DE102012106117A1

DE102012106117A1 - Verfahren zum Herstellen einer Gelenkwelle aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial, Gelenkwelle sowie Gelenkwellenanordnung

Info

Publication number: DE102012106117A1
Application number: DE201210106117
Authority: DE
Inventors: Christoph F. Rüegg; Oliver Fischer
Original assignee: Xperion GmbH
Current assignee: Xperion GmbH
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2032-07-07
Also published as: DE102012106117B4

Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Gelenkwelle (2), insbesondere Kardangelenkwelle, aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial, bei dem ein rohrförmiger Gelenkwellenkörper (4) und eine an dem Gelenkwellenkörper (4) endseitig angeordnete Gelenkgabel (5), die mit einer Aufnahmevorrichtung (8, 9) für ein Gelenkelement (10) gebildet wird, mittels Faserwickelverfahren einstückig hergestellt werden. Weiterhin betrifft die Anmeldung eine Gelenkwelle (2) sowie eine Gelenkwellenanordnung (1).

Description

Die Erfindung betrifft Technologien auf dem Gebiet der Gelenkwellen.
Hintergrund
Gelenkwellen dienen üblicherweise zur Übertragung von Drehmomenten oder Drehbewegungen, sei es zum Beispiel im allgemeinen Maschinenbau oder speziell im Fahrzeugbau. In einer Ausbildung verfügt die Gelenkwelle über einen rohrförmigen Gelenkwellenkörper, an dem endseitig wenigstens eine Gelenkgabel angeordnet ist, die nutzbar ist, eine Gelenkwellenanordnung herzustellen, bei der in die Gelenkwelle ein Gelenk integriert ist, derart, dass das Gelenk unter Einbeziehung der Gelenkgabel an dem Gelenkwellenkörper angeordnet ist.
Zum Zwecke der Gewichtsredzierung wurde vorgeschlagen, metallische Gelenkwellen durch Gelenkwellen zu ersetzen, bei denen der rohrförmige Gelenkwellenkörper aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial (FKV, Composite Material) besteht. Als Faser-Kunststoff-Verbundmaterialen kommen insbesondere kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) zum Einsatz.
In die Gelenkwelle können unterschiedliche Arten von Gelenken integriert werden, die beispielsweise auch einen Ausgleich eines Winkelversatzes und/oder einen Axialversatz im Einbau- und Betriebszustand ermöglichen können. Zu den Gelenkarten gehören insbesondere Kardangelenke, Gummigelenkscheiben, Gleichlaufgelenke, Lamellenkupplungen und dergleichen.
Ist der rohrförmige Gelenkwellenkörper aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial hergestellt, so besteht eine besondere Herausforderung darin, den Übergang zum Gelenk funktionsgerecht herzustellen. Ist das zu integrierende Gelenk aus Metall, so findet im Bereich der Anbindung des Gelenkes an den rohrförmigen Gelenkwellenkörper ein Wechsel des Werkstoffes statt, nämlich vom Faser-Kunststoff-Verbundmaterial zum Metall. In dem Dokument DE 30 07 896 A1 ist eine Anschlussverbindung für Faserkunststoffrohre, insbesondere Hohlwellen von Kraftfahrzeugen, beschrieben, die sich mit diesem Problem beschäftigt. Es ist dort ein längsverzahnter Pressverband vorgesehen. Ein Nachteil dieser Technologie besteht in der Notwendigkeit eines Überlappungsbereiches zur Krafteinleitung zwischen dem rohrförmigen Gelenkwellenkörper aus dem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial und dem metallischen Anschlussstück, wobei wegen des erforderlichen Fugendruckes eine relativ hohe Wanddicke des metallischen Anschlussstückes notwendig ist. Dieses führt zu einem recht hohen Gewicht des Krafteinleitungsbereiches. Außerdem ist die Herstellung eines geeigneten Pressverbandes aufgrund geringer zulässiger Toleranzen, der Herstellung der Längsverzahnung und des Fügeprozesses mit hohen Kräften kostenaufwendig.
Aufgrund der hohen lokalen Kräfte zwischen der Gelenkgabel am rohrförmigen Gelenkwellenkörper einerseits und dem hieran koppelnden Gelenkkreuz andererseits weisen die Gelenkgabeln bei metallischen Gelenken, beispielweise Kardangelenken, eine recht hohe Wanddicke auf und sind entsprechend schwer. Dieser metallische rohrförmige Gelenkwellenkörper bei einer rein metallischen Kardangelenkwelle benötigt zur Drehmomentübertragung jedoch nur eine weitaus geringere Wanddicke. Fertigungstechnisch führt dies in der Serienproduktion meist zu gezogenen Rohren und geschmiedeten Gelenkgabeln, die mittels Schweißverfahren miteinander verbunden sind. Für kleine Serien und Einzelstücke werden die Gelenkgabeln auch mit Hilfe spanender Bearbeitung aus Vollmaterial erzeugt. Dies ist mit hohen Kosten verbunden, insbesondere für ein Schmiedewerkzeug aber auch für die spanende Bearbeitung und den Fügeprozess. Insgesamt sind metallische Gelenkgabeln relativ teure Bauteile.
