DE10022663A1 - Faserverstärktes Kunststoffrohr - Google Patents

Abstract

Ein faserverstärktes Kunststoffrohr (1) hat einen in einem Ende ausgebildeten Verbindungsabschnitt. Der Verbindungsabschnitt ist mit einem anderen Bauteil gekoppelt. Das Rohr (1) weist eine mit einer Faser ausgebildete Spirallage (4) auf. Die Faser ist mit einem Auflaufwinkel gewickelt, der kleiner oder gleich 45 Grad ist. Der Faservolumenanteil des Verbindungsabschnitts ist kleiner als der Faservolumenanteil des übrigen Teils des Rohrs (1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein faserverstärktes Kunststoffrohr, an dessen Enden Kopplungen befestigt werden.

Ein typisches Verfahren zur Herstellung eines faser­ verstärkten Kunststoffrohrs ist ein Filamentwickel­ verfahren bzw. Präzisionswickelverfahren. Bei diesem Verfahren werden Fasern mit Harz imprägniert und um einen Dorn gewickelt. Danach wird das Harz ausgehärtet. Die Festigkeit eines durch das Präzisionswickelverfahren hergestellten Rohrs hängt stark von dem Auflaufwinkel und der Anordnung der gewickelten Fasern ab. Der Auflauf­ winkel einer Faser ist der durch die Faser und den Dorn definierte Winkel. Falls der Auflaufwinkel auf kleiner oder gleich 45 Grad eingestellt ist, lässt sich der Auflaufwinkel nur schwer beibehalten und ist die Befesti­ gungskraft einer Faser gering. Außerdem kann der Gang zwischen den Windungen der Faser nicht auf einem vor­ bestimmten Wert gehalten werden.

Zur Herstellung eines steifen faserverstärkten Kunst­ stoffrohrs werden Bündel aus feinen Fasern verwendet. Bei einem kleinen Auflaufwinkel eines Bündels wird das Bündel verhältnismäßig lose um einen Dorn gewickelt. Infolge­ dessen ist es schwierig, mit dem Bündel einen Zylinder mit gleichmäßiger Dicke auszubilden. Außerdem kann zwischen den Fasern Luft oder überschüssiges Harz einge­ schlossen werden. Darüber hinaus muss zur Erhöhung der Steifheit eines faserverstärkten Kunststoffrohrs das Verhältnis des Faservolumens zu dem Gesamtvolumen des faserverstärkten Kunststoffrohrs beziehungsweise der nachstehend als Va bezeichnete Volumenanteil der Fasern erhöht werden.

Aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 8-290487 ist ein wie oben beschriebenes Filament- bzw. Präzisions­ wickelverfahren bekannt. Bei diesem Verfahren wird um einen Dorn herum aus einem Bündel Verstärkungsfasern eine Spirallage gebildet. Das Bündel wird mit einem verhält­ nismäßig kleinen Auflaufwinkel um den Dorn gewickelt. Um die Spirallage herum wird aus einem Bündel Verstärkungs­ fasern eine Bundringlage gebildet. Das Bündel der Bund­ ringlage wird mit einem verhältnismäßig großen Auflauf­ winkel um die Spirallage gewickelt. Die Befestigungskraft der Bundringlage ist größer als die der spiralförmigen Lage. Wenn die Bundringlage um die Spirallage gewickelt wird, werden Hohlräume in der Spirallage nach außen geschoben. Außerdem wird bei den Verstärkungsfasern in der Spirallage überschüssiges Harz herausgedrückt, was den Volumenanteil Va erhöht.

Darüber hinaus ist eine aus einem faserverstärkten Kunststoffrohr bestehende Kardanwelle mit an den Enden angebrachten Jochen bekannt. Zum Beispiel offenbart die japanische Offenlegungsschrift Nr. 8-108495 eine Kardan­ welle 50, deren eines Ende in Fig. 6 gezeigt ist. Die Welle 50 weist ein faserverstärktes Kunststoffrohr 51 und an die Enden des Rohrs 51 angebrachte Metalljoche 52 auf. Das Rohr 51 weist eine Spirallage 53 und Bundringlagen 54 auf. Die Spirallage 53 verläuft in Längsrichtung des Rohrs 51. Verstärkungsfasern der Spirallage 53 sind bezüglich der Achse des Rohrs 51 um ±5 bis 30 Grad gewinkelt. Die Bundringlagen 54 sind an den Enden des Rohrs 51 von der Spirallage 53 aus radial innen gelegen. Verstärkungsfasern der Bundringlagen 54 sind bezüglich der Achse des Rohrs 51 um ±80 bis 90 Grad gewinkelt. Die Bundringlagen 54 sind fest genug, um einer Kraft stand­ zuhalten, mit der die Joche 52 in die Enden des Rohrs 51 unter Kraftaufwendung eingeschoben werden.

Um die Steifheit eines faserverstärkten Kunststoffrohrs zu erhöhen, ist vorzugsweise der Volumenanteil Va zu erhöhen. Außerdem wird durch einen höheren Va der Elasti­ zitätskoeffizient der Welle vergrößert, was die Resonanz­ frequenz des Rohrs erhöht. Deswegen ist ein faser­ verstärktes Kunststoffrohr mit einem hohen Va als Kardanwelle geeignet.

