DE102005020907A1

DE102005020907A1 - Hohlstruktur aus faserverstärktem Kunststoff mit Lasteinleitungselementen

Info

Publication number: DE102005020907A1
Application number: DE102005020907A
Authority: DE
Inventors: Werner Prof.Dr. Hufenbach; Olaf Helms
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Leichtbau Zentrum Sachsen GmbH
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2005-12-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hohlstruktur aus faserverstärktem Kunststoff in Leichtbauweise, insbesondere eine Hohlwelle bzw. -achse mit Konstruktionselementen, die üblicherweise mit Wellen und Achsen verbunden sind, wie Lager, Lagerringe, -schalen, Zahnräder, Muffen, Kupplungsteile, Riemenscheiben, Räder, Kurbeln oder Kurvenscheiben aus Metall, Keramik oder Kunststoff und ein Verfahren zu ihrer Fertigung. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Hohlstruktur an die Innenkonturen der Lasteinleitungselemente angeformt ist. Zur Herstellung werden die Lasteinleitungselemente in einen Formkasten eingelegt und eine Preform der Hohlstruktur in einem dehnfähigen, flexiblen, radial drapierbaren Zustand konturgenau an die Werkzeuginnenflächen und an die freiliegenden Kontaktflächen der Lasteinleitungselemente angelegt und in diesem Zustand unter Innendruck konsolidiert. Die Vorteile bestehen dabei nicht nur in der Gewichtsersparnis durch die Hybridbauweise, sondern auch in der hohen Flexibilität der Gestaltungsmöglichkeiten. Beispielsweise können Wälzlager im Mittelabschnitt einer Welle angeordnet werden, deren Durchmesser kleiner ist als die Durchmesser an beiden Wellenenden. Der für die Welle eingesetzte Faserverbundwerkstoff dämpft die von den Lasteinleitungselementen eingetragenen Schwingungen. Durch das Positionieren alller Lasteinleitungselemente bei der Herstellung im Formwerkzeug entstehen genaue nacharbeitsfreie Bauteile.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hohlstruktur aus faserverstärktem Kunststoff in Leichtbauweise, insbesondere eine Hohlwelle bzw. -achse mit Konstruktionselementen, die üblicherweise mit Wellen und Achsen verbundenen sind, wie Lager, Lagerringe, -schalen, Zahnräder, Muffen, Kupplungsteile, Riemenscheiben, Räder, Kurbeln oder Kurvenscheiben aus Metall, Keramik oder Kunststoff und ein Verfahren zu ihrer Fertigung.

Hohlstrukturen mit Lasteinleitungselementen zur Einleitung, Aufnahme und Übertragung von Kräften oder/und von Momenten sind im Fahrzeugbau, in der Luft und Raumfahrttechnik und in vielen weiteren Bereichen des Maschinenbaus anzutreffen. Ihre Leichtbauweise ist in diesen Bereichen oft von besonderer Bedeutung. Beispielsweise lassen sich durch leichte hochbelastbare Getriebewellen nicht nur Systemmassen reduzieren sondern auch Massenträgheitsmomente verringern, was zu einer besseren Dynamik von Antriebssystemen beiträgt.

Hohlstrukturen aus faserverstärkten Kunststoffen werden auf verschiedene Weise hergestellt. Solche Hohlstrukturen können z. B. aus offenen Faserverbund-Schalenstrukturen klebtechnisch zusammengefügt werden. Zum anderen werden mit Hilfe der Wickeltechnik Fasern und textile Faserhalbzeuge mit Kunstharz getränkt und dann auf einem Formkern abgelegt oder aufgewickelt. Beim Schlauchblasverfahren werden schlauchförmige textile Preformen in eine Form eingelegt, mit einem Blasschlauch aufgeweitet und bis zum Abschluss der Faserverbund-Konsolidierung gegen die Forminnenwand gedrückt.

