DE102011085962A1 - Profile shaft for use with internal profile made of fiber composite material in drive shaft of aircraft and motor vehicle, has area that forms profile shell, where profile shell has profiled cross-section with tooth bases and tooth points - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine innenprofilierte Welle, gefertigt aus Faserverbundwerkstoff mit Lasteinleitungselementen und ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to an internally profiled shaft, made of fiber composite material with load introduction elements and a method for their preparation.
In den letzten Jahren gewannen Wellen aus Faserverbundwerkstoff zunehmend an Bedeutung. Dies ist auf, im Vergleich zu herkömmlichen Wellen aus metallischen Werkstoffen, erhebliche Gewichtsvorteile bei sehr guten mechanischen Eigenschaften zurückzuführen. So finden derartige Wellen insbesondere im Flugzeugbau, aber auch im Kraftfahrzeugbau Anwendung. Aufgrund der sehr hohen Eigenfrequenzen von Wellen aus FKV sind diese für jegliche schnelllaufende Maschinen, wie Turbooder Druckmaschinen, besonders geeignet. In recent years, waves made of fiber composite material gained in importance. This is due to, compared to conventional shafts made of metallic materials, considerable weight advantages with very good mechanical properties. So find such waves in particular in aircraft, but also in motor vehicles application. Due to the very high natural frequencies of shafts made of FKV, these are particularly suitable for any high-speed machines, such as Turbooder printing presses.
Zumeist sind die Wellen aus verschiedenen Faserschichten mit unterschiedlichen Faserorientierungen aufgebaut, wodurch Biegesteifigkeit und Torsionssteifigkeit gezielt beeinflusst werden können. Nachteilig erfolgt die Lasteinleitung in die FKV-Welle dabei in den niederfesten Matrixwerkstoff und nicht in die hochfesten Fasern, was besondere Anforderungen an den profilierten Bereich der Welle stellt. In most cases, the waves are composed of different fiber layers with different fiber orientations, whereby bending stiffness and torsional rigidity can be influenced in a targeted manner. Disadvantageously, the load is introduced into the FKV shaft in the low-strength matrix material and not in the high-strength fibers, which places special demands on the profiled region of the shaft.
Nicht zuletzt gestaltet sich auch die Massenfertigung der FKV-Wellen, welche nach Möglichkeit in verschiedenen Bedarfslängen erfolgen sollte, aufgrund der aufwendigen Faserablage in verschiedenen Schichten in Verbindung mit dem Einbringen der Innenprofilierung als schwierig.Not least, the mass production of FKV waves, which should be done in different demand lengths if possible, due to the complex fiber deposition in different layers in conjunction with the introduction of the internal profiling difficult.
In der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Welle aus Faserverbundwerkstoff vorzuschlagen, die sehr gute mechanische Eigenschaften und insbesondere eine sehr hohe Festigkeit der Profilierung aufweist. Ferner soll ein Verfahren zu einer effizienten Fertigung einer derartigen Profilwelle in einem kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Prozess aufgezeigt werden.Object of the present invention is to propose a wave of fiber composite material, which has very good mechanical properties and in particular a very high strength of the profiling. Furthermore, a method for an efficient production of such a profiled shaft in a continuous or quasi-continuous process will be shown.
Diese Aufgabenstellung wird gelöst durch eine Welle mit den Merkmalen des Anspruches 1. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Welle ist in Anspruch 12 dargelegt. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen dargelegt.This object is achieved by a shaft having the features of
Die erfindungsgemäße Profilwelle mit einem Innenprofil ist aus Faserverbundwerkstoff gefertigt und weist mindestens drei Bereiche auf, die in radialer Richtung der Profilwelle übereinander angeordnet sind. The profile shaft according to the invention with an inner profile is made of fiber composite material and has at least three areas, which are arranged one above the other in the radial direction of the profiled shaft.