Eine Gewichtsreduzierung konnte erreicht werden, indem die an dem rohrförmigen Gelenkwellenkörper der Gelenkwelle angeordnete Gelenkgabel aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt wird. Das Dokument DE 10 2009 026 013 A1 schlägt in diesem Zusammenhang vor, die Gelenkgabel zunächst getrennt von dem rohrförmigen Gelenkwellenkörper in Form von zwei Gabelhälften herzustellen. Als Fertigungsverfahren zur getrennten Herstellung der beiden Gabelhälften werden die Faserwickeltechnik sowie das Press- oder Injektionsverfahren zum Herstellen eines Faserverbundmaterials genannt. Die beiden Gabelhälften werden jeweils als ein Faserverbund-Biegeträger ausgestaltet und anschließend mit Hilfe eines Spannringes an dem rohrförmigen Gelenkwellenkörper endseitig montiert. Das Herstellungsverfahren erfordert ein getrenntes Fertigen des rohrförmigen Gelenkwellenkörpers einerseits und der Gelenkgabel andererseits, die darüber hinaus auch noch mehrteilig ausgeführt ist. Die getrennt hergestellten Teile der Gelenkwelle müssen anschließend miteinander gefügt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, neue Technologien auf dem Gebiet der Gelenkwellen, die wenigstens teilweise aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial bestehen, anzugeben, mit denen eine aufwandsgeminderte und kostengünstigere Herstellung von Gelenkwellen ermöglicht ist. Darüber hinaus sollen die Gelenkwellen ein möglichst geringes Gewicht aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer Gelenkwelle, insbesondere Kardangelenkwelle, nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weiterhin sind eine Gelenkwelle nach dem unabhängigen Anspruch 8 sowie eine Gelenkwellenanordnung nach dem unabhängigen Anspruch 9 geschaffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Es ist ein Verfahren zum Herstellen einer Gelenkwelle, insbesondere Kardangelenkwelle, aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial vorgesehen, bei dem ein rohrförmiger Gelenkwellenkörper und eine an dem Gelenkwellenkörper endseitig angeordnete Gelenkgabel, die mit einer Aufnahmevorrichtung für ein Gelenkelement gebildet wird, mittels Faserwickelverfahren einstückig hergestellt werden.
Nach einem weiteren Aspekt ist eine Gelenkwelle, insbesondere Kardangelenkwelle, aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial geschaffen, die einen rohrförmigen Gelenkwellenkörper und eine an den Gelenkwellenkörper endseitig angeordnete Gelenkgabel aufweist, die eine Aufnahmevorrichtung für ein Gelenkelement aufweist, wobei der Gelenkwellenkörper und die Gelenkgabel als einstückiges, fasergewickeltes Bauteil ausgeführt sind.
Darüber hinaus ist eine Gelenkwellenanordnung mit einer Gelenkwelle, die einen rohrförmigen Gelenkwellenkörper und eine an dem Gelenkwellenkörper endseitig angeordnete Gelenkgabel aufweist, und einem Gelenk geschaffen, welches unter Beteiligung der Gelenkgabel gebildet ist, derart, dass eine der an dem Gelenkwellenkörper endseitig angeordneten Gelenkgabel zugeordnete Gelenkgabel über ein Gelenkelement an eine Aufnahmevorrichtung gelenkig koppelt, die an der Gelenkgabel gebildet ist, wobei der Gelenkwellenkörper und die Gelenkgabel als einstückiges, fasergewickeltes Bauteil ausgeführt sind.
Die Nutzung des Faserwickelverfahrens, welches in verschiedenen Ausgestaltungen als solches bekannt ist und auch als „Filament Winding” bezeichnet wird, ermöglicht das Herstellen von rohrförmigem Gelenkwellenkörper und hieran gebildeter Gelenkgabel in einem Arbeitsschritt, derart, dass ein einstückiges, fasergewickeltes Bauteil hergestellt wird. Sowohl rohrförmiger Gelenkwellenkörper als auch endseitige Gelenkgabel bestehen aus Faser-Kunststoff-Verbundmaterial, was ein möglichst geringes Gewicht der Gelenkwelle unterstützt. Die einstückige Herstellung mittels Faserwickeln ermöglicht die Herstellung eines Bauteils, bei dem die Integration der Gelenkankoppelung in Form der Gelenkgabel in die Gelenkwelle an dem rohrförmigen Gelenkwellenkörper optimiert herstellbar ist. Es entsteht ein einstückiger Verbund von rohrförmigem Gelenkwellenkörper einerseits und Gelenkgabel andererseits, der trotzt geringen Gewichts hohen mechanischen Ansprüchen genügt. Das Faserwickelverfahren ermöglicht eine individuelle Anpassung des Herstellungsprozesses an unterschiedliche Arten von Gelenkwellen, beispielsweise mittels Auswahl der zum Wickeln genutzten Fasern und/oder der jeweils genutzten Art des Aufwickelns der Fasern. Zum Einsatz kommen können insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffmaterialien, aber auch glasfaserverstärkte Kunststoffmaterialen können genutzt werden.
Ein weiterer Vorteil des Wickelverfahrens besteht im Unterschied zum Injektionsverfahren darin, dass kostengünstig die Rohstoffe Faser und Matrix-Harz in einem Verfahrensschritt zu einem Bauteil verarbeitet werden. Beim Injektionsverfahren muss in einem ersten Verfahrensschritt zunächst ein flächiges textiles Halbzeug (Gewebe, Gelege, Matte) hergestellt werden, welches dann in einem zweiten Verfahrensschritt durch Injektion des Harzes im Werkzeug imprägniert wird. Die Materialkosten sind deshalb beim Wickelverfahren deutlich niedriger.
