DE1775336A1

DE1775336A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Vermindern von Reibungsschaeden zwischen ineinandergreifenden Bauteilen

Info

Publication number: DE1775336A1
Application number: DE19681775336
Authority: DE
Inventors: Luigi Vacca; Robert Zincone
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1967-07-31
Filing date: 1968-07-31
Publication date: 1971-08-05
Also published as: FR1576062A; US3528712A; SE349369B; GB1231265A; DE1775336B2; JPS5147808B1; DE1775336C3

Description

T77533S

München, den 31·7.1968 Mein Zeionenί 2-482

Beschreibung

zu der Patentanmeldung der Firma

UHITED AIRCRAFT CORPORATION» 400 Main Street, East Hartford, Connecticut 06108 / TJ.S.A»

Vorrichtung und Verfahren zum Vermindern von Reibungsschaden zwischen ineinandergreifenden

Bauteilen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Vermindern von ReibungsBchäden zwischen ineinandergreifenden Bauteilen, die dynamischen Vibrationen ausgesetzt sind, welche durch Reibkorrosion eine schädigende Wirkung hervorrufen.

Reibungsöchäden entstehen im allgemeinen durch elastische Deformation des Materials unter dynamischen Bedingungen in Kontakt mit einem anderen Material.

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Tn der Hubschrauberrotorteohnlk und auf vielen anderen Gebieten sind die ineinandergreifenden Bauteile einem Spektrum von Belastungsfrequenzen ausgesetzt, das die Gesamtumlaufslebensdauer auf mehr als 10 Umläufe erhöht. Zwischen diesen ineinandergreifenden Bauteilen entsteht Reibkorrosion, wodurch die Ermüdungsfestigkeit der felle reduziert wird. Biese Reduktion der BraUdongefestigkeit 1st höchst unerwünscht, da die Bauteile zur Erzielung der erforderlichen Ermüdungsfestigkeit schwerer sein müssen. Während diese Reibkorrosion zumindest teilweise verhindert werden kann, wenn die betreffenden felle aus kaltbehandeltem Stahl hergestellt sind oder die Ineinandergreifenden Oberflächen der Bauteile plattiert werden» ist indessen kein Verfahren zum Schutz der Oberflächen einiger der modernen Materialien, wie Titan, bekannt, welches die durch die Reibung verursachte Reduzierung der Braudungsfestigkeit vollkommen verhindert· Titan und ander« eeltene Materialien können zwar kaltbehandelt und plattiert werden, jedoch wird durch die Kaltbehändlung der Verlust der kritischen Dimensionen nicht verhindert, und das Flattieren reduziert im allgemeinen die Ermüdungsfestigkeit des angrenzenden Materials. Durch die Herstellung der Bauteile aus Titan und anderen Metallen, für die ein Reibkorroeionaeohut» noch nicht gefunden ist, entsteht zwar ein »ehr vorteilhaftes Festigkeit j Gewicht-Verhältriie, jedoch β ind diese Vorteile mit dem Risiko der Korrosionsschäden verbunden. Relbkorroslon wirkt in Verbindung mit geometriechen Spannungskonzen-

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trationsfaktoren (SCP) und kann Spannungskonzentrationsfaktoren in Höhe von 10 ergeben. Zusätzlich zu der Verminderung der Bnnüdungsfestigkeit verursadifcdie Relbkorrosion das Unbraucfcbarwerden kostspieliger Teile, und ewar durch Änderung der kritischen Dimensionen infolge von Verlust an Oberflächeneaterial. Ee wurden die verschiedensten Methoden zur Wiedergewinnung der Ermüdungsfestigkeit der Bauteile erprobt, wie Kaltbehandlung der Reibungsoberfläche zur Er- _ zeugung einer Kompressionsspannung in der Oberflächenschicht, elektrolytisches plattieren zur oberflächigen Reibungshemmung, oder Einschmieren der Reibungsoberflächen zur Bildung eines hydrostatischen Schutzfilms oder festen Verklammern unter Druck der einzelnen Teile, um einer Reibungsbewegung vorzubeugen. All diese Verfahren, einzeln oder kombiniert angewandt, waren nicht erfolgreich bei der Wiederherstellung der vollen Ermüdungsfestigkeit des Materials. Dieser Mißerfolg ist primär auf die Tatsache zurückzuführen, daß durch keines der Verfahren eine vollständige Isolierung der f mit Spannung geladenen Oberflächenschichten von den mikroskopischen Anschlägen der berührenden oder tragenden Oberflächen der Strukturteile erreicht werden konnte. Da also keine praktikablen Methoden zur Wiederherstellung der Ermüdungsfestigkeit in den reibungsgesehädigten Strukturteilen bekannt sind, muß das Problem in anderer Weise gelöst werden, indes man versucht, ein Mittel su finden, um die Reibkorrosion selbst zu verhindern.

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Von den möglichen Verfahren zur Verhinderung der Reibung zwischen ineinandergreifenden Bauteilen, die aus den modernen, ein günstiges FestigkeitίGewicht-Verhältnis aufweisenden Materialien wie Titan hergestellt Bind, wurden die beiden Methoden der Kaltbehandlung, nämlich das Einschmieren oder das Flattieren der Oberflächen der Bauteile in Erwägung gezogen. Diese Verfahren erwiesen sich jedoch als ungenügend, da hierdurch weder Beschädigungen an den Oberflächen noch der Verlust der kritischen Dimensionen verhindert werden konnte.

Eine weitere Methode zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit besteht in einer Mehrbelastung der Strukturen zur Schaffung einer residuellen Druckkraft in den der Spannung ausgesetzten Bereichen. Dieses Verfahren wurde nicht weiter erforscht, da es für die betreffenden Teile nicht anwendbar war und überdies Beschädigungen der Oberfläche» nicht verhindert.

