DE69517345T2

DE69517345T2 - Abziehbarer Verbundstoff und seiner Verwendung bei der Herstellung von Ausgleichsscheiben

Info

Publication number: DE69517345T2
Application number: DE69517345T
Authority: DE
Inventors: Daniel Andre Gastel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-02-14
Filing date: 1995-02-13
Publication date: 2001-01-18
Anticipated expiration: 2015-02-14
Also published as: EP0667233A1; EP0667233B1; DE69517345D1; FR2716138B1; ES2150535T3; FR2716138A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen abziehbaren Verbundstoff und dessen Anwendung bei der Herstellung von Regelkeilen bzw. Paßstücken.
Sämtliche mechanischen Teile weisen bei deren Herstellung und Bearbeitung maßliche Toleranzen auf.
Eine Maschine oder ein mechanisches System kann Hunderte oder Tausende von Teilen enthalten, die jeweils eigene maßliche Toleranzen aufweisen, die zusammengenommen zu einem "beträchtlichen" Spiel in der Größenordnung von mehreren Millimetern führen können.
Das aus den maßlichen Toleranzen resultierende Spiel ist nicht zulässig und muß ausgeglichen werden, um es der Maschine oder dem System zu ermöglichen, ihre/seine Funktion korrekt zu erfüllen.
Dazu werden Teile, sogenannte "Regelkeile" verwendet, die eine zum auszugleichenden Spiel komplementäre Form haben und bei der Montage in das jeweilige Spiel eingefügt werden, um dieses zu beseitigen.
Die Regelkeile folgen häufig der Außenkontur und eventuellen Bohrungen der Organe, zwischen denen sie eingefügt werden, mit einer Verkeilgenauigkeit, die zuweilen unter dem Mikrometerbereich, in den meisten Fällen im Bereich von einigen Zehntel um liegt.
Bei etwas aufwendigeren Maschinenaufbauten ist die Verkeilung unvermeidlich und wird bereits bei deren Auslegung berücksichtigt.
Derzeit sind drei verschiedene Verkeiltechniken bekannt.
Eine erste Verkeiltechnik besteht darin, einstückige Teile nach einer Messung des auszugleichenden Spiels auf das gewünschte Maß zuzuschleifen. Diese Methode ist mit zahlreichen Nachteilen behaftet. Dabei ist insbesondere die Verwendung einer Werkzeugmaschine erforderlich, um die Regelkeile vor Ort und zum Zeitpunkt des Anbringens zuzuschleifen, wodurch die Montagedauer verlängert und die Herstellungskosten erhöht werden.
Eine zweite Methode sieht vor, dünne Metallblättchen, sogenannte "Metallfolien", in veränderlicher Dicke aufeinanderzustapeln, die in das zugängliche jeweilige Spiel eingesetzt werden. Diese Verkeiltechnik ist sehr ungenau, da bei der Stapelung auch Rückstände, Staub, Fett und/oder Späne eingebracht werden, wodurch das Ergebnis sehr zufallsbedingt wird.
Eine dritte Methode sieht vor, einen abziehbaren Verbundstoff herzustellen, der aus einem Stapel getrennt abziehbarer Lamellen besteht, die durch einen Bindemittelfilm aneinander haften.
Diese letztgenannte Technik weist den Vorteil auf, die Keildicke zum Zeitpunkt der Montage schnell und einfach auf das gewünschte Maß reduzieren zu können, indem einfach eine oder mehrere Lamellen des Verbundstoffs abgezogen werden.
Dieser abziehbare Verbundstoff ermöglicht somit, eine ebenso genaue Verkeilung wie die zugeschliffenen Keile zu gewährleisten, jedoch mit wesentlich geringeren Kosten und ohne der Gefahr von Ungenauigkeiten, wie sie mit der zweiten Methode einhergehen.
Ferner können diese abziehbaren Keile auf Wunsch so bearbeitet werden, daß sie die Kontur und Form des jeweils auszufüllenden Spiels annehmen.
Zu erwähnen ist die US-A-4, 526, 641, in der ein nicht metallischer abziehbarer Keil beschrieben ist, der aus Lamellen aus wärmeaushärtendem Kunstharz besteht, beispielsweise aus Polyimid-Folien vom Typ Kapton®, die durch ein Polyesterharz, ein Acrylharz oder ein Cyanacrylatharz miteinander verbunden sind. Der Lamellenstapel ist durch ein Bindeharz mit einer Unterlage aus Phenolharz verbunden.
Somit bestehen die Unterlage und die Lamellen alle aus einem Werkstoff vom Typ Polymer.
