DE2154351A1 - TRAINING AND DIMENSIONING OF THE CLAMPED FOOT OF COMPONENTS - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)Public limited company Brown, Boveri & Cie., Baden (Switzerland)

Ausbildung und Bemessung des eingespannten Fusses von BauteilenTraining and dimensioning of the clamped foot of Components

Die Erfindung betrifft die Ausbildung und Bemessung des eingespannten, keilförmigen Fusses auf Zug beanspruchter Bauteile aus faserverstärktem, anisotropen Werkstoff.The invention relates to the training and dimensioning of the clamped, wedge-shaped base of tensile stressed components made of fiber-reinforced, anisotropic material.

Nur in einer Richtung durch Fasern verstärkte, anisotrop bezeichnete Werkstoffe werden in zunehmendem Masse für mechanisch hochbeanspruchte'Bauteile verwendet. Als Beispiel seien Verdichter- und Turbinenschaufeln und die Zugstangen von Transformatoren genannt. Die Verankerung solcher Teile im Rotor, in einer Grundplatte usw. stellt ein besonderes Problem dar. Es kommen angeklebte, schlaufen- oder keilförmige Verbindungen infrage, von denen aus Platzgründen und wegen der Erfordernisse hinsichtlich der Kurz- und Langzeitfestigkeit oftmalsReinforced by fibers in one direction only, labeled anisotropic Materials are increasingly being used for components that are subject to high mechanical loads. Take compressor and called turbine blades and the tie rods of transformers. The anchoring of such parts in the rotor, in a base plate, etc. poses a particular problem. There are glued, loop-shaped or wedge-shaped connections in question, of which for reasons of space and requirements often with regard to short-term and long-term strength

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die Keilform für den eingespannten Fuss bevorzugt wird. Solche keilförmigen Füsse können hergestellt werden, in dem z. B, zwischen die Laminate einer aus verstärktem Kunststoff be- , stehenden Schaufel vorfabrizierte Teile eingelegt oder der Raum zwischen den Laminaten ausgegossen wird.the wedge shape is preferred for the clamped foot. Such wedge-shaped feet can be made in the z. B, between the laminates of a shovel made of reinforced plastic, prefabricated parts are inserted or the Space between the laminates is poured out.

Bekannt sind keilförmige Füsse mit geraden Keilflanken. Die auf den Bauteil wirkenden Zugkräfte v/erden als Druck- und Reibungsspannungen auf den eingespannten Fuss übertragen. Diese erzeugen eine hohe Spannungbkonzentration am schmäleren Keilende, das meistens direkt an der Einspannstelle oder in deren Nähe liegt, und führen dort zum Bruch des Bauteils.Wedge-shaped feet with straight wedge flanks are known. The tensile forces acting on the component are grounded as compressive and Transfer frictional stresses to the clamped foot. These generate a high concentration of stress on the narrower one Wedge ends, which are usually located directly at or near the clamping point, and lead to breakage of the component there.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Keilform zu finden, die den eingespannten Fuss eines Bauteils gleichmassig belastet und damit die gefährlichen Spannungskonzentrationen vermeidet.The invention is based on the object of finding a wedge shape that uniformly fits the clamped foot of a component loaded and thus avoids the dangerous stress concentrations.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass die Profilform des Fusses zumindest annähernd einem Kreisbogen entspricht, an welchen die freiliegende Flanke des Bauteils an der Einspannstelle tangential anschliesst.The inventive solution to this problem consists in that the profile shape of the foot corresponds at least approximately to an arc of a circle on which the exposed flank of the Tangentially connects the component to the clamping point.

Der Werkstoff wird optimal ausgenutzt, wenn an allen PunktenThe material is optimally used when at all points

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entlang der Profilform des Fusses die gleiche Druckspannung auftritt, die bei richtiger Verteilung bis zur zulässigen Druckfestigkeit gehen darf. Analoge Bedingungen gelten auch für die Scherspannung, die ja direktproportional der Druckspannung ist.the same compressive stress occurs along the profile shape of the foot that, with correct distribution, is up to the permissible Compressive strength may go. Similar conditions also apply to the shear stress, which is directly proportional to the compressive stress is.

