DE19638079A1 - Verbundrohr als Walzenrohr - Google Patents

Description

Stand der Technik

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.

Aufgabe

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.

Lösung der Aufgabe

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.

Lösung der Aufgabe

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.