In der Technik ist es allgemein bekannt, daß die Steuerung und Übertragung von Bewegungen in mechanischen Maschinen von "störenden" und unerwünschten Schwingungen begleitet wird, deren Schwingungsfrequenz den korrekten Betrieb dieser Maschinen beeinträchtigen kann.
Die Übertragung dieser Störschwingungen in Maschinen ist ein Problem, das auf den Betrieb der letztgenannten zurückzuführen dnd von den Regelkeilen unabhängig ist.
Da derzeit diese Störschwingungen nicht beseitigt werden können, wird deren Dämpfung erstrebt.
Daher zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, einen abziehbaren Verbundstoff anzugeben, mit dem die diesen durchsetzenden Schwingungen gedämpft werden können, indem gute mechanische Eigenschaften beibehalten werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein abziehbarer Verbundstoff mit einem Stapel getrennt abziehbarer Lamellen, die durch einen Bindemittelfilm aneinanderhaften, dadurch gekennzeichnet, daß dieser außerdem mindestens eine Schicht enthält, dessen Werkstoff sich vom Werkstoff der abziehbaren Lamellen unterscheidet, wobei einer dieser Werkstoffe ein metallisches Material ist und der andere ein Polymer ist, und die genannte Schicht ebenfalls am Stapel der Lamellen mittels einer Bindemittelschicht anhaftet.
Dadurch, daß ein "heterogener" Stapel aus Polymer/Metall von abziehbaren Lamellen und einer Schicht vorgesehen ist, können die übertragenen Schwingungen gedämpft und gefiltert werden.
Nach einem Merkmal der Erfindung, wird das metallische Material unter Aluminium, Stahl, rostfreiem Stahl, Messing, Titan und deren Legierungen ausgewählt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, wird das Polymer unter Äthylenglykolpolyterephtatlat und Polykarbonat ausgewählt.
Nach einer besonderes vorteilhaften Ausführungsform, besteht der Stapel des erfindungsgemäßen Verbundstoffes aus zwei Scheiben übereinander angeordneter abziehbarer Lamellen, welche die vorgenannte Schicht einschließen.
Das Bindemittel kann aus einer Mischung von polymerisierbaren Harz, vorzugsweise Epoxyd, Härtemittel und Lösungsmittel gebildet sein.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, ist die vorgenannte Schicht einteilig ausgeführt.
Das Verhältnis R der Dicke der vorgenannten Schicht zur Gesamtdicke des Stapels der abziehbaren Lamellen ist vorzugsweise geringer als 1 : 1.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist auch die Anwendung des genannten abziehbaren Verbundstoffes bei der Herstellung von Regelkeilen.
Besonders vorteilhaft ist es, die Störschwingungen im Bereich der Regelkeile zu dämpfen, da diese im allgemeinen in Bereichen angebracht werden, die sehr anfällig für die übertragenen Schwingungen sind, denn diese Keile befinden sich im allgemeinen in der Kreuzungsstelle zahlreicher übertragener Bewegungen in einer entsprechenden Maschine.
Die Erfindung wird beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung von mehreren besonderen, derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besser verständlich, aus der weitere Ziele, Merkmale, Einzelheiten und Vorteile deutlicher hervorgehen, wobei die Ausführungsformen sich nur beispielhaft und nicht einschränkend verstehen, im Zusammenhang mit den beigefügten, schematischen Zeichnungen, worin zeigen:
- Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Probestücks des erfindungsgemäßen abziehbaren Verbundstoffes,
- Fig. 2 ein Frequenzdiagramm, in dem die Amplitude eines durch ein gewöhnliches Probestück übertragenen Signals in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt ist,
- Fig. 3 und 4 sind Frequenzdiagramme, in denen die Amplitude des durch das erfindungsgemäße Probestück übertragenen Signals in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt ist, und zwar in zwei unterschiedlichen Dicken der Polymerschicht.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel hat der abziehbare Verbundstoff gemäß der Erfindung die Form eines quaderförmigen Stabs oder Probestücks, das aus einem Stapel von abziehbaren Metallamellen 1 und einer einteiligen Polymerschicht 2 besteht.
