CH645299A5 - Verstaerkte rohrkonstruktion. - Google Patents

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CH645299A5
CH645299A5 CH149380A CH149380A CH645299A5 CH 645299 A5 CH645299 A5 CH 645299A5 CH 149380 A CH149380 A CH 149380A CH 149380 A CH149380 A CH 149380A CH 645299 A5 CH645299 A5 CH 645299A5
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tube
metal tube
lining
laminate
shaft
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CH149380A
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Morris S Loyd
Timothy W Mcgann
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Rockwell International Corp
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Description

Durch die vorliegende Erfindung werden die zuvor erwähnten Nachteile durch die Verwendung eines Verbundes mit einer Auskleidung vermieden, die das äussere Metallrohr verstärkt. Durch die erhöhte Längssteifigkeit bzw. Knicksteifigkeit aufgrund der Auskleidung 18 kann die Dicke des Metallrohres 12 verringert werden, so dass das Metallrohr nur noch die erforderliche Stärke zur Aufnahme der Torsionsbelastungen haben muss. Die Anforderungen an die Torsionsbelastbarkeit können durch ein Metallrohr 12 mit geringerer Dicke erfüllt werden. Die Übertragung der Torsionslast bzw. des Drehmomentes erfolgt über die Schweissverbindungen zu den Endkörpern 14,16 an dem Metallrohr 12. Durch die verringerte Dicke des Metallrohres 12 und die Verwendung eines Verbundes mit einer Auskleidung 18 mit geringem Gewicht ergibt sich ein verringertes Gesamtgewicht der Antriebswelle 10. Auf diese Weise wird auch für
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eine gegebene Länge der Antriebswelle die kritische Umdrehungsgeschwindigkeit verringert, so dass die Verwendung einer längeren Antriebswelle möglich ist trotz der Einhaltung der Vorschriften hinsichtlich der kritischen Geschwindigkeit. Abhängig von der erforderlichen Gesamtlänge für den jeweiligen Anwendungszweck kann z.B. in Lastkraftwagen eine geteilte Welle mit einer Zwischenlagerung und entsprechender Rahmenkonstruktion vermieden werden.
Verbundmaterialien, die für die Auskleidung 18 geeignet sind, haben üblicherweise eine hohe Festigkeit, ein geringes Gewicht, sind zäh und haben eine gute Eigendämpfung. Sie bestehen beispielsweise aus einer Grundschicht, die verstärkt ist durch zueinander ausgerichtete, parallel verlaufende Fasern. Diese Schichten können aus einem einzelnen Laminat oder einem Vielfachlaminat bestehen, das zu zähen, harten und besonders festen Platten thermisch ausgehärtet wurde.
Die anfanglich geformten unausgehärteten Schichtmaterialien sind biegsam und vielgestaltig verformbar. Nach thermischer Aushärtung unter Anwendung von Wärme und Druck ergeben sich zähe, feste Platten, die ihre Form dauernd beibehalten und eine aus-sergewöhnlich hohe Zugfestigkeit aufweisen, die sich durch die Faserverstärkung ergibt.
Wie die Fig. 3 zeigt, ist eine Auskleidung 18 aus einem Laminat geformt, das aus mehreren Schichten besteht. In der Darstellung sind zwei Schichten 30, 32 gezeigt, die eine gleiche Grösse und Form aufweisen, um in gestapelter Form in gewünschter Länge das Laminat 18 zu ergeben, das in Fig. 4 dargestellt ist. Die Schichten 30, 32 bestehen aus einem Kunststoffgrundmaterial (Matrix), das durch ein Fasermaterial in Form von kontinuierlichen, längs ausgerichteten, zueinander parallelen Fasern 34 besteht. Die Schichten 30, 32 sind durch die Haftfestigkeit des thermisch aushärtenden Harzgrundmaterials aneinander gebunden, d.h. die Verbindung zwischen den Schichten 30, 32 erfolgt während der Aushärtung.
Bei der Ausführung der Erfindung ist der Ausrichtung der Fasern beim Aneinanderlegen der Schichten des Laminates Beachtung zu schenken. In optimaler Form sind die Fasern 34 der Schichten 30, 32 so ausgerichtet, dass bei der Anordnung der Auskleidung 18 in dem Rohr 12 der grösste Teil der Fasern 34 parallel zueinander in Längsrichtung des Rohres 12 verläuft, denn die grösste Steifigkeit durch die Fasern 34 ist in axialer Richtung der Fasern gegeben. Auf diese Weise wird eine maximale Längssteifigkeit und Knickfestigkeit in der Rohrkonstruktion 10 durch die Auskleidung 18 erzielt. In Fig. 3 ist die Ausrichtung der Fasern durch Pfeile 36, 38 angedeutet. Der Pfeil 36 entspricht einer Ausrichtung von + 5°, während der Pfeil 38 eine Ausrichtung von —5" hat. Normalerweise wäre diese Ausrichtung in bezug auf eine Achse, die zu den parallelen Enden 40,42 der Schichten 30, 32 parallel läuft. Der Grund, dass die Fasern 34 der Schichten 30, 32 nicht parallel zueinander, d.h. mit einer 0°-Ausrichtung verlaufen, liegt darin, dass die Querausrichtung eine Abstützung der Fasern der Schicht 30 durch die Fasern 34 der Schicht 32 ermöglicht und das Aufrollen des Laminates 18 erleichtert bei gleichförmiger Verteilung der Fasern 34 in den Schichten 30, 32. Abhängig jedoch von dem Verfahren zur Herstellung der Auskleidung 18 können die Fasern 34 der Schichten 30, 32 auch eine 0°-Ausrichtung haben. Wichtig ist, dass der überwiegende Teil, normalerweise mindestens 80%, der Fasern 34 eine Ausrichtung hat, die im wesentlichen parallel ist, d.h. innerhalb von 10" zur Längsachse des Rohres 12. Es kann wünschenswert sein, dass ein kleiner Anteil der Fasern, z.B. 10%, eine Ausrichtung von ungefähr 90° hat, d.h. im wesentlichen in Umfangsrichtung um die Auskleidung 18 verläuft, nachdem die Auskleidung in dem Rohr 12 angebracht wurde. Auf diese Weise ist das Verbundmaterial der Auskleidung 18 widerstandsfähiger hinsichtlich der thermischen Ausdehnung in dem Metallrohr 12. Um dies zu erreichen, kann eine dünne Schicht oder können mehrere dünne Schichten mit einer Ausrichtung der Fasern unter 90° zwischen den Schichten 30, 32 angeordnet werden.
