DE102007001253B4

DE102007001253B4 - Baugruppe aus einem polymeren Verbundrohr und einer metallischen Endkupplung

Info

Publication number: DE102007001253B4
Application number: DE102007001253A
Authority: DE
Inventors: Michael James Dewhirst
Original assignee: Crompton Technology Group Ltd
Current assignee: Crompton Technology Group Ltd
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2007-01-08
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2027-01-09
Also published as: US7874925B2; GB2435317A; GB2435317B; US20080012329A1; GB0600874D0; DE102007001253A1

Abstract

Baugruppe mit einem polymeren Verbundrohr (Co) und einer metallischen Endkupplung (Me), die auf einem Ende des polymeren Verbundrohrs (Co) befestigt ist, wobei die Kupplung einen zylindrischen Abschnitt aufweist, der mit einem Kerbzahnprofil versehen ist, wobei der mit einem Kerbzahnprofil versehene, zylindrische Abschnitt eine insgesamt zylindrische Innenfläche mit einem Innendurchmesser (Dcr) besitzt, wobei die Innenfläche folgendes aufweist: mehrere längsverlaufende Schneidzähne (Te), die sich parallel zu einer Achse des zylindrischen Abschnitts erstrecken; und dazugehörige Paare von Rinnen (Tr), die an jeder Seite jedes dazugehörigen längsverlaufenden Schneidzahns angrenzen und parallel dazu verlaufen, wobei an einer Außenfläche eines zylindrischen Endes des polymeren Verbundrohrs (Co), das mit Presspassung in der metallischen Endkupplung (Me) angebracht ist, eine Endverbindung gebildet ist, wobei: die mehreren längs verlaufenden Schneidezähne (Te) während des Vorgans des Anbringens mit Presspassung Längskanäle in den Außendurchmesser der Wand des Verbundrohrs eingeschnitten haben; und die Rinnen (Tr) das Umformen der...

Description

Die Erfindung betrifft die Ausgestaltung einer Baugruppe aus einem polymeren Verbundrohr und einem metallischen Endanschlussstücks bzw. einer metallischen Endkupplung, das bzw. die mit Presspassung auf den Außendurchmesser am Ende des Verbundrohres angebracht werden kann und mittels dem Belastungen zur Welle und von dieser übertragen werden können. Der primäre Lastübertragungsmechanismus ist durch eine äußere Presspassung zwischen der Oberfläche des Verbundrohrs und dem metallischen Anschlussstück gebildet, welches ein gezahntes Innenmerkmal mit Keilprofil aufweist. Während des Vorgangs des Anbringens mit Presspassung schneiden die Kerbzähne Längskanäle in den Außendurchmesser der Wand des Verbundrohrs ein, um eine mechanische Schnittstelle mit dem Verbundrohr zu bilden. Umgedrehte Rippen, die im gezahnten Bereich an die Schneidzähne angrenzen und parallel zu diesen verkaufen, ermöglichen die Umverteilung des Verbundmaterials und der Späne, die während des Vorgangs des Anbringens mit Presspassung gebildet werden. Eine Konstruktionsklebepaste kann während des Vorgangs des Anbringens mit Presspassung auf den Verbindungsbereich aufgebracht werden. In diesem Fall wirken die Späne so, dass der Kleber um die Grenzfläche mit Keilprofil verstärkt wird. Die Stabilität der Verbindung wird durch den so gebildeten sekundären Belastungsweg weiter verbessert.
Ein System, das aus einem Verbundrohr zwischen zwei Endanschlussstücken besteht, bildet eine leichte Übertragungswelle, die dazu verwendet werden kann, statische und dynamische Torsions- und Längsspannungen in Kraftübertragungsanwendungen wirksam zu übertragen. Derartige Systeme müssen eine gute Torsionsfestigkeit, eine gute statische Festigkeit und eine gute Ermüdungsfestigkeit in Kombination mit einer hohen Verdrehfestigkeit haben. Um dies zu erreichen, sind sowohl geringe Dichten der Welle als auch große Durchmesser, eine geringe Länge und ein hoher Elastizitätsmodul in Längsrichtung vorteilhafte Merkmale. Für alle spezifischen Konstruktionsanwendungen werden jedoch die Längen und Durchmesser der Wellen oft zwischen engen Grenzen festgelegt. Eine Materialkombination mit einem hohen spezifischen Modul in Axialrichtung (hoher Elastizitätsmodul in Längsrichtung und geringe Dichte) ist erforderlich, um eine Welle mit einer hohen Verdrehfestigkeit herzustellen. Um dies zu erreichen, gehören Verbundrohre, die mit Fasern mit hohem Elastizitätsmodul verstärkt sind, und insbesondere kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zu den Materialien der Wahl.
