DE4017424A1 - Einrichtung zum aufrechterhalten einer rundpassung zwischen einem metallteil und einem keramikteil - Google Patents
Einrichtung zum aufrechterhalten einer rundpassung zwischen einem metallteil und einem keramikteilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Aufrechterhal
ten einer Rundpassung zwischen einem Metallteil und einem
Keramikteil.
Im Maschinenbau, zum Beispiel in Verbrennungsmotoren, Kom
pressoren und dgl., werden in letzter Zeit mehr und mehr
Keramikteile verwendet. Da Keramik und Metall völlig unter
schiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, ergeben
sich Probleme überall dort, wo eine kraftschlüssige Rund
passung zwischen einem Metallteil und einem Keramikteil
hergestellt und aufrechterhalten werden muß. Wenn ein Kera
mikteil mit einer Bohrung mit Preßpassung auf einen metal
lischen Bolzen aufgeschoben oder eine Keramikbüchse mit
Preßpassung in eine Bohrung eines Metallteils eingesetzt
wird, kann das Keramikteil bei steigender Betriebstempera
tur aufgrund unterschiedlichen Wärmedehnung von Metall und
Keramik beschädigt werden (in dem ersten Fall kann es
reißen, in dem zweiten Fall unrund oder zerdrückt werden).
Solche Keramikteile werden überwiegend an Stellen einge
setzt, wo verschleißarme Gleitflächen benötigt werden, an
denen die Dichtigkeit zwischen den aufeinander gleitenden
Flächen erhalten bleibt. Es ist daher beispielsweise nicht
möglich, zum Kompensieren der unterschiedlichen Wärmedeh
nung zwischen Keramik und Metall das Metallteil, sei es ein
Bolzen oder ein Bohrungsteil, geschlitzt auszuführen, d. h.
in axialer Richtung aufzutrennen, weil das nicht nur die
Dichtwirkung, sondern auch die an solchen Flächen erforder
liche Rundpassung mit zunehmender Temperatur beseitigen und
auch die Rundlaufeigenschaften verschlechtern würde. Auf
jeden Fall wäre von vornherein keine Druckdichtigkeit vor
handen, auf die es bei Verbrennungsmotoren, Kompressoren
und dgl. besonders ankommt. Es wäre zwar vorstellbar, die
Paßflächen speziell zu kühlen, um die Wärmedehnung zu ver
ringern, das wäre aber mit großem Aufwand verbunden und
nicht immer durchführbar.
Es ist zwar bereits eine Kupplung zum Befestigen einer Nabe
aus bruchempfindlichem Werkstoff auf einer Welle mit unter
schiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt (DE-AS
16 00 208), dabei läßt sich jedoch keine Druckdichtigkeit
der Verbindung erzielen, weil Federfingereinsätze benutzt
werden, die an den Außenflächen einer vieleckigen Hülse be
festigt sind und zwischen denen Druckmittel hindurchtreten
kann. Weiter ist zwar bereits eine thermisch hoch bean
spruchbare Verbindung eines aus einem keramischen Werkstoff
und eines aus einem metallischen Werkstoff bestehenden ro
tationssymmetrischen Bauteils, insbesondere eines mit einem
Wellenzapfen versehenen keramischen Turbinenrads und einer
metallischen Turbinenwelle, bekannt (DE-PS 28 45 716), zwi
schen denen ein radial und axial federnd elastisches Ver
bindungsteil vorgesehen ist, das einstückig mit dem metal
lischen Bauteil ausgebildet sein kann, die Verbindung zwi
schen dem Verbindungsteil und dem keramischen Bauteil wird
jedoch durch eine Hochtemperaturlötung hergestellt, also
durch eine stoffschlüssige Verbindung, die zwar das Auf
rechterhalten von Druckdichtigkeit gestattet, jedoch eine
zwischen den beiden Bauteilen vorhandene Rundpassung besei
tigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Auf
rechterhalten einer Rundpassung zwischen einem Metallteil
und einem Keramikteil so zu verbessern, daß sich die Rund
passung und gleichzeitig die Druckdichtigkeit an den Paß
flächen auf einfache Weise aufrechterhalten lassen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei
einer Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
angegebenen Art die kreiszylindrische Paßfläche des Metall
teils elastisch federnd ausgebildet ist.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird erreicht, daß
mit steigender Temperatur das Keramikteil an seiner Paßflä
che nicht wesentlich stärker belastet wird, weil die Paß
fläche des Metallteils mit steigender Temperatur elastisch
nachgibt, und daß die Rundlaufeigenschaften erhalten blei
ben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Ge
genstände der Unteransprüche.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 2
und 3 wird durch die gegen die Achse der kreiszylindrischen
Paßfläche des Metallteils geneigten umlaufenden Nuten, die
in diese Paßfläche eingearbeitet sind, ein Profil erzielt,
daß aus kreiskegeligen Rippen besteht, die mit den Ringflä
chen an ihren freien Enden die Paßfläche des Metallteils
bilden und bei Temperaturerhöhung elastisch nachgeben, so
daß das Keramikteil nicht beschädigt wird.