Zudem benötigt das Faserwickelverfahren kein mehrteiliges Werkzeug, welches hohe Kosten verursacht, sondern lediglich einen zylindrischen Wickelkern, der relativ einfach und kostengünstig herzustellen ist. Dadurch sind insgesamt auch die Werkzeugkosten deutlich niedriger als beim Injektions- oder Pressverfahren.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass endseitig, zumindest im Bereich der Gelenkgabel eine Materialaufdickung hergestellt wird. Mit Hilfe der Materialaufdickung kann der direkte Übergang von dem rohrförmigen Gelenkwellenkörper in die endseitige Gelenkgabel ausgeführt werden. Der rohrförmige Gelenkwellenkörper weist eine seiner Funktion entsprechende Wanddicke auf. Um nun die Kraftübertragung und die Krafteinleitung im Bereich der endseitigen Gelenkgabel zu berücksichtigen, kann eine entsprechende Materialaufdickung genutzt werden. Die Materialaufdickung kann als fasergewickelte Materialaufdickung ausgeführt werden, was bedeutet, dass im Bereich der Materialaufdickung zusätzliche Fasern aufgewickelt werden.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass beim Ausbilden der Materialaufdickung Fasern in Umfangsrichtung lokal aufgewickelt und/oder textile Halbzeuge lokal eingelegt werden. Das Einlegen textiler Halbzeuge kann alternativ oder ergänzend zur in Umfangsrichtung fasergewickelten Materialaufdickung zum Einsatz kommen. Als textile Halbzeuge können zum Beispiel Gewebe oder sogenannte multiaxiale Gelege verwendet werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Faser-Kunststoff-Verbundmaterial nach dem Aushärten mittels spanender Bearbeitung nachbearbeitet wird. Mit Hilfe der spanenden Bearbeitung kann zum Beispiel eine Kantenbearbeitung ausgeführt werden. Aber auch das Herausarbeiten von Ausnehmungen und/oder Durchbrüchen kann vorgesehen sein.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung vor, dass an der Gelenkgabel die Aufnahmevorrichtung für das Gelenkelement mit einander gegenüberliegenden Bolzenaugen hergestellt wird. Beispielsweise dienen die Bolzenaugen zur Lagerung eines Gelenkelementes, bei dem es sich um ein Gelenkkreuz handelt, zum Beispiel ein Gelenkkreuz eines Kardangelenkes.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass im Bereich der endseitig angeordneten Gelenkgabel Ausnehmungen zum Eingreifen einer der Gelenkgabel zugeordneten Gelenkgabel gebildet werden. Bei dieser Ausführungsform werden im Bereich der endseitigen Gelenkgabel der Gelenkwelle und/oder benachbart hierzu Ausnehmungen hergestellt, beispielsweise mittels nachträglicher spanender Bearbeitung, um so einen Aufnahmeraum herzustellen, in welchen dann eine Gelenkgabel eingreift, die der endseitig an dem Gelenkkörper gebildeten Gelenkgabel im auszubildenden Gelenk zugeordnet ist, also mit dieser im Gelenk zusammenwirkt über ein oder mehrere die Gabeln koppelnde Gelenkelemente. Zum Beispiel können die Ausnehmungen die Form eines Halbkreises oder eine Halbellipse aufweisen.
Eine Weiterbildung kann vorsehen, dass die endseitig angeordnete Gelenkgabel umlaufend geschlossen gebildet wird. Bei dieser Ausgestaltung ist die Gelenkwelle im Bereich der endseitig angeordneten Gelenkgabel umlaufend geschlossen hergestellt. Es fehlt also gerade an Ausnehmungen, die bei der Gelenkausbildung dem Aufnehmen der flanschseitigen Gelenkgabel dienen. Eine derart ausgeführte Gelenkgabel ermöglicht zum Beispiel die Aufnahme eines asymmetrischen Gelenkkreuzes an der Gelenkwelle. Das asymmetrische Gelenkkreuz weist sich kreuzende Gelenkarme unterschiedlicher Länge auf. Das Gelenkkreuz erstreckt sich also in einer Richtung in geringerem Umfang als in der Querrichtung hierzu. Die sich in der jeweiligen Richtung vom Mittelpunkt des Gelenkkreuzes erstreckenden Gelenkarme sind in der jeweiligen Richtung jedoch zum Mittelpunkt symmetrisch.
In Verbindung mit der Gelenkwelle sowie der Gelenkwellenanordnung gelten die vorangehenden Ausführungen hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen entsprechend.
Bei der Gelenkwellenanordnung ist die Gelenkwelle integriert mit einem Gelenk gebildet, welches unter Beteiligung der am rohrförmigen Gelenkwellenkörper endseitig angeordneten Gelenkgabel gebildet ist, beispielsweise derart, dass eine flanschseitige Gelenkgabel über das Gelenkelement, beispielsweise ein Gelenkkreuz, an die Gelenkgabel am rohrförmigen Gelenkwellenkörper koppelt. Die flanschseitige Gelenkgabel ist an einem Anschlussflansch des Gelenkes gebildet, welcher vorzugsweise auch aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial besteht. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Anschlussflansch mit der flanschseitigen Gelenkgabel als einstückiges Pressformteil ausgeführt ist.
Es kann ein einstückiges Gelenkbauteil aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial gebildet sein, welches eine an einem Endabschnitt angeordnete Gelenkgabel und einen an einem gegenüberliegenden Endabschnitt angeordneten Verbindungsflansch aufweist. Mit Hilfe der Gelenkgabel ist das einstückige Gelenkbauteil an ein Kopplungsbauteil eines Gelenkes, insbesondere eines Kardangelenkes, koppelbar, um so in das Gelenk integriert zu werden. Andererseits ist das einstückige Gelenkbauteil über den auf der gegenüberliegenden Seite angeordneten Verbindungsflansch mit Bauteilen oder Elementen verbindbar, die an ein Gelenk koppeln sollen. Insoweit kann das einstückige Gelenkbauteil auch als flanschseitiges Gelenkbauteil bezeichnet werden.
Nach einem weiteren Aspekt ist eine Gelenkwellenanordnung mit dem einstückigen Gelenkbauteil geschaffen. Bei der Gelenkwellenanordnung ist auf einer sich axial erstreckenden Gelenkwelle endseitig ein gelenkwellenseitiges Gelenkbauteil angeordnet. Hieran koppelt ein Gelenkkopplungselement, beispielsweise ein Gelenkkreuz, welches andererseits an das flanschseitige Gelenkbauteil koppelt, sodass die Gelenkwelle mit einem Gelenk versehen ist, insbesondere einem Kardangelenk.