Der erste, innere Bereich der Profilwelle ist eine Profilschale, die aus mindestens einer Schicht Faserkunststoffverbundmaterial mit einem Faserwinkel von ±10° bis ±80°, bevorzugt ±20° bis ±70° und weiterhin bevorzugt ±30° bis ±60°, bezogen auf die axiale Richtung der Profilwelle, besteht. Besonders bevorzugt werden mehrere Schichten mit variierenden Faserwinkeln aufgebracht. Dabei verbessern kleinere Faserwinkel (der Winkel zwischen der Faserrichtung und der Profilwellenachse) die Biegesteifigkeit, hingegen größere Faserwinkel bis etwa 60° die Torsionssteifigkeit und -festigkeit. Eine weitere Erhöhung des Winkels bis max. 90° bringt eine verbesserte Aufnahme der aus der Innenprofilierung mit schrägen Zahnflanken resultierende Tangentialspannung (eq. Innendruckbelastung) sowie eine Aussteifung des Wellenquerschnitts, was dem Schadensbild ‚Torsionsbeulen ‚ im Bereich zwischen den Lasteinleitungselementen entgegenwirkt. Somit können durch die Wahl der Faserwinkel die mechanischen Eigenschaften der Profilwelle gezielt eingestellt werden. Die Profilschale weist einen profilierten Querschnitt mit als Zahnfüße und Zahnköpfe definierten Bereiche auf, wobei als Zahnkopf eine Auswölbung des Innenprofils und damit eine Vertiefung im Außenprofil, und als Zahnfuß dementsprechend eine Vertiefung des Innenprofils und eine Auswölbung des Außenprofils bezeichnet wird. Vorteilhaft wird durch die Profilschale mit schrägem, d.h. zur Profilwellenachse geneigtem Faserwinkel, eine hohe Festigkeit der Profilflanken der Innenprofilierung erreicht. The first, inner region of the profiled shaft is a profiled shell, which consists of at least one layer of fiber composite material having a fiber angle of ± 10 ° to ± 80 °, preferably ± 20 ° to ± 70 ° and further preferably ± 30 ° to ± 60 °, based the axial direction of the profiled shaft exists. Particularly preferably, several layers with varying fiber angles are applied. Smaller fiber angles (the angle between the fiber direction and the profile shaft axis) improve the bending stiffness, while larger fiber angles up to about 60 ° improve the torsional stiffness and strength. Another increase of the angle up to max. 90 ° brings an improved absorption of the resulting from the internal profiling with oblique tooth flanks Tangentialspannung (eq. Internal pressure load) and a stiffening of the shaft cross-section, which counteracts the damage pattern, Torsionsbeulen, in the area between the load introduction elements. Thus, by choosing the fiber angle, the mechanical properties of the profile wave can be adjusted specifically. The profile shell has a profiled cross-section with areas defined as tooth tips and tooth tips, wherein the tooth head is a convexity of the inner profile and thus a depression in the outer profile, and the tooth root is accordingly a depression of the inner profile and a bulge of the outer profile. Advantageously, by the profile shell with oblique, i. to the profile shaft axis inclined fiber angle, a high strength of the profile flanks of the internal profiling achieved.
Der zweite Bereich, auch als unidirektionaler Bereich bezeichnet, ist außerhalb des ersten Bereichs, also direkt auf der Profilschale angeordnet. Er besteht aus Faserkunststoffverbundmaterial mit in weitestgehend axialer Richtung der Profilwelle angeordneten Fasern (Faserwinkel 0°), das die durch die Profilierung des ersten Bereichs ausgebildeten Vertiefungen im Bereich der Zahnköpfe auffüllt, so dass die Außenkontur des zweiten Bereichs weitestgehend zylindrisch ist. Eine vorteilhafte Methode der Fertigung sieht vor, die unidirektionale Faserlage in einem vorgeschalteten Fertigungsprozess, etwa durch Faser-Naß-Pultrusion, endkonturidentisch zu erzeugen. Diese unidirektional verstärkten Leisten (auch als vorkonsolidiertge Leisten bezeichnet) können dann die Faserlage(n) der Profilschale an den Formkern anpressen und so den angestrebten Faserverlauf in der Profilschale sicherstellen.The second area, also referred to as unidirectional area, is located outside the first area, ie directly on the profile shell. It consists of fiber-plastic composite material with fibers arranged in the largely axial direction of the profiled shaft (
Den dritten Bereich bildet eine Zylinderschale, welche direkt auf dem zweiten Bereich angeordnet ist. Analog zur Profilschale besteht die Zylinderschale aus mindestens einer Schicht Faserkunststoffverbundmaterial mit einem Faserwinkel von ±10° bis ±80°, bevorzugt ±20° bis ±70° und besonders bevorzugt ±30° bis ±60°, bezogen auf die axiale Richtung der Profilwelle. Auch hier verbessern kleinere Faserwinkel die Biegesteifigkeit, hingegen größere Faserwinkel die Torsionssteifigkeit/-festigkeit, Aufnahme von Tangentialspannungen im Lasteinleitungsbereich und Stabilisierung gegen Torsionsbeulen im Hauptkörper der Antriebswelle. The third area forms a cylindrical shell, which is arranged directly on the second area. Analogous to the profile shell, the cylindrical shell consists of at least one layer of fiber composite material having a fiber angle of ± 10 ° to ± 80 °, preferably ± 20 ° to ± 70 ° and more preferably ± 30 ° to ± 60 °, based on the axial direction of the profile shaft. Here, too, smaller fiber angles improve the bending stiffness, while larger fiber angles improve the torsional rigidity / strength, absorption of tangential stresses in the load introduction region and stabilization against torsional buckling in the main body of the drive shaft.