Faserverstärkte Verbundwellen weisen gegenüber Metallwellen Vorteile auf, sie sind nämlich hinsichtlich des Gewichts leichter, korrosionsbeständiger, solider und träger. Faserverstärkte Antriebswellen, die sowohl Glasfasern als auch Kohlefasern in einem harzhaltigen Bindemittel aufweisen, wurden von Union Carbide Inc in dem 1978 erteilten Dokument US4089109 offenbart.
Es sind röhrenförmige, faserverstärkte Verbundbauteile vorgeschlagen worden, wie von Reinhold Engineering in dem 1959 erteilten Dokument US2882072 , von Koch Ind. Inc in dem 1972 erteilten Dokument US3661670 und von British Aircraft Corp. Ltd in dem 1974 erteilten Dokument GB1356393 gezeigt ist. Fahrzeugantriebswellen aus röhrenförmigen, faserverstärkten Verbundbauteilen sind in dem 1977 erteilten Dokument US4041599 von Union Carbide und in dem 1979 erteilten Dokument US4171626 von Celanese Corporation gezeigt. Hier werden die Filamente, die einen ungehärteten, wärmehärtbaren Kunststoff tragen, um einen Dorn gewickelt, bis die gewünschte Dicke erhalten worden ist, woraufhin das Kunststoffmaterial gehärtet wird. Es sind Bereiche oder Schichten umlaufend in der Wellenwand in den spezifischen, dort offenbarten Winkelbeziehungen angeordnet. Die Drehmomentübertragung in die Verbundwelle über mechanische oder geklebte Verbindungen ist Gegenstand einer Reihe weiterer US-Patente der Firma Celanese, die 1980 bis 1981 erteilt wurden: US4185472 , US4187135 , US4214932 , US4236386 , US4238539 , US4238540 , US4259382 und US4265951 . Die mechanische Befestigung einer röhrenförmigen Verbundwelle mittels einer innen angebrachten röhrenförmigen, metallischen Schnittstelle mit Keilprofil ist in dem Patent JP2001065538 von Mitsubishi Motors Corp. beschrieben. Das Patent GB2026651 der Firma GKN von 1979 beansprucht eine mit Kleber befestigte Torsionsverbindung, die über eine gestufte oder konisch maschinell bearbeitete Verbundwand an jeder Schichtungslage befestigt ist, um ein angepasstes Endanschlussstück zu bilden. Das Patent GB2207732 von Loehr und Bromkamp von 1989 beansprucht eine Torsionsverbindung, die durch die reibschlüssige Verbindung zwischen einem Verbundrohr, das eine keilförmige Schicht mit großem Schrägungswinkel aufweist, und einem zylindrischen Innenzapfen aus Metall erhalten wird, wobei der Außendurchmesser des Zapfens um mehr als 0,2 mm größer ist als der Innendurchmesser des Verbundbauteils. Die DE 39 36 999 A1 zeigt eine Verbindung, die an der Außenseite eines verdickten Wellenendes und an einem gerändelten, metallischen Endanschlussstück gebildet wird. Das 1981 erteilte Patent GB2071812 von Daimler Benz beansprucht ein Verbindungselement mit Umfangszähnen, das auf ein faserverstärktes Kunststoffrohr gedrückt ist, derart, dass das Verbindungselement eine formschlüssig verrastete, drehfeste Verbindung bewirkt. Das Patent US2003/207715 der Firma Hitachi von 2003 verwendet einen selbsteinstellenden Metallzapfen mit gezackten Außenzähnen, der in den Innendruchmesser eines Verbundrohrs drückt, das im Verbindungsbereich eine innere, umlaufende Verstärkungsschicht aufweist.
Die DE 103 06 989 A1 zeigt eine faserverstärkte Kunststoffkardanwelle, in die ein Anschlussteil eingepresst ist. Dieses ist mit spitzen Zähnen versehen, die sich in das Material der Kardanwelle eingraben.
Aus der CH 652 807 ist eine Verbindung zwischen einem hohlen Faserkunststoffrohr und einem Anschlusselement bekannt, das in den Innenraum des Rohres eingeschoben ist. Dabei graben sich spitze Zähne des Anschlusselements in die Wandung der Welle ein.
Die US-Patentanmeldung US 2006/0258469, die auf die vorliegende Anmelderin übertragen wurde und durch Bezugsnahme hier aufgenommen ist, führt eine Ausgestaltung und ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundwelle mit zylindrischen Endabschnitten an, wobei alle spiralförmigen Lagen aus Faserschichten an der Außenfläche zu sehen sind, auf der eine metallische Endkupplung über eine Schnittstelle mit Keilprofil mit Schiebepassung befestigt ist. Die Verbindung kann gestärkt werden, indem die Hauptwelle innen mit einem mit Presspassung angebrachten, röhrenförmigen Stopfen verstärkt wird.
