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Dokumentenidentifikation DE10020682C2 19.09.2002
Titel Hohlwelle, die in ein eine Öffnung aufweisendes Teil eingefügt ist
Anmelder Murakami, Yukiyoshi, Urawa, Saitama, JP
Erfinder Murakami, Yukiyoshi, Urawa, Saitama, JP
Vertreter Patentanwälte Friedrich Lang und Dr. Isabel Tomerius, 80336 München
DE-Anmeldedatum 27.04.2000
DE-Aktenzeichen 10020682
Offenlegungstag 08.02.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.09.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.2002
IPC-Hauptklasse F16C 3/02
IPC-Nebenklasse F16H 53/02   B65H 3/06   B21K 1/06   
Zusammenfassung Der Aufbau einer Welle wurde entwickelt, bei der die Welle (1) hohl ist, um ihr Gewicht zu reduzieren. Ein Einführen in ein Kugellager (2) oder eine Papiervorschubrolle (3) kann leicht bewerkstelligt werden und daran anschließend kann ein passender Kräfteschluss erreicht werden zwischen der Welle (1) und dem Aufnahmeteil (2, 3), wobei die Welle (1) entsprechend der vorliegenden Erfindung einer Hohlwelle aus metallischem Material entspricht, und wobei diese (1) mit dem Aufnahmeteil (2, 3) verbunden ist, welches Öffnungen aufweist, beispielsweise von einem Lager (2) oder Ähnlichem. Ihre kreisförmige Querschnittsfläche ist in drei oder mehr äußere Bögen mi (1, 2, 3 ...) und drei oder mehr entgegengesetzt gerichtete innere Bögen ni (1, 2, 3 ...) eingeteilt, die zwischen den äußeren Bögen ni augebildet sind. Die Hohlwelle (1) wird in das Aufnahmeteil (2, 3) eingebracht, wobei die äußeren Bögen mi und die inneren Bögen ni nach innen gedrückt und deformiert werden und das Aufnahmeteil (2, 3) und die Welle (1) über eine elastisch federende Gegenkraft (Ft) miteinander gekuppelt werden, welche aufgrund des Zusammendrückens und der Deformation erzeugt wird, um einer bestimmten Bedingung zu genügen.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine metallische Hohlwelle, die einzufügen ist in Aufnahemeöffnungen aufweisende Teile. Die Hohlwelle weist ein endseitig angeordnetes Lager und im mittleren Teil eine Papiervorschubrollle oder eine Papierandruckrolle oder Ähnliches aufweist, und dient zur Verwendung bei Bürogeräten, wie z. B. einem Drucker bei einem Computer, einem Kopierer, einem Personal Computer, einem Faxgerät oder Ähnlichem und einer ATM (Registrierkasse), verwendet bei Buchhaltungstätigkeiten, bei auf Computern beruhenden Geräten, bei Messgeräten usw.

Stand der Technik

Aus der US 5,429,574 ist eine Hohlwelle als Transport- oder Andruckwelle zur Führung und zum Transport von Papier bekannt, die in einer Büromaschine oder Ähnlichem über Reibschluß in einer vorgegebenen Lageröffnung befestigt ist. Der Hohlwellenwandquerschnitt weist symmetrisch über den Umfang verteilte konvexe Bögen und jeweils dazwischen liegende, unmittelbare anschließende, elastische Verbindungsabschnitte gleicher Anzahl auf. Diese Verbindungsabschnitte bestehen im unverformten Zustand jeweils aus einem langem geradlinigen Verbindungsstück. Der Übergang zu den anschließenden konvexen Bögen wird über, im 45°-Winkel vom Umrisskreis der Hohlwelle angeordnete, kurze geradlinige Übergangsschenkel geschaffen. Die für den Reibschluß nötige elastische federnde Gegenkraft wird durch Zusammendrücken und Deformation der Hohlwelle erzeugt, wobei der maximale Abstand eines Abschnitts eines konvexen Bogens von der Wellenachse vor Einbringung der Hohlwelle in die Lageröffnung größer als ein minimaler Abstand eines Abschnitts der inneren Lageröffnung von der Lagerachse ist.

Die Ausbildung der Form der Verbindungsabschnitte erfordert ein hohes Maß an Genauigkeit, da es bei einer auch nur gering nach außen gerichteten Exzentrität des mittleren geradlinigen Verbindungsstücks zu einer nicht gewünschten konvexen Verformung dieses Verbindungsstücks kommen kann. Des weiteren erzeugt die Anordnung des langen geradlinigen Verbindungsstücks mit den kurzen geradlinigen Übergangsschenkeln eine hohe Biegesteifigkeit. Deshalb ist eine relativ hohe Kraft aufzubringen, um den Querschnitt zu verformen und die Welle in die Lageröffnung einzubauen. Aufgrund der unterschiedlichen Biegesteifigkeiten und des unterschiedlichen Verformungsverhaltens der Verbindungsabschnitte im Vergleich zu den angrenzenden konvexen Bögen ergibt sich eine ungleichmäßige Kraftverteilung über den Querschnitt. Der über Reibschluß funktionierende Verbund zwischen der Hohlwelle und der Lageröffnung wirkt somit ungleichmäßig. Diese ungleichmäßige Verteilung der elastischen Gegenkräfte bewirkt auch ein ungleichmäßiges Drehverhalten der Hohlwelle, wodurch eine sogenannte Unwucht entsteht, die z. B. Vibrationen, Geräusche und Materialermüdung zur Folge hat.

Das in der US 5,429,574 offenbarte Verfahren beschreibt unter anderem ein Herstellungverfahren, wobei die herzustellende Hohlwelle durch einen Pressvorgang aus einer bogenförmigen Ausgangsform geformt wird. Die beim Pressvorgang, zur Fixierung der Welle nötige Halterung weist im Bereich der zu formenden Verbindungsabschnitte Öffnungen zur Einführung von radial auf die Welle wirkende Druckstempeln auf. Die gegenüberliegenden gleichzeitig aufgebrachten Druckstempel prägen die gewünschte Ausgangsform ein.