Je nach Anwendungsfall können Profilschale und Zylinderschale aus einem Geflecht, einer Wicklung bzw. aus einem Gemisch aus Flechtlagen und Wickellagen bestehen. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass die Profilschale ein Geflecht als Verstärkung und die Zylinderschale eine Wickelung als Verstärkung hat. Weitere Anforderungen, wie beispielsweise die Impactbeständigkeit können abweichende Ausgestaltungen erfordern.Depending on the application profile shell and cylinder shell may consist of a braid, a winding or a mixture of Flechtlagen and winding layers. To be particularly advantageous, it has been found that the profile shell has a braid reinforcement and the cylinder shell has a winding as reinforcement. Other requirements, such as the impact resistance may require deviating configurations.
Die Profilwelle besteht aus einem Faser-Kunststoffverbund, der – je nach mechanischer Anforderung an die Welle – hinsichtlich der verwendeten Materialien variieren kann. Für Hochleistungsprofilwellen eignet sich der Einsatz von Endlosfasern aus Kohlenstoff. Aber auch andere Verstärkungsmaterialien wie z.B. Glas-, Aramid-, oder Basaltfasern kommen für bestimmte Anforderungsprofile zur Anwendung. The profile shaft consists of a fiber-plastic composite, which - depending on the mechanical requirements of the shaft - can vary in terms of the materials used. For high-performance profile shafts, the use of continuous fibers made of carbon is suitable. But other reinforcing materials such as e.g. Glass, aramid or basalt fibers are used for certain requirement profiles.
Als Matrix eignen sich hauptsächlich duroplastische Materialien wie z.B. Epoxid-, Phenol- oder Polyestherharze) oder technische Thermoplaste wie Polyamid (PA), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyetheretherketon (PEEK).Thermosetting materials such as e.g. Epoxy, phenolic or polyester resins) or engineering thermoplastics such as polyamide (PA), polyphenylene sulfide (PPS) or polyetheretherketone (PEEK).
Die obige Nennung von Materialen ist jedoch nur beispielhaft und nicht als Beschränkung der Erfindung zu sehen. However, the above mention of materials is illustrative only and not limiting of the invention.
Weiterhin bevorzugt besteht der unidirektionale Bereich aus über den Umfang der Profilwelle verteilten unidirektionalen Leisten, die in den Vertiefungen/Zahnköpfen der Profilschale angeordnet sind. Vorteilhaft schaffen die unidirektionalen Leisten eine sehr gute Festigkeit und Maßgenauigkeit der Innenprofilierung der Profilwelle, indem sie die Faserlagen auch nach der Vorformung durch eine geeignete Profildüse/Profilmatrize in Position halten. Ist die Profilierung derart gestaltet, dass die Faserlagen der Profilschale nach der Vorformung durch die Profildüse gut in Position bleiben, kann auch eine flexible, vorrangig unidirektionale Faserverstärkung für den Bereich 2 zum Einsatz kommen. Dies vermindert den Fertigungsaufwand, da keine konsolidierten Leisten gefertigt werden müssen und erhöht die mechanische Festigkeit, da alle Bereiche gemeinsam ausgehärtet/konsolidiert werden können.Furthermore, the unidirectional region preferably consists of unidirectional strips distributed over the circumference of the profile shaft, which are arranged in the depressions / tooth heads of the profile shell. Advantageously, the unidirectional strips provide very good strength and dimensional accuracy of the internal profiling of the profiled shaft by keeping the fiber layers in position even after preforming by means of a suitable profile die / profile die. If the profiling is designed such that the fiber layers of the profiled shell remain well in position after the preforming by the profiled nozzle, a flexible, predominantly unidirectional fiber reinforcement for
Besonders bevorzugt besteht die Profilschale aus zwei Schichten Fasern wobei die erste, innere Schicht einen Faserwinkel zur Axialrichtung der Profilwelle von 50° bis 70°, bevorzugt 60°, hat und die zweite, äußere Schicht einen Faserwinkel zur Axialrichtung der Profilwelle von 40° bis 50°, bevorzugt 45°, aufweist. Eine derartige Profilschale hat besonders gute mechanische Eigenschaften, da sie die mechanischen Forderungen nach hoher Torsionssteifigkeit/-festigkeit, hoher Festigkeit/Steifigkeit in tangentialer Richtung und hoher Festigkeit/Steifigkeit gegen Querschnittsverformung mit günstigen Maschinen-/Fertigungsparametern in Einklang bringt.Particularly preferably, the profile shell consists of two layers of fibers wherein the first, inner layer has a fiber angle to the axial direction of the profile shaft of 50 ° to 70 °, preferably 60 °, and the second, outer layer has a fiber angle to the axial direction of the profile shaft from 40 ° to 50 °, preferably 45 °. Such a profile shell has particularly good mechanical properties, since it brings the mechanical demands for high torsional stiffness / strength, high strength / rigidity in the tangential direction and high strength / stiffness against cross-sectional deformation with favorable machine / manufacturing parameters in line.
