DE1750523C - Verfahren zur Herstellung einer Trom mel oder Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein 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 konzen- Irisch innenliegenden Metallzylinder mit hohem spezifischem Ε-Modul besteht.

Derartige zylindrische Rototren finden in der gesamten Technik eine breite Anwendung. Um z. B. die Abriebfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit einer to Druckwalze zu erhöhen, ist es bekannt, den innenliegenden Metallzylinder mit einem gegebenenfalls faserverstärkten, gewickelten oder geschleuderten Kunststoffmantel zu umgeben (USA.-Patent 2 120 875, deutsche Gebrauchsmuster 1914 133 und 1 888 451). »5 Obwohl bei diesen Trommeln im allgemeinen der spezifischen Elastizitätsmodul (spezifische Steifigkeit), das ist das Verhältnis vom Elastizitätsmodul zur Dichte, außen kleiner ist als innen, sich diese z. B. für schnell umlaufende Schieudertrommeln nicht, da sich »o die einzelnen, den Rotor aufbauenden Schichten bei Rotation infolge der großen radialen Verformung voneinander lösen und folglich der Rotor zerstört wird.

Ferner ist durch die USA.-Patentschrift 3 363 479 as ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors bekannt, dessen Mantel sich aus einem Material aufbaut, in das Faserteilchen eingebettet sind. Die Umfangsgeschwindigkeit des Rotationskörpers ist hier nach oben hin begrenzt, da sich das Material infolge der bei Rotation auftretenden Fliehkräfte ungehindert verformt.

Die zulässige Umfangsgeschwindigkeit eines Rotors wird von seiner Bauart und dem verwendeten Werkstoff bestimmt. Ein reiner Trommelläufer, der im wesentlichen aus einem dünnwandigen Zylinder besteht, nimmt die gesamten Fliehkräfte bei Rotation durch ein System von Tangentialspannungen auf.

übersteigen diese Tangentialspannungen bei zu großer Rotationsgeschwindigkeit die zulässigen Werkstoffspannungen, so wird der Rotor zunächst unwuchtig durch unkontrollierbare plastische Werkstoffverformungen, oder es geht nach örtlichen Erreichem der Bruchgrenze zu Schaden.

Neben der zulässigen Werkstoff beanspruch barkeit spielt zum Erreichen hoher Umfangsgeschwindigkeiten die Dichte des verwendeten Materials eine Rolle. Werkstoffe mit hoher Streckgrenze, aber niedriger Dichte, können höhere Umfangsgeschwindigkeiten erreichen, als solche mit größerer Dichte. Es ist bekannt, daß faserverstärkte Kunststoffe (z. B. glasfaserverstärkte Kunststoffe) zulässige Beanspruchungen besitzen, die mit Stählen oder Titan vergleichbar sind. Durch ihre etwa 4fach geringere Dichte kann man jedoch höhere Umfangsgeschwindigkeiten erreichen. Rotoren aus faserverstärkten Kunststoffen haben jedoch empfindliche Nachteile, die ihren Einsatz bisher nur zögernd voranschreiten ließen. Der kleine Elastizitätsmodul faserverstärkter Kunststoffe bedingt, daß derartige Rotoren sehr biegeelastisch sind und zusätzlich bei Rotation übermäßig stark aufgeweitet werden.

Es wurde schon versucht, Rotoren für hohe Umfangsgeschwindigkeiten zu schaffen. Aus der USA.-Patentschrift 3 296 886 ist ein als Schwungrad dienender Rotor bekannt, der bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten ein hohes Schwungmoment abgeben und dessen Volumen oder Masse minimal sein soll. Dieser Rotor baut sich aus mehreren dünnen konzentrischen Schichten aus verschiedenen gegebenenfalls faserverstärkten Materialien auf, deren Ε-Modul sowie auoh deren spezifischer Ε-Modul jeweils von innen nach außen hin ansteigen. Da der Rotor als Scheibe ausgebildet ist, fällt das Kriterium der Biegesteifigkeit weg. Die einzelnen konzentrischen Schichten sind mittels Schweißung oder einer Kupplungsschicht miteinander verbunden. Bei einer anfänglichen Rotation weitet sich naturgemäß die nächstliegende äußere Schicht auf, wobei die nächstinnere Schicht mitgezogen wird, was in erster Linie von <Jer Qualität der Kupplungsschicht abhängt. Bei weiterer Rotation werden sich die inneren Schichten an die äußeren anlegen, da deren Ε-Modul kleiner ist. Bei einer Entlastung des Rotors werden sich die innenliegenden Schichten von den außenliegenden abheben, so daß unter Umständen die Kupplungsschicht zerstört wird. Diese als Energiespeicher vorgesehene Rotorkonstruktion ist mit dem Nachteil verbunden, daß sie für außerordentlich hohe Umfangsgeschwindigkeiten ungeeignet ist, weil die Schichten außen spezifisch schwerer als innen sind. Da außerdem der Rotor nicht über die Höhe der Streckgrenze der innersten niederelastischen Schicht belastet werden soll, um QuerschniUsabmessungen nicht wesentlich zu verändern, ist die Höhe der Umfangsgeschwindigkeit oder Betriebsdrehzahl begrenzt. Ferner gehen die Schichten, bei Entlastung (Abbremsen) des Rotors wieder auf die ursprünglichen Abmessungen zurück, wobei die Schichten mit Hilfe der Kupplungsschicht in ihrer ursprünglichen Lage fixiert werden müssen. Diese Kupplungsschicht kann weiterhin durch Wechselbeanspruchung zerstört werden, so daß der Zusammenhang der einzelnen Schichten verlorengeht.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Trommel oder Welle, deren Umfangsgeschwindigkeit bei zugelassener geringer Deformation groß sein kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung für das Verfahren eingangs genannter Gattung vor, daß in den beiden, den Rotor aufbauenden Komponenten ein Eigenspannungszustand durch Vorspannung derart aufgebaut wird, daß im Ruhezustand im Kunststoffzylinder tangential gerichtete Zugspannungen und im Metallzylinder tangential gerichtete Druckspannungen auftreten, während bei Betriebsdrehzahl in beiden Komponenten Zugspannungen herrschen.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Vorspannung mit Hilfe einer ersten Rotation des Rotors unter Ausnutzung des bei Metallen auftretenden Bauschinger-Effektes erzielt wird, wobei der Metallzylinder über seine Streckgrenze belastet wird.