Allerdings hat ein höheres Va weniger Harz zwischen der Spirallage 53 und der Bundringlage 54 zur Folge, was leicht zu einer Delaminierung führt. Besonders die in der Spirallage 53 erzeugte Spannung unterscheidet sich von der in der Bundringlage 54, was eine Delaminierung weiter fördert. Daher wird durch einen erhöhten Va die Halt­ barkeit der Enden des faserverstärkten Kunststoffrohrs 51 gesenkt.

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, ein haltbares faserverstärktes Kunststoffrohr bereitzustellen, das eine verbesserte Steifheit und einen verbesserten Elasti­ zitätskoeffizienten hat.

Zur Lösung der vorstehenden und weiterer Aufgaben ist erfindungsgemäß ein faserverstärktes Kunststoffrohr mit einem in einem Ende ausgebildeten Verbindungsabschnitt vorgesehen. Der Verbindungsabschnitt ist mit einem anderen Bauteil gekoppelt. Das Rohr weist eine mit einer Faser ausgebildete Spirallage auf, wobei die Faser mit einem Auflaufwinkel von kleiner oder gleich 45 Grad gewickelt ist. Der Faservolumenanteil des Verbindungs­ abschnitts ist kleiner als der Faservolumenanteil des übrigen Rohrs.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunst­ stoffrohrs mit einem in einem Ende ausgebildeten Verbin­ dungsabschnitt und einem mit dem Verbindungsabschnitt verbundenen Körperabschnitt gegeben. Der Verbindungs­ abschnitt ist dazu angepasst, mit einem anderen Bauteil zusammenzupassen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Wickeln einer mit Harz imprägnierten Faser um einen Dorn zur Ausbildung einer Spirallage, wobei der Auflaufwinkel der Faser bezüglich der Achse des Dorns kleiner oder gleich 45 Grad ist; Wickeln einer organischen Faser um die Spirallage mit einem Auflaufwinkel, der bezüglich der Achse des Dorns im wesentlichen 90 Grad beträgt; und derartiges Spannen der Faser, während die Faser gewickelt wird, dass der Faservolumenanteil des Verbindungs­ abschnitts kleiner als der Faservolumenanteil des Körper­ abschnitts des Rohrs ist.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Beispielen die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien veranschau­ licht sind. Es zeigen:

Fig. 1(a) eine schematische Ansicht eines faserverstärk­ ten Kunststoffrohrs gemäß einem ersten Ausführungs­ beispiel der Erfindung;

Fig. 1(b) eine Teilschnittansicht des Rohrs in Fig. 1(a) und eines an dem Rohr angebrachten Jochs;

Fig. 2 eine Perspektivansicht, die veranschaulicht, wie eine Faser um einen Dorn gewickelt wird;

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht, die die Faser aus Fig. 2 zeigt, wie sie um den Dorn gewickelt wird;

Fig. 4 eine Perspektivansicht eines Präzisionswickel­ geräts;

Fig. 5(a) eine Perspektivansicht, die veranschaulicht, wie Fasern gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel um einen Dorn gewickelt werden;

Fig. 5(b) eine von einem Ende aus erfolgende Sicht auf die in Fig. 5(a) gezeigten Fasern; und

Fig. 6 eine Teilquerschnittsansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Kardanwelle.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 wird nun ein faserverstärktes Kunststoffrohr 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Das faserverstärkte Kunststoffrohr wird für eine Kardanwelle 1 verwendet.

Wie in Fig. 1(b) gezeigt ist, weist die Kardanwelle 1 das zylinderförmige faserverstärkte Kunststoffrohr 2 und zwei Metalljoche 3 auf (von denen lediglich eines gezeigt ist). Die Joche 3 dienen als Kopplungen. Das Rohr 2 hat einen Hauptkörper 2a und zwei Verbindungsabschnitte 2b. Die Verbindungsabschnitte 2b (von denen nur einer gezeigt ist) sind an den Enden des Rohrs 2 ausgebildet. Das rohrnahe Ende jedes Jochs 3 ist durch in dem Joch 3 gebildete Kerbverzahnungen, die mit dem faserverstärkten Rohr 2 in Eingriff stehen, an einem der Verbindungs­ abschnitte 2b festgemacht. In jedem Joch 3 sind Löcher 3a ausgebildet. Durch die Löcher 3a wird an die Welle 1 ein Kreuzgelenk (d. h. eine kreuzförmige Verbindung) gekoppelt.

Der Volumenanteil Va der Verbindungsabschnitte 2b bezie­ hungsweise der Abschnitte A in Fig. 1(a) ist kleiner als der des übrigen Rohrs 2. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Va der Verbindungsabschnitte 2b 60% und der va des übrigen Rohrs 70%. Die Verstärkungsfasern des Rohrs sind Kohlenstofffasern. Das Matrixharz ist ein Epoxidharz.