Nachteile bei der Herstellung der Hohlwelle sind die hohe Anzahl der erforderlichen Arbeitsschritte und das erforderliche hohe Maß an Genauigkeit. Bei auch nur geringer Nichtlinearität der geradlinigen Verbindungsabschnitte zwischen den konvexen Verbindungsabschnitten können unsymmetrische Querschnittsformen entstehen. Diese Asymmetrie wird dann noch durch die, zur Einbringung in die Lageröffnung notwendige Verformung verstärkt und verursacht eine ungleichmäßige Drehung der Welle.

Obwohl Wellen zur Verwendung bei der Montage beispielsweise von Kugellagern, Papiervorschubrollen, Papierandruckrollen und Ähnlichem beim Stand der Technik bei den vorgenannten Büromaschinen, Registrierkassen, Computern, Messgeräten und Ähnlichem verwendet werden, ist es allgemein üblich, dass als Wellen massive Teile verwendet werden (vergleiche Fig. 11).

Allerdings bewirkt ein solches massives Teil, dass sein Gewicht hoch ist. Darüber hinaus bedingt in einem Fall, bei dem seine Größe in Bezug zum Einbringen in eine Lageröffnung usw. größer ist als ein theoretischer Wert, wenn das Ende des massiven Teils in die Aufnahmeöffnung des Kugellagers eingebracht wird, dass diese Größe präzise beim Herstellen einzuhalten ist in Einheiten von Mikrometern, um Nachteile wie Ermüdungserscheinungen, Vibrationen, Geräusche und erzeugte Wärme zu vermeiden. Darüber hinaus ist es für ein gleichmäßiges Drehverhalten der Welle auch notwendig, ein hohes Maß an Rundheit vorzusehen genauso wie ein entsprechendes Maß an Konzentrizität.

Entsprechend weist der Stand der Technik einen Nachteil dahingehend auf, dass der Herstellungsprozess sehr komplex wird und dass die Herstellungskosten sehr groß werden.

Zusätzlich muss in dem Fall, in dem ein Teil wie eine Papiervorschubrolle oder eine Papierandruckrolle oder Ähnliches an der Welle angebracht wird, ein passendes Gewinde in die Papiervorschubrolle und die Welle geschnitten werden, und anschließend muss eine Schraube in das Gewinde eingeschraubt werden, um die Teile miteinander zu verbinden, was zur Folge hat, dass ein genaues Positionieren für das Zusammenpassen von Gewinde und Schraube zueinander den Herstellungsprozess kompliziert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, vorgenannte Nachteile zu überwinden, und eine Hohlwelle mit gutem Drehverhalten zu schaffen, die mit einem endseitig angeordneten eine Aufnahmeöffnung aufweisenden Lager und einer Papiervorschubrolle oder Ähnlichem in ihrem mittleren Teil verbunden ist, und welche einen ausreichend festen Kraftschluss zwischen den zusammengefügten Teilen gewährleistet.

Die Hohlwelle entsprechend der vorliegenden Erfindung betrifft eine Hohlwelle aus Metall, die in ein Aufnahmeteil einzufügen ist wie z. B. einem Lager mit darin befindlichen Öffnungen, wobei ihre Querschnittsfläche in drei oder mehr äußere Bögen m1, m2, m3 . . . und drei oder mehr umgekehrt orientierte innere Bögen n1, n2, n3 . . ., die zwischen den äußeren Bögen ausgebildet sind, eingeteilt ist, wobei die Hohlwelle in das Aufnahmeteil eingefügt wird, indem die äußeren und inneren Bögen nach innen zusammengedrückt und deformiert werden.

Wenn das Aufnahmeteil und die Welle über eine elastisch federnde Gegenkraft, erzeugt aufgrund des Zusammendrückens und der Deformation, zusammengekuppelt werden, genügen die vorgenannten äußeren Bögen m1, m2, m3 . . . und die inneren Bögen n1, n2, n3 . . . den folgenden Bedingungen (1) bis (4), als da sind:

  • 1. eine Beziehung Rs > Rt ist eingehalten, wobei

    Rs einen Radius eines Kreisabschnitts der Welle vor ihrer Installation bezeichnet,

    Rt einen inneren Radius der Öffnung des Aufnahmeteiles bezeichnet, in welches die Welle eingefügt wird;
  • 2. eine Beziehung von (Lm1 + Lm2 + Lm3 . . .) < 2πRt ist eingehalten, wobei

    Rs einen Radius eines Kreisabschnitts der Welle vor ihrer Installation bezeichnet,

    Rt einen inneren Radius der Öffnung des Aufnahmeteiles bezeichnet, in welches die Welle eingefügt wird,

    Lmi die Länge eines äußeren Bogens m1 (i = 1, 2, 3 . . .) ist.
  • 3. Kurvenradien ρnsi, ρmsi, ρnti und ρmti jedes dieser Bögen sollten so definiert sein, dass die elastisch federnde Gegenkraft Ft , erzeugt zwischen der Welle und der inneren Wandoberfläche der Öffnung des Aufnahmeteils durch Biegemomente Mni und Mmi, einen Wert annimmt, der geeignet ist für ein Zusammenfügen der Welle und des Aufnahmeteils, wobei

    ρnsi der Kurvenradius der Bogenlinie des inneren Bogens vor der der Biegedeformation ist,

    ρnti der Kurvenradius der Bogenlinie des inneren Bogens nach der der Biegedeformation, wenn die Welle in das Aufnahmeteil eingefügt ist,

    ρmsi der Kurvenradius der Bogenlinie des äußeren Bogens vor der Biegedeformation, und

    ρmti der Kurvenradius der Bogenlinie des äußeren Bogens nach der Biegedeformation, wenn die Welle in das Aufnahmeteil eingefügt ist.

