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Die Erfindung betrifft eine biegsame Hybridwelle aus mehreren Lagen von Faserverbundmatten.
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Zur Übertragung von Drehmomenten sind biegsame Wellen bekannt, die einen Mantel oder Kern aus Vollmetall aufweisen. Wellen dieser Art haben im gebogenen Zustand jedoch den Nachteil, dass Torsionskräfte nicht optimal übertragen werden können. Weitere Nachteile stellen das hohe Eigengewicht und der geringe Elastizitätsbereich von Metall dar. Wird eine solche Metallwelle durch eine Überlagerung von Torsion und Biegung versehentlich bis in den plastischen Bereich belastet, so kehrt die Vollwelle nach einer Überlastung möglicherweise nicht mehr vollständig in die Ausgangslage zurück. Je nach dem Ausmaß der dabei hervorgerufenen Deformation und dem jeweiligen Einsatzfall, z. B. als Schaft eines Bohrers, kann eine solche Welle dann für eine ordnungsgemäße Drehmomentenübertragung unbrauchbar sein.
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Es sind weiterhin biegsame Metallwellen bekannt, deren Mantel aus einem Metallgeflecht oder Lamellenmaterial besteht. Diese gehen auch nach starken Drehmomentbelastungen und dabei auftretenden Verbiegungen wieder in die Ausgangsstellung zurück. Während des Biegevorgangs tritt jedoch im Metallgeflecht oder dem Lamellenmaterial eine Spaltbildung auf. In diese Spalten können Fremdstoffe verschiedenster Art eindringen, welche beim Gebrauch der Welle aufgenommen werden. Wird z. B. die Welle als Schaft eines Bohrers verwendet, so können aus der Materie, die den Bohrerkanal umgibt, z. B. Flüssigkeiten und Feststoffpartikel in die Spalten der Welle eindringen und sich dort ablagern. Da eine Reinigung einer solchen Welle nur mit großem Aufwand und nicht in jedem Falle optimal möglich ist, besteht die Gefahr, dass eine dauerhafte Verschmutzung und u. U. sogar Korrosion auftritt. Je nach Anwendung sind somit auch derartige Wellen u. U. nur einmal einsetzbar.
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Zur Übertragung von Drehmomenten in einem gebogenen Zustand sind weiterhin biegsame Wellen aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen, auch mit CFK abgekürzt, bekannt. Zur Herstellung derartiger CFK-Wellen werden Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe insbesondere in Form von Karbonfaserverbundmatten verwendet, die mit einem harzartigen Verbindungsstoff getränkt sind, z. B. mit Epoxidharz. Dabei werden die Matten in einer von der jeweiligen Verwendung der fertigen Welle abhängigen Lagenzahl auf einen Dorn gewickelt und dann durch Temperierung ausgehärtet. Auf diese Weise entsteht ein biegsamer, hochverdichteter, rotationssymmetrischer, stabförmiger Hohlkörper mit einer geschlossenen Oberfläche. Dieser ist leicht zu reinigen und bei Bedarf auch gut sterilisierbar. CFK-Wellen dieser Art weisen eine hohe Torsionssteifigkeit bei gleichzeitig großer Elastizität auf. Sie können somit Drehmomente auch unter Biegebeanspruchung ohne starke innere Verdrehung oder bleibende Verformung übertragen.
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Derartige CFK-Wellen weisen jedoch auch Nachteile auf. Aufgrund der hohen Festigkeit des ausgehärteten Karbonfaserverbunds können bei CFK-Wellen durch Überbeanspruchung Sprödbrüche auftreten. Bei einem solchen Bruch können feinste Fasersplitter freigelegt werden, die als Bruchmaterial z. B. in einem Bohrkanal zurückbleiben und u. U. nicht mehr zu entfernen sind. Weiterhin kann ein Sprödbruch dazu führen, dass sich eine solche Welle in zwei separate Bruchstücke zerlegt. Um Sprödbrüche möglichst zu vermeiden, wird der Durchmesser von CFK-Wellen in der Praxis häufig überdimensioniert. Dies hat aber wiederum zur Folge, dass auf Grund des größeren Durchmessers und der dadurch bedingten Abnahme der Biegefähigkeit die Einsatzmöglichkeiten einer CFK-Welle eingeschränkt sind.
