DE102013215174A1

DE102013215174A1 - Röhrenförmiger Körper und Verbindung aus einem röhrenförmigen Körper und einer Welle

Info

Publication number: DE102013215174A1
Application number: DE102013215174.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas HEEGE
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: DE102013215174B4

Abstract

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen röhrenförmiger Körper (1), welcher eine Bohrung (3) umfasst, die parallel zu einer Achse (5) des Körpers (1) angeordnet ist. Ferner umfasst der Körper (1) einen faserverstärkten Werkstoff, wobei der Werkstoff zumindest eine Faser (7) umfasst, die eine Länge aufweist und eine Matrix (9), in die die Faser (7) eingebettet ist. Die Faser (7) ist vorgespannt, sodass die Faser (7) um 0,1 % bis 2% gegenüber ihrer Länge in einem nicht vorgespannten Zustand verlängert ist.

Description

Ausführungsbeispiele betreffen einen röhrenförmigen Körper sowie eine Verbindung aus einem röhrenförmigen Körper und einer Welle nach den unabhängigen Ansprüchen.
Bei der Verwendung eines aus einem Fasermaterial hergestellten Rings, beispielsweise als Innen- oder Außenring eines Wälz- oder Gleitlagers, können, je nach Belastung und/oder Fertigungsweise des Bauteils, die in einer Anwendung auftretenden Lasten zu einer Druckbelastung der Fasern führen. Da die Fasern, ähnlich wie ein Seil, lediglich eine Zugspannung sehr gut vertragen bzw. aufnehmen können, kann eine Druckspannung, die auf die Fasern wirkt, dazu führen, dass die Fasern ausreißen und/oder knicken. Dieses Verhalten soll bei konventionellen Lösungen, beispielsweise durch eine so genannte Matrix (z. B. Epoxidharz oder Duro- bzw. Thermoplastik) verhindert, vermieden oder zumindest reduziert werden. Die Matrix selbst kann jedoch meist lediglich nur geringe Kräfte aufnehmen.
Bisher wurde in konventionellen Lösungen versucht, beispielsweise durch eine anwendungsgerechte Konstruktion des Bauteils, zu verhindern, dass schädliche Lasten oder Lasten, die zu einem Versagen des Bauteils führen könnten, auf das Bauteil wirken. Beispielsweise werden deshalb Bauteile aus Fasermaterial oder einem faserverstärkten Kunststoff nur in Anwendungen eingesetzt, in denen diese Lasten nicht vorkommen. Es wird also beispielsweise versucht, zu vermeiden, dass die Fasern eines Bauteils aus einem Fasermaterial auf Druck belastet werden.
Es besteht daher ein Bedarf daran, ein Bauteil bereitzustellen, das zumindest einen faserverstärkten Werkstoff umfasst, das für eine Vielzahl von Anwendungsfällen geeignet ist, und angreifende Lasten besser aufnehmen kann.
Diesem Bedarf trägt ein röhrenförmiger Körper sowie eine Verbindung aus einer Welle und einem röhrenförmigen Körper nach den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche Rechnung.
Einige Ausführungsbeispiele betreffen einen röhrenförmigen Körper. Der röhrenförmige Körper umfasst eine Bohrung, die parallel zu einer Achse des Körpers angeordnet ist. Ferner umfasst der röhrenförmige Körper einen faserverstärkten Werkstoff. Der Werkstoff umfasst zumindest eine Faser, die eine Länge aufweist und eine Matrix, in die die Faser eingebettet ist. Die zumindest eine Faser ist um einen Wert gegenüber ihrer Länge in einem nicht vorgespannten Zustand verlängert, der in einem Wertebereich liegt, der einen Anfangswert und einen Endwert aufweist. Beispielsweise kann ein Anfangswert 0,1 %, 0,2 %, 0,3 %, 0,4 %, 0,5 %, 0,6 %, 0,7 %, 0,8 %, 0,9 %, 0,1 %, 1,1 %, 1,2 %, 1,3 %, 1,4 % oder 1,5 % sein. Beispielsweise kann ein Endwert 2 %, 1,9 %, 1,8 %, 1,7 %, 1,6 %, 1,5 % oder 1,4 % sein.
Dadurch könnte beispielsweise erreicht werden, dass die Faser ausreichend vorgespannt wird, um eine Fähigkeit der Faser, Druckspannungen aufzunehmen, zu verbessern. Ergänzend könnte beispielsweise die Gefahr reduziert werden, dass die Faser soweit verlängert bzw. vorgespannt wird, dass dies zu einem Bruch der Faser führen könnte. Beispielsweise können als Fasermaterial Fasern eingesetzt werden, deren Bruchdehngrenze bei 2 % liegt. Ein Bauteil, das eine Bruchdehngrenze von 2% aufweist, kann beispielsweise um 2% seiner Länge gedehnt werden, bevor es bricht. Beispielsweis kann die Faser während der Fertigung vorgespannt werden. Beispielsweise kann die Faser dazu mit einer Vorspannung aufgewickelt werden. Ggf. kann die Faser vorgespannt werden, vor die Matrix aufgebracht und/oder ausgehärtet wird. Dadurch könnte ggf. bewirkt werden, dass die Matrix nicht durch ein Vorspannen geschwächt wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann eine Vorspannung der Faser ggf. auch während Fertigung des Rings über gleiche Maßnahmen, wie auch nach der Fertigung, insbesondere, wenn die Matrix noch flüssig bzw. noch nicht ausgehärtet ist erreicht werden. Während Fertigung könnten die Elemente, Bauteile und/ oder eine Struktur (z.B. Maßnahme) in einem sogenannten Dorn eingebaut sein, auf den die zumindest eine Faser gewickelt werden kann.