Wie die Fig. 2 zeigt, hat die Auskleidung 18 eine unterschiedliche Dicke mit einer Verjüngung, ausgehend von der Mitte zu den Enden hin. Dies ergibt sich im wesentlichen durch die Trapezform der
Schichten 30, 32 in Abwicklung und durch das Aufwickeln des Laminates 18 um einen Dorn 52, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist. Beim überlappenden Aufwickeln des Laminates erhält dies somit eine zunehmend geringere Länge, d.h. zur Mitte der Rohrkonstruk-s tion hin sind mehr Wicklungslagen vorhanden. Der Zweck dieser Gestaltung ergibt sich aus den Fig. 5 und 7, indem der äussere Umfang der Auskleidung 18 über die Windungen des Laminates mit der inneren Umfangsfläche 25 des Rohres klebend verbunden ist. Dabei ergibt sich eine Aufspreizung der Abschälkräfte, die bestrebt sind, io die Auskleidung 18 von der Oberfläche 25 des Metallrohres abzulösen. Diese Aufteilung erfolgt innerhalb des Laminates 18 und beseitigt Kerbwirkungen, die ebenfalls bestrebt sind, die Auskleidung von der Fläche 25 abzulösen.
Um die Längsversteifung und Erhöhung der Knickfestigkeit für 15 das mit verringerter Wanddicke versehene Metallrohr 12 zu erhalten, ist es wichtig, die Art des verwendeten Verbundmaterials für die Schichten 30, 32 und insbesondere der Fasern 34 auszuwählen. Das Kunststoffgrundmaterial (Matrix) kann irgendein geeignetes Material sein und ist beispielsweise Polyamid oder Epoxyharz. Bei der Aus-20 wähl des Verbundmaterials für die Auskleidung sollten folgende Testbedingungen erfüllt sein:
> %
Dl Dx
25 Die Indizien L und T beziehen sich auf die Auskleidung bzw. das Rohr. D entspricht der Dichte und E dem Youngschen Modul in Längsrichtung. Es ist von Bedeutung, dass die erhöhte Längsteifig-keit des Metallrohres 12 bei geringerem Gewicht oder Dichte erreicht wird, die die Antriebswelle 10 im Vergleich zu einer entspre-30 chenden Erhöhung der Dicke in einem Metallrohr 12 erhält. Pro Gewichtseinheit wird durch die Auskleidung aus Verbundmaterial eine höhere Steifigkeit erzielt als durch das metallische Material des Rohres 12.
Optimal hat das Fasermaterial einen Youngschen Modul in 35 Längsrichtung, der grösser ist als für das Metall des Metallrohres. Auf diese Weise würde der Youngsche Modul für die Auskleidung sich demjenigen des Metallrohres annähern. Der Vorteil einer Verwendung von Fasern mit einem hohen Modul besteht darin, dass für die Auskleidung 18 weniger Schichten erforderlich sind, um 40 die benötigte Längsversteifung zu erhalten. Auf diese Weise ist eine Verringerung der Kosten sowie des Gewichtes der Auskleidung möglich. Ein zu geringer Modul für die Auskleidung würde eine Dicke der Auskleidung erfordern, die grösser ist, als durch den Innendurchmesser des Rohres 12 zur Verfügung steht, oder es wäre 45 nicht ausreichend Platz vorhanden, um die Auskleidung 18 in das Rohr 12 einzuführen. In der Tabelle I sind einige geeignete Fasern 34 angegeben, wenn das Metallrohr 12 aus Stahl besteht.
Tabelle I
50
Faser
Hersteller
Youngscher Modul (kg/cm2)
55
Pitch 50
Union Carbide
3,52 x 10ô
Pitch 75
Union Carbide
5,28 x 106
Pan 50
Union Carbide
3,52 x IO6
AS-1
Hercules Corp.
