DE69118136T2

DE69118136T2 - Verbindung mit Kompensation der Wärmedehnung

Info

Publication number: DE69118136T2
Application number: DE69118136T
Authority: DE
Inventors: Douglas Fairfield Davis; Ernest Grossenbacher; Thomas Anthony Kowalczyk
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-12-17
Filing date: 1991-12-02
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2011-12-03
Also published as: DE69118136D1; CA2056536A1; US5138903A; EP0491485B1; EP0491485A1; JPH04331631A; KR920012783A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf temperaturkompensierende Strukturen zur Aufrechterhaltung der entsprechenden Befestigungsstellungen von Komponenten trotz Temperaturänderungen und um Beanspruchungen an den Befestigungspunkten aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zu minimieren.

Hintergrund der Erfindung

Die Befestigung von Komponenten an Halterungsstrukturen in Betriebsumgebungen mit breiten Temperaturänderungen erfordert eine sorgfältige ingenieurstechnische Konstruktion, wenn Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten involviert sind. Unterschiedliches thermisches Wachstum der Komponente und der Halterungsstruktur kann signifikante mechanische Beanspruchungen an ihren Befestigungspunkten und schließlich einen Dauerbruch hervorrufen, wenn die Teile häufige thermische Schwankungen durchlaufen. Eine andere wichtige Konstruktionsüberlegung in vielen Anwendungen ist die Beibehaltung der befestigten Komponente in einer festen Position relativ zu der Halterungsstruktur trotz der weiten Temperaturände rungen.
Eine Anwendung, wo sowohl Dauerbruch als auch Positionierungsüberlegungen von kritischer Bedeutung sind, ist die Befestigung von Transmissions-Betriebskomponenten an dem Transmissionsgehäuse. Transmissionen, wie beispielsweise hydromechanische Lenkungstransmissionen in militärischen Fahrzeugen, beispielsweise Panzern, sind Temperaturschwankungen über einem weiten Bereich ausgesetzt. Vom Kaltstart bei Temperaturen unter Null kann sich eine Panzertransmission auf mehrere hundert Grad Celsius bzw. Fahrenheit im Betrieb aufheizen. Die Betriebskomponenten der Transmission sind üblicherweise aus Stahl hergestellt, während das Befestigungsgehäuse üblicherweise aus Aluminium hergestellt ist, um Gewicht zu sparen. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Aluminium haben ein unterschiedliches thermisches Wachstum an den gemeinsamen Befestigungspunkten zwischen der Komponente und dem Gehäuse zur Folge. Bei wiederholten thermischen Schwankungen können die Beanspruchungen, die an diesen Befestigungspunkten erzeugt werden, zu einem Dauerbruch von einem der Teile führen, meistens dem Aluminiumgehäuse. Weiterhin kann dieses unterschiedliche thermische Wachstum die kritische Ausrichtung zwischen den Betriebskomponenten der Transmission verändern, wodurch eine übermäßige Lager- und Zahnradabnutzung und andere nachteilige Konsequenzen verursacht werden.
FR-A-2315056 zeigt eine Befestigungsanordnung für eine Maschine mit einer horizontalen Achse. In dieser Anordnung sind eine Anzahl von parallelen Hebeln zwischen der Maschine und dem Fundament verbunden, auf dem sie befestigt ist. Die Hebel sind in einer axialen Ebene oder einer Ebene parallel dazu angebracht und sind entweder schwenkbar oder flexibel, so daß eine thermische Expansion der Maschine in einer radialen Richtung durch eine axiale Bewegung der Maschine aufgenommen wird, um so Beanspruchungen zu vermeiden, die sich zwischen der Maschine und ihrem Fundament entwickeln.
Eine derartige Anordnung ist jedoch ungeeignet für eine Anwendung, wo die axiale Bewegung, die zum Kompensieren von Unterschieden in der Expansion zwischen der Maschine und ihrem Fundament verwendet wird, nicht akzeptabel oder nicht wünschenswert ist, wie beispielsweise im Fall einer Transmission.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung versucht eine temperaturkompensierende Befestigung zum Befestigen einer Komponente an einer Halterung zu schaffen.
Die Erfindung versucht ferner eine Temperaturkompensationsbefestigung der oben genannten Art zu schaffen, die unterschiedliches thermisches Wachstum der Komponente und der Halterung aufnimmt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Temperaturkompensationsanordnung geschaffen, enthaltend eine Kombination von einer Komponente, einer Halterung und einer Temperaturkompensationsbefestigung zum festen Anbringen der Komponente an der Halterung, wobei die Komponente und die Halterung unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei die Befestigung in Kombination enthält:
A. einen Träger, der in der Längsrichtung gekrümmt ist und eine im allgemeinen konkave Seite, die auf die Komponente gerichtet ist, und eine im allgemeinen konvexe Seite aufweist, die von der Komponente weggerichtet ist;
B. ein erstes Ansatzstück, das an einem ersten Ende des Trägers vorgesehen ist, zum Befestigen der Komponente an einem ersten Befestigungspunkt;
C. ein zweites Ansatzstück, das an einem zweiten Ende des Trägers vorgesehen ist, zum Befestigen der Komponente an einem zweiten Befestigungspunkt; und
D. ein drittes Ansatzstück, das von der im allgemeinen konvexen Seite des Trägers an einer Stelle zwischen den ersten und zweiten Ansatzstücken seitlich verläuft, zum Befestigen an der Halterung an einem dritten Befestigungspunkt;
E. wobei die Befestigung aus einem Material ist, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Komponente hat, wodurch bei steigenden Temperaturen die thermische Ausdehnung der Komponente und des Trägers den Träger auf Druck belastet, wodurch eine Biegung in einer Richtung herbeigeführt wird, um eine Bewegung des dritten Befestigungspunktes an dem dritten Ansatzstück zu erzeugen, wobei die Abmessungen und die Geometrie der Befestigung und ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient relativ zu den Komponenten- und Halterungsmaterialien so sind, daß der dritte Befestigungspunkt auf dem dritten Ansatzstück der Bewegung des dritten Befestigungspunktes an der Halterung folgt, die durch die thermische Expansion der Halterung erzeugt ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten als Beispiel anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine teilweise weggeschnittene Endansicht von einer bekannten Lösung zum Befestigen einer Transmissionskomponente an einem Transmissionsgehäuse ist;
Figur 2 eine teilweise weggeschnittene Endansicht von temperaturkompensierenden Befestigungen ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert sind, zum Befestigen einer Transmissionskomponente an einem Transmissionsgehäuse; und
Figur 3 eine vergrößerte Endansicht von einer der temperaturkompensierenden Befestigungen gemäß Figur 2 ist.
Entsprechende Bezugszahlen beziehen sich in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen auf gleiche Teile.

