DE4202111A1 - Einrichtung zur verbindung von koaxialen baueilen - Google Patents
Einrichtung zur verbindung von koaxialen baueilenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verbindung von
koaxialen Bauteilen unterschiedlicher Wärmeausdehnung,
insbesondere zur Verbindung einer Keramikbuchse oder -hülse
mit einem metallischen Gehäuse oder einer Welle.
Werden Maschinen, in denen Bauteile unterschiedlicher
Wärmeausdehnung miteinander verbunden sind, über einen
größeren Temperaturbereich gefahren, so können sich Probleme
für die Verbindung und für die miteinander verbundenen Teile
ergeben. Hierbei ist vor allem an ein Lockern oder Lösen der
Verbindung oder an eine Überbeanspruchung eines oder beider
Bauteile zu denken. Als besonders heikel sind Verbindungen
zwischen Maschinenteilen aus Metall und Buchsen oder Hülsen
aus Keramik zu betrachten, da deren Wärmeausdehnungs
koeffizienten sehr stark voneinander abweichen und da
Bauteile aus Keramik wegen ihrer hohen Sprödigkeit sehr
bruchempfindlich sind. Eine Verbindung von Bauteilen aus
solch unterschiedlichen Materialien kann daher nur über eine
Einrichtung erfolgen, die den Kontakt zu beiden Verbindungs
partnern über einen größeren Temperaturbereich mit einer die
sich ergebenden Maßdifferenzen ausgleichenden Funktion
aufrechterhält.
Durch die DE-PS 28 45 716 ist eine thermisch hoch
beanspruchbare Verbindung eines aus einem keramischen
Werkstoff und eines aus einem metallischen Werkstoff
bestehenden rotationssymmetrischen Bauteils bekannt, bei dem
ein radial und axial federnd elastisches Verbindungsteil mit
beiden Bauteilen durch Löten verbunden ist. Die Elastizität
des Verbindungsteils soll dabei so bemessen sein, daß die beim
Löten durch Differenzdehnung der Bauteile entstehenden Kräfte
im wesentlichen durch elastische Deformation des Verbindungs
teils aufgenommen werden. Es handelt sich also um eine
unlösbare Verbindung zweier Teile, durch die ein eigen
ständiges neues Bauteil, z. B. ein keramisches Turbinenrad mit
metallischer Welle, entsteht. Problematisch ist die mangelnde
chemische Beständigkeit von Lötverbindungen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine chemisch beständige
Einrichtung zur lösbaren Verbindung von koaxialen Bauteilen
unterschiedlicher Wärmeausdehnung zu schaffen, die einen gegen
ein unbeabsichtigtes Lockern und gegen eine Überbeanspruchung
eines der Verbindungspartner sicheren Einsatz auch bei hohen
Temperaturen ermöglicht.
Eine diese Aufgabe lösende erfindungsgemäße Einrichtung wird
gebildet durch einen zwischen den zu verbindenden Bauteilen
angeordneten dicht verschlossenen Raum, welcher mit einem sich
unter Wärmeeinfluß ausdehnenden Medium gefüllt ist, wobei die
Wände des Raumes bzw. die diese umschließenden Begrenzungen
zum einen von einem der zu verbindenden Bauteile oder einem an
diesem befestigten dritten Bauteil und zum anderen von einer
durch das eingeschlossene Medium in Richtung des anderen
Bauteils zu verformenden Wandung gebildet werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung nutzt ein aus einem anderen
Anwendungsbereich her bekanntes Prinzip in neuer Weise. Dieses
Prinzip ist von den Flüssigkeitskupplungen her bekannt, wie
sie bspw. in der US-PS 40 93 052, der FR-PS 10 92 416 und der
DE-OS 29 49 796 beschrieben werden. Es beruht im wesentlichen
darauf, daß die elastische Wand einer mit einem hydraulischen
Medium gefüllten Arbeitskammer gegen eine Fläche eines mit dem
die Arbeitskammer enthaltenen Teil zu kuppelnden Teils gepreßt
und so eine reibschlüssige Verbindung hergestellt wird. Die
Verbindung wird gelöst, wenn die Druckbelastung der Arbeits
kammer aufgehoben wird. Beim Erfindungsgegenstand bedarf es
dieser Druckaufgabe von außen jedoch nicht. Bei ihm werden
die an der Verbindung teilnehmenden Teile bei der Montage
durch leichtes Pressen zusammengefügt. Das in dem dicht
verschlossenen Raum der Verbindungseinrichtung vorhandene
Medium stellt nun selbsttätig einen Ausgleich her, indem es
die verformbare Wand des Raumes aufgrund seiner eigenen der
jeweiligen Temperatur angepaßten Ausdehnung mehr oder weniger
verformt.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist sowohl für eine
radial als auch für eine axial gerichtete Anpassung an
unterschiedliche Wärmeausdehnungen geeignet. Sie kann
also gleichermaßen für die Anordnung von Buchsen in Gehäusen
wie für die Anbringung von Hülsen auf Wellen verwendet werden.