Die Schicht 2 ist zwischen zwei Stapeln von abziehbaren Lamellen 1 aufgenommen.
Die abziehbaren Lamellen 1 und die Schicht 2 sind voneinander getrennt ausgeführt und durch einen sehr dünnen Bindemittelfilm 3 miteinander verbunden.
In Fig. 1 ist erkennbar, daß die obere Metallamelle 1 teilweise abgezogen ist.
Selbstverständlich kann alternativ auch ein anderer abziehbarer Verbundstoff hergestellt werden, indem das Material der Lamellen mit dem Material der einteiligen Schicht ausgetauscht wird, d. h. indem die Lamellen aus Polymer und die einteilige Schicht aus Metall gebildet werden.
Nachfolgend wird nur auf die Beschreibung des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels eingegangen, wobei jedoch das gleiche auch für die vorgenannte Ausführungsvariante gilt.
Zunächst sei ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundstoffes erläutert.
Eine Mehrzahl von sehr dünnen Metallblättern wird ausgehend von einer Bahn zugeschnitten, die auf einer Trommel aufgewickelt und an der Oberfläche mit einem Film von extrem fein aufgelöstem Harz mit einer Dicke im Mikrometerbereich überzogen ist.
Die mit Harz überzogene Bahn wird kontinuierlich mit heißer Luft beblasen, um soviel Lösungsmittel wie möglich zu verdampfen.
Dann wird die Mehrzahl an Metallblättern übereinandergestapelt, wobei eine Polymerschicht mit gewählter Dicke eingebracht wird.
Das Harz dient als Bindemittel und wird mit einem Härtemittel und einem Lösungsmittel in je nach gewünschter Haftkraft veränderlichen Anteilen vermischt.
Beispielsweise kann mit einem Gewichtsanteil der Bestandteile des Bindemittels mit 70% Epoxyd-Harz, 27% Härtemittel und 3% Lösungsmittel eine extrem starke Haftung erreicht werden.
Andererseits kann mit einem Gemisch, das einen Gewichtsanteil der Bestandteile von 62,5% Harz, 25% Härtemittel und 12,5% Lösungsmittel enthält, eine weniger starke Haftung erreicht werden.
Der Stapel aus Metallblättern, Polymerschicht und Harzfilmen wird dann unter sehr starkem Druck gepreßt und auf Ebenheit und Parallelität geprüft, um den Überschuß an Bindemittel abzuführen.
Anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung im Ofen beispielsweise mit den folgenden Schritten:
- fortschreitender Temperaturanstieg des Gefüges in annähernd einer Stunde, ausgehend von der Umgebungstemperatur bis etwa 90-100ºC,
- Halten dieser Temperatur etwa eine Stunde lang, um das restliche Lösungsmittel abzuführen, damit keine Blasenbildung entsteht, die durch Bildung von Gastaschen zwischen den Metallamellen nach dem Zersetzen des Lösungsmittels bei Hitze bedingt ist,
- fortschreitender Temperaturanstieg in 4 Stunden auf 130 bis 200ºC, je nach Grundstoff,
- Halten dieser Temperatur 3 Stunden lang, um die Polymerisation und Härtung des Epoxydharzes zu gewährleisten, und
- fortschreitender Temperaturabfall bis zur Umgebungstemperatur durch Belüftung mit Kaltluft, etwa 5 bis 10 Stunden lang.
Im allgemeinen dauert die Wärmebehandlung im Ofen etwa 15 bis 20 Stunden.
Danach können somit aus dem erhaltenen Produkt Regelkeile in beliebiger Form und Größe ausgeschnitten und bearbeitet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Polymermaterial für die einteilige Schicht ein zweifach verstrecktes Polyterephtalat verwendet wird, da dieses nach der Wärmebehandlung sehr fest und biologisch abbaubar ist, dessen mechanische Eigenschaften vergleichbar mit denen von gewöhnlich verwendeten Metallamellen sind und es bei einer Temperatur von 130ºC kontinuierlich beständig ist.
Nachfolgend seien drei Beispiele von abziehbaren Verbundstoffen anhand der Fig. 2 bis 4 beschrieben, die eine Frequenzanalyse darstellen, die jeweils an einem Probestück nach dem Stand der Technik und an zwei Probestücken des erfindungsgemäßen Verbundstoffs durchgeführt wurde.