Die Biegemomente Mni und Mmi sind desweiteren von der Umfangselastizität der Welle, von der Querschnittsfläche pro Längeneinheit und von dem Querschnitts-Biegekoeffizienten des inneren bzw. äußeren Bogens abhängig. Unter der Längeneinheit ist die Länge des Teils der Welle zu verstehen, auf welchem eine Biegedeformation stattfindet. Der Querschnitts- Biegekoeffizient des inneren bzw. äußeren Bogens ergibt sich aufgrund der am inneren bzw. äußeren Bogen erzeugten Biegemomente Mni bzw. Mmi, wenn die Welle zusammengedrückt und deformiert wird.

Die Kurvenradien ρnsi und ρmsi werden so gewählt, dass eine elastisch federnde Gegenkraft Ft, die entsteht zwischen der Welle und der inneren Wandfläche der Öffnung des Aufnahmeteiles aufgrund der berechneten Biegemomente Mni, Mmi, einer Beziehung F01 > Ft > F02 genügt, wobei F01 ein maximaler Wert der Kraft ist, welche eine innere lichte Weite des Lagers nicht übermäßig verengt, und F02 ein minimaler Wert der Belastung ist, die zum Fixieren des Aufnahmeteils (2, 3), wie einer Papiervorschubrolle oder Ähnlichem, benötigt wird.

  • 1. Verlängerungen der symmetrischen Linien C1, C2, C3 . . . der inneren Bögen n1, n2, n3 . . . sollten durch den Mittelpunkt O eines Kreises S führen und die symmetrischen Linien C1, C2, C3 . . . sollten einander in einem jeweils gleichen Winkel schneiden.

Mit Bezug auf die vorstehend aufgeführten Bedingungen weist die vorliegende Erfindung folgende besonderen Vorteile auf:

  • 1. Die auf den vorstehend beschriebenen Bedingungen basierende vorliegende Erfindung weist nicht nur ein geringes Gewicht auf, sondern sie kann auch ganz einfach hergestellt werden im Vergleich zu einer Welle nach dem Stand der Technik, wenn ein Ziehwerkzeug mit einer äußeren Ziehform mit darin ausgebildeten äußeren und inneren Bögen wie auch eine entsprechende innere Ziehform verwendet wird, sondern sie kann auch ganz einfach hergestellt werden, so dass ihr Herstellungsprozess bedeutend vereinfacht werden kann.
  • 2. Durch das Einstellen der beiden Kurvenradien ρnsi und ρmsi eines inneren Bogen n1 und eines äußeren Bogens m1, um der Beziehung F01 > Ft > F02 zu genügen, ist es möglich, eine besonders gute Welle zu erreichen, bei welcher die beiden Erfordernisse, dass eine innere lichte Weite des Kugellagers nicht übermäßig verengt wird, und dass die Welle gegen die Belastung, die an der Papiervorschubrolle erzeugt wird, bestehen kann, erfüllt sind.
  • 3. Da aufgrund der Anordnung der Symmetrielinien der inneren Bögen gegenüber dem Mittelpunkt und ihrer gleichförmig verteilten Anordnung ein großes Maß an Rundheit in genügendem Ausmaß geschaffen werden kann, ist eine gleichförmige Drehung der Welle sichergestellt und eine ungleichmäßige Drehung, bezeichnet als Unwucht, kann verhindert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Welle im Querschnitt von vorne.

Fig. 2(A) zeigt den Querschnitt zur Darstellung eines Zustandes vor dem Zusammendrücken, bei dem die erfindungsgemäße Welle zusammengedrückt und deformiert wird.

Fig. 2(B) zeigt den Querschnitt zur Darstellung einer Öffnung des Aufnahmeteils in einem Zustand, bei dem die erfindungsgemäße Welle zusammengedrückt und deformiert ist.

Fig. 2(C) zeigt den Querschnitt zur Darstellung eines Zustandes, bei dem die Welle in die Öffnung des Aufnahmeteiles während eines Vorganges zum Zusammendrücken und Deformieren der erfindungsgemäßen Welle eingeführt wird.

Fig. 3(A) zeigt schematisch und modellhaft anhand eines kreisförmigen Ausschnitts den ursprünglichen Zustand, um die Krümmungsdeformation darzustellen.

Fig. 3(B) zeigt schematisch und modellhaft anhand eines kreisförmigen Ausschnitts den Endzustand, um die Krümmungsdeformation darzustellen.

Fig. 4 zeigt einen Teil der erfindungsgemäßen Welle im Querschnitt zur Darstellung des zusammengedrückten, deformierten Zustandes, dargestellt anhand einer strichpunktierten Bogenlinie.

Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht zur Darstellung eines Teiles von Fig. 4.

Fig. 6 zeigt den Zustand der Symmetrielinien der inneren Bögen der erfindungsgemäßen Welle in Bezug auf die Bogenlinie.

Fig. 7(A) zeigt im Querschnitt ein Ziehstück einer Ziehform bei einem Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Welle.

Fig. 7(B) zeigt im seitlichen Aufriß während des Herstellungsprozesses der erfindungsgemäßen Welle einen Zustand zum Durchführen des Ziehvorgangs mit einem Ziehstück aus einer inneren und einer äußeren Ziehform, die aneinander angepasst sind.

Fig. 8(A) zeigt in Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, einen Zustand, bei dem das Aufnahmeteil an der erfindungsgemäßen Welle angebracht ist, und bei dem ein Kugellager montiert ist.

Fig. 8(B) zeigt in Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, einen Zustand, bei dem das Aufnahmeteil auf der erfindungsgemäßen Welle montiert ist, und bei der eine Papiervorschubrolle montiert ist.

Fig. 8(C) zeigt in Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, einen Zustand, bei dem das Aufnahmeteil an der erfindungsgemäßen Welle montiert ist, und bei dem ein Kugellager und eine Papiervorschubrolle montiert sind.

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der erfindungsgemäßen Welle in einem Zustand, bei der Kugellager und Papiervorschubrollen montiert sind.

Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Druckers, bei dem die erfindungsgemäße Welle verwendet wird.

