DE102012112867A1

DE102012112867A1 - Befestigungsanordnung für Bauteile mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten

Info

Publication number: DE102012112867A1
Application number: DE201210112867
Authority: DE
Inventors: Martin Friess; Sandrine Denis; Bernhard Heidenreich; Matthias Scheiffele
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-22
Also published as: DE102012112867B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung zur Verbindung eines ersten Bauteils aus einem ersten Material und eines zweiten Bauteils aus einem zweiten Material, wobei die beiden Materialien unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei die Bauteile jeweils einen Verbindungsabschnitt mit einer zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Wandung aufweisen, und wobei sich die beiden Verbindungsabschnitte entlang eines Verbindungsbereiches überlappen, der sich in Axialrichtung und in Umfangsrichtung des Zylinders oder Kegelstumpfes erstreckt. Die beiden Verbindungsabschnitte überlappen sich so, dass zwischen den beiden Wandungen ein Freiraum ausgebildet ist. Die Befestigungsanordnung umfasst eine Mehrzahl von scheibenförmigen Befestigungselementen aus dem zweiten Material, die entlang des Außen- oder Innenumfangs des Verbindungsabschnitts des ersten Bauteils an diesem festgelegt sind, und der Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils weist entlang seines Umfangs eine Mehrzahl von korrespondierenden Durchbrüchen auf, in die die scheibenförmigen Befestigungselemente eingreifen, so dass die scheibenförmigen Befestigungselemente eine Bewegung der beiden Bauteile relativ zueinander verhindern, jedoch eine unterschiedliche thermische Ausdehnung der Bauteile in Radialrichtung zulassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung zur Verbindung eines ersten Bauteils aus einem ersten Material und eines zweiten Bauteils aus einem zweiten Material, wobei die beiden Materialien unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei die Bauteile jeweils einen Verbindungsabschnitt mit einer zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Wandung aufweisen, und wobei sich die beiden Verbindungsabschnitte entlang eines Verbindungsbereiches überlappen, der sich in Axialrichtung und in Umfangsrichtung des Zylinders oder Kegelstumpfes erstreckt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils aus einem ersten Material und eines zweiten Bauteils aus einem zweiten Material, wobei die beiden Materialien unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, und wobei die Bauteile jeweils einen Verbindungsabschnitt mit einer zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Wandung aufweisen.
Eine Verbindung von Bauteilen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, bei der eine Überlappung der jeweiligen Verbindungsabschnitte und insbesondere deren formschlüssiges Ineinandergreifen erforderlich sind, um eine ausreichende Stabilität, mechanische Belastbarkeit und ggf. Dichtigkeit der Verbindung zu gewährleisten, ist häufig sehr problematisch. Dies gilt insbesondere dann, wenn die miteinander verbundenen Bauteile während ihres bestimmungsgemäßen Einsatzes großen Temperaturschwankungen unterworfen sind, so dass die beim Erwärmen stärkere thermische Ausdehnung des ersten Bauteils zu thermischen Spannungen im Verbindungsbereich führt, die zu einer Schwächung der Verbindung, zu Rissen und Beschädigungen und im Extremfall sogar zu einem Totalversagen der Bauteile führen können.
Sehr hohe Temperaturdifferenzen treten beispielsweise bei Anwendungen im Bereich der Raketen- und Triebwerkstechnik auf, und gerade in diesen Bereichen ist häufig der Einsatz von Bauteilen aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten erforderlich, insbesondere die Kombination von metallischen und keramischen Materialien, wobei letztere aufgrund ihrer höheren thermischen Stabilität und/oder der fehlenden Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden. Dies betrifft z. B. Brennkammern von Raketentriebwerken und Gasturbinen sowie Radarkuppeln (Radome) von Flugkörpern.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindung von zwei Bauteilen aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu ermöglichen, bei der innerhalb eines weiten Temperaturbereiches im Wesentlichen keine thermischen Spannungen zwischen den Bauteilen auftreten.
Diese Aufgabe wird bei der Befestigungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich die Verbindungsabschnitte so überlappen, dass zwischen den beiden Wandungen ein Freiraum ausgebildet ist, dass die Befestigungsanordnung eine Mehrzahl von scheibenförmigen Befestigungselementen aus dem zweiten Material umfasst, die entlang des Außen- oder Innenumfangs des Verbindungsabschnitts des ersten Bauteils an diesem festgelegt sind, und dass der Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils entlang seines Umfangs eine Mehrzahl von korrespondierenden Durchbrüchen aufweist, in die die scheibenförmigen Befestigungselemente eingreifen, so dass die scheibenförmigen Befestigungselemente eine Bewegung der beiden Bauteile relativ zueinander verhindern, jedoch eine unterschiedliche thermische Ausdehnung der Bauteile in Radialrichtung zulassen.