Aus diesem Grund besteht auch die Zylinderschale bevorzugt aus zwei Schichten Fasern, wobei die erste, innere Schicht einen Faserwinkel zur Axialrichtung der Profilwelle von 40° bis 50°, bevorzugt 45°, aufweist und die zweite, äußere Schicht einen Faserwinkel zur Axialrichtung der Profilwelle von 50° bis 70°, bevorzugt 60°, aufweist.For this reason, the cylindrical shell preferably also consists of two layers of fibers, wherein the first, inner layer has a fiber angle to the axial direction of the profile wave of 40 ° to 50 °, preferably 45 °, and the second, outer layer has a fiber angle to the axial direction of the profile shaft of 50 ° to 70 °, preferably 60 °.
Prinzipiell ist die Verwendung von Prepregs, vorimprägnierten Fasern und anderen FKV- Ausgangsmaterialien möglich, um den erfindungsgemäßen Aufbau der Profilwelle zu gestalten.In principle, the use of prepregs, preimpregnated fibers and other FKV starting materials is possible to design the inventive structure of the profile shaft.
Weiterhin bevorzugt ist in die Profilwelle mindestens ein Lasteinleitungselement eingesteckt, das eine, zu der Innenprofilierung der Profilwell korrespondierende Außenprofilierung aufweist. Das Lasteinleitungselement kann dabei aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt sein, beispielsweise auch aus FKV-Material, besonders bevorzugt mit einem analogen Aufbau mit drei Bereichen wie die Profilwelle, wobei dann die Profilschale außen und die Zylinderschale innen angeordnet ist. Die Außenprofilierung des Lasteinleitungselements weist zudem außen Widerhaken im Bereich des Zahnkopfes und/oder des Zahnfußes auf, die das Lasteinleitungselement durch ein Verhaken in der Profilwelle gegen ein Herausrutschen in axialer Richtung sichern. Dabei können die Widerhaken in kleine Nuten in der Profilwelle eingreifen oder auch sich direkt im Material verhaken. Diese Befestigung eines Lasteinleitungselementes ist kostengünstig und schnell, jedoch nicht oder nur bedingt lösbar.Further preferably, at least one load introduction element is inserted into the profile shaft, which has a, corresponding to the internal profiling of the profile corrugation external profiling. The load introduction element can be made of different materials, for example, also made of FRP material, particularly preferably with an analogous structure with three areas such as the profile shaft, in which case the profile shell outside and the cylinder shell is arranged inside. The external profiling of the load introduction element also has barbs in the area of the tooth head and / or the tooth root on the outside, which secure the load introduction element by snagging in the profile shaft against slipping out in the axial direction. The barbs can engage in small grooves in the profile shaft or even get caught directly in the material. This attachment of a load introduction element is inexpensive and fast, but not or only partially solvable.
In einer alternativen Ausgestaltung der axialen Fixierung des Lasteinleitungselementes hat dieses Bohrungen, durch die auf Federelementen gelagerte Radialstifte in eine Nut im Inneren der Profilwelle eingreifen. Bevorzugt sind die Federelemente und die Radialstifte auf einem separaten Sicherungsring angeordnet, der in das Lasteinleitungselement eingeschoben wird. Diese Alternative ist mechanisch aufwendiger, jedoch problemlos lösbar.In an alternative embodiment of the axial fixation of the load introduction element has this holes, engage by spring pins mounted on the radial pins in a groove in the interior of the profile shaft. Preferably, the spring elements and the radial pins are arranged on a separate retaining ring, which is inserted into the load introduction element. This alternative is mechanically complicated, but easily solved.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung hat die Profilwelle als auch das Lasteinleitungselement äußere radiale Nuten. Auf dem Übergang von Profilwelle zu Lasteinleitungselement ist eine Hülse, bevorzugt eine Metallhülse, aufgepresst, so dass diese in die Nuten von Profilwelle und Lasteinleitungselement eingreift, wodurch diese formschlüssig verbunden sind. Auch diese Alternative ist sehr einfach und kostengünstig, jedoch nur bedingt wieder lösbar. In a further alternative embodiment, the profiled shaft and the load introduction element have outer radial grooves. On the transition from profile shaft to load introduction element, a sleeve, preferably a metal sleeve, is pressed so that it engages in the grooves of the profile shaft and load introduction element, whereby they are positively connected. This alternative is very simple and inexpensive, but only partially solvable.