Fig. 11 ist eine Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, zur Darstellung der Welle in einem Zustand, bei der das Kugellager nach dem Stand der Technik montiert ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die erfindungsgemäße Welle findet hauptsächlich Verwendung bei Büroausrüstungsgegenständen wie bei Druckern für Computer, Kopierern, Personal Computern, Faxgeräten oder Ähnlichem, für bei Finanzbuchhaltung verwendeten ATM-Maschinen, Computerausrüstung und Messgeräten oder Ähnlichem. Weiterhin entspricht die Welle einer Welle, die an einem mit Öffnungen versehenen Teil anzubringen ist.

In der Praxis gibt es einige Anwendungsfälle, z. B. (1) einen Fall, bei dem beide Enden in Aufnahmeöffnungen eines Kugellagers gesteckt werden, wie beispielsweise in den Fig. 8(A) bis 8(C) dargestellt (siehe insbesondere Fig. 8(A)); z. B. einen weiteren Fall (2), bei dem Papiervorschubrollen oder Papierandruckrollen vorgesehen sind an vorgegebenen Stellen der Welle (vergleiche Fig. 8(B)); und z. B. (3) einen nochmals weiteren Fall, bei dem die vorgenannten beiden Fälle (1) und (2) kombiniert sein können (vergleiche Fig. 8(C)) oder Ähnlichem.

Diese Aufnahmeöffnungen aufweisenden Teile wie zum Beispiel Kugellager, Papiervorschubrolle, Papierandruckrolle oder Ähnliches werden nachstehend als Aufnahmeteile bezeichnet.

Im Falle der vorbeschriebenen Welle sieht die Erfindung vor, dass deren Material Metall ist, dass sie hohl ist, dass sie einen Zylinder bildet mit Rundungsabschnitten und dass in dem Fall, bei dem sein Querschnittsumfang mit S definiert ist, dieser Umfang S in drei oder mehr Bögen m1, m2, m3 . . . (nachstehend kurzerhand bezeichnet als "äußere Bögen mi") eingeteilt ist und weiterhin in drei oder mehr entgegengesetzt orientierte Bögen n1, n2, n3 . . . (nachstehend kurzerhand bezeichnet als "innere Bögen ni") (vergleiche Fig. 1).

Der Grund für das Vorsehen der äußeren und der inneren Bögen ist der, dass die äußeren Bögen mi und die inneren Bögen ni nach innen gedrückt und deformiert werden, so dass die Welle in die Aufnahmeöffnungen des Aufnahmeteils eingebracht werden können, so dass anschließend das Aufnahmeteil und die Welle miteinander über eine elastisch federnde Gegenkraft verbunden sind, die durch das Zusammendrücken erzeugt wird.

Entsprechend sollen die äußeren Bögen mi und die inneren Bögen ni, um die Gegenkraft zu erzielen und um den Wert dieser Gegenkraft in einem vernünftigen Bereich zu halten, den nachstehenden Bedingungen genügen.

Obwohl das Metall des Materials im Allgemeinen SUS304, Stahl oder Ähnlichem entspricht, ist anzumerken, dass dieses Metall nicht auf diese Materialien beschränkt ist.

Eine erste Bedingung besteht darin, dass als erstes dann, wenn an einer im Aufnahmeteil gebildeten Öffnung, an der die Welle zu installieren ist, ein Kreisbogen definiert ist durch T und ein Radius des Kreisbogens T definiert ist durch Rt, der Radius Rs des oben genannten Kreises S größer sein soll als der Radius Rt des Kreisbogens T, d. h., es soll eine Beziehung dergestalt angestrebt werden, dass Rs > Rt erreicht wird (vergleiche die Fig. 2(A) bis 2(C)).

Dies ist eine notwendige Bedingung, um die elastisch federnde Gegenkraft zu erreichen, verursacht durch die erfindungsgemäße Welle, wie nachstehend noch beschrieben wird.

Als nächstes wird angenommen, dass eine Gesamtlänge von Bögen der vorgenannten äußeren Bögen mi kleiner sein soll als eine innere Umfangslänge des Kreisbogens T des Aufnahmeteiles, d. h., es soll gelten:



(Lm1 + Lm2 + Lm3 . . .) < 2πRt, wobei



Rt: Ein innerer Radius der Öffnung des Aufnahmeteiles zur Aufnahme der Welle ist, und

Lmi: die Länge eines äußeren Bogens mi (i = 1, 2, 3 . . .) ist.

Ein Grund für diese Beziehung besteht in der Tatsache, dass diese Beziehung die elastisch federnde Gegenkraft, erzeugt durch die erfindungsgemäße Welle, realisiert, und, wenn die Welle zusammengedrückt wird, daß die Welle im Öffnungskreis T des Aufnahmeteiles gehalten wird.

Anschließend werden Kurvenzustände der vorgenannten äußeren Bögen mi und der inneren Bögen ni in zusammengedrücktem Zustand betrachtet.

Daraus ergibt sich, wie in Fig. 3 dargestellt, in einem Fall, in dem ein Biegeteil mit einer Bogenlinie LN, die einen Biegeradius ρ0 bezüglich einer Achslinie aufweist und einen Winkel dΨ, ausgebildet zwischen einer Ebene AB und einer Ebene CD, zu einem Teil mit einer Bogenlinie L'N' mit einem Biegeradius ρx bezüglich der Achslinie und einem Winkel dΨ + ΔdΨ zwischen einer Ebene A'B' und einer Ebene C'D' gebogen und deformiert worden ist.

Dann ergeben sich zunächst, wie in Fig. 5 gezeigt, bezüglich der inneren Bögen ni in dem Fall, in dem der Kurvenradius der inneren Bögen ni (i = 1, 2, 3 . . .) vor der durch Druck erfolgenden Deformation als ρnsi gegeben sind, Kurvenradien n'1, n'2, n'3 . . ., ausgebildet nach der zusammendrückenden Deformation als ρnti (nachdem die Welle in die Öffnung T des Aufnahmeteils eingeführt ist, wie nachfolgend noch beschrieben werden wird), eine Umfangselastizität der Welle, eine Querschnittsfläche pro Längeneinheit der inneren Bögen und ein Querschnitts-Biegekoeffizient der inneren Bögen. Somit wird ein Moment Mni (i = 1, 2, 3 . . .), an den zusammengedrückten inneren Bögen n'1, n'2, n'3 . . ., erzeugt.