In herkömmlichen Hybridkonstruktionen kommen u. a. Kleb, Press- und Nietverbindungen zur Verbindung der Lasteinleitungselemente mit den Hohlstrukturen zum Einsatz.

Für das Fügen von faserverstärkten Kunststoffen mit gleichem Werkstoff oder mit Metallen kommt u. a. das Kleben zum Einsatz. Dafür werden spezielle pastöse Strukturklebstoffe auf dem Markt angeboten, die im allgemeinen Maschinenbau, im Automobilbau und insbesondere im Luftfahrzeugbau eingesetzt werden. Solche Klebstoffe werden auch für Welle-Nabe-, für Muffen- und für sonstige Rohrverbindungen wie z. B. bei Fahrradrahmen eingesetzt.

Herkömmliche metallische Verbindungselemente, wie Niete und Schrauben, werden z. B. im Flugzeugbau für das Fügen von Aluminium mit kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff verwendet, obwohl sie zu erheblichen Kerbspannungskonzentrationen in Faserverbundbauteilen führen.

Bei Faserverbund-Rohrstrukturen eignet sich der Zylinderpressverband für das Herstellen leicht beanspruchter Welle-Nabe-Verbindungen.

Das nachträgliche Fügen von Lasteinleitungselementen ergibt meist keinen geeigneten Formschluss für die Übertragung hoher Lasten. Außerdem ist die Positionierung und Ausrichtung der Lasteinleitungselemente schwierig. Eine Nachbearbeitung nach dem Fügen ist häufig notwendig. Verbindungselemente, wie Niete und Schrauben, schwächen die Faserverbundstruktur.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hohlstruktur aus faserverstärktem Kunststoff in Mischbauweise mit Lasteinleitungselementen sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, bei dem die Lasteinleitungselemente fest und positionsgenau mit der Hohlstruktur verbunden und von vornherein in die Fertigung einbezogen sind und nicht nachträglich gefügt werden müssen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Hohlstruktur an die Innenkonturen der Lasteinleitungselemente angeformt ist. Zur Herstellung werden die Lasteinleitungselemente in einen Formkasten eingelegt und eine Preform der Hohlstruktur in einem dehnfähigen, flexiblen, radial drapierbaren Zustand konturgenau an die Werkzeuginnenflächen und an die freiliegenden Kontaktflächen der Lasteinleitungselemente angelegt und in diesem Zustand unter Innendruck konsolidiert.

Die Preform ist vorzugsweise ein schlauchartiges, radial drapierbares, textiles Halbzeug, z. B. ein Flecht- oder Gewebeschlauch oder ein Rundgestrick. Sie kann auch aus aufgewickelten Fasern oder Flächenhalbzeugen hergestellt werden oder sie wird nähtechnisch aus verschiedenen textilen Halbzeugen zusammengesetzt. Die textilen Halbzeuge bestehen aus endlos verarbeiteten Verstärkungsfasern (z. B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Basaltfasern).

Die Preform wird in eine Matrix aus thermoplastischen Kunststoffen oder Reaktionsharzen eingebettet.

Eine Reaktionsharz-Matrix kann verschieden eingebracht werden. Es können vorimprägnierte textile Halbzeuge verwendet, es kann von Hand laminiert oder es können bekannte Infusionsverfahrenverfahren eingesetzt werden, wie etwa das Resign-Transfer-Moulding (RTM).

Eine Preform mit einer thermoplastischen Matrix kann aus Hybridgarnen oder hybriden textilen Halbzeugen mit fein verteiltem Thermoplastanteil gefertigt sein. Zum Einlegen in die Form und Anformen an die Lasteinleitungselemente wird das Polymer kurzzeitig thermisch plastifiziert.