Die vorliegende Erfindung ist für die Ausgestaltung eines metallischen Endanschlussstücks, das mit Presspassung auf dem Außendurchmesser am Ende einer Verbund-Übertragungswelle angebracht ist. Der primäre Lastübertragungsmechanismus ist durch eine Presspassung zwischen der Außenfläche des Verbundrohrs und dem metallischen Anschlussstück gebildet, welches ein gezahntes Innenmerkmal mit Keilprofil aufweist, das die produzierten Späne des Verbundwerkstoffs aufnehmen soll, die während des Vorgangs des Anbringens mit Presspassung erzeugt werden.
Es gibt verschiedene Arten, Verbundwellen herzustellen. Die Eigenschaften des Verbundrohrs können durch Einstellen der relativen Dicke der Lagen und der Winkel bezüglich der Achse der Welle angepasst werden. Fasern, die mit kleinen Winkeln von < 30° gewickelt werden, verleihen gute axiale Zugeigenschaften. Fasern, die mit einem Winkel von 40–50° gewickelt werden, verleihen gute Torsionseigenschaften. Fasern, die mit einem Winkel von 75–90° gewickelt werden, verleihen gute Umfangseigenschaften. Das Wickeln von Filamenten ermöglicht genaue und reproduzierbare Kombinationen der Schrägungswinkel der Wicklung, der Lagendicken und der Faserart, die bei optimierten Schichtungen der Lagen zu verwenden sind. Sehr starke und wirksame Verbindungen können hergestellt werden, indem das Verbundlaminat in den Endbereichen der Welle so modifiziert wird, dass die Belastung gleichmäßig in allen drehmomenttragenden Lagen des Rohrs verteilt wird. Dies wird erreicht, indem eine keilförmige Innenschicht einer Umfangsfaser mit großem Winkel gewickelt wird, die dazu verwendet wird, die lokale Dickengeometrie durch die spiralförmigen Außenlagen so einzustellen, dass nach dem Härten und nach einer einfachen Bearbeitung der zylindrischen Oberfläche der Endbereiche an der Außenfläche des Verbundrohrs die Lagen durch die Dicke der Rohrwand an der Rohroberfläche erscheinen. Der primäre Lastübertragungsmechanismus wird dann durch eine äußere Presspassung zwischen der modifizierten Oberfläche des Verbundrohrs und einem metallischen Anschlussstück gebildet, das gezahnte Innenmerkmale mit Keilprofil aufweist. Dies bildet eine mechanische Schnittstelle mit jeder spiralförmigen Schichtungslage, wodurch ein frühzeitiges Versagen der Verbindung durch eine lokale Ablösung der gesamten Dicke der Oberflächenlage während einer Torsionsbelastung oder einer axialen Belastung vermieden wird. Dieser Vorgang ist in der Patentanmeldung US 2006/0258469 der Firma CTG ausführlich beschrieben.
Wo optimierte Festigkeiten der Verbindung erforderlich sind, kann das Endanschlussstück mit Keilprofil, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, in Kombination mit den im Dokument US 2006/0258469 beschriebenen Verbundrohren verwendet werden. Für Wellen, die nicht so stark beansprucht werden, können herkömmlichere Wellen, die mit Filamenten mit einfachem Querschnitt gewickelt sind, in Kombination mit dem Endanschlussstück verwendet werden.
Während des Vorgangs des Anbringens mit Presspassung sollen die Kerbzähne Längskanäle in den Außendurchmesser der Verbundwand schneiden, um eine mechanische Schnittstelle mit dem Verbundrohr zu bilden. Umgekehrte Rinnen, die an jeden Schneidzahn angrenzen, ermöglichen die Umformung des Verbundbauteilquerschnitts und die Aufnahme des Spänenmaterials, das während des Vorgans des Anbringens mit Presspassung gebildet wird. Eine Konstruktionsklebepaste kann während des Vorgangs des Anbringens mit Presspassung auf den Verbindungsbereich aufgebracht werden. In diesem Fall verstärken die Späne den Kleber um die Schnittstelle mit Keilprofil, um die Stabilität der Verbindung weiter zu verbessern. Diese optimale sekundäre Klebeverbindung wirkt auch als Dichtungsmasse zur Umhüllung aller ungeschützten Fasern an der Stirnseite des Rohrs und dient dazu, die ungeschützten Fasern gegenüber der Umgebung zu schützen. Dieser Konstruktionsgedanke, bei dem man sich nicht auf eine primäre Klebeverbindung verlässt, ist bei Wellen aus der Raum- und Luftfahrtindustrie sehr wichtig, wo es mit zerstörungsfreien Prüfverfahren nicht möglich ist, die Intaktheit einer Klebeverbindung auf zuverlässige Weise zu bestimmen. Dies führt dazu, dass bei vielen Anwendung in der Raum- und Luftfahrtindustrie diese primären Klebeverbindungen nicht akzeptabel sind.
Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine Baugruppe bereit, die in den Ansprüchen 1 bis 4 definiert ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Baugruppe, wie es in den Ansprüchen 5 bis 9 definiert ist.
Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben und sind lediglich als nicht einschränkende Beispiele angegeben. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen
1 Merkmale einer üblichen metallischen Endkupplung mit Keilnabenprofil im Längsschnitt;
2a einen Querschnitt der Kerbzähne und der zugeordneten Rinnen in einer metallischen Endkupplung mit Flansch und einem komplexen Verzahnungstyp gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, während 2b eine Vergrößerung des in 2a markierten Bereichs 2b zeigt;
3 Merkmale einer metallischen Endkupplung mit Flansch aus dem Stand der Technik, mit einem einfachen Verzahnungstyp;
4 einen Längsschnitt der üblichen metallischen Endkupplung mit Keilnabenprofil, die mit Schiebepassung an einer Verbund-Übertragungswelle angebracht ist;
5 einen Schnitt einer metallischen Endkupplung mit Keilnabenprofil nach der vorliegenden Erfindung, die über eine starke Presspassung mit den Zähnen des Endanschlussstücks mechanisch an einer Verbundwelle festgelegt ist;
6 einen Schnitt, der demjenigen aus 5 ähnlich ist, wobei ein sekundärer Kleber aufgebracht ist;
7 einen Schnitt einer metallischen Endkupplung mit Keilnabenprofil aus dem Stand der Technik, die über eine Presspassung mit den Zähnen des Endanschlussstücks mechanisch an einer Verbundwelle festgelegt ist;
8 die Testergebnisse, die die Stabilität bei Umfangsbeanspruchungen veranschaulichen, die bei verschiedenen Torsionsspannungen übertragen werden, wobei die Ergebnisse für eine metallische Endkupplung mit Keilnabenprofil nach der vorliegenden Erfindung mit den Ergebnissen für eine metallische Endkupplung mit Keilnabenprofil aus dem Stand der Technik verglichen werden.
1 zeigt einen Längsschnitt einer üblichen metallischen Endkupplung mit Keilnabenprofil. Das Anschlussstück ist aus einer harten, steifen und beständigen Legierung wie etwa aus der korrosionsbeständigen Stahllegierung S143 maschinell hergestellt. Die Anschlussstücke bestehen aus einem inneren Umfangsbereich Sp mit Keilprofil mit der Länge Ls, einem zylindrischen Bereich Sa ohne Keilprofil mit der Länge La, der einen konisch erweiterten, inneren Kopfkreisdurchmesser hat, und einem Flanschbereich Fl, der eine Anzahl von Bolzenlöcher Bh aufweist, die gleichmäßig um einen gemeinsamen Lochkreisdurchmesser verteilt sind und über die ein Drehmoment in die und aus der Welle übertragen werden kann.
2a zeigt einen Querschnitt einer metallischen Endkupplung mit Keilnabenprofil der vorliegenden Erfindung, wobei eine Flanschkonstruktion mit sechs Bolzenlöcher Bh gezeigt ist. Je nach den zu übertragenden Spannungen und den Abmessungen der Verbundwelle kann jedoch jegliche Anzahl von Löchern verwendet werden. Das als Ausführung 2 definierte Keilprofil in Querrichtung ist in 2b deutlicher gezeigt, welche eine Vergrößerung des Teils aus 2a ist, der mit 2b bezeichnet ist. Das Keilprofil besteht aus einer Vielzahl von nach innen hervorstehenden Zähnen Te, denen jeweils zwei angrenzende Rinnen Tr zugeordnet sind. Die Zähne und die Rinnen verlaufen parallel zur Mittelachse des Endanschlussstücks und sind um einen gemeinsamen Innendurchmesser Dcr angeordnet. Die Schneidspitzen der Zähne am Innendurchmesser Dte und die Rinnen am Außendurchmesser Dtr haben jeweils einen Winkel von etwa 90°. Die Zahnspitzen und die Rinnenvertiefungen haben einen Radius Rte bzw. Rtr. Diese Radien betragen üblicherweise weniger als 0,1 mm. Die Innenbogenlänge Sp beträgt üblicherweise 0,5–1 mm. In Kombination führen diese Merkmale zu geringen Konzentrationen der Torsionsspannungen in der metallischen Verbindung mit Keilprofil und ermöglichen eine einfache Herstellung, wobei sie gleichzeitig zu guten Räumeigenschaften führen. Dcr ist so bestimmt, dass ein formschlüssiges Übermaß mit dem maschinell bearbeiteten Außendurchmesser der Enden der Verbundwellen gebildet ist. Durch ein Einsetzen der Welle mit Schiebepassung in die Endanschlussstücke mit Keilprofil werden die Spitzen der Zähne mechanisch in die Oberfläche des Verbundrohrs festgelegt.
