DE4223115A1 - Wellenverbindung zwischen metall und einem gemischmaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Wellenverbindungen zwischen Teilen aus Metall und Teilen aus einem Gemischmaterial, die wirkungsvoll Torsions- und Achslasten zwischen den Metallteilen und den Teilen aus dem Gemischmaterial übertragen können, ohne die Fasern des Gemischmaterials zu brechen oder zu zerstören. Das Gemischmaterial für die Welle oder Teile davon enthält dabei Schichten aus gewickelten Fasern, wie z. B. Glasfasern und Materialien mit hohen Modulen, wie z. B. Kohlenstoff.

Obwohl die meisten Wellen zur Übertragung von Rotationsleistung typischer­ weise aus Metall hergestellt sind, ist es oft erwünscht, Wellen aus Gemischmaterialien herzustellen, damit das Gewicht und die Geräusch­ übertragung verringert werden können. Zum Beispiel ist die Schiffs­ schraubenwelle eines typischen Unterseebootes, welche das Drehmoment auf die Schraube überträgt, typischerweise sowohl groß im Durchmesser (mehr als 45 cm) als auch lang (mehr als 7,50 m). Es ist klar, daß eine solche Welle, wenn sie aus Metall wäre, sehr schwer wäre und eine gute Geräuschübertragung nach außerhalb des Unterseebootes mit sich bringen würde.

Es ist bereits üblich, einen wesentlichen Teil der Wellenlänge aus einem Gemischmaterial herzustellen und für stark beanspruchten Bereiche ausgewähltes, widerstandsfähiges Metall zu verwenden. Beispielsweise werden Schraubenwellen im Verbindungsbereich zwischen Welle und Schraube im allgemeinen aus einem Metall großer Festigkeit hergestellt. Deshalb werden Verbindungen zwischen Wellenteilen aus gemischtem Material und Wellenteilen aus Metall benötigt. Eine derartige Metall- Gemischmaterialverbindung muß so­ wohl die zu erwartenden Axial-, Biege- als auch Torsionskräfte übertragen können.

Die bisher entwickelten und benutzten Verbindungen zeigten verschiedene Schwächen. Beispielsweise wird die Befestigung für die Lastübertragung bei den meisten vorhandenen Verbindungen von dem Gemischmaterial auf das Metall dadurch bewirkt, daß Löcher in die Teile aus dem Gemischmaterial gebohrt und Scherstifte eingesetzt werden. Das bewirkt für das Gemischmaterial in den Berei­ chen der Bohrlöcher eine Schwächung der Festigkeit um einen Faktor 2 oder mehr. Eine andere in Betracht gezogenen Methode ist das Verkleben von Gemischmaterial und Metallwelle, wobei Epoxyd verwendet werden kann. Diese Verbindungsart hat nur eine durch das Verbindungsmittel begrenzte Festigkeit. Außerdem war es bei bisher entwickelten Verbindungen nicht unüblich, sie mit einem größeren Durchmesser als dem der Restwelle herzustellen, und zwar in Hinblick auf die sehr unterschiedlichen Eigenschaften des Gemischmaterials und des Metalls, damit die auftretenden Belastungen aufgenommen werden können. Das kann mit anderen Strukturen interferierende oder Masseprobleme aufwerfen usw. Weiter können die verschiedenen geforderten Materialeigenschaften im Gegensatz zu den Entwurfsbedingungen stehen. Somit ergibt sich eine aus verschiedenen Standpunkten nicht ideale Konstruktion. Zum Beispiel sind solche Verbindungen auch schwieriger als erwünscht montierbar. Es ist auch schwierig, eine Wellenverbindung zu schaffen, die alle erwarteten Lasten übertragen kann und innerhalb vernünftiger Dimensionen bleibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbindung zu schaffen, die die vorstehend diskutierten Nachteile vermeidet.

Die Aufgabe wird durch eine Wellenverbindung gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhalte Weiterbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße Wellenverbindung zwischen Gemischmaterial und Metall vermeidet die vorstehend diskutierten Nachteile und ist besonders wirksam bei der Übertragung von Kräften zwischen den ungleichen Materialien einer solchen Verbindung. Eine derartige Verbindung kann ohne Brechen oder Abscheren der Fasern des Gemischmaterials die Kräfte übertragen. Die Verbindung ist an einen großen Bereich potentieller axialer Lasten anpaßbar, hat den gleichen Durchmesser wie die Welle von der sie einen Teil darstellt, und ist leicht zu mon­ tieren. Die Erlindung betrifft auch ein Verfahren für den Zusammenbau der Wel­ lenverbindung.