Daraus ergibt sich, wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt, in einem Fall, bei dem die Welle zusammengedrückt wird bis zu einem solch kleinen Durchmesser, der kleiner ist als der innere Umfang der Öffnung im Aufnahmeteil und bei dem das Endteil der Welle in die Aufnahme eingeführt wird und weiterhin in dem Fall, bei dem Bogenlinien der äußeren Bögen mi vor dem Zusammendrücken als mj1, mj2, mj3 . . . gegeben sind, daß die äußeren Bögen m1, m2, m3. . . in die innere Umfangsoberfläche der Öffnung T eingebracht werden und daß dann die Ansatzpunkte j1, j3 zu den Ansatzpunkten j'1, j'3 hin bewegt werden. Dann können die Ansatzpunkte j1, j3 auch als Ansatzpunkte der inneren Bögen ni dienen (die Bogenlinien der inneren Bögen sind als nj1, nj2, nj3 . . . gegeben). Somit bewirkt die Bewegung der Ansatzpunkte j1, j3 hin zu den Ansatzpunkten j'1, j'3, dass die Weite zwischen den Ansatzpunkten verringert wird gegenüber den inneren Bögen ni, woraus resultiert, dass dieser Vorgang eine Kraft zum Biegen der inneren Bögen ni in eine nach innen gerichtete Richtung erzeugen kann.

Im Ergebnis wird der Radius ρns1 der Biegung der Kurve des inneren Bogens n1 zum Radius ρnt1 der Kurve des inneren Bogens n'1 geändert.

Die Biegedeformation bewegt sich innerhalb eines Bereiches von elastischer Deformation, ein Biegemoment wird an den inneren Bögen ni erzeugt.

Die inneren Bögen n'2, n'3 werden ähnlich behandelt.

Ebenso werden auch bei den äußeren Bögen m1, m2, m3 . . . in dem Fall, in dem die Kurvenradien der äußeren Bögen m1, m2, m3 . . . als ρmsi gegeben sind, in dem die Kurvenradien der äußeren Bögen m'1, m'2, m'3 . . . nach Einführen in die Aufnahme T als ρmti gegeben sind, eine Umfangselastizität der Welle, eine Querschnittsfläche pro Längeneinheit des äußeren Bogens und ein Querschnitts-Biegekoeffizient des äußeren Bogens. Auf dieselbe Art wie bei den inneren Bögen ni wird ein Moment Mmi erzeugt.

Im Ergebnis ergibt sich ein Gesamtbetrag Mt von gegenwirkenden Biegemomenten, die erzeugt werden, wenn die Welle zusammengedrückt wird in der Aufnahme des Aufnahmeteils, wie folgt:



(Mm1 + Mm2 + Mm3. . .) + (Mn1 + Mn2 + Mn3 . . .) = Mt

Daraufhin wirkt sich die Kraft des Biegemomentes Mt als Gegenkraft Ft aus, die gegen die Wand der Öffnung des Aufnahmeteiles wirkt, was zur Folge hat, dass diese Kraft ein Zusammenhalten der Welle mit der Öffnung des Aufnahmeteiles bewirkt.

Nachstehend wird eine Kraft F0 untersucht, die notwendig ist, wenn die Welle im Aufnahmeteil eingebracht ist.

Beispielsweise muss eine geeignete Passgröße für eine Lageröffnung bei der Lageröffnung eines Kugellagers eingehalten werden, um vorzeitige Materialermüdung, Vibrationen, Geräusche und Reibungswärme oder Ähnliches zu vermeiden. In dem Fall, in dem die Welle in die Aufnahmeöffnung eingebracht wird, sollte vermieden werden, dass die Welle mehr gegen die innere Öffnung drückt als für den Betrieb notwendig, um nicht die innere lichte Weite unnötig einzuschränken.

Entsprechend ist es notwendig in einem Fall, dass die Welle am Aufnahmeteil angebracht wird, die Gegenkraft auf einen Wert zu beschränken, der kleiner ist als ein vorgegebener Wert.

Infolge dessen wird in dem Fall, in dem die Welle an einer Papiervorschubrolle oder einer Papierandruckrolle befestigt wird, ein gewisses Drehmoment erzeugt, wenn das Papier vorgeschoben oder angedrückt wird. Entsprechend ist eine Gegenkraft größer als ein vorgegebener Wert notwendig, um die Welle und das Aufnahmeteil zusammenzuhalten, um gegen diese Belastung anzukommen.

Wie vorstehend beschrieben, wird als Kraft F0 eine Gegenkraft benötigt, die kleiner ist als ein bestimmter Wert oder größer als ein bestimmter Wert in Bezug auf das Aufnahmeteil, wenn die Welle und das Aufnahmeteil zusammengesteckt werden.

Nachstehend wird im Lichte des vorhin Gesagten eine Beziehung untersucht zwischen einer elastisch federnden Gegenkraft Ft, die entsteht aufgrund eines Biegemomentes Mt an der inneren Wandoberfläche des Lagers sowie einer Kraft F0, die notwendig ist, wenn die Welle in das Aufnahmeteil gesteckt wird.