Weiterhin ist ein Verfahren zum Herstellen eines Gelenkbauteils geschaffen, bei dem das Gelenkbauteil an einem Endabschnitt mit einer Gelenkgabel und einem gegenüberliegenden Endabschnitt mit einem Verbindungsflansch und als einstückiges Bauteil aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial hergestellt wird.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht einen ersten Bauteilabschnitt, in welchem Fasern des Faser-Kunststoff-Verbundmaterials eine erste Faserorientierung aufweisen, und einen zweiten Bauteilabschnitte vor, in welchem Fasern des Faser-Kunststoff-Verbundmaterials eine zweite Faserorientierung aufweisen, die von der ersten Faserorientierung verschieden ist. Die jeweilige Faserorientierung ist zweckmäßig als eine Vorzugsorientierung gebildet, bei der ein überwiegender Anteil der Fasern, beispielsweise wenigstens 50%, im Wesentlichen der Vorzugsorientierung entsprechend ausgerichtet sind. Eine mögliche Faserorientierung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bauteilabschnitt eine zufällige oder ungeordnete Orientierung der Fasern gebildet ist. In diesem Fall verfügen dann vorzugsweise wenigstens 50% der Fasern über eine Zufallsorientierung.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung können ein erster Verbundmaterialbereich, in welchem überwiegend Fasern einer ersten Faserart angeordnet sind, und ein zweiter Verbundmaterialbereich vorgesehen sein, in welchem überwiegend Fasern einer zweiten Faserart angeordnet sind, die von der ersten Faserart verschieden ist. Die erste und die zweite Faserart können sich hinsichtlich einer oder mehrer Fasereigenschaften unterscheiden. Hierzu gehört beispielsweise das Material, aus dem die Fasern bestehen. So können zum Beispiel Kohlenstofffasern und Glasfasern zum Einsatz kommen. Aber auch eine Variation der Dicke bei Fasern, die aus demselben Material bestehen, kann zur Unterscheidung von Faserarten führen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass sich die erste und die zweite Faserart wenigstens hinsichtlich der Faserlänge unterscheiden. Es können beispielsweise einerseits Endlosfasern und andererseits Langfasern als unterschiedliche Faserarten zum Einsatz kommen. Im Unterschied zu Langfasern sind Endlosfasern hierbei Fasern mit einer Länge, die sich über die gesamte Baulänge des Bauteils erstreckt. Langfasern können zum Beispiel eine Länge zwischen etwa 0.5 cm und etwa 5 cm aufweisen.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung vor, dass der erste Bauteilabschnitt einen äußeren Randbereich der Gelenkgabel und der zweite Bauteilabschnitt einen inneren Bereich der Gelenkgabel umfasst. Der innere Bereich der Gelenkgabel kann mit einem oder mehreren Durchbrüchen versehen sein, die auch als Bolzenauge bezeichnet werden können. Der Durchbruch dient zum Beispiel der Aufnahme eines Gelenkkopplungsbauteils, insbesondere eines Gelenkkreuzes. Es kann dann vorgesehen sein, dass Fasern im Loch- oder Augennahbereich eine Vorzugsorientierung in radialer Richtung haben.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der erste Verbundmaterialbereich den äußeren Randbereich der Gelenkgabel und der zweite Verbundmaterialbereich den inneren Bereich der Gelenkgabel umfasst. Bei einer Ausführungsform sind im äußeren Randbereich der Gelenkgabel überwiegend oder ausschließlich Endlosfaserstränge angeordnet. Hierdurch ist es ermöglicht, im Außenbereich eine schlaufenartige Verstärkung des Kunststoffmaterials zu bilden. Im inneren Bereich der Gelenkgabel, beispielsweise um den Durchbruch herum, werden bevorzugt Langfasern eingebracht, die beispielsweise eine Zufallsorientierung aufweisen können.
Eine Weiterbildung kann vorsehen, dass das Gelenkbauteil als ein Faser-Kunststoff-Pressbauteil ausgeführt ist. Bei der Herstellung des einstückigen Gelenkbauteils kann vorgesehen sein, in einem oder mehreren Press-Formschritten eine Faser-Kunststoff-Pressmasse in ein Formwerkzeug einzubringen und zur Formgebung mit Druck zu beaufschlagen, beispielsweise unter Verwendung eines Stempels und/oder eines Pressbauteils. Hierbei kann vorgesehen sein, dass vor dem Einbringen der Faser-Kunststoff-Pressmasse Fasern in den Formhohlraum eingelegt werden, die sich dann mit der Faser-Kunststoff-Pressmasse verbinden.
Im Prozess der Herstellung des einstückigen Gelenkbauteils kann vorgesehen sein, dass zuvor ausgehärtete Formteil nachzubearbeiten, beispielsweise mittels spanender Bearbeitung, um zum Beispiel einen oder mehrere Durchbrüche, insbesondere Löcher, einzubringen, was sowohl im Bereich der Gelenkgabel als auch im Bereich der Flanschverbindung der Fall sein kann. Im Bereich der Gelenkgabel können auf diese Weise ein oder mehrere Bolzenaugen geschaffen werden, um hierdurch eine Aufnahmeeinrichtung für ein Gelenkkopplungsteil zu schaffen, beispielsweise ein Gelenkkreuz. Im Bereich der Flanschverbindung können ein oder mehrere Löcher vorgesehen sein, um so die Flanschverbindung für eine Schraub- oder Bolzenverbindung vorzubereiten.
Es kann eine Gelenkwelle vorgesehen sein, welche einen sich axial erstreckenden Gelenkwellenkörper und eine Gelenkgabel aufweist, die endseitig an dem Gelenkwellenkörper angeordnet ist. Gelenkwellenkörper und Gelenkgabel sind über eine drehschlüssige Verbindung miteinander verbunden, bei der zur Ausbildung der Verbindung ein wellenkörperseitiges Verbindungselement und ein gabelseitiges Verbindungselement miteinander verbunden sind. Das wellenkörperseitige Verbindungselement an dem Gelenkwellenkörper und/oder das gabelseitige Verbindungselement an der Gelenkgabel sind als ein Faser-Kunststoff-Presselement gebildet.