Bei der weiteren Untersuchung des Problems, die Reibung zwischen den Bauteilen zu verhindern» ergab sich, daß die Verwendung von Büchsen oder Lagern direkt zwischen den ineinandergreifenden Oberflächen der Bauteile unbefriedigend ist, da auf diese Weise zwischen einer Büchse und den beiden angrenzenden Bauteilen eine erneute Reibkorrosion auftritt, wodurch die Ermüdungsfestigkeit weiter herabgesetzt wird, was gerade verhindert werden sohlte.

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Es wurde dann erwogen, zusammen mit den Büchsen oder Lagern ein Material zu verwenden zur Absorption der dynamischen Bewegung niedriger Amplitude, die andernfalla zwischen den ineinandergreifenden Oberflächen der Bauteile tibertragen wird und dadurch Reibkorrosion verursacht. Zur Verwirklichung einer vollständigen Isolierung der einzelnen Teile zur Vermeidung eineβ zu engen Kontakts mit dem belasteten Teil gelangt man zum Einführen eines Elements, das die schädliche Vibration absorbiert, jedoch nicht auf das an- λ grenzende Bauteil Übertragt, Elastisch eingebaute BUchsen sind nicht neu; sie sind durch das U.S. Patent Eo. 2,554*008 und das Britische Patent Bo. 578,318 bekannt. Hach diesen Patenten erfolgt jedoch ein« elastische Montage der segmentierten Büchsen zuerst in eine Metallhülse oder -Behälter, wobei dieser Behälter in der Weiee geformt ist, daß er in eine Öffnung eines der betreffenden Bauteilt eingeführt werden kann. V«reuch· haben ergeben, daß die au elininierende Eelbicorroaien nun zwischen den Behälter der Bttohee und dem angrenzende» Bauteil auftrat. PIe ™ Verfahren nach dan genannten Patenten ermöglichen also nicht eine Ausschaltung der Reibung, sondern lediglich eine Verbesserung und einen Schutz der Büchsen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist indessen, die Bauteile intakt zu erhalten«

Zusätzlich kann durch das Verbinden der segmentierten Büchsen mit den Bauteilen mittels eines flexiblen, stark belast-

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baren Haftmittels die Fortpflanzung von Riesen von den Büchsensegmenten zu den angrenzenden Teilen verhindert werden, wenn zwischen dem Haftmittel und dem angrenzenden Material das richtige Modulverhältnis besteht. Wenn die Büchsensegmente nach dem Verfahren des U.S. Patents Vo. 2,821,010 angeschweißt oder nach dem des U.S. Patent Ho· 2,590,761 angelötet werden, so wird jeder in der Büchse entstandene Hiß unverzüglich auf das angrenzende feil P übergreifen.

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung und ein Verfahren zum Verhindern von Reibkorrosion zwischen ineinandergreifenden Bauteilen«

Srfindungsgemäß ist eine Anzahl von in Abstand von einander befindlichen Büchsengliedern in einem Hohlraum zwischen den einzelnen Teilen angeordnet, wobei die Auflagefläche jeder Büchse in der Weise geformt ist, daß sie jeweils mit der Oberfläche des betreffenden Bauteils zusammenpaßt, und mittels eines nachgiebigen Bindemittels werden die Büchsen-Segmente mit der angrenzenden Oberfläche des entsprechenden Bauteils verklebt, so daß die Büchsensegmente nachgiebig auf einem Teil aufliegen, während sie selbst ein anderes Teil tragen, so daß in dieser '-'eise Heibungsschaden zwischen

den Teilen verhindert werden. _;i

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Ein weiterer Erfindungsgedanke ist, daß das Klebematerial vorzugsweise einen Elastizitätsmodul zwlsohen 14*100 kg/cm

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ρ *

und 21.100 kg/cm aufweist, was die Absorption der dynamischen Bewegung niedriger Amplitude ermöglicht, die andernfalls zwischen den Bauteilen auftreten würde. Ein derartiges Klebema.terial verhindert die übertragung von in dem Büchsenmaterial entstandenen Rissen durch das Haftmittel in die Bauteile, vorausgesetzt, daß die Frimärstruktur einen Elastizitätsmodul aufweist, der von dem Elastizitätsmodul des Haftmaterials weit genug entfernt ist.

Die Unterteilungen der Lager oder des Büchsenmaterials sind vorzugsweise so auszurichten, daß sie sich mit dem Bereich des maximalen geometrischen Spannuneskonzentrationsfaktors (SCF) nicht in einer Fluchtlinie befinden, so daß die Bereiche maximaler Spannungekonzentration des Klebematerials an den Enden der lagerelemente nicht mit der maximalen geometrischen Spannungskonzentrationezone fluchten, wodurch die Möglichkeit eines Ausfalls verringert wird.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung eines reibungskorrosionsfreien Gelenkes zwischen Bauteilen, zwischen denen eine Büchse angeordnet ist, deren einzelne Elemente miteinander und mit der angrenzenden Oberfläche eines der Bauteile mittels eines elastischen Haftmittels verklebt sind, sodann werden die Oberflächen der Büchsenelemente maschinell behandelt zur Bildung einer durchbrochenen Oberfläche bestimmter Größe, die der Berührungsfläche des angrenzer.den Strukturteile iormenmäßig _cenau angepaßt ist.

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Die Erfindung ist im folgenden anhand scheraatischer Zeichnungen ergänzend "beschrieben.

Fig„1 ist die Teilansicht eines Helikopterrotors una zeigt einen Bereich, in dem dex Antirelbkorrosions-Mechanismus benutzt ist, mit den angesteckten Lagern zwischen der Drehßpindel und der Rotorblatthülse sowie mit dem Blattschwinggelenk.

Fig.2 ist ein Querschnitt durch den Schwingdorn eines Rotors mit eingebauten reibungsmindemden Büchsen.

Pig.3 ist eine Ansicht entlang der Linie 3*3 von Pig.2 und zeigt die Segmentierung der Büchse.