Einige Ausführungsbeispiele betreffen einen röhrenförmigen Körper, der eine Bohrung umfasst, die parallel zu einer Achse des Körpers angeordnet ist und einen faserverstärkten Werkstoff, wobei der Werkstoff zumindest eine Faser umfasst, die eine Länge aufweist. Ferner umfasst der Werkstoff eine Matrix, in die die Faser eingebettet ist. Der röhrenförmige Körper umfasst auch eine Struktur. Die Struktur ist ausgebildet, um eine Vorspannung der zumindest einen Faser zu bewirken. Ergänzend oder alternativ umfasst der röhrenförmige Körper eine Struktur, die ausgebildet ist, um mit einer Gegenstruktur zusammenzuwirken. Die Gegenstruktur ist ausgebildet, um eine Vorspannung der zumindest einen Faser zu bewirken.
Dadurch, dass die Faser vorgespannt ist, könnte beispielsweise ermöglicht werden, dass der röhrenförmige Körper bzw. die Faser besser Druckspannungen aufnehmen kann. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann die zumindest eine Faser in dem Material bspw. auf Zugspannung vorgespannt werden. Eine später auf die Fasern wirkende Last könnte somit ggf. keine schädliche Druckspannung mehr für die Faser erzeugen. Stattdessen könnte lediglich eine bereits vorhandene Zugspannung, die durch die Vorspannung auf die Faser wirkt, reduziert werden. Dadurch, dass der Körper beim Vorspannen der Faser im Wesentlichen in eine radiale Richtung aufgeweitet wird, könnte beispielsweise auch das Vorspannen einer Mehrzahl von parallel nebeneinander verlaufenden Fasern, die nicht miteinander verbunden sind, bewirkt werden. Analog könnte dadurch ggf. auch die Vorspannung von Fasern in einem Fasergeflecht bewirkt werden. Ein röhrenförmiger Körper kann dabei beispielsweise ein zylindrisches Bauteil, ein Hohlzylinder mit einer Bohrung, ein hohlzylindrisches Bauteil, ein Ring oder dergleichen sein. Beispielsweise kann der röhrenförmige Körper jedwede Querschnittsfläche aufweisen. Beispiele können sein: Kreisringscheibe, einen Vieleckringscheiben, Rechteckringscheibe, ovaler Ring, etc.
Ein faserverstärkter Werkstoff kann jedweder faserverstärkter Werkstoff, beispielsweise ein Faserverbundkunststoff (FVK), ein kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK), ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), ein aramidfaserverstärkter Kunststoff (AFK), ein naturfaserverstärkter Kunststoff (NFK) und/oder ein Faser-Keramik-Verbund (CMC) sein. Beispielsweise kann die Faser eine Endlosfaser sein, die um eine Achse gewickelt ist. Ggf. kann die Faser eine sog. Endlosfaser oder einer Verstärkungsfaser, z.B. eine Kohle-, Glasoder Aramidfaser- sein. Beispielsweise kann die Faser durch ein Wickelverfahren, ggf. durch Rotation eines Grundkörpers um eine Achse aufgewickelt werden. Die zumindest eine Faser kann ggf. in einem duroplastischen oder themoplastischen Grundmaterial bzw. einer Matrix eingebettet sein. Die Matrix kann ggf. als ein Harz-System ausgebildet sein. Beispielsweise kann das faserverstärkte Material eine Faser aufweisen, die länger als 1 mm 20 mm, 30 mm, 40, mm 50 mm ist.
Beispielsweise kann der Werkstoff eine Mehrzahl von Fasern aufweisen. Ergänzend oder alternativ kann der faserverstärkte Werkstoff ein dreidimensionales Fasergeflecht (3D-Geflecht) umfassen. Beispielsweise kann der röhrenförmige Körper selbst als 3D-Geflecht hergestellt sein.
Als Matrix kann beispielsweise jedwedes Material, das sich zur Herstellung eines faserverstärkten Werkstoffs eignet, eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Matrix Epoxidharz, Duroplast, Thermoplast, etc. umfassen. Ferner könnte der röhrenförmige Körper ein Bauteil umfassen, das ausgebildet ist, um die Faser und/oder die Matrix bzw. den röhrenförmigen Körper selbst, zumindest abschnittsweise vorzuspannen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der röhrenförmige Körper dazu beispielsweise in eine radiale Richtung vorgespannt werden. Dadurch könnte beispielsweise bewirkt werden, dass sich eine Faser bzw. eine Endlosfaser, die um eine Achse des Körpers gewickelt ist, verlängert und dadurch vorgespannt wird. Beim Vorspannen der Faser, beispielsweise mittels der Struktur und/oder der Gegenstruktur, kann unter Umständen ggf. auch der Körper und/oder die Matrix zumindest abschnittsweise vorgespannt, gedehnt und/oder radial aufgeweitet werden.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen ist die Matrix vorgespannt. Beispielsweise können die Faser und Matrix vorgespannt sein. Dies könnte ggf. nach dem Aushärten der Matrix, also ggf. nach dem Fertigstellen des Körpers oder bei der Montage bewirkt werden. Dadurch, dass die Faser und die Matrix vorgespannt sind, könnte beispielsweise bewirkt werden, dass das Vorspannen der Faser auch noch nach dem Aushärten der Matrix und/oder dem Fertigstellen des Körpers, also ggf. erst bei der Montage bewirkt werden kann.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen weist der röhrenförmige Körper an seiner Bohrung einen konischen Bereich auf. So könnte gegebenenfalls auf einfache Art und Weise ermöglicht werden, dass wenn ein ebenfalls konisch ausgebildetes Bauteil in die Bohrung des röhrenförmigen Körpers eingebracht wird, ein Vorspannen der Faser und/oder der Matrix ermöglicht werden kann. Ferner könnte beispielsweise der konische Bereich auch dazu dienen, dass ein Keil zwischen eine Welle und eine Bohrung des röhrenförmigen Körpers eingebracht werden könnte, und dessen Zusammenwirken mit dem konischen Bereich des röhrenförmigen Körpers, die Faser und/oder die Matrix bzw. den röhrenförmigen Körper ggf. vorspannen kann.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen ist der Körper ein Innenring oder ein Außenring für ein Lager (Wälz- oder Gleitlager). So könnte gegebenenfalls ermöglicht werden, dass ein Innenring oder ein Außenring für ein Lager aus einem sehr leichten Material, beispielsweise einem faserverstärkten Werkstoff, hergestellt sein kann und trotzdem für eine Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt werden kann, weil seine Fähigkeit, eine Druckspannung aufzunehmen bzw. auszuhalten, verbessert sein könnte. Beispielsweise kann der röhrenförmige Körper an seiner radial nach innen gewandten Umfangsfläche oder seiner radial nach außen gewandten Umfangsfläche eine Hartstoffschicht aufweisen. Dadurch könnte beispielsweise eine stabile Lauffläche ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Hartstoffschicht einen metallischen Werkstoff oder einen keramischen Werkstoff umfassen.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Struktur einen Ring oder eine Scheibe. Alle Merkmale der Struktur, die im Folgenden für einen Ring offenbart sind, können auch in einem Ausführungsbeispiel in dem die Struktur eine Scheibe oder ein anderes Bauteil umfasst, implementiert sein. Beispielsweise kann der Ring oder die Scheibe in der Bohrung des Körpers angeordnet sein. Unter Umständen könnte so ermöglicht werden, dass der Körper bzw. die zumindest eine Faser in radialer Richtung umlaufend gleichmäßig vorgespannt wird. Um ein Vorspannen der zumindest einen Faser zu bewirken, kann gegebenenfalls der Körper beispielsweise in eine radiale Richtung vorgespannt werden. Dabei könnte ggf. auch die Matrix mit vorgespannt werden. Trotzdem könnte dies ggf. zu einer Vorspannung der Faser führen, die ausreichen könnte, um den beschriebenen, gewünschten Effekt zu erreichen. Der Ring kann jedweden Werkstoff, beispielsweise einen metallischen Werkstoff, beispielsweise Stahl, einen Kunststoff, ein Organoblech oder einen faserverstärkten Werkstoff umfassen.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen umfasst der Ring oder die Gegenstruktur einen Druckölverband, um die zumindest eine Faser des Körpers vorzuspannen. Dadurch könnte beispielsweise bewirkt werden, dass zwischen dem Ring und dem röhrenförmigen Körper eine in eine radiale Richtung wirkende Kraft aufgebracht werden kann, die zu einem gleichmäßigen Vorspannen des röhrenförmigen Körpers und/oder der Faser führen könnte. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann ggf. zwischen dem Ring oder der Scheibe und dem faserverstärkten Werkstoff des röhrenförmigen Körper eine Druckölverband angelegt werden. Dazu kann der Ring beispielsweise mit einem Hydraulikreservoir verbunden sein.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen umfasst der Ring eine sich in eine radiale Richtung ausdehnende Schicht, um die zumindest eine Faser des Körpers vorzuspannen. Dadurch könnte beispielsweise ermöglicht werden, dass der Körper zum Bewirken der Vorspannung nicht mit einem externen System, beispielsweise einem Hydraulikreservoir, verbunden werden muss. Beispielsweise kann eine sich in eine radiale Richtung ausdehnende Schicht eine Schaumschicht sein. Beispielsweise könnte der Schaum durch Kapseln, die zwischen dem Ring und dem röhrenförmigen Körper angeordnet sind, erzeugt werden. Beispielsweise könnten die Kapseln so ausgebildet sein, dass deren Zerplatzen zum Erzeugen eines Schaums oder eines sich ausdehnenden Mediums führen kann, das die Vorspannung des röhrenförmigen Körpers bzw. der Faser bewirken kann. Beispielsweise kann die sich ausdehnende Schicht ein Dehnwachs sein. Beispielsweise kann das Dehnwachs sein Volumen bei einer Temperaturänderung, beispielsweise bei einem Erwärmen, vergrößern.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen weist der Ring einen Konus auf. Dadurch könnte beispielsweise ermöglicht werden, dass wenn der Ring in die Bohrung des röhrenförmigen Körpers eingebracht wird und der Ring zumindest einen Außendurchmesser aufweist, der größer als ein Innendurchmesser der Bohrung des röhrenförmigen Körpers ist, ein Vorspannen des röhrenförmigen Körpers bzw. der Faser bewirkt werden kann. Beispielsweise weist der Ring den Konus an seiner radial außen liegenden Umfangsfläche auf.
Ein Bauteil mit einem Konus, beispielsweise ein Ring, kann dabei beispielsweise an einer Umfangsfläche einen ersten Durchmesser aufweisen, der kleiner ausgebildet ist als ein anderer zweiter Durchmesser der Umfangsfläche des Bauteils. Beispielsweise kann der Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Durchmesser der Umfangsfläche weitere Durchmesser aufweisen, die ausgehend vom dem ersten kleiner ausgebildeten Durchmesser größer werden und bis zum dem zweiten Durchmesser ansteigen. Beispielsweise können die Durchmesser auf einer Geraden liegen.
Ggf. kann der röhrenförmige Körper an seiner Innenbohrung ebenfalls einen Konus aufweisen, der beispielsweise mit dem Konus des Rings zusammenwirken kann. Beispielsweise kann der Konus des röhrenförmigen Körpers entgegengesetzt zu dem Konus des Rings angeordnet sein. Analog kann beispielsweise die Bohrung des röhrenförmigen Körpers einen kleinsten Durchmesser an einer Seite des röhrenförmigen Körpers und einen größten Durchmesser an einer anderen Seite des röhrenförmigen Körpers aufweisen. Beispielsweise kann der Bereich des größten Durchmessers und der Bereich des kleinsten Durchmessers, beispielsweise in einer Schnittansicht, über eine Gerade verbunden sein.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Struktur zumindest eine Ausnehmung mit einem Durchmesser. In die Struktur kann als Gegenstruktur ggf. ein Element mit einem Durchmesser eingebracht werden, der größer ist, als der Durchmesser der Ausnehmung. Dadurch könnte beispielsweise eine Vorspannung der Faser bewirkt werden. Der röhrenförmige Körper könnte in diesem Fall beispielsweise nur abschnittsweise vorgespannt werden. In manchen Fällen kann die Ausnehmung eine im Wesentlichen parallel zu der Achse des Körpers angeordneten Bohrung sein. In diese Bohrung könnte beispielsweise eine Schraube mit einem Übermaß gegenüber der Bohrung eingedreht werden. Dabei kann die Bohrung oder die Ausnehmung einen Winkel von beispielsweise 0° bis 45° zu der Achse des Körpers oder der Bohrung aufweisen.
Einige Ausführungsbeispiele betreffen eine Verbindung aus einem röhrenförmigen Körper nach wenigstens einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele und einer Welle. Dabei weist die Welle einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist als ein Innendurchmesser der Bohrung des Körpers. Die Welle ist in der Bohrung des Körpers aufgenommen. Ferner umfasst die Verbindung zumindest ein Spannelement zum Vorspannen der zumindest einen Faser. Das Spannelement ist zwischen der Welle und dem Körper angeordnet. Dadurch könnte beispielsweise auf einfache Art und Weise bewirkt werden, dass der röhrenförmige Körper bzw. die zumindest eine Faser des röhrenförmigen Körpers bei der Montage vorgespannt werden kann.
Beispielsweise kann das Spannelement umlaufend zwischen die Welle und die Bohrung eingebracht sein. Alternativ kann das Spannelement nur abschnittsweise entlang einer Umfangsrichtung der Welle angeordnet sein. Ergänzend oder alternativ kann das Spannelement beispielsweise über eine gesamte Breite des röhrenförmigen Körpers angeordnet sein. Alternativ kann das Spannelement nur abschnittsweis in axialer Richtung des röhrenförmigen Körpers zwischen der Welle und dem röhrenförmigen Körper angeordnet sein. Als Spannelement kann jedwedes Bauteil eingesetzt werden, mit dem die Vorspannung der Faser bewirkt werden kann, beispielsweise ein Keil oder eine exzentrische Keilspanneinrichtung, etc. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann die Verbindung ein mechanisches Welle-Nabe-System sein, bei dem beispielsweise der röhrenförmige Körper und die Welle drehfest miteinander verbunden sind.
Einige Ausführungsbeispiele betreffen ein Verfahren zum Vorspannen zumindest einer Faser eines röhrenförmigen Körpers. Der Körper umfasst eine Bohrung und zumindest eine Faser und eine Matrix, in die die Faser eingebettet ist. Bei dem Verfahren wird eine Faser aufgewickelt. Bei dem Verfahren wird auch die Matrix aufgebracht. Dies kann vor oder nach einem Anordnen der Faser erfolgen. Dann erfolgt das Trocknen der Matrix. Die Faser wird zumindest abschnittsweise in eine radiale Richtung vorgespannt, nach dem Trocknen der Matrix. Dadurch könnte beispielsweise bewirkt werden, dass ein Bauteil aus einem faserverstärkten Werkstoff auch nach der Herstellung noch so bearbeitet und/oder beeinflusst werden kann, dass das Bauteil bzw. die Faser eine bessere Fähigkeit zum Aufnehmen von Druckspannungen erhält.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren das Anordnen eines Rings oder einer Scheibe in der Bohrung des Körpers und das Ausüben einer Kraft zwischen dem Ring und dem Körper, die in eine radiale Richtung wirkt. Dadurch könnte beispielsweise bewirkt werden, dass der Körper auf gleichmäßige Art und Weise zumindest abschnittsweise in eine radiale Richtung vorgespannt bzw. gedehnt wird. Dadurch könnte ggf. eine gleichmäßige Vorspannung der Faser bewirkt werden.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren das Anordnen des Rings auf einer Welle und das Einbringen einer Spannvorrichtung zwischen die Welle und den Körper sowie das Aufbringen einer Kraft in eine radiale Richtung mittels der Spannvorrichtung zwischen der Welle und dem Körper. So könnte beispielsweise bewirkt werden, dass der röhrenförmige Körper bei seiner Montage auf einer Welle bzw. eine Faser des röhrenförmigen Körpers bei einer Montage des röhrenförmigen Körpers auf einer Welle auf eine einfache Art und Weise zumindest abschnittsweise vorgespannt werden kann, um ggf. die Eigenschaft des Körpers bezüglich des Aufnehmens von Druckspannungen zu verbessern, die beispielsweise in Richtung der Fasern wirken.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen, auf welche Ausführungsbeispiele jedoch nicht beschränkt sind, näher beschrieben.
So zeigen die Figuren schematisch die nachfolgenden Ansichten.
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines röhrenförmigen Körpers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines röhrenförmigen Körpers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines röhrenförmigen Körpers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines röhrenförmigen Körpers mit einer Welle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
5 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines röhrenförmigen Körpers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
6 zeigt eine schematische Darstellung eines röhrenförmigen Körpers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Darstellungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Ferner werden zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Darstellung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines röhrenförmigen Körpers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1 zeigt einen röhrenförmigen Körper 1. Der röhrenförmige Körper 1 umfasst eine Bohrung 3. Die Bohrung 3 ist parallel zu einer Achse 5 des Körpers angeordnet. Der Körper 1 umfasst einen faserverstärkten Werkstoff. Der faserverstärkte Werkstoff umfasst zumindest eine Faser 7, die eine Länge aufweist und eine Matrix 9, in die die Faser eingebettet ist. Die Faser bzw. Schnittflächen der Faser 7 sind in der 1 schematisiert als Punkte dargestellt. Die Faser 7 ist vorgespannt, sodass die Faser 7 um 0,1 % bis 2% gegenüber ihrer Länge in einem nicht vorgespannten Zustand verlängert ist.
Optional kann die Faser 7 in einem Winkel von 70° bis 90° zu der Achse 5 des Körpers 1 gewickelt sein. Beispielsweise kann die Faser 7 beim Aufwickeln vorgespannt werden. Dann kann die vorgespannte Faser 7 mit der Matrix fixiert werden. Alternativ kann die Faser 7 mit der Matrix 9 vorgespannt werden.
Der röhrenförmige Körper 1 umfasst eine Wand 8. Die Wand 8 umfasst den faserverstärkten Werkstoff bzw. wird bei manchen Ausführungsbeispielen aus dem faserverstärkten Werkstoff gebildet.
Die Bohrung 3 des röhrenförmigen Körpers 1 weist einen Durchmesser D auf. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Durchmesser D 280 mm betragen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser D der Bohrung zum Vorspannen der Faser um 2,8 mm aufgeweitet. Dadurch könnte beispielsweise eine Vorspannung der Faser bewirkt werden, die ausgebildet ist, um eine Eigenschaft des Körpers bezüglich der Aufnahme von Druckspannungen in Richtung der Faser zu verbessern.
Bei weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann, um die Faser und/oder die Matrix vorzuspannen, beispielsweise die Bohrung 3 bzw. der Durchmesser D um ein bis zwei Zehntel (1/10; 2/10) seines Werts aufgeweitet werden. Ggf. kann eine ausreichende Vorspannung der Faser beispielsweise erreicht werden, wenn der Durchmesser D in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 2,8 mm aufgeweitet wird. Mit anderen Worten ausgedrückt kann der Durchmesser D der Bohrung 3 um einen Wert zwischen 0,1 % bis 2 % seiner ursprünglichen Abmessung aufgeweitet werden, um die Faser und/oder die Matrix vorzuspannen. Um diese Vorspannung zu ermöglichen, könnte der röhrenförmige Körper 1 beispielsweise auf eine Welle, welche einen Außendurchmesser aufweist, der um 0,1 % bis 2 % größer ist als der Durchmesser D der Bohrung 3 des Körpers 1, geschoben werden.
2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines röhrenförmigen Körpers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Ein in 2 gezeigter röhrenförmiger Körper 10 umfasst eine konisch ausgebildete Bohrung 11. An seiner in eine Umfangsrichtung verlaufende Außenfläche, die in eine radial außen liegende Richtung zeigt, weist der röhrenförmige Körper 10 eine Hartmetallschicht 12 auf. Die Hartmetallschicht 12 ist beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff oder einem keramischen Werkstoff gebildet. Beispielsweise kann die Hartmetallschicht 12 eine Lauffläche eines Lagerrings oder eine Oberfläche eines Lagerrings darstellen.
Der röhrenförmige Körper 10 umfasst eine Wand 8. Diese umfasst, im Wesentlichen analog zu der Wand 8 des vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiels der 1, einen faserverstärkten Werkstoff. Die Fasern sind ebenfalls als Faserschnittflächen 7 punktförmig angedeutet und in die Matrix 9 eingebettet. Dadurch, dass der röhrenförmige Körper 10 eine konische oder kegelförmige Bohrung 11 aufweist, weist der röhrenförmige Körper 10 an seiner Innenumfangsseite eine konische Fläche 13 auf. Dabei ist die Innenumfangsseite des röhrenförmigen Körpers die Umfangsseite des Körpers, die nach radial innen zeigt. Um den röhrenförmigen Körper 10 bzw. die Fasern 7 vorzuspannen, kann ein konisch ausgebildeter Ring 14 in eine Einführrichtung 13 in die Bohrung 11 des röhrenförmigen Körpers 10 geschoben werden. Dazu weist der konische Ring 14 an seinem Außenumfang eine konische Fläche 15 auf. Der konische Ring 14 weist an einem Ende einen Außendurchmesser B auf, der größer ist als ein Außendurchmesser b an einem entgegengesetzten Ende des konischen Rings 14 in axialer Richtung. Analog weist der röhrenförmige Körper 10 bzw. die Bohrung 11 an einem Ende des röhrenförmigen Körpers einen Innendurchmesser d auf, der kleiner ausgebildet ist, als ein Innendurchmesser D an einem entgegengesetzten Ende in axialer Richtung der Bohrung 11. Alternativ könnte der konische Ring 14 auch eine Scheibe mit einer konischen Umfangsfläche 15 sein.
Um den röhrenförmigen Körper 10 bzw. die Fasern 7 vorzuspannen, kann der konische Ring 14 oder ein anderer konischer Körper entlang einer Einführrichtung P in die Bohrung 11 des röhrenförmigen Körpers 10 eingeführt werden, sodass die konische Außenumfangsfläche des konischen Rings 14 an der konischen Innenumfangsfläche 13 des Rings anliegt und den röhrenförmigen Körper 10 in radialer Richtung aufweitet. Damit umfasst der röhrenförmige Körper 10 nach dem Ausführungsbeispiel der 2 als Struktur die konische Umfangsfläche 13. Diese ist die ausgebildet, um mit einer Gegenstruktur, nämlich dem konischen Ring 14 bzw. der konischen Außenumfangsfläche 15 zusammenzuwirken, um eine Vorspannung der zumindest einen Faser 7 zu bewirken.
3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines röhrenförmigen Körpers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Ein in 3 gezeigter röhrenförmiger Körper 20 ist im Wesentlichen analog zu einem der röhrenförmigen Körper 10 oder 1 ausgebildet. Analog zu dem röhrenförmigen Körper 10 umfasst auch der röhrenförmige Körper 20 einen faserverstärkten Werkstoff mit zumindest einer Faser 7, die in eine Matrix 9 eingebettet ist, eine Hartmetallschicht 12 und eine zylindrischen Bohrung 3 mit einem Innendurchmesser D. Ferner umfasst der röhrenförmige Körper 20 einen Ring 22. Bei alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen könnte der Ring 22 auch als Scheibe ausgebildet sein.
Der Ring 22 weist eine Bohrung mit einem Durchmesser f auf. Der Ring 22 weist an einer nach radial außen zeigenden Umfangsfläche einen Außendurchmesser F auf. Der Ring 22 ist über nicht dargestellte Mittel zu der Wand 8 des röhrenförmigen Körpers 20 positioniert. Der Außendurchmesser F des Rings 22 ist kleiner als ein Innendurchmesser D der Bohrung 3 des röhrenförmigen Körpers 20. Der Ring 22 und die Wand 8 sind beide im Wesentlichen konzentrisch zu der Achse 5 des röhrenförmigen Körpers 20 angeordnet. Dadurch, dass der Ring 22 einen kleineren Außendurchmesser F als den Innendurchmesser D der Bohrung 3 der Wand 8 bzw. des röhrenförmigen Körpers 20 aufweist, bildet sich zwischen einer nach radial außen zeigenden Fläche des Rings 22 und der Wand 8 des röhrenförmigen Körpers 20 ein Zwischenraum 23. In diesen Zwischenraum 23 kann ein Medium eingebracht sein, das sich ausdehnen kann. Da der Zwischenraum 23 in axialer Richtung, beispielsweise durch eine nicht dargestellte Struktur verschlossen sein kann, kann das sich in dem Zwischenraum 23 ausdehnende Medium ggf. eine Kraft in eine radiale Richtung ausüben. Dadurch kann die Wand 8 des röhrenförmigen Körpers 20 ggf. in eine radiale Richtung vorgespannt werden. Ferner kann dadurch beispielsweise auch die zumindest eine oder die Mehrzahl der Fasern 7 vorgespannt werden. Beispielsweise kann das sich ausdehnende Medium oder die sich ausdehnende Schicht ein Schaum sein. Unter Umständen kann das Ausdehnen oder das Aufquellen der Schicht durch eine chemische Reaktion hervorgerufen werden. Beispielsweise können unterschiedliche Stoffe in den Zwischenraum 23 eingebracht sein. Wenn diese Stoffe mit einander reagieren, könnte ggf. die sich ausdehnende Schicht erzeugt werden. Beispielsweise können Kapseln mit unterschiedlichen Materialien in den Zwischenraum 23 eingebracht sein. Wenn diese Kapseln zerstört werden oder platzen, kann beispielsweise bewirkt werden, dass sich ein ausdehnendes Medium bildet, das die radiale Vorspannung bewirkt.
4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines röhrenförmigen Körpers mit einer Welle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Ein in 4 gezeigter röhrenförmiger Körper 30 ist im Wesentlichen analog zu dem röhrenförmigen Körper 20 nach dem Ausführungsbeispiel der 3 ausgebildet. Deshalb wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Zwischen der Wand 8 und dem Ring 22 bzw. einer entsprechend ausgebildeten Scheibe, also in dem Innenraum 23 wird bei dem röhrenförmigen Körper 30 ein Druckölverbund eingesetzt bzw. ausgebildet. Dazu weist der röhrenförmige Körper 30 einen Anschluss 31 zu einem nicht dargestellten Hydraulikreservoir auf. Um eine Aufweitung der Wand 8 bzw. um ein Vorspannen der Fasern 7 des röhrenförmigen Körpers 30 zu bewirken kann, beispielsweise über den Anschluss 31 eine Hydraulikflüssigkeit in den Zwischenraum 23 zwischen den Ring 22 und der Wand 8 gepumpt werden.
5 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines röhrenförmigen Körpers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Ein in 5 gezeigter röhrenförmiger Körper 40 ist im Wesentlichen analog zu dem röhrenförmigen Körper 1 ausgebildet. Deshalb wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Der röhrenförmige Körper 40 umschließt mit seiner Bohrung eine Welle 42. Dabei ist ein Außendurchmesser K der Welle 42 kleiner ausgebildet als ein Innendurchmesser D der Bohrung 3 des röhrenförmigen Körpers 40. Die Welle 42 ist im Wesentlichen konzentrisch zu der Achse 5 bzw. zu dem röhrenförmigen Körper 40 angeordnet. Zwischen den röhrenförmigen Körper 40 und die Welle 5 ist ein Spannelement 44 eingebracht oder angeordnet. Wie bei dem Ausführungsbeispiel der 5 schematisiert dargestellt, kann das Spannelement 44 beispielsweise einen Ring 46 aufweisen. Der Ring 46 kann jeweils zwei konisch ausgebildete Innenumfangsflächen 47 und 48 aufweisen. Diese sind so angeordnet, dass der Ring 46 in einem mittleren Bereich eine Innenbohrung 49 mit einem kleinsten Durchmesser aufweist. Ferner kann das Spannelement 44 beispielsweise einen ersten Keil 43 und einen zweiten Keil 45 umfassen. Die Keile 43 und 45 können jeweils von einer Seite zwischen den Ring 46 und die Welle 5 eingeschoben werden, sodass die Wand des röhrenförmigen Körpers 8 bzw. der röhrenförmige Körper 40 selbst und dadurch auch die Fasern 7 in eine radiale Richtung vorgespannt werden können. Ergänzend oder alternativ kann ein Spannelement, eine Spanneinrichtung, eine Spannstruktur oder Spannvorrichtung auch als exzentrische Spanneinrichtung mit nur einem Keil, einem Gewinde ausgebildet sein.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines röhrenförmigen Körpers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Ein in 6 gezeigter röhrenförmiger Körper 50 ist im Wesentlichen analog zu dem röhrenförmigen Körper 1 ausgebildet. Zusätzlich zu dem röhrenförmigen Körper 1 umfasst der röhrenförmige Körper 50 eine Ausnehmung 51. Ferner umfasst der röhrenförmige Körper eine zweite Ausnehmung 52. Die Ausnehmungen 51 und 52 sind im Wesentlichen parallel zu der Achse 5 des Körpers 50 angeordnet. In weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Körper 50 nur eine Ausnehmung aufweisen. Die eine, die beiden oder die Mehrzahl von Ausnehmungen können beispielsweise in einem Winkel zwischen 0 und 45° zu der Achse 5 angeordnet sein.
Die Ausnehmungen 51 und 52 weisen jeweils einen Durchmesser l auf. In die Ausnehmungen 51 und 52 können Elemente, die einen Durchmesser aufweisen, der größer ist als der Durchmesser l der Ausnehmung eingebracht werden. Dadurch könnte ggf. bewirkt werden, dass die in der Wand 8 verlaufende Fasern 7 vorgespannt werden kann. Ergänzend oder alternativ könnte beispielsweise bewirkt werden, dass das die Ausnehmung umgebende Material verdrängt wird. Dadurch könnte beispielsweise bewirkt werden, dass die zumindest eine Faser 7 vorgespannt werden kann. Beispielsweise könnte in die Ausnehmung 51 und/oder die Ausnehmung 52 eine Schraube mit einem Übermaß gegenüber dem Durchmesser l der Ausnehmung 51 oder 52 eingedreht werden.
Damit stellt die Ausnehmung 51 und/oder die Ausnehmung 52 eine Struktur dar, in die als Gegenstruktur eine Schraube oder ein anderes Element mit einem größeren Durchmesser als dem Durchmesser l der Ausnehmung eingebracht werden kann.
Alternativ können die röhrenförmigen Körper 10, 20, 30, 40 und 50 auch ohne die Hartstoffschicht 12 oder mit einer anderen Beschichtung ausgebildet sein.
Der röhrenförmige Körper nach den Ausführungsbeispielen und auch das beschriebene Verfahren können nicht nur, wie für die Ausführungsbeispiele beschrieben, als Ringe, beispielsweise als Innen- oder Außenring für eine Lager (Wälzlager oder Gleitlager) eingesetzt werden. Beispielsweise kann der röhrenförmige Körper auch als ein anderes Bauteil, beispielsweise als ein Maschinenelement, eine Manschette, ein Ring, ein Rohr, ein Anschlussstück, ein Rohrverbinder, die aus einem faserverstärkten Material hergestellt ist und eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Druckbelastung der Fasern erhalten soll, ausgebildet sein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den beigefügten Figuren offenbarten Ausführungsbeispiele sowie deren einzelne Merkmale können sowohl einzeln wie auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und implementiert werden.
Bezugszeichenliste

1: röhrenförmiger Körper
3: Bohrung
5: Achse
7: Faser
9: Matrix
8: Wand
10: röhrenförmiger Körper
11: konische Bohrung
12: Hartmetallschicht
13: konische Fläche
14: konischer Ring
15: konische Fläche
20: röhrenförmiger Körper
22: Ring
23: Zwischenraum
30: röhrenförmiger Körper
31: Anschluss
40: röhrenförmiger Körper
42: Welle
44: Spannelement
46: Ring
47: konischer Innenring
48: konischer Innenring
49: mittlerer Bereich
43: Keil
45: Keil
50: röhrenförmiger Körper
51: Ausnehmung
52: Ausnehmung
l: Durchmesser Ausnehmung
k: Außendurchmesser Welle
F: Außendurchmesser Ring
f: Innendurchmesser Ring
D: großer Innendurchmesser Bohrung
d: kleiner Innendurchmesser konische Bohrung
P: Einführrichtung
B: großer Außendurchmesser konischer Ring
b: kleiner Außendurchmesser konischer Ring

Claims

Röhrenförmiger Körper (1) mit folgenden Merkmalen: eine Bohrung (3), die parallel zu einer Achse (5) des Körpers (1) angeordnet ist, einem faserverstärkten Werkstoff, wobei der Werkstoff zumindest eine Faser (7) umfasst, die eine Länge aufweist und eine Matrix (9), in die die Faser (7) eingebettet ist, wobei die zumindest eine Faser (7) vorgespannt ist, sodass die Faser (7) um 0,1 % bis 2% gegenüber ihrer Länge in einem nicht vorgespannten Zustand verlängert ist.
Röhrenförmiger Köper nach Anspruch 1, wobei die Matrix (9) vorgespannt ist.
Röhrenförmiger Köper nach Anspruch 1 oder 2 wobei der röhrenförmige Körper (10) an seiner Bohrung (11) einen konischen Bereich aufweist.
Röhrenförmiger Körper (20) mit folgenden Merkmalen: eine Bohrung (3), die parallel zu einer Achse (5) des Körpers (20) angeordnet ist, einem faserverstärkten Werkstoff, wobei der Werkstoff zumindest eine Faser (7) umfasst, die eine Länge aufweist und eine Matrix (9), in die die Faser (7) eingebettet ist und eine Struktur (22), die ausgebildet ist, eine Vorspannung der zumindest einen Faser (7) zu bewirken, und/oder einer Struktur (51) die ausgebildet ist, um mit einer Gegenstruktur zusammenzuwirken, die ausgebildet ist, um eine Vorspannung der zumindest einen Faser (7) zu bewirken.
Röhrenförmiger Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Körper (1) ein Innenring oder ein Außenring für ein Lager ist.
Röhrenförmiger Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei die Struktur einen Ring (22) oder eine Scheibe umfasst, der in der Bohrung (3) des Körpers (1) angeordnet ist.
Röhrenförmiger Körper nach Anspruch 6, wobei der Ring (22) oder die Scheibe einen Druckölverband und/oder eine sich in eine radiale Richtung ausdehnenden Schicht umfasst, um die zumindest eine Faser (7) des Körpers (1) vorzuspannen.
Röhrenförmiger Körper nach Anspruch 6 oder 7 wobei der Ring (14) oder die Scheibe einen Konus aufweist, um die zumindest eine Faser (7) des Körpers (1) vorzuspannen.
Röhrenförmiger Körper nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Struktur zumindest eine, parallel zu der Achse (5) des Körpers (1) angeordnete Ausnehmung (51) mit einem Durchmesser ist, in die als Gegenstruktur eine Element mit einem Durchmesser einbringbar ist, der größer ist, als der Durchmesser der Ausnehmung (51).
Verbindung umfassend die folgenden Merkmale: einen röhrenförmigen Körper (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und einer Welle (42), wobei die Welle (42) einen kleineren Außendurchmesser als die Bohrung (3) des Körpers (40) aufweist, wobei die Welle (42) in der Bohrung (3) des Körpers (40) aufgenommen ist, und zumindest einem Spannelement (44) zum Vorspannen der zumindest einen Faser (7), wobei das Spannelement (44) zwischen der Welle (42) und dem Körper (40) angeordnet ist.