Detaillierte Beschreibung

Die Montage von Betriebskomponenten von einer Transmission hat üblicherweise die Befestigung der Komponenten direkt an dem Transmissionsgehäuse erfordert. Somit hat, wie aus Figur 1 ersichtlich ist, die bekannte Lösung darin bestanden, eine Betriebskomponente 10, wie beispielsweise eine hydrostatische Antriebseinheit von einer hydromechanischen Lenktransmission, mit gegenüberliegenden seitlich verlaufenden Ohren oder Ansatzstücken 12 zu schaffen, die auf plattformartigen Befestigungeflächen 14 von Rippen 16 ruhen, die einstückig mit einem Transmissionsgehäuse 18 ausgebildet sind. Die Anordnung ist unter Verwendung von Bolzen 20 befestigt. Leider sind die Komponente 10 und das Gehäuse 18 üblicherweise aus unähnlichen Metallen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet. Um Gewicht zu sparen, ist das Transmissionsgehäuse aus Aluminium, während die Betriebskomponente üblicherweise aus Stahl ist. Aluminium hat einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Stahl. Infolgedessen versuchen sich unter den sich stark ändernden Temperaturbedingungen, die im Betrieb auftreten, die gemeinsamen Befestigungspunkte 22 der Komponente und des Gehäuses unterschiedlich zu bewegen, wenn diese Teile thermisch wachsen und schrumpfen. Die relativen Bewegungen der Komponente und der Befestigungspunkte des Gehäuses werden offensichtlich durch Bolzen 20 eingeschränkt, und somit werden an diesen Befestigungen Beanspruchungen erzeugt. Bei wiederholten thermischen Schwankungen entwickeln Scherkräfte parallel zu den Plattformflächen 14 Risse in den Rippen 16, die die versenkten Bolzenlöcher umgeben, was schließlich zu einem Dauerbruch des weicheren Aluminium-Gehäusematerials führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist die Betriebskomponente 10 an dem Transmissionsgehäuse 18 durch zwei dazwischen angeordnete, temperaturkompensierende Befestigungen angebracht, die allgemein bei 24 angegeben sind. Die Komponente ist in der Weise neu gestaltet, daß in Figur 1 sichtliche Ansatzstücke 12 beseitigt sind, um Befestigungen 24 in flankierender Relation aufzunehmen. Jede Befestigung enthält einen nach außen gekrümmten oder gewölbten (relativ zur Komponente) Halterungsträger 26, der an seinen Enden in oberen und unteren Ansatzstücken 28 bzw. 30 endet. Diese Ansatzstücke sind an der Komponente 10 durch Bolzen 32 befestigt, um Paare von oberen 34 und unteren 36 Befestigungspunkten auszubilden. An einer mittleren Stellung zwischen den Ansatzstücken 28 und 30 verläuft ein Ohr oder Ansatzstück 38 seitlich nach außen von der konvexen Seite von jedem Halterungsträger 26. Diese Ansatzstücke ruhen auf Plattform-Befestigungsflächen 14 und sind durch Bolzen 20 an Rippen 16 festgeklemmt, um gemeinsame Befestigungspunkte 22 zu bilden. Die Befestigungen sind aus einem Metall gebildet, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Stahlkomponente 10 hat.
Um die temperaturkompensierende Wirkung der Befe stigungen 24 zu beschreiben, wird auf die vergrößerte Ansicht von einer der Befestigungen Bezug genommen, die in Figur 3 zu sehen ist. Wenn die Transmission nicht in Betrieb ist und die Komponente und das Gehäuse auf der Umgebungstemperatur sind, sind die einzigen Beanspruchungen auf die Befestigungspunkte 22, 34 und 36 diejenigen, die durch das Komponentengewicht ausgeübt werden. Die Belastung auf die Rippen 16 sind Druckkräfte senkrecht zu den Plattformflächen 14, denen das Aluminium