Das faserverstärkte Kunststoffrohr 2 weist eine Spiral­ faserlage 4 und eine Bundringfaserlage 5 auf. Die Lagen 4, 5 sind aus Verstärkungsfaserbündeln gebildet. Das Bündel der Spirallage 4 ist mit einem vorbestimmten Gang gewickelt und bezüglich der Achse des Rohrs 2 um einen vorbestimmten Auflaufwinkel geneigt. Der Auflaufwinkel der Bündel beträgt für jede Bundringlage 5 ungefähr 90 Grad. Der Auflaufwinkel der Spirallage 4 ist kleiner oder gleich 45 Grad, um die erforderlichen Biege-, Torsions- und Schwingungseigenschaften zu erfüllen. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Auflaufwinkel der Spiral­ lage 4 ±10 Grad. Die Bundringlagen 5 sind lediglich an den Verbindungsabschnitten 2b des Rohrs 2 ausgebildet. Wie in Fig. 1(b) gezeigt ist, ist jede Bundringlage 5 in der Spirallage 4 eingebettet. Die Spirallage 4 und die Bundringlagen 5 bilden einen Faserschichtaufbau 32, wie er in Fig. 2 gezeigt ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird um den Schichtaufbau 32 herum ein Schichtaufbau aus einer organischen Faser 6 ausgebildet. Der Schichtaufbau der Faser 6 ist äußerst dünn und nicht in Fig. 1(b) dargestellt. Der Auflauf­ winkel der Faser 6 beträgt bezüglich der Rohrachse ungefähr 90 Grad. Ein Teil, an dem sich weniger Lagen der Faser 6 befinden, wird als ein Abschnitt mit niedrigem Va bezeichnet. Ein Teil, an dem sich eine größere Anzahl Lagen der Faser 6 befindet, wird als ein Abschnitt mit höherem Va bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in dem Abschnitt mit niedrigem Va eine einzige Lage der Faser 6 ausgebildet, wohingegen in dem Abschnitt mit hohem Va zwei Lagen der Faser 6 ausgebildet sind. Die Faser 6 ist ein aufschrumpfbarer Faden wie etwa ein Polyesterfaden.

Das Rohr 2 wird durch ein Präzisionswickelverfahren ausgebildet. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, weist ein Präzisionswickelgerät 11 auf einer Grundplatte 12 befind­ liche erste und zweite Arme 13, 14 auf. Die Arme 13, 14 tragen Rotationswellen 15, 16. Die Wellen 15, 16 ver­ laufen in Längsrichtung der Grundplatte 12. An den entfernten Enden der Wellen 15, 16 sind jeweils Spann­ futter 18, 19 angebracht. Die Spannfutter 18, 19 tragen Wellen 17a eines Dorns 17. Der erste Arm 13 ist an der Grundplatte 12 und der zweite Arm 14 an einer Platte 21 befestigt. Die Platte 21 wird durch einen Zylinder 20 in Längsrichtung der Grundplatte 12 bewegt.

Auf der Grundplatte 12 befindet sich ein Motor 22. Der Motor dreht sich sowohl in Vorwärts- als auch Rückwärts­ richtung. Zwischen der Antriebswelle des Motors 22 und der Rotationswelle 15 befindet sich ein Riemenmechanismus 23. Der Motor 22 dreht die Rotationswelle 15.

Auf der Grundplatte 12 befindet sich ein erstes Stell­ glied 24, das sich in Längsrichtung der Grundplatte 12 erstreckt. Das erste Stellglied 24 weist eine Kugel­ umlaufspindel und ein Mutter auf. Die Mutter wird durch die Kugelumlaufspindel bewegt. Mit der Mutter ist ein beweglicher Körper 24a verbunden. Ein zweites Stellglied 26 ist über einen Luftzylinder 27 mit dem beweglichen Körper 24a verbunden. Das zweite Stellglied 26 weist einen Speisekopf 25 zur Führung eines Faserbündels F auf. Das Bündel F ist mit Harz imprägniert.

Das zweite Stellglied 26 bewegt sich durch den Luft­ zylinder 27 zwischen einer gehobenen Position und einer Bezugsposition. Wenn sich das zweite Stellglied 26 an der Bezugsposition befindet, ist die Achse des Speisekopfs 25 senkrecht zu der Achse des Dorns 17. Das heißt, dass die Höhe des Speisekopfs 25 die gleiche wie die der Dornachse ist. Wenn das zweite Stellglied 26 sich an der gehobenen Position befindet, ist die Achse des Speisekopfs 25 an einer oberen Tangente zu dem Dorn 17 ausgerichtet. Das zweite Stellglied 26 bewegt den Speisekopf 25 in einer zu der Grundplatte 12 senkrechten Richtung.

Der Motor 22 und das erste Stellglied 24 werden synchron durch eine Steuerung C gesteuert. Um das Bündel F um den Dorn 17 zu wickeln, wird die Rotationswelle 15 gedreht und der Speisekopf 25 bewegt. Dabei wird der Auflauf­ winkel des Bündels F beliebig geändert, indem die Dreh­ geschwindigkeit der Rotationswelle 15 und die Bewegungs­ geschwindigkeit des Speisekopfs 25 eingestellt werden.