Die Erfindung betrifft somit die Verbindung von Bauteilen, die häufig insgesamt zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet sind (im letzteren Fall typischerweise mit einem relativ geringen Öffnungswinkel), bei denen aber zumindest die Verbindungsabschnitte eine derartige Geometrie aufweisen.
Dabei macht sich die Erfindung u.a. die räumliche Struktur eines in Umfangsrichtung verlaufenden, insbesondere geschlossenen Verbindungsbereiches zunutze. Die Begriffe Axialrichtung, Umfangsrichtung und Radialrichtung beziehen sich im Folgenden stets auf die Zylinder- bzw. Kegelstumpfachse dieses Verbindungsbereiches. Typischerweise weist die Zylinder- oder Kegelstumpfform einen runden Querschnitt auf, wobei dies im Rahmen der Erfindung nicht zwingend ist. Alternativ sind auch ovale oder polygonale Querschnitte denkbar.
Die Verbindungsabschnitte des ersten und des zweiten Bauteils überlappen sich entlang des Verbindungsbereiches, wobei entweder der Verbindungsabschnitt des ersten Bauteils innen in den Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils eingreift, so dass in Radialrichtung gesehen die Wandung des Verbindungsabschnitts des ersten Bauteils innen und die Wandung des Verbindungsabschnitts des zweiten Bauteils außen liegt, oder umgekehrt der Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils innen in den Verbindungsabschnitt des ersten Bauteils eingreift, so dass die Wandung des Verbindungsabschnitts des ersten Bauteils außen und die Wandung des Verbindungsabschnitts des zweiten Bauteils innen liegt. Im ersten Fall sind die Befestigungselemente entlang des Außenumfangs des Verbindungsabschnitts des ersten Bauteils festgelegt, und im zweiten Fall entlang des Innenumfangs. Erfindungsgemäß ist in jedem Fall ein Freiraum zwischen den beiden Wandungen vorgesehen, d. h. die Verbindungsbereiche greifen nicht formschlüssig ineinander. Dieser Freiraum ermöglicht die unterschiedliche thermische Ausdehnung der beiden Bauteile, die in erster Linie in einer Zunahme des Radius und des Umfangs resultiert, ohne dass thermische Spannungen auftreten. Je nachdem, welches Bauteil innen liegt und welches Material den höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wird der Freiraum bei einer Temperaturerhöhung kleiner oder größer. Die Verbindungsabschnitte der Bauteile sollten daher so dimensioniert werden, dass sowohl bei der höchsten als auch bei der niedrigsten vorgesehenen Temperatur noch ein Freiraum verbleibt.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen scheibenförmigen Befestigungselemente, die in die korrespondieren Durchbrüche in dem Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils eingreifen, bewirken die eigentliche Verbindung und Befestigung der beiden Bauteile, da sie deren Bewegung relativ zueinander in Axialrichtung und in Umfangsrichtung, also eine Trennung der Bauteile oder eine Verdrehung, verhindern. Auch die Befestigungselemente führen aufgrund ihrer Art und Anordnung nicht zu thermischen Spannungen beim Erwärmen der Bauteile, da sie bei einer unterschiedlichen radialen Ausdehnung der Bauteile innerhalb der Durchbrüche beweglich sind, d.h. ihr Eingriff in die Durchbrüche vergrößert oder verkleinert sich. Dadurch, dass die Befestigungselemente aus dem zweiten Material des zweiten Bauteils gebildet sind, treten zwischen den Befestigungselementen und den Durchbrüchen in dem Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils ebenfalls keine thermischen Spannungen auf. Die Passung der Befestigungselemente in den Durchbrüchen kann somit in einem weiten Temperaturbereich im Wesentlichen spielfrei ausgelegt werden.
Die erfindungsgemäße Befestigungsanordnung ermöglicht somit eine stabile Verbindung zwischen den zwei Bauteilen bei einer gleichzeitigen thermischen Entkopplung.
Es ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt, wenn die Verbindungsabschnitte der beiden Bauteile jeweils eine zylindrische Wandung aufweisen, die sich im Wesentlichen parallel zur Axialrichtung erstreckt. Dabei greifen die scheibenförmigen Befestigungselemente in Radialrichtung, d.h. senkrecht zu den Wandungen, in die korrespondierenden Durchbrüche ein, und thermische Spannungen können am wirkungsvollsten vermieden werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Verbindungsabschnitte jeweils eine kegelstumpfförmige Wandung aufweisen, die zur Axialrichtung um weniger als 10° geneigt ist. Die Eingriffsrichtung der scheibenförmigen Befestigungselemente sollte jedoch auch in diesem Fall in Radialrichtung sein, d.h. senkrecht zur Kegelstumpfachse und nicht senkrecht zu den geneigten Wandungen.