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Aus der
DE 199 62 073 A1 ist eine biegeelastische Torsionswelle mit einer uni-, bi-, tri-, multi- oder variabel axialen Anordnung von Fasern, Textilarmierungen oder Hybridverstärkungen in einer Elastomer-, Kunststoff- oder Leichtmetallmatrix bekannt. Zur Erzielung einer hohen spezifischen Torsionssteifigkeit bei gleichzeitig geringer spezifischer Biegesteifigkeit wird das Verhältnis von Torsionsschubmodul G
t zum Elastizitätsmodul E
a bezogen auf die Dichte, für den Einsatz in flexiblen Bohrgestängen größer als 0,2 cm
3/g und für den Einsatz als Transmissionswelle größer als 4 cm
3/g gewählt.
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Aus der
EP 0 198 567 A2 ist ein Seil zur Übertragung einer Antriebskraft über eine Riemenscheibe bekannt. Dabei enthält das Seil einen Kern mit Aramidfasergarn, der mit einem Gestrick z. B. aus Nylonfasergarn umgeben ist.
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Aus der
US 5 236 018 A ist ein stab- bzw. wellenförmiges Formteil aus faserverstärktem Kunststoff mit geringem Gewicht, hoher axialer Steifigkeit und einer Belastbarkeit mit großen Drehmomenten bekannt. Es weist übereinander liegende Rohrstücke auf, die jeweils aus mehreren Lagen von Kunststoffdeckschichten gebildet sind. Eine Kunststoffdeckschicht kann aus imprägniertem Glasfasergewebe bestehen, während eine weitere Kunststoffdeckschicht z. B. mit Kohlenstoff- oder Aramidfasern verstärkt ist
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Aus der
DE 691 03 417 T2 ist eine Verbundmaterialdrehmomentwelle zum Verbinden eines Bohrlochfluidmotors mit einem Bohrer am distalen Ende eines Bohrstrangs bekannt. Dabei umfasst die Drehmomentwelle einen langgestreckten Matrixkörper mit einer Mehrzahl übereinander liegender Schichten von Fasern. Diese sind im Matrixkörper so orientiert, um dem Körper hohe Torsionsfestigkeit und Steifheit zu geben, während eine Biegeflexibilität möglich ist, wobei ferner wenigstens eine der Schichten in einem Kreuzmuster orientierte Fasern umfasst. Zur Verwendung in der Drehmomentwelle geeignete Fasern umfassen Kohlenstoffasern, E-Glasfasern, S-Glasfasern, Aramidfasern und andere.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine biegsame Welle aus Lagen von Faserverbundwerkstoff so weiterzubilden, dass auch ohne eine Überdimensionierung des Wellendurchmessers die Gefahr von Brüchen reduziert ist.
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Die Aufgabe wird mit der in Anspruch 1 angegebenen biegsamen Hybridwelle gelöst. Vorteilhafte weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung bietet gegenüber herkömmlichen Wellen, die z. B. ausschließlich aus Kohlenstofffaserverbundmatten oder Geweben bzw. Kombinationen von Glasfaser- und Kohlenstofffaserverbundmatten oder Geweben aufgebaut sind, bessere Biegeeigenschaften und eine höhere Bruchsicherheit. Es kann somit auf eine Durchmesservergrößerung der Welle zur Erhöhung der Arbeitssicherheit und Drehmomentübertragungsfähigkeit verzichtet werden. Vielmehr kann der jeweilige Wellendurchmesser genauer auf den aktuellen Einsatzzweck der Welle abgestimmt und möglichst gering gehalten werden. Die erfindungsgemäße biegsame Hybridwelle ermöglicht also trotz eines im Vergleich zu herkömmlichen Wellen deutlich geringeren Gewichts die Übertragung ausreichend großer Drehmomente. Weiterhin kann auf der Außenseite der Welle eine besonders homogene, geschlossene Oberfläche erzeugt werden, z. B. durch nachträgliches Schleifen des Wellenmantels.
