SCHWINGUNGSFESTES MASCHINENGESTELL MIT ALUMINIUMPROFILEN

Abstract

 Maschinengestell mit einer Trägerkonstruktion umfassend ein Aluminium-Strebenprofil sowie wenigstens ein weiteres Bauteil. Das Aluminium-Strebenprofil hat eine Länge und wenigstens einem Hohlraum, der sich über die Länge erstreckt. Das wenigstens eine weitere Bauteil ist mittels wenigstens einem Spannelement mit dem Aluminium-Strebenprofil verspannt, wobei sich das wenigstens eine Spannelement innerhalb des wenigstens einen Hohlraums über die erste Länge erstreckt, und wobei das wenigstens eine Spannelement auf das Aluminium-Strebenprofil in Längsrichtung eine Druckkraft ausübt.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft ein Maschinengestell mit Aluminiumprofilen sowie Komponenten für ein solches Maschinengestell, wie eine Trägerkonstruktion. Das Maschinengestell bzw. dessen Komponenten können Schwingungsbelastungen über längere Zeiträume widerstehen.

Stand der Technik

[0002] Ein Maschinengestell, auch Maschinenbasis genannt, dient dazu, eine Maschine oder eine Anlage zu tragen und zu stabilisieren. Es gibt verschiedene Arten von Maschinengestellen, die für verschiedene Anwendungen entwickelt wurden. Ein Maschinengestell kann aus verschiedenen Materialien wie Stahl, Aluminium oder Kunststoff hergestellt sein und kann in verschiedenen Größen und Formen erhältlich sein, um den Anforderungen der Maschine oder Anlage gerecht zu werden, die es tragen soll. Beispiele solcher Maschinen oder Anlagen sind Kompressoren, Spritzgussmaschinen, Schwingförderer und andere.

[0003] Ein Maschinengestell ist in der Regel so konstruiert, dass es die Belastungen und Kräfte aufnehmen kann, die während des Betriebs der Maschine oder Anlage auftreten. Es kann auch dazu beitragen, die Maschine oder Anlage vor äußeren Einflüssen wie Vibrationen, Schocks und Stößen zu schützen.

[0004] Ein Maschinengestell kann auch dazu dienen, die Maschine oder Anlage zu installieren und zu bewegen. Es kann mit Rollen oder Rädern ausgestattet sein, um es leicht zu transportieren, oder es kann in einem festen Rahmen montiert werden, um es an einem bestimmten Ort zu sichern.

[0005] Die DE 10 2009 023 598 A1 offenbart eine Maschinenbasis aus Stahlrohr, auf die Vibrationen, die beim Betrieb einer Spritzgussmaschine entstehen, übertragen werden.

[0006] Stahl ist gut geeignet für die Herstellung von Maschinengestellen, da es eine hohe Tragfähigkeit und Steifigkeit aufweist und auch kostengünstig ist. Es gibt einige spezifische Vorteile, die Maschinengestelle aus Stahl bieten, insbesondere in Bezug auf die Schwingungsfestigkeit. Dies bedeutet, dass Maschinengestelle aus Stahl in der Lage sind, die Schwingungen, die während des Betriebs der Maschine oder Anlage auftreten, gut zu absorbieren und zu minimieren. Dies ist besonders wichtig, wenn die Maschine oder Anlage in einer Umgebung betrieben wird, in der starke Vibrationen oder Schocks auftreten können, da diese Belastungen die Maschine oder Anlage beschädigen oder sogar zerstören können.

[0007] Ein weiterer Vorteil von Maschinengestellen aus Stahl ist, dass sie sehr langlebig sind. Sie sind in der Regel in der Lage, hohe Belastungen und Kräfte auf lange Sicht aufzunehmen, ohne zu brechen oder sich zu verformen. Dies bedeutet, dass sie auch in harten Industrieumgebungen lange Zeit problemlos funktionieren können, ohne dass regelmäßige Wartung oder Reparaturen erforderlich sind.

[0008] Allerdings haben Maschinengestelle aus Stahl auch eine Reihe von Nachteilen. So haben sie ein relativ hohes Gewicht und sind damit oft schwer zu transportieren. Weiterhin benötigen Bauteile aus Stahl einen Korrosionsschutz, wie beispielsweise eine Lackierung oder Oberflächenbeschichtung, der auch in größeren Intervallen ausgebessert oder ersetzt werden muss. Zudem sind Maschinengestelle aus Stahl aufgrund ihrer Struktur meist optisch wenig ansprechend und können auch nur mit großem Aufwand an neue Aufgaben angepasst bzw. verändert werden.

