DE19638079A1 - Verbundrohr als Walzenrohr - Google Patents
Verbundrohr als WalzenrohrInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C13/00—Rolls, drums, discs, or the like; Bearings or mountings therefor
Description
Das Maschinenbauteil Walze ist weit verbreitet und in nahezu allen Ma
schinen eingebaut. Es ist an beiden Seiten gelagert. Ist die Walze an
getrieben, so ist der Antrieb extern angeordnet. Dieser Antrieb besteht
regelmäßig aus Motor, Kupplung und häufig einem Getriebe.
Zusammen mit anderen Funktionsbauteilen muß diese Walze geregelt wer
den. Das trifft zu für die Anlaufphase beim Einschalten der Maschine
und für den Betriebszustand, aber auch für getakteten Betrieb.
In jedem dieser Betriebszustände muß die Walze mit der gesamten Masse
der bewegten Teile des Antriebsstranges beschleunigt, geregelt und ge
bremst werden. Dabei spielt die Masse der Walze eine wesentliche Rolle.
Walzenrohre sind überwiegend aus metallischen Werkstoffen hergestellt.
Das sind Stahl und Aluminium. Für bestimmte Anwendungen werden Chemie
werkstoffe verwendet. Kohlefasern und Glasfasern, in Verbindung mit
Kunstharzen werden zu handelsüblichen Rohren verarbeitet. Aus ihnen
werden Walzen gefertigt.
Für die Wahl des Walzenwerkstoffes und die Dimensionen eines Walzenroh
res sind die von außen einwirkenden Kräfte, das sind Anpresskräfte, Bahn
zug, Funktionskräfte, zu berücksichtigen. In vielen Fällen wird allein
aus unkritischer Selbstverständlichkeit auf Stahl zurückgegriffen, ob
wohl damit Nachteile verbunden sind, die das Preis-Leistungsverhältnis
als Wertgröße über die Gebrauchsdauer negativ beeinflussen.
Betrachtet man eine zu schwere Stahlwalze, dann verlangt das höhere Ei
gengewicht, die größere Masse ein ständiges Mehr an Energie und Regel
aufwand. Häufig anlaufende Maschinen erreichen dann infolge der Massen
trägheit entweder nicht die geforderte Taktzeit oder der Aufwand an Ener
gie wird erhöht.
Aber auch Walzen aus Aluminium und Chemiewerkstoffen sind in vielen Fäl
len zu schwer und für die volle Leistung nicht geeignet. Große Lagerab
stände in Verbindung mit hohem Eigengewicht und hohen Umfangsgeschwin
digkeiten führen in Betriebsbereiche mit Biegeschwingungen und
Resonanzerscheinungen. Restunwuchten verschlechterten die Laufeigenschaf
ten.
Ausgehend von der Tatsache, daß bei geringerem Masse der Anteil der zu er
wartenden Unwucht ebenfalls geringer ist bei gleicher Geometrie zweier
Walzen, so ist zu erwarten, daß auch die Durchbiegung infolge Eigengewicht
geringer sein wird. Insgesamt sind bessere Laufeigenschaften zu erwarten.
Hersteller der Walzen aus Chemiewerkstoffen argumentieren mit eben diesen
Eigenschaften ihrer Leichtlaufwalzen. Das ist korrekt. Beträgt doch das
Eigengewicht ca. 1kg/dm³ weniger als Aluminium. Das Fehlen einer Leicht
baualternative mit noch besserer Eigendämpfung hat unökonomische Folgen.
Das sind reduzierter Einsatz der Chemiewerkstoffe und der Preis. Auch der
Umgang in den Werkstätten mit modernen Chemiewerkstoffen ist mit Zurück
haltung zu charakterisieren. Klassische Maschinenbauverbindungen und die
klassische Materialbearbeitung sind ungeeignet bei Einsatz von CFK. Neue
Methoden der Teileverbindung, der Drehmomentübertragung sind gefragt und
allgemein auch nur in speziellen Fachbereichen Lehrinhalt.