Die Gelenkwelle kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, bei dem ein sich axial erstreckender Gelenkwellenkörper mit einem wellenkörperseitigen Verbindungselement sowie eine Gelenkgabel mit einem gabelseitigen Verbindungselement bereitgestellt werden. Gelenkwellenkörper und Gelenkgabel werden dann mit Hilfe einer drehschlüssigen Verbindung miteinander verbunden. Bei der drehschlüssigen Verbindung wird die Gelenkgabel endseitig an dem Gelenkwellenkörper angeordnet. Das wellenkörperseitige Verbindungselement und das gabelseitige Verbindungselement werden beim Ausbilden der drehschlüssigen Verbindung miteinander verbunden. Das wellenkörperseitige Verbindungselement an dem Gelenkwellenkörper und/oder das gabelseitige Verbindungselement an der Gelenkgabel werden mittels Formpressen und Aushärten einer Faser-Kunststoff-Pressmasse als ein Faser-Kunststoff-Presselement hergestellt. Es kann vorgesehen sein, dass das wellenkörperseitige Verbindungselement und das gabelseitige Verbindungselement relativ zueinander in axialer Richtung verschiebbar verbunden werden, so dass zum Beispiel zur betriebsbedingten Gelenkwellen-Längenänderung eine axiale Relativbewegung zwischen Gelenkgabel und Gelenkwellenkörper ermöglicht ist.
Die hier beschriebene Gelenkwelle kann in der oben erläuterten Gelenkwellenanordnung verwendet werden.
Nachfolgend werden weitere Aspekte zu der Gelenkwelle, bei der Gelenkwellenkörper und Gelenkgabel über eine drehschlüssige Verbindung verbunden sind, sowie deren Herstellung erläutert.
Die drehschlüssige Verbindung zwischen Gelenkwellenkörper und Gelenkgabel bedeutet insbesondere, dass eine Drehbewegung von Gelenkwellenkörper oder Gelenkgabel das Mitdrehen des anderen Gelenkelementes zur Übertragung eines Torsionsmomentes erzwingt. Es können unterschiedliche Materialien für den Gelenkwellenkörper zum Einsatz kommen, wozu insbesondere metallische Materialien oder Faser-Kunststoff-Verbundmaterialien gehören. Der Gelenkwellenkörper ist als rohrförmiger Körper ausführbar.
Vorzugsweise ist das wellenkörperseitige Verbindungselement auf einer äußeren Oberfläche des Gelenkwellenkörpers hergestellt und wirkt dann mit einem innenseitig an der Gelenkgabel hergestellten gabelseitigen Verbindungselement zusammen. Aber auch eine umgekehrte Ausbildung kann vorgesehen sein, bei der dann das gabelseitige Verbindungselement auf einer äußeren Oberfläche hergestellt ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass sowohl das wellenkörperseitige Verbindungselement an dem Gelenkwellenkörper als auch das gabelseitige Verbindungselement an der Gelenkgabel als ein Faser-Kunststoff-Presselement gebildet sind. Zum Ausbilden des Faser-Kunststoff-Presselementes wird bei den verschiedenen Ausführungen eine Faser-Kunststoff-Pressmasse verwendet, bei der eine oder mehrere Faserarten in ein formbares Kunststoffmaterial eingebettet sind, welches nach dem Pressformen auf dem jeweils zugeordneten Bauteil aushärtet. Als Fasern können beispielsweise Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern zum Einsatz kommen. Vorzugsweise ist die Verteilung der Fasern in der Kunststoffmasse zufällig.
Es kann vorgesehen sein, dass das wellenkörperseitige Verbindungselement und das gabelseitige Verbindungselement in der drehschlüssigen Verbindung relativ zueinander in axialer Richtung verschiebbar sind, so dass eine axiale Relativbewegung zwischen Gelenkgabel und Gelenkwellenkörper ermöglicht ist. Hierdurch ist – bei Überwindung einer die Verbindungselemente in der jeweiligen Relativlage zueinander sichernden Verbindungskraft, die wesentlich von Reibungskräften bestimmt wird, – eine axiale Relativbewegung zwischen Gelenkgabel und Gelenkwellenkörper ermöglicht, zum Beispiel zu Zwecken der Montage und/oder zur betriebsbedingten Gelenkwellen-Längenänderung. Die drehschlüssige Verbindung zwischen dem Gelenkwellenkörper und der Gelenkgabel ist bei dieser Ausgestaltung derart ausgeführt, dass beim Auftreten von Kräften, die eine konstruktiv einstellbare Grenzkraft überschreiten, Gelenkwellenkörper und Gelenkgabel relativ zueinander in axialer Richtung verlagert werden, sodass sich die Länge der Gelenkwelle ändert. Hierdurch ist es ermöglicht, dass sich die Gelenkwelle hinsichtlich ihrer Länge flexibel an Restriktionen bei der Montage und/oder an die Betriebsbedingungen beim jeweiligen Einsatz anpasst.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das wellenkörperseitige Verbindungselement und das gabelseitige Verbindungselement auf einander zugeordneten Oberflächen mit zueinander korrespondierenden und wenigstens teilweise im Eingriff miteinander stehenden Oberflächenstrukturierungen versehen sind. In einer Ausgestaltung sind die Oberflächenstrukturierungen mit einer jeweiligen Zahnstruktur gebildet, wobei sich durchgehende oder unterbrochene Zahnstege vorzugsweise in axialer Richtung des Gelenkwellenkörpers erstrecken. Es kann vorgesehen sein, die Oberflächenstrukturierungen an dem Gelenkwellenkörper und/oder an der Gelenkgabel auf der jeweiligen Oberfläche umlaufend hergestellt sind.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die drehschlüssige Verbindung unter Ausbildung einer oder mehrerer Zentrierhilfen hergestellt ist. Es kann vorgesehen sein, die eine oder die mehreren Zentrierhilfen, die am Gelenkwellenkörper und/oder der Gelenkgabel gebildet sein können, umlaufend auszuführen.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung vor, dass der Gelenkwellenkörper aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial besteht. In einer Ausgestaltung ist der Gelenkwellenkörper als fasergewickelter Körper ausgeführt, beispielsweise ein mit Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern verstärktes Rohr.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Gelenkgabel aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial besteht.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das wellenkörperseitige Verbindungselement und/oder das gabelseitige Verbindungselement auf einer dem anderen Verbindungselement zugewandten Oberfläche zumindest abschnittsweise eine Gleitschicht aufweist.