Pig.4 ist eine perspektivische Ansicht eines der Elemente der segmentierten Büchse.

Pig.5 ist eine schematische Ansicht des mit einem Zapfen besteckten Ansatzstückes der Spindel eines Hubsehrauberrotors und zeigt die angreifenden Kräfte und Spannungen.

Fig.6 ist eine graphische Darstellung, welche die Vorteile, die durch die Verwendung des Antireibungskorrosions-

.. ■ ν .·■■.-..■■.

Mechanismus bei einem mit einem Zapfen besteckten Ansatz· stück entstehen, aufzeigt.

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bad

Pig.7 ist eine schematisohe Ansicht einea mit einem Zapfen besteckten Spindelansatzes und zeigt eine vorteilhafte Anordnung der Büchsensegmente,

Fig.8 ist die Ansicht eines der in Pig.7 dargestellten BUchseneegmente und aβigt die Spannuneskurve bein Angreifen Ton Schubkräften.

Pig .9 se igt das «wischen der segzaentierten Büchse Ton Pig.7 und der Oberfläche der zylindrischen öffnung des Ansatzstückes befindliche Klebematerial, und zwar eine graphische Darstellung der in den Klebematerial aufgebauten Spannung.

Pig.10 ist eine vergrößerte Teilansicht von ?ig.1 und zeigt eine detaillierte Barstellung der reibungekorrosionsmindernden Bestandteile in ihrem umgebenden Bereich·

Pig.11 ist eine Ansicht entlang der linie 11-11 von

fig·12 seigt die Verwendung einea Paares der relbunge »indernden Beatandteile in einer Umgebung» durch die zwei cueamenwirkende Teile einer Reibungekorrosion ausgesetzt werden·

Pig.1 ist ein· leilansioht des Rotor« 10 tines modernen Hubschraubers mit einer labe 12« dit ein· Deok- sowie eine

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Bodenplatte aufweist, wobei die Deckplatte mit 14 bezeichnet ist. Da nur der Mechanismus der Deckplatte beschrieben ist, ist zu bedenken, daß die Bodenplatte im Jbetand davon angeordnet ist. Die Deckplatte 14 umfaßt ein sylinderförmigea Stützglied 16, das ait dem entsprechenden Glied der Bodenplatte (nicht dargestellt) zusammenwirkt und auf diese Weise eine zylinderförmige Abstutsung für das Universalgelenkteil 18 bildet· Das Gelenkteil 18 besteht im Grunde aus zwei gekreuzten Zylindern, deren einer durch das !Teil gebildet ist, welches schwenkbar in einem fluchtenden Zylindergehäuse 16 der labe 14 angeordnet ist, so daß ein Blattnasenverzögerungsgelenk 21 um die Blattnasenrerzögerun£8achse 64 der Rotorkopfhülse und Acheschenkelanordnung 22 entsteht. Der zweite Zylinder 24 des Gelenkteils 18, wie in Fig.2 am besten zu erkennen ist, wirkt mit der Spindel 26 und den Schwing-AnIenksapfen 3C zusammen und bildet ein Schwing-Gelenk 25 fUr die Büchsen- und Spindelanordnung 32. Das Universalgelenkteil 18 ist allgemein als Tertikalgelenk bekannt.

Die Spindel 26 umfaßt eine zylinderförmige Achswelle 32, welohe um die Blattanstellwinkel-/nderungsaohae 34 konzentrisch angeordnet ist. Die zylinderförmige Büchse 36 umgibt die Spindelwelle 32 und bildet eine ringförmige Kammer 38. Eine Anzahl zusammengesteckter reibungseindernder Lager,'

wie die Kugellager 40, 42, 44, 46 und 48 alnd in der ringförmigen Kammer 38 angeordnet und dienen als Unterstützung

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für die Rotorblattbüchse 36 und damit der Büchsen- und SpindelanOrdnung 22 für die Anstellwinkelanderungs-Drehbewegung um die Spindelwelle 32 und die Anstellwinkeländerungsachse 34.

Sollte die Spindelwelle 32 und die Büchse 36 aus Titan oder irgendeinem anderen seltenen Material hergestellt sein, so ist es ratsam, aus Gründen einee maximalen Festigkeit χGewicht-Verhältnisses die segmentierten reibungsmindernden Absatzstücke zwischen der Welle 32 und den lagern 40-48 und zwischen der Spindel 26 und den mit 50 und 52 bezeichneten Lagern anzubringen. Eine ausführliche Beschreibung der Elemente 50 und 52 folgt weiter unten in Zusammenhang mit den Figuren 10 und 11, in denen die zweite AuBführungsforra der Erfindung gezeigt ist.

Vie aus den Figuren 1, 2 und 3 am besten zu ersehen ist, ist die Spindel 26 gabelförmig und umfaßt die im Abstand voneinander angeordneten Ansatzstücke 54 und 56, die kreisförmige öffnungen 58 und 60 aufweisen, welche um die Schwingachse 62 konzentrisch angeordnet sind. Die Schwingachse 62 steht senkrecht auf der Blattnasenverzögerungsachse 64. Der Schwing-Anlenkzapfen 30 erstreckt sich entlang der Schwingachse 62 und umfaßt ein eylinderförmiges Teil 57, das von den öffnungen 58 und 60 aufgenommen wird. Der Zapfen 30 ist mittels der Mutter 66 an der Spindel 26 befestigt. Biese Mutter grenzt an die äußere Oberfläche des Ansatzstückes 56 der Spindel, während das Schulterteil 68 an die

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äußere Oberfläche des Ansatzstückes 54 grenzt. Der Anlenkzapfen 30 erstreckt sich auch durch das zylinderförmige Stützteil 24 des universalgelenkteile 18 und verbindet auf diese Weise das Spindelblatt 26 mit der Hotornabe 12, so daß um die Achse 62 ein Schwinggelenk 25 gebildet wird. Wie aus Pig. 2 am besten zu ersehen ist, ist die Bttehse 70 um die Achse 62 konzentrisch angeordnet und erstreckt sich zwischen den Ansatzstücken 54 und 56, wodurch eine Deformation der Ansatzstücke durch das Befestigen der Mutter 66 an dem Zapfen 30 verhindert wird. Die Buchse 70 dient auch als innerer Laufring für das Kugellager 72 und umfaßt den inneren Laufring 70, den äußeren Laufring 74 sowie zwei Serien der Kugellager 76 und 78. Die Abstanderinge 80 und 82 erstrecken sich zwischen den Lagern 72 und den Ansatzstücken 54 und 56 und bilden zusammen ringförmige Kammern 84 und 86, in welchen sich die Dichtungsringe 88 und 90 befinden.