Alternativ erfolgt die Befestigung von Lasteinleitungselement in der Profilwelle in dem das Lasteinleitungselement auf seinem Umfang ein Hakenelement aufweist, das bevorzugt als Ring ausgestaltet ist, das durch eine Erhöhung der Zahnköpfe und/oder der Zahnfüße gebildet wird. Eine mit dem Hakenelement korrespondierende Aussparung im Inneren der Profilwelle umschließt dieses, die Profilwelle schnappt also beim Einschieben des Lasteinleitungselementes auf das Hakenelement. Dabei ist dieses bevorzugt mit dreieckigen Profil ausgebildet, wobei sich die Profilwelle beim Aufschieben auf eine schräge Fläche weitet, aber nach dem Einschnappen keine gegenläufige Schräge mehr vorhanden ist, die eine Aufweitung der Profilwelle verursachen könnte wodurch ein Abrutschen verhindert wird. Bevorzugt erfolgt eine zusätzliche Sicherung mittels einer nach dem Einschnappen aufgebrachten Sicherungshülse, die ein Aufweiten der Profilwelle, das zum Lösen der Verbindung notwendig ist, verhindert. Weiterhin bevorzugt hat die Profilwelle in ihrem Inneren eine umlaufende Federnut, welche das elastische Aufweiten der Profilwelle zum Einschnappen erleichtert. Diese Verbindungsvariante ist vergleichsweise einfach aufgebaut und zudem lösbar.Alternatively, the attachment of load introduction element in the profile shaft in which the load introduction element has on its circumference a hook element, which is preferably designed as a ring, which is formed by an increase of the tooth tips and / or the tooth feet. A corresponding with the hook element recess in the interior of the profile shaft encloses this, so the profile shaft snaps when inserting the load introduction element on the hook element. In this case, this is preferably formed with a triangular profile, wherein the profiled shaft widens when pushed onto an inclined surface, but after snapping no opposite slope is more present, which could cause a widening of the profile shaft thereby slipping is prevented. Preferably, an additional backup by means of an applied after snapping safety sleeve, which prevents expansion of the profile shaft, which is necessary to release the connection. Further preferably, the profile shaft has in its interior a circumferential spring groove, which facilitates the elastic expansion of the profile shaft for snapping. This connection variant is relatively simple and also solvable.
Weiterhin alternativ erfolgt die Befestigung über eine in die Profilwelle im Bereich des Lasteinleitungselements von außen eingebrachte und durchbrechende Nut. In dieser wird ein Ring eingebracht der über die Durchbrüche in der Profilwelle in eine Nut im Lasteinleitungselement eingreift. Der Ring ist dabei bevorzugt ein elastisch federnder Ring oder ein nassgewickelter Ring, also einer Nasswicklung aus Verstärkungsmaterial.Furthermore, alternatively, the attachment via a in the profile shaft in the region of the load introduction element introduced from outside and breaking through groove. In this, a ring is introduced which engages over the openings in the profile shaft in a groove in the load introduction element. The ring is preferably an elastically resilient ring or a wet-wound ring, ie a wet winding of reinforcing material.
Nicht zuletzt kann alternativ die Befestigung über einen am Lasteinleitungselement befindlichen drehbaren Bajonettring erfolgen. Der Bajonettring hat dabei auskragende Nasen, die in einer axialen innenseitigen Nut beim Einstecken des Lasteinleitungselementes in die Profilwelle laufen. Durch ein Verdrehen des Bajonettringes in einer sich an die axiale Nut anschließende radiale Nut im Inneren der Profilwelle wird das Lasteinleitungselement gegen axiale Verschiebung gesichert. Als zusätzliche Sicherung können zudem Sicherungsstifte ein Zurückdrehen des Bajonettrings verhindern.Not least, alternatively, the attachment can be made via a rotatable bayonet ring located on the load introduction element. The bayonet ring has projecting noses that run in an axial inside groove when inserting the load introduction element in the profile shaft. By rotating the bayonet ring in a subsequent to the axial groove radial groove in the interior of the profile shaft, the load introduction element is secured against axial displacement. As an additional safeguard, locking pins can also prevent the bayonet ring from turning back.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Profilwelle umfasst folgende Schritte:
In einem ersten Schritt wird ein geteiltes bzw. segmentiertes Kernwerkzeug mit einem mit dem gewünschten Innenprofil der Profilwelle korrespondierenden Außenprofil durch eine Faserpreformeinheit bzw. Faserablegeeinheit für die Profilschale geführt. Diese Faserpreformeinheit bzw. Faserablegeeinheit für die Profilschale legt mindestens eine Faserschicht (als Wicklung oder Geflecht) auf dem Kern ab. Es ist jedoch je nach Anwendungsfall auch die Ablage mehrerer Faserschichten denkbar, auch eine Mischung aus gewickelten und geflochtenen Schichten, wobei auch der Faserwinkel variieren kann. Bevorzugt wird während der Ablage oder direkt im Anschluss ein Binder-Werkstoff, bevorzugt als Garn oder als Pulver, eingebracht. Als Binder-Werkstoffe kommen duroplastische und thermoplastische Bindermaterialien in Frage, bevorzugt wird ein Binder auf Duroplastbasis verwendet.The inventive method for producing a profiled shaft according to the invention comprises the following steps:
In a first step, a split or segmented core tool with a corresponding with the desired inner profile of the profile shaft outer profile is guided by a Faserpreformeinheit or Faserablegeeinheit for the profile shell. This Faserpreformeinheit or Faserablegeeinheit for the profile shell deposits at least one fiber layer (as a winding or braid) on the core. However, depending on the application, it is also conceivable to deposit a plurality of fiber layers, including a mixture of wound and braided layers, whereby the fiber angle can also vary. Preferably, a binder material, preferably as a yarn or as a powder, is introduced during the deposition or directly thereafter. Suitable binder materials are thermosetting and thermoplastic binder materials, preferably a thermoset-based binder is used.