Angrenzend an die Grundplatte 12 befinden sich an der bezüglich des Motors 22 entgegengesetzten Seite des ersten Stellglieds 24 ein Harzbehälter 28 und eine Spule 29. Eine Verstärkungsfaser, die das Faserbündel F darstellt, wird von der Spule 29 aus zugeführt und in dem Harzbehälter 28 mit Harz imprägniert. Die Spule 29 ist an einer Welle angebracht, die durch einen (nicht gezeigten) Motor gedreht wird. Das Bündel F, dessen Spannung durch eine (nicht gezeigte) Spannungseinstellungseinrichtung eingestellt wird, wird dem Speisekopf 25 zugeführt. Die Spannungseinstellungseinrichtung weist einen Zugstab, eine Führungsrolle, ein Gewicht und einen Motor auf. Der Zugstab ist generell parallel zu dem Bündel F. Die Führungsrolle ist mit dem Bündel F in Eingriff und ist an der Längsmitte des Zugstabs befestigt. Die Achse der Führungsrolle ist generell senkrecht zu dem Bündel F. Das Gewicht ist an einem entfernt liegenden Ende des Zugstabs angebracht. Das nahe Ende des Zugstabs wird schwenkbar getragen. Der Motor schwenkt den Zugstab, um die Position der Führungsrolle anzupassen. Dementsprechend wird die Spannung des Bündels F in einem vorbestimmten Bereich gehalten. Genauer gesagt wird die Position der Führungs­ rolle bezogen auf das Bündel F durch einen Rotations­ fühler erfasst, der das Schwenkmaß des Zugstabs erfasst. Der Motor wird derart betätigt, dass durch die Führungs­ rolle eine erforderliche Spannung auf das Bündel F aufgebracht wird. Somit verhindert die Schwenkbewegung des Zugstabs, dass das Bündel F lose wird.

Der Dorn 17 weist einen Metallzylinder 17b auf. Von den Enden des Zylinders 17b aus erstreckt sich jeweils eine Welle 17a. An jedem Ende des Zylinders 17b sind abnehm­ bare Begrenzungsringe 30 vorgesehen, auf denen sich jeweils in einem vorbestimmten Abstand zueinander entfernbare Stifte 31 befinden.

Es wird nun ein Verfahren zur Herstellung des faser­ verstärkten Kunststoffrohrs 2 unter Verwendung des Präzisionswickelgeräts 11 und des Dorns 17 beschrieben.

Zunächst wird zwischen die Spannfutter 18, 19 ein Dorn 17 gesetzt. Der Abstand zwischen den Spannfuttern 18, 19 wird durch Bewegung des Tragearms 14 mit der Trageplatte 21 eingestellt. Das Ende des Faserbündels F wird aus dem Speisekopf 25 gezogen und an einem der Begrenzungsringe 30 festgemacht. Damit ist die Vorbereitung abgeschlossen. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Position des Speise­ kopfs 25 der des Rings 30, an dem das Ende des Bündels F befestigt ist.

Dann wird das Präzisionswickelgerät 11 eingeschaltet. Im einzelnen wird der Dorn 17 durch den Motor 22 in einer Richtungen gedreht, während das erste Stellglied 24 den Speisekopf 25 in Axialrichtung des Dorns 17 hin- und herbewegt. Das Faserbündel F wird kontinuierlich von der Spule 29 abgerollt und in dem Harzbehälter 28 mit Harz imprägniert. Das Bündel F wird dann mittels des Speise­ kopfs 25 um den Dorn 17 gewickelt. Die Menge des in dem Bündel F imprägnierten Harzes ist größer als die Menge, die dem Va-Sollbereich des Abschnitts mit kleinem Va entspricht.

Nach Durchgang durch ein Paar angrenzender Stifte 31 wird das Bündel F um die Welle 17a gewickelt. Das Bündel F wird wiederholt um die Stifte 31 zurückgewunden, sodass der Winkel des Bündels F bezüglich der Achse des Dorns 17 an den Stiften 31 gleich einem Sollwinkel ist. Entspre­ chend wird auf dem Dorn 17 eine Faserlage ausgebildet.

Das Bündel F wird um den Dorn 17 gewickelt, bis die Anzahl der Faserlagen mit einer vorbestimmten Anzahl übereinstimmt. Danach wird an jedem Ende des Zylinders 17b die Bundringlage 5 ausgebildet, um die Verbindungs­ abschnitte 2b zu bilden. Die Dicke der Bundringlagen 5 wird vorab festgelegt. Dann wird das Bündel F erneut spiralförmig um den gesamten Dorn 17 gewickelt, wodurch die Spirallage 4 ausgebildet wird. Die Bundringlagen 5 und die Spirallage 4 bilden den Faserschichtaufbau 32.

Dann wird die organische Faser 6 um den Faserschicht­ aufbau 32 gewickelt. Der Auflaufwinkel der Faser 6 beträgt ungefähr 90 Grad. Zum Wickeln der Faser 6 wird der Speisekopf 25 des Präzisionswickelgeräts 11 verwen­ det. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird die Faser 6 von einer Spule 33 abgerollt und durch die Führungsrolle 34 zu dem Speisekopf 25 geführt. Die Spule 33 wird von einer (nicht gezeigten) Tragewelle getragen. Zwischen der Tragewelle und einem die Tragewelle tragenden Lager befindet sich ein Permanentmagnet. Der Magnet beauf­ schlagt die Tragewelle mit einem Widerstand, der auf die Faser 6 eine vorbestimmte Spannung aufbringt. Die auf die Faser 6 aufgebrachte Spannung ist einstellbar. Wenn die Faser 6 um die Lage 32 gewickelt wird, befindet sich das Stellglied 26 an der gehobenen Position und verläuft die Faser 6 bezüglich der Lage 32 tangential. In Fig. 3 ist aus Veranschaulichungsgründen der Maßstab des Dorns 17 im Verhältnis zu den Stellgliedern 24, 26 verschieden.