Die Verbindung weist am Teil aus dem Gemischmaterial und an dem Metallteil die die Verbindung bestimmenden Elemente auf, die im Preßsitz Axiallasten und Torsionslasten übertragen, und hat mit der Metallwelle zusammenwirkende Positionierungsmittel, die das Teil aus Gemischmaterial innerhalb eines Wellenteils aufnehmen. Diese Mittel üben in erwünschter Weise auch eine radiale Pressung auf den Teil aus Gemischmaterial in der Verbindung auf. Die Mittel bewirken eine für die Lastübertragung günstige Vorspannung.

In einfachster Ausführung ist das Aufnahmemittel eine längliche Metallstange, die in das Gemischmaterial axial eingebettet ist. Das Vorspannmittel ist dann eine auf die Stange aufschraubbare Mutter, die gegen den Metallteil drückt und das Ende des Teils aus Gemischmaterial innerhalb eines weiblichen Gegenstücks der Metallwelle verkeilt.

Das Vorspannmittel dient dazu, die Komponenten aus einer Montageposition in eine Position zu bewegen, in der die Passungen ineinandergreifen. Der Metall­ wellenteil hat einen als weibliches Gegenstück ausgebildeten Hohlraum bzw. eine Aufnahme für das männliche Ende des aus Gemischmaterial bestehenden Teils. Die Verbindung weist vorzugsweise einen Längsstab auf, der innerhalb des Gemischmaterials axial eingebettet ist, wobei der Längsstab und das Metallteil zusammenwirken, um das Teil aus Gemischmaterial zwischen die Metallteile einzuklemmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt beim Montieren einen Schritt zum Einbetten des Teils aus Gemischmaterial innerhalb des Metallteils. Die Montage wird zweckmäßigerweise so durchgeführt, daß ein männliches Ende des Teils aus Gemischmaterial in einen Teil der Metallwelle eingeführt wird, der mit seiner inneren Fläche der äußeren Fläche des Teils aus Gemischmaterial angepaßt ist, und die Übertragung eines Drehmoments zuläßt. Das Aneinanderziehen wird solange fortgesetzt, bis eine gewünschte Vorlast auf der Verbindung liegt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der folgen­ den Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittzeichnung eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels;

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt des bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 entlang der Linien 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines mit der Erfindung ausgestatteten Untersee­ boots;

Fig. 4 eine vergrößerte Teildarstellung des Unterseeboots gemäß Fig. 3, wobei unwesentliche Teile des Unterseeboots weggelassen sind.

Fig. 3 und 4 wurden vorwiegend deswegen aufgenommen, um die Erfindung und die durch sie gelösten Probleme zu verdeutlichen. Ein Unterseeboot 11 hat übli­ cherweise eine Schraube 12 zum Antrieb des Bootes. Eine Welle 13 erstreckt sich zur Übertragung der Drehung von einem geeigneten Getriebe über Lager und Dichtungen zur Schraube. Die Rotationsenergie wird von einem Antrieb erzeugt, der beispielweise aus einer oder mehreren Dampfturbinen besteht. Obwohl die bevorzugte Ausführungsform anhand eines Unterseeboots diskutiert wird, kann die Erfindung auch für andere Fälle Anwendung finden.

Die Länge und der Durchmesser der Welle 13 sind von vielen Faktoren, wie Länge des Unterseebootes, dem gewünschten Vorschub usw. abhängig. Es ist nicht ungewöhnlich, dafür eine Welle von mehr als 46 cm (1,5 feet) Durchmesser und mehr als 1,50 m (5 feet) Länge zu verwenden. Drehmomente von bis zu 3,3 _* 10⁶ Nm (2 _* 10⁷ inch-pounds) und zu übertragende axiale Zug- und Druckkräf­ te von bis zu 2.2 _* 10⁷ N (500 000 pounds) können erwartet werden.

Wie oben ausgeführt, ist es wünschenswert, den Hauptteil der Welle aus einem Gemischmaterial herzustellen, aber an einigen Stellen Metallteile zu verwenden, beispielsweise dort, wo Metallteile, wie die Schraube 12, befestigt sind. Dafür werden Verbindungen zwischen Metall und Gemischmaterial benötigt. Die verschiedenen Eigenschaften von Gemischmaterialien und Metallen, um Drehmoment, Biegekräfte und axiale Kräfte zu übertragen, haben zu vielen verschiedenen Konstruktionen von Verbindungen geführt. Jedoch sind die meisten nur als Kompromiß zwischen den gewünschten Eigenschaften und den durch die Konstruktion bedingten Zwängen anzusehen.