In 3, die eine Vergrößerung zeigt, die derjenigen aus 2b sehr ähnlich ist, ist zum Vergleich ein Keilprofil mit einfachem Querschnitt dargestellt, das als Ausführung 1 definiert ist. Dies bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführung wurde zuvor im Dokument US 2006/0258469 vorgestellt. In diesem Fall ist ein mechanischer Formschluss an den Spitzen der Zähne Te gebildet, wenn es an einer Verbundwelle angebracht ist, wobei es jedoch kein Übermaß mit dem Innendurchmesser gibt.
4 zeigt ein Ende einer Verbundwelle mit einer metallischen Endkupplung Me mit Keilnabenprofil gemäß der vorliegenden Erfindung, die durch Schieben auf einer Verbundwelle positioniert wird. Die metallische Endkupplung Me mit Keilnabenprofil hat eine Gesamtlänge Lf, wovon eine Länge Ls das Keilnabenprofil Sp aufweist. Die Verbundwelle ist üblicherweise unter Verwendung einer Vielzahl von umlaufenden Auflaufwinkeln Hp und spiralförmigen Auflaufwinkeln He gewickelt. Wie im Dokument US 2006/0258469 beschrieben, kann ein Innenstopfen Pg verwendet werden, um das Verbundrohr in Umfangsrichtung zu verstärken. Der Stopfen Pg verbessert die Umfangssteifigkeit und -festigkeit der Endbereiche, um zu verhindern, dass sich während des nachfolgenden Anbringens der metallischen Enden mit Presspassung das Material in der Wand der Hauptwelle beult.
5 zeigt eine schematische Darstellung der zusammengefügten primären mechanischen Verbindung, die mit einer metallischen Endkupplung Me mit Keilnabenprofil der vorliegenden Erfindung (Ausführung 2) erhalten wird. Die Keilzähne Te haben einen Innendurchmesser Dte, der geringfügig kleiner ist als der maschinell bearbeitete Außendurchmesser der Verbundwelle Co, so dass ein passendes Keilprofil in der Verbundoberfläche geformt und über eine Länge Ls eine Presspassung In mit dem Innendurchmesser Dcr gebildet wird, wenn die metallische Endkupplung Me mit Keilnabenprofil der vorliegenden Erfindung axial auf die Verbundwelle Co gepresst wird (4). Das Übermaß In der metallischen Endkupplung mit Keilnabenprofil der vorliegenden Erfindung ist üblicherweise auf 0,15–0,2 mm festgelegt, mit einem schneidenden Übermaß Dcr–Dte üblicherweise von 0,2–0,3 mm für Verbundwellen mit Durchmessern zwischen 22 und 28 mm. Dieser letzte Befestigungsvorgang ist von Natur aus selbstausrichtend, was dazu führt, dass der maschinell bearbeitete Außendurchmesser der Enden der Hauptwelle und die Endanschlussstücke, die mit Flansch versehen sind, sehr konzentrisch sind. Die mechanisch formschlüssige Keilprofillänge Ls, die Anzahl der Zähne und ihre Geometrie sind so gewählt, dass der mechanische Formschluss den geforderten höchsten Druck- und Zugbelastungen standhalten und auch sowohl ein statisches als auch ein zyklisches Drehmoment der Konstruktion übertragen kann. Der Endbereich Sa ohne Keilprofil und mit geringem radialen Spiel, der durch die Länge La definiert ist (1), bleibt während des Vorgangs der Trockenmontage ohne Klebebefestigung. Wenn die metallische Endkupplung Me mit Keilnabenprofil der vorliegenden Erfindung auf die Außenseite der Verbundwelle Co gepresst wird, überträgt sie Druckbelastungen in die Wellenwände. Es werden Schneidspäne Deb erzeugt, die in den Rinnenbereichen Tr aufgenommen werden, die einen maximalen Durchmesser Dtr haben. Die primäre Verbindung ist dann durch eine Kombination des Übermaßes In am Innendurchmesser Dcr und des Schneidens an den Zahnspitzen Te gebildet.