Die konturgenaue Anformung der Faserverbund-Hohlstruktur an die Forminnenwände des Werkzeugs und an die Innenkonturen der Lasteinleitungselemente kann mittels eines druckbeaufschlagten Blasschlauches innerhalb der Hohlstruktur, durch Fliehkraft in einem rotierenden Werkzeug oder durch einen elastischen Formkern im Inneren der Hohlstruktur gewährleistet werden.

Nach der Konsolidierung des Faserverbundes besteht eine hochfeste, vor allem formschlüssige Verbindung zwischen Hohlstruktur und Lasteinleitungselementen.

Durch die Kunstharzmatrix kommt es darüber hinaus zum adhäsiven Anhaften der Faserverbundstruktur an den Lasteinleitungselementen. Eine Oberflächenvorbehandlung der Lasteinleitungselemente oder ein zusätzlicher Klebstoffauftrag kann den Stoffschluss verbessern.

Vorzugsweise sind unrunde Innenkonturen vorzusehen, um Drehmomente zu übertragen.

Zur Übertragung von Axialkräften kann die Hohlstruktur im einfachsten Fall die Lasteinleitungselemente seitlich umfassen, z. B. die Rundungen und evtl. Teile der seitlichen Schultern des Innenrings eines Wälzlagers. (Mindestens die seitlichen Rundungen oder seitliche Phasen an anderen Lasteinleitungselementen werden dabei als ein Teil der Innenkonturen verstanden.) Zur Verstärkung des axialen Formschlusses ist es möglich, den Innendurchmesser des Lasteinleitungselements über dessen Breite zu ändern, z. B. durch umlaufende Rillen oder Nuten.

Es können Lasteinleitungselemente aus den verschiedensten Werkstoffen, insbesondere aus Metall, aber auch Keramik oder Kunststoff, darunter polymerer Funktionswerkstoff wie etwa Elastomerwerkstoff angeschlossen werden.

Durch eine Konsolidierung bei höherer Temperatur und anschließendes Abkühlen kann in Abhängigkeit vorherrschender Wärmeausdehnungskoeffizienten auch eine kraftschlüssige Pressverbindung entstehen. Eine Paarung aus Aluminiumnabe und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffwelle ergibt beispielsweise im Abkühlprozess eine solche Pressverbindung.

Vorzugsweise sollte die Art der Faserverstärkung der Hohlstruktur auf im Betrieb vorherrschende mechanische Spannungszustände abgestimmt sein. Ein hoher Anteil an Fäden mit möglichst axialer Ausrichtung ist für zug- und biegebelastete Strukturen notwendig. Torsionsbelastete Strukturen erfordern eine wesentliche +/- 45°-Fadenorientierung. Kombinierte Belastungen werden am besten mit einer kraftflussgerechten Kombination von Faserorientierungen aufgenommen. Für die Herstellung geeigneter Preformen stehen u. a. Bi-Axial- und Tri-Axial-Flechtschläuche, Gewebeschläuche mit elastischen Umfangsfäden oder textile Flächenhalbzeuge wie etwa Gewebe und technische Uni-Direktional-Gestricke zur Auswahl. Zur Übertragung hoher Kräfte kommen dabei Kohlenstoff-, Aramid- und Glasfasern zum Einsatz.

Die umschließenden Lasteinleitungselemente verteilen äußere Lasten werkstoffgerecht auf den ganzen Umfang der Hohlstruktur. Des Weiteren ermöglicht die hochwertige form-, kraft- und stoffschlüssige Verbindung die Einleitung besonders hoher Lasten, so dass die theoretische Festigkeit der Faserverbundstruktur weitgehend ausgenutzt werden kann. Durch die vielfältigen Möglichkeiten der Preform-Gestaltung können Spannungskonzentrationen unter einzelnen Lasteinleitungselementen gut kompensiert werden. Gegebenenfalls ist die Lasteinleitung durch konstruktive Maßnahmen an den Lasteinleitungselementen zu erleichtern.