[0009] Grundsätzlich wäre auch Aluminium, insbesondere als Aluminium-Strebenprofil für Maschinengestelle geeignet. Derartige Aluminium-Strebenprofile sind beispielsweise in dem Katalog "Mechanik-Grundelemente" der Bosch Rexroth AG, Material-Nr.: 3 842 540 391 (2019-07) offenbart. Allerdings lassen sich mit Aluminium-Strebenprofilen keine Verbindungen herstellen, die auf lange Zeit Vibrationen widerstehen können. So werden diese Profile durch Schraubverbindungen mit in Aluminium geschnittene Gewinde oder durch Festklemmen in Nuten der Profile miteinander verbunden. Diese Verbindungen lockern sich unter Langzeit-Vibrationsbelastung und müssen daher regelmäßig überprüft und ggf. nachgezogen werden.

Darstellung der Erfindung

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zu vibrationsfesten Maschinengestellen bzw. zu Trägerkonstruktionen für Maschinengestelle aus Stahl zu finden, die die oben genannten Nachteile vermeidet.

[0011] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0012] Ein Maschinengestell kann mehrere Komponenten wie beispielsweise eine Trägerkonstruktion umfassen. Eine Trägerkonstruktion umfasst ein Aluminium-Strebenprofil sowie wenigstens ein weiteres Bauteil. Solch ein weiteres Bauteil kann ein weiteres Aluminium-Strebenprofil, ein Befestigungselement, eine Maschine oder ein beliebiges anderes Teil sein. Das wenigstens eine weitere Bauteil ist mittels wenigstens einem Spannelement mit dem Aluminium-Strebenprofil verspannt.

[0013] Ein Aluminium-Strebenprofil ist ein langgestrecktes Bauteil aus Aluminium, welches bevorzugt entlang seiner Länge eine konstante Geometrie aufweist. Ein solches Strebenprofil könnte beispielsweise durch Extrusion hergestellt sein. Solche Aluminium-Strebenprofile werden bevorzugt mit Querschnitten von 20 x 20 mm bis 200 x 200 mm hergestellt. Die Länge solcher Profile kann in praktischen Einsatzfällen zwischen wenigen Zentimetern und einigen Metern sein. Ein typisches Maschinengestell, welches beispielsweise eine Grundfläche von 1 m × 2 m besitzt, kann somit durch Strebenprofile mit 1 beziehungsweise 2 m Länge hergestellt werden. Je nach erforderlicher Stabilität können kleinere oder größere Querschnitte hierzu ausgewählt werden. Ein Aluminium-Strebenprofil kann wenigstens einen Hohlraum und/oder wenigstens eine Nut in Längsrichtung aufweisen. Der Hohlraum beziehungsweise die Nut kann sich über die ganze Länge des Profils erstrecken. Um nun ein weiteres Bauteil an dem Aluminium-Strebenprofil zu befestigen, wird ein Spannelement innerhalb eines Hohlraums beziehungsweise einer Nut in Längsrichtung des Aluminium-Strebenprofils angeordnet. Besonders günstig ist die Anordnung in einem Hohlraum. Das Spannelement übt auf das Aluminium-Strebenprofil in Richtung dessen Länge eine Druckkraft (Spannkraft) aus, mittels der auch das weitere Bauteil mit dem Aluminium-Strebenprofil verspannt wird. Eine zusätzliche Befestigung, beispielsweise über Gewinde im Aluminium-Strebenprofil ist nicht mehr notwendig.

[0014] In typischen Einsatzfällen können Aluminium-Strebenprofile insbesondere für Maschinengestelle in Längen zwischen 20 cm und 3 m verwendet werden. Entsprechend haben die Spannelemente eine Länge in diesem Bereich. Typischerweise sind sie etwas länger, da die Spannelemente auch die weiteren Bauteile und zusätzliche Befestigungs- beziehungsweise Klemmelemente, wie beispielsweise Muttern, umfassen müssen.

[0015] Um nun eine vibrationsfeste Verbindung zu gewährleisten, wird das Spannelement derart vorgespannt, dass es in seiner Längsrichtung eine relative Dehnung aufweist. Diese Dehnung ist bevorzugt in einem Bereich > 20% der Streckgrenze, oder auch der 0,2% Dehngrenze (welche meist verwendet wird, wenn die Streckgrenze nicht eindeutig bestimmbar ist). Vorzugsweise liegt die relative Dehnung < 90% der Streckgrenze und besonders bevorzugt < 70% der Streckgrenze des Materials des wenigstens einen Spannelements. Dadurch wirkt das wenigstens eine Spannelement wie eine starke Feder und hält auch insbesondere bei vibrationsbedingten Veränderungen einen hohen Anpressdruck aufrecht, so dass eine stabile Verbindung über lange Zeit zwischen dem wenigstens einen Bauteil und dem Aluminium-Strebenprofil gewährleistet ist.