Aus den auf den Fuss wirkenden Kräften und aus den Stoffwerten des verwendeten Werkstoffes lässt sich die Profilform des Keiles exakt berechnen und es zeigt sich, dass sie einer Exponentialgleichung entspricht. Es ist aber schwierig, eine solche Kurve fabrikatorisch herzustellen. Sie lässt sich jedoch mit guter Annäherung durch einen Kreisbogen ersetzen, welcher tangential in die freiliegende Flanke des Bauteils übergeht, ob diese, nun gerade, geneigt öder gekrümmt ist. Ausser dieser Randbedingung genügen für die konstruktive Bestimmung des Kreises zwei Punkte, die sich theoretisch aus der BeziehungFrom the forces acting on the foot and from the material values of the material used, the profile shape of the wedge can be calculated exactly and it is shown that it is an exponential equation is equivalent to. However, it is difficult to manufacture such a curve in a factory. You can, however replace with a good approximation by an arc that merges tangentially into the exposed flank of the component, whether it is straight, inclined or curved. Apart from these boundary conditions are sufficient for the constructive determination of the circle two points that theoretically result from the relationship

^Zzul'^dE = ^Dzul^(dF- ^Z perm ' ^d E = ^D perm ^(d F-

zul'^dE = ^Dzul.perm ' ^d E = ^D perm.

ermitteln lassen, worin d die Dicke des Bauteils am Fussende, d die Dicke des Bauteils an der Einspannstelle, γ der Reibungskoeffizient und L die Gesamtlänge des keilförmigen Fusses vom Fussende bis zur Einspannstelle bedeutet. Durch Annahme von zwei der drei Grossen dp, d„ und L 3ässt sich die dritte berechnen. Ua wegen der viel grö.s:;c?ren Zugkräfte die Fasein indetermine where d is the thickness of the component at the foot end, d is the thickness of the component at the clamping point, γ is the coefficient of friction and L is the total length of the wedge-shaped foot from the foot end to the clamping point. The third can be calculated by assuming two of the three quantities dp, d "and L 3. Among other things because of the much larger:; c? Ren tensile forces the bevel in

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der Matrix ungefähr parallel zur Keilflanke verlaufen, muss für die Berechnung die zulässige Druckfestigkeit Z _Ί desof the matrix run approximately parallel to the wedge flank, the permissible compressive strength Z _Ί des must be used for the calculation

' ZuX'ZuX

Werkstoffes in der Faserrichtung und die zulässige Druckfestigkeit D senkrecht zur Faserrichtung eingesetzt wer-Material in the grain direction and the permissible compressive strength D can be used perpendicular to the grain

ZUl *ZUl *

Wenn der Reibungskoeffizient j- so hoch liegt, dass f .D _ die zulässige Scherfestigkeit S _Ί des Werkstoffes übertrifft, dann tritt bei entsprechender Beanspruchung des Bauteils ein Scherbruch ein, bevor die zulässige Druckfestigkeit erreicht wird. Um dies zu vermeiden, muss bei Auswertung der FormelIf the coefficient of friction j- is so high that f .D _ exceeds the permissible shear strength S _{Ί of} the material, a shear fracture occurs if the component is subjected to a corresponding load before the permissible compressive strength is reached. To avoid this, the formula must be evaluated

D _n durch S , /f ersetzt werden,
zul zul / ·>D _{n be} replaced by S, / f,
perm perm / ·>

Durch Umformung der obigen Formel ergibt sich:Transforming the above formula results in:

E zulE perm

Da, wie schon erwähnt, Z . viel grosser als D . ist und bei Vibrationen \γ = 0 gesetzt werden kann, entsteht mit guter NäherungSince, as already mentioned, Z. much bigger than D. and \ γ = 0 can be set for vibrations, results with a good approximation

^dE ^d E

Die rechte Seite dieser Gleichung kann noch mit einem Faktor 0,5 ... 1,2 multipliziert werden, um im einzelnen Fall eine bessere Anpassung an die jeweiligen Bedingungen zu ermöglichen.The right-hand side of this equation can be multiplied by a factor of 0.5 ... 1.2 to produce a to enable better adaptation to the respective conditions.

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Liegt die tatsächliche Zugbeanspruchung des Bauteils weit unter der zulässigen Zugfestigkeit, so kann man. einen kleineren Wert wählen, liegt sie nahe daran, so wird man an den oberen Wert gehen.Is the actual tensile stress on the component far below the allowable tensile strength, so one can. If you choose a smaller value, if it is close to it, you will go to the go upper value.

Hier fehlt nun noch die Länge des eingespannten Fusses, doch ist man in deren Wahl praktisch frei. Unter Einhaltung des berechneten Verhältnisses zwischen Dicke des Bauteils am Fussende zur Dicke an der Einspannstelle ergibt sich ein grösserer Kreisradius für die Profilform, wenn die Fusslänge zwischen Fussende und Einspannstelle gross ist, und ein kleinerer Radius, wenn sie klein ist. Ein brauchbarer Mittelwert für die Fusslänge ist die fünffache Dicke des Bauteils an der Einspannstelle. The length of the clamped foot is missing here, but you are practically free to choose. In compliance with the The calculated ratio between the thickness of the component at the foot end and the thickness at the clamping point results in a greater one Circle radius for the profile shape if the foot length between the foot end and the clamping point is large, and a smaller radius, when she is little. A useful mean value for the foot length is five times the thickness of the component at the clamping point.

