DE1750523B1

DE1750523B1 - Verfahren zur herstellung einer trommel oder welle

Info

Publication number: DE1750523B1
Application number: DE19681750523
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr Dr Laussermair
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1968-05-10
Filing date: 1968-05-10
Publication date: 1971-12-09
Also published as: BE732599A; NL159481B; NO127421B; FR2008277A1; CH499732A; JPS536382B1; NL6906492A; GB1244941A; SE349852B

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verstärkten Materialien auf, deren Ε-Modul sowie einer für hohe Umfangsgeschwindigkeiten geeigneten auch deren spezifischer Ε-Modul jeweils von innen Trommel oder Welle, die aus einem hohlen, faser- nach außen hin ansteigen. Da der Rotor als Scheibe verstärkten Kunststoffzyhnder mit niedrigem spezi- ausgebildet ist, fällt das Kriterium der Biegesteifigkeit fischem Ε-Modul (Steifigkeit) und aus einem konzen- 5 weg. Die einzelnen konzentrischen Schichten sind trisch innenliegenden Metallzylinder mit hohem spezi- mittels Schweißung oder einer Kupplungsschicht mitfischem Ε-Modul besteht. einander verbunden. Bei einer anfänglichen Rotation

Derartige zylindrische Rototren finden in der ge- weitet sich naturgemäß die nächstliegende äußere samten Technik eine breite Anwendung. Um z. B. die Schicht auf, wobei die nächstinnere Schicht mitge-Abriebf estigkeit und die Korrosionsbeständigkeit einer io zogen wird, was in erster Linie von der Qualität der Druckwalze zu erhöhen, ist es bekannt, den innen- Kupplungsschicht abhängt. Bei weiterer Rotation hegenden Metallzylinder mit einem gegebenenfalls . werden sich die inneren Schichten an die äußeren faserverstärkten, gewickelten oder geschleuderten anlegen, da deren Ε-Modul kleiner ist. Bei einer Kunststoffmantel zu umgeben (USA.-Patent 2120 875, Entlastung des Rotors werden sich die innenhegenden deutsche Gebrauchsmuster 1914133 und 1 888 451). 15 Schichten von den außenhegenden abheben, so daß Obwohl bei diesen Trommeln im allgemeinen der unter Umständen die Kupplungsschicht zerstört wird, spezifischen Elastizitätsmodul (spezifische Steifigkeit), Diese als Energiespeicher vorgesehene Rotorkonstrukdas ist das Verhältnis vom Elastizitätsmodul zur tion ist mit dem Nachteil verbunden, daß sie für Dichte, außen kleiner ist als innen, sich diese z. B. für außerordentlich hohe Umfangsgeschwindigkeiten unschnell umlaufende Schleudertrommeln nicht, da sich 20 geeignet ist, weil die Schichten außen spezifisch die einzelnen, den Rotor aufbauenden Schichten bei schwerer als innen sind. Da außerdem der Rotor nicht Rotation infolge der großen radialen Verformung über die Höhe der Streckgrenze der innersten niedervoneinander lösen und folglich der Rotor zerstört elastischen Schicht belastet werden soll, um Querwird. Schnittsabmessungen nicht wesentlich zu verändern,

Ferner ist durch die USA.-Patentschrift 3 363 479 25 ist die Höhe der Umfangsgeschwindigkeit oder Beein Verfahren zur Herstellung eines Rotors bekannt, triebsdrehzahl begrenzt. Ferner gehen die Schichten dessen Mantel sich aus einem Material aufbaut, in das bei Entlastung (Abbremsen) des Rotors wieder auf die Faserteilchen eingebettet sind. Die Umfangsgeschwin- ursprünglichen Abmessungen zurück, wobei die digkeit des Rotationskörpers ist hier nach oben hin Schichten mit Hilfe der Kupplungsschicht in ihrer begrenzt, da sich das Material infolge der bei Rotation 30 ursprünglichen Lage fixiert" werden müssen. Diese auftretenden Fliehkräfte ungehindert verformt. Kupplungsschicht kann weiterhin durch Wechsel-

Die zulässige Umfangsgeschwindigkeit eines Rotors beanspruchung zerstört werden, so daß der Zusammenwird von seiner Bauart und dem verwendeten Werk- hang der einzelnen Schichten verlorengeht, stoff bestimmt. Ein reiner Trommelläufer, der im Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer

wesentlichen aus einem dünnwandigen Zylinder be- 35 Trommel oder Welle, deren Umfangsgeschwindigkeit steht, nimmt die gesamten Fliehkräfte bei Rotation bei zugelassener geringer Deformation groß sein durch ein System von Tangentialspannungen auf. kann.

