DE4017424A1 - Cylindrical seat between metallic and ceramic IC engine components - has metal seat profile with circumferential conical notches to give elastic spring behaviour - Google Patents
Cylindrical seat between metallic and ceramic IC engine components - has metal seat profile with circumferential conical notches to give elastic spring behaviourInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Aufrechterhal ten einer Rundpassung zwischen einem Metallteil und einem Keramikteil.The invention relates to a device for maintaining th a round fit between a metal part and a Ceramic part.
Im Maschinenbau, zum Beispiel in Verbrennungsmotoren, Kom pressoren und dgl., werden in letzter Zeit mehr und mehr Keramikteile verwendet. Da Keramik und Metall völlig unter schiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, ergeben sich Probleme überall dort, wo eine kraftschlüssige Rund passung zwischen einem Metallteil und einem Keramikteil hergestellt und aufrechterhalten werden muß. Wenn ein Kera mikteil mit einer Bohrung mit Preßpassung auf einen metal lischen Bolzen aufgeschoben oder eine Keramikbüchse mit Preßpassung in eine Bohrung eines Metallteils eingesetzt wird, kann das Keramikteil bei steigender Betriebstempera tur aufgrund unterschiedlichen Wärmedehnung von Metall und Keramik beschädigt werden (in dem ersten Fall kann es reißen, in dem zweiten Fall unrund oder zerdrückt werden). Solche Keramikteile werden überwiegend an Stellen einge setzt, wo verschleißarme Gleitflächen benötigt werden, an denen die Dichtigkeit zwischen den aufeinander gleitenden Flächen erhalten bleibt. Es ist daher beispielsweise nicht möglich, zum Kompensieren der unterschiedlichen Wärmedeh nung zwischen Keramik und Metall das Metallteil, sei es ein Bolzen oder ein Bohrungsteil, geschlitzt auszuführen, d. h. in axialer Richtung aufzutrennen, weil das nicht nur die Dichtwirkung, sondern auch die an solchen Flächen erforder liche Rundpassung mit zunehmender Temperatur beseitigen und auch die Rundlaufeigenschaften verschlechtern würde. Auf jeden Fall wäre von vornherein keine Druckdichtigkeit vor handen, auf die es bei Verbrennungsmotoren, Kompressoren und dgl. besonders ankommt. Es wäre zwar vorstellbar, die Paßflächen speziell zu kühlen, um die Wärmedehnung zu ver ringern, das wäre aber mit großem Aufwand verbunden und nicht immer durchführbar.In mechanical engineering, for example in internal combustion engines, com Pressors and the like have become more and more lately Ceramic parts used. Because ceramics and metal are completely under have different coefficients of thermal expansion problems wherever there is a frictional round fit between a metal part and a ceramic part must be manufactured and maintained. If a Kera Mikteil with a hole with a press fit on a metal with a bolt or a ceramic sleeve Press fit inserted into a hole in a metal part the ceramic part can with increasing operating temperature due to different thermal expansion of metal and Ceramics can be damaged (in the first case it can tear, in the second case out of round or crushed). Such ceramic parts are mainly used in places starts where low-wear sliding surfaces are needed which the tightness between the sliding on each other Areas are preserved. It is therefore not, for example possible to compensate for the different thermal expansion between the ceramic and the metal, be it a metal part Bolts or a bore part to be slotted, d. H. to separate in the axial direction, because that's not just the Sealing effect, but also required on such surfaces Eliminate circular fit with increasing temperature and the runout properties would also deteriorate. On in any case, there would be no pressure tightness from the outset act on it with internal combustion engines, compressors and the like. It would be conceivable that Cooling mating surfaces especially to ver the thermal expansion wrestle, but that would involve a lot of effort and not always feasible.