Es ist bevorzugt, wenn die scheibenförmigen Befestigungselemente in den korrespondierenden Durchbrüchen im Wesentlichen spielfrei, aber in Eingriffsrichtung verschiebbar aufgenommen sind. Eine möglichst spielfreie, d.h. passgenaue Aufnahme der Befestigungselemente in den Durchbrüchen führt insgesamt zur Spielfreiheit und Stabilität der Verbindung der beiden Bauteile. Wie bereits erwähnt, ist die spielfreie Aufnahme der Befestigungselemente im Hinblick auf thermische Spannungen aufgrund der übereinstimmenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten unkritisch.
Erfindungsgemäß ist eine Mehrzahl von scheibenförmigen Befestigungselementen vorgesehen, insbesondere drei oder mehr Befestigungselemente. Durch die Mehrzahl von Befestigungselementen entlang des Umfangs des Verbindungsbereiches wird auch eine gegenseitige Verschiebung der beiden Bauteile, die aufgrund des Freiraumes zwischen den Wandungen der Verbindungsabschnitte theoretisch möglich wäre, wirksam verhindert. Bevorzugt umfasst die Befestigungsanordnung sechs oder mehr Befestigungselemente, wodurch die Stabilität der Verbindung weiter erhöht wird.
Günstig ist es, wenn die scheibenförmigen Befestigungselemente gleichmäßig entlang des Außen- oder Innenumfangs des Verbindungsabschnitts des ersten Bauteils verteilt sind. Drei Verbindungselemente sind also günstigerweise im Abstand von jeweils 120°, sechs Befestigungselemente im Abstand von jeweils 60° angeordnet usw.
Prinzipiell können die Befestigungselemente und die korrespondierenden Durchbrüche eine beliebige Querschnittsform aufweisen, z.B. eine ovale oder quadratische Querschnittsform. Es ist allerdings wesentlich bevorzugt, wenn die Befestigungselemente und die Durchbrüche eine runde Querschnittsform aufweisen, da dies die Herstellung sowohl der Befestigungselemente als auch der Durchbrüche, insbesondere im Hinblick auf eine spielfreie Aufnahme, gegenüber allen anderen Querschnittsformen wesentlich erleichtert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in dem Freiraum eine Mehrzahl von Federelementen angeordnet, die sich an den Wandungen der beiden Verbindungsabschnitte abstützen. Die Federelemente geben bei einer Verkleinerung des Freiraumes im Zuge einer thermischen Ausdehnung der Bauteile nach. Außerdem dämpfen sie die Relativbewegungen der Bauteile und die dadurch verursachten Geräuschentwicklungen.
Günstig ist es, wenn die Federelemente Tellerfedern umfassen, die jeweils um die scheibenförmigen Befestigungselemente angeordnet sind. Die Tellerfedern können sowohl aus einem metallischen Material als auch aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff gebildet sein, d.h. aus Materialien mit höheren oder niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Alternativ können z.B. auch Federelemente aus einem keramischen Faserfilz eingesetzt werden.
Hinsichtlich der Materialien der beiden Bauteile kann die erfindungsgemäße Befestigungsanordnung in allen Fällen zum Einsatz kommen, bei denen sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden, wobei dieser Unterschied relativ gering sein kann. Mit besonderem Vorteil kommt die Erfindung jedoch zum Einsatz, wenn sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Bauteile relativ stark voneinander unterscheiden und/oder wenn im Betrieb hohe Temperaturdifferenzen zu erwarten sind. Dabei ist es bevorzugt, wenn das zweite Material, aus dem auch die Befestigungselemente gebildet sind, einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und das erste Material einen höheren. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch auch der umgekehrte Fall möglich.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste Material des ersten Bauteils ein metallisches Material und das zweite Material des zweiten Bauteils ein keramisches Material, vorzugsweise ein keramischer Faserverbundwerkstoff (CMC, Ceramic Matrix Composite), oder umgekehrt. Während der thermische Ausdehnungskoeffizient von keramischen Faserverbundwerkstoffen bei 1 bis 6·10^–6 K^–1 liegt (meistens bei 3 bis 4·10^–6 K^–1), liegt er bei Metallen typischerweise oberhalb von 8·10^–6 K^–1, im Fall einer Nickelbasislegierung z. B. bei 13 bis 17·10^–6 K^–1.