einfach widerstehen kann. Wenn die Komponente, das Gehäuse und die Befestigung während des Transmissionsbetriebs aufgeheizt werden, wächst der Halterungsträger 26 mit einer schnelleren Geschwindigkeit als die Transmissionskomponente. Infolgedessen belastet die Komponente 10 den Halterungsträger auf Druck, wodurch dieser sich nach außen biegt, wie es durch gestrichelte Linien 26a angegeben ist. Dieser Vorgang erzeugt eine Bewegung des Befestigungspunktes 22 des Ansatzstückes 38 nach außen. Der Befestigungspunkt 22 der Gehäuserippe 16 bewegt sich ebenfalls nach außen, wenn das Gehäuse 18 ein thermisches Wachstum erfährt. Durch Strukturieren der Befestigungen 24 mit entsprechenden Abmessungen und Geometrie und einem Material mit der richtigen Relation des thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit den Komponenten- und Gehäusematerialien wird dafür gesorgt, daß sich während thermischer Schwankungen dieser Teile die Befestigungspunkte der Ansatzstücke 38 und der Gehäuserippen 16 mit der glei chen Rate bzw. Geschwindigkeit bewegen, d.h. einander folgen. Da keine Kräfte vorhanden sind, die eine relative Bewegung zwischen den Befestigungsansätzen und den Gehäuserippen an den Plattformflächen 14 zu erzeugen versuchen, sind seitliche Scherbeanspruchungen an den gemeinsamen Be festigungspunkten 22 effektiv eliminiert. Ein Dauerbruch des Transmissionsgehäuses aufgrund von Temperaturänderungen ist somit vermieden. Aufgrund der konstruktionsmäßig vorgesehenen Krümmung der Halterungsträger 26 sind die Richtung und der Grad der Biegung vorherbestimmt und steuerbar. Es wird deutlich, daß die Biegung der Träger wirksam ist bei der Vermeidung übermäßiger Scherbeanspruchungen an den Befestigungspunkten 34 und 36 zwischen der Komponente und den Befestigungen.
Da die Aktionen der Befestigungen auf jeder Seite der Komponente dupliziert sind, wird die stellungsmäßige Relation zwischen der Komponente und dem Gehäuse während der thermischen Beanspruchung nicht gestört. Eine Duplizierung der Befestigungsreaktion auf Temperaturänderungen wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2 und 3 sichergestellt, in denen Befestigungspunkte 22 mit einer horizontalen Mittellinie 40 der Komponente 10 ausgerichtet sind und wo Befestigungspunkte 34 und 36 vertikal ausgerichtet und äquidistant oberhalb und unterhalb der Mittellinie 40 angeordnet sind. Weiterhin ist, wenn die Befestigungen installiert sind, der Krümmungsradius 42 der Träger 26 auf der Achse 44 der Komponente 10 zentriert. Da andere Betriebskomponenten der Transmission ebenfalls durch das Gehäuse 18 befestigt sind, ist für deren Ausrichtungen mit der Komponente 10 vorgesorgt.
Es ist klar, daß die Träger 26 einen ausreichenden Querschnitt haben, um für stabile Halterungsteile zu sorgen, und somit ist die Befestigung der Komponente an dem Gehäuse bei allen Temperaturen ihrer Art nach stabil und fest. Somit tritt eine Biegung der Träger nur bei Temperaturänderungen auf und nicht als Antwort auf Schwingungen oder mechanischen Stoß, die im Betrieb der Transmission auftreten. Es sei darauf hingewiesen, daß die Befestigungspunkte 22, 34 und 36 hier der Zweckmäßigkeit halber benutzt sind bei der Beschreibung der Reaktionen der Teile auf Temperaturänderungen. Diese Befestigungspunkte entsprechen Punkten, die an den geometrischen Mittelpunkten der Flächen eines Berührungskontaktes zwischen den Ansatzstücken und der Komponente und dem Gehäuse angeordnet sind.