Die Unteransprüche zeigen verschiedene vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung auf. So
nennen die Ansprüche 2 bis 4 verschiedene Alternativen für
die Befestigung einer Buchse in einem Gehäuse, die Ansprüche 5
und 6 beziehen sich auf Arten der Befestigung einer Hülse auf
einer Welle, während die Ansprüche 7 bis 13 Möglichkeiten
aufzeigen, wie eine Einrichtung der erfindungsgemäßen Art
auch gegen eine Überhitzung wirkungsvoll zu schützen ist.
Dieser Schutz wird dadurch ermöglicht, daß die Ausgleichs-
und Pufferwirkung des Ausdehnungsmediums noch durch eine
überlagerte Maßnahme gesteigert wird. Mit Hilfe der im
Anspruch 14 genannten Ausgestaltung ist es schließlich
möglich, einen den Zustand der Verbindungseinrichtung
anzeigenden Druckmesser, einen Druckgeber o. ä. auf der
Gehäuseaußenseite anzuordnen.
Anhand verschiedener Ausführungsbeispiele wird die Erfindung
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung für
die Befestigung einer Buchse in einem Gehäuse,
in
Fig. 2 eine Variante der Verbindungseinrichtung der
Fig. 1, in
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Hülse zur Befestigung
einer Buchse in einem Gehäuse, in den
Fig. 4 bis 6 Verbindungseinrichtungen, die weitgehend der
Ausführung der Fig. 1 entsprechen, die aber
darüber hinaus mit verschiedenen alternativ
zueinander gestalteten Vorrichtungen zum Schutz
gegen eine Überhitzung ausgestattet sind, und in
Fig. 7 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur
Befestigung einer Hülse auf einer Welle, die
ebenfalls mit einem Überhitzungsschutz versehen
ist.
Die in der Fig. 1 dargestellte Verbindungseinrichtung ist
innerhalb eines metallischen Gehäuses (1), welches Teil einer
nicht dargestellten Maschine ist, angeordnet. Sie besteht aus
einem im Gehäuse (1) vorgesehenen ringförmigen Raum (2), der
durch eine mit dem Gehäuse (1) verschweißte elastische Wand
(3) dicht verschlossen wird. Der Raum (2) ist gefüllt mit
einem sich unter Wärmeeinfluß ausdehnenden Medium.
Die Verbindungseinrichtung dient zur Befestigung einer aus
Keramik bestehenden Buchse (4) im Gehäuse (1). Bei der Montage
wird die Buchse (4) leicht in die sie umschließende Wand (3)
eingepreßt. Durch die nach Inbetriebnahme der Maschine
zunehmende Erwärmung werden das Gehäuse (1) und die Buchse (4)
unterschiedlich stark ausgedehnt. Der sich dadurch zwischen
beiden vergrößernde Abstand wird aber dadurch ausgeglichen,
daß das in dem Raum (2) befindliche Medium sich ebenfalls
aufgrund der Erwärmung ausdehnt und dabei die elastische Wand
(3) in Richtung der Buchse (4) verformt. Somit bleibt der
zwischen der Verbindungseinrichtung und der Buchse (4)
vorhandene Reibschluß auch bei Erwärmung erhalten.