Ein ökologischer Gesichtspunkt ist zu berücksichtigen. Das Herstellen
moderner Chemiefasern; - das sind CFK, Kevlar, Aramid etc. und die wei
tere Verarbeitung beansprucht hohe Energiemengen, ist technisch aufwen
dig. Das Bearbeiten mit normalen Bearbeitungsmaschinen und Werkzeugen sehr
problematisch. Diese Fasern haben ihre eigene Gefährlichkeit. Es darf da
von ausgegangen werden, das die physiologische Wirkung der Faserpartikel
und der Materialstäube dieser Werkstoffe in ihrer Langzeitwirkung noch nicht
hinreichend bekannt ist. Dazu sind sie noch zu kurz im Einsatz.
Eine einfachere Technik und bekannte Werkstoffe ist ein praktikabler Weg,
echte Alternativen zu entwickeln, wenn sie in geeigneter Weise zu einem
Verbund zusammengeführt werden, der ein akzeptables Raumgewicht mit tech
nisch brauchbaren Daten verbindet.
Walzenrohre besitzen für die überwiegende Zahl der Einsatzfälle eine zu gro
ße Masse. Das beeinträchtigt die Regelbarkeit in kurzen Zeitintervallen und
verlangt hohen Aufwand an Energie und Regeltechnik.
Dieser Aufwand ist zu reduzieren mit einem Walzenrohr, das deutlich geringe
re Masse bei vergleichbarer Formstabilität hat.
Aufgrund der Erfahrungen im Fahrzeug- und Flugzeugbau sind Strukturen bekannt,
die als Ausgangspunkt der Überlegungen gelten, eine Verbundkonstruktion mit
den georderten Eigenschaften zu schaffen. Dabei ist eine Grenze exakt zu de
finieren, indem die neue Verbundkonstruktion insgesamt leichter sein muß als
das Vollrohr aus Chemiewerkstoff, einer Konstruktion aus hochfesten Synthese
fasern, mineralischen Fasern, textilen Fasern und Kunstharzen.
Ein Walzenrohr erfüllt mehrere Aufgaben. Jede dieser Aufgaben ist in jedem
Anwendungsfall erneut zu bewerten. Eigengewicht, äußere Lasten, Lagerabstän
de, Oberflächenbeanspruchung, umschlingendes Material und Übertragen von
Drehmomenten sind nur Stichworte für umfangreiche Betrachtungen, Bewertungen
gen und Sachentscheide.
Dieses gesamte Spektrum an Möglichkeiten deckt die Walze aus Stahlwerkstoff
ab. Konstruktiv ist sie gestaltet als volles Stahlrohr oder gegossenes Bau
teil. Mit dem industriellen Einsatz des Aluminiums wurden auch Walzen aus
diesem Material hergestellt. Das reichte noch nicht aus. Mit Chemiewerkstof
fen ging man die Aufgabe erneut an und entwickelte Verbundmaterialien aus Fa
sern und Kunstharzen. Dieser Weg ist der des Einsatzes hochwertiger Ausgangs
werkstoffe.
Im Flugzeug- und Fahrzeugbau, der schon immer besondere Anforderungen an das
Eigengewicht der Bauteile stellte, führten konsequente Entwicklungen zu Pro
dukten, die Raumgewichte unter 1 mit ausgezeichneter Stabilität verbinden.
In diese Richtung gingen die erfindungsgemäßen Überlegungen.
Danach ist ein leichtes formstabiles Walzenrohr, auch unter Last in jedem
Fall eine Verbundkonstruktion. Bohrung und Walzenaußenfläche erfüllen eine
Funktion. Beide Flächen bedürfen deshalb einer geschlossenen Oberfläche. Sie
sind im einfachsten Fall ein Rohr, das dünnwandig sein kann. Zwischen inne
rem und äußerem Rohr ist eine Konstruktion erforderlich, die entsprechend
dem eingangs stichwortartig skizzierten Anwendungsspektrum entsprechen muß.
Diese Konstruktion bringt letztlich auch die Stabilität und Einsparung an
Masse, die gemäß Aufgabenstellung verlangt ist.
Für diese Konstruktion gibt es verschiedene Möglichkeiten, sie auszuführen.
Es sind dies:
- - Einfügen einer metallischen Wabenstruktur
- - Einfügen elastischer Bauteile, die ständig verspannt sind
- - Ausschäumen mit technischen Schäumen (Chemiewerkstoffe).
Mit dieser Gruppierung ist nicht ausgeschlossen, daß Lösungen entstehen, die
sowohl der einen als auch anderen Gruppe zugeordnet werden können.
