FI64442C - Foerfarande foer framstaellning av en foer hoega periferihastigheter laemlig axel eller trumma - Google Patents

Description

(SF7! M {11)kuu»-utusju«.kaisu 64 4 4 o

Ma lJ 'n’ UTLAGG N I N GSSKRI FT O H H H

c (45) :;b ' 11 :733 ^ ^ ^ (51) Ky.lk.^tnt.CI.3 P 16 C 15/00 SUOMI —FINLAND (21) P*U«>tt1h»lc*mii* — PtMnUmSknlng 7Ö2057 (22) H»k*ml»pilv* — An»6knlnftd«f 28.06.78 (23) AtkupUvl — Glltlfhet»d*f 30.0^.69 (41) Tullut julkl*ek»l — Bllvlt offantllg 2Q q6 78

Patentti· ja rekisterihallitus (44) Nih«vik,lpw>on kuuLju.ia^n pvm.-

Patent· och registerstyreleen ' Ansekan utitfd och uti.skrift«n pubiicermd 29.07.83 (32)(33)(31) Pyydetty «tuoilwu* — Begird prlorltet 10.05.68

Saksan Li ittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) P 1750523.6 (71) Maschinenfabrik Augsburg-Nlirriberg Aktiengesellschaft, Katzwanger Strasse 101, 85ΟΟ Nurriberg, Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE ) (72) Friedrich Laussermair, Miinchen, Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) (YU) Oy Koister Ab (5U) Menetelmä suuriin kehänopeuksiin soveltuvan akselin tai rummun valmistamiseksi - Förfarande för framställning av en för höga periferihastigheter lämplig axel eller trumma (62) Jakamalla erotettu hakemuksesta 1203/69 - Avdelad frän ansökan 1283/69 Tämän keksinnön kohteena on menetelmä suuriin kehänopeuk-siin soveltuvan akselin tai rummun valmistamiseksi, joka muodostuu ontosta, kuituvahvisteisesta tekoainelieriöstä, jolla on pieni omi-naiskimmomoduli (jäykkyys) ja samankeskisestä sen sisällä olevasta metallilieriöstä, jolla on suuri ominaiskimmomoduli.

Tällaisia lieriöyhdistelmiä eli roottoreita käytetään laajasti tekniikan kaikilla aloilla. Esim. painovalssin murtolujuuden ja korroosiokestävyyden parantamiseksi on tunnettua ympäröidä sisäpuolinen metallilieriö kuituvahvisteisella, kiedotulla tai lingo-tulla tekoainevaipalla, kuten US-patentista 2,120,875 sekä saksalaisista hyödyllisyysmalleista 1,914,133 ja 1,888,451 ilmenee. Vaikka näissä rummuissa ominaiskimmomoduli (ominaisjäykkyys), t.s. kimmomodulin suhde paksuuteen, yleensä onkin ulompana pienempi kuin sisempänä, eivät ne sovellu esim. nopeasti pyöriviä linkorum- 2 64442 puja varten, koska roottorin muodostavat yksittäiset kerrokset irtoavat toisistaan suuren säteettäisen muodonmuutoksen vaikutuksesta niin, että roottori hajoaa.

US-patenttijulkaisusta 3,363,479 on lisäksi tunnettu menetelmä roottorin valmistamiseksi, jonka vaippa on muodostettu aineesta, johon on sisällytetty kuituosasia. Pyörivän kappaleen ke-hänopeus on siinä suuruudeltaan rajoitettu, koska aine muuttaa esteettömästi muotoaan pyöriessä esiintyvien keskipakovoimien vaikutuksesta .

Roottorin sallittu kehänopeus määräytyy sen rakenteesta ja käytetystä valmistusaineesta. Puhdas rumpuroottori, joka on olennaisesti ohutseinäisen lieriön muodostama, vastaanottaa pyöriessään kaikki keskipakovoimat tangentiaalijännitysten muodostaman järjestelmän muodossa.

Jos nämä tangentiaalijännitykset liian suurella pyörimisnopeudella ylittävät valmistusaineen sallitut jännitykset, muuttuu roottori ensin epätasapainoiseksi valmistusaineen hallitsemattomien plastisten muodonmuutosten takia tai vahingoittuu, kun murto-raja tulee paikallisesti saavutetuksi.

Valmistusaineen sallitun rasitettavuuden lisäksi on myöskin käytetyn aineen tiheydellä merkityksensä suurten kehänopeuksien saavuttamisen kannalta. Valmistusaineet, joilla on korkea venymis-raja mutta pieni tiheys, voivat saavuttaa suurempia kehanopeuksia kuin aineet, joilla on suurempi tiheys. On tunnettua, että kuitu-vahvisteiset tekoaineet (esim. lasikuituvahvisteiset tekoaineet) sallivat rasituksia, jotka ovat verrattavissa teräksiin ja tita-niin. Koska niillä on suunnilleen neljä kertaa pienempi tiheys, voidaan kuitenkin saavuttaa suurempia kehänopeuksia. Kuituvahvis-teista tekoainetta olevilla roottoreilla on kuitenkin huomattavia epäkohtia, jotka tähän asti ovat rajoittaneet niiden käyttöä. Kuituvahvisteisen tekoaineen pienempi kimmomoduli aiheuttaa sen, että tämäntapaiset roottorit ovat hyvin taivutuselastisia ja lisäksi pyöriessään laajentuvat liian voimakkaasti.