6 zeigt einen Querschnitt durch den Verbindungsbereich der Welle, der wie anhand von 5 beschrieben angebracht wurde, mit der Ausnahme, dass ein hochwiderstandsfähiger Kleber Ad in den Verbindungsbereich zwischen der Verbundwelle und der metallischen Endkupplung mit Keilnabenprofil der vorliegenden Erfindung eingebracht ist. Der Kleber bildet eine Strukturverbindung im zylindrischen Bereich der Länge La (1) zwischen der metallischen Endkupplung mit Keilnabenprofil der vorliegenden Erfindung und der Verbundwelle. Der Kleber wird auch auf einer Länge Ls in die Rinnenbereiche gedrückt und bildet ein Bindemittel um die Verbundmaterialspäne Deb, die während des Befestigungsvorgangs gebildet werden. Der mit Kleber befestigte Bereich wirkt in der Verbindung als sekundärer Belastungsweg. Dies erhöht weiterhin die Intaktheit des Verbindungsbereichs und wirkt auch als Abdichtung der mechanischen Schnittstelle gegenüber den Langzeitauswirkungen der Arbeitsumgebung. Der Kleber Ad wird vorzugsweise vor der Montage auf die Außenfläche der Verbundwelle aufgebracht. Alternativ kann der Kleber auch unter Verwendung einer Technik des Vergießens unter Vakuum oder eines Einspritzvorgangs nach der Trockenmontage eingebracht werden. Der Kleber, der vorzugsweise zur Familie der Epoxide gehört, kann anschließend entweder bei Raumtemperatur oder durch das Aufbringen von Wärme während einer geeigneten Zeitdauer gehärtet werden. Der Kleber füllt die Spalte zwischen den Anschlussstücken und der maschinell bearbeiteten Oberfläche des Verbundbauteils, wodurch der maschinell bearbeiteten Oberfläche des Verbundbauteils eine Beschränkung in Radialrichtung hinzugefügt wird, durch die die Oberfläche des Verbundbauteils daran gehindert wird, auszubeulen oder sich abzulösen, und dadurch gewährleistet ist, dass der Belastungsweg für Torsionsbelastungen beim Scheren des Verbundbauteils Co die Zähne des Keilprofils berührt. Die Enden des angrenzenden Verbindungsbereichs Sa sind so gestaltet, dass sie Stränge von Kleber Ad aufnehmen, die zur Reduzierung der Spannungskonzentrationen an den Enden der Klebeverbindung wirken. Das relative Längsverhältnis Ls/La kann so eingestellt werden, dass das Gleichgewicht zwischen den Spannungen, die von den mechanisch befestigten bis zu den mit Kleber befestigten Abschnitten der Verbindung getragen werden, verändert wird.
7 zeigt einen Querschnitt durch den Verbindungsbereich der Welle, der unter Verwendung des einfachen Zahnprofils der Ausführung 1 aus dem Stand der Technik angebracht ist. Da der Innendurchmesser Dcr größer ist als der Außendurchmesser der Verbundwelle, tritt in diesem Fall ein Übermaß lediglich um den Zahnspitzendurchmesser Dte auf. Es wird eine geringe Menge von Schneidspänen Deb gebildet.
8 zeigt Versuchsergebnisse, die die zur Außenfläche der Endanschlussstücke übertragene Umfangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit für verschiedene zyklische Drehmomentstärken angibt. Die Ergebnisse für die metallische Endkupplung mit Keilnabenprofil der vorliegenden Erfindung (Ausführung 2) werden mit denen einer metallischen Endkupplung mit Keilprofil aus dem Stand der Technik (Ausführung 1) verglichen, die in 7 beschrieben ist und lediglich auf eine schneidende Wechselwirkung an den Zahnspitzen baut. Die Testergebnisse für die Ausführung 1 zeigen eine Verringerung der übertragenen Spannung mit der Zeit, während die Testergebnisse für die Ausführung 2 zeigen, dass die Eigenschaften hinsichtlich der Verbindung in der Zeit stabil bleiben. Die metallische Endkupplung mit Keilnabenprofil der vorliegenden Erfindung gewährleistet, dass die Vorspannung während des gesamten Belastungszyklus beibehalten wird, wobei die Kriechfestigkeit der primären mechanischen Befestigung allein veranschaulicht wird. Es hat sich gezeigt, dass bei langzeitigen zyklischen Belastungen die metallische Endkupplung mit Keilnabenprofil der vorliegenden Erfindung, Ausführung 2, besser ist als die metallische Endkupplung mit Keilnabenprofil aus dem Stand der Technik, Ausführung 1, da die Möglichkeiten für einen Reibverschleiß und eine mechanische Verschlechterung der Verbindung stark reduziert wurden.
Ein erstes Beispiel einer Ausführungsform der Erfindung mit den Eigenschaften einer Verbund-Übertragungswelle wird nun anhand der Größen und Lagenausrichtungen, die für eine Anwendung bei einer Hebewelle einer Flugzeugflügelklappe geeignet sind, veranschaulicht.
Hier sind 30 000 Zyklen mit einem Ermüdungsdrehmoment von bis zu ±245 Nm und Drehzahlen von 13000 U/min übliche Testanforderungen. Die Verbundwelle Co hat einen Außendurchmesser von 33 mm, einen Innendurchmesser von 27,7 mm und eine Länge von 1,75 m. Es kann mit einer Biegung in Querrichtung von weniger als 5 mm axialen Druckbelastungen, die 7 kN überschreiten, standgehalten werden. Um dies zu erreichen, beträgt der Winkel der mittleren Lagenschichtung der Hauptwelle ±28° in einer 2,45 mm dicken Schicht, die über einer Faserinnenschicht liegt, die mit einem Winkel von +89° zu einer 0,2 mm dicken Schicht gewickelt ist. Es wird durchgehend eine Standardsorte Kohlefaser verwendet. Als Binderharz wird üblicherweise ein Epoxid-Bisphenol A-Harz mit einem Anhydridhärter verwendet. Es wird verwendet, um die Faserstränge vor dem Auflegen auf den Dorn zu imprägnieren. Der Elastizitätsmodul in Längsrichtung dieser Struktur beträgt mehr als 50 Gpa, und die Dichte des Verbundbauteils beträgt ~1560 kgm^–3.