Claims

1. Temperaturkompensationsanordnung enthaltend eine Kombination von einer Komponente (10), einer Halterung (18) und einer Temperaturkompensationsbefestigung zum festen Anbringen der Komponente (10) an der Halterung (18), wobei die Komponente (10) und die Halterung (18) unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei die Befestigung in Kombination enthält:

A. einen Träger (26), der in der Längsrichtung gekrümmt ist und eine im allgemeinen konkave Seite (27), die auf die Komponente (10) gerichtet ist, und eine im allgemeinen konvexe Seite (29) aufweist, die von der Komponente (10) weggerichtet ist,

B. ein erstes Ansatzstück (28), das an einem ersten Ende des Trägers (26) vorgesehen ist, zum Befestigen der Komponenten (10) an einem ersten Befestigungspunkt (34),

C. ein zweites Ansatzstück (30), das an einem zweiten Ende des Trägers (26) vorgesehen ist, zum Befestigen der Komponente (10) an einem zweiten Befestigungspunkt (36), und

D. ein drittes Ansatzstück (38), das von der im allgemeinen konvexen Seite des Trägers (26) an einer Stelle zwischen den ersten und zweiten Ansatzstücken (28, 30) seitlich verläuft, zum Befestigen an der Halterung (18) an einem dritten Befestigungspunkt (22),

E. wobei die Befestigung aus einem Material ist, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Komponente (10) hat, wodurch bei steigenden Temperaturen die thermische Ausdehnung der Komponente (10) und des Trägers (26) den Träger auf Druck belastet, wodurch eine Biegung in einer Richtung herbeigeführt wird, um eine Bewegung des dritten Befestigungspunktes (22) an dem dritten Ansatzstück (38) zu erzeugen, wobei die Abmessungen und die Geometrie der Befestigung und ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient relativ zu den Komponentenund Halterungsmaterialien so sind, daß der dritte Befestigungspunkt auf dem dritten Ansatzstück der Bewegung des dritten Befestigungspunktes (22) an der Halterung (18) folgt, die durch die thermische Expansion der Halterung (18) erzeugt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die ersten, zweiten und dritten Ansatzstücke (28, 30, 38) einstückig mit dem Träger (26) ausgebildet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der dritte Befestigungspunkt (22) in gleichen Abständen von den ersten und zweiten Befestigungspunkten (28, 30) angeordnet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwei Befestigungen an der Komponente (10) und der Halterung (18) in entgegengesetzter Relation auf gegenüberliegenden Seiten der Komponente (10) befestigt sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ferner eine zweite Temperaturkompensationsbefestigung (24) vorgesehen ist, die auf einer gegenüberliegenden Seite der Komponente (10) zu der ersten Befestigung (24) angeordnet ist, wobei die zweite Befestigung (24) in Kombination enthält:

A. einen Träger (26), der in der Längsrichtung dauerhaft gekrümmt ist und eine im allgemeinen konkave Seite (27), die auf die Komponente (10) gerichtet ist, und eine konvexe Seite (29) hat,

B. ein erstes Ansatzstück (28), das an einem ersten Ende des Trägers (26) vorgesehen und an der Komponente an einem ersten Befestigungspunkt (34) befestigt ist,

C. ein zweites Ansatzstück (30), das an einem zweiten Ende des Trägers (26) vorgesehen und an der Komponente (10) an einem zweiten Befestigungspunkt (36) befestigt ist, und

D. ein drittes Ansatzstück (38), das von der konvexen Seite (24) des Trägers (26) seitlich verläuft und an der Halterung an einem dritten Befestigungspunkt (22) befestigt ist,

E. wobei die Befestigung aus einem Material ist, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Komponente (10) hat, wodurch eine thermische Expansion der Komponente (10) und der Träger (26) bei steigenden Temperaturen die Träger (26) auf Druck belastet, wodurch Biegungen der Träger (26) in Richtungen von der Komponente (10) weg hervorgerufen werden, um Bewegungen der dritten Befestigungspunkte (22) an den dritten Ansatzstücken (38) zu erzeugen, wobei die Abmessungen und die Geometrie der Befestigung und ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient relativ zu den Komponenten- und Halterungsmaterialien so sind, daß die dritten Befestigungspunkte auf den dritten Ansatzstücken (38) den Bewegungen der dritten Befestigungspunkte (22) an der Halterung (18) folgen, die durch thermische Expansion der Halterung (18) erzeugt sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei die dritten Befestigungspunkte (22) an den dritten Ansatzstücken (38) von jeder Befestigung mit einer horizontalen Mittellinie (40) der Komponente (10) im wesentlichen ausgerichtet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei die ersten und zweiten Befestigungspunkte (34, 38) an den ersten bzw. zweiten Ansatzstücken (28, 30) von jeder Befestigung im wesentlichen vertikal ausgerichtet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei die ersten und zweiten Befestigungspunkte (36, 38) in gleichen Abständen oberhalb und unterhalb der horizontalen Mittellinie (40) angeordnet sind.

9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei die Träger (26) entlang einer Kurve mit einem Krümmungsradius gekrümmt sind, der an einer Achse (44) der Komponente (10) im wesentlichen zentriert ist.

10. Anordnung nach einem der vorstehenden An sprüche, wobei die Komponente eine Transmission oder eine als Transmission arbeitende Komponente ist und die Halterung ein Transmissionsgehäuse ist.