  • 1. Als erstes muß in einem Fall, in dem beide Enden in die Lageröffnungen des Kugellagers gesteckt werden, die Kraft F0 auf einen bestimmten Wert oder weniger als den bestimmten Wert gesetzt werden, um nicht die innere Weite zu eng zu machen. Wenn der Wert auf den Wert F01 gesetzt wird, werden die Werte von ρnsi, ρmsi der inneren Bögen ni und der äußeren Bögen mi so gewählt, dass eine Beziehung Ft < F01 erreicht werden kann.
  • 2. Als nächstes muß in einem Fall, bei dem die Papiervorschubrolle oder die Papieranpressrolle an einer vorgegebenen mittleren Position anzubringen ist, die Kraft auf den Wert einer Verdrehkraft oder größer eingestellt werden, wobei die Verdrehkraft durch die Drehung entsteht. Wenn der Wert auf F02 eingestellt wird, werden die Werte für ρnsi, ρmsi der inneren Bögen ni und der äußeren Bögen mi so eingestellt, dass eine Beziehung Ft > F02 erreicht werden kann.
  • 3. Weiterhin muss in einem Fall, in dem die vorgenannten Fälle (1) und (2) miteinander kombiniert werden, die Kraft auf einen Wert gesetzt werden, der der Bedingung F01 > Ft > F02 genügt, und sie muß innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen, so dass die Werte von ρnsi, ρmsi der inneren Bögen ni und der äußeren Bögen mi dieser genügen.

Allerdings kann angenommen werden, dass es schwierig ist, dass die Kraft physikalisch der Bedingung F01 > Ft > F02 genügt. In Anbetracht dieser Tatsache kann, obwohl der innere Durchmesser der Lageröffnung des Lagers nicht geändert werden kann, dieses Problem gelöst werden durch Wahl des inneren Durchmessers der Öffnung der Rolle auf einen kleineren Wert, um der Beziehung Ft > F02 zu genügen, nachdem die Werte für ρnsi, ρmsi der inneren Bögen ni und der äußeren Bögen mi gewählt sind, um der Beziehung Ft < F01 zu genügen. Dies kann geschehen in Anbetracht der Tatsache, dass die inneren Durchmesser jeder der Öffnungen der Papiervorschubrolle und der Papierandruckrolle geändert werden können.

In einem Fall, in dem dieser Kurvenradius zu berechnen ist, ist als erstes die Öffnung T des Aufnahmeteils wohl bekannt und F0 wird vorab festgelegt, so dass eine Berechnung angestellt werden kann beginnend mit F0, um Mt zu erhalten, welches der Bedingung Ft > F0 genügt, wonach ρt in bezug auf den Wert von Mt festgelegt wird und zuletzt ρs .

Zu dieser Zeit ist jeder der Bögen, die die äußeren Bögen m, m' und die inneren Bögen n, n' bilden, gegenwärtig zwischen den Werten ρt und ρs, wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Die Bogenlängen der äußeren Bögen m und der inneren Bögen n und die Bogenlängen der äußeren Bögen m' und der inneren Bögen n' sind gleich, so dass sie mittels einer Kreisgleichung berechnet werden können. Da jedoch diese Rechenmethode nicht direkt auf die vorliegende Erfindung bezogen ist, wird von ihrer Beschreibung abgesehen.

Als nächstes wird die vierte Bedingung gesetzt in einer Weise, dargestellt in Fig. 6, dass die Bogensymmetrielinien C1, C2, C3 . . . der inneren Bögen n1, n2, n3 . . . durch den Mittelpunkt O des Kreises S führen, wenn man sie fortsetzt.

Zusätzlich werden Winkel, die zwischen diesen Symmetrielinien entstehen, zueinander gleichgesetzt und im Falle einer Dreierteilung wird der Winkel auf 120° gesetzt.

Das heißt, die inneren Bögen n1, n2, n3 . . . werden so angeordnet, dass sich ihre Symmetrielinien im Mittelpunkt des Kreises S kreuzen und sie werden so aufgeteilt, dass sie gleiche Winkel zueinander haben.

Diese Anordnung wird so ausgeführt, dass sie eine hohe Kreisförmigkeit aufweist, und dass sie die Gegenkräfte, die an jedem der Bögen erzeugt werden, in Richtung auf den Kreismittelpunkt lenkt und weiterhin so, dass alle diese Kräfte zueinander ausgeglichen sind.

Weiterhin wird nachstehend die Funktion anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben.

Zunächst wird zum Herstellen der erfindungsgemäßen Welle ein Ziehwerkzeug geschaffen, das eine äußere Ziehform 4 mit äußeren Bögen m1, m2, m3 . . . und mit inneren Bögen n1, n2, n3 . . . aufweist und eine innere Ziehform 5, wobei die beiden Ziehformen 4, 5 aneinander angepasst sind, wie in Fig. 7 dargestellt. Eine Welle mit einem inneren Umfang, der ungefähr gleich ist der Gesamtlänge der Bögen wird vorbereitet und dieses Material wird gezogen. Wenn es zu diesem Zeitpunkt schwierig sein sollte, die Welle mittels eines einzigen Ziehvorgangs herzustellen, wird eine äußere Ziehform von ungefährer Form vorbereitet und ein Ziehvorgang wird als zweiter Schritt ausgeführt, wie in Fig. 7 dargestellt. Dann wird die aus metallischem Material gebildete Welle mittels eines solchen Ziehvorgangs in die Welle mit der vorgegebenen Form gezogen.

Anschließend wird die Welle an dem Aufnahmeteil wie zum Beispiel einem Kugellager oder Ähnlichem, befestigt. Allerdings kann zu diesem Zeitpunkt die Welle nicht angebracht werden aufgrund eines gegebenen Bezuges



Rs > Rt,



bei dem Rs als Radius eines Kreisabschnittes der Welle vor ihrer Installation ist und bei der Rt als innerer Radius der Öffnung eines Aufnahmeteils ist, an den die Welle angebracht wird.