Übersteigen diese Tangentialspannungen bei zu Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die

großer Rotationsgeschwindigkeit die zulässigen Werk- Erfindung für das Verfahren eingangs genannter stoff spannungen, so wird der Rotor zunächst un- 40 Gattung vor, daß in den beiden, den Rotor auf bauenwuchtig durch unkontrollierbare plastische Werkstoff- den Komponenten ein Eigenspannungszustand durch Verformungen, oder es geht nach örtlichen Erreichem Vorspannung derart aufgebaut wird, daß im Ruheder Bruch grenze zu Schaden. zustand im Kunststoffzylinder tangential gerichtete

Neben der zulässigen Werkstoffbeanspruchbarkeit Zugspannungen und im Metallzylinder tangential spielt zum Erreichen hoher Umfangsgeschwindigkeiten 45 gerichtete Druckspannungen auftreten, während bei die Dichte des verwendeten Materials eine Rolle. Betriebsdrehzahl in beiden Komponenten Zugspan-Werkstoffe mit hoher Streckgrenze, aber niedriger nungen herrschen.

Dichte, können höhere Umfangsgeschwindigkeiten er- Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die

reichen, als solche mit größerer Dichte. Es ist bekannt, Vorspannung mit Hilfe einer ersten Rotation des daß faserverstärkte Kunststoffe (z. B. glasfaserver- 50 Rotors unter Ausnutzung des bei Metallen aufstärkte Kunststoffe) zulässige Beanspruchungen be- tretenden Bauschinger-Effektes erzielt wird, wobei der sitzen, die mit Stählen oder Titan vergleichbar sind. Metallzylinder über seine Streckgrenze belastet wird. Durch ihre etwa 4fach geringere Dichte kann man Damit wird ein Rotor erzeugt, dessen Wandstärke

jedoch höhere Umfangsgeschwindigkeiten erreichen. zum Teil durch ein Metall, z. B. Stahl, Aluminium, Rotoren aus faserverstärkten Kunststoffen haben 55 Titan, und zum Teil durch faserverstärkten Kunststoff jedoch empfindliche Nachteile, die ihren Einsatz bisher aufgebaut ist. Wird dieser Trommelrotor auf mäßige nur zögernd voranschreiten ließen. Der kleine Elasti- Drehzahlen gebracht, so entstehen im Metall und im zitätsmodul faserverstärkter Kunststoffe bedingt, daß Kunststoff Spannungen und Verformungen, die in derartige Rotoren sehr biegeelastisch sind und zusatz- linearer Weise voneinander abhängen. Entsprechend hch bei Rotation übermäßig stark aufgeweitet werden. 60 dem hohen Ε-Modul des Metalls werden die Spannun-

Es wurde schon versucht, Rotoren für hohe Um- gen bei Steigerung der Drehzahl im Metallzylinder fangsgeschwindigkeiten zu schaffen. Aus der USA.- rascher steigen als jene im faserverstärkten Kunststoff. Patentschrift 3 296 886 ist ein als Schwungrad dienen- Bei einer bestimmten Drehzahl werden die Beander Rotor bekannt, der bei hohen Umfangsgeschwin- spruchungen im Metallteil die Fließgrenze erreichen, digkeiten ein hohes Schwungmoment abgeben und 65 Bei weiteren Drehzahlsteigerungen wird der innere dessen Volumen oder Masse minimal sein soll. Dieser Metallzylinder nun plastisch verformt werden, während Rotor baut sich aus mehreren dünnen konzentrischen der äußere faserverstärkte Kunststoffzylinder verSchichten aus verschiedenen gegebenenfalls faser- größerte elastische Spannungen aufbaut. Damit ist

eine Trommel oder Welle geschaffen, deren Deformation auch bei hoher Umfangsgeschwindigkeit gering ist. Infolge des Eigenspannungszustandes zwischen den einzelnen Komponenten ist eine Kupplungsschicht od. dgl. nicht notwendig.

Die eben geschilderten Zusammenhänge sind in F i g. 2 näherungsweise für den Rotationskörper gemäß F i g. 1 dargestellt und im folgenden unter Verwendung der genormten bzw. allgemein üblichen Symbole beschrieben.

Der Rotationskörper weist einen Metallzylinder 1 sprechend den Dicken der beiden Zylinder und ihrer Werkstoffparameter wird eine verbleibende Dehnung ε₂ im Gesamtzylinder verbleiben. Die Zugspannungen im Kunststoffzylinder mögen σκί betragen, die entsprechenden Druckspannungen im Metallzylinder CTMVj.