Die vorliegende Erfindung betrifft Wellenverbindungen zwischen Metall und Gemischmaterial, die einen wirklichen technologischen Fortschritt darstellen. Für die Diskussion eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wird auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Ein Ende 14 einer Antriebswelle aus Gemischmaterial für eine Schiffsschraube 12 ist mit einem Metallwellenteil 17 verbunden dargestellt, wobei die axiale Mittellinie der Welle mit 16 bezeichnet ist. Dieser Teil 17 dient als Montagezwischenteil für die metallene Schiffsschraube 12. Da­ mit die Rotationskräfte von der Welle auf die Schraube übertragen werden, sind in herkömmlicher Weise Federn und Nuten an ihrem Umfang angeordnet, von denen zwei Nuten 18 gezeigt sind. Eine konventionelle, beispielsweise aus Titan bestehende Lagerhülse 20 ist vorgesehen, um die Rotation innerhalb einer tra­ genden Struktur zu ermöglichen.

Der Metallteil hat eine konische Aufnahme oder, anders gesagt, einen zum Hauptteil der Welle sich öffnenden konischen Hohlraum am Ende, wobei der Hohlraum das Ende 14 der Welle aus dem Gemischmaterial aufnimmt. Die äußere Fläche des Teils aus Gemischmaterial ist ebenfalls konisch verlaufend ausgebildet und für ein festes Anliegen an der inneren Fläche des Metall­ hohlraums angepaßt. Die äußere Fläche hat den selben konischen Winkel relativ zur Achse 16 wie die innere Fläche.

Die anliegenden Flächen sind so ausgestaltet, daß Drehmomente zwischen dem Teil aus Gemischmaterial und dem Metallteil übertragen werden können. Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, daß alle beiden Oberflächen im Querschnitt 12seitige Polygone sind. Wenn beide Teile im Paßsitz miteinander verbunden sind, wird die eingeleitete Torsion schlupffrei übertragen. Die Anzahl der Seiten des Poly­ gons kann beliebig gewählt werden. Es sind auch andere konventionelle Methoden zur Übertragung von Torsionskräften zwischen dem Teil aus Gemischmaterial und dem Metallteil möglich. Die Passung des männlichen Endes 14 innerhalb des Hohlraums des Teils 17 überträgt auch Druckkräfte zwischen den Teilen.

Die erfindungsgemaße Verbindung weist auch eine in das Gemischmaterial eingebettete Stange 19 auf. Gemäß Fig. 1 hat die Stange 19 einen zylindrischen Hauptteil 21 innerhalb des Endes 14, wobei sich der Teil außerhalb des Gemischmaterials zu einem mit Gewinde versehenen Ende 22 erweitert. Das mit Gewinde versehene Ende 22 erstreckt sich axial durch eine Öffnung 23 in den Metallteil 17. Der zylindrische Teil der Stange ist, wie gezeigt, hohl, um Gewicht zu sparen und ihn elastischer zu machen. Eine Mutter 24 ist auf dem Ende 22 zur Verspannung gegen den Teil 17 befestigt. Sie trägt ein Gewinde an der Außenfläche und eine auf dieses aufgeschraubte Kontermutter sichert die Schiffsschraube 12 auf der Welle und überträgt dadurch Axialkräfte von der Schraube auf die Welle und umgekehrt.

Für die Erfindung ist die Mutter 24 auf der Stange 19 nötig, um den End­ abschnitt des Teils aus Gemischmaterial in dem Hohlraum des Metallteils festzuklemmen. Dabei verläuft der Hauptteil 21 konisch zur Achse. Jedoch ist der Konuswinkel kleiner als der Konuswinkel der Innenseite des Metallteils.

Die Keilwirkung und die anderen Merkmale der Konstruktion erfüllen mehrere Funktionen. Erstens bewirkt die Gesamtheit der zuvor genannten Konusflächen eine satte Anlage. Das verteilt alle zu übertragenden Kräfte auf eine relativ große Oberfläche. Weiter wird das Gemischmaterial zwischen Stange 19 und Teil der Metallteil 17 aufgenommen. Außerdem kann auf die Verbindung die gewünschte Vorspannung durch Anziehen der Muttern bis zum erwünschten Betrag aufge­ bracht werden. Die Mutter 24 und die Stange 19 erstrecken sich entlang der Wel­ lenachse und erzeugen eine axiale Vorspannung. Diese Vorspannung erlaubt die Einwirkung größerer Zugkräfte auf die Verbindung, denn sie muß erst überwun­ den werden, bevor die Verbindung selbst auf Zug beansprucht wird. Das Ausführungsbeispiel erlaubt verschiedene, auswählbare und benutzbare Vorspan­ nungen.