Anschließend wird das Kernwerkzeug mit der Profilschale durch eine Profilmatrize bzw. Profildüse geführt. Diese besteht aus einer Art Düse – einer sogenannten formgebenden Profilmatrize- die genau das Negativprofil der Profilschale aufweist. Diese ist bevorzugt beheizbar bzw. kann ihr auch eine Erwärmungseinrichtung vorgelagert sein. In diesem Schritt wird der Binder-Werkstoff aufgeschmolzen und sorgt vorteilhaft für eine Maßhaltigkeit der Profilschale nach der Profilmatrize. Profilmatrize bedeutet, dass die Matrize/Düse den Querschnitt des Innenprofils der Profilschale nachbildet. Subsequently, the core tool is guided with the profile shell by a profile die or profile die. This consists of a kind of nozzle - a so-called shaping profile die which has exactly the negative profile of the profile shell. This is preferably heatable or it may be upstream of a heating device. In this step, the binder material is melted and advantageously ensures dimensional accuracy of the profile shell after the profile die. Profile die means that the die / nozzle simulates the cross section of the inner profile of the profile shell.
Darauf folgend wird der zweite (unidirektionale Bereich) FKV-Material mit einer Faserrichtung, die weitestgehend der axialen Richtung der Profilwelle entspricht, in die Vertiefungen der Profilschale, die durch die Zahnköpfe gebildet wird, eingebracht. Dies erfolgt bevorzugt mittels vorkonsolidierter Leisten unidirektional verstärktem FKV- Materials, was sehr einfach zu handhaben ist. Alternativ besteht die Möglichkeit über eine Spuleneinheit schlaffe, also nicht vorkonsolidierte Verstärkungsfasern mittels einer nachgeordneten Schablone direkt in die Vertiefungen einzubringen. Vorteilhaft an dieser Alternative ist, dass die schlaffen Verstärkungsfasern direkt von der Rolle verwendet und somit unmittelbar und ohne vorgeschalteten Fertigungsschritte dem Prozess zugeführt werden können. Zudem ist durch die im Anschluss erfolgende gemeinsame Aushärtung erfahrungsgemäß/üblicherweise eine mechanisch höher belastbare Verbindung der drei Profilwellenbereiche untereinander zu erwarten.Subsequently, the second (unidirectional region) FKV material having a fiber direction which largely corresponds to the axial direction of the tread shaft is inserted into the recesses of the tread cup formed by the tooth tips. This is preferably done by means of preconsolidated strips of unidirectionally reinforced FRP material, which is very easy to handle. Alternatively, there is the possibility of a coil unit flaccid, so not preconsolidated reinforcing fibers by means of a downstream template to introduce directly into the wells. An advantage of this alternative is that the flaccid reinforcing fibers used directly from the roll and thus can be fed directly to the process and without upstream production steps. In addition, experience shows that the joint hardening which subsequently takes place can usually be expected to mean a connection of the three profiled shaft areas which can be subjected to higher mechanical loads than one another.
Als nächster Schritt wird das Kernwerkzeug mit Profilschale und unidirektionalem Bereich durch eine Zylindermatrize geführt. Die Zylindermatrize ist ebenfalls bevorzugt beheizbar bzw. eine Erwärmungseinrichtung vorgelagert. Die Zylindermatrize hat einen zylindrischen Querschnitt mit einem Radius nur wenig größer als der Durchmesser des Kernwerkzeuges mit Profilschale und unidirektionalem Bereich.As a next step, the core tool with profile shell and unidirectional area is guided through a cylinder die. The cylinder die is also preferably heated or a Heating device upstream. The cylinder die has a cylindrical cross section with a radius only slightly larger than the diameter of the core tool with profile shell and unidirectional area.