Die Faser 6 kann einem anderen Speisekopf als dem Speise­ kopf 25 zugeführt werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird die Faser 6 von einem Ende des Dorns 17 aus straff um die auf dem Dorn 17 ausgebildete Lage 32 herumgewickelt. Da die Faser 6 kontinuierlich von einem Ende aus um die Lage 32 gewickelt wird, wird überschüssiges, in dem Faserbündel F imprägniertes Harz herausgedrückt. Außerdem wird zwischen den Windungen der Faser 6 Luft entfernt. Wenn die Anzahl der Lagen der Faser 6 eins ist, und die Faser 6 mit großer Kraft gewickelt wird, ist die Menge an heraus­ gedrücktem Harz verhältnismäßig groß, was die Aufwicklung der Faser 6 behindern kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch die Anzahl der Lagen der Faser 6 größer als eins, wobei die Aufwickelkraft mit jeder Lage der Faser 6 erhöht wird. Infolgedessen wird das überschüssige Harz allmählich herausgedrückt. Die Aufwicklung der Faser 6 wird daher nicht behindert. In Fig. 2 ist zwischen angrenzenden Wicklungen der Faser 6 ein Zwischenraum zu erkennen. Im wesentlichen berühren sich die Windungen der Faser 6 aber gegenseitig.

Bei diesen Ausführungsbeispielen werden aus der organi­ schen Faser 6 zwei Lagen gebildet. Die erste Lage der Faser 6 wird auf dem gesamten Schichtaufbau 32 ausge­ bildet. Die zweite Lage der Faser 6 wird an Abschnitten ausgebildet, an denen der Volumenanteil Va erhöht werden muss. Die Spannung der Faser 6 wird durch eine Spannungs­ einstellungseinrichtung eingestellt. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel beträgt der Va des Hauptkörpers 2a 70%, während der Va der Verbindungsabschnitte 2b 60% beträgt. Um diese Va-Verhältnisse zu erreichen, beträgt die Spannung der Faser 6 in der ersten Lage 1 kg/mm², und die Spannung der Faser 6 in der zweiten Lage 5 kg/mm².

Nach dem Aufwickeln der Faser 6 wird der Dorn 17 aus dem Spannfutter 18, 19 genommen und werden die Stifte 31 von den Begrenzungsringen 30 entfernt. Der Dorn 17 wird zusammen mit den aufgewickelten Fasern 6 in einen Heiz­ ofen gesetzt und auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, die das Harz aushärtet. Die Temperatur, bei der zum Beispiel Epoxidharz hart wird, beträgt etwa 180 Grad Celsius. Das faserverstärkte Kunststoffrohr 2 wird auf dem Dorn 17 ausgehärtet. Nach dem Abkühlen des Rohrs 2 werden die Enden des Rohrs 2 an Stellen abgeschnitten, die sich von der Lage der Stifte 31 aus axial innen befinden. Das Rohr 2 wird dann von dem Dorn 17 entfernt. Auf diese Weise wird der Wellenkörper einer Kardanwelle 1 hergestellt.

In den Verbindungsabschnitt 2b des Rohrs 2 wird jeweils ein mit Kerbverzahnungen versehener Abschnitt 3b des Jochs 3 eingeschoben. Die Joche 3 werden auf diese Weise mit dem Rohr 2 gekoppelt. Der Außendurchmesser des rohrnahen Endes jedes Jochs 3 ist etwas größer als der Innendurchmesser des jeweiligen Verbindungsabschnitts 2b. Wenn das Joch 3 unter Presspassung in den entsprechenden Verbindungsabschnitt 2b eingeschoben wird, bringt demnach jedes Joch 3 auf die Verbindungsabschnitte 2b eine Kraft auf, die die Verbindungsabschnitte 2b tendenziell aufwei­ tet. Die Bundringlagen 5 halten jedoch die Festigkeit des Rohrs 2 aufrecht, indem sie dieser Kraft widerstehen.

Wenn das faserverstärkte Kunststoffrohr 2 als eine Fahrzeugkardanwelle 1 Verwendung findet, wird auf die Verbindungsabschnitte 2b ein Drehmoment aufgebracht. Falls sich zuwenig Harz in den Verbindungsabschnitten 2b und in den an den Verbindungsabschnitten 2b angrenzenden Abschnitten befindet, muss damit gerechnet werden, dass eine Delaminierung auftritt, wodurch die Lebensdauer der Welle 2 verkürzt wird. Falls der Volumenanteil Va des Rohrs 2 insgesamt gesenkt wird, um eine ausreichende Harzmenge einzustellen, können nicht die gewünschte Steifheit und der gewünschte Elastizitätskoeffizient erzielt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ändert sich jedoch der Volumenanteil Va des Rohrs 2 zwischen dem Hauptkörper 2a und den Verbindungsabschnitten 2b, wodurch gewährleistet wird, dass in den Verbindungsabschnitten 2b genügend Harz vorliegt und dass der Harzkörper 2a den erforderlichen Elastizitätskoeffizienten hat.

Es wurden Untersuchungen durchgeführt, um die Wahrschein­ lichkeit für eine Delaminierung zu beurteilen. In den Untersuchungen wurde der Volumenanteil Va in den Verbin­ dungsabschnitten 2b geändert. Wenn der Va in den Verbin­ dungsabschnitten 2b mehr als 65% betrug, kam es leichter zu einer Delaminierung. Der Va in den Verbindungs­ abschnitten 2b sollte daher vorzugsweise kleiner als 65% sein. Falls eine Kohlenstofffaser verwendet wird, um durch ein übliches Präzisionswickelverfahren das Rohr 2 auszubilden, liegt der Volumenanteil Va zwischen 50% und 60%. Damit die Herstellung erleichtert wird, sollte Va daher vorzugsweise etwa 60% betragen.