Der keramische Faserverbundwerkstoff ist bevorzugt auf Basis von nichtoxidischen oder oxidischen keramischen Fasern und Matrices wie SiC oder SiCN (z.B. SiC/SiC, SiCN/SiCN, C/SiC, C/SiCN, C/C-SiC) oder Al₂O₃ (z.B. Al₂O₃/ Al₂O₃, Al₂O₃/Mullit) oder Aluminiumsilicat gebildet. Siliciumcarbidkeramiken umfassen auch solche Materialien, die durch Infiltration mit Silicium von pyrolysierten Vorkörpern auf Kohlenstoffbasis hergestellt werden (SiSiC).
Die scheibenförmigen Befestigungselemente sind erfindungsgemäß an dem Verbindungsabschnitt des ersten Bauteils festgelegt, d. h. an der Außen- oder Innenseite der Wandung. Um eine möglichst große Kontaktfläche zwischen der Wandung und den Befestigungselementen bereitzustellen, ist es günstig, wenn die Wandung in den entsprechenden Bereichen abgeflacht ist, abweichend von ihrer vorzugsweise runden Querschnittsform.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die scheibenförmigen Befestigungselemente mittels einer kraftschlüssigen Verbindung, insbesondere einer Schraubverbindung oder einer Nietverbindung, an der Wandung des ersten Bauteils festgelegt. Die Stabilität und Festigkeit dieser kraftschlüssigen Verbindung bestimmt letztlich auch die Stabilität der Verbindung zwischen den beiden Bauteilen. Bei einer Schraubverbindung weisen die Befestigungselemente günstigerweise eine mittige Bohrung auf, durch die eine Schraube oder ein Gewindebolzen hindurchtritt. Thermische Spannungen in diesem Bereich können durch einen Ringspalt zwischen der Schraube und der Bohrung vermieden werden.
Besonders günstig ist es, wenn die Befestigungselemente jeweils mit einer Schraube mit einem außenliegenden Kopf an der Wandung des ersten Bauteils festgelegt sind. Die Schrauben können entweder in Gewindebohrungen in der Wandung bzw. in den Befestigungselementen eingeschraubt oder durch Muttern und ggf. Gegenmuttern an der Innenseite fixiert werden. Dadurch kann eine hohe Verbindungsfestigkeit erreicht werden. Die Schrauben erstrecken sich jeweils parallel zur Eingriffsrichtung der Befestigungselemente in die korrespondierenden Durchbrüche, d.h. in Radialrichtung. Die Schrauben und ggf. die Muttern sind bevorzugt aus einem metallischen Material gebildet.
Wenn die Befestigungselemente entlang des Außenumfangs des ersten Bauteils festgelegt sind, greifen sie bevorzugt nur so weit in die korrespondierenden Durchbrüche ein, dass die Schraubenköpfe nicht über die Außenseite des Verbindungsabschnitts des zweiten Bauteils hinausragen, um keine Angriffspunkte für mögliche Beschädigungen zu bieten. Bei bestimmten Anwendungen wie z.B. Radomen von Flugkörpern ist eine Versenkung der Befestigungselemente einschließlich der Schraubenköpfe auch im Hinblick auf die Reduzierung des Luftwiderstandes von Vorteil. Die Durchbrüche können dann zusätzlich von außen abgedeckt werden, um eine ebene Außenfläche zu erhalten.
Wenn die Befestigungselemente entlang des Innenumfangs des ersten Bauteils festgelegt sind, können die außenliegenden Schraubenköpfe in den Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils versenkt werden, und z.B. als Senkkopfschrauben ausgebildet sein.
Wie bereits eingangs erwähnt, kommt die erfindungsgemäße Befestigungsanordnung bevorzugt in solchen Bereichen zum Einsatz, bei denen die Verbindung zwischen zwei Bauteilen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten starken Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Hohe Temperaturen, die zu einer signifikanten thermischen Ausdehnung der Materialien führen, treten insbesondere bei Verbrennungsprozessen auf sowie durch Reibungswärme beim Wiedereintritt von Raumflugkörpern in die Atmosphäre.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist das eine Bauteil eine Radarkuppel (Radom) eines Flugkörpers und das andere Bauteil eine sich an die Radarkuppel anschließende Außenhülle des Flugkörpers. Das Radom ist typischerweise aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff gebildet und die Außenhülle aus einem metallischen Material.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden die beiden Bauteile jeweils Abschnitte der Innenwand einer Brennkammer, insbesondere bei einem Raketentriebwerk oder einer Gasturbine.
Hinsichtlich des eingangs genannten Verfahrens wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass der Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils entlang seines Umfangs eine Mehrzahl von Durchbrüchen aufweist, und dass das Verfahren die Schritte umfasst:

– Überlappen der Verbindungsabschnitte des ersten und des zweiten Bauteils entlang eines Verbindungsbereiches, der sich in Axialrichtung und in Umfangsrichtung des Zylinders oder Kegelstumpfes erstreckt,
– Festlegen von zu den Durchbrüchen korrespondierenden scheibenförmigen Befestigungselementen aus dem zweiten Material entlang des Außenoder Innenumfangs des Verbindungsabschnitts des ersten Bauteils, so dass die scheibenförmigen Befestigungselemente in die Durchbrüche eingreifen.