Beispiel 1 nach dem Stand der Technik

Das Probestück dieses Beispiels enthält einen Stapel von Lamellen aus rostfreiem Stahl, die voneinander getrennt ausgeführt sind und durch einen Film von polymerisierbarem Harz miteinander verbunden sind, aber es enthält keine Polymerschicht.
Jede Lamelle aus rostfreiem Stahl weist eine Dicke von 5 Hundertstel mm (50 um) auf, bei einer Gesamtdicke des Probestücks von 2 mm. Das Probestück enthält somit 40 Lamellen aus rostfreiem Stahl.
Die Gesamtdicke der polymerisierbaren Harzes des Bindemittels beträgt 2 um. Die Dicke des Harzes ist also im Verhältnis zur Dicke der Lamellen und der Polymerschicht vernachlässigbar.
Dieses Probestück wird einer Frequenzanalyse ausgesetzt, die im Fig. 2 gezeigt ist, um dessen Schwingungsdämpfungskoeffizienten zu auszuwerten.
Diese Analyse besteht darin, das mit einem Ende gelagerte Probestück frei vibrieren zu lassen und das Schwingungssignal in einem Spektrumanalysegerät aufzuzeichnen.
Es wird eine Antwort in Form eines sinusförmigen Signals erhalten, dessen Amplitude aufgrund von internen Reibungen des Materials gedämpft wird.
Fig. 2 zeigt die Frequenzstreuung des durch das Probestück übertragenen Signals, nach dem Senden eines Signals von in etwa f&sub1; = 190 Hz.
Diese Frequenzstreuung ist mit dem Schwingungsdämpfungskoeffizienten &epsi; verbunden, da die Schwächung der Schwingungen mit einer geringen Frequenzschwankung um die Sendefrequenz herum einher geht.
Die Schwingungsdämpfung ist umso größer, als diese Frequenzstreuung zunimmt, d. h. die in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Kurve wird weiter.
Im Diagramm der Fig. 2 wird der Schwingungsdämpfungskoeffizient &epsi;&sub1; durch folgende Gleichung bestimmt:
&epsi;&sub1; = 2 Δf&sub1;/f&sub1; &sim; 1/190 &sim; 5 · 10&supmin;³
worin 2 Δf&sub1; die Frequenzschwankung bei einer abgeschwächten Amplitude des übertragenen Signals gleich Am/ 2 ist, wobei Am die maximale Amplitude bei der Frequenz f&sub1; ist und die Abschwächung der Amplitude in logarithmischer Darstellung 3 dB unter der maximalen Amplitude entspricht.
Das Probestück wurde auch einer Vickers-Härteprüfung HV5 unterzogen, wobei eine Schätzung der mechanischen Festigkeit von 440 MPa ±20% erhalten wird.

Beispiel 2 nach der Erfindung

Dieses Probestück enthält
- einen ersten Stapel von Lamellen aus rostfreiem Stahl, die jeweils eine Dicke von 0,1 mm bei einer Gesamtdicke von 0,8 mm aufweisen,
- eine Schicht aus Polymerstoff von 0,5 mm,
- einen zweiten Stapel von Lamellen aus rostfreiem Stahl mit einer Gesamtdicke von 0,8 mm.
Dieses Probestück weist somit eine Gesamtdicke von 2,1 mm bei einer Gesamtdicke des Harzes von etwa 1 um auf.
Fig. 3 stellt die Kurve der Frequenzstreuung bei einem Signal von etwa f&sub2; = 203 Hz dar.
Wie beim vorangehenden Beispiel wird der Schwingungsdämpfungskoeffizient dieses Probestücks bestimmt und ein Wert &epsi;&sub2; &sim; 2,187/203 &sim; 11 · 10³ erhalten, der mehr als das Doppelte vom Wert &epsi;&sub1; des Beispiels nach dem Stand der Technik beträgt.
Folglich weist das Probestück 2 der Erfindung eine Dämpfung der Amplitude und der Sendedauer des übertragenen Signals von mehr als 50% über derjenigen des Probestücks 1 nach dem Stand der Technik auf.
Ebenfalls durch eine Vickers-Härteprüfung HV5 wird eine Schätzung der mechanischen Festigkeit auf 510 MPa ± 20% erhalten.
Überraschenderweise werden also beim Probestück 2 nach der Erfindung mechanische Eigenschaften erhalten, die besser als die beim Probestück nach dem Stand der Technik sind, das ganz aus Lamellen aus rostfreiem Stahl besteht.