Das Ausführungsbeispiel in den Fig. 1(a) bis 4 hat die folgenden Vorteile.

Falls der Va des Hauptkörpers 2a zur Verbesserung seiner Steifheit und seines Elastizitätskoeffizienten erhöht wird, kommt es in den Verbindungsabschnitten 2b leichter zu einer Delaminierung. Bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch ist das Va der Verbindungsabschnitte 2b, die mit den Jochen 3 gekoppelt sind, kleiner als das Va des übrigen Rohrs (des Hauptkörpers 2a). Daher wird eine Delaminierung verhindert und die Haltbarkeit des Rohrs 2 verbessert.

Da das Va in den Verbindungsabschnitten 2b kleiner als 65% ist und das Va des übrigen Teils zumindest 65% beträgt, ist die Steifheit und der Elastizitätskoeffi­ zient des Rohrs 2 verglichen mit einem faserverstärkten Kunststoffrohr mit einem üblichen Va (von weniger als 60%) verbessert.

Um die Spirallage 4 des Rohrs 2 herum sind die Lagen aus der organischen Faser 6 gebildet, wobei der Auflaufwinkel der Lagen der Faser 6 ungefähr 90 Grad beträgt. Daher lässt sich der Va des Rohrs 2 leicht durch eine Änderung der Wickelspannung der Faser 6 auf gewünschte Werte steuern. Genauer gesagt wird der Va der Verbindungs­ abschnitte 2b niedriger und der Va des Hauptkörpers 2a höher eingestellt.

Die Anzahl an Lagen der Faser 6 in dem Abschnitt mit kleinem Va ist geringer als die in dem Abschnitt mit hohem Va. Die Faser 6 wird zur Ausbildung des Abschnitts mit hohem Va um den Schichtaufbau 32 herumgewickelt, nachdem die Faser 6 um den Schichtaufbau 32 zur Ausbil­ dung der Lage mit niedrigem Va gewickelt wurde, wodurch der Herstellungsvorgang erleichtert wird.

Bei der Ausbildung der Lagen aus den Fasern 6 ist die Wickelspannung der Faser 6 jeweils konstant und beträgt die Anzahl an Lagen der Faser 6 in dem Abschnitt mit niedrigem Va eins und in dem Abschnitt mit hohem Va zwei. Mit anderen Worten ist die Anzahl an Lagen der Faser 6 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel minimal, wodurch wiederum der Herstellungsvorgang erleichtert wird.

Die Verbindungsabschnitte 2b sind an den Enden des faserverstärkten Kunststoffrohrs 2 ausgebildet. Daher kann das Rohr 2 für Wellen verwendet werden, die zur Aufnahme von Kopplungs- bzw. Gelenkbauteilen an den Enden spezifische Eigenschaften besitzen müssen.

Als organische Faser 6 wird ein aufschrumpfbarer Faden wie etwa ein Polyesterfaden verwendet. Wenn das Matrix­ harz durch Wärme ausgehärtet wird, schrumpft die Faser 6, wodurch sich der Volumenanteil Va erhöht. Wenn die Wickelspannung der Faser 6 verhältnismäßig klein ist, ist der Va des fertiggestellten Rohrs 2 demnach höher.

Für die Erfindung sind, wie für den Fachmann ersichtlich sein wird, im Rahmen des Schutzumfangs der Patent­ ansprüche weitere Ausführungsformen denkbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung auch in der folgenden Form umsetzen:
Nach Ausbildung des Schichtaufbaus 32 mit dem mit Harz imprägnierten Faserbündel F kann, wie in den Fig. 5(a) und 5(b) gezeigt ist, gleichzeitig mehr als eine Faser 6 um den Dorn 17 gewickelt werden. Die Fasern 6 werden wie gezeigt miteinander verwickelt, wobei die Auflaufwinkel im wesentlichen 90 Grad betragen. Die Phasen der Fasern 6 sind in Umfangsrichtung des Dorns 17 verschieden. Das heißt, dass die Fasern 6 die Lage 32 an verschiedenen Umfangsstellen berühren. Bei dem Ausführungsbeispiel in den Fig. 1(a) bis 4 wird nur eine Faser 6 um den Schichtaufbau 32 gewickelt, wobei der Gang zwischen jeweils aneinandergrenzenden Wicklungen der Faser 6 ungefähr gleich der Breite der Faser 6 ist. Bei dem Ausführungsbeispiel in den Fig. 5(a) und 5(b) ist der Gang zwischen jeder Faser 6 gleich einem Wert, der sich durch Multiplikation des Gangs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einer ganzen Zahl ergibt, wobei die ganze Zahl der Anzahl an Fasern 6 entspricht. Genauer gesagt berechnet sich der Gang jeder Faser 6 aus dem Gang gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mal der Anzahl der Fasern 6 (drei in den Fig. 5(a) und 5(b)).