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Auf Grund der erfindungsgemäßen Einbettung zumindest einer Lage aus einer Aramidfaserverbundmatte in den Lagenverbund der Faserverbundmatten der erfindungsgemäßen Hybridwelle wird die Bruchsicherheit besonders auch bei schlagartig auftretenden Laständerungen, d. h. Drehmomentenstößen, im Vergleich zu herkömmlichen Wellen deutlich verbessert.
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Eine gemäß der Erfindung aufgebaute biegsame Hybridwelle kann zum Beispiel als ein flexibler Wellenschaft bei Bohrmaschinen eingesetzt werden. Hiermit können hohe Torsionskräfte z. B. beim Bohren, Schleifen, Gravieren, Polieren, Fräsen und Schrauben auch an schwer zugänglichen, z. B. hinter Vorsprüngen bzw. Krümmungen liegende Einsatzstellen übertragen werden.
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Die erfindungsgemäße Hybridwelle weist auch im Falle eines Bruchs bei Überlastung im Vergleich zu herkömmlichen Wellen ein deutlich besseres Verhalten auf. Die zumindest eine zusätzlich ein- bzw. aufgewickelte Aramidfaserverbundmatte in einen bzw. auf einem Lagenaufbau der Faserverbundmatten der Welle verhindert das Auftreten von freiliegenden, an der Bruchstelle abstehenden Faserenden und frei gewordenen, feinen Faserbruchstücken. Praktische Bruchversuche haben gezeigt, dass auf Grund der Ein-, Unter- bzw. Auflage zumindest einer stützenden Lage aus einer Aramidfasergewebematte z. B. in einen Verbund mit umgebenden, unter- bzw. aufliegenden Kohlenstofffasergewebematten Faserenden nach einem Bruch an den Wellenstümpfen gebunden bleiben und somit nicht als Bruchstücke z. B. einen Bohrkanal verschmutzen.
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Im günstigsten Fall verursacht ein Bruch lediglich eine Delamination der Aramidfaserverbundmatte in einer Zwischenlage, d. h. eine Auflösung der Bindung zwischen den einzelnen Fasern dieser Lage. Dabei bleiben die Aramidfasern als solche weitgehend unbeschädigt, so dass sich die Hybridwelle nicht in zwei separate Bruchstücke aufteilt. Vielmehr hängen die beiden Bruchteile noch über frei liegende Fasern der delaminierten Aramidfaserverbundmatte aneinander. Eine Zwischenlage aus Aramidfasern kann in einem solchen Falle mit einer Sollbruchlage verglichen werden.
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Hierdurch wird das Freilegen z. B. eines Bohrkanals im Falle eines Bruchs erheblich erleichtert, da bei einem Herausziehen des außen liegenden Bruchstücks das innen liegende Bruchstück über die verbindenden Aramidfasern gleichzeitig mit herausgezogen wird. Es verbleibt also kein tief im Bohrkanal liegendes, nur sehr schwer von außen greifbares Bruchstück zurück. Dieses besonders günstige Bruchverhalten der erfindungsgemäßen Hybridwelle ist besonders bei medizinischen Anwendungen von Vorteil, d. h. wenn die Hybridwelle z. B. als ein Bestandteil eines Knochenmarkbohrers eingesetzt wird.
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Die erfindungsgemäße Einbindung zumindest einer Aramidfasergewebematte in einen Verbund mit Kohlenstofffasermatten bietet auch bei Temperaturen z. B. in Bereichen unter 0°C bzw. bis zu 80°C besondere Vorteile. Auf Grund des geringen Ausdehnungskoeffizienten der Kohlenstofffasern ist eine Übertragung von hohen Drehmomenten auch in derartigen Temperaturbereichen uneingeschränkt möglich.