Eine Anpassung an die Materialien der zu verbindenden Partner
und an den in Frage kommenden Temperaturbereich wird durch die
Wahl der Größe des Raumes (2) und des eingeschlossenen
Mediums, vorzugsweise einer Flüssigkeit, ermöglicht.
Der bei der Verbindungseinrichtung der Fig. 2 gewählte
Hohlraum (5) besitzt ein vergleichsweise großes Volumen.
Das Gehäuse (6) ist daher mit Rippen (7) versehen, durch
welche die dehnungselastische Wand (8) zentriert wird. Die
Befestigung der Buchse (9) und die Anpassung der Verbindungs
einrichtung an unterschiedliche Wärmeausdehnungen geschieht
hier in der prinzipiell gleichen Weise wie bei der Ausführung
der Fig. 1.
In der Fig. 3 ist eine Befestigungseinrichtung dargestellt,
die aus einer separaten, in ein nicht dargestelltes Gehäuse
einzupressenden Hülse (10) besteht. Die Hülse (10) besitzt
einen mit einem Ausdehnungsmedium gefüllten Hohlraum (11).
Beide Wände (12, 13) der Hülse (10) sind dehnungselastisch
ausgeführt. Die der zu befestigenden Buchse (14) zugewandte
Wand (12) besitzt dabei etwa ein Drittel bis ein Fünftel der
Stärke der gegenüberliegenden Wand (13).
Die Elastizität der Wand (13) dient dazu, Ausdehnungs
differenzen bei einer Überhitzung der Maschine und der
Verbindungseinrichtung auszugleichen. Zu diesem Zweck ist sie
mit einer zum Gehäuse gerichteten Auswölbung vorgespannt, was
hier durch gestrichelte Linien angedeutet wird.
Die Verbindungseinrichtungen der Fig. 4 bis 6 zeigen drei
alternative Ausführungen des Überhitzungsschutzes mit im
Gehäuse selbst angeordneten Räumen für das Ausdehnungsmedium.
Bei der Ausführung der Fig. 4 übernimmt ein mit einem Polster
aus kompressiblem Medium gefüllter Raum (15) die Aufgabe des
Überhitzungsschutzes. Der Raum (15) kann durch eine oder
mehrere im Gehäuse (16) angeordnete Bohrungen, welche durch
Stopfen (17) verschlossen sind, gebildet werden.
Bei der Ausführung der Fig. 5 wird eine mechanische
Vorspannung des im Raum (18) angeordneten Ausdehnungsmediums
durch einen in einer Bohrung des Gehäuses (19) angeordneten
Kolben (20), der durch eine Feder (21) beaufschlagt ist,
vorgenommen.
Die Alternative der Fig. 6 sieht zum gleichen Zweck einen
vorgespannten, über eine Bohrung (22) mit dem Raum (23)
verbundenen Faltenbalg (24) vor.
In der Fig. 7 ist eine durch axial gerichtete Einspannung auf
einer Welle (25) befestigte Hülse (26) dargestellt. Die
eigentliche Verbindungseinrichtung wird gebildet durch eine
auf der Welle (25) befestigte Spannhülse (27), die auf ihrer
zur Hülse (26) gerichteten Stirnseite einen mit einem
Ausdehnungsmedium gefüllten Ringraum (28) besitzt, welcher
durch eine dehnungselastische Wand (29) dicht verschlossen
wird. Als Gegenlager dient hier eine Spannhülse (30), die
einen ebenfalls mit einem Ausdehnungsmedium gefüllten
vorgespannten Faltenbalg (31) trägt. Der Faltenbalg (31) bzw.
das von ihm eingeschlossene Ausdehnungsmedium ermöglichen eine
über die Ausgleichsfunktion der auf der gegenüberliegenden
Seite der Hülse (26) angeordnete Verbindungseinrichtung (27
bis 29) hinausgehende Anpassung an Ausdehnungsdifferenzen, wie
sie sich insbesondere bei einer Überhitzung ergeben können.
Bei vereinfachter Ausführung der Verbindungseinrichtung genügt
es allerdings, anstelle der einen Faltenbalg (31) tragenden
Spannhülse (30) ein Gegenlager anzuordnen, das durch eine
Spannhülse oder einen Wellenabsatz gebildet werden kann.