Ein anderer Hauptvorteil der Konstruktion besteht darin, daß auf das Gemischmaterial automatisch Druckkräfte ausgeübt werden. Das Zusammen­ pressen desselben in dem konischen Teil des Metallteils erzeugt die benötigte Kraft. Die Maßnahme sorgt dafür, daß keine Fasern aufgrund von Spannungen auf der Verbindung brechen können. Sie verhindert auch eine Kriechbewegung zwischen Fasern und den einzelnen Schichten im Gemischmaterial.

Die Erfindung erleichtert die Montage einer Verbindung. Das konische Ende des Teils aus Gemischmaterial wird dazu nur mit der Stange 19 durch Loch 23 in den Hohlraum des Metallteils 17 eingesetzt. Die Mutter 24 wird dann auf das Ende 17 geschraubt und die Teile aneinandergezogen. Die zur Anlage bestimmten Flächen werden aneinandergepreßt. Dadurch wird die nötige Passung zur Übertragung von Torsionskräften und axialen Kräften bewirkt und es werden die diskutierten Vorteile erreicht. Durch das Verspannen mit der Stange 19 und der Mutter 24 werden die Teile aus einer Montageposition in einen Preßsitz überführt.

Zweckmäßigerweise wird die Stange 19 mit dem Teil aus Gemischmaterial so ver­ bunden, daß die Stange 19 als Wickeldorn zur Ausformung des Endbereiches dient, indem die Fasern des Materials über diesen gewickelt werden. Der Wickel­ dorn für den übrigen Teil der Welle kann am entgegengesetzten Ende heraus­ gezogen werden. Alternativ kann der Wickeldorn auch in bekannter Weise aus mehreren Stücken zusammengesetzt werden, so daß die Stange 19 eingesetzt werden kann, nachdem der restliche Teil aus Gemischmaterial ausgeformt ist.

Die Vorteile der Erfindung sind auch aus folgendem Beispiel ersichtlich. Bei einer Ausführungsform hat eine Strukturanalyse auf der Basis finiter Elemente ge­ zeigt, daß Torsionskräfte von 3,3 _* 10⁶ Nm (2 _* 10⁷ inch pounds) und Achslasten von 2.2 _* 10⁷ N (500 000 pounds ) mit einem über 2 liegenden Sicherheitsfakter übertragen werden können. Es ist auch möglich, die Erfindung durch eine entsprechende Skalierung an Lasten von fast jeder Größe anzupassen.

Es sind auch andere Ausführungsformen mit einer Vielzahl von Änderungen möglich. Obwohl das Ausführungsbeispiel als Wellenverbindung für die Antriebs­ welle mit der Schiffsschraube eines Unterseeboots beschrieben wurde, kann die Erfindung auch andersweitig verwendet werden, beispielsweise als Verbindung zwischen einer Welle aus Gemischmaterial und einem Getriebe.

Claims (10)

1. Wellenverbindung zwischen Wellenteilen aus Metall und einem Gemischmaterial einer langen Welle, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (14) aus gemischtem Material in ein Metallteil (17) in Preßsitz schlupffrei eingreift und axiale Lasten sowie Torsionskräfte überträgt und daß Mittel zur Erzeugung einer radial gleichmäßigen, auf das Gemisch­ material wirkenden Preßkraft vorgesehen sind.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemischmaterial gewundene Fasern hat und daß die radiale Preßkraft über eine Stange (19) eingeleitet ist.

3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (19) zur Erzeugung der radialen Kraft auch zum Verschieben des Metallteils (17) relativ zum Teil (14) aus Gemischmaterial aus einer Montageposi­ tion in eine Preßsitzposition einsetzbar sind.

4. Verbindung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (22, 24) zur Erzeugung einer Vorspannung.

5. Verbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung axial zu den Wellenteilen einstellbar ist.

6. Verbindung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Teile, das aus Metall oder das aus dem Gemischmaterial, einen konischen Hohlraum zur Aufnahme eines vorstehenden Endes (14) des anderen Teils aufweist und daß das vorstehende Ende (14) zur Erzeugung eines Preßsitzes in den Hohlraum einkeilbar ist.

7. Verbindung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Erzeugung einer radialen Kraft eine Stange (19) aufweist.

8. Verbindung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallteil (17) den Hohlraum aufweist und daß die Stange (19) in den Teil aus dem Gemischmaterial (14) eingebettet ist, der in den Hohlraum ragt.

9. Verbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (14) konisch ausgebildet ist, daß der Hohlraum konisch ausgebildet ist und die äußere Oberfläche des vorstehenden Endes (14) an der inneren Oberfläche des Hohlraums in der für die Verbindung bestimmten Position aneinander liegen.

10. Verbindung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere eingebettete Fläche der Stange (19) auch konisch ist und einen kleineren Konuswinkel als die äußere Fläche des vorstehenden Endes (14) hat.