Da mehrere Fasern 6 gewickelt werden, wird die zur Ausbildung der Lagen der Fasern 6 erforderliche Zeit auf deutlich weniger als die Hälfte verringert, als wenn nur eine einzelne Faser 6 verwendet wird. Da sich die Umfangsphase der Fasern 6 ändert, ist verglichen mit dem Fall, dass zwischen den Fasern 6 keine Phasendifferenz vorliegt, zudem der Aufbau der Speiseköpfe einfacher. Darüber hinaus verhindern die sich ändernden Phasen der Fasern 6, dass diese sich gegenseitig stören, und wird das Harz wirksam herausgedrückt. Die Anzahl der Fasern 6 kann auch zwei oder mehr als drei betragen.

Es können drei oder mehr Lagen der Faser 6 ausgebildet werden.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ändert sich der Volumenanteil Va des Rohrs 2 an jeder Grenze zwischen dem Hauptkörper 2a und dem Verbindungsabschnitt 2b deutlich. Das Rohr 2 kann jedoch auch derart ausgebildet sein, dass sich der Va zwischen jedem Verbindungs­ abschnitt 2b und dem Hauptkörper 2a kontinuierlich oder diskret ändert. Zum Beispiel können zwei oder mehr Lagen der Faser 6 ausgebildet werden, wobei die erste Lage derart mit einer bestimmten Spannung um die gesamte Lage 32 herum gewickelt wird, dass der Va verhältnismäßig klein ist. Bei der Ausbildung der zweiten Lage wird die Wickelspannung der Faser 6 zwischen dem Hauptkörper 2a und jedem Verbindungsabschnitt 2b diskret geändert. Verglichen mit einer Welle, bei der sich der Va an den Grenzen deutlich ändert, ist das Rohr 2 mit einem sich diskret ändernden Va haltbarer.

Der Va des Hauptkörpers 2a muss nicht 70% betragen, sofern er 65% oder größer ist. Der Va der Verbindungs­ abschnitte 2b muss nicht 60% betragen, sofern er weniger als 65% beträgt.

Es kann auch nur eine einzige Lage der Faser 6 ausge­ bildet werden, wobei sich der Va an der Grenze zwischen jedem Verbindungsabschnitt 2b und dem Hauptkörper 2a deutlich ändern kann. In diesem Fall wird bei der Ausbildung des Schichtaufbaus 32 die Menge des in das Faserbündel F imprägnierten Harzes derart eingestellt, dass sich der Va des Hauptkörpers 2a etwas von dem Va der Verbindungsabschnitte 2b unterscheidet. Danach wird die Faser 6 um die Lage 32 gewickelt, wobei die Wickel­ spannung der Faser 6 sich bei Aufwicklung der Faser 6 um den Hauptkörper 2a von der bei Aufwicklung der Faser 6 um die Verbindungsabschnitte 2b unterscheidet.

Die Position der Bundringlage 5, die bei den dargestell­ ten Ausführungsbeispielen in der Spirallage 4 eingebettet ist, kann geändert werden. Zum Beispiel können die Bundringlagen 5 um die Spirallage 4 herum ausgebildet werden. Die Anzahl der Bundringlagen 5 kann in jedem Verbindungsabschnitt 2b mehr als eins betragen, wobei die Anzahl der Spirallagen 4 in den Verbindungsabschnitten 2b entsprechend erhöht werden kann. In diesem Fall ist jede Bundringlage 5 zwischen einem Paar Spirallagen 4 ange­ ordnet.

Anstelle des Herausdrückens von Harz durch Aufwickeln der Faser 6, kann auch die Menge des in das Bündel F impräg­ nierten Harzes präzise gesteuert werden, sodass der Va des Hauptkörpers 2a und der Va der Verbindungsabschnitte 2b vorbestimmten Sollwerten entsprechen.

Als aufschrumpfbare Faser kann auch Nylon 66 oder Nylon 6 verwendet werden.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Auflaufwinkel des Bündels F konstant. Jedoch kann sich der Auflaufwinkel des Bündels F auch in jeder Lage ändern.

Als Matrixharz können anstelle von Epoxidharz auch andere durch Wärme aushärtende Harze verwendet werden. Zum Beispiel kann Polyimidharz verwendet werden. Wahlweise lässt sich auch ein thermoplastisches Harz mit einem hohen Biegeelastizitätskoeffizienten wie etwa Polyether­ etherketon verwenden. Angesichts der Kosten und Eigen­ schaften wird jedoch für die Kardanwelle 1 Epoxidharz bevorzugt.

Das Rohr 2 der dargestellten Ausführungsbeispiele kann auch zur Herstellung von anderen Antriebswellen als Fahrzeugkardanwellen 1 verwendet werden. Falls die Rotationsgeschwindigkeit einer Welle normalerweise gering oder die Anforderungen an Torsionssteifheit, Wärmebestän­ digkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit geringer als bei einer Fahrzeugkardanwelle 1 sind, kann die Verstärkungs­ faser eine Glasfaser, eine Aramidfaser oder eine Mischung der beiden sein. Außerdem kann die Faser und das Matrix­ harz eine Kombination aus Kohlenstofffaser und Vinyl­ esterharz oder eine Kombination aus Kohlenstofffaser und Phenolharzkunststoff sein. Vinylesterharz und Phenolharz­ kunststoff sind weniger teuer als Epoxidharz. Die Kosten verringern sich entsprechend.