2,25-2,46 x 10«
60 Obgleich in der angegebenen Tabelle nur Graphitfasern angegeben sind, können auch andere Materialien verwendet werden, z.B. Bor oder Kevlar. Stahl hat angenähert einen Youngschen Modul E von 2 x 10® kg/cm2. In jedem der in der Tabelle aufgeführten Fälle beträgt der Youngsche Modul in Längsrichtung für das Fasermate-65 rial mehr als für den Stahl des Metallrohres 12. Wenn die Fasern jedoch in dem Kunstharzgrundmaterial eingebettet sind, ergibt sich eine Verringerung des Youngschen Moduls für die Auskleidung 18, und die Tabelle II gibt den Youngschen Modul für einige in der
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Tabelle I genannten Fasern in einem Epoxylaminat sowie die Dichte des Laminates an.
Tabelle II
Faser
Youngscher Modul des Laminates (kg/cm2)
Dichte des Laminates (g/cm3)
Pitch 50
1,97 x 106
1,72
Pitch 75
3,17-3,52 x IO6
1,72
AS-1
1,27-1,34 x IO6
1,60
Stahl hat eine angenährte Dichte von 7,83 g/cm3. Als Beispiel für das zuvor gegebene Testverhältnis für eine Faserwicklung (Pitch 50) mit Epoxylaminat ergibt sich EL dividiert durch DL = 4,52 x 108. Dieses Verhältnis ist grösser als das Verhältnis von Ep dividiert durch Dt für Stahl, das 1,02 x 10® entspricht. Normalerweise wird das Verhältnis für die Auskleidung ungefähr 400% grösser sein als für Metall.
Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, dass durch Anschweissen der Endkörper 14,16 an das Metallrohr 12 die Auskleidung 18 im Inneren des Metallrohres 12 eingekapselt ist. Die äussere Fläche der Antriebswelle 10 ist ganz metallisch. Auf diese Weise ist die Auskleidung 18 aus Kunststoffverbundmaterial nach aussen nicht erkennbar, und ausserdem gegenüber Beschädigungen geschützt, wie z.B. geschossartig auftreffende Fremdkörper sowie gegenüber Umwelteinflüssen, wie Wasser, und im geringeren Masse durch Wärme, die zu einer Abblätterung der Auskleidung 18 und Ablösung am Verbindungsbereich führen könnten. Durch Verwendung eines nichtmetallischen Materials für die Auskleidung 18 ergibt sich auch eine Dämpfung von Schwingungen in der Antriebswelle.
Die Herstellung der Rohrkonstruktion 10 kann auf optimale Weise durch das im folgenden beschriebene Verfahren hergestellt werden. Entsprechend den Darstellungen in den Fig. 3 und 4 werden die nicht ausgehärteten Blätter 30, 32 bzw. Schichtteile zu einem Laminat 18 geformt. Im nicht ausgehärteten Zustand sind die Schichtblätter 30, 32 ziemlich flexibel und deformierbar, so dass die Auskleidung 18 in eine rohrförmige Gestalt entsprechend den Darstellungen der Fig. 4 und 5 gerollt werden kann. Entsprechend der Darstellung in Fig. 4 wird das Laminat um einen hohlen zylindrischen flexiblen bzw. ausdehnbaren Dorn 52 auf einer ebenen Fläche, z.B. einem Tisch 60, gewickelt. Der Dorn 52 besteht vorzugsweise aus Silikongummi oder einem anderen geeigneten flexiblen Material. Das Laminat 18 ist so um den Dorn 52 gewickelt, dass durch die Art der Wicklung eines in der Abwicklung im wesentlichen trapezförmigen Laminates 18 sich ein Rohrgebilde mit einer unterschiedlichen Wanddicke ergibt. Bei einer typischen Art des Umwickeins weisen die äusseren Enden vier Lagen übereinander auf, während im mittleren Teil 28 Lagen übereinander angeordnet sind. Vor Beginn des Aufwickeins wird der flexible Dorn 52 beispielsweise um einen hohlen zylindrischen Stützdorn 54 derart angebracht, dass der Stützdorn 54 genau in die Bohrung des flexiblen Dornes 52 koaxial verlaufend hineinpasst. Für eine gute Steifigkeit besteht der Stützdorn 54 beispielsweise aus metallischem Material. Mit den Enden des Stützdornes 54 sind Endabschlusskörper (Endfittinge) 56, 58 verbunden. Der Abschlusskörper 56 dichtet das Ende des Dornes 54, während der Abschlusskörper 58 eine Bohrung aufweist für die Verbindung einer ein Druckmedium führenden Leitung 86 mit dem Innenraum des Dornes 54. Das vollständig aufgewickelte Laminat 18 ist in der Fig. 5 dargestellt.