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Die Erfindung wird an Hand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen
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1 den Grundaufbau einer gemäß der Erfindung ausgeführten beispielhaften Hybridwelle, wobei die für den beispielhaften Lagenaufbau vorgesehenen Faserverbundmatten noch in einer flächig ausgelegten Form vor deren Aufwicklung auf einen Wickeldorn dargestellt sind, und
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2 einen skizzenhaften Querschnitt durch die beispielhafte Hybridwelle von 1 im aufgewickelten Zustand nach der Entnahme des Wickeldorns.
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1 zeigt die schematische Darstellung der Wickelschichten der Mantelfläche, d. h. der vorgesehenen Lagen an Faserverbundmatten, für eine gemäß der Erfindung ausgeführte beispielhafte Hybridwelle 3. Die Darstellung ist mit der Draufsicht auf einen Fertigungstisch vergleichbar. Auf diesem sind diejenigen Faserverbundmatten, welche für den Aufbau des Wickels der Hybridwelle vorgesehen sind, in zugeschnittener Form flächig und in der gewünschten Reihenfolge aneinander liegend aufgelegt. Dieser dient quasi der arbeitstechnischen Vorbereitung der nachfolgenden Wickelung der einzelnen Faserverbundmatten um einen Wickeldorn 1.
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Bei dem dargestellten Beispiel ist vorgesehen, dass innere und äußere Lagen der Hybridwelle 3 aus Kohlenstofffaserverbundgewebe bestehen, wobei dazwischen zumindest eine Lage Aramidfaserverbundgewebe eingelegt ist.
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Je nach praktischen Anforderungen können der Lagenaufbau und die Anzahlen der einzelnen Lagen bei anderen Ausführungen auch angepasst werden, solange gemäß der Erfindung zumindest eine der Lagen aus einem Aramidfaserverbundgewebe besteht. Weiterhin ist die Dichte der vorzugsweise orthogonal im Gewebe der einzelnen Faserverbundmatten verlaufenden Faserbüschel in 1 ebenfalls nur symbolisch dargestellt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 ist als innere Lage 31 der Hybridwelle 3, die unmittelbar an den Wickeldorn 1 angelegt ist, eine Kohlenstofffaserverbundmatte 21 vorgesehen. Diese ist so zugeschnitten, d. h. weist eine derartige Breite quer zur Erstreckung des Wickeldorns auf, dass diese nach einer Aufwicklung auf den Wickeldorn 1 beispielsweise drei innere Lagen 31 bildet. Im Querschnitt von 2, welche einen schematischen Schnitt quer zur Längsachse der Hybridwelle 3 durch die Lagen in aufgewickeltem Zustand zeigt, ist diese innere Dreifachlage 31 skizzenhaft dargestellt.
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Bei der Ausführung von 1 schließt sich direkt bündig an der Schnittkante der Kohlenstofffaserverbundmatte 21 eine weitere Faserverbundmatte 22 an. Die ist in der Ebene der 1 unmittelbar an den Stoß der Faserverbundmatte 21 angelegt. Bei Aufwicklung auf den Dorn 1 kann somit ein homogener Wickel gebildet werden.
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Bei der beispielhaften Ausführung von 1 ist für diese Lage der Hybridwelle 3, welche eine Zwischenlage 32 bildet, eine Aramidfaserverbundmatte 22 vorgesehen. Diese ist beispielsweise so zugeschnitten, d. h. weist eine derartige Breite quer zur Erstreckung des Wickeldorns auf, dass diese nach einer Aufwicklung auf den Wickeldorn 1 eine einfache, ringförmige Zwischenlage bildet. Diese Zwischenlage 32 ist wiederum im Querschnitt von 2 skizzenhaft dargestellt.
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Bei der Ausführung von 1 schließt sich schließlich direkt bündig an der Schnittkante der Aramidfaserverbundmatte 22 eine dritte Faserverbundmatte 23 an. Auch diese ist in der Ebene der 1 unmittelbar an den Stoß der Faserverbundmatte 22 angelegt. Bei Aufwicklung auf den Dorn 1 kann somit ein homogener Wickel gebildet werden.