Im Hinblick auf das Vorhergehende gibt es beispielsweise zwei Verfahrensarten, die Welle anzubringen. Die eine Verfahrensart wird so ausgeführt, dass ein zusammenzwängendes Teil verwendet wird und sobald die Hohlwelle nach innen hin zusammengedrückt ist, so daß ihr Durchmesser den inneren Durchmesser Rt des Aufnahmeteils als kleinen Durchmesser erreicht, ist sie deformiert und wird in das Aufnahmeteil eingebracht. Das andere Verfahren wird so ausgeführt, dass ein einzuführendes äußeres Ende der Welle kegelförmig zugespitzt wird, dass die Welle gegen die Öffnung des Aufnahmeteils unter Verwendung der kegelförmigen Oberfläche gestoßen wird, wobei die Welle mittels eines Einsetzapparates hineingedrückt wird unter Verwendung eines hydraulischen Zylinders an der rückwärtigen Oberfläche der Welle. Die Welle wird eingebracht, während sie nach innen zusammengedrückt wird mittels der drückenden Kraft und während sie auch deformiert wird. Jede dieser Methoden kann angewendet werden.

Nachdem die Welle entsprechend der vorliegenden Erfindung so gefertigt ist, dass innere Bögen n1, n2, n3 . . . zwischen den äußeren Bögen m1, m2, m3 . . . ausgebildet sind, kann sie insgesamt in eine innere Richtung zusammengedrückt werden, wobei als erstes die äußeren Bögen m1, m2, m3, . . . nach innen gedrückt werden und sich nach innen zurückziehen, um den Mittelpunkt O herum.

In den Fig. 4 und 5 ist der Zustand von Bogenlinien zu diesem Zeitpunkt dargestellt, wobei die Bogenlängen mj1, mj2, mj3 . . . der äußeren Bögen mi nach innen verkleinert sind, um zu Bogenlängen m'j1, m'j2, m'j3 . . . zu werden, was dazu führt, dass Ansatzpunkte j1, j1, j2, j2, j3, j3 . . . an beiden Enden zu den Punkten j'1, j'1, j'2, j'2, j'3, j'3 . . . bewegt werden.

Da die Ansatzpunkte auch als Ansatzpunkte der inneren Bögen ni wirken können, werden die inneren Bögen ni aufgrund der Bewegung der Ansatzpunkte verkleinert, wobei der innere Bogen n1 mit seinen Ansatzpunkten j1 und j3, wie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt, verkleinert wird, wobei eine Bogenlinie nj1 des inneren Bogens n1 im wesentlichen in Richtung eines inneren Teiles des Kreises S hin gebogen wird, was dazu führt, daß diese Bogenlinie zu n'ji wird.

Im Ergebnis wird der Kreis S nach innen hin insgesamt verkleinert und wenn sein Radius kleiner wird als ein Radius Rt des Kreises T, kann er in die Öffnung T des Aufnahmeteiles eingeführt werden (vergleiche Fig. 2).

Anschließend haben in dem Fall, in dem die Welle und das Aufnahmeteil in ihren vorgegebenen Stellungen zueinander festgehalten werden und in dem die inneren Bögen ni im Wesentlichen in Richtung des Inneren des Kreises S gekrümmt sind unter Anwendung der vorgenannten Druckkraft, die äußeren Bögen ni eine elastische Energie in sich aufgrund ihrer gekrümmten Deformation gespeichert, was darin resultiert, dass ihre Gegenkraft realisiert wird.

Ein durch die Gegenkraft gebildetes Biegemoment kann durch die Kurvenradien vor und nach dem Verbiegen ausgedrückt werden, wobei die Kurvenradien vor dem Verbiegen als ρnsi und ρmsi und die Kurvenradien nach dem Verbiegen als ρnti, ρmti gegeben sind.

Demzufolge können die Kurvenradien ρnsi, ρmsi jedes der Bögen unter Anwendung dieser zugeordneten Gleichungen so angesetzt werden, dass eine elastisch federnde Gegenkraft Ft, erzeugt zwischen der Welle und der Innenwandoberfläche der Öffnung des Aufnahmeteiles, angepasst ist an eine Kraft F0, die notwendig ist für einen Zusammenhalt zwischen der Welle und dem Aufnahmeteil aufgrund des Biegemoments Mt.

Entsprechend wird eine geeignete Kupplungskraft in jedem der nachfolgend beschriebenen Fälle realisiert.

Zunächst
  • 1. In dem Fall, in dem beide Enden der Welle mit den Lageröffnungen eines Kugellagers verbunden sind, werden die Kurvenradien ρnsi, ρmsi der inneren Bögen ni und der äußeren Bögen mi so gewählt, dass sie der Beziehung Ft < F01 genügen, so dass ein innerer Freiraum des Lagers nicht aufgrund einer übermäßigen Druckkraft klein gemacht wird und Ermüdungserscheinungen, Vibrationen, Lärm sowie Auftreten von Wärme oder Ähnlichem vermieden werden (vergleiche Fig. 8(A)).
  • 2. Im Falle einer Papiervorschubrolle und Ähnlichem:

    In einem Fall, in dem die Papiervorschubrolle oder die Papieranpressrolle an einer vorgegebenen mittleren Stellung angeordnet werden, werden die Kurvenradien ρnsi, ρmsi der inneren Bögen ni und der äußeren Bögen mi so gewählt, daß sie einer Bedingung Ft > F02 genügen, so dass sie gegen eine Belastung bestehen kann, die den Papiervorschub oder den Papierandruck erzeugt wird (vergleiche Fig. 8(B)).
  • 3. In dem Fall, in dem ein Kugellager und eine Papiervorschubrolle miteinander kombiniert werden:

    Nachdem die Kurvenradien ρnsi, ρmsi der inneren Bögen ni und der äußeren Bögen mi so gewählt sind, daß sie der Beziehung F01 > Ft > F02 genügen oder dass die Kurvenradien ρnsi, ρmsi so gewählt sind, dass sie der Bedingung Ft < F01 genügen, wird der innere Durchmesser der Öffnung der Rolle auf einen geringeren Wert gesetzt, um der Bedingung Ft > F02 zu genügen. Dementsprechend wird dadurch die innere Weite des Lagers des Kugellagers nicht unnötig eng und sie kann gegen eine Belastung bestehen, die durch die Papiervorschubrolle erzeugt wird (vergleiche Fig. 8(C)).

