DE4202111A1 - Einrichtung zur verbindung von koaxialen baueilen - Google Patents

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.