Claims (14)
1. Einrichtung zur Verbindung von koaxialen Bauteilen
unterschiedlicher Wärmeausdehnung, insbesondere zur
Verbindung einer Keramikbuchse (4, 9, 14) oder -hülse (26)
mit einem metallischen Gehäuse (1, 6, 16, 19) oder einer
Welle (25), gekennzeichnet durch einen zwischen den zu
verbindenden Bauteilen (1, 4, 6, 9, 25, 26) angeordneten
dicht verschlossenen Raum (2, 5, 11, 28), welcher mit
einem sich unter Wärmeeinfluß ausdehnenden Medium gefüllt
ist, wobei die Wände des Raumes bzw. die diese
umschließenden Begrenzungen zum einen von einem der zu
verbindenden Bauteile (1, 6, 19) oder einem an diesem
befestigten dritten Bauteil (10, 27) und zum anderen von
einer durch das eingeschlossene Medium in Richtung des
anderen Bauteils (4, 9, 14, 26) zu verformenden Wandung
(3, 8, 12, 29) gebildet werden.
2. Einrichtung zur Befestigung einer Buchse in einem Gehäuse
nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen innerhalb des
Gehäuses gebildeten Ringraum (2, 7, 11, 18, 23), der durch
eine zur Anlage an die Buchse zu bringende dehnungs
elastische Wand (3, 12) dicht verschlossen ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine
oder mehrere innerhalb des Ringraumes (5) angeordnete
rundum verlaufende, die dehnungselastische Wand (8)
zentrierende Rippen (7).
4. Einrichtung zur Befestigung einer Buchse in einem Gehäuse
nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in eine Bohrung
des Gehäuses einzupressende Hülse (10), die einen mit
einem Medium gefüllten Hohlraum (11) in sich birgt,
welcher buchsenseitig durch eine dehnungselastische Wand
(12) begrenzt wird.
5. Einrichtung zur Befestigung einer Hülse auf einer Welle
nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein auf der Welle
(25) zu befestigendes ringförmiges Bauteil (27), das auf
der der Hülse (26) zugewandten Seite einen Ringraum (28)
besitzt, der von einer die Hülse axial in Richtung eines
Gegenlagers (30, 31) beaufschlagenden dehnungselastischen
Wand (29) verschlossen wird.
6. Einrichtung zur Befestigung einer Hülse auf einer Welle
nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein auf der Welle zu
befestigendes Bauteil, das auf der der Hülse zugewandten
Seite einen mit einem Ausdehnungsmedium gefüllten
Faltenbalg mit kreisringförmiger Grundfläche trägt, dessen
Stirnseite die Hülse axial in Richtung eines Gegenlagers
beaufschlagt.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
auf das sich unter Wärmeeinfluß ausdehnende Medium eine
Vorspannung ausgeübt wird.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine
oder mehrere in dem den Raum (18, 23) aufnehmenden Gehäuse
angeordnete Bohrungen, in welchen ein in seiner Ausdehnung
veränderliches, einen Druck auf das Medium des Raumes
ausübendes Mittel angeordnet ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Mittel ein kompressibles Medium ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Mittel eine auf einen Kolben (20) wirkende Feder (21)
ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen
mit dem Raum (23) in Verbindung stehenden vorgespannten
Faltenbalg (24), wobei der Raum (23), der Faltenbalg (24)
und deren Verbindung (22) mit demselben Medium gefüllt
sind.
12. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die zum Gehäuse gerichtete Wand der
Hülse (10) dehnungselastisch ausgeführt und durch eine
Auswölbung vorgespannt ist, wobei die Stärke der zum
Gehäuse gerichteten Wand (13) größer ist als die Stärke
der zur Hülse (14) gerichteten Wand (12).
13. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gegenlager der Hülse (26) durch
einen mit einem Ausdehnungsmedium gefüllten Faltenbalg
(31) mit kreisringförmiger Grundfläche gebildet wird.
14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine von der Kammer zur Außenseite des die Einrichtung
umschließenden Gehäuses führende Leitung vorgesehen ist.
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