Zusätzlich zu den reibungsmindernden Teilen 92 und 94 sollten vorzugsweise noch die flachen ringförmigen !Feile 112, 114, 116 und 118 verwendet werden, und zwar zwischen den seitlichen Oberflächen der Ansatzstücke 54 und 56 und JLhren anliegenden Elementen wie dem Zapfen 30, der Mutter und dem Lager 72. Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Hubschrauberrotor 10 ist in allen Einzelheiten la den )

US-Patenten No. 3,097,701 und 2,925,130 ausführlich be- \

schrieben. ■ "(

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CiAU UnrvjwWl. Jl

Zum Erreichen eines maximalen Festigkeitι Gewicht-Verhältnisses sollte die Spindel 26 vorzugsweise aus Titan hergestellt sein. Da der Hubschrauber ständig einer dynamischen Schwingung niedriger Amplitude ausgesetzt ist, wurden in den Ansatzstücken 54 und 56 dex· Spindel 26 Reibungaschäden auftreten, und zwar infolge der geringfügigen Bewegungen, die zwischen den zylinderförmigen öffnungen 58 und 60 der Ansatzstücke 54 und 56 und dem zylinderförmigen % Teil 57 des Zapfens 30 erfolgen. Zur Verhinderung dieser ReibungBschäden werden in die öffnungen 58 und 60 der Anaatzstücke 54 und 56 die Büchsen 92 und 94 eingesetzt und in einer weiter unten ausführlicher beschriebenen Weise mittels eines elastischen Bindematerials direkt mit den Anaatzstücken 54 und 56 Iv deren öffnungen 58 und 60 verkittet«

Wie aus Figur 3 am besten zu ersehen ist, ist die Büchse * 94 unterteilt und umfaßt vier Lager 96, 98, 100 und 102 mit dazwischen befindlichen Spalten 104» 106, 108 und 110» Die Höhe der Schwingungsbelastung der Büchse ist der Anzahl der gesonderten Bereiche, in die eine Büchse unterteilt ist, umgekehrt proportional· Vier Unterteilungen sind in dieser Ausfthrungsform ausreichend·

Wie aus Figur 4 am besten ersichtlich, umfassen die Büchsen, wie z.B. 96, zur Verhinderung von Reibungsechäden ein erstes Teil 120, dae zylinderförmig let und in die aylindrischen öffnungen 58 und 60 einzusetzen 1st, ein zweites Teil

'.ΡΧ

122, das im rechten Winkel zu dem Teil 120 angeordnet ist und die Form eines flachen Dichtungsringes aufweist und mit einer der Oberflächen der Ansatzstücke 54 oder 56 verbunden wird. Ein weiteres nicht dargestelltes drittes Teil kann senkrecht zu dem Teil 120 und parallel zu dem Teil an die gegenüberliegende Oberfläche der Ansatzstücke 54 und 56 angesetzt werden, falls dies wünschenswert erscheint. Die in Fig. 3 dargestellte Büchse zur Verminderung von Reibungssehäden ist in vier Abschnitte unterteilt, es ist jedoch, wie von Fachleuten wohl leicht einzusehen ist, jede beliebige Anzahl von Unterteilungen möglich, bei einer vierzähligen Unterteilung ist jedoch zu empfehlen, daß sich das einzelne Segment über einen Bogen von etwa 90° erstreckt mit einem Spalt von etwa 1,2 mm. Die Büchsen zur ■Verminderung der Reibungsschäden sind vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt.

In einem modernen Hubschrauber sind viele Bauteile in einer- Weise miteinander verbunden und in den umgebenden Bereich eingesetzt, daß die ineinandergreifenden Oberflächen dieser Bauteile mikroskopisch kleinen, durch den umgebenden Bereich ausgelöste Erschütterungen ausgesetzt sind, welche in den Bauteilen Reibungsschäden verursachen« Oftmals werden Bauteile in eine Erschütterungen auslösende Umgebung eingesetzt, um die schädigende Wirkung der entstehenden Reibung zu veranschaulichen» In dieser Absicht soll nun die Wirkweise der mit Zapfen besteckten Ansatzstücke 54 ■und 56 der Spindel 26 beschrieben werden„

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JNA\OmO GAS BAD ORIGJNAL

l;le "■.tr.'inüaiiiißsfeetigkei-t der mi" Sapfen "besteckten Ansatzstücke, wie 56, ist bei der Konstruktion eines Helikopterrotors von primärer Wichtigkei;» Methoden zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit wurden mit unterschiedlichem Srfolg erprobt, gum Beispiel hat man dis oberflächen der Ansätzstükke poliert oder gehämmert, also einer Kaltbearbeitung unter-EOgen. Obwohl diese Verfahren bis zu einem gewissen Grad erfolgreich sind, vorausgesetzt daß die zusammenwirkenden