Die Befestigungselemente werden also von außen bzw. innen in die Durchbrüche des Verbindungsabschnitts des zweiten Bauteils eingeführt und an dem Verbindungsabschnitt des ersten Bauteils festgelegt, vorzugsweise durch eine Schraubverbindung, nachdem die beiden Verbindungsabschnitte miteinander in Eingriff gebracht wurden.
Wenn der Verbindungsabschnitt des ersten Bauteil in den Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils eingreift, können die Befestigungselemente von außen eingeführt werden, was insbesondere bei Bauteilen mit einem relativ kleinen Durchmesser die Durchführung des Verfahrens vereinfachen kann, wohingegen die Einführung der Befestigungselemente von innen eine gute Zugänglichkeit des Innenraumes der Bauteile voraussetzt. Auch die Überprüfung und Wartung der Befestigungsanordnung ist bei von außen zugänglichen Befestigungselementen einfacher. Andererseits haben innenliegende Befestigungselementen den Vorteil, dass sie vor ungewollten äußeren Einwirkungen geschützt sind. Je nach Anwendung kann daher die eine oder andere Variante insgesamt zu bevorzugen sein.
Besondere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung dargestellt.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Es zeigen im Einzelnen:
1: perspektivische Darstellung einer Radarkuppel und der sich anschließenden Außenhülle eines Flugkörpers;
2: schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung im Radialschnitt;
3: Querschnittsdarstellung der Befestigungsanordnung gemäß 2 bei niedriger Temperatur;
4: Querschnittsdarstellung der Befestigungsanordnung gemäß 2 bei hoher Temperatur;
5: schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung im Radialschnitt;
6: schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung im Radialschnitt;
7: schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung im Radialschnitt; und
8: schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung im Radialschnitt.
Die 1 zeigt perspektivisch eine Außenhülle 10 eines nicht näher dargestellten Flugkörpers und eine mit der Außenhülle 10 zu verbindende Radarkuppel 12 (Radom). Diese Verbindung erfolgt unter Einsatz der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung, wobei die Außenhülle 10 das erste Bauteil 10 und das Radom 12 das zweite Bauteil 12 darstellt.
Das erste Bauteil 10, das aus einem metallischen ersten Material gebildet ist, umfasst einen Verbindungsabschnitt 14 mit einer zylindrischen Wandung 16. Die Wandung 16 weist an ihrer Außenseite acht abgeflachte Bereiche 18 auf, die gleichmäßig entlang ihres Außenumfangs verteilt sind. In jedem dieser abgeflachten Bereiche 18 weist die Wandung 16 eine in Radialrichtung verlaufende Bohrung 20 auf, die an der Innenseite des Verbindungsabschnitts 14 jeweils in einem Rücksprung 22 der Wandung 16 endet.
Das zweite Bauteil 12, das aus einem keramischen zweiten Material, nämlich einem keramischen Faserverbundwerkstoff, gebildet ist, umfasst ebenfalls einen Verbindungsabschnitt 24 mit einer zylindrischen Wandung 26. Der Verbindungsabschnitt 24 weist acht Durchbrüche 28 auf, die entlang des Umfangs der Wandung 26 gleichmäßig verteilt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden des ersten Bauteils 10 mit dem zweiten Bauteil 12 umfasst zunächst das Überlappen der beiden Verbindungsabschnitte 14 und 24, bis der Verbindungsabschnitt 24 des zweiten Bauteils 12 auf einer Kante 30 des ersten Bauteils 10, die unterhalb des Verbindungsabschnittes 14 ausgebildet ist, zur Auflage kommt, wobei das zweite Bauteil 12 in eine solche Winkelposition relativ zum ersten Bauteil 10 gebracht wird, dass die Bohrungen 20 in der Wandung 16 und die Durchbrüche 28 in der Wandung 26 jeweils zur Deckung kommen. Die sich überlappenden Verbindungsabschnitte 24 und 26 definieren einen Verbindungsbereich 32, der sich in Axialrichtung und in Umfangsrichtung des Zylinders erstreckt.
Anschließend wird in jeden Durchbruch 28 ein scheibenförmiges Befestigungselement 34, das aus dem zweiten Material des zweiten Bauteils 12 gebildet ist, eingeführt, und an dem Verbindungsabschnitt 14 des ersten Bauteils 10 festgelegt.
