DE4017424A1 - Einrichtung zum aufrechterhalten einer rundpassung zwischen einem metallteil und einem keramikteil - Google Patents

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.