Bauteile aus Stahl, Titan oder anderen seltenen Materialien ^ hergestellt sind, können doch Beschädigungen der Oberflächen sowie Verformung und Verlust der kritischen Dimensionen nicht ganz verhindert werden. Außerdem kann durch Mehrbelastung der Oberflächen der Ansatzstücke die Ermüdungsfestigkeit erhöht werden, was wie oben erwähnt einen gewissen Erfolg bedeutet, jedoch treten weiterhin Beschädigungen an den Oberflächen auf» Es wäre wünschenswert, eine Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit ohne Erhöhung des Gewichts zu erzielen, also durch leichtere Bauteile, die jedoch densel— g ben.Beanspruchungen gewachsen sind wie die heutigen schwereren Strukturen. Der Hauptgegenstand der Erfindung ist also die Erhöhung, der Ermüdungsfestigkeit der mit Zapfen besteckten Ansatzstücke und anderer Bauteile, deren ineinandergreifende Oberflächen der schädigenden Reibung ausgesetzt sind. V/ie weiter unten ausführlich beschrieben ist, geschieht dies durch das Verkleben von segmentierten Büchsen direkt an die innere Oberfläche der Ausnehmung 60 des An-

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BADORiQiNAL

satzstückes, mittels eines stark !belastbaren Haftmittels. Ein Beispiel eines solchen Klebemittels ist M-IOOO. Der Elastizitätsmodul (shear modulus of elasticity) eines sol-

P

chen Haftmittels liegt zwischen Η»100 kg/cm und.21·100 kg/cm und kann zum Verbinden von rostfreiem Stahl und Titan benutzt werden.

Der hier benutzte Begriff "Haftmittel" betrifft diejenigen Klebemittel, die MMM-A-132 entsprechen und eine maximale Scherfestigkeit von etwa 280 kg/cm ausweisen· Zum besseren Verständnis der Entstehung des Verlustes an Ermüdungsfestigkeit bei den mit Zapfen besteckten Ansatzstücken folgt nun ein« kurze Beschreibung des Vorgangs anhand der Figur 5. Fig. 5 zeigt das mit dem Zapfen besteckte Ansatzstück 56 mit einem «ylinderförmigen Bohrloch 60 und mit einer Kraft P, welche aus der ständigen Vibrationsbelastung des Zapfens resultiert, der durch das Loch hindurchgeführt ist und damit ein Gelenk bildet und sodann an einen anderen zu bewegenden Mechanismus angeschlossen wird und/oder an das An-BfttzstUck 56. In Fig.5 ist außer der scheaatisohen Ansieht ein Belaatungediagramm dargestellt mit einer Ordinate auf der linie 120 und einer Abs«isse auf der Linie 122· Der Hennwert der Belastung entspricht der Kraft F geteilt durch die der Spannung ausgesetzt«Fläche des Anaateatükkes, dit zu beiden Seiten des Loches 60 entlang der Ordinate 120 liegt ,und ist mit der Linie 124 bezeichnet ₉ wobei die gesamte Spannungszone die gleiche Belastung aufweist.

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BAD ORIGiNAt JAKiOiHo OAii

3a kann ana-ljtisch erklärt werden, daß für die zum Bau von Helikopterrotor-Systeinen verwendeten Materialien wie Stahl» Titan und Aluminium, die mittlere Dauerfestigkeitsgrenze für den ungeschützten Ansatz, das ist der Ansatz mit der Bohrung 60 im maschinell bearbeiteten Zustand, etwa bei 1/20 der statischen Bruchfestigkeit liegt« Unter statischer Festigkeit des ungeschützten Ansatzes ist die axiale Belastung zu verstehen, die nötig ist, um einen statischen Bruch zu verursachen durch eine der Hauptursachen des Ausfalls, z.B. durch Seherungsbruch oder Spannungsbruch. Der Faktor von 1/20 entsteht aus zwei G-rundfaktoren, und zwar

1) dem geometrischen Spannungskonzentrationsfaktor und

2) dem Reibungsfaktor.

Der geometrische Spannungskonzentrationsfaktor, der im Amerikanischen als SCF bekannt ist_s ist durch die Form des Ansatzes sowie durch die für einen Riehtungsweehsel benötigte Belastung bedingt. Für diesen besonderen mit dem Zapfen

besteckten Ansatz ist der geometrische Spannungskonzentra- ^ tionsfaktor am höchsten auf dem in Fig, 5 dargestellten Sektor von 30°. Der Reibungsfaktor wird durch mikroskopisch kleine Bewegungen des vibrationageladenen Zapfens gegen die Bohrung 60 des Ansatzes 56 verursacht, so daß Beschädigungen der Oberfläche der Bohrung 60 entstehen. Die Form dieser Schaden erhöht allmählich den mikroskopischen Spannungskonzentrationsfaktor ρ so daß sich der Gesamtspannungskonzentrationafaktor während der ErmUdungszeit des betreffenden Teils ständig verändert» Die Reibungsschaden treten in verstärktem Maße in der in Fig. 5 dargestellten

BAOORiQINAt. 109837

30°-Zone auf _t und in diesem Bers ion ist ν-ach. der geometrische Spannungskonzentrationsfaktor wirksam* Die Wirkung der Reibung wächst mit jedem Umlauf an Tiefe und Umfang. Das Oxydprodukt nimmt ein größeres Volumen ein, welches hohe mikroskopische Drucke erzeugt*