[0016] Nachfolgend soll ein einfaches Dimensionierungsbeispiel an einem Aluminium-Strebenprofil mit einer Kantenlänge von 45 × 45 mm, einer Länge von 1 m und einem innen liegenden Stahlstab mit 10 mm Durchmesser gezeigt werden. Der Stahlstab bestehe aus einem einfachen Stahl mit einem Elastizitätsmodul von 210 Gpa. Die Streckgrenze des Stahls sei 275 Mpa. Daraus ergibt sich eine relative Dehnung an der Streckgrenze von 275 Mpa / 210 Gpa = 1,3 × 10-3, entsprechend 1,3 mm bei einer Stablänge von 1 m. Eine Dehnung bis zu 70% der Streckgrenze entspricht 0,9 mm. Bei der Montage wird die Verbindung beispielsweise über eine aufgeschraubte Mutter derart angezogen, dass sich der Stab um 0,9 mm dehnt. Gleichzeitig wird sich das Aluminiumprofil mit einem Elastizitätsmodul von 70 Gpa und einer Querschnittsfläche von 750 mm² um ca. 0,3 mm verkürzen.

[0017] Das Spannelement kann beispielsweise eine Gewindestange sein, so dass an deren Enden auf einfache Weise Muttern aufgeschraubt werden können, welche dann wenigstens ein weiteres Bauteil an das Aluminium-Strebenprofil spannen. Ebenso könnte auch ein Stahlstab oder ein Stahlrohr mit einem Gewinde verwendet werden. Alternativ wäre auch ein Stab oder ein Rohr mit zumindest einer Endplatte an einer Seite und einem Gewinde an der anderen Seite oder auch jede weitere Konstruktion denkbar, die eine Einstellung der Vorspannung ermöglicht.

[0018] Das Aluminium-Strebenprofil sollte von der Querschnittsfläche so dimensioniert werden, dass es eine geringere Stauchung erfährt als die Dehnung des Spannelements ist. Hierzu muss unter Berücksichtigung des Elastizitätsmoduls des Materials (Aluminium) die Querschnittsfläche des Aluminiumprofils entsprechend hoch gewählt werden. Das Elastizitätsmodul von Aluminium ist typischerweise ca. 30% des Elastizitätsmoduls von Stahl. Daher sollte die Querschnittsfläche des Aluminium-Strebenprofil mindestens um den Faktor 3 größer sein als die Querschnittsfläche des Spannelements, falls hier Stahl eingesetzt werden soll. Selbstverständlich können auch andere Materialien für das Spannelement eingesetzt werden. Derartige Materialien sind beispielsweise Titanlegierungen, Messinglegierungen und andere.

[0019] Eine Trägerkonstruktion umfasst wenigstens ein Spannelement. Sie kann aber auch eine höhere Anzahl von Spannelementen umfassen. Dies können beispielsweise zwei, drei oder vier Spannelemente sein, welche alle bevorzugt in Hohlräumen des Aluminium-Strebenprofil angeordnet sind. Bevorzugt sind die Spannelemente symmetrisch angeordnet. Besonders günstig ist es, wenn jedes Spannelement in einem eigenen Hohlraum angeordnet ist.

[0020] Ein Maschinengestell umfasst wenigstens eine Trägerkonstruktion wie oben beschrieben. Es können auch mehrere derartige Trägerkonstruktionen miteinander zu einem Maschinengestell verbunden sein.

Beschreibung der Zeichnungen

[0021] Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.

Figur 1

zeigt eine räumliche Ansicht eines Ausführungsbeispiels.

Figur 2

zeigt eine teilgeschnittene Ansicht des Ausführungsbeispiels.

Figur 3

zeigt eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels.

Figur 4

zeigt eine weitere geschnittene Ansicht des Ausführungsbeispiels.

Figuren 5 -9

zeigen verschiedene Ausführungsform im Schnitt.

Figur 10

zeigt eine schematische Anordnung.

Figur 11

zeigt ein Maschinengestell.