Für die beschriebene Ausbildung und Bemessung des Fusses korn- λ men alle anisotropen Werkstoffe infrage, vor allem Harze, die durch Fasern beispielsweise aus Glas, Kohlenstoff oder Bor verstärkt sind.For the described construction and dimensioning of the foot grain λ men all anisotropic materials in question, especially resins that are reinforced with fibers such as glass, carbon or boron.

In der Zeichnung ist ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Der Bauteil 1 weist einen keilförmigen Fuss 2 auf, der über die Länge L in den Bauteil 3 eingespannt ist. An der Einspannstelle hat er die Dicke d , amIn the drawing, a simple embodiment of the invention is shown schematically. The component 1 has a wedge-shaped foot 2, which is clamped over the length L in the component 3. At the clamping point it has the thickness d, am

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Fussende die Dicke d„. Auf den Bauteil 1 wirkt die Zugkraft 6, die auf den Fuss 2 wirkende Druckkräfte D hervorruft. Der Zugkraft sind die Reibungskräfte f.D entgegengerichtet. Um die Druckkräfte möglichst gleichrnässig entlang der Profillinie des Fusses zu verteilen, ist diese nach einem Kreisbogen mit dem Krümmungsradius R geformt.Foot end the thickness d ". The tensile force 6, which causes compressive forces D acting on the foot 2, acts on the component 1. The friction forces f. D oppose the tensile force. In order to distribute the compressive forces as evenly as possible along the profile line of the foot, it is shaped like an arc with the radius of curvature R.

Schon allein die Kreisform der Profillinie eines keilförmigen Fusses bringt gegenüber der geraden Flanke eine wesentliche Verbesserung, indem die hohe Spannungskonzentration an der Einspannstelle wesentlich gemildert wird. Zur vollen Ausnützung der Eigenschaften des jeweiligen Werkstoffes dienen die obigen Formeln, welche die Berechnung des richtigen Verhältnisses zwischen der Dicke des Bauteils am Fussende zu jener an der Einspannstelle erlauben und damit eine nahezu gleichmassige Verteilung der Spannungen entlang der Keilflanke ermöglichen. The circular shape of the profile line of a wedge-shaped foot alone is essential compared to the straight flank Improvement by significantly reducing the high stress concentration at the clamping point. For full use The above formulas are used to calculate the correct ratio for the properties of the respective material allow between the thickness of the component at the foot end to that at the clamping point and thus an almost uniform Allow the stresses to be distributed along the flank of the wedge.

Zu erwähnen ist noch, dass die Dicken d„ und d_ sowohl die Abmessungen eines Körpers sein können, der sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt, als auch die entsprechenden Durchmesser eines runden Bauteils sein können.It should also be mentioned that the thicknesses d "and d_ both the Dimensions of a body that extends perpendicular to the plane of the drawing, as well as the corresponding diameter of a round component.

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Claims (3)

- 7 - 115/71- 7 - 115/71 Patentans prüchePatent claims ί'1 Λ Ausbildung und Bemessung des eingespannten, keilförmigen' Fusses auf Zug beanspruchter Bauteile aus faserverstärktem, anisotropen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilform des Fusses (2) zumindest annähernd einem Kreisbogen entspricht, an welchen die freiliegende Flanke des Bauteils (1) an der Einspannstelle tangential anschliesst.ί'1 Λ Formation and dimensioning of the clamped, wedge-shaped ' Components made of fiber-reinforced, anisotropic material subject to tensile stress, characterized in that the profile shape of the foot (2) corresponds at least approximately to an arc on which the exposed flank of the component (1) connects tangentially to the clamping point. 2. Fuss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicke des Fussendes (d„) zu jener an der Einspannstelle (d„) nach der Formel2. Foot according to claim 1, characterized in that the ratio of the thickness of the foot end (d ") to that at the clamping point (d ") according to the formula d_F . Z_zui E zuld _F. Z _zui E perm gewählt ist, worin Z die zulässige Zugfestigkeit in Faserrichtung und D die zulässige Druckfestigkeit senkrecht zuris chosen, where Z is the permissible tensile strength in the grain direction and D is the permissible compressive strength perpendicular to the ZU -LTO -L Faserrichtung des Werkstoffes bedeutet.Fiber direction of the material means. 3. Fuss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus glas-, bor- oder kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff besteht.3. Foot according to claim 1, characterized in that it is made of glass, boron or carbon fiber reinforced plastic consists. Aktiengenel]schaft BROWN, BOVKRI P- CTE.Stock Corporation BROWN, BOVKRI P- CTE. 3 098 16/02 113 098 16/02 11 LeerseiteBlank page