Aus Flg. 6 und insbesondere aus der Kurve 1 ist der Festigkeitswert des Ansatzes mit einer ungeschützten Bohrung zu ersehen. Aus der Kurve 1 in Fig-.. 6 ist ferner ersichtlich, daß die zum Brechen des Ansatzes erforderliche Belastung mit der steigenden Umlaufzahl des Ansatzstückes abnimmt und daß der schwächste Stand des Ansatzes bei 10' und 10 Umläufen liegt. Es kann aufgezeigt werden, daß, falls es möglich ist, die Oberfläche der Bohrung 60 gegen diese Reibung zu schützen, so daß nur der geometrische Spannungskonzentrationsfaktor wirksam ist, der Festigkeitswert des Ansatzstückes ganz bedeutend erhöht werden kann, wie aus der Kurve 2 zu ersehen ist, und zwar ist dies bei allen Umläufen und ganz besonders bei den höheren der Fall. Demgemäß kann also durch den Schutz der Oberfläche der Bohrung 60 des Ansatzes 56 gegen die Reibungsschäden die Ermüdungsfestigkeit des Ansatzstückes erhöht werden. Dieser Schutz der Oberfläche des Bohrloches 60 des Ansatzes 56 gegen Reibungsschaden zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit des Ansatzstückes erfolgt durch Verkleben von segmentierten Büchsen direkt an die Oberfläche der Bohrung 60 mittels eines stark belastbaren Haftmittels. Durch Verwendung einer solchen in dieser Weise verklebten segmentierten

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e kanu also die Kurve 1 in die Kurve 2 geändert werden _t wie e« in Piß» 6 dargestellt ist.

Der besondere i?veck der verklebten Büchse ist der Schutz des Ansatzes gegen die schädigende Wirkung der Reibung,

Außerdem hat man gefunden, daß das Klebeinaterial, das die unterteilte Büchse direkt mit dem Bohrloch des Ansatzes ä

■verklebt, auch dazu di«nt_; die Verbreiterung eines Ermüdungsrisses zu verhindern, der von der Büchse aus auf ein angrenzendes Teil, namentlich auf das Ansatzstück übergreifen kann. Wejm sich ein Riß zum Beispiel durch die Wand eines Btichsensegmentes fortpflanzt, so wird das Klebemat&x-ial verschoben oder in irgendeiner Weise versetzt» um die: Energie'das Hisses ?λι absorbieren und in dieser Weise zu verhindern, daß sich die Energie durch das Klebemateria! auf ein sngrengendeβ-Teil, etwa das Ansatzstück fortpflanzt» Sonnte das Klebematerial diese Punktion der Energieabsorp- ™ tion nicht erfüllen _t so wurden sich Risse von der Büchse aus durch daa Haftmatertal in das Ansatzstück fortpflanzen· In diesem Zusammenhang wurde erkannt, daß die Richtung der Segmente der Büchse von Bedeutung ist. Die vorteilhafteste Orientierung der Segmente kann am besten mittels der Darstellung der Figuren 7, 8 und 9 erklärt werden.

Aus Fig»"7 ist zu erkennen, daß die H-iuptbelastung der Bohrung des Ansatzes in dem ~;⁵unkt "a" erfolgt, Punkt "a" ist

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also die Stelle maximaler Spannmgsbelastung in dem Segment, was am besten in Pig. 8 durch dsn Maximalwert entlang der Linie 130 dargestellt 1st· Die in dem Klebematerial angereicherte Spannung zeigt das Diagramm in Pig. 9, wobei der minimale Wert in Punkt ^Ma" auftritt, der mittlere Wert entlang des Segments und das Maximum an den Rändern des Klebematerials in radialer Fluchtung mit den Enden der Bttchsensegmente. Damit diese maximalen Druckbereiche sich nicht in einer Richtung erstrecken, Ibt es vorteilhaft, die Segmente in der Weise anzuordnen, daß ihr mittlerer Bereich, also die Stelle der niedrigsten Spannungsabsorption, naoh dem Punkt ⁿaⁿ ausgerichtet ist, dem Bereich stärkster Spannung auf dem Ansatzstück· Auf diese Weise ist das Klebematerial niemals einer maximalen Belastung ausgesetzt» wodurch die Möglichkeit der Entstehung von Rissen im Haftmaterial selbst verringert wird. Mit anderen Worten, zur Herabsetzung von Ermüdungsrissen in der Bindelinie muß die Spannung auf dieser Linie verringert werden. Dies geschieht durch Vermeiden «liier Fluchtung der Segmentenden alt dea Punkt stärkster Belastung ^Da". Der Hu11wert an Belastung in Haftaaterial tritt also zu dem Maximalbelastungswert auf dem Ansatzstück. Demzufolge ist bei Auftreten eines Ermüdungsrisses in dem Haftmaterial, etwa durch übertragung aus dem Segmentmaterial, eine Fortpflanzung in das angrenzende Material des Bohrloches unmöglich. Wie in Pig. 7 dargestellt ist, wird das Haftmaterial vorzugsweise in einer Stärke von etwa 0,12 mm verwendet, so daß sein Elastizitätsmodul wesentlich niedriger iet als der des Titans des An-

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. I>';;*>irön& s;ia Beispiel der Young⁹sehe Elaotll des iL'.itans des Aufsatzes bei 1,12 , 10^J kg/eia*" liege, ist eier Elastizitätsmodul des bevorzugten Bindema~ terialsj wio 3?Μ~1000, zwischen 14*100 kg/cm*" und 21.100 kg/om l'ls BüaliLS w:lrd urspriragliah in einem S-'.uelc hergestellt mit einem äuiterer» Durchmesser, der dem Durchmesser der Bohrung 60 des Ansatzes entaj^riabt, nachdem das Bindematerial in dat Bohrloch eingeführt; ^urde. Der innere Dux'chmesser der

.jrgibt sieh nach dem Yei-kleben^ wobei das Material ^ lo nachbehajidelt wird, bis J3u einem endgültigen 'Bohurcawesser» I'te ist hier au erwähnen, daß unter v;e-. igei· kritischen Dirnen·-: Lonebedingungen der endgültige Boh~ ru».gadui.*chmeäser nicht- ϊκ-,ο):. dem Verkleben noclimals nachbehandelt v/erden muJB_s »sondern daß ein gewisser aus dem Verkleben resultierender'Spielraum möglich ist. Vor dem Eineeta^ri wird die Büchoe aiio einem Stück in Abschnitte unterteilt» Der Zv/sck der Segmentierung ist z\^eifachi I) iat aie notv/andig zur Erzeugung und Aufrechterhaltung | eines radialen Druckes auf öas Bindematerial! während der Nachbehandlung und ?.) wird dadurch die Spannung in der Mehee vermindert,, Das Haftmaterial,- z»B. 5Ϊ1-1000, wird i.n Streif β nform hergfenfce] ί t. Bs wird in das Bohrloch 60 eingelaeBen. Die Büchsen.segmentπ werden in das Klebema~ terlal eingelegt, v/oböi d te Orientierung nach den oben erwähnten Kriterien erfol/r fc „ Zur Gewinnung eineB radialen Druckes während dor Nachbehandlung wird zum Beispiel ein t'ederbelnatetes dehnbac«« V-'erkaeug benutzt.. Die gesamte Anordnung virä sodann in einen Ofen bei 1?1° zwei Stunden