In der Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 4
bis 6 haben die Nuten zwischen den Rippen an den Stellen,
an denen die Nutflanken innen am Metallteil angeformt sind
bzw. außen in der Nähe der Stelle, wo die Rippen mit der
Paßfläche des Keramikteils in Berührung kommen, eine abge
rundete Ausbildung, die die elastisch federnde Bewegung der
Rippen erleichtert bzw. die Rippen an deren freien Enden
mit den Ringflächen an der Planfläche des Keramikteils in
Anlage hält und im Längsschnitt eine Breite der Ringflächen
ergibt, die größer als die Rippendicke ist.
Die Verwendung der Einrichtung nach der Erfindung gemäß An
spruch 7 ermöglicht, Keramikteile ohne Klebstoff od. dgl.
z. B. in Gehäusen aus anderem Werkstoff dauerhaft zu befe
stigen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden un
ter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 eine Teillängsschnittansicht einer
ersten Ausführungsform der Einrich
tung nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Teillängsschnittansicht einer
zweiten Ausführungsform der Einrich
tung nach der Erfindung, und
Fig. 3 eine vergrößerte Einzelheit der Ein
richtung nach Fig. 2.
Fig. 1 zeigt ein Metallteil 10 in Form eines Bundbolzens,
der auf einem Abschnitt 12 ein Keramikteil 20 in Form einer
Büchse trägt. Auf das in Fig. 1 rechte Ende des Metallteils
10, das mit nicht dargestelltem Gewinde versehen ist, ist
eine Mutter 14 aufgeschraubt, die das Keramikteil 20 an ei
nem Bund 16 des Metallteils 10 festspannt. Das Keramikteil
20 hat eine kreiszylindrische Paßfläche 22. Der Abschnitt
12 des Metallteils 10 hat eine kreiszylindrische Paßfläche
18, die sich aus mehreren kreisringförmigen Teilpaßflächen
18, zusammensetzt. Die Teilpaßflächen 18′ sind jeweils an
einer Rippe 19 vorgesehen. Die Rippen 19 und zwischen den
selben angeordnete Nuten 26 sind Teil einer Einrichtung zum
Aufrechterhalten der Rundpassung zwischen dem Metallteil 10
und dem Keramikteil 20. Bei dieser Rundpassung handelt es
sich vorzugsweise um eine Preßpassung, wenn auch die Druck
dichtigkeit im Bereich der Paßflächen 18 und 22 aufrechtzu
erhalten ist.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Einrichtung
zum Aufrechterhalten einer Rundpassung zwischen einem Me
tallteil und einem Keramikteil. In diesem Fall ist das Me
tallteil 110 ein Gehäuse od. dgl. mit einer Bohrung, in wel
che das als Büchse ausgebildete Keramikteil 120 eingesetzt
ist. In der Bohrung der Büchse 120 ist ein Schieber ange
ordnet, auf den es hier nicht weiter ankommt.
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Einzelheit der in Fig. 2 dar
gestellten Einrichtung zur Erläuterung der erfindungsgemä
ßen Ausbildung der elastisch federnden Paßfläche 118 des
Metallteils 110. Die Paßfläche 18 des Metallteils 10 ist
auf gleiche Weise ausgebildet, weshalb die Erläuterung von
Fig. 3 auch für die Ausführungsform nach Fig. 1 gilt.
In die Paßfläche 118 des Metallteils 110, die aus Teilpaß
flächen 118′ besteht, ist ein elastisch nachgiebiges Profil
eingearbeitet. Dieses Profil ist durch mehrere umlaufende,
im wesentlichen kreiskegelige, in axialem Abstand nebenein
ander in die Paßfläche 118 eingearbeitete Nuten 126 gebil
det. Die Nuten 126 haben an ihrem Grund im Längsschnitt je
weils einen ersten Radius R1. Jede Nut 126 hat aufgrund der
Neigung ihres Querschnitts gegen die Längsachse der kreis
zylindrischen Paßfläche 118 jeweils eine kürzere Flanke
119a und eine längere Flanke 119b. Die kürzere Flanke der
einen Nut ist gleich der längeren Flanke der benachbarten
Nut, was Fig. 3 ohne weiteres erkennen läßt. Die kürzere
Flanke 119a jeder Nut 126 ist auf der Nutinnenseite am
freien Flankenende jeweils unter einem zweiten, größeren
Radius R2 zu der ihr gegenüberliegenden längeren Nutflanke
119b hin gekrümmt. Die Nutflanken 119a, 119b bilden die
Rippen 119, über die das Metallteil 110 das Keramikteil 120
trägt. Aufgrund des Radius R2 ist die axiale Breite jeder
Teilpaßfläche 118′ größer als die Dicke jeder Rippe. Die
Nuten 126 haben im Längsschnitt jeweils eine Breite, die
das Zweifache des Radius R1 ist. Der Radius R2 beträgt etwa
das 2,5-fache des Radius R1.