Die am Umfang verstärkten Endstopfen Pg werden unter Anwendung von Verfahren und Materialien, die denen ähnlich sind, die für das Hauptrohr verwendet werden, gewickelt. Die röhrenförmigen Stopfen werden mit (±89° (0,75 mm) ±20° (0,35 mm))₂ gewickelt, um im geformten Zustand einen Innendurchmesser von 21,3 mm zu erhalten, wobei der Außendurchmesser maschinell auf 27,7 mm bearbeitet wird, damit sich eine geringfügige Presspassung mit dem Innendurchmesser der Hauptverbundwelle Co ergibt. Diese Rohre werden auf einer Länge von 35 mm mit Schiebepassung in die Enden der Hauptwellen eingesetzt, und die hervorstehenden Enden des Stopfens werden maschinell entfernt, um mit den Enden der Hauptwelle zusammenzupassen.
Die metallische Hülse würde üblicherweise aus einem 1,35 mm dicken, dünnwandigen, hochfesten S143-Stahl bestehen und einen Innendurchmesser Dcr von 32,7 mm und eine Länge Lf von 38 mm haben. Die Innenfläche des Endanschlussstücks hat 68 Zähne mit einer Keilprofillänge Ls von 31 mm und einer nach innen gerichteten Länge La von 6 mm. Während der Montage werden die beiden metallischen Endkupplungen Me mit Keilnabenprofil der vorliegenden Erfindung durch Aufbringen einer Druckbelastung von 35–50 kN gleichzeitig auf entgegengesetzte Enden der Verbund-Hauptwelle Co geschoben. Dies führt zu einem starken Übermaß In von 0,15 mm mit dem inneren Fußkreisdurchmesser Dcr, wobei dabei feine Keilnuten in die Außenfläche der Verbundwelle Co eingeschnitten werden. Das Testen der so hergestellten gezahnten mechanischen Schnittstelle ohne sekundäre Klebeverbindung hat gezeigt, dass die mechanische Verbindung Torsionsbelastungen von mehr als 1600 Nm und Zugbelastungen von mehr als 32 kN standhalten kann. Die Verbindung ist hinsichtlich der Ermüdung bei bis zu mehr als 10 Millionen Zyklen über ±245 Nm stabil.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung besteht in einer primären Verbindung, die der im ersten Beispiel genannten ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass während des mechanischen Montagevorgangs sowohl in die 31 mm lange mechanische Schnittstelle, durch Ls definiert, als auch in den 6 mm langen Bereich, durch La definiert, entlang denen eine 0,15 mm dicke Kleberschicht aufgenommen werden kann, um den Verbindungsbereich gegenüber der Umgebung zu schützen und die Verbindungsleistung zu optimieren, ein Epoxidkleber Ad eingebracht und um diese herum verteilt wird. Das Einbringen des sekundären Belastungswegs ermöglichte verbesserte Torsionsfestigkeiten bei mehr als 1700 Nm und einen Widerstand gegen höhere Zugbelastungen von mehr als 35 kN. Der Kleber dichtet auch die Enden und die maschinell bearbeiteten Oberflächen der Verbundwelle im Verbindungsbereich ab.
Auch wenn die Erfindung im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass Zusätze, Veränderungen, Austausche oder Auslassungen, die nicht spezifisch beschrieben wurden, vorgenommen werden können, ohne sich vom Umfang der Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, zu entfernen. Diese Erfindung ist als solche nicht auf die Merkmale des vorhergehenden Beispiels beschränkt, sondern erstreckt sich auf den gesamten Umfang der beiliegenden Ansprüche.