In Verbindung mit dem Verfahren zum Herstellen der Gelenkwelle können die vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen entsprechend vorgesehen sein.
Es kann vorgesehen sein, bei der Gelenkwelle das gegenüberliegende Ende einstückig mit einer Gelenkgabel auszuführen.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Abschnittes einer Gelenkwellenanordnung mit einer Gelenkwelle und einem hieran gebildeten Gelenk,
2 eine schematische Darstellung des Abschnitts der Gelenkwellenanordnung aus 1 von vorn,
3 eine schematische Schnittdarstellung des Abschnitts der Gelenkwellenanordnung aus den 1 und 2,
4 eine schematische Schnittdarstellung entlang einer Schnittebene durch ein als symmetrisches Gelenkkreuz ausgeführtes Gelenkelement bei der Gelenkwellenanordnung aus den 1 und 2,
5 eine perspektivische Darstellung eines Abschnittes einer weiteren Gelenkwellenanordnung mit einer Gelenkwelle und einem hieran gebildeten Gelenk mit einem Ausbruch zwecks besserer Sichtbarkeit des Gelenkkreuzes,
6 eine schematische Darstellung des Abschnitts der weiteren Gelenkwellenanordnung aus 5 von vorn,
7 eine schematische Schnittdarstellung des Abschnitts der weiteren Gelenkwellenanordnung aus den 5 und 6,
8 eine schematische Schnittdarstellung entlang einer Schnittebene durch ein als asymmetrisches Gelenkkreuz ausgeführtes Gelenkelement bei der weiteren Gelenkwellenanordnung aus den 5 und 6,
9 eine schematische Darstellung eines Gelenkbauteils aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial von vorn,
10 eine schematische Darstellung des Gelenkbauteils aus 9 von oben,
11 eine schematische Darstellung zu einem Verfahren zum Herstellen des Gelenkbauteils aus den 9 und 10, wobei ein Vorformwerkzeug zum Vorformen mit einem Stempelwerkzeug gezeigt ist,
12 eine weitere schematische Darstellung zu dem Verfahren zum Herstellen des Gelenkbauteils, wobei eine vorgeformte Faser-Kunststoff-Pressmasse im Vorformwerkzeug eingebracht wird,
13 eine weitere schematische Darstellung zu dem Verfahren zum Herstellen des Gelenkbauteils, wobei die Faser-Kunststoff-Pressmasse vorgeformt wird,
14 eine weitere schematische Darstellung zu dem Verfahren zum Herstellen des Gelenkbauteils, wobei eine nicht vorgeformte Faser-Kunststoff-Pressmasse im Vorformwerkzeug eingebracht wird,
15 eine weitere schematische Darstellung zu dem Verfahren zum Herstellen des Gelenkbauteils, wobei ein Vorformling für das Gelenkbauteil gezeigt ist,
16 eine weitere schematische Darstellung zu dem Verfahren zum Herstellen des Gelenkbauteils, wobei der Vorformling in einem weiteren Presswerkzeug eingebracht wird,
17 eine weitere schematische Darstellung zu dem Verfahren zum Herstellen des Gelenkbauteils, wobei ein Halbzeug gezeigt ist,
18 eine weitere schematische Darstellung zu dem Verfahren zum Herstellen des Gelenkbauteils, wobei das mittels Endbearbeitung aus dem Halbzeug in
17 hergestellte Gelenkbauteil gezeigt ist,
19 eine weitere schematische Darstellung zu dem Verfahren zum Herstellen des Gelenkbauteils, wobei eine weitere Darstellung des Halbzeugs aus 17 gezeigt ist,
20 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Gelenkwellenkörpers von vorn und von der Seite,
21 eine schematische Darstellung des Abschnitts des Gelenkwellenkörpers aus 20 von vorn und von der Seite, wobei zum Ausbilden eines wellenkörperseitigen Verbindungselementes eine Faser-Kunststoff-Pressmasse aufgebracht ist,
22 eine schematische Darstellung des Abschnitts des Gelenkwellenkörpers nach 21 von vorn und von der Seite, wobei zum Ausbilden des wellenkörperseitigen Verbindungselementes eine mehrteilige Pressform gezeigt ist,
23 eine schematische Darstellung des Abschnitts des Gelenkwellenkörpers nach 22 von vorn und von der Seite nach dem Abnehmen der mehrteiligen Pressform,
24a und b schematische Darstellungen einer Anordnung mit einem Wickelkern und einer hierauf angeordneten Formschale von vorn und von der Seite,
25a und b schematische Darstellungen der Anordnung aus 24a und 24b, wobei im Bereich der Formschale eine Faser-Kunststoff-Pressmasse aufgetragen ist,
26a und b schematische Darstellungen der Anordnung aus 25a und 25b, wobei ein Traglaminat mittels Faserwickeln aufgetragen ist,
27a und b schematische Darstellungen der Anordnung aus 26a und 26b von vorn und von der Seite, wobei lokale Verstärkungen mittels Faserwickeln ausgebildet sind,
28 eine schematische Darstellung der Anordnung aus 27b von der Seite, wobei der Wickelkern und die Formschale entfernt werden,
29 eine schematische Darstellung einer Gelenkgabel,
30 eine schematische Darstellung eines Abschnittes einer Gelenkwelle mit dem rohrförmigen Gelenkwellenkörper, auf dem endseitig die Gelenkgabel angeordnet ist, und
31 eine schematische Darstellung eines Abschnittes der Gelenkwellenanordnung aus 30 im Schnitt entlang einer Linie AA' in 30.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts einer Gelenkwellenanordnung 1 mit einer Gelenkwelle 2, an der ein Gelenk 3 angeordnet ist, welches in der dargestellten Ausführungsform als Kardangelenk gebildet ist. Die Gelenkwelle 2 verfügt über einen rohrförmigen Gelenkwellenkörper 4, an dem endseitig eine Gelenkgabel 5 im Bereich einer Materialaufdickung 6 hergestellt ist. Im Bereich der Materialaufdickung 6 verfügt die Gelenkwelle 2 über eine erhöhte Wanddicke, wobei ein direkter und allmählicher Übergang 7 zwischen dem rohrförmigen Gelenkwellenkörper 2 und der endseitigen Materialaufdickung 6 hergestellt ist.