Vor Einsetzen der insgesamt mit der Ziff. 65 bezeichneten Anordnung in das Rohr 12, die aus dem aufgewickelten Laminat 18, dem flexiblen Dorn 52, dem Stützdorn 54 und den Abschlusskörpern 56, 58 besteht, wird die äussere Fläche des zu einem Rohrgebilde gewickelten Laminates 18 mit einem nicht dargestellten Kleb-stoflïlm bedeckt, der normalerweise aus dem gleichen Material bestehen wird wie das Harzmaterial des Grundmaterials des Laminates, d.h. aus Epoxyharz. Diese Massnahme entspricht einer wahlweisen, jedoch wünschenswerten Verfahrensstufe, denn das Grundmaterial des Laminates würde selbst während der Aushärtung als Klebematerial dienen, um die Auskleidung 18 mit dem Rohr 12 zu verbinden. Die Aufbringung eines zusätzlichen Klebemittels an der Verbindungsfläche erhöht jedoch die Festigkeit der Verbindung. Der Klebematerialfilm wird dann vorzugsweise mit einer Substanz behandelt, die vorübergehend die Klebewirkung herabsetzt, z.B. pul-verförmigem Cab-O-Sil. Diese Substanz wird in dem Klebstoffüberzug während des Aushärtungsprozesses absorbiert, ohne die Qualität der sich ergebenden Klebeverbindung zu beeinträchtigen. Weiterhin wird vor dem Einfügen der Anordnung 65 in das Rohr 12 die innere Oberfläche 25 des Rohres mit einem Haftgrund (primer) überzogen. Solch ein Haftgrundmaterial erleichtert die Bindung des Verbundmaterials der Auskleidung 18 mit dem Metallrohr 12 und schütz das Metall vor Oxidation während der Herstellung der Klebeverbindung. Ein Beispiel eines solchen Haftgrundmaterials ist unter der Handelsbezeichnung 3M EC3917 der Firma Minnesota Manufacturing and Mining Corporation erhältlich. Der Haftgrund kann durch Besprühen der Oberfläche 25 oder Eintauchen des Rohres 12 in ein Bad usw. aufbegracht werden.
Fig. 6 zeigt die Verfahrensstufe des Einsetzens der Anordnung 65 in ein Metallrohr. Die Durchmesser der Dorne 52, 54 sind so gewählt, dass der Aussendurchmesser des aufgewickelten Laminates an der dicksten Stelle etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Metallrohres 12. Dies gewährleistet, dass die gesamte Anordnung 65 ohne Klemmen in das Rohr 12 eingeschoben werden kann. Die Einführung der Anordnung 65 erfolgt vorzugsweise in vertikaler Lage, da sich hierbei ein minimaler Kontaktdruck zwischen dem Klebstoffüberzug auf dem Material der Auskleidung 18 und der mit Haftgrund überzogenen Fläche 26 des Rohres 12 ergibt. Hierzu kann ein senkrecht aufgehängter, nicht dargestellter Flaschenzug verwendet werden, der über ein Ringglied 70 an dem Abschlusskörper 56 und einen lösbaren Haken 52 verbunden ist. Die Fig. 7 zeigt die Anordnung 65 nach ihrer Einfügung in das Rohr 12.
Fig. 8 zeigt das Binden und gleichzeitige Aushärten des Materials der Auskleidung 18 an der Fläche 25 des Rohres 12. Der Stützdorn 54, z.B. aus Metall, hat zahlreiche Öffnungen 80 (Fig. 7) in seiner Oberfläche. Der Endabschlusskörper 58 hat einen zylindrischen Flansch 82 an seinem einen Ende, in dem sich eine Gewindebohrung 84 befindet. Dies ermöglicht die Verbindung der Rohrleitung 86 (Fig. 7), die ein vorstehendes Ende 88 hat, das für das Einschrauben in die Bohrung 84 mit einem Aussengewinde versehen ist. Die Leitung 86 ist mit einer geeigneten, nicht dargestellten Druckluftquelle verbunden. Abschlusshülsen 90, 91 dienen dazu, den flexiblen Dorn 52 gegenüber dem Stützdorn 54 abzudichten, indem sie um die Enden des flexiblen Dornes 52 herum angeordnet sind, die von den Enden des Metallrohres 12 abstehen. Die Abschlusshülsen 90, 91 grenzen an die Enden des Rohres 12 an, so dass während der Expansion des flexiblen Dornes 52 kein Spiel zwischen den Hülsen und den Rohrenden vorhanden ist. Dadurch kann der Gummischlauch sich über die Lücke hinweg ausdehnen, der sonst ein Zerreissen des flexiblen Dornes 52 verursachen könnte. Um sicherzustellen, dass die Abschlusshülsen 90,91 ihre Abdichtung aufrechterhalten und nicht von den Rohrenden 12 weggeschoben werden, sind Bolzen 92,93 in der Hülse 90 und Bolzen 94, 95 in der Hülse 91 vorgesehen. Die Bolzen 92, 94 sind miteinander durch ein Metallband 100 verbunden. Auf entsprechende Weise sind auch die Bolzen 93, 95 durch ein Metallband 102 miteinander verbunden. Diese Bänder 100, 102 dienen dazu, die Längsbewegung der Abschlusshülsen 90,91 von einander weg zu verhindern. Ausserdem sind Klemmdrähte oder O-Ringe 110,112 vorhanden, um die Abdichtung des flexiblen bzw. expandierbaren Dornes 52 gegenüber dem Stützdorn 54 zu gewährleisten. Der O-Ring 110 passt zwischen den Dorn 52 und die Hülse 90, während der O-Ring 112 zwischen den Dorn 52 und die Hülse 91 passt. Die Hülsen 90, 91 können bei Raumtemperatur über die O-Ringe 110, 112 geschoben werden, indem absichtlich eine lose Passung vorgesehen ist. Während des Aushärtens und
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der Herstellung der Klebeverbindung, die bei erhöhter Temperatur erfolgen, dehnt sich das Gummimaterial der O-Ringe 110,112 aufgrund ihrer Erwärmung aus, so dass die O-Ringe 110,112 sich eng um die Abschlusshülsen und den flexiblen Dorn 52 anschliessen und eine gute Abdichtung erreicht wird. Diese Art der Abdichtung ermöglicht es, dass der flexible Dorn 52 sich auch in Längsrichtung ausdehnen kann, ohne dass seine Wand nach innen gefaltet wird.