Vorzugsweise eignet sich die erfindungsgemäße Hohlstruktur zur Fertigung von Hohlwellen, wie z. B. einer Getriebewelle. An eine solche Hohlwelle können alle Lasteinleitungselemente, die üblicherweise mit Wellen und Achsen verbundenen sind, wie Lager, Lagerringe, -schalen, Zahnräder, Muffen, Kupplungsteile, Riemenscheiben, Räder, Kurbeln oder Kurvenscheiben, angeschlossen werden, und zwar sowohl zentrisch als auch exzentrisch oder auch über einen Kragarm, wie bei einer Kurbelwelle mit einer größeren Exzentrizität. Der Durchmesser der Hohlwelle kann sich dabei von Längsabschnitt zu Längsabschnitt ändern. Stufenförmige gerundete oder kegelige Übergänge sind dabei aufgrund der hohen radialen Drapierbarkeit bestimmter textiler Halbzeuge in weiten Grenzen realisierbar.

Wie im Ausführungsbeispiel noch näher gezeigt wird, bestehen die Vorteile dabei nicht nur in der Gewichtsersparnis durch die Hybridbauweise, sondern auch in der hohen Flexibilität der Gestaltungsmöglichkeiten. Beispielsweise können Wälzlager im Mittelabschnitt einer Welle angeordnet werden, deren Durchmesser kleiner ist als die Durchmesser an beiden Wellenenden. Der für die Welle eingesetzte Faserverbundwerkstoff dämpft die von den Lasteinleitungselementen eingetragenen Schwingungen. Durch das Positionieren aller Lasteinleitungselemente bei der Herstellung im Formwerkzeug entstehen genaue nacharbeitsfreie Bauteile.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen zeigen
1 ein Formwerkzeug zur Herstellung einer Getriebewelle,
2 eine Getriebewelle,
3 eine abschnittsweise verstärkte Getriebewelle,
4 eine Kurbelwelle mit Preform,
5 einen Querschnitt durch ein Hybridgarn,
6 eine Space-Frame-Struktur
In 2 wird als Anwendungsbeispiel eine Getriebewelle gezeigt. Die Hohlstruktur 1 ist eine Hohlwelle. Sie besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff. Als Lasteinleitungselemente 9 sind an der Hohlwelle zwei Kugellager, eine Riemenscheibe und ein Zahnrad befestigt. Die Hohlwelle überträgt das Drehmoment zwischen der Riemenscheibe und dem Zahnrad, und sie überträgt die von diesen beiden äußeren Lasteinleitungselementen 9 eingeleiteten Querkräfte und Biegemomente.
In 1 wird die Herstellung einer ähnlichen Getriebewelle gezeigt. In einem zweiteiligen Formwerkzeug 10 werden die Lasteinleitungselemente 9 eingelegt. Danach wird eine etwa schlauchförmige textile Preform 2 aus einem Hybridgarn (s. 5) eingelegt. In die Preform 2 wird ein Blasschlauch 11 gesteckt. Mit Druckluft wird ein Innendruck p erzeugt. Dann wird die Form 10 erwärmt. Die Thermoplastfasern erweichen und verschmelzen