Die Gelenkwelle 2 mit dem rohrförmigen Gelenkwellenkörper 4 und der Gelenkgabel 5 ist mittels Faserwickelverfahren einstückig hergestellt. Faserwickelverfahren sind als solche in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Zur Herstellung des rohrförmigen Gelenkwellenkörpers 4 kann ein Wickelverfahren mit einem klassischen Verlegeauge oder mit einem Ringfadenauge zum Einsatz kommen. Die endseitige Materialaufdickung 6 kann im Wickelverfahren mit einem klassischen Verlegeauge oder mittels einer zusätzlichen Vorrichtung an der Wickelmaschine, mit der bandförmige textile Halbzeuge aufgewickelt werden können, hergestellt werden.
Vorzugsweise werden im Wickelverfahren Kohlenstofffasern eingesetzt. Aber auch die zumindest teilweise Verwendung von Glasfasern kann vorgesehen sein. Die Materialaufdickung 6 kann mittels zusätzlicher Faserwicklungen und/oder mittels Einlegen von Fasern und/oder textiler Halbzeuge im lokalen Bereich der Materialaufdickung 6 hergestellt werden.
Bei der Ausführungsform in 1 verfügt die Gelenkgabel 5 über zwei Bolzenaugen 8, 9, die einander gegenüberliegend angeordnet sind und ein als Gelenkkreuz ausgeführtes Gelenkelement 10 aufnehmen. Über das Gelenkelement 10 koppelt die Gelenkgabel 5 an eine dieser zugeordnete Gelenkgabel 11, die mit einem Anschlussflansch 12 verbunden ist. Insoweit handelt es sich bei der zugeordneten Gelenkgabel 11 um eine flanschseitige Gelenkgabel. Die zugeordnete Gelenkgabel 11 koppelt ebenfalls an das Gelenkkreuz 10, so dass zur Ausbildung des Gelenkes die Gelenkgabel 5 und die zugeordnete Gelenkgabel 11 über das Gelenkelement 10 gelenkig verbunden sind.
Zur Aufnahme der zugeordneten Gelenkgabel 11 sind im Bereich der Materialaufdickung 6 benachbart zur Gelenkgabel 5 Ausnehmungen 13, 14 hergestellt. Die Herstellung der Ausnehmungen 13, 14 erfolgt beispielsweise mittels nachträglicher spanender Bearbeitung des zuvor mittels Faserwickelverfahren hergestellten Halbzeugs.
Die 2 und 3 zeigen den Abschnitt der Gelenkwellenanordnung 1 aus 1 von vorn und im Schnitt. 4 zeigt eine Schnittdarstellung entlang einer Schnittebene durch das als Gelenkkreuz ausgeführte Gelenkelement 10 hindurch. Es ergibt sich, dass Gelenkelementarme 10a, 10b eine gleiche Länge aufweisen und jeweils symmetrisch zur Mitte des Gelenkelementes 10 angeordnet sind. Diese Ausführung kann auch als symmetrisches Gelenkelement bezeichnet werden, wodurch dann ein symmetrisches Gelenk an der Gelenkwelle 2 angebracht ist.
Im Unterschied dazu zeigen die 5 bis 8 eine Ausführungsform, bei dem die Gelenkelementarme 10a, 10b zwar jeweils auch symmetrisch zur Mitte des Gelenkelementes 10 angeordnet sind, jedoch von unterschiedlicher Länge sind (vgl. insbesondere 8). Es ist so ein asymmetrisches Gelenkelement hergestellt, was zu einem asymmetrischen Gelenk an der Gelenkwelle 2 führt. Bei dieser Ausführungsform ist die Gelenkwelle 2 dann umlaufend im Bereich der Materialaufdickung 6 frei von den Ausnehmungen 13, 14 (vgl. 1). Deren Ausbildung ist aufgrund der ungleichen Längen der Gelenkelementarme 10a, 10b nicht notwendig. Es ist so die mechanische Stabilität der Gelenkwelle 2 im Bereich der Aufdickung 6 nicht beeinflusst durch die Ausnehmungen 13, 14.
Unter Bezugnahme auf die 9 bis 19 werden nachfolgend ein Gelenkbauteil 20 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial beschrieben.