Weiterhin ist zwischen dem vorgenannten Aufnahmeteil und der Welle, beispielsweise zwischen dem Kugellager und der Welle, ein großes Maß an Kreisförmigkeit notwendig, damit eine gleichförmige Drehbewegung möglich ist.

Um eine solch großes Maß an Kreisförmigkeit bei der vorliegenden Erfindung zu erzielen, wenn die symmetrischen Linien C1, C2, C3 . . . der inneren Bögen n1, n2, n3 . . . verlängert werden, sollen diese durch den Mittelpunkt O des Kreises S führen und Winkel zwischen den Linien werden gleich gewählt (vergleiche Fig. 6).

Im Ergebnis ist die Richtung der Gegenkraft, erzeugt durch die Krümmung der vorgenannten inneren Bögen n1, n2, n3 . . ., nach innen zum Mittelpunkt O des Kreises S hin gerichtet und Kräfte aus drei oder mehr Richtungen wirken unter einem zueinander gleichen Winkel auf diese ein, so dass die Summe dieser Kräfte auf den Mittelpunkt O des Kreises S konzentriert ist. Entsprechend wird der Mittelpunkt O des Kreises S zu einem Kräftemittelpunkt und dies ist die Ursache für das großes Maß an Kreisförmigkeit, wenn sich die Welle dreht.

Ausführungsform 1

Ein Hohlzylinder aus Material von SUS304, mit einer Länge von 1500 mm, einem äußeren Durchmesser von 12 mm und einer Dicke von 0,6 mm wurde vorbereitet. Dieser Zylinder wurde einmal mittels einer äußeren Ziehform in ein Zwischenprodukt vom Dreigrabentyp gezogen. Anschließend wurde das Werkstück mittels einer äußeren oder einer inneren Ziehform in seine endgültige Form gebracht.

Im Ergebnis wurde eine Hohlwelle gewonnen, bei der drei innere Bögen mit einem Radius von 0,8 mm ausgebildet sind bei einem Kreis von einem äußeren Durchmesser von 8,03 mm und einer Stärke von 0,5 mm. Ihre symmetrischen Linien kreuzen sich im Kreismittelpunkt und sie sind zueinander in einem Winkel von 120° ausgerichtet.

Als erstes wurde das äußere Ende der Welle in eine kegelförmige Oberfläche gebracht in bezug auf die Papiervorschubrolle, die darin eingestanzte Öffnungen mit einem inneren Durchmesser von 7,95 mm aufweist. Die Welle wurde unter Druck eingebracht mittels eines Einbringapparats unter Verwendung von hydraulischem Druck und anschließend wurde die Welle unter Druck auf die äußeren Bögen und die inneren Bögen eingebracht, wobei beide Teile miteinander über die elastisch federnde Gegenkraft verbunden sind, erzeugt beim Einbringen in das Aufnahmeteil.

Anschließend wurde das äußere Ende der Welle in eine kegelförmige Oberfläche gebracht gegenüber dem Kugellager aus einem Material von W688EP2ZU (für ein Lager von 8 m/m) mit Lageröffnungen von einem inneren Durchmesser von 7,995 mm, auf dieselbe Art wie bei dem beschriebenen Einführapparat unter Verwendung von hydraulischem Druck, wobei beide Teile miteinander verbunden wurden auf dieselbe Art wie zuvor beschrieben.

Im Ergebnis konnte die Papiervorschubrolle einer Drehkraft von ungefähr 1,96 Nm widerstehen. Zusätzlich zeigte das Kugellager, dass die innere Weite im Bereich des theoretischen Wertes gehalten werden konnte. Das großes Maß an Rundheit war genügend erfüllt.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung bestehend aus einer Hohlwelle (1) als Transport- oder Andruckwelle zur Führung und zum Transport von Papier zur Verwendung in einer Büromaschine oder einem Messgerät zur Befestigung über Reibschluß in einer vorgegebenen Lageröffnung (2),

    wobei der über die Länge der Hohlwelle unveränderliche Hohlwellenwandquerschnitt drei oder mehr symmetrisch über den Umfang verteilte konvexe Bögen (m1, m2, m3, . . .) und jeweils dazwischen liegende, unmittelbar anschließende, Verbindungsabschnitte gleicher Anzahl aufweist,

    wobei der maximale Abstand eines Abschnitts eines konvexen Bogens (m1, m2, m3, . . .) von der Wellenachse vor Einbringung der Hohlwelle in die Lageröffnung größer als ein minimaler Abstand eines Abschnitts der inneren Lageröffnung von der Lagerachse ist,

    wobei für den Reibschluß eine elastisch federnde Gegenkraft durch Zusammendrücken und Deformation der Bögen und Verbindungsabschnitte erzeugt wird und wobei

    die Verbindungsabschnitte aus jeweils einem, im unverformten Zustand, konkaven Bogen (n1, n2, n3, . . .) bestehen.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die konvexen (m1, m2, m3, . . .) und/oder die konkaven (n1, n2, n3, . . .) Bögen jeweils aus Kreisbögen bestehen.
  3. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die konvexen Bögen (m1, m2, m3, . . .) und/oder die konkaven (n1, n2, n3, . . .) Bögen die gleiche Bogenlänge haben.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlwellenende kegelförmig ist.
  5. 5. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlwelle (1), bei welcher der ursprüngliche Innenumfang etwa der Gesamtlänge der Bögen der Endform entspricht, durch ein Ziehwerk gezogen wird, welches aus einer äußeren Ziehform (4) in Zusammenwirken mit einer inneren Ziehform (5) besteht, wobei die beiden Ziehformen (4, 5) aneinander angepasst sind und wobei die äußere Ziehform (4) der Außenform der Hohlwelle entspricht, und wobei der ursprüngliche Umfang der Hohlwelle während des Ziehvorgangs auf die Endform verringert wird.
  6. 6. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Ziehform (5) innerhalb der Öffnung der äußeren Ziehform (4) und innerhalb der Hohlwelle (1) angeordnet ist.






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