Als nächster Schritt wird das Kernwerkzeug mit Profilschale und unidirektionalem Bereich durch eine Faserpreformeinheit bzw. Faserablegeeinheit für die Zylinderschale geführt, die die Zylinderschale mittels Wickeln und/oder Flechten aufbringt. Auch hier ist je nach Anwendungsfall die Ablage mehrerer Faserschichten denkbar, auch eine Mischung aus gewickelten und geflochtenen Schichten, wobei auch der Faserwinkel variieren kann.As a next step, the core tool with profile shell and unidirectional area is guided through a Faserpreformeinheit or Faserablegeeinheit for the cylinder shell, which applies the cylinder shell by means of winding and / or braiding. Again, depending on the application, the deposition of multiple fiber layers is conceivable, including a mixture of wound and braided layers, whereby the fiber angle may vary.
Anschließend erfolgt die Konsolidierung der Profilwelle in einem RTM-Werkzeug oder einer Pultrusionseinheit. Findet eine Pultrusionseinheit Anwendung, kann das Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden, wobei aber der Wellenkern segmentweise aus dem quasi endlosen Halbzeug nach dessen Aushärtung entfernt werden sollte, um dann wieder dem Beginn der Fertigungsstrecke zugeführt zu werden. Die Pultrusionseinheit besteht nach dem Stand der Technik aus einer Pultrusionsdüse, die kontinuierlich die durch sie gleitende Faser-Preform mit Harz infiltriert. Wenn anstatt trockener, nur bebinderte Fasern bzw. vorimprägnierte Faserlagen Verwendung finden, dient die Pultrusionsdüse lediglich der notwendigen Verdichtung der Faserpreform und u.U. deren Erhitzung auf Konsolidierungstemperatur. Als vorimprägnierte Faserverstärkungen zählen solche Faserhalbzeuge, die die Matrix, also ein geeignetes duroplastisches Harzsystem oder insbesondere thermoplastisches Matrixmaterial bereits in erforderlicher Menge enthalten. An die Pultrusionsdüse schließt sich ein Konsolidierungsbereich an, bei dem entweder die mit Duroplast infiltrierte Preform erst unter Hitzeeinfluss ausgehärtet und dann gekühlt wird bzw. bei Verwendung einer thermoplastischen Matrix nur gekühlt wird. Dann erfolgt eine Ablängung des Wellengrundkörpers auf das gewünschte Endmaß und das Kernsegment kann entfernt werden. Bei einem RTM-Werkzeug wird dieses immer in seiner Länge mit der Profilwelle gefüllt und ermöglicht eine Infiltration mit Matrixmaterial und dessen Konsolidierung, wobei kein Vorschub stattfindet. Vielmehr muss vor dem vakuumdichten Verschließen des RTM-Werkzeugs die Faserpreform an der passenden Stelle getrennt werden, so dass das betreffende Kernsegment nebst zugehöriger Faserpreform vollständig im RTM-Werkzeug eingeschlossen werden kann. Subsequently, the profile shaft is consolidated in an RTM tool or a pultrusion unit. If a pultrusion unit is used, the method can be carried out continuously, but the shaft core should be removed in segments from the quasi-continuous semi-finished product after it has hardened, in order then to be returned to the beginning of the production line. The pultrusion unit according to the prior art consists of a pultrusion die which continuously infiltrates the fiber preform which slides through it with resin. If, instead of dry, only binded fibers or pre-impregnated fiber layers are used, the pultrusion only serves the necessary compression of Faserpreform and u.U. their heating to consolidation temperature. Preimpregnated fiber reinforcements include those semifinished fiber products which already contain the matrix, that is to say a suitable thermosetting resin system or in particular thermoplastic matrix material, in the required amount. The pultrusion nozzle is followed by a consolidation region in which either the thermoset-infiltrated preform is first cured under the influence of heat and then cooled or only cooled when using a thermoplastic matrix. Then a lengthening of the shaft main body to the desired final dimension and the core segment can be removed. In an RTM tool this is always filled in its length with the profiled shaft and allows infiltration with matrix material and its consolidation, with no feed takes place. Instead, before the vacuum-tight sealing of the RTM tool, the fiber preform must be separated at the appropriate point, so that the relevant core segment together with the associated fiber preform can be completely enclosed in the RTM tool.
Zuletzt erfolgt noch das Abtrennen der Profilwelle auf die gewünschte Länge und die Entnahme des Kernwerkzeuges.Finally, there is still the separation of the profile shaft to the desired length and the removal of the core tool.
Die Profilwelle bzw. das Kernwerkzeug wird während des Verfahrens mittels eines Transportsystems kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich bewegt.The profile shaft or the core tool is moved continuously or quasi-continuously during the process by means of a transport system.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand mehrerer Figuren erläutert. Dabei zeigen:Hereinafter, embodiments of the invention will be explained with reference to several figures. Showing:
Mittig ist die FKV-Profilwelle
Nach außen an die Profilschale
Außen an den unidirektionalen Bereich
Als Fasermaterial kommen geflochtene Kohlenstofffasern vom Typ T 300 zum Einsatz. Die Matrix besteht aus einem Epoxidharzsystem mit Harz-Härter-Beschleuniger-Anteilen (Harz: Araldite 564, Härter: Aradur 917 CH: Beschleuniger: Accelerator 960).Braided carbon fibers of type T 300 are used as fiber material. The matrix consists of an epoxy resin system with resin-hardener-accelerator components (resin: Araldite 564, hardener: Aradur 917 CH: accelerator: accelerator 960).