Beispiel 3 nach der Erfindung

Dieses Probestück enthält
- einen ersten Stapel von Lamellen aus rostfreiem Stahl, die jeweils eine Dicke von 5 Hundertstel mm bei einer Gesamtdicke von 0,5 mm aufweisen,
- eine Polymerschicht von 1 mm,
- einen zweiten Stapel von Metallamellen mit zehn Lamellen bei einer Gesamtdicke von 0,5 mm.
Dieses Probestück weist somit eine Gesamtdicke von 2 mm bei einer Gesamtdicke des Harzes von etwa 1 um auf.
Fig. 4 gibt die Kurve der Frequenzstreuung bei einem Signal von etwa f&sub3; = 192 Hz wider.
Wie bei den vorangehenden Beispielen wird ein Schwingungsdämpfungskoeffizient von &epsi;&sub3; &sim; 1,813/192 &sim; 9 · 10&supmin;³ erhalten.
Ebenfalls durch eine Vickers-Härteprüfung HV5 wird eine Schätzung der mechanischen Festigkeit auf 420 MPa ± 20% erhalten.
Selbstverständlich beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf die in der vorliegenden Beschreibung angeführten Beispiele.
Die Versuchsergebnisse der Frequenzanalyse und der Vickers-Härteprüfung HV5 sind in der nachfolgenden Vergleichstabelle verzeichnet. Vergleichstabelle
Das Probestück 3 weist einen Schwingungsdämpfungskoeffizienten und eine mechanische Festigkeit auf, die geringer als beim Probestück 2 nach der Erfindung sind.
Das Probestück 3 dämpft das übertragende Signal mehr als das Probestück 1 nach dem Stand der Technik, weist jedoch geringere mechanische Eigenschaften auf.
Folglich ist es wünschenswert, daß das Verhältnis der Dicke der Polymerschicht zur Gesamtdicke des Lamellenstapels unter R = 1 : 1 liegt.
Deutliche bessere Eigenschaften in der Schwingungsdämpfung und der mechanischen Festigkeit werden bei einem Verhältnis von 1 : 3 erhalten, das dem Beispiel 2 nach der Erfindung entspricht.
Die Dicke der Polymerschicht darf also im Verhältnis zur Gesamtdicke des Verbundstoffes nicht zu stark sein.
Die Dicke der abziehbaren Lamellen kann vorteilhaft zwischen 25 und 100 um betragen.
Die Dicke der abziehbaren Lamellen kann vorteilhaft zwischen 25 und 100 um betragen.
Der Verbundstoff nach der vorliegenden Erfindung ist insbesondere in der Luftfahrtindustrie, bei Werkzeugmaschinen, in der Eisen- und Stahlindustrie und bei Eisenbahnmaterial und im allgemeinen in der gesamten Maschinenbauindustrie anwendbar.
Die Anwendung dieses Verbundstoffs bei der Herstellung von Regelkeilen ermöglicht es, die Übertragung von Schwingungen in mechanischen Maschinen abzuschwächen und dadurch deren Lebensdauer zu erhöhen.

Claims

1. Abziehbarer Verbundstoff mit einem Stapel getrennter abziehbarer Lamellen (1), die aufgrund einer Bindungsmaterialschicht (3) aneinanderhaften, dadurch gekennzeichnet, daß dieser außerdem mindestens eine Schicht (2) enthält, dessen Aufbaumaterial sich vom Aufbaumaterial der abziehbaren Lamellen (1) unterscheidet, wobei eines dieser Aufbaumaterialien ein metallisches Material ist und das andere ein Polymer, und die vorbesagte Schicht (2) ebenfalls am Stapel der Lamellen (1) mittels einer Bindungsmaterialschicht (3) anhaftet.

2. Verbundstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material ausgewählt wird unter Aluminium, Stahl, rostfreiem Stahl, Messing, Titan und deren Legierungen.

3. Verbundstoff gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ausgewählt wird unter Äthylenglykolpolyterephtalat und Polykarbonat.

4. Verbundstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Stapel aus zwei Scheiben übereinander angeordneter abziehbarer Lamellen (1) besteht, die die vorbesagte Schicht (2) einschließen.

5. Verbundstoff gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindungsmaterial aus einer Mischung polymerisierbaren Harzes, vorzugsweise eines Epoxyds, eines Härtungsmittels und eines Lösungsmittels gebildet wird.

6. Verbundstoff gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbesagte Schicht (2) eine Einblockkonstruktion ist.

7. Verbundstoff gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R der Dicke der vorbesagten Schicht (2) zur Gesamtdicke des Stapels der abziehbaren Lamellen (1) weniger als 1 : 1 beträgt.

8. Anwendung des abziehbaren Verbundstoffes gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von Regelkeilen.