(fā)明還涉及一種擠出機(jī)和一種軸轂聯(lián)接。
文檔編號(hào)B29C47/40GK101052509SQ200580037409
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2005年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月3日
發(fā)明者P·迪茨, G·舍費(fèi)爾, I·穆彭德, C·圖蘭, W·瓦爾特, G·勒杜奇 申請(qǐng)人:萊斯特里茲股份公司