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lang nachbehandeln Der KlebeTorga^^ 1st genauestens beschrieben in 3HI3Ü-A-9O67 ΛDHESXVE BONDING» PROCESS AMI) OTSPEOTIOF .RSQUIRHnSFTS BORE« Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist das direkte Anbringen des Haftmatex'ials an das angrenzende belastete ^fCeil_s so daß diessr Bereich gegen die schädigende Wirkung'der Reibung geschätzt ist. Wenn die Büchse zum Beispiel mittels des Haftmaterials in einen zylindrischen Metallbehälter verklebt wird und dieser Behälter sodann in das Bohrloch des angrenzenden Bauteils» wie die Bohrung 60 des Ansatzes 56, eingeführt wird, so würde die schädigende Eeibung, die durch das direkte Verkleben an daa angrenzende KatezIaI ausgeschaltet

ist, in der Tat awiechen dem Metallbehälter und der Oberfläche 60 des angrensanden Teils auftreten»

Pig* 10 seigt eine vergrößerte Ansicht eines der Lager 42 c er Reihe 40-48, welche l;.i einer jsi/ischen der Sgindelv/el-Ie 32 und ci-sm Rotorblatt 36 bei'iiiäliehen kreisförmigen Aus~ r.ühmunr angeordnet aiiid. Diese Teile wirken zusaiamen 2ur Unterstützung der Achsachankelanordnung 22 an der Habe 14 υ.ηά zur Frmögliohung der Rotation der Hülse 36 um -den Achsschenkel 26 und die Yerstellaohae 34 Eur Veränderung des Anstellwinkels der Rotorblätter (nicht dargestellt), wie in Fig. 11 gezeigt ist, wobei die segmentierten Büchsen 52 und 50 jeweils zwischen der Titanhülse 36 und den Lagern 40-46 und der Titanspindelwelle 32 und den Lagern 40-46 angeordnet aind. Da dia fus Titan bestehenden Teile gegen die Reibungsachäden geschützt werden sollen, werden

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tfie g{3gweirfc?.-.;:ct.€i\ BücJbsGn 52 und 50 i;i r-en !,aufritigen d-s-r Lager 40-46 an3.iegencl angeordnet υχά iiiitels eines geeigneten Haftmaterials 203 und 210 jeweils an den inneren Umfangslrröiß der iitanhUlee 36 und den äußeren Umfangskreis ier TiiiHKtülse 32 an/: obraoht * Auf t-iea.e. ^Js is e. ähnlieh wie frei den IjSTeItS im Siisainmcnh-'ing mit den J.^si.£*aren 2 und 5 i3(3focl:<riobe:aeri; mit Zapfen b.esteokteji AnsatäBtüeken, "bil-. cHm'dl*; Segmente die c?ins?.ge Kstall an j-etaJ.l-Zwischenflä- j

Wie äug Fi^. 11 ?~m "besten zu ergehen itst, ist die Buchs3 in die Abschnitte 220_f 22?, 2?Λ und :>26 und die Büchse -50 in cJe j\bschj.iitte 230* 2;>2_f 234 tino. 236 v-nte:-:te:;.].t» S^sats-] ieK 7ii äex- psriphsi'-ii SG^rißi-tierung ur Büclise 2.113/ VVa*-- rir;-.er«mg clt;:e ?ιρ?χηιι:·Λ>ΐ im KleLaniaterial ao^;ie in den Ss.^- Πϋ:Γι·'.«Γ-. i?t s:".:■!·.: ε^-iaj ^, S"^ioentisarang cziilan^ der lehse 54 auKi Y er!; lab en uer öe^iicntc erforderlir:!;..

in 0<v Vällen. \;o elii «τβϋ.οηΐϊ¹ .wisch.e:a &1.0J. !iitaMsa aus siri^f--;m der oeltsnen mc.clüii-:?n i':at^riHli'>n :;i^ -suni "Beiüpial ^ri'it.-äi Iiff/g ?εΐ·;1ϋ ioitj «ο clyß b^ido Titritoi Ic c-Ir-er so)^- tli^cvidoji Reil);.i:.i/: i'ue^-if:^t ;"t £.in·?, karr, die i.i Pig* 12 ge-* 3s-iirte Konstruktion benutzt v/erder?, '.!:■". <*;.i.ei;c r KDiietiuktion wir;' cir... roibu^Einiridornd-s Lfg^r t-.us ^!i:a tan 300 kcnseittTi^fr um die ichße 302 z^ir-chan clj ο äußeio vi.vlindritclie Titanv:el* Is ;'O4 υπ«! die .Ui/hu-i·. ü.y.'f.ii-fJj^j'iabe Ί ^; \i·:'.::<-:■': μ 506 an^eord-)i3t. -ΤϊΓη ev-ijü^r K^iiui'.i.icrt;:-. K?.Qh'.-i:-:..':r ■ '.'-CAi ' iri irt-ii--L»-=li3