Das faserverstärkte Kunststoffrohr 2 kann bei einem beliebigen Bauteil Verwendung finden, das mit einer Kopplung verbunden wird. Beispielsweise lässt sich das Rohr 2 als Trommel einer Rotationspresse verwenden. Darüber hinaus kann das Rohr 2 als ein Bauteil verwendet werden, das nur an einem seiner Enden eine Kopplung angebracht hat. Darüber hinaus kann das Rohr 2 als ein Bauteil verwendet werden, das an dem Verbindungsabschnitt Biegekräfte, Zug oder Druck aufnimmt.

Der Querschnitt des Rohrs 2 muss nicht kreisförmig sein. Der Querschnitt kann elliptisch sein, solange die Verstärkungsfaser und die Faser 6 mit einer konstanten Spannung gewickelt werden und der Auflaufwinkel im wesentlichen 90 Grad beträgt.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Joche 3 durch Kerbverzahnungen und Presspassung mit dem Rohr 2 gekoppelt. Jedoch können die Joche 3 auch durch Klebemittel an dem Rohr 2 festgemacht werden.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen, bei denen das Rohr 2 und weitere Kopplungen durch Kerbverzahnungen und Presspassung verbunden werden, können in der Wand der Verbindungsabschnitte 2b Führungsnuten ausgebildet werden. Die Kerbverzahnungen des Kopplungsbauteils gelangen mit den Führungsnuten in Eingriff, wenn die Kopplung in dem Rohr 2 in Presspassung gebracht wird.

Anstelle des wärmeaushärtenden Harzes kann als Matrixharz auch ein durch ultraviolettes Licht aushärtendes Harz verwendet werden.

Claims (14)

1. Faserverstärktes Kunststoffrohr mit einem in einem Ende ausgebildeten Verbindungsabschnitt, bei dem der Verbindungsabschnitt mit einem anderen Bauteil gekoppelt wird und das Rohr eine aus einer Faser ausgebildete Spirallage (4) aufweist, wobei die Faser mit einem Auflaufwinkel gewickelt ist, der kleiner oder gleich 45 Grad ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumen­ anteil des Verbindungsabschnitts kleiner als der Faser­ volumenanteil des übrigen Teils des Rohrs (1) ist.

2. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumenanteil des Verbindungsabschnitts kleiner als 65% und der Faser­ volumenanteil des übrigen Rohrs größer oder gleich 65% ist.

3. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) um die Spirallage (4) herum Lagen aus organischen Fasern (6) aufweist, wobei die organischen Fasern mit einem Auflauf­ winkel gewickelt sind, der bezüglich der Achse des Rohrs im wesentlichen 90 Grad beträgt und die Anzahl der organischen Faserlagen in dem Verbindungsabschnitt kleiner als die Anzahl der organischen Faserlagen in dem übrigen Teil des Rohrs (1) ist.

4. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Faser (6) Polyester ist.

5. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Faser (6) eine aus einer Vielzahl von organischen Fasern (6) ist, die gleichzeitig miteinander verwickelt sind, wobei die organischen Fasern (6) zueinander in der Axialrichtung des Rohrs (1) versetzt und jeweils mit einem Auflauf­ winkel gewickelt sind, der im wesentlichen 90 Grad beträgt.

6. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt einer von zwei Verbindungsabschnit­ ten ist, die an den Enden des Rohrs ausgebildet sind.

7. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) eine Kardanwelle bildet.

8. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr eine mit einer Faser gebildete Bundringlage (5) aufweist, wobei die Faser mit einem Auflaufwinkel gewickelt ist, der bezüglich der Achse des Rohrs (1) im wesentlichen 90 Grad beträgt und sich die Bundringlage (5) in dem Verbindungsabschnitt befindet und in der Spirallage (4) eingebettet ist.

9. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Faservolumenanteil an einer Grenze zwischen dem Verbindungsabschnitt und dem übrigen Teil des Rohrs (1) ändert.

10. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Faser­ volumenanteils kontinuierlich ist.

11. Faserverstärktes Kunststoffrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Faser­ volumenanteils diskret ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffrohrs mit einem in einem Ende ausgebildeten Verbindungsabschnitt und einem mit dem Verbindungs­ abschnitt verbundenen Körperabschnitt, wobei der Verbindungsabschnitt dazu angepasst ist, mit einem anderen Bauteil zusammenzupassen, gekennzeichnet durch die Schritte:
Wickeln einer mit Harz imprägnierten Faser um einen Dorn (17) zur Ausbildung einer Spirallage (4), wobei der Auflaufwinkel der Faser bezüglich der Achse des Dorns (17) kleiner oder gleich 45 Grad ist;
Wickeln einer organischen Faser (6) um die Spiral­ lage (4) mit einem Auflaufwinkel, der bezüglich der Achse des Dorns (17) im wesentlichen 90 Grad beträgt; und
derartiges Spannen der Faser, während die Faser gewickelt wird, dass der Faservolumenanteil des Verbindungsabschnitts kleiner als der Faservolumenanteil des Körperabschnitts des Rohrs (1) ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wickeln der organischen Faser die Schritte umfasst:
Wickeln einer ersten Lage der organischen Faser (6) um die gesamte Spirallage (4); und
Wickeln einer zweiten Lage der organischen Faser (6) auf dem Körperabschnitt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lage mit einer größeren Spannung in der Faser als beim Wickeln der ersten Lage gewickelt wird.