[0022] In der Figur 1 ist eine räumliche Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Trägerkonstruktion 100 dargestellt. Diese umfasst ein erstes Aluminium-Strebenprofil 110 sowie ein zweites Aluminium-Strebenprofil 120 und ein drittes Aluminium-Strebenprofil 130, wobei das zweite Aluminium-Strebenprofil 120 und das dritte Aluminium-Strebenprofil 130 die weiteren Bauteile darstellen, welche an das erste Aluminium-Strebenprofil 110 gespannt werden. Die Aluminiumprofile, welche hier gezeigt sind, sind typische Aluminiumprofile mit einem Querschnitt von 40 x 40 mm und einem innen liegenden zentralen Hohlraum, welcher zentral angeordnet ist. Zudem haben diese Profile weitere äußere Hohlräume. Das Spannelement ist hier eine Gewindestange 140, welche mit Muttern 150, 160 auf beiden Seiten durch die zweiten und dritten Strebenprofile befestigt ist. Weiterhin sind noch Beilagscheiben 152, 162 vorgesehen.

[0023] Die Figur 2 zeigt eine Frontansicht des vorherigen Ausführungsbeispiels. Hierbei ist das erste Aluminium-Strebenprofil 110 durch seine Mitte geschnitten und das dritte Aluminium-Strebenprofil 130 ist durch die gleiche Ebene geschnitten dargestellt. Hier ist die Befestigung mit der Mutter 160 auf der Gewindestange 140 gut zu erkennen. Die Gewindestange 140 geht durch eine Bohrung im Aluminium-Strebenprofil 130. Aussparungen 122, 132 an der Außenseite der Aluminium-Strebenprofile 120 und 130 ermöglichen die Aufnahme der Mutter und das Einführen eines Werkzeugs zum Festziehen der Mutter.

[0024] Die Figur 3 zeigt eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels auf das zweite Aluminium-Strebenprofil 120. Hier ist auch die Mutter 150 auf der Gewindestange 140 innerhalb der Aussparung 122 zu erkennen.

[0025] Die Figur 4 zeigt einen Schnitt in Längsrichtung durch das erste Aluminium-Strebenprofil 110. Hier ist die Gewindestange 140, im Inneren des zentralen Hohlraums 112 angeordnet.

[0026] Die Figur 5 zeigt eine besonders einfache Ausführungsform 210 mit einem einfachen quadratischen Aluminium-Strebenprofil. Hier ist ein zentrales Spannelement 219, welches ein Stab oder eine Gewindestange sein kann, in einem zentralen Hohlraum 212 angeordnet. Äußere Hohlräume 214 beziehungsweise Nuten 216 in dem Profilkörper 211 könnten ebenso zur Anordnung eines Spannelements dienen.

[0027] Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform 220 eines anderen Aluminium-Strebenprofils. Hier ist beispielhaft ein Profil mit den Dimensionen 45 x 90 mm angegeben. Es weist zwei innere Hohlräume 222 und einen zentralen Hohlraum 223 auf. Jeder dieser Hohlräume ist geeignet zur Anordnung eines Spannelements.

[0028] Die Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform 230 eines Aluminium-Strebenprofils. Hier ist in dem zentralen Hohlraum 223 ein Spannelement 229 in Form eines Rohres angeordnet.

[0029] Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform 240 eines massiven Aluminium-Strebenprofils mit einer Kantenlänge von 100 x 100 mm. Hier ist in einem zentralen Hohlraum 243 ein zentrales Spannelement 249 angeordnet.

[0030] Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform 250 des zuvor gezeigten Strebenprofils, wobei nun innere Spannelemente 248 in den äußeren Hohlräumen 244 angeordnet sind.

[0031] Figur 10 zeigt eine schematische Anordnung 300 zur Darstellung der Funktionsweise. Das Aluminium-Strebenprofil 310 hat eine Länge 350. An den Enden des Aluminium-Strebenprofils sind Endstücke 320, 330 angeordnet. Mit diesen verspannt ist ein Spannelement 340, welches beispielsweise ein Zugstab aus Stahl ist und welches an seinen Enden mittels zweier Muttern 322, 332 gehalten wird.

[0032] Figur 11 zeigt ein beispielhaftes Maschinengestell 400. Es umfasst eine erste Trägerkonstruktion 410 aus vier miteinander verbundenen Aluminium-Strebenprofilen 411, 412, 413, 414. Hier könnten beispielsweise die beiden Aluminium-Strebenprofile 411 und 413 dem ersten Aluminium-Strebenprofil entsprechen, während die Aluminium-Strebenprofile 412 und 414 sowie die optionalen senkrechten Aluminium-Strebenprofile 431, 432, 433 und 434 den weiteren Bauteilen entsprechen. Zusätzlich ist eine zweite optionale Trägerkonstruktion 420 aus vier miteinander verbundenen Aluminium-Strebenprofilen 421, 422, 423, 424 dargestellt. Grundsätzlich sind Anordnungen mit mehreren unterschiedlichen Trägerkonstruktionen möglich, beispielsweise in mehreren Ebenen übereinander.