BAD ORi

sinee geeigneten iflobematerinlsv des ob^i beechriebenen T3^rpa 310 an dis innere Oberfläche 312 der Weile 304 auge« klebt«* Ein aweiter segraentierter Buchsenring 314 wird an den ersten Buchsenring 308 formmäßig angepaßt und daran angrenzend mittels eines geeigneten, mit 316 bezeichneten Haftmaterials an die äußere Oberfläche 318.des äußeren Lauf* ringe 320 des reibimgsminüernden Lagers 300 angeklebt„ In ^ ähnlicher Weis© wird ein dritter seginentierter Büchsenring 322 mittels eines geeigneten Haftmaterials 324 an die innere Oberfläche 326 eier Welle 306 angeklebte Der segmentiert te Büchsenring 330 wird dem Buchs era? ing 322 formraäßig angepaßt und daran angrenzend laittels eines geeigneten Klebenaterials 332 an die innere Oberfläche 334 des inneren lauf™ rii.)^s 336 des Lagers 300 angeklebt. Durch'diese Konstruktion wird eine direkte Bereührimg von Metall an Metall ver— iuxeäen zur Yerhinderang ΐ"οη schädigender· Reibung und Recuktion der Bruchfestigkeit durch Ermüdung irgend eines C^rij. 'flt.M.riteils-, <Jede Art von reibung, die ir.\ dieser Kon-

i. tnLotion aiii tritt _t ex:fol,%t jä'v.lochen den anej.nandeigrensen-· der Bttchsen wie 308 und"314, ':*30 und 32';.?. Diese Mchsen ' fciiid laicht ersetzbar vnc! billig in der Ileretellimg Ter ehe«! init den Kosten für die Titonwellön 304 und 306 und c-ie Titan:ager-Laufringe 320 mal 336.

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BAD OlK&l^wna ' j

Claims

■iiMUTitiiimji υ«·» Ua-TJi-.ιί.jeeBtiJtf*-*»;<*,

1. Einrichtung zum. Yerinindern von Relbtmgsschaden zwischen ineinandergreifenden Bauteilen, welche sin erstes belastetes Bauteil umfaßt mit einer in "bestimmter Weise geformten Oberfläche sowie ein aweites belastetes Bauteil* dessen Oberfläche in der Welse geformt ist, daß μ sie mit der Oberfläche dea ersten Teils zusammenpaßt_s jedoch mit einem dazwischen befindlichen Abstand, der eine Kammer bildet₉ daduroh gekennzeichnet₉ daß eine Anzahl von Buchs ent? egnion tan in der Kammer zwischen den Teilen im Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die -oberfläche jjeiüee der Segmente formiaäßig an die Be~ rührun^sfläche eines der Bauteile angepaßt i3t, und daß zwischen die BuchseneegiBente und die Oberfläche des entsprechenden Bauteils ein elastisches Klebemittel

eingeführt wird, so daß die Büchsensegmente von einem der Teile elastisch gehalten werden, während dae andere Teil auf ihnen ruht, v/odurch Ee ibimgs schaden zwischen diesen Teilen vermieden werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1_fr dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsfläche eines der Teile eine zylindrische öffnung bildet und daß die Oberfläche des dazu passenden anderen Teile zyllnderfiirmig gebildet ist.

3* Einrichtung nach Anspruch 1.,. dadurch iiekennseichnet,, daß das Klebsmaterial einen -ilastizitätsiaiodul zwischen 14.100 und 21.100 kg/cm² aufweist.

4» Einrichtung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß die Teile in der Weise geformt sind, daß sie ein Gelenk bilden und daß durch die tragenden Oberflächen der Büchsensegmente die einzige direkte Metall-an-Metall-Berührung im ganzen Gelenk erfolgt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile aus Titan hergestellt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse vier Segmente umfaßt, wobei jedes einen Bogen von etwas weniger als 90° beschreibt, und daß die Segmente mittels des Klebematerials in der Weise ausgerichtet sind, daß ihr Mittelpunkt mit dem Bereich der niedrigsten Spannung in einer Fluchtlinie liegt.

7. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein reibungsminderndea Lager zwischen den zylindrischen Teilen angeordnet ist, so daß zwischen dem Lager und den Teilen ringförmig« Kammern entstehen, daß jed« dieser Kammern «ine zylinderför»ige segmentlerte Büchse aufnimmt, welche dem inneren biw. dem äuße«

8AD ORKStNAl

ren Laufring foxmio.äßig angepaßt int _y und daß zwischen die sylinösrförmige segmentierte Büchse mid das erste bzw» da.s zweite Teil ein elastisches Klebematerial eingeführt ist* .

S. Verfahren zum Herstellen einer Einrichtung zum Vermindern von Reibungssehäden zwischen ineinandergreifenden Bauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet* daß eine Ansahl von Büchsenelementen in der Weise im Abstand voneinander angeordnet wird» daß eine durchbrochene tragende Obe3?f lache entsteht» die mit der tragenden Oberfläche eines dar Bauteile zusammenpaßt, und daß ein ungehärtetes Klebematerial zwischen den Büchsenelementen und der sngrensenden Oberfläche des anderen Teils aufgebracht und durch .Härten: verfestigt wird, so daß die Büchsenelemente untereinander sowie mit der dazu paE-senden Oberfläche des anderen Strukturteils verklebt sind.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchsenelemente nach dem Härten des Klebematerials in der '»veise maschinell behandelt v/erden, daß die hierdurch entstehende durchbrochene Oberfläche genau mit der tragenden Oberflache eines der Bauteile zusammenpaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile in der "V.'sine angeordnet werden, daß die

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BAD ORIGJNAL JAHKDtBO

ß Oberfläche dee einen Teile mit der aus einer Anzah3. von Bücheenelementen bestehenden durchbrochenen tragenden Oberfläche zusammenpaßt, wobei die Bauteile untereinander mittels des elastischen Klebemateriale abgestützt werden und die Büchsenelemente die einsige direkte Metall~an-Metall-Bertihrung zwischen den Strukturteilen darstellen.

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BAD OFHGJNAt

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