<Desc/Clms Page number 1>
Rotierende Welle oder Trommel
Die Erfindung bezieht sich auf eine rotierende Welle oder Trommel, die von einem Kunststoffzylinder umgeben ist.
Zylindrische Rotoren finden in der gesamten Technik eine breite Anwendung. Die zulässige Umfangsgeschwindigkeit eines Rotors wird von seiner Bauart und dem verwendeten Werkstoff bestimmt. Ein reiner Trommelläufer, der im wesentlichen aus einem dünnwandigen Zylinder besteht, nimmt die gesamten Fliehkräfte bei Rotation durch ein System von Tangentialspannungen auf.
Übersteigen diese Tangentialspannungen bei zu grosser Rotationsgeschwindigkeit die zulässigen Werkstoffspannungen, so wird der Rotor zunächst unwuchtig durch unkontrollierbare plastische Werkstoffverformungen oder er geht nach örtlichem Erreichen der Bruchgrenze zu Schaden.
Neben der zulässigen Werkstoffbeanspruchbarkeit spielt zum Erreichen hoher Umfangsgeschwindigkeiten die Dichte des verwendeten Materials eine Rolle. Werkstoffe mit hoher Streckgrenze, aber niedriger Dichte, können höhere Umfangsgeschwindigkeiten erreichen, als solche mit grösserer Dichte. Es ist bekannt, dass faserverstärkte Kunststoffe (z. B. glasfaserverstärkte Kunststoffe) zulässige Beanspruchungen besitzen, die mit Stählen oder Titan vergleichbar sind. Durch ihre etwa 4fach geringere Dichte kann man jedoch höhere Umfangsgeschwindigkeiten erreichen. Rotoren aus faserverstärkten Kunststoffen haben jedoch empfindliche Nachteile, die ihren Einsatz bisher nur zögernd voranschreiten liessen.
Der kleine Elastizitätsmodul faserverstärkter Kunststoffe bedingt, dass derartige Rotoren sehr biegeelastisch sind und zusätzlich bei Rotation übermässig stark aufgeweitet werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Welle oder Trommel, deren Umfangsgeschwindigkeit bei geringer Deformation gross sein kann.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass zur Vermeidung plastischer Werkstoffverformungen bei hohen Drehzahlen die Welle oder Trommel aus einem inneren Metallzylinder hoher Steifigkeit besteht, der achsgleich von einem äusseren Kunststoffzylinder niedriger Steifigkeit umgeben und mit diesem verbunden ist.
Damit wird ein Rotor erzeugt, dessen Wandstärke zum Teil durch ein Metall, z. B. Stahl, Aluminium, Titan und zum Teil durch faserverstärkten Kunststoff aufgebaut ist. Wird dieser Trommelrotor auf mässige Drehzahlen gebracht, so entstehen im Metall und im Kunststoff Spannungen und Verformun- gen, die in linearer Weise voneinander abhängen. Entsprechend dem hohen E-Modul des Metalls werden die Spannungen bei Steigerung der Drehzahl im Metallzylinder rascher steigen als jene im faserverstärkten Kunststoff. Bei einer bestimmten Drehzahl werden die Beanspruchungen im Metallteil die Fliessgrenze erreichen. Bei weiteren Drehzahlsteigerungen wird der innere Metallzylinder nun plastisch verformt werden, während der äussere faserverstärkte Kunststoffzylinder vergrösserte elastische Spannungen aufbaut.
Damit ist eine Welle oder Trommel geschaffen, deren Deformation auch bei hoher Umfangsgeschwindigkeit gering ist.
Die eben geschilderten Zusammenhänge sind in Fig. 2 der Zeichnungen näherungsweise für den Rotationskörper gemäss Fig. l dargestellt und im folgenden unter Verwendung der genormten bzw. allgemein üblichen Symbole beschrieben.