Vorzugsweise wird das Laminat 18 ausgehärtet, während es gleichzeitig mit der Oberfläche 25 verbunden wird. Es ist jedoch auch möglich, das Laminat 18 vor dem Einsetzen in das Rohr 12 auszuhärten und danach mit der Oberfläche 25 des Rohres 12 zu verkleben. Dies würde jedoch eine zusätzliche Verfahrensstufe erfordern, und es Hesse sich nicht eine gleich gute Haftung der Auskleidung 18 an der Oberfläche 25 des Rohres 12 erreichen. Bei gleichzeitiger Ausführung des Aushärtens mit dem Verkleben wird die aus Fig. 8 ersichtliche Gesamtanordnung in einen nicht dargestellten Härteofen eingebracht, in dem eine Erwärmung auf die Aushärtetemperatur erfolgt, die normalerweise im Bereich von 120-315° C und typischerweise bei 177°C für Graphitepoxylaminat liegt. Wenn die Anordnung einmal auf die Härtetemperatur erhitzt ist oder auch bereits gleichzeitig mit der Erhitzung, wird ein Druckmedium, z.B. Pressluft, in den Dorn 54 eingeführt. Der Druck liegt normalerweise im Bereich zwischen 3,2 und 7 kg/cm2. Typischerweise wird jedoch Pressluft bei 6 kg/cm2 verwendet. Die Pressluft in dem Dorn 54 gelangt durch die Öffnungen 80 und führt in Zusammenwirkung mit der erhöhten Temperatur zu einer Ausdehnung des flexiblen Dornes 52 gegen die Fläche 25 des Metallrohres 12. Die Ausdehnung des flexiblen Dornes 52 drückt entsprechend das Material der Auskleidung 18 nach aussen gegen die Innenfläche 25 des Rohres 12, und das Laminat ist zwischen dem Dorn 52 und der Fläche 25 des Rohres komprimiert. Dieser Zustand wird während ungefähr 1 h aufrechterhalten, so dass die Auskleidung 18 gehärtet und mit der Fläche 25 des Rohres fest verbunden ist. Aufgrund der Flexibilität des nicht ausgehärteten Laminates 18 gelangt die gesamte äussere Oberfläche des aufgewickelten Laminatmaterials in Kontakt mit der In-5 nenfläche 25 des Rohres 12, obgleich die Auskleidung 18 sich in der Dicke von der Mitte zu den Enden hin verjüngt. Entsprechend werden die Enden der rohrförmigen Auskleidung 18 stärker ausgedehnt, um in Kontakt mit der Innenfläche des Rohres zu gelangen, als der mittlere Abschnitt der Auskleidung. Nach der Aushärtung verjüngt io sich die Dicke der Auskleidung 18 weiterhin von der Mitte zu den Enden hin mit dem Unterschied jedoch, dass nunmehr die innere Oberfläche der Auskleidung 18 nach aussen konisch verläuft, anstatt wie zuvor die nach aussen gerichtete Oberfläche. Wenn die Auskleidung 18 bereits vor der Herstellung der Verbindung mit dem 15 Rohr 12 ausgehärtet worden wäre, wäre diese Verfahrensstufe gleich mit der Ausnahme, dass nur eine Klebeverbindung der Auskleidung 18 mit der inneren Oberfläche des Rohres 12 erzielt wird, normalerweise bei der gleichen Temperatur wie beim gleichzeitigen Aushärten des Materials der Auskleidung zusammen mit der Her-20 Stellung der Klebeverbindung, d.h. bei 177°C für Graphitepoxyharz, wobei ebenfalls der flexible Dorn 52 die Andruckkraft für die Herstellung der Klebeverbindung erzeugt.
Nach Abschluss der Verfahrensstufe des Aushärtens und Verklebens wird die Temperatur auf Raumtemperatur verringert und der 25 Pressluftdruck abgeschaltet, so dass die Anordnung nach Fig. 8 aus dem Härteofen entfernt werden kann. Die Abschlusshülsen 90, 91 sowie die Dorne 52, 54 werden anschliessend entfernt. Wie bereits eingangs beschrieben, sollten die Fasern der Auskleidung 18 im wesentlichen parallel zur Längsachse des Metallrohres 12 verlaufen. In 30 diesem Zustand hat nunmehr das Rohr 12 ein Aussehen, wie es in Fig. 9 ersichtlich ist.
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2 Blätter Zeichnungen

Claims (21)

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    PATENTANSPRÜCHE
    1. Verstärkte Rohrkonstruktion mit einem Metallrohr (12), gekennzeichnet durch eine Innenauskleidung (18) des Metallrohres aus einem ausgehärteten Kunststoffverbundmaterial, das mit der inneren Umfangsfläche (25) des Metallrohres klebend verbunden ist, wobei das Verbundmaterial aus einem mehrlagigen Fasermaterial in einer Kunststoffgrundmasse besteht, so dass die Längssteifigkeit der Rohrkonstruktion verstärkt ist.