Die 2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der resultierenden Befestigungsanordnung in einem Radialschnitt im Bereich eines der Befestigungselemente 34. Die Verbindungsabschnitte 14 und 24 sind so dimensioniert, dass innerhalb des Verbindungsbereiches 32 ein Freiraum 35 zwischen den Wandungen 16 und 26 ausgebildet ist. Die scheibenförmigen Befestigungselemente 34 sind in den Durchbrüchen 28 des Verbindungsabschnitts 24 im Wesentlichen spielfrei, aber in Eingriffsrichtung (d.h. in Radialrichtung) verschiebbar aufgenommen. Durch die Mehrzahl der Befestigungselemente 34 wird jegliche Bewegung der beiden Bauteile 10 und 12 in Axial-, Umfangs- oder Radialrichtung relativ zueinander verhindert.
Da die Befestigungselemente 34 an dem Verbindungsabschnitt 14 jeweils innerhalb der abgeflachten Bereiche 18 festgelegt sind, liegen sie mit ihrer gesamten Fläche an der Außenseite der Wandung 10 an. Die Befestigungselemente 34 sind mittels einer kraftschlüssigen Schraubverbindung 36 an der Wandung 16 des ersten Bauteils 10 festgelegt, wobei diese Schraubverbindung 36 eine Schraube 38 mit einem außenliegenden Kopf 40 umfasst sowie eine Mutter 42 und eine Gegenmutter 44 an der Innenseite der Wandung 16. Die Schraube 38 tritt durch eine mittige Bohrung 46 in dem Befestigungselement 34 sowie durch die Bohrung 20 in der Wandung 16 hindurch.
Die Abmessungen der einzelnen Elemente sind so gewählt, dass der Schraubenkopf 40 nicht über die Außenseite des zweiten Bauteils 12 hinausragt, sondern sich innerhalb des Durchbruchs 28 befindet. Die Mutter 42 ist jeweils in einem Rücksprung 22 an der Innenseite der Wandung 16 angeordnet, sodass sie ebenfalls vollflächig an der Wandung 16 anliegt. Der Rücksprung 22 kann auch als Verdrehsicherung für die Mutter 42 ausgebildet sein, so dass auf eine Gegenmutter verzichtet werden kann.
Bei einer starken Temperaturerhöhung, die bei dem Flugkörper gemäß der 1 insbesondere durch Reibungswärme bei einem Wiedereintritt in die Atmosphäre auftreten kann, dehnen sich beide Bauteile 10 und 12 radial aus, wobei die Ausdehnung bei dem metallischen Bauteil 10 größer ist. Dabei gleiten die Befestigungselemente 34 in den Durchbrüchen 28 nach außen und der Freiraum 35 wird kleiner, ohne dass es zu thermischen Spannungen zwischen dem ersten Bauteil 10 und dem zweiten Bauteil 12 kommt. Dies ist insbesondere aus einem Vergleich der 3 und 4 ersichtlich, wobei die 3 einen Querschnitt durch den Verbindungsbereich 32 bei niedriger Temperatur (z.B. 20 °C) und die 4 einen Querschnitt durch den Verbindungsbereich 32 bei hoher Temperatur (z.B. 400 °C) zeigt.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung ist in einem der 2 entsprechenden Radialschnitt in der 5 dargestellt, wobei für gleiche Elemente jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Der einzige Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass in dem Freiraum 35 insgesamt acht Federelemente in Form von Tellerfedern 48 angeordnet sind, die jeweils ein Befestigungselement 34 umgeben und sich an den Wandungen 16 und 26 der Verbindungsabschnitte 14 und 24 abstützen. Die Tellerfedern 48 können aus einem metallischen oder einem keramischen Material gebildet sein.
In der 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung im Radialschnitt dargestellt. Im Vergleich zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen sind hier die Verhältnisse insofern umgekehrt, als das zweite Bauteil 12 in das erste Bauteil 10 eingreift, d.h. der Verbindungsabschnitt 24 des zweiten Bauteils 12 mit den Durchbrüchen 28 liegt innen und der Verbindungsabschnitt 14 das ersten Bauteils 10, an dem die Befestigungselemente 34 festgelegt sind, liegt außen. Entsprechend besteht das erste Bauteil 10 aus einem keramischen Material und bildet z.B. ein Radom, und das zweite Bauteil 12 besteht aus einem metallischen Material und bildet z.B. die Außenhülle eines Luftfahrzeugs. Auch bei diesem Beispiel führt somit eine Temperaturerhöhung zu einer Verkleinerung des Freiraums 35 zwischen den Wandungen 16 und 26 und zu einem weiteren Eingriff der Befestigungselemente 34, die aus dem metallischen Material des zweiten Bauteils 12 gebildet sind, in die Durchbrüche 28.