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Bei der konkreten Ausführung von 1 ist für diese Lage der Hybridwelle 3, welche eine äußere Lage 33 bildet, wiederum eine Kohlenstofffaserverbundmatte 23 vorgesehen. Diese ist beispielsweise so zugeschnitten, d. h. weist eine derartige Breite quer zur Erstreckung des Wickeldorns auf, dass diese nach einer Aufwicklung auf den Wickeldorn 1 eine doppelte Außenlage bildet. Diese Außenlage 33 ist wiederum im Querschnitt von 2 skizzenhaft dargestellt.
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Die Faserverbundmatten der Hybridwelle stellen bekanntlich so genannte Prepregs dar, d. h. mit einem thermisch aushärtbaren Bindemittel wie z. B. Epoxidharz getränkte Gewebematten aus Faserbüschel. Diese auch Rovings genannten Faserbüschel sind orthogonal zu einer Matte verwebt. Die beispielhaft schachbrettartige Verwebung der Faserbüschel ist in der Draufsicht der 1 durch ein Rechteckmuster symbolisch dargestellt.
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Bei einer besonders vorteilhaften, im Beispiel der 1 bereits dargestellten Ausführung der erfindungsgemäßen biegsame Hybridwelle 3 stellen die Kohlenstofffaserverbundmatten 21 und 23 jeweils ein Gewebe aus in Winkeln von +45 Grad zum Wickeldorn 2 und damit zu der sich ergebenden Längsachse der Hybridwelle 3 sich erstreckende Faserbündel dar, während die Zwischenlage 32 aus der Aramidfaserverbundmatte 22 ein Gewebe aus sich parallel und in einem Winkel von 90 Grad zur Längsachse der Hybridwelle 3 erstreckenden Faserbündeln darstellt.
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Nach Aufwicklung aller Faserverbundmatten auf den Wickeldorn schließen sich weitere Bearbeitungsschritte an. Diese sind insbesondere ein Aushärtvorgang durch eine Temperaturbehandlung entlang einer Heizkurve, Verdichtungen des Wickels, Nachbearbeitungen der Wellenoberfläche z. B. durch Schleifen bzw. Abdrehen des Wellenmantels, und die Entnahme des Wickeldorns. Die sich auf diese Weise im Kern der Hybridwelle 3 ergebende zylindrische Hohlkammer 4 fördert einerseits die Biegsamkeit der Welle, kann aber andererseits auch als ein Kanal zur Zuführung bzw. Absaugung z. B. von Flüssigkeiten verwendet werden.
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Wie aus 2 zu erkennen ist, entsteht durch diese überlappungsfreie Anordnung der Lagen aus verschiedenen, ausgewählten Faserverbundmatten eine absolut homogene biegsame Hybridwelle 3, welche erfindungsgemäß mit Hilfe zumindest einer Lage aus einer Aramidfaserverbundmatte veredelt ist. Es entsteht auf diese Weise eine Materialkombination mit den oben beschriebenen, besonderen Eigenschaften. Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Beispiel werden diese Eigenschaften bereits durch eine einzige, zwischen Kohlenstofffaserverbundmatten eingefügte Zwischenlage aus einer Aramidfaserverbundmatte hervorgerufen. Je nach den Anforderungen können die Anzahlen der Lagen anwendungsabhängig angepasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wickeldorn
- 2
- abgewickelte Wickelflächen
- 21
- Kohlenstofffaserverbundmatte
- 22
- Aramidfaserverbundmatte
- 23
- Kohlenstofffaserverbundmatte
- 3
- Hybridwelle
- 31
- innere Lage, insbesondere aus einer dreilagig gewickelten Kohlenstofffaserverbundmatte
- 32
- Zwischenlage, insbesondere aus einer einfach gewickelten Aramidfaserverbundmatte
- 33
- äußere Lage, insbesondere aus einer zweilagig gewickelten Kohlenstofffaserverbundmatte
- 4
- zylindrische Hohlkammer