On aikaisemmin yritetty aikaansaada roottoreita suuria kehänopeuksia varten. US-patenttijulkaisusta 3,296,886 on tunnettu vauhtipyöränä toimiva roottori, joka on tarkoitettu kehittämään suurilla kehänopeuksilla suuren vääntömomentin ja jonka on oltava tilavuudeltaan tai massaltaan pieni. Tämä roottori koostuu useista 3 64442 ohuista samankeskisistä kerroksista, jotka on valmistettu erilaisista, sopivimmin kuituvahvisteisista aineista, joiden kimmomodu-li sekä myöskin ominaiskimmomoduli kussakin tapauksessa kasvaa sisältä ulospäin. Koska roottori on tehty levyistä, jää taivutus-lujuudelle asetettava vaatimus pois. Yksittäiset samankeskeiset kerrokset on yhdistetty toisiinsa hitsaamalla tai yhteenkytkevillä kerroksilla. Alkupyörimisen aikana laajenee tietenkin ulompi kerros, jolloin seuraava sisempi kerros tulee vedetyksi sen mukaan, mikä ensisijaisesti riippuu yhteenkytkevän kerroksen laadusta. Pyörimisen jatkuessa asettuvat sisemmät kerrokset ulompia kerroksia vasten, koska niiden kimmomoduli on pienempi. Roottorin vapautuessa kuormituksesta kohoavat sisemmät kerrokset irti ulommista kerroksista niin, että yhteenkytkevä kerros tietyissä tapauksissa vahingoittuu. Tähän energiavaraajana toimivaan roottorirakentee-seen liittyy se epäkohta, ettei se sovellu erittäin suuria kehäno-peuksia varten, koska kerrokset ovat ulompana ominaispainoltaan painavampia kuin sisempänä. Koska roottoria lisäksi ei saa kuormittaa sisimmän, pienen kimmoisuuden omaavan kerroksen myötörajan yli, jotta poikittaismitat eivät olennaisesti muuttuisi, on kehänopeus tai käyttökierrosluku suuruudeltaan rajoitettu. Roottoria jarrutettaessa palautuvat kerrokset lisäksi jälleen alkuperäisiin mittoihin, jolloin kerrokset on kiinnitettävä niiden alkuperäiseen asentoon yhteenkytkevän kerroksen avulla. Tämä yhteenkytkevä kerros voi lisäksi vahingoittua vaihtorasitusten vaikutuksesta niin, että yksittäisten kerrosten yhteenliittyminen häviää.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada akseli tai rumpu, jonka kehänopeus voi olla suuri muodonmuutoksen pysyessä pienenä.

Tämä tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä, jolle on tunnusomaista se, että lieriöiden koostamisen jälkeen lieriöyhdistelmää kuormitetaan sisältäpäin säteettäi-sesti ulospäin metallilieriön myötörajan yli ja sen jälkeen kuormitus lopetetaan.

Edullisesti esijännitykset kehitetään lieriöyhdistelmän ensimmäisen pyörityksen avulla. Tässä käytetään hyväksi metalleissa esiintyvää Bauschinger-ilmiötä, jolloin metallilieriötä kuormitetaan sen myötörajan yli.

Täten aikaansaadaan lieriöyhdistelmä eli roottori, jonka seinämänpaksuus koostuu osaksi metallista, esim. teräksestä, alu- 4 64442 miinista tai titanista, ja osaksi kuituvahvisteisesta tekoaineesta. Jos tätä rumpuroottoria pyöritetään suurilla kierrosluvuilla, syntyy metalliin ja tekoaineeseen jännityksiä ja muodonmuutoksia, jotka ovat suoraviivaisesti riippuvaisia toisistaan. Metallin suuren kimmomodulin mukaisesti suurenevat jännitykset kierrosluvun kasvaessa nopeammin metallilieriössä kuin jännitykset kuituvahvis-teisessa tekoaineessa. Määrätyllä kierrosluvulla saavuttavat rasitukset metalliosassa myötörajan. Kierrosluvun edelleen kasvaessa joutuu sisempi metallilieriö nyt plastisen muodonmuutoksen alaiseksi, kun taas ulompi kuituvahvisteinen tekoainelieriö kestää suurempia kimmoisia jännityksiä. Täten on aikaansaatu akseli tai rumpu, jonka muodonmuutos on pieni myöskin suurella kehänopeudel-la. yksittäisten osien välisestä ominaisjännitystilasta johtuen ei tarvita mitään yhteenkytkevää kerrosta tai sentapaista.