Bild 1 und Bild 2 zeigen die Wabenstruktur einer Leichtbauplatte. Deckbleche
unter 1mm Dicke und Wabenbleche mit weniger 0,1mm Dicke, miteinander verklebt
schaffen ein schwimmfähiges Bauteil. Die Ziffern 1, 2 u. 3 kennzeichnen das
Deckblech, die Wabenbleche und das Basisblech. Die Bauteile sind miteinander
verklebt.
Bild 3 zeigt schematisch handelsübliche Verbundplatten,bei denen zwischen
zwei Blechen eine Schaumschicht eingebracht ist. Diese Bleche sind je nach
Verwendungszweck verschieden dick und auch profiliert ausgeführt.
Bild 4 skizziert den Grundgedanken der Aufgabenlösung, zwischen zwei konzen
trisch gehaltenen Rohren eine Tragkonstruktion einzufügen. Ziffer 4 kenn
zeichnet das Außenrohr, Ziffer 5 die noch zu definierenden Tragkonstruktio
nen und Ziffer 6 das Innenrohr.
Bild 5 zeigt die gedankliche Weiterentwicklung mit einem weiteren Zwischen
rohr (12) zwischen Innenrohr (4), Zwischenschichtkonstruktion (11) und Außen
rohr (6). Die Lage des Zwischenrohres ist nicht in der rechnerischen Mitte
zwischen Innen- und Außenrohr. Konstruktive Gründe und entsprechende Versuche
bestimmen die Lage des Zwischenrohres.
Als Tragkonstruktion ist nun eine Wabenkonstruktion einfügbar. Dabei sind
die Waben achsparallel verlaufend vorteilhaft einzufügen und zu verarbeiten.
(Bild 6). Entgegen der Leichtbauplattenkonstruktion sind stranggepreßte
Stäbe mit dünner Wand als Sechseck geformt,eingefügt. Diese Stäbe sind den
verschiedenen Hohlräumen anzupassen, die sich aus verschiedenen möglichen An
wendungen ergeben. Außerdem sind sie einsetzbar bei verschiedenen
Durchmessern der Walzen. Die Sechskanthohlstäbe besitzen ein geringes Gewicht
und sind vergleichsweise ebenso stabil wie die Sechskantprofile aus dünnen
Leichtmetallfolien in den Leichtbauplatten. Die Elastizität ermöglicht es,
wegen der radialen Anordnung der Profile diese nach innen zu verformen und
diese anzupassen.
Diese Sechskantkunststoffprofile sind auch radial verformbar und sind um das
Innenrohr herumzuwickeln. Der Wickel wird dann mit dem Außenrohr abgedeckt.
Die axial oder radial eingefügten Sechskant-Hohlprofile sind miteinander ver
klebt. Unter Last stützen sich die Profile gegenseitig und sind belastet als
System. Das erklärt die Steifigkeit dieser Strukturen.
Bild 6 zeigt zwei konzentrische Reihen der Sechskant-Hohlprofile, die wegen
der geringen Wanddicke mit einem Einzelstrich dargestellt sind. Es sind auch
drei oder mehr Reihen dieser Sechskant-Hohlstäbe anzuordnen.
Eine weitere Variante ist das Einschieben verschiedener konzentrischer Ringe
in den Raum zwischen Innenrohr und Außenrohr. Dargestellt ist dies in Bild
7 und Bild B. Sicherheit gegen axiales Verschieben des Innenrohres gegen
das Außenrohr sind die Fixiermöglichkeiten der Bilder 9/10/11. Bei dieses Me
thode des Abstandhaltens ist ein großer Teil des Hohlraumes zwischen Innen
rohr und Außenrohr gewichtslos gehalten. Über die Härte der eingesetzten Rin
ge kann die Tragfähigkeit der Verbindung angepaßt werden.
Anstelle geschlossener Ringe kann in den Zwischenraum unter Berücksichtigung
des axialen Fixierens nach Bildern 9/10/11 auch eine entsprechende Anzahl Ku
geln eingesetzt werden. Diese Kugeln sind Handelsware. Sie reduzieren das
Gewicht für die Zwischenraumkonstruktion noch einmal gegenüber einem geschlos
senen Ring mit entsprechendem kreisrunden Querschnitt. Bild 12.
Es ist auch möglich, den gesamten Hohlraum mit Kugeln auszufüllen. Bild 13.
Vorteilhaft erfolgt das mit Elastomerkugeln
Zum Abrunden der Möglichkeiten sind axial Stäbe eingefügt. Sie erfüllen nur den
erfindungsgemäßen Zweck, wenn sie sehr leicht sind, also evtl. hohl und wenn
am gesamten Umfang nicht vollrollig der Hohlraum ausgefüllt ist. Bild 14.
und Bild 15.
Als eine letzte Möglichkeit ist das Einfügen einer Schnur in den Zwischenraum
zwischen Innenrohr und Außenrohr möglich. Ahnlich einem Gewinde , mit wähl
barer Steigung, wählbarer Härte für das Material kann eine angepaßte Tragfä
higkeit bei reduziertem Gesamtgewicht erzielt werden. Auch das entspricht
einer Lösung der gestellten Aufgabe. Bild 16.
Ähnlich den ebenen Leichtbauplatten kann das Verbundrohr aus Blech mit gerin
ger Dicke geformt werden. Bild 17. Die erforderliche Längsschweißnaht am In
nenmantel und Außenmantel ist in einer Sicke untergebracht. Damit entfällt
das Nacharbeiten der Schweißnaht am Außendurchmesser und in der Bohrung.
Zum Verbessern der Stabilität des Blechmantels innen und außen sind Sicken
eingearbeitet. Sinnvoll gestaltet, sind diese Sicken als formschlüssige Mit
nahme eingebauter und aufgebauter Teile geeignet. Die Form und die Anzahl
dieser Sicken ist wählbar und folgt konstruktiver Entscheidung. Diese Sic
ken engen die vorstehenden Möglichkeiten konstruktiven Gestaltens des Zwi
schenraumes zwischen Innenrohr und Außenrohr erheblich ein. Diese Möglich
keit mit extrem dünnen Blechen und einem ausgeschäumten Hohlraum ist je
doch die Lösung, die die Forderung der Aufgabe vollständig erfüllt. Das
Raumgewicht bewegt sich für diese Lösung unter 1.
Diese Lösung hat auch eine ökologisch sinnvolle Komponente. Beim Ausschäu
men mit Polystyrol ist ein Zusatz von bis zu 40% Recyclingmaterial möglich.
Das ist vernünftig und preiswert.
Claims (14)
1. Verbundrohr, bestehend aus einem Innenrohr und einem Außenrohr,verbun
den durch eine tragende Schicht.
2. Verbundrohr nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß das Materi
al der Schicht auf den Oberflächen des Innenrohres und des Außenroh
res haftet.
3. Verbundrohr nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstel
len der Verbindung Kleber oder schmelzbares Material verwendet ist.
4. Verbundrohr nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß als Schicht
quellendes und/oder schäumendes, aber auch geschäumtes Material ein
gebracht ist.
5. Verbundrohr nach Anspruch (1) und (3), dadurch gekennzeichnet, daß
die Schicht als Wabe ausgeführt ist.
6. Verbundrohr nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß elastisches
Material zwischen Innenrohr und Außenrohr; - elastisch aufgrund seiner
technischen Eigenschaften, eingespannt ist.
7. Verbundrohr nach Anspruch (1), (3), (6), dadurch gekennzeichnet, daß
anstelle der Schicht Stäbe eingesetzt sind.
8. Verbundrohr nach Ansprüchen (1), (2), (4), (5), (6) und (7), dadurch ge
kennzeichnet, daß die gefügten Bauteile mittels Kleber oder schmelzba
rem Material fixiert sind.
9. Verbundrohr nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß als Schicht
ein Profil mit regelmäßiger oder unregelmäßiger Steigung eingebracht
ist.
10. Verbundrohr nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
Innenrohr und Außenrohr Schichten unterschiedlicher Eigenschaften ein
gebaut sind.
11. Verbundrohr nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
Innenrohr und Außenrohr eingebaute Teile radial und axial gespannt sind.
12. Verbundrohr nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß Innenrohr
und Außenrohr profiliert sind; - axial und radial zur Rohrachse.
13. Verbundrohr nach Ansprüchen (1) bis (12), dadurch gekennzeichnet, daß
auch drei oder mehr Rohre zu einem Verbundrohr gefügt sind.
14. Verbundrohr nach Ansprüchen (1) bis (13), dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen Innenrohr und Außenrohr mehrere Zwischenschichten unterschied
licher Eigenschaften eingebracht sind.
Priority Applications (5)
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