Damit wird ein Rotor erzeugt, dessen Wandstärke zum Teil durch ein Metall, z. B. Stahl, Aluminium, Titan, und zum Teil durch faserverstärkten Kunststoff aufgebaut ist. Wird dieser Trommelrotor auf mäßige Drehzahlen gebracht, so entstehen im Metall und im Kunststoff Spannungen und Verformungen, die in linearer Weise voneinander abhängen. Entsprechend dem hohen Ε-Modul des Metalls werden die Spannungen bei Steigerung der Drehzahl im Metallzylinder rascher steigen als jene im faserverstärkten Kunststoff. Bei einer bestimmten Drehzahl werden die Beanspruchungen im Metallteil die Fließgrenze erreichen. Bei weiteren Drehzanisteigerungen wird der innere Metallzylinder nun plastisch verformt werden, während der äußere faserverstärkte Kunststoffzylinder vergrößerte elastische Spannungen aufbaut. Damit ist

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

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

Der Rotationskörper weist einen Metallzylinder I auf, der konzentrisch innerhalb eines hohlen, faserverstärkten Kunststoffzylinders 2 liegt. In F i g. 2 sind eindimensionale Spannungen und Dehnungen für einen typischen metallischen Werkstoff (Kurve M) und für einen typischen faserverstärkten Kunststoff (Kurve F) dargestellt. Der metallische Werkstoff, z. B. Flußstahl, soll ideal plastisches Verhalten zeigen. Die Kurve σ - σ (t) knickt nach Erreichen der Fließgrenze a_F,M in eine Horizontale um; entsprechend dem ao kleinen Elastizitätsmodul verläuft die Kurve Fwesent-' lieh flacher als der Kurvenabschnitt 0 — αρ,Μ.

Wenn nun in der geschilderten Weise ein zylindrischer Rotor auf eins Drehzahl η gebracht wird, so

besitzt er eine Winkelgeschwindigkeit ω = ™' . Die ^a5

dabei erzeugten Tangentialspannungen σ« betragen a_u — Q · r- · ω².

Die Dehnungen in Umfangsrichtung betragen

e, = ^Q ' ^r'¹ ''"'

Wenn man mit Hilfe dieser einfachen Gleichungen den oben geschilderten Vorgang der Drehzahlsteigerung nochmals verfolgt, dann sieht man, daß abhängig vom Verhältnis | 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. Die radialen Verformungen und Umfangsdehnungen beider Zylinder sind nun einander gleich Es wird nun angenommen, einer bestimmten Drehzahl /J₁ würde eine gemeinsame Umfangsdehnung B₁ 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. Entsprechend den Dicken der beiden Zylinder und ihrer Werkstoffparumeter wird eine verbleibende Dehnung e_t im Qesamtzylinder verbleiben. Die Zugspannungen im Kunststoffzylinder mögen a_Ki betragen, die entsprechenden Druckspannungen im Metallzylinder σ nt. ,, . , ,. ,

Bei einer erneuten Belastung des Verbundzylinders durch Rotation werden nun die Zugspannungen im Kunststoffzylinder vom Punkt II ausgehend längs der Kurve /·' ansteigen. Die entsprechenden Spannungen im Metallzylinder werden vom Punkt IH ausgehend längs der Kurve M' ansteigen. Dabei werden im Metali^linder zunächst die Druckspannungen abgebaut und im weiteren Verlauf Zugspannungen aufgebaut.

Durch die Vorspannung benimmt sich der Verbundrotor grundsätzlich anders als beim ersten Hochfahren des Rotors. Die gesamte radiale Aufweitung ist im elastischen wie im plastischen Falle proportional der Tangentialdehnung im Zylinder, d. h. bei der ersten Rotation ist die gesamte Aufweitung des Verbundzylinders proportional der Strecke 0 — ε,. Bei der zweiten Belastung durch die gleiche Drehzahl ist die nun auftretende radiale Aufweitung proportional der Strecke e₂ — E₁. Der plastisch verformte Verbundrotor benimmt sich also genau wie ein Metallrotor mit höherer Streckgrenze.

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

Die Erzeugung des Eigenspannungszustandes kann nicht nur durch Rotation erzeugt werden. Mit Hilfe eines auf den Metallzylinder aufgebrachten, seine Streckgrenze übersteigenden Innendrucks ist es nach einem weiteren Merkmal der Erfindung möglich, den gleichen Eigenspannungszustand hervorzurufen. Nach erzeugter Eigenspannung im Verbundrotor ist der so hergestellte Rotor identisch dem oben eingehend beschriebenen.

Claims (3)

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 Komponente» ein Eigenspannungszustand durch Vorspannung derart aufgebaut wird, daß im Ruhestand im Kunststoffzylinder tangential gerichtete Zugspannungen und im Metallzylinder tangential gerichtete Druckspannungen auftreten, während bei Betriebsdrehzahi 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 ieiue 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