zur Matrix. Der Innendruck p drückt die Preform 2 allseitig an die Innenkonturen der Lasteinleitungselemente 9 und des Formwerkzeuges 10. Die Preform 2 wird an die Innenkonturen der Lasteinleitungselemente 9 angeformt, sowohl an deren innere Anschlussflächen als auch an deren seitliche Bunde, soweit sie bis zu den angrenzenden Innenkonturen des Formwerkzeugs 10 frei zugänglich sind. Unter dem Druck p wird das Formwerkzeug abgekühlt, die Kunststoffmatrix wird dabei wieder fest. Die Getriebewelle kann entnommen werden. Sie bedarf keiner Nacharbeit.
Stellt man beiden Beispielen eine übliche in Stahl gefertigte Getriebewelle gegenüber, so ist leicht einzusehen, dass die Getriebewelle in 2 aus Stahl gefertigt und montiert werden könnte. Auf eine aus Stahl gedrehte Hohlwelle nach 1 könnten die Lasteinleitungselemente 9 dagegen nicht mehr montiert werden.
In 3 wird an einem Abschnitt aus 1 gezeigt, wie die Hohlwelle unter dem rechten Kugellager und der Riemenscheibe und auf dem Abschnitt zwischen beiden in der Wandstärke durch eine lokale textile Verstärkung 7 vergrößert ist. Damit können die gerade in diesem Bereich vorhandenen größeren mechanischen Belastungen besser abgefangen werden, ohne deshalb gleich die gesamte Hohlwelle zu verstärken. Zusätzlich ist zwischen der Riemenscheibe und der Hohlstruktur 1 Klebstoff 12 eingebracht, wodurch der Stoffschluss verbessert wird.
In 4 wird als Hohlstruktur 1 eine Kurbelwelle mit Lagerschalen als Lastelemente 9 gezeigt. Die hierzu erforderliche Preform 2 ist abschnittsweise nähtechnisch zusammengesetzt. Dadurch lassen sich auch große Exzentrizitäten bzw. Auskragungen relativ problemlos realisieren. Verschiedene technische Gewirke sind in sehr weiten Grenzen dehn- und formbar.
In 5 wird die Zusammensetzung eines Hybridgarns 6 wie es zur Herstellung der Preform 2 in 1 verwendet wurde gezeigt. Das Hybridgarn 6 besteht aus einem Bündel von Verstärkungsfasern 4 und Thermoplastfasern 5.
In 6 ist die Hohlstruktur 1 mit den Lasteinleitungselementen 9 eine räumliche Struktur (Space-Frame-Komponente). Die Hohlstruktur ist gebogen und erweitert sich leicht von links nach rechts im Durchmesser. An den Stirnseiten sind als Lasteinleitungselemente Flansche vorgesehen. Deren innere Kontaktflächen weisen umlaufende Rillen 3 auf. Durch den sich ändernden Innendurchmesser des Flansches entsteht zusätzllich ein kräftiger axialer Formschluss. Etwa in der Mitte der Struktur ist als weiteres Lasteinleitungselement 9 ein Befestigungselement vorgesehen. Es sitzt in einer Nut der Hohlstruktur und kann radial und axial Kräfte übertragen.