Edellä selitetyt riippuvuudet on kuvattu likimain kuviossa 2 kuvion 1 mukaista pyörähdyskappaletta varten ja selitetty seuraa-vassa käyttäen tavanomaisia symboleja.

Kuvion 1 mukaan pyörähdyskappaleessa on metallia oleva sei-nämäosa 1 ja kuituvahvisteista tekoainetta oleva seinämäosa 2. Kuviossa 2 on esitetty tyypillisen metallisen valmistusaineen (käyrä M) ja tyypillisen kuituvahvisteisen tekoaineen (käyrä F) yksi-dimensionaaliset jännitykset ja venymät. Metallisella valmistusaineella, esim. valanneteräksellä, tulee edullisimmin olla plastinen käyttäytyminen. Käyrä = <^(E) taittuu saavutettuaan myötörajan vaakasuoraksi. Pienemmän kimmomodulin mukaisesti kulkee käyrä F olennaisesti loivemmin kuin käyrän osa O...o .

Kun lieriömäinen roottori saatetaan selitetyllä tavalla pyörimään kierrosluvulla n, on sen kulmanopeus ^=^11/30. Tällöin 3 2 2 = Ϋ* r - lo .

" "* 2 2 Kehän suuntainen venymä on Cn = j5 * r - uo . Kun näiden yksinkertaisten yhtälöiden avulla vielä seurataan kierrosluvun suurenemisen edellä selitettyä kulkua, huomataan, että riippuen suhteesta ?n esiintyy erilaisia tangentiaalisia venymiä ja siten säteet-täisiä laajentumia. Tämä tilanne pätee niin kauan, kunnes myötöraja on saavutettu sisäpuolisessa metallilieriössä. Tällöin voi myöskin tapahtua, että metallinen lieriö laajenee vähemmän voimakkaasti kuin GFK-liitos ja siten tapahtuu molempien lieriöiden hetkellinen irtoaminen. Määrätyn kierrosluvun jälkeen tulee myötöraja ylitetyk- 5 64442 si sisäpuolisessa metallilieriössä. Kierrosluvun suurenemisesta nyt aiheutuvat suuremmat keskipakovoimat on vastaanotettava GFK-liitosten avulla. On selvää, että metallilieriö nyt painautuu teko-ainelieriötä vasten. Molempien lieriöiden säteettäiset muodonmuutokset ja kehän suuntaiset venymät ovat nyt keskenään samanlaisia. Jos nyt oletetaan, että määrätty kierrosluku n^ vastaa yhteistä kehän suuntaista venymää ^. Jos lisäksi oletetaan, että yhdyslie-riö vapautetaan kuormitukselta tästä kierrosluvusta lähtien, kuvaa käyrä M' metallisylinterin jännitys-venymä-yhteyttä (Bauschinger-ilmiö). Sen jälkeen kun tekoaineliitos vielä on ollut kuormitettu suoraviivaisesti kimmoisalla alueella, seuraa venymien ja jännitysten välinen yhteys kierrosluvun laskiessa käyrää F pitkin. Kierros-luvulla 0 vallitsee ominaisjännitystila, joka aiheuttaa puristus-jännityksiä metallilieriössä ja vetojännityksiä kuituvahvistei-sessa tekoainelieriössä. Molempien lieriöiden paksuuksista ja niiden valmistusaineiden parametreistä jää koko lieriöön pysyvä venymä ^2* Tekoainelieriön vetojännitykset voivat olla ja metal lilieriön puristusjännitykset

Kun yhdyslieriötä uudestaan kuormitetaan sitä pyörittämällä kohoavat vetojännitykset tekoaineosassa pisteestä II lähtien käyrää F pitkin. Metalliosan vastaavat jännitykset kohoavat pisteestä III lähtien käyrää M' pitkin. Tällöin häviävät puristusjännitykset ensin metallissa ja toiminnan jatkuessa muodostuu siihen vetojännityksiä .

Esijännityksen vaikutuksesta käyttäytyy yhdysroottori aivan toisin kuin roottoria ensimmäisen kerran pyöritettäessä suurilla kierroksilla. Säteettäinen kokonaislaajeneminen on sekä kimmoisassa että plastisessa tapauksessa verrannollinen lieriön tangentiaa-livenymään, t.s. ensimmäisen pyörimisvaiheen aikana on yhdyslieriön kokonaislaajeneminen verrannollinen matkaan 0... Toisella kuor mituksella, joka tapahtuu samalla kierrosluvulla, on nyt esiintyvä säteettäinen laajentuma verrannollinen matkaan £2··· £-| · Plastisesta muotoaan muuttanut yhdysroottori käyttäytyy siis samalla tavalla kuin korkeamman myötörajan omaava metalliroottori.

Roottorin pienemmän kokonaispaksuuden ansiosta voidaan kuitenkin käyttää olennaisesti suurempia kehänopeuksia kuin pelkästään metallisilla roottoreilla.