Die Festlegung der Befestigungselemente 34 entlang des Innenumfangs des Verbindungsabschnitts 14 erfolgt auch bei dem dritten Ausführungsbeispiel mittels Schrauben 38 mit außenliegenden Schraubenköpfen 40, wobei letztere hier als Senkköpfe ausgebildet sind, die außen bündig mit dem ersten Bauteil 10 abschließen. Innen werden die Befestigungselemente 34 jeweils durch eine Mutter 42 fixiert.
Die 7 zeigt einen Radialschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung, bei der der Verbindungsabschnitt 14 des ersten Bauteils 10 außen und der Verbindungsabschnitt 24 des zweiten Bauteils 12 innen liegt. Dabei sind das erste Bauteil 10 und die Befestigungselemente 34 aus einem metallischen Material gebildet und das zweite Bauteil 12 aus einem keramischen Material. Die Festlegung der Befestigungselemente 34 an dem Verbindungsabschnitt 14 des ersten Bauteils 10 erfolgt mittels Schraubverbindungen 36 analog den ersten beiden Ausführungsbeispielen. Eine Temperaturerhöhung führt hier im Gegensatz zu den ersten drei Ausführungsbeispielen nicht zu einer Verkleinerung, sondern zu einer Vergrößerung des Freiraums 35 zwischen den Wandungen 16 und 26.
Diese Variante der Befestigungsanordnung kann insbesondere im Bereich der Innenwand einer Brennkammer eingesetzt werden, da auf diese Weise im Verbindungsbereich 32 der beiden Bauteile 10 und 12 das temperaturbeständigere keramische Material des zweiten Bauteils 12 zu dem heißen Innenraum hin orientiert ist. Im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen, die bei einem Radom zum Einsatz kommen, erstreckt sich hier der Verbindungsbereich 32 über die gesamte Länge des metallischen ersten Bauteils 10, so dass nur das keramische zweiten Bauteils 12 dem Brennraum zugewandt ist. Das erste Bauteil 10 weist hier also keine Kante auf, auf der das zweite Bauteil 12 aufliegen könnte.
Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung ist als fünftes Ausführungsbeispiel in der 8 dargestellt. Bei dieser Variante, die ebenfalls z.B. für Brennkammern eingesetzt werden kann, liegt der Verbindungsabschnitt 14 des ersten Bauteils 10 innen und der Verbindungsabschnitt 24 des zweiten Bauteils 12 außen, wobei das erste Bauteil 10 und die Befestigungselemente 34 aus einem keramischen Material gebildet sind und das zweite Bauteil 12 aus einem metallischen Material. Die Schraubverbindungen 36 entsprechen denjenigen des dritten Ausführungsbeispiels, wobei die Schraubenköpfe 40 bündig mit dem ersten Bauteil 10 abschließen. Auch hier erstreckt sich der Verbindungsbereich 32, entlang dessen sich die Wandungen 16 und 26 überlappen, über die gesamte Länge des metallischen zweiten Bauteils 12, ohne dass eine Kante für die Auflage des ersten Bauteils 10 vorhanden wäre.
Bezugszeichenliste

10: erstes Bauteil
12: zweites Bauteil
14: Verbindungsabschnitt des ersten Bauteils
16: Wandung des Verbindungsabschnitts
18: abgeflachte Bereiche
20: Bohrungen
22: Rücksprünge
24: Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils
26: Wandung des Verbindungsabschnitts
28: Durchbrüche
30: Kante
32: Verbindungsbereich
34: scheibenförmige Befestigungselemente
35: Freiraum
36: Schraubverbindung
38: Schraube
40: Schraubenkopf
42: Mutter
44: Gegenmutter
46: Bohrung
48: Tellerfeder

Claims

Befestigungsanordnung zur Verbindung eines ersten Bauteils (10) aus einem ersten Material und eines zweiten Bauteils (12) aus einem zweiten Material, wobei die beiden Materialien unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei die Bauteile (10, 12) jeweils einen Verbindungsabschnitt (14, 24) mit einer zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Wandung (16, 26) aufweisen, und wobei sich die beiden Verbindungsabschnitte (14, 24) entlang eines Verbindungsbereiches (32) überlappen, der sich in Axialrichtung und in Umfangsrichtung des Zylinders oder Kegelstumpfes erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Verbindungsabschnitte (14, 24) so überlappen, dass zwischen den beiden Wandungen (16, 26) ein Freiraum (35) ausgebildet ist, dass die Befestigungsanordnung eine Mehrzahl von scheibenförmigen Befestigungselementen (34) aus dem zweiten Material umfasst, die entlang des Außenoder Innenumfangs des Verbindungsabschnitts (14) des ersten Bauteils (10) an diesem festgelegt sind, und dass der Verbindungsabschnitt (24) des zweiten Bauteils (12) entlang seines Umfangs eine Mehrzahl von korrespondierenden Durchbrüchen (28) aufweist, in die die scheibenförmigen Befestigungselemente (34) eingreifen, so dass die scheibenförmigen Befestigungselemente (34) eine Bewegung der beiden Bauteile (10, 12) relativ zueinander verhindern, jedoch eine unterschiedliche thermische Ausdehnung der Bauteile (10, 12) in Radialrichtung zulassen.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Verbindungsabschnitt (14) des ersten Bauteils (10) innen in den Verbindungsabschnitt (24) des zweiten Bauteils (12) eingreift und die Befestigungselemente (34) entlang des Außenumfangs des Verbindungsabschnitts (14) des ersten Bauteils (10) an diesem festgelegt sind, oder wobei der Verbindungsabschnitt (24) des zweiten Bauteils (12) innen in den Verbindungsabschnitt (14) des ersten Bauteils (10) eingreift und die Befestigungselemente (34) entlang des Innenumfangs des Verbindungsabschnitts (14) des ersten Bauteils (10) an diesem festgelegt sind.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungsabschnitte (14, 24) jeweils eine zylindrische Wandung (16, 26) aufweisen, die sich im Wesentlichen parallel zur Axialrichtung erstreckt, oder eine kegelstumpfförmige Wandung, die zur Axialrichtung um weniger als 10° geneigt ist.
Befestigungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die scheibenförmigen Befestigungselemente (34) in den korrespondierenden Durchbrüchen (28) im Wesentlichen spielfrei, aber in Eingriffsrichtung verschiebbar aufgenommen sind.
Befestigungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Befestigungsanordnung drei oder mehr scheibenförmige Befestigungselemente (34) umfasst, bevorzugt sechs oder mehr.
Befestigungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die scheibenförmige Befestigungselemente (34) gleichmäßig entlang des Außen- oder Innenumfangs des Verbindungsabschnitts (14) des ersten Bauteils (10) verteilt sind.
Befestigungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die scheibenförmigen Befestigungselemente (34) und die korrespondierenden Durchbrüche (28) eine runde Querschnittsform aufweisen.
Befestigungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem Freiraum (35) eine Mehrzahl von Federelementen (48) angeordnet sind, die sich an den Wandungen (16, 26) der beiden Verbindungsabschnitte (14, 24) abstützen.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 8, wobei die Federelemente (48) Tellerfedern umfassen, die jeweils um die scheibenförmigen Befestigungselemente (34) angeordnet sind.
Befestigungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Material des ersten Bauteils (10) einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das zweite Material des zweiten Bauteils (12), oder umgekehrt.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 10, wobei das Material mit dem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein metallisches Material ist.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Material mit dem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein keramisches Material ist, insbesondere ein keramischer Faserverbundwerkstoff.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 12, wobei der keramische Faserverbundwerkstoff auf Basis von Siliciumcarbid, Aluminiumoxid oder Aluminiumsilicat gebildet ist.
Befestigungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die scheibenförmigen Befestigungselemente (34) mittels einer kraftschlüssigen Verbindung, insbesondere einer Schraubverbindung (36) oder einer Nietverbindung, an der Wandung (16) des ersten Bauteils (10) festgelegt sind.
Befestigungsanordnung nach Anspruch 14, wobei die scheibenförmigen Befestigungselemente (34) jeweils mit einer Schraube (38) mit einem außenliegenden Kopf (40) an der Wandung (16) des ersten Bauteils (10) festgelegt sind.
Befestigungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das eine Bauteil (12) eine Radarkuppel eines Flugkörpers ist und das andere Bauteil (10) eine sich an die Radarkuppel anschließende Außenhülle des Flugkörpers.
Befestigungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die beiden Bauteile (10, 12) jeweils Abschnitte der Innenwand einer Brennkammer bilden, insbesondere bei einem Raketentriebwerk oder einer Gasturbine.
Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils aus einem ersten Material und eines zweiten Bauteils aus einem zweiten Material, wobei die beiden Materialien unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei die Bauteile jeweils einen Verbindungsabschnitt mit einer zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Wandung aufweisen, und wobei der Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils entlang seines Umfangs eine Mehrzahl von Durchbrüchen aufweist, umfassend die Schritte: – Überlappen der Verbindungsabschnitte des ersten und des zweiten Bauteils entlang eines Verbindungsbereiches, der sich in Axialrichtung und in Umfangsrichtung des Zylinders oder Kegelstumpfes erstreckt, – Festlegen von zu den Durchbrüchen korrespondierenden scheibenförmigen Befestigungselementen aus dem zweiten Material entlang des Außen- oder Innenumfangs des Verbindungsabschnitts des ersten Bauteils, so dass die scheibenförmigen Befestigungselemente in die Durchbrüche eingreifen.