Die Wandstärke der Profilwelle
Das übertragbare dynamische Torsionsmoment der Profilwelle beträgt 1300 Nm und das übertragbare statische Torsionsmoment 5100 Nm, bei einem Gewicht von nur 2200 g/m. Die erste Biegeeigenfrequenz der Profilwelle beträgt 180 Hz bei einer Länge von ca. 1,2m, wodurch die Profilwelle für Maschinen mit hoher Drehzahl sehr gut geeignet ist.The transmittable dynamic torsional moment of the profile shaft is 1300 Nm and the transmittable static torsional moment 5100 Nm, with a weight of only 2200 g / m. The first bending natural frequency of the profile wave is 180 Hz with a length of approx. 1.2m, whereby the profile shaft is very well suited for machines with high speed.
Die
Die Befestigung des Lasteinleitungselementes
Anschließend werden vorkonsolidierte Leisten
Dann wird die Profilwelle
Als Werkstoffe der Profilwelle
Die
Eine weitere alternative Anlage zur Herstellung der profilierten FKV- Profilwellen wird in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Antriebswelle drive shaft
- 22
- FKV-Profilwelle FRP profile shaft
- 2121
- Profilschale profile shell
- 211211
- erste Schicht first shift
- 212212
- zweite Schicht second layer
- 2323
- unidirektionaler Bereich unidirectional area
- 231231
- unidirektionale Leisten unidirectional strips
- 2525
- Zylinderschale cylindrical shell
- 251251
- erste Schicht first shift
- 252252
- zweite Schicht second layer
- 33
- Lasteinleitungsbereich Load transfer area
- 44
- Kugel-Längenausgleich Ball length compensation
- 55
- homokinetisches Gelenk homokinetic joint
- 66
- Lasteinleitungselement Load introduction element
- 6161
- Außenprofilierung outside profiling
- 6262
- Befestigungsbereich fastening area
- 6363
- Bohrung drilling
- 7171
- Nut groove
- 7272
- Sicherungsring circlip
- 8181
- Profilgeometrie profile geometry
- 8282
- Profilgeometrie profile geometry
- 8383
- Profilgeometrie profile geometry
- 8484
- Profilgeometrie profile geometry
- 9191
- Widerhaken barb
- 9292
- Nut groove
- 1010
- Innenring inner ring
- 101101
- Radialstift radial pin
- 102102
- Federelement spring element
- 1111
- Widerhaken barb
- 1212
- Metallhülse metal sleeve
- 121121
- Nut in Profilwelle Groove in profile shaft
- 122122
- Nut im Lasteinleitungselement Groove in the load introduction element
- 131131
- Schnapphaken snap hooks
- 132132
- Federnut keyway
- 1414
- Sicherungshülse securing sleeve
- 1515
- Bajonettring bayonet ring
- 151151
- Sicherungsstift safety pin
- 152152
- Nase nose
- 2020
- Faserpreformeinheit/Faserablegeeinheit Profilschale Fiber preforming unit / fiber depositing unit profiled tray
- 201201
- Flechtmaschine braiding
- 202202
- Flechtmaschine braiding
- 203203
- Flechtmaschine braiding
- 3030
- Faserpreformeinheit/Faserablegeeinheit Zylinderschale Fiber preforming unit / fiber delivery unit Cylinder shell
- 301301
- Flechtmaschine braiding
- 302302
- Flechtmaschine braiding
- 4040
- unidirektional verstärkte Leisten unidirectionally reinforced strips
- 401401
- Zuführung der Leisten 40 Feeding the strips 40
- 4141
- Profilmatrize Profilmatrize
- 4242
- Zylindermatrize Zylindermatrize
- 4343
- Kernzuführung core feed
- 4444
- RTM-Werkzeug RTM tool
- 4545
- Wellenentnahme/Sägeeinrichtung Shaft taking / sawing
- 4646
- Heißluftgebläse Heat Guns
- 4747
- Preformer/Resin Injection Mould Preformer / Resin Injection Mold
- 4848
- Pultrusionsdüse pultrusion die
- 4949
- Heizeinheit heating unit
- 50 50
- Spuleneinheit unidirektionale Leisten Coil unit unidirectional strips
- 501501
- erstes Spulengatter first creel
- 502502
- zweites Spulengatter second creel
- 503503
- Schablone template
- 5151
- Transportsystem transport system
- 5252
- Säge saw
- 5353
- fertige Profilwelle finished profile shaft
- 5454
- geteiltes Kernwerkzeug shared core tool
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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-
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