Bezugszeichenliste

[0033] 

100

Trägerkonstruktion

110, 120, 130

Aluminium-Strebenprofile

112

Zentraler Hohlraum

122, 132

Aussparung

140

Spannelement (Gewindestange)

150, 160

Mutter

152, 162

Beilagscheibe

210

Erste Ausführungsform eines Aluminium-Strebenprofils

211

Profilkörper

212

Zentraler Hohlraum

214

Äußere Hohlräume

216

Nuten

219

Zentrales Spannelement

220, 230

Zweite Ausführungsform eines Aluminium-Strebenprofils

221

Profilkörper

222

Innere Hohlräume

223

Zentraler Hohlraum

224

Äußere Hohlräume

226

Nuten

228

Zentrales Spannelement

229

Innere Spannelemente

240, 250

Dritte Ausführungsform eines Aluminium-Strebenprofils

241

Profilkörper

243

Zentraler Hohlraum

244

Äußere Hohlräume

246

Nuten

248

Innere Spannelemente

249

Zentrales Spannelement

300

Schematische Anordnung

310

Aluminium-Strebenprofil

320, 330

Endstücke

322, 332

Mutter

340

Zugstab aus Stahl

350

Länge des Aluminium-Strebenprofils

400

Maschinengestell

410

Erste Trägerkonstruktion

411, 412, 413, 414

Aluminium-Strebenprofile

420

Zweite Trägerkonstruktion

421, 422, 423, 424

Aluminium-Strebenprofile

431, 432, 433, 434

Senkrechte Aluminium-Strebenprofile

Ansprüche

1. Trägerkonstruktion (100) umfassend ein Aluminium-Strebenprofil (110) sowie wenigstens ein weiteres Bauteil (120, 130),

wobei das Aluminium-Strebenprofil (110) eine erste Länge (350) aufweist, und wenigstens einem Hohlraum (112) umfasst, der sich über die erste Länge (350) erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, dass

das wenigstens eine weitere Bauteil (120, 130) mittels wenigstens einem Spannelement (140) mit dem Aluminium-Strebenprofil (110) verspannt ist, wobei sich das wenigstens eine Spannelement (140) innerhalb des wenigstens einen Hohlraums wenigstens über die erste Länge erstreckt, wobei das wenigstens eine Spannelement (140) auf das Aluminium-Strebenprofil (110) in Richtung der ersten Länge (350) eine Druckkraft ausübt.

2. Trägerkonstruktion nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aluminium-Strebenprofil ein Extrusionsprofil ist.

3. Trägerkonstruktion nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine weitere Bauteil (120, 130) wenigstens ein weiteres Aluminium-Strebenprofil umfasst.

4. Trägerkonstruktion nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine Spannelement (140) Stahl umfasst.

5. Trägerkonstruktion nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine Spannelement (140) ein Stab, eine Gewindestange oder ein Rohr umfasst.

6. Trägerkonstruktion nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine Spannelement (140) an wenigstens einem Ende wenigstens ein Gewinde hat, auf welche eine Mutter aufgeschraubt ist.

7. Trägerkonstruktion nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine Spannelement (140) in seiner Längsrichtung eine erste relative Dehnung aufweist und das Aluminium-Strebenprofil (110) in seiner Längsrichtung eine erste relative Stauchung aufweist, wobei die erste relative Dehnung größer ist als die erste relative Stauchung.

8. Trägerkonstruktion nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine Spannelement (140) in seiner Längsrichtung eine erste relative Dehnung aufweist, die im Bereich der elastischen Verformung liegt.

9. Trägerkonstruktion nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine Spannelement (140) in seiner Längsrichtung eine erste relative Dehnung aufweist, die im Bereich von >20% und vorzugsweise <90% der Streckgrenze oder der 0,2-%-Dehngrenze des Materials des wenigstens einen Spannelements (140) liegt.

10. Trägerkonstruktion nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aluminium-Strebenprofil (110) eine Querschnittsfläche aufweist, die wenigstens um den Faktor 3 größer ist als die Querschnittsfläche des wenigstens einen Spannelements.

11. Trägerkonstruktion nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Druckkraft größer als 1kN und bevorzugt größer als 10kN ist.

12. Trägerkonstruktion nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trägerkonstruktion wahlweise ein, zwei, drei oder vier Spannelemente umfasst.

13. Trägerkonstruktion nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
jedes Spannelement sich innerhalb eines eigenen Hohlraums erstreckt.

14. Maschinengestell umfassend wenigstens eine Trägerkonstruktion nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.

Zeichnung