Bei einer erneuten Belastung des Verbundzylinders

durch Rotation werden nun die Zugspannungen im Kunststoffzylinder vom Punkt II ausgehend längs der

ίο Kurve F ansteigen. Die entsprechenden Spannungen im_Metallzylinder_ werden vom .Eunkr.III.ausgehend-

konzentrisch—innerhalb eines höhTerf, fase? "längs der Kurve M' ansteigen. Dabei werden im verstärkten Kunststoffzylinders 2 liegt. In F i g. 2 Metallzylinder zunächst die Druckspannungen abgesind eindimensionale Spannungen und Dehnungen für baut und im weiteren Verlauf Zugspannungen aufeinen typischen metallischen Werkstoff (Kurve M) 15 gebaut.

und für einen typischen faserverstärkten Kunststoff Durch die Vorspannung benimmt sich der Verbund-

(Kurve F) dargestellt. Der metallische Werkstoff, z. B. rotor grundsätzlich anders als beim ersten Hochfahren Flußstahl, soll ideal plastisches Verhalten zeigen. Die des Rotors. Die gesamte radiale Aufweitung ist im Kurve σ = σ (ε) knickt nach Erreichen der Fließ- elastischen wie im plastischen Falle proportional der grenze σρ,Λί in eine Horizontale um; entsprechend dem 20 Tangentialdehnung im Zylinder, d.h. bei der ersten kleinen Elastizitätsmodul verläuft die Kurve F wesent- Rotation ist die gesamte Aufweitung des Verbund

lich flacher als der Kurvenabschnitt 0 — σρ,Μ.

Wenn nun in der geschilderten Weise ein zylindrischer Rotor auf eine Drehzahl η gebracht wird, so Zylinders proportional der Strecke 0 — %. Bei der zweiten Belastung durch die gleiche Drehzahl ist die nun auftretende radiale Aufweitung proportional der

= ρ · ή ■ ω²

Die Dehnungen in Umfangsrichtung betragen

besitzt er eine Winkelgeschwindigkeit β, = ™ Die ²⁵ Strecke ^₂ - _£l. Der plastisch verformte Verbundrotor ^{ö s} 30 benimmt sich also genau wie ein Metallrotor mit

dabei erzeugten Tangentialspannungen a_u betragen höherer Streckgrenze.

Durch die kleinere Gesamtdichte des Rotors können jedoch wesentlich höhere Umfangsgeschwindigkeiten ■jo erreicht werden als bei reinen metallischen Rotoren.

Die Erzeugung des Eigenspannungszustandes kann E nicht nur durch Rotation erzeugt werden. Mit Hilfe

eines auf den Metallzylinder aufgebrachten, seine

Wenn man mit Hilfe dieser einfachen Gleichungen den Streckgrenze übersteigenden Innendrucks ist es nach oben geschilderten Vorgang der Drehzahlsteigerung 35 einem weiteren Merkmal der Erfindung möglich, den nochmals verfolgt, dann sieht man, daß abhängig vom gleichen Eigenspannungszustand hervorzurufen. Nach

p · r* · oj-

Verhältnis ß= unterschiedliche tangentiale Dehnungen

und damit radiale 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 glasfaserverstärkte Kunststoff-(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; "DiF radialen Verformungen und Umfangsdehnungen beider Zylinder sind nun einander gleich Es wird nun angenommen, einer bestimmten Drehzahl It₁ würde eine gemeinsame" Umfangsdehnung S₁ entsprechen. Es wird weiter angenommen, der Verbundzylinder würde aus dieser Drehzahl heraus entlastet, so wird der Spannungs-Dehnungs-Zusammenhang 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 tangentiale Druckspannungen und im faserverstärkten Kunststoffzylinder tangentiale Zugspannunegn hervorrufen wird. Enterzeugter Eigenspannung im Verbundrotor ist der so hergestellte Rotor identisch dem oben eingehend beschriebenen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer für hohe Umfangsgeschwindigkeiten geeigneten Trommel . oder Welle, die aus einem hohlen, faserverstärkten Kunststoffzylinder mit niedrigem spezifischem Ε-Modul (Steifigkeit) und aus einem konzentrisch innenliegenden Metallzylinder mit hohem spezifischem Ε-Modul besteht, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden den Rotor aufbauenden _ Komponenten ein Eigenspannungszustand durch Vorspannung derart aufgebaut wird, daß im Ruhestand im Kunststoffzylinder tangential gerichtete Zugspannungen und im Metallzylinder tangential gerichtete Druckspannungen auftreten, während bei Betriebsdrehzahl in beiden Komponenten Zugspannungen herrschen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungen mit Hilfe einer ersten Rotation des Rotors unter Ausnutzung des bei Metallen auftretenden Bauschinger-Effekts erzielt wird, wobei der Metallzylinder über seine Streckgrenze belastet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung mit Hilfe eines auf den Metallzylinder aufgebrachten innendrucks erreicht wird, mittels dem der Metallzylinder über seine Streckgrenze belastet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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