  2. 2. Rohrkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung eine unterschiedliche Dicke hat.
  3. 3. Rohrkonstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung sich von ihrer Mitte zu ihren Enden hin verjüngt.
  4. 4. Rohrkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial in Längsrichtung einen Youngschen Modul hat, der grösser ist als derjenige des Metalls des Metallrohres (12).
  5. 5. Rohrkonstruktion nach einem der beiden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Youngschen Moduls in Längsrichtung zur Dichte des Materials der Auskleidung (18) grösser ist als für das Metallrohr (12).
  6. 6. Rohrkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegende Teil der Fasern des Fasermaterials parallel zur Längsachse des Metallrohres (12) verläuft.
  7. 7. Rohrkonstruktion nach einem der beiden Ansprüche 2 oder 6, gekennzeichnet durch zwei metallische Endkörper (14, 16), die jeweils mit einem Ende des Metallrohres (12) verbunden sind, so dass die Auskleidung (18) eingekapselt gegen äussere Einflüsse geschützt ist.
  8. 8. Rohrkonstruktion nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallrohr (12) aus Stahl besteht, das Fasermaterial aus Graphit und das Kunststoffgrundmaterial aus Epoxyharz.
  9. 9. Rohrkonstruktion nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Fasern in Umfangsrichtung der Auskleidung (18) verläuft.
  10. 10. Verfahren zur Herstellung der verstärkten Rohrkonstruktion nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Herstellen eines Laminatblattes aus mehreren Lagen von Fasermaterial in einem unausgehär-teten Kunststoffgrundmaterial, Aufwickeln des Laminatblattes (18) auf einem flexiblen Dorn (52), Einsetzen des flexiblen Domes mit dem aufgewickelten Laminat in ein Metallrohr (12) und Aushärten des Laminatmaterials in der inneren Oberfläche (25) des Metallrohres (12), so dass eine feste Verbindung dieser Oberfläche entsteht.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Dorn (52) während der Aushärtung expandiert wird, so dass das Laminatmaterial zwischen dem Dorn (52) und der inneren Oberfläche (25) des Stahlrohres (12) komprimiert wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Youngschen Moduls in Längsrichtung zur Dichte des Laminatmaterials grösser ist als bei dem Metallrohr.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegende Teil der Fasern des Fasermaterials so in dem Laminat angeordnet ist, dass die Fasern nach der Aushärtung parallel zur Längsachse des Metallrohres verlaufen.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Herstellung der Auskleidung (18) verwendete Laminatblatt die Form eines Trapezes hat, so dass die Auskleidung in aufgewickeltem Zustand innerhalb des Stahlrohres (12) eine unterschiedliche Dicke aufweist.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Verbinden der metallischen Endkörper (14, 16) mit den Enden des Metallrohres (12), so dass die Auskleidung (18) nach aussen abgekapselt ist.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Dorn (52) rohrförmig ist und mittels eines unter Druck stehenden Mediums ausgedehnt wird.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Dorn (52) auf einem Stützdorn (54) angeordnet wird, in dem sich zahlreiche Öffnungen (80) befinden, so dass das unter Druck stehende Medium aus dem Innenraum des Stützdornes durch die Öffnungen (80) in den flexiblen Dorn (52) gelangt.
  18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch Entfernen des Stützdornes (54) und des flexiblen Domes (52) aus der Rohrkonstruktion (12, 18).
  19. 19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch Aufbringen eines Haftgrundes auf der inneren Umfangsfläche (25) des Metallrohres (12) und Aufbringen eines Klebematerials auf der äusseren Oberfläche des aufwickelten Laminatblattes (18) (Fig. 4).
  20. 20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Klebematerial eine Substanz aufgebracht wird, die vorübergehend die Klebewirkung verringert.
  21. 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Fasermaterial Graphit verwendet wird und für das Kunststoffgrundmaterial Epoxyharz, und dass der flexible Dom (52) aus Gummi besteht.
    Metallische Rohrelemente mit verschiedenen Querschnittsformen, d.h. rund, rechteckförmig usw., die als Antriebswellen, Spurstangen, Kuppelstangen, Blindwellen, Querträger, Lenksäulen usw. verwendet werden, dienen üblicherweise dazu, ein Nutzdrehmoment zu übertragen. Im Beispiel von üblichen Kraftfahrzeugen und anderen Fahrzeugen überträgt die Antriebswelle das Drehmoment von dem Getriebe zu dem Differential, wo es in eine Antriebskraft auf die rückseitigen Räder des Fahrzeuges umgewandelt wird.
    Üblicherweise sind solche Rohrkonstruktionen, wie z.B. Automobilantriebswellen, aus Stahl hergestellt oder aus einem ähnlichen Material hoher Dichte, und es ist ein wesentlicher Durchmesser und Wanddicke des Rohres erforderlich, um eine ausreichende Steifigkeit für das erforderliche Drehmoment und die Torsionsbelastungen zu erhalten. Ein hohes Gewicht solcher Antriebswellen führt zu erhöhten Herstellungskosten und zu einem höheren Treibstoffverbrauch des Fahrzeuges. Ausserdem liegt die kritische Resonanzfrequenz niedrig und die Herstellungskosten sind verhältnismässig hoch. Die Verringerung der Wellendicke, um eine Gewichtsverringerung zu erreichen, hat sich nicht als zufriedenstellende Lösung gezeigt, da eine solche Welle, obgleich sie Torsionsbelastungen aufnehmen kann, nicht eine ausreichende Knickfestigkeit bzw. Längssteifigkeit aufweist, so dass die Anforderungen hinsichtlich einer kritischen Drehgeschwindigkeit bei Torsionsbelastung nicht erfüllt werden.
    Die erwähnten Einflüsse haben noch grössere Bedeutung an langen Antriebswellen, wie z.B. bei Lastkraftfahrzeugen grösserer Länge. Bei grösserer Fahrzeuglänge werden die Antriebswellen in zwei oder mehr Wellenteile unterteilt, da das Verhältnis zwischen Gewicht und Steifigkeit bei einer einzelnen metallischen Antriebswelle zu einer zu geringen kritischen Drehzahl führen würde. Mehrere Wellenteile werden über ein Stützlager mit einer angepassten Rahmenkonstruktion gelagert. Diese führen ebenfalls zu einer Erhöhung des Gewichtes und der Kosten der Antriebsübertragung, da somit zusätzliche Teile und eine zusätzliche Arbeit für ihre Montage erforderlich ist.
    Zur Vermeidung der erwähnten Schwierigkeiten wurden Rohrkonstruktionen, z.B. für Antriebswellen, vorgeschlagen, die aus einem Materialverbund bestehen. Z.B. wird ein Grundmaterial (Matrix) aus Kunstharz verwendet, das durch Schichten aus Fasermaterial verstärkt ist, wie z.B. aus Kevlar, Bor oder anderen Kohlenstof-fasern. Es hat sich jedoch gezeigt, dass solche Rohrelement aus Verbundmaterial nicht voll zufriedenstellend sind. Obgleich sie ein geringes Gewicht aufweisen und der Welle eine Steifigkeit verleihen können, sind sie jedoch nicht zufriedenstellend hinsichtlich der möglichen Torsionsbelastungen. Ausserdem sind solche Rohrelement durch äussere Einwirkungen, wie z.B. Schlageinwirkungen, gefähr5
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    det. Ein Schuppeneffekt an der Oberfläche des Verbundmaterials durch gegengeschleuderte Gegenstände kann zu einer Delaminie-rung führen sowie zu Unwuchten in der Welle. Weiterhin können Umwelteinflüsse aufgrund von Feuchtigkeit, chemischen Lösungsmitteln und Wärme zu einer Delaminierung und zu einem Bruch der Haftverbindung der Laminate führen. Die Verbindung von solchen Rohrelementen aus Verbundmaterial mit metallischen Endekörpern, z.B. dem Kreuzkopf einer Antriebswelle, hat ebenfalls zu Schwierigkeiten geführt. Obgleich die Benutzer von Fahrzeugen und insbesondere von Kraftfahrzeugen eine Verringerung des Fahrzeuggewichtes wünschen, besteht doch ein Verurteil gegen den sichtbaren Ersatz von stählernen Antriebswellen durch nichtmetallische Materialien, das hinsichtlich der Empfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse zum Teil auch berechtigt ist.
    Stand der Technik
    Die US-Patentschrift Nr. 3458374 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von umsponnenen bzw. umflochtenen rohrförmigen Lagern mit einer Auskleidung aus PTFE. Die rohrförmige Konstruktion entsprechend dieser Erfindung entspricht einem Kunststoffla-ger, das um eine Schicht aus PTFE herumgeformt ist.
    Die US-Patentschrift Nr. 4014184 betrifft die Auskleidung einer Propellerwelle, wobei eine rohrförmige Auskleidung aus Papier in eine hohle zylindrische Propellerwelle eingeführt wird. Die Papierauskleidung muss aus einem biegsamen Material bestehen, um einen federnden Widerstand gegen radiale Zusammenpressung aufzuweisen. Die Auskleidung dient dazu, Schwingungen in der Propellerwelle zu dämpfen.
    Die US-Patentschrift Nr. 4089190 beschreibt eine Anstriebswelle aus einem Verbundmaterial. Die US-Patentschrift Nr. 3553978 offenbart eine Propellerwelle aus Verbundmaterial. Diese Welle hat einen schaftförmigen Kern aus Polyurethan, der Endkörper verbindet, und ein Rohr aus Verbundmaterial ist um den Kern herumgeformt.
    Die US-Patentschrift Nr. 3372462 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von durch Kunststoff ausgekleideten Metallrohren.
    Nach diesem Verfahren wird ein Kunststoffrohr erhitzt, um seinen Aussendurchmesser zu verkleinern, und anschliessend in ein Metallrohr eingesetzt, dessen Durchmesser kleiner ist, um einen Kontakt mit der Aussenseite des Kunststoffrohres zu erhalten. Danach wird die Anordnung abgekühlt, so dass Kunststoffrohr sich ausdehnt und sich eine feste Verbindung mit dem Metallrohr ergibt. Die Kunststoffauskleidung wurde beschrieben als Mittel zur leichten Sterilisation des Rohres und um andere Teile direkt an das innere Kunststoffrohr anschliessen zu können statt an das Metallrohr. Es ist nicht Aufgabe der Erfindung gemäss der letztgenannten Patentschrift, die Kunststoffauskleidung für die Erhöhung der Knickfestigkeit einer Rohrkonstruktion zu verwenden. In dieser Hinsicht werden Kunststoffmaterialien, wie z.B. Polyvinylchlorid, verwendet, die geeignet sind, unter Wärmeeinwirkung zu schrumpfen, im Gegensatz zu einem Auskleidungsmaterial aus einem aushärtenden Verbundmaterial, das mehrere Schichten aus Fasermaterial in einem festen Grundmaterial aus Kunststoff einschliesst.
    Entsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verstärkte Rohrkonstruktion zu finden, die ein geringes Gewicht aufweist, wirtschaftlich herstellbar ist und bei hoher Widerstandsfähigkeit Torsionsüberlastungen aufnimmt. Bei ihrer Anwendung als Welle soll eine vorteilhafte Kombination zwischen geringem Gewicht und hoher kritischer Umdrehungsgeschwindigkeit gegeben sein. Bei der Anwendung als Antriebswelle in langgestreckten Lastfahrzeugen soll die Rohrkonstruktion eine Unterteilung in mehrere Wellenteile und damit Verbindungsstücke und Lagerteile überflüssig machen. Weiterhin soll ein Verfahren für die Herstellung einer derartigen verstärkten Rohrkonstruktion gefunden werden.
    Die genannten Aufgaben werden gelöst durch eine verstärkte Rohrkonstruktion und ein Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1 und 10.
    Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines verstärkten rohrförmigen Konstruktionsteiles als Antriebswelle,
    Fig. 2 einen Querschnitt in Richtung der Pfeile 2-2 der Fig. 1, Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der voneinander abgelöst dargestellten Schichten, die die Auskleidung gemäss der Erfindung bilden, zur Darstellung der Richtung der Fasern der Schichtlagen,
    Fig. 4 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Verfahrensschrittes bei der Herstellung der Welle nach Fig. 1, bei der das Laminat um einen biegsamen Dorn gewickelt wird,
    Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Laminates, nachdem es vollständig um einen biegsamen Dorn und einen Stützdorn gewik-kelt wurde,
    Fig. 6 eine perspektivische Teilansicht zur Darstellung der Verfahrensstufe des Einsetzens der Anordnung aus den umwickelten Laminaten mit dem Dorn in ein äusseres Metallrohr,
    Fig. 7 einen Längsschnitt durch das umwickelte Laminat und die Dorne, nachdem diese in das äussere Metallrohr eingeführt wurden und vor der Ausdehnung des flexiblen Dornes sowie des Laminates, Fig. 8 einen Längsschnitt zur Darstellung des Aushärtens beim Formen der Rohrkonstruktion, wobei der flexible Dorn so ausgedehnt wird, dass das Laminat zwischen dem flexiblen Dorn und der Innenfläche des Metallrohres komprimiert wird,
    Fig. 9 die voneinander getrennte perspektivische Darstellung von Teilen der Rohrkonstruktion mit den Endkörpern, die an dem Metallrohr befestigt sind, und
    Fig. 10 eine perspektivische Darstellung der verstärkten Rohrkonstruktion beim Schweissen der Endkörper an das Metallrohr.
    Obwohl die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben wird, versteht es sich doch, dass sie nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist und zahlreiche Änderungen in äquivalenter Form möglich sind.
    Die Fig. 1 und 2 zeigen eine verstärkte Rohrkonstruktion gemäss der Erfindung im Beispiel der Antriebswelle eines Kraftfahrzeuges. Die Antriebswelle 10 hat ein Metallrohr 12, Endkörper 14,16 sowie eine Auskleidung 18 in Form eines ausgehärteten Verbundmaterials, das mit der inneren Umfangsfläche 25 des Rohres 12 verbunden ist. Das Metallrohr 12 ist zylindrisch gezeigt, jedoch kann es Querschnitte verschiedener Form aufweisen, z.B. auch eckig bzw. recht-eckförmig, quadratisch usw. Für das Metallrohr 12 wird typischerweise Stahl verwendet, und es wird mit ausreichender Dicke und ausreichendem Durchmesser vorgesehen, so dass die Steifigkeit gegenüber Torsion und Biegung ausreichend ist. Ausserdem bildet das Rohr 12 einen Schutz gegen äussere Einflüsse, wie z.B. Wärme und Feuchtigkeit oder Aufschlagen von Fremdkörpern. Obgleich Stahl das bevorzugte Material ist, kann jedoch auch Aluminium oder Titan verwendet werden. Wie noch näher beschrieben wird,
    sind die Endkörper 14, 16 durch Schweissen in den Bereichen 20, 22 mit dem Metallrohr 12 verbunden. Typische Endkörper 14, 16 sind geeignet, mit einer Universalverbindung bzw. einem Kreuzgelenkteil verbunden zu werden, so dass eine Aufnahme und Übertragung eines Drehmomentes zwischen Teilen der Kraftübertragung des Fahrzeuges möglich ist.
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