1: Hohlstruktur
2: Preform
3: Umfangsnuten
4: Verstärkungsfaser
5: Thermoplastfaser
6: Hybridgarn
7: lokale textile Verstärkung
8: Nähtechnische Verbindung
9: Lasteinleitungselement
10: Formwerkzeug
11: Blasschlauch
12: Klebstoff

Claims

Hohlstruktur aus faserverstärktem Kunststoff mit Lasteinleitungselementen zur Einleitung, Aufnahme und Übertragung von Kräften oder/und von Momenten, gekennzeichnet dadurch, dass der faserverstärkte Kunststoff an die Innenkonturen der Lasteinleitungselemente (9) angeformt ist.
Hohlstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Innenkontur wenigstens eines Lasteinleitungselements (9) für die Realisierung eines Formschlusses ausgebildet ist.
Hohlstruktur nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Innenkontur wenigstens eines Lasteinleitungselements (9) unrund ist.
Hohlstruktur nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass sich der Innendurchmesser wenigstens eines Lasteinleitungselements (9) über dessen Länge ändert.
Hohlstruktur nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Hohlstruktur wenigstens ein Lasteinleitungselement (9) seitlich stützt.
Hohlstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zwischen der Hohlstruktur und der Innenkontur wenigstens eines Lasteinleitungselements (9) eine zusätzliche Klebeverbindung besteht.
Hohlstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass wenigstens ein Lasteinleitungselement (9) aus metallischem, keramischen oder polymeren Werkstoff besteht.
Hohlstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Faserverstärkungen der Hohlstruktur (1) Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern oder Basaltfasern sind.
Hohlstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Matrix der Hohlstruktur (1) ein thermoplastischer Kunststoff ist.
Hohlstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Matrix der Hohlstruktur (1) ein duroplastisches Kunstharz ist.
Hohlstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Werkstoff wenigstens eines Lasteinleitungselements (9) eine höhere Wärmeausdehnung aufweist als die Hohlstruktur (1) im Kontaktbereich zu diesem Lasteinleistungselement (9).
Hohlstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Orientierung der Verstärkungsfasern in der Hohlstruktur (1) wenigstens abschnittsweise auf die in diesem Abschnitt vorherrschende mechanische Beanspruchung abgestimmt ist.
Hohlstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Wandstärke der Hohlstruktur (1) an wenigstens einem Abschnitt vergrößert ist.
Hohlstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Querschnittsfläche der Hohlstruktur sich hinsichtlich Form oder/und Größe über deren Länge ändert.
Hohlstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Hohlstruktur eine Hohlwelle bzw. -achse ist und als Lasteinleitungselemente (9) die üblicherweise mit Wellen und Achsen verbundenen Konstruktionselemente, wie Lager, Lagerringe, – schalen, Zahnräder, Muffen, Kupplungsteile, Riemenscheiben, Räder, Kurbeln oder Kurvenscheiben, vorgesehen sind.
Hohlstruktur nach Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, dass wenigstens ein Lasteinleitungselement (9) exzentrisch zur Achse angeordnet ist.
Hohlstruktur nach Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, dass die Mittelachsen einzelner Abschnitte der Hohlstruktur (1) gegeneinander versetzt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Hohlstruktur aus textilverstärktem Kunststoff mit Lasteinleitungselementen zur Einleitung, Aufnahme und Übertragung von Kräften oder/und von Momenten mit den Verfahrensschritten Formung einer Hohlstruktur aus einer radial drapierbaren textilen Preform in einer geschlossenen Form und Konsolidierung der Preform zur festen Faserverbundstruktur durch Aushärten bzw. Verfestigen einer polymeren Matrix, gekennzeichnet dadurch, dass die Lasteinleitungselemente (9) in der Form funktionsgerecht positioniert werden, die Preform die Lasteinleitungselemente (9) durchdringt und konturgenau an die Innenkonturen der Lasteinleitungselemente und die dazwischenliegenden Forminnenflächen angeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass die konturgenaue Anformung der Faserverbund-Hohlstruktur an die Forminnenwände des Werkzeugs bzw. an die Innenkonturen der Lasteinleitungselemente mit einem druckbeaufschlagten Blasschlauch innerhalb der Hohlstruktur sichergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass die konturgenaue Anformung der Faserverbund-Hohlstruktur an die Forminnenwände des Werkzeugs bzw. an die Innenkonturen der Lasteinleitungselemente mit Fliehkraft in einem rotierenden Werkzeug sichergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass die konturgenaue Anformung der Faserverbund-Hohlstruktur an die Forminnenwände des Werkzeugs bzw. an die Innenkonturen der Lasteinleitungselemente durch einen elastischen Formkern im Inneren der Hohlstruktur gewährleistet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass die textile Verstärkung in einer Thermoplastmatrix eingebettet wird, wobei der thermoplastische Kunststoff zur Verarbeitung in fein verteilter Form in der textilen Preform vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass die textile Verstärkung in einer duroplastischen Kunstharzmatrix eingebettet wird, wobei das Kunstharz zur Verarbeitung in fein verteilter Form in der textilen Preform vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass die textile Verstärkung in einer duroplastischen Kunstharzmatrix eingebettet wird, wobei die textile Preform erst im Werkzeug von Harz durch Infusion imprägniert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass die textile Preform nähtechnisch aus verschiedenen textilen Halbzeugen zusammengesetzt ist.