Der Neigungswinkel β der Rippen 119 und der Nutflanken
119a, 119b gegen die Achse der zylindrischen Teilplanflä
chen 118′ des Metallteils 110 liegt in einem Bereich von
120 Grad bis 145 Grad. Der genaue Wert, der für diesen
Winkel gewählt wird, richtet sich nach der zu erwartenden
Temperatur und dem verwendeten Metall. Er wird so gewählt,
daß die Rippen 19, 119 eine ausreichende elastische Nach
giebigkeit haben, die bei Aluminium anders ist als bei
Stahl. Wichtig ist, die elastisch federnde Ausbildung der
Paßfläche des Metallteils so zu wählen, daß zwischen der
Paßfläche des Metallteils und der Paßfläche des Keramik
teils eine kraftschlüssige und trotzdem elastische Verbin
dung aufrechterhalten wird.
Der das Keramikteil 10 oder 120 tragende Abschnitt des Me
tallteils hat aufgrund der umlaufenden Schrägnuten und der
zwischen denselben gebildeten Rippen etwa die Form eines in
der elektrischen Hochspannungstechnik üblichen Porzellan
isolators. Die Rippen sind hier jedoch elastisch nachgiebig
ausgebildet, so daß mit zunehmender Betriebstemperatur vom
Metallteil aus keine zerstörerischen Kräfte auf das Kera
mikteil ausgeübt werden können und die Druckdichtigkeit
trotzdem aufrechterhalten wird.
Versuche haben gezeigt, daß bei einer Materialpaarung aus
Si-SiC und rostfreiem Stahl die Temperatursteigerung bis zu
450°C betragen kann, ohne daß die Rundlaufeigenschaften in
nerhalb der Toleranz beeinträchtigt werden.
Keramik läßt sich aufgrund seiner Härte und Sprödigkeit
nicht wie ein Metallteil durch Bohren, Fräsen, Gewinde
schneiden usw. bearbeiten. Daher lassen sich beispielsweise
Keramikbüchsen nur durch Kleben oder Schrumpfen in einer
Bohrung befestigen. Beide Verbindungsmöglichkeiten ergeben
aber keine thermisch stabilen Verbindungen. Hier kann nun
eine Metallbüchse, die mit der erfindungsgemäßen Einrich
tung versehen ist, zwischen der Keramikbüchse und der Boh
rung eingesetzt werden. Das ist zweckmäßig, wenn bei einer
Anordnung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, in dem Gehäu
se (Metallteil 110) selbst die Einrichtung aus Nuten und
Rippen nicht eingearbeitet werden kann (z. B. bei Gehäusen
aus Grauguß oder Aluminium, die die geringe elastische Fe
derungseigenschaften aufweisen).
Claims (7)
1. Einrichtung zum Aufrechterhalten einer Rundpassung zwi
schen einem Metallteil (10; 110) und einem Keramikteil (20;
120), dadurch gekennzeichnet, daß die kreiszylindrische
Paßfläche (18; 118) des Metallteils (10; 110) elastisch fe
dernd ausgebildet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in die Paßfläche (18; 118) des Metallteils (10; 110)
ein elastisch federndes Profil eingearbeitet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Profil durch mehrere umlaufende, im wesentlichen
kreiskegelige, in axialem Abstand nebeneinander in die Paß
fläche (18; 118) des Metallteils (10; 110) eingearbeitete
Nuten (26; 126) gebildet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nuten (26; 126) an ihrem Grund im Längsschnitt je
weils einen ersten Radius (R1) aufweisen.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die kürzere Flanke (19a) jeder Nut (126) auf der Nutin
nenseite am freien Flankenende jeweils unter einem zweiten,
größeren Radius (R2) zu der ihr gegenüberliegenden längeren
Nutflanke (119b) hin gekrümmt ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Nuten (26; 126) im Längsschnitt jeweils
eine Breite haben, die das Zweifache des ersten Radius (R1)
ist.
7. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 6 an einem gesonderten metallischen Verbindungselement
zum Befestigen eines Keramikteils an einem Teil aus anderem
Werkstoff.
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