Claims

Baugruppe mit einem polymeren Verbundrohr (Co) und einer metallischen Endkupplung (Me), die auf einem Ende des polymeren Verbundrohrs (Co) befestigt ist, wobei die Kupplung einen zylindrischen Abschnitt aufweist, der mit einem Kerbzahnprofil versehen ist, wobei der mit einem Kerbzahnprofil versehene, zylindrische Abschnitt eine insgesamt zylindrische Innenfläche mit einem Innendurchmesser (Dcr) besitzt, wobei die Innenfläche folgendes aufweist: mehrere längsverlaufende Schneidzähne (Te), die sich parallel zu einer Achse des zylindrischen Abschnitts erstrecken; und dazugehörige Paare von Rinnen (Tr), die an jeder Seite jedes dazugehörigen längsverlaufenden Schneidzahns angrenzen und parallel dazu verlaufen, wobei an einer Außenfläche eines zylindrischen Endes des polymeren Verbundrohrs (Co), das mit Presspassung in der metallischen Endkupplung (Me) angebracht ist, eine Endverbindung gebildet ist, wobei: die mehreren längs verlaufenden Schneidezähne (Te) während des Vorgans des Anbringens mit Presspassung Längskanäle in den Außendurchmesser der Wand des Verbundrohrs eingeschnitten haben; und die Rinnen (Tr) das Umformen der äußeren Verbundfläche durch die Zähne anpassen und Schneidspäne (Deb) aufnehmen, die während des Vorgangs des Anbringens mit Presspassung von den Zähnen gebildet werden; und wobei die Paare von Rinnen und die Schneidzähne durch eine Innenbogenlänge (Sp) voneinander getrennt sind, die einen Innendurchmesser (Dcr) aufweist, der geringer ist als der Außendurchmesser (do) der zylindrischen Außenfläche des zylindrischen Ende des Verbundrohres, so dass während des Zusammenfügens durch Pressen der konzentrischen, zylindrischen Verbindung eine Presspassung gebildet ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, bei der der zylindrische Abschnitt, der mit einem Kerbzahnprofil versehen ist, weiterhin einen Endbereich (Sa) mit einer zylindrischen Innenfläche aufweist, die kein Kerbzahnprofil aufweist und deren Durchmesser größer ist als der Innendurchmesser.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei zwischen einem Außendurchmesser des zylindrischen Endes des polymeren Verbundrohrs und der metallischen Endkupplung mit Flansch eine Kleberverbindung (Ad) vorgesehen ist.
Baugruppe nach Anspruch 3, bei der der Kleber (Ad) am Schnittstellenbereich folgendes bildet: a) – ein Bindemittel zum Binden der Schneidspäne und zur Aufnahme des resultierenden Verbundwerkstoffs in den Rinnenbereichen; b) – einen sekundären Belastungsweg für eine Reaktion auf aufgebrachte Spannungen; und c) – eine Dichtungsmasse zur Umhüllung der ungeschützten Fasern an der mechanischen Schnittstelle und zur Bildung eines zusätzlichen Schutzes gegenüber der Arbeitsumgebung.
Verfahren zur Bildung einer konzentrischen, zylindrischen Verbindung an einem zylindrischen Ende eines polymeren Verbundrohrs (Co) durch Anbringen mit Presspassung in einer metallischen Endkupplung (Me) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem: – die mehreren Längszähne (Te) während des Vorgangs des Anbringens mit Presspassung Längskanäle in den Außendurchmesser der Wand des Verbundrohrs schneiden, um eine mechanische Schnittstelle zu bilden, die Torsionsspannungen und axialen Spannungen standhalten kann; und – die Rinnen (Tr) als Kanäle wirken, um Schneidspäne (Deb) aufzunehmen, die während des Vorgangs des Anbringens mit Presspassung gebildet werden. wobei der Innendurchmesser (Dcr) des metallischen Anschlussstücks kleiner ist als der Außendurchmesser (do) des zylindrischen Endes der Wand des Verbundrohrs, derart, dass während des Zusammenfügens durch Pressen der konzentrischen, zylindrischen Verbindung eine Presspassung zwischen der zylindrischen Fläche mit dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser des zylindrischen Endes der Wand des Verbundrohrs gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner den Schritt umfasst, bei dem eine Klebeverbindung (Ad) in einen Schnittstellenbereich zwischen dem Außendurchmesser des zylindrischen Endbereichs und der zylindrischen Innenfläche des zylindrischen, mit einem Kerbzahnprofil versehenen Abschnitts der metallischen Endkupplung mit Flansch eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Kleber (Ad) am Schnittstellenbereich eine Wirkung hat als: a) – Bindemittel zum Binden der Schneidspäne und zur Aufnahme des resultierenden Verbundwerkstoffs in den Rinnenbereichen; b) – sekundären Belastungsweg für eine Reaktion auf aufgebrachte Spannungen; und c) – Dichtungsmasse zur Umhüllung der ungeschützten Fasern des Verbundrohrs an der mechanischen Schnittstelle und zur Bildung eines Schutzes gegenüber der Arbeitsumgebung.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem vor dem Anbringen mit Presspassung ein ungehärteter Kleber auf den Außendurchmesser des Endes des Verbundrohrs aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem nach der Trockenmontage der metallischen Endkupplung mit Flansch auf das zylindrische Ende des polymeren Verbundrohrs ein dünnflüssiger Kleber unter Vakuum in den Schnittstellenbereich eingespritzt wird.