<Desc/Clms Page number 2>
Der Rotationskörper weist den Wandteil-l-aus Metall und den Wandteil--2-- aus faserverstärktem Kunststoff auf. In Fig. 2 sind eindimensionale Spannungen und Dehnungen für einen typischen metallischen Werkstoff (Kurve--M--) und für einen typischen faserverstärkten Kunststoff (Kurve --F--) dargestellt. Der metallische Werkstoff, z. B. Flussstahl, soll ideal plastisches Verhalten zeigen. Die Kurve --#=#(#)-- knickt nach Erreichen der Fliessgrenze--aF, M--in eine Horizontale um ; entsprechend dem kleinen Elastizitätsmodul verläuft die Kurve --F-- wesentlich flacher als der Kurven- abschnitt- 0-o F, M--.
Wenn nun in der geschilderten Weise ein zylindrischer Rotor auf eine Drehzahl n gebracht wird, so besitzt er eine Winkelgeschwindigkeit tu =-. Die dabei erzeugten Tangentialspannungen au 30 betragen Ou = p. r2. ( ; ?.
EMI2.1
Aufweitungen auftreten. Diese Zusammenhänge gelten so lange, bis die Fliessgrenze im inneren metallischen Zylinder erreicht wird. Es kann dabei auch passieren, dass der metallische Zylinder weniger stark radial aufgeweitet wird, als der GFK-Verband und dadurch vorübergehend eine Lösung der beiden Zylinder erfolgt. Ab einer bestimmten Drehzahl wird die Fliessgrenze im inneren Metallzylinder überschritten. Die nun bei einer Drehzahlerhöhung erzeugten höheren Fliehkräfte müssen vom GFK-Verband aufgenommen werden.
Selbstverständlich liegt nun der Metallzylinder im Kunststoffzylinder an. Die radialen Verformungen und Umfangsdehnungen beider Zylinder sind nun einander gleich. Nehmen wir
EMI2.2
wUrdeSpannungs-Dehnungszusammenhang im Metallzylinder durch die Kurve-M'-- (Bauschinger-Effekt) beschrieben. Nachdem der Kunststoffverband noch im linear elastischen Bereich belastet war, wird der Zusammenhang zwischen Dehnungen und Spannungen beim Absinken der Drehzahl längs der Kurve --F-- erfolgen. Bei Drehzahl 0 wird ein Eigenspannungszustand herrschen, der im Metallzylinder Druckspannungen und im faserverstärkten Kunststoffzylinder Zugspannungen hervorrufen wird. Entsprechend den Dicken der beiden Zylinder und ihrer Werkstoffparameter wird eine verbleibende Dehnung e im Gesamtzylinder verbleiben.
Die Zugspannungen im Kunststoffzylinder mögen-og-betragen, die entsprechenden Druckspannungen im Metallzylinder --0112--'
Bei einer erneuten Belastung des Verbundzylinders durch Rotation werden nun die Zugspannungen im Kunststoffteil, vom Punkt --II-- ausgehend, längs der Kurve --F-- ansteigen. Die entsprechenden Spannungen im Metallteil werden, vom Punkt --II--- ausgehend, längs der Kurve --M'-- ansteigen.
Dabei werden im Metall zunächst die Druckspannungen abgebaut und im weiteren Verlauf Zugspannungen aufgebaut.
Durch die Vorspannung benimmt sich der Verbundrotor grundsätzlich anders als beim ersten Hochfahren des Rotors. Die gesamte radiale Aufweitung ist im elastischen wie im plastischen Falle proportional der Tangentialdehnung im Zylinder, d. h. bei der ersten Rotation ist die gesamte Aufweitung des Verbundzylinders proportional der Strecke-O-e,-. Bei der zweiten Belastung durch die gleiche Drehzahl ist die nun auftretende radiale Aufweitung proportional derStrecke-e-e-. Der plastisch verformte Verbundrotor benimmt sich also genau wie ein Metallrotor mit höherer Streckgrenze.
Durch die kleinere Gesamtdichte des Rotors können jedoch wesentlich höhere Umfangsgeschwindigkeiten erreicht werden als bei reinen metallischen Rotoren.
Die Erzeugung des Eigenspannungszustandes kann nicht nur durch Rotation erzeugt werden. Durch Aufbringen von Innendruck ist es möglich, den gleichen Eigenspannungszustand hervorzurufen. Nach erzeugter Eigenspannung im Verbundrotor ist der so hergestellte Rotor identisch dem oben eingehend beschriebenen.