Das Gelenkbauteil 20 kann bei den vorangehend beschriebenen Gelenkwellenanordnungen als das Bauteil mit der zugeordneten Gelenkgabel 11 und dem hiermit verbundenen Flansch 12 eingesetzt werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Gelenkbauteil in Verbindung mit anderen Gelenkwellen zu verwenden, beispielsweise Gelenkwellen, die ganz oder teilweise aus Metall bestehen. Also zum Beispiel bei Gelenkwellen, die über einen rohrförmigen Gelenkwellenkörper aus Faserverbundkunststoffmaterial und eine metallische Gelenkgabel verfügen. Aber auch die Nutzung bei einer vollständig aus Metall bestehenden Gelenkwelle kann vorgesehen sein, an die dann über ein oder mehrere Gelenkelemente das Gelenkbauteil 20 koppelt.
Die 9 und 10 zeigen das Gelenkbauteil 20 von vorn und von oben. Eine Gelenkgabel 21 ist über einen Übergangsbereich 22 mit einem Flansch 23 einstückig verbunden. Die Gelenkgabel 21 verfügt über einen Augenbereich 24, in welchem zwei Bolzenaugen 25, 26 hergestellt sind. Die Bolzenaugen 25, 26 dienen zum Beispiel zur Aufnahme eines Gelenkkreuzes, wie dieses oben in Verbindung mit den Ausgestaltungen in den 1 bis 8 beschrieben wurde.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 11 bis 18 die Herstellung des Gelenkbauteils 20 aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial beschrieben.
Gemäß 11 ist ein Vorformwerkzeug 30 mit einer Kavität 31 bereitgestellt, in die mit Matrixharz imprägnierte Endlosfaserstränge 32 eingelegt und anschließend mit Hilfe eines Stempels 33 konsolidiert werden, insbesondere vorgeformt. Hierauf wird dann in die Kavität 31 eine Faser-Kunststoff-Pressmasse 34 eingebracht und mit Hilfe eines Presswerkzeuges 35 konsolidiert, was in den 12 und 14 schematisch dargestellt ist. Die Faser-Kunststoff-Pressmasse 34 enthält Langfasern in einer formbaren Kunststoffmasse. Hierbei kann gemäß 13 vorgesehen sein, die Faser-Kunststoff-Pressmasse 34 in einem Zwischenschritt in einem Hilfswerkzeug 36 mittels eines Hilfsstempels 37 vorzuformen und dann die vorgeformte Faser-Kunststoff-Pressmasse 34 gemäß 12 in der Kavität 31 des Vorformwerkzeuges 30 einzubringen. Bei der Ausführungsform gemäß 14 ist die Faser-Kunststoff-Pressmasse 34 nicht in dieser Form vorgeformt.
Auf diese Weise wurde nun ein Vorformling 38 für das Gelenkbauteil 20 gemäß 15 hergestellt. Der Vorformling 38 verfügt über Bereiche 39, in denen Endlosfaserstränge in das Kunststoffmaterial eingelagert sind, sowie Bereiche 40 mit den Langfasern aus der Faser-Kunststoff-Pressmasse 34. Die Endlosfasern 32 erstrecken sich insbesondere im Randbereich der auszubildenden Gelenkgabel des Gelenkbauteils 20.
Im weiteren Verfahren wird der Vorformling 38 gemäß 16 in ein weiteres Presswerkzeug 41 mit einem Unterteil 42 eingebracht, welches eine Kavität 43 bereitstellt, und mittels eines Oberteils 44 mit Pressdruck beaufschlagt. Hierdurch entsteht ein Halbzeug 45 gemäß 17, welches anschließend bearbeitet wird, um das Gelenkbauteil 20 gemäß 18 herzustellen. Hierbei ist der Flansch 23 mit Bohrungen 46 versehen, die zum Ausbilden einer Flanschverschraubung dienen.
19 zeigt eine weitere Darstellung des Halbzeuges 45 aus 17, wobei die Bereiche mit Endlosfasern 39 und die Bereiche mit Langfasern 40 schematisch gezeigt sind. Das zukünftige Bolzenauge 26 ist mittels einer Strich-Punkt-Linie angedeutet. Im Bereich eines Randes 47 des zukünftigen Bolzenauges 26 ist ein Anteil an der eingebetteten Gesamtfasermenge von wenigstens etwa 30% vorgesehen, bei dem die Fasern nicht mehr als etwa +/–20° von der radialen Richtung des zukünftigen Bolzenauges 26 abweichen.
Das Gelenkbauteil 20 stellt aus mehreren Gründen eine vorteilhafte Weiterentwicklung dar. Mit seiner Hilfe besteht auch ein flanschseitiger Teil eines Gelenkes aus Faser-Kunststoff-Verbundmaterial. Das Gelenkbauteil 20 erhöht die Lochleibungsfestigkeit durch eine andere Faserorientierung im Bereich des Bohrungsrandes, indem die Bohrung erst nach der Formgebung eingebracht wird und die Fasern hierbei absichtlich durchtrennt werden. Es ist mittels einfacher, kostengünstiger, leicht automatisierbarer Fertigungsverfahren herzustellen.
Eine schlaufenartige Faserorientierung um eine Bolzenbohrung herum führt nur zu einer geringen Lochleibungsfestigkeit, wenn die Faserschlaufe nicht seitlich gestützt ist. Eine solche seitliche Stützung ist bei einer Gelenkgabel aus Faser-Kunststoff-Verbundmaterial, insbesondere CFK, aber nicht möglich oder zumindest nicht zweckmäßig herzustellen. Um eine wesentlich höhere Lochleibung und Dauerfestigkeit zu erreichen, wurde hier vorgeschlagen, einen nennenswerten Anteil der Fasern radial vom Rand der Bohrung nach außen verlaufend anzuordnen. Gute Lochleibungsfestigkeiten erreichen somit bereits Laminate, die viele verschiedene Faserorientierungen aufweisen, wenn die Bohrung spanend eingebracht wird.
Das Gelenkbauteil 20 wird deshalb erst nach dem formgebenden Prozess durchbohrt und weist im Nahbereich der Bohