DE102016102068A1

DE102016102068A1 - Metallischer Einsatz mit glatten Konturen zur Verwendung bei Arbeitselementen aus Verbundmaterial

Info

Publication number: DE102016102068A1
Application number: DE102016102068.0A
Authority: DE
Inventors: Leonard Barry Griffiths; Deividas R. Alksninis; Baisong Feng; Michael A. Karram
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2016-08-11
Also published as: US9732802B2; US20160230813A1; CN105952752A; CN105952752B

Abstract

Es ist eine rotierende Arbeitskomponente zur Verwendung in einer Pumpe, einem Verdichter, Gebläse oder dergleichen vorgesehen. Die rotierende Arbeitskomponente kann ein Laufrad, einen Rotor, eine Lüfterschaufel oder eine andere ähnliche Komponente aufweisen und weist einen Metalleinsatz und einen Verbundmaterialaufbau auf, der auf den Metalleinsatz überformt ist. Der Metalleinsatz kann eine Durchbrechung, die zur Montage der rotierenden Arbeitskomponente an einer Antriebswelle angepasst ist, sowie eine genutete Katenoid- oder abgestumpfte Kugel- oder Sphäroid-Außenfläche mit glatten Konturen zwischen den genuteten Gebieten davon aufweisen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/112681, die am 6. Februar 2015 eingereicht wurde. Die gesamte Offenbarung der obigen Anmeldung ist hier durch Bezugnahme eingeschlossen.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen metallischen Einsatz zur Verwendung mit einer rotierenden Arbeitskomponente einer Pumpe, eines Verdichters, Gebläses oder dergleichen.
HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung bereit, die nicht unbedingt Stand der Technik darstellt.
Viele industrielle sowie kraftfahrzeugbezogene Komponenten bestehen aus Verbundmaterialien, um im Vergleich zu Metallkomponenten Gewicht zu reduzieren sowie Materialkosten zu verringern. Zusätzlich kann die Verwendung von Verbundmaterialien verbesserte Formungsgeometrien zur Folge haben, die in einer verbesserten Funktionalität resultieren, wie einer höheren Effizienz und einem leiseren Betrieb. Probleme existieren dann, wenn Verbundmaterialien, wie rotierende Arbeitskomponenten in einer ein Fluid bewegenden Vorrichtung oder einem entsprechenden Motor verwendet werden. Insbesondere können rotierende Arbeitskomponenten aus Verbundmaterial, wie Laufräder, Rotoren, Lüfterflügel, Gerotoren und andere rotierende Arbeitskomponenten von Pumpen, Verdichtern, Gebläsen, Lüftern und Motoren, einen metallischen Einsatz zu Befestigungszwecken aufweisen. Bei einem bestimmten Beispiel wird ein Verbundmaterial-Laufrad auf einen metallischen Einsatz überformt, der das Laufrad an einer Antriebswelle befestigt. Ausfälle sind aufgrund von Rissen in dem Verbundmaterial aufgetreten.
Die vorliegenden Offenbarung stellt einen metallischen Einsatz mit glatten Konturen bereit, der eine mechanische Verriegelung in den radialen und axialen Richtungen bereitstellt, so dass das Verbundmaterial der rotierenden Arbeitskomponente an der Stelle bleibt und der Metalleinsatz eine Antriebskraft auf den Verbundmaterialabschnitt der rotierenden Arbeitskomponente überträgt. Die glatten Konturen des metallischen Einsatzes reduzieren Spannungskonzentrationen in dem Verbundmaterialteil, wenn das Verbundmaterialteil mechanisch oder thermisch belastet ist. Das Verbundmaterialteil und der Metalleinsatz besitzen verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten, die thermische Spannung beim Heizen/Kühlen erzeugen können.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorgesehenen Beschreibung offensichtlich. Die Beschreibung und spezifische Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu veranschaulichenden Zwecken gewählter Ausführungsformen und nicht aller möglicher Implementierungen und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Laufrades mit einem Verbundmaterialabschnitt, der eine Reihe von Schaufeln definiert, sowie einem Metalleinsatz gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Metalleinsatzes gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine perspektivische Ansicht des Verbundmaterialabschnitts des beispielhaften Laufrads, wobei der Metalleinsatz zu illustrativen Zwecken entfernt ist; und
4 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Metalleinsatzes, der eine Außenfläche in der Form eines abgestumpften genuteten Sphäroids ist.
Entsprechende Bezugszeichen geben über die verschiedenen Ansichten der Zeichnungen hinweg entsprechende Teile an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nun werden Beispielausführungsformen anhand der begleitenden Zeichnungen umfassender beschrieben.
Es sind beispielhafte Ausführungsformen vorgesehen, so dass diese Offenbarung vollständig ist und dem Fachmann den Umfang vollständig vermittelt. Es sind zahlreiche spezifische Details dargestellt, wie Beispiele spezifischer Komponenten, Einrichtungen und Verfahren, um ein vollständiges Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt werden können, und nicht so ausgelegt werden sollen, dass der Schutzumfang der Offenbarung beschränkt wird. Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen sind gut bekannte Prozesse, gut bekannte Einrichtungsstrukturen und gut bekannte Technologien nicht detailliert beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und ist nicht zu deren Beschränkung bestimmt. Wie hier verwendet ist, können Singularformen ”ein”, ”eine” und ”der, die, das” dazu bestimmt sein, genauso die Pluralformen zu enthalten, sofern es der Kontext nicht anderweitig deutlich angibt. Die Begriffe ”umfassen”, ”umfassend”, ”einschließlich” und ”mit” sind inklusive und legen daher die Anwesenheit festgelegter Merkmale, Bestandteile, Schritte, Betriebsabläufe, Elemente und/oder Komponenten fest, schließen jedoch nicht die Anwesenheit oder den Zusatz eines oder mehrerer anderer Merkmale, Bestandteile, Schritte, Betriebsabläufe, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen daraus aus. Die Verfahrensschritte, Prozesse und Betriebsabläufe, die hier beschrieben sind, sind nicht so auszulegen, dass ihre Ausführung in der besonderen Reihenfolge, die diskutiert oder gezeigt ist, unbedingt notwendig ist, sofern es nicht deutlich als eine Reihenfolge zur Ausführung angegeben ist. Es sei auch zu verstehen, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
Wenn ein Element oder eine Schicht als ”an”, ”in Eingriff mit”, ”verbunden mit” oder ”gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben ist, kann sie sich direkt an dem anderen Element oder der anderen Schicht, in Eingriff damit, verbunden damit oder gekoppelt damit befinden oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Im Gegensatz dazu braucht, wenn ein Element als ”direkt an”, ”direkt in Eingriff mit”, ”direkt verbunden mit” oder ”direkt gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben ist, keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Ein anderer Wortlaut, der zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet wird, sollte auf eine ähnliche Weise interpretiert werden (beispielsweise ”zwischen” gegenüber ”direkt zwischen”, ”benachbart” gegenüber ”direkt benachbart” usw.). Der hier verwendete Begriff ”und/oder” umfasst jede und alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugeordneten aufgelisteten Objekte.
Mit Bezug auf 1 ist eine beispielhafte rotierende Arbeitskomponente 10 in der Form eines Laufrades gezeigt, die einen Verbundmaterialabschnitt 12 aufweist, der eine Nabe 14 sowie eine Reihe von Schaufeln 16 definiert, die auf einen Metalleinsatz 18 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung überformt sind. Der Verbundmaterialabschnitt 12 kann aus üblich verwendeten Konstruktionskunststoffen oder anderem Material, das verschiedene bekannte Zusammensetzungen aufweist, geformt sein.
Der Metalleinsatz 18 kann eine genutete, allgemein Katenoid-Außenfläche 20 und eine Durchbrechung 22 aufweisen, die eine Innenfläche 24 definiert. Die Innenfläche 24 kann auf eine Antriebswelle (nicht gezeigt) über Presspassung befestigt sein oder kann optional Keilnuten oder ein Verriegelungsmerkmal zur Drehfixierung der rotierenden Arbeitskomponente 10 an einer Antriebswelle aufweisen. Die genutete Katenoid-Außenfläche 20 weist allgemein einen größeren Außendurchmesser D1 an gegenüberliegenden Enden des Metalleinsatzes 18 auf und besitzt einen glatten Übergang zu einem relativ kleineren Außendurchmesser D2 an einem Zwischenabschnitt zwischen den gegenüberliegenden Enden. Die Katenoid-Außenfläche 20 weist genutete oder ausgenommene Gebiete 26 mit glatten Konturen 28 auf, die einen Übergang zwischen den genuteten Gebieten 26 bilden. Die Anzahlen und Tiefen der genuteten Gebiete 26 können basierend auf einer spezifischen Anwendung gewählt sein. Die Katenoid-Außenfläche 20 des Metalleinsatzes sieht eine mechanische Verriegelung in der Axialrichtung vor, während die genuteten Gebiete 26 eine mechanische Verriegelung in der radialen Richtung bereitstellen, so dass der Metalleinsatz 18 eine Antriebskraft auf das aus Verbundmaterial bestehende rotierende Arbeitselement überträgt. Die glatten Konturen der genuteten Katenoid-Außenfläche 20 des Metalleinsatzes 18 reduzieren Spannungskonzentrationen in dem Verbundmaterialteil, wenn das Verbundmaterialteil 10 mechanisch und thermisch belastet ist.
Als eine Alternative, wie in 4 gezeigt ist, kann der Metalleinsatz 118 mit einer abgestumpften kugelförmigen oder allgemeinen Sphärioid- Fläche 120 versehen sein, die ausgenommene Nutgebiete 126 aufweist. Die abgestumpfte kugelförmige oder Sphäroid-Außenfläche 120 weist allgemein einen kleineren Außendurchmesser d1 an gegenüberliegenden Enden des Metalleinsatzes 118 auf und geht glatt in einen relativ größeren Außendurchmesser d2 an einem Zwischenabschnitt zwischen den gegenüberliegenden Enden über. Die Kugel- oder Sphäroid-Außenfläche 120 des Metalleinsatzes 118 sieht eine mechanische Verriegelung in der axialen Richtung vor, während die genuteten Gebiete 126 eine mechanische Verriegelung in der radialen Richtung bereitstellen, so dass der Metalleinsatz 118 eine Antriebskraft auf das aus Verbundmaterial bestehende rotierende Arbeitselement überträgt. Die Anzahl und Tiefe der genuteten Gebiete 126 kann abhängig von einer gewünschten Anwendung variiert werden. Die glatten Konturen der Kugel- oder Sphäroid-Außenfläche 120 des Metalleinsatzes 118 reduzieren Spannungskonzentrationen in dem Verbundmaterialteil, wenn das Verbundmaterialteil 10 mechanisch und thermisch belastet ist. Mit ”abgestumpft” ist gemeint, dass die Kugel- oder Sphäroidfläche 120 mit abgeflachten oder allgemein abgeflachten Endflächen 128 versehen ist.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen ist zu Darstellungs- und Beschreibungszwecken vorgesehen worden. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer besonderen Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese besondere Ausführungsform begrenzt, sondern sind, wo anwendbar, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn dies nicht speziell gezeigt oder beschrieben ist. Selbige kann auch auf vielerlei Weisen verändert werden. Derartige Abwandlungen sind nicht als eine Abweichung von der Offenbarung anzusehen, und alle derartigen Modifikationen sollen im Umfang der Offenbarung enthalten sein.

Claims

Rotierende Arbeitskomponente, umfassend: einen Metalleinsatz sowie einen Verbundmaterialaufbau, der auf den Metalleinsatz überformt ist, wobei der Metalleinsatz eine Durchbrechung, die zur Montage der rotierenden Arbeitskomponente an einer Antriebswelle angepasst ist, sowie eine genutete Katenoid-Außenfläche mit glatten Konturen zwischen den genuteten Gebieten davon aufweist, wobei der Verbundmaterialaufbau auf die genutete Katenoid-Außenfläche überformt ist.
Rotierende Arbeitskomponente nach Anspruch 1, wobei die rotierende Arbeitskomponente ein Laufrad, ein Rotor, eine Lüfterschaufel und ein Gerotor ist.
Rotierende Arbeitskomponente, umfassend: einen Metalleinsatz sowie einen Verbundmaterialaufbau, der auf den Metalleinsatz überformt ist, wobei der Metalleinsatz eine Durchbrechung, die zur Montage der rotierenden Arbeitskomponente an einer Antriebswelle angepasst ist, sowie eine genutete abgestumpfte kugelförmige oder Sphäroid-Außenfläche mit glatten Konturen zwischen genuteten Gebieten davon aufweist, wobei der Verbundmaterialaufbau auf die genutete, abgestumpfte Kugel- oder Sphäroid-Außenfläche überformt ist.
Rotierende Arbeitskomponente nach Anspruch 3, wobei die rotierende Arbeitskomponente ein Laufrad, ein Rotor, eine Lüfterschaufel oder ein Gerotor ist.