Es ist zwar bereits eine Kupplung zum Befestigen einer Nabe aus bruchempfindlichem Werkstoff auf einer Welle mit unter schiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt (DE-AS 16 00 208), dabei läßt sich jedoch keine Druckdichtigkeit der Verbindung erzielen, weil Federfingereinsätze benutzt werden, die an den Außenflächen einer vieleckigen Hülse be festigt sind und zwischen denen Druckmittel hindurchtreten kann. Weiter ist zwar bereits eine thermisch hoch bean spruchbare Verbindung eines aus einem keramischen Werkstoff und eines aus einem metallischen Werkstoff bestehenden ro tationssymmetrischen Bauteils, insbesondere eines mit einem Wellenzapfen versehenen keramischen Turbinenrads und einer metallischen Turbinenwelle, bekannt (DE-PS 28 45 716), zwi schen denen ein radial und axial federnd elastisches Ver bindungsteil vorgesehen ist, das einstückig mit dem metal lischen Bauteil ausgebildet sein kann, die Verbindung zwi schen dem Verbindungsteil und dem keramischen Bauteil wird jedoch durch eine Hochtemperaturlötung hergestellt, also durch eine stoffschlüssige Verbindung, die zwar das Auf rechterhalten von Druckdichtigkeit gestattet, jedoch eine zwischen den beiden Bauteilen vorhandene Rundpassung besei tigt.It is already a coupling for attaching a hub made of break-sensitive material on a shaft with under different coefficient of thermal expansion known (DE-AS 16 00 208), but there is no pressure tightness achieve the connection because spring finger inserts are used be on the outer surfaces of a polygonal sleeve are consolidated and between which pressure medium pass can. Next is already a thermally high bean spellable connection one made of a ceramic material and a ro made of a metallic material tionally symmetrical component, in particular one with a Ceramic turbine wheel provided with a shaft journal and one metallic turbine shaft, known (DE-PS 28 45 716), zwi a radially and axially resilient Ver Binding part is provided, which is integral with the metal Lical component can be formed, the connection between between the connecting part and the ceramic component but made by high temperature soldering, so through a cohesive connection, which is the up maintaining pressure tightness permitted, however existing round fit between the two components does.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Auf rechterhalten einer Rundpassung zwischen einem Metallteil und einem Keramikteil so zu verbessern, daß sich die Rund passung und gleichzeitig die Druckdichtigkeit an den Paß flächen auf einfache Weise aufrechterhalten lassen.The object of the invention is to provide a device for maintain a round fit between a metal part and improve a ceramic part so that the round fit and at the same time the pressure tightness to the passport maintain areas in a simple manner.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art die kreiszylindrische Paßfläche des Metall teils elastisch federnd ausgebildet ist. This object is achieved in that a device in the preamble of claim 1 specified type the circular cylindrical fitting surface of the metal is partially designed to be resilient.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird erreicht, daß mit steigender Temperatur das Keramikteil an seiner Paßflä che nicht wesentlich stärker belastet wird, weil die Paß fläche des Metallteils mit steigender Temperatur elastisch nachgibt, und daß die Rundlaufeigenschaften erhalten blei ben.The inventive device ensures that with increasing temperature the ceramic part at its fitting surface che is not significantly more burdened because the passport surface of the metal part elastic with increasing temperature yields, and that the concentricity properties are preserved ben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Ge genstände der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention form the Ge subjects of the subclaims.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 2 und 3 wird durch die gegen die Achse der kreiszylindrischen Paßfläche des Metallteils geneigten umlaufenden Nuten, die in diese Paßfläche eingearbeitet sind, ein Profil erzielt, daß aus kreiskegeligen Rippen besteht, die mit den Ringflä chen an ihren freien Enden die Paßfläche des Metallteils bilden und bei Temperaturerhöhung elastisch nachgeben, so daß das Keramikteil nicht beschädigt wird.In the embodiment of the invention according to claims 2 and 3 is by the against the axis of the circular cylindrical Mating surface of the metal part inclined circumferential grooves, the are incorporated into this mating surface, achieve a profile, that consists of circular-conical ribs, which with the Ringflä chen at their free ends, the mating surface of the metal part form and give way elastically when the temperature rises, so that the ceramic part is not damaged.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 4 bis 6 haben die Nuten zwischen den Rippen an den Stellen, an denen die Nutflanken innen am Metallteil angeformt sind bzw. außen in der Nähe der Stelle, wo die Rippen mit der Paßfläche des Keramikteils in Berührung kommen, eine abge rundete Ausbildung, die die elastisch federnde Bewegung der Rippen erleichtert bzw. die Rippen an deren freien Enden mit den Ringflächen an der Planfläche des Keramikteils in Anlage hält und im Längsschnitt eine Breite der Ringflächen ergibt, die größer als die Rippendicke ist.In the embodiment of the invention according to claims 4 to 6 have the grooves between the ribs in the places on which the groove flanks are molded on the inside of the metal part or outside near the point where the ribs with the Fit surface of the ceramic part come into contact, one abge rounded training that the resilient movement of the Ribs relieved or the ribs at their free ends with the ring surfaces on the flat surface of the ceramic part in System holds and in longitudinal section a width of the ring surfaces results that is larger than the rib thickness.
Die Verwendung der Einrichtung nach der Erfindung gemäß An spruch 7 ermöglicht, Keramikteile ohne Klebstoff od. dgl. z. B. in Gehäusen aus anderem Werkstoff dauerhaft zu befe stigen.The use of the device according to the invention according to An saying 7 enables ceramic parts without adhesive or the like. e.g. B. befe in housings made of a different material increase.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden un ter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigtEmbodiments of the invention are un below ter described in more detail with reference to the drawing. It shows
Fig. 1 eine Teillängsschnittansicht einer ersten Ausführungsform der Einrich tung nach der Erfindung, Fig. 1 is a partial longitudinal sectional view of a first embodiment of the Einrich processing according to the invention,
Fig. 2 eine Teillängsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Einrich tung nach der Erfindung, und Fig. 2 is a partial longitudinal sectional view of a second embodiment of the device according to the invention, and
Fig. 3 eine vergrößerte Einzelheit der Ein richtung nach Fig. 2. Fig. 3 is an enlarged detail of the A direction of FIG. 2.
Fig. 1 zeigt ein Metallteil 10 in Form eines Bundbolzens, der auf einem Abschnitt 12 ein Keramikteil 20 in Form einer Büchse trägt. Auf das in Fig. 1 rechte Ende des Metallteils 10, das mit nicht dargestelltem Gewinde versehen ist, ist eine Mutter 14 aufgeschraubt, die das Keramikteil 20 an ei nem Bund 16 des Metallteils 10 festspannt. Das Keramikteil 20 hat eine kreiszylindrische Paßfläche 22. Der Abschnitt 12 des Metallteils 10 hat eine kreiszylindrische Paßfläche 18, die sich aus mehreren kreisringförmigen Teilpaßflächen 18, zusammensetzt. Die Teilpaßflächen 18′ sind jeweils an einer Rippe 19 vorgesehen. Die Rippen 19 und zwischen den selben angeordnete Nuten 26 sind Teil einer Einrichtung zum Aufrechterhalten der Rundpassung zwischen dem Metallteil 10 und dem Keramikteil 20. Bei dieser Rundpassung handelt es sich vorzugsweise um eine Preßpassung, wenn auch die Druck dichtigkeit im Bereich der Paßflächen 18 und 22 aufrechtzu erhalten ist. Fig. 1 shows a metal portion 10 in the form of a collar bolt which bears on a portion 12 of a ceramic member 20 in the form of a sleeve. On the right in Fig. 1 end of the metal part 10 , which is provided with a thread, not shown, a nut 14 is screwed, which clamps the ceramic part 20 to a collar 16 of the metal part 10 . The ceramic part 20 has a circular cylindrical fitting surface 22 . The section 12 of the metal part 10 has a circular cylindrical fitting surface 18 , which is composed of a plurality of annular partial fitting surfaces 18 . The partial fitting surfaces 18 'are each provided on a rib 19 . The ribs 19 and grooves 26 arranged between the same are part of a device for maintaining the round fit between the metal part 10 and the ceramic part 20 . This round fit is preferably an interference fit, even if the pressure tightness in the area of the fitting surfaces 18 and 22 is to be maintained.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Einrichtung zum Aufrechterhalten einer Rundpassung zwischen einem Me tallteil und einem Keramikteil. In diesem Fall ist das Me tallteil 110 ein Gehäuse od. dgl. mit einer Bohrung, in wel che das als Büchse ausgebildete Keramikteil 120 eingesetzt ist. In der Bohrung der Büchse 120 ist ein Schieber ange ordnet, auf den es hier nicht weiter ankommt. Fig. 2 shows a further embodiment of the device for maintaining a round fit between a tall tall part and a ceramic part. In this case, the metal part 110 is a housing or the like. With a bore in which the ceramic part 120 designed as a sleeve is inserted. In the bore of the sleeve 120 , a slide is arranged, which is not important here.
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Einzelheit der in Fig. 2 dar gestellten Einrichtung zur Erläuterung der erfindungsgemä ßen Ausbildung der elastisch federnden Paßfläche 118 des Metallteils 110. Die Paßfläche 18 des Metallteils 10 ist auf gleiche Weise ausgebildet, weshalb die Erläuterung von Fig. 3 auch für die Ausführungsform nach Fig. 1 gilt. FIG. 3 shows an enlarged detail of the device shown in FIG. 2 for explaining the design according to the invention of the resilient fitting surface 118 of the metal part 110 . The mating surface 18 of the metal part 10 is designed in the same way, which is why the explanation of FIG. 3 also applies to the embodiment according to FIG. 1.
In die Paßfläche 118 des Metallteils 110, die aus Teilpaß flächen 118′ besteht, ist ein elastisch nachgiebiges Profil eingearbeitet. Dieses Profil ist durch mehrere umlaufende, im wesentlichen kreiskegelige, in axialem Abstand nebenein ander in die Paßfläche 118 eingearbeitete Nuten 126 gebil det. Die Nuten 126 haben an ihrem Grund im Längsschnitt je weils einen ersten Radius R1. Jede Nut 126 hat aufgrund der Neigung ihres Querschnitts gegen die Längsachse der kreis zylindrischen Paßfläche 118 jeweils eine kürzere Flanke 119a und eine längere Flanke 119b. Die kürzere Flanke der einen Nut ist gleich der längeren Flanke der benachbarten Nut, was Fig. 3 ohne weiteres erkennen läßt. Die kürzere Flanke 119a jeder Nut 126 ist auf der Nutinnenseite am freien Flankenende jeweils unter einem zweiten, größeren Radius R2 zu der ihr gegenüberliegenden längeren Nutflanke 119b hin gekrümmt. Die Nutflanken 119a, 119b bilden die Rippen 119, über die das Metallteil 110 das Keramikteil 120 trägt. Aufgrund des Radius R2 ist die axiale Breite jeder Teilpaßfläche 118′ größer als die Dicke jeder Rippe. Die Nuten 126 haben im Längsschnitt jeweils eine Breite, die das Zweifache des Radius R1 ist. Der Radius R2 beträgt etwa das 2,5-fache des Radius R1.In the mating surface 118 of the metal part 110 , which consists of partial pass surfaces 118 ', an elastically resilient profile is incorporated. This profile is gebil det by several circumferential, substantially circular conical, axially spaced next to each other in the mating surface 118 grooves 126 . The grooves 126 each have a first radius R 1 at their base in longitudinal section. Each groove 126 has a shorter flank 119 a and a longer flank 119 b due to the inclination of its cross section against the longitudinal axis of the circular cylindrical fitting surface 118 . The shorter flank of one groove is equal to the longer flank of the adjacent groove, which can be easily seen in FIG. 3. The shorter flank 119 a of each groove 126 is curved on the inside of the groove at the free end of the flank under a second, larger radius R 2 toward the longer flank 119 b opposite it. The groove flanks 119 a, 119 b form the ribs 119 , over which the metal part 110 carries the ceramic part 120 . Due to the radius R 2 , the axial width of each partial mating surface 118 'is greater than the thickness of each rib. In longitudinal section, the grooves 126 each have a width that is twice the radius R 1 . The radius R 2 is approximately 2.5 times the radius R 1 .
Der Neigungswinkel β der Rippen 119 und der Nutflanken 119a, 119b gegen die Achse der zylindrischen Teilplanflä chen 118′ des Metallteils 110 liegt in einem Bereich von 120 Grad bis 145 Grad. Der genaue Wert, der für diesen Winkel gewählt wird, richtet sich nach der zu erwartenden Temperatur und dem verwendeten Metall. Er wird so gewählt, daß die Rippen 19, 119 eine ausreichende elastische Nach giebigkeit haben, die bei Aluminium anders ist als bei Stahl. Wichtig ist, die elastisch federnde Ausbildung der Paßfläche des Metallteils so zu wählen, daß zwischen der Paßfläche des Metallteils und der Paßfläche des Keramik teils eine kraftschlüssige und trotzdem elastische Verbin dung aufrechterhalten wird.The angle of inclination β of the ribs 119 and the groove flanks 119 a, 119 b against the axis of the cylindrical Teilplanflä surfaces 118 'of the metal part 110 is in a range from 120 degrees to 145 degrees. The exact value chosen for this angle depends on the temperature to be expected and the metal used. It is chosen so that the ribs 19 , 119 have a sufficient elastic flexibility, which is different for aluminum than for steel. It is important to choose the resilient design of the mating surface of the metal part so that a non-positive, yet elastic connec tion is maintained between the mating surface of the metal part and the mating surface of the ceramic.
Der das Keramikteil 10 oder 120 tragende Abschnitt des Me tallteils hat aufgrund der umlaufenden Schrägnuten und der zwischen denselben gebildeten Rippen etwa die Form eines in der elektrischen Hochspannungstechnik üblichen Porzellan isolators. Die Rippen sind hier jedoch elastisch nachgiebig ausgebildet, so daß mit zunehmender Betriebstemperatur vom Metallteil aus keine zerstörerischen Kräfte auf das Kera mikteil ausgeübt werden können und die Druckdichtigkeit trotzdem aufrechterhalten wird.The ceramic part 10 or 120 carrying section of the metal part has approximately the shape of a porcelain insulator customary in electrical high-voltage technology due to the circumferential oblique grooves and the ribs formed between them. However, the ribs are designed to be resilient, so that with increasing operating temperature from the metal part no destructive forces can be exerted on the ceramic part and the pressure tightness is nevertheless maintained.
Versuche haben gezeigt, daß bei einer Materialpaarung aus Si-SiC und rostfreiem Stahl die Temperatursteigerung bis zu 450°C betragen kann, ohne daß die Rundlaufeigenschaften in nerhalb der Toleranz beeinträchtigt werden.Experiments have shown that in a material pairing Si-SiC and stainless steel increase the temperature up to Can be 450 ° C without the concentricity in be affected within the tolerance.
Keramik läßt sich aufgrund seiner Härte und Sprödigkeit nicht wie ein Metallteil durch Bohren, Fräsen, Gewinde schneiden usw. bearbeiten. Daher lassen sich beispielsweise Keramikbüchsen nur durch Kleben oder Schrumpfen in einer Bohrung befestigen. Beide Verbindungsmöglichkeiten ergeben aber keine thermisch stabilen Verbindungen. Hier kann nun eine Metallbüchse, die mit der erfindungsgemäßen Einrich tung versehen ist, zwischen der Keramikbüchse und der Boh rung eingesetzt werden. Das ist zweckmäßig, wenn bei einer Anordnung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, in dem Gehäu se (Metallteil 110) selbst die Einrichtung aus Nuten und Rippen nicht eingearbeitet werden kann (z. B. bei Gehäusen aus Grauguß oder Aluminium, die die geringe elastische Fe derungseigenschaften aufweisen).Because of its hardness and brittleness, ceramics cannot be processed like a metal part by drilling, milling, cutting threads, etc. For this reason, for example, ceramic bushings can only be fastened in a hole by gluing or shrinking. Both connection options do not result in thermally stable connections. Here, a metal can, which is provided with the device according to the invention, can be used between the ceramic sleeve and the bore. This is useful if, in an arrangement as shown in Fig. 2, in the hous se (metal part 110 ) even the device made of grooves and ribs can not be incorporated (z. B. with housings made of cast iron or aluminum, the which have low elastic spring properties).
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| DE4017424A DE4017424A1 (en) | 1990-05-30 | 1990-05-30 | Cylindrical seat between metallic and ceramic IC engine components - has metal seat profile with circumferential conical notches to give elastic spring behaviour |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4017424A DE4017424A1 (en) | 1990-05-30 | 1990-05-30 | Cylindrical seat between metallic and ceramic IC engine components - has metal seat profile with circumferential conical notches to give elastic spring behaviour |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4017424A1 true DE4017424A1 (en) | 1991-12-05 |
Family
ID=6407497
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE4017424A Ceased DE4017424A1 (en) | 1990-05-30 | 1990-05-30 | Cylindrical seat between metallic and ceramic IC engine components - has metal seat profile with circumferential conical notches to give elastic spring behaviour |
Country Status (1)
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|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998036922A3 (en) * | 1997-02-24 | 1998-11-26 | Horton Inc | Roller bushing assembly |
| EP1087152A1 (en) * | 1999-09-24 | 2001-03-28 | The Torrington Company | Shaft depressor for a slap yoke in a steering assembly |
| DE10107551A1 (en) * | 2001-02-17 | 2002-09-19 | Conti Temic Microelectronic | Connected component having two workpieces of different coefficients of expansion has one rigid connection and slot recesses in one workpiece for projections on other |
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1990
- 1990-05-30 DE DE4017424A patent/DE4017424A1/en not_active Ceased
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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| DE10107551B4 (en) * | 2001-02-17 | 2006-05-04 | Conti Temic Microelectronic Gmbh | Arrangement of a first workpiece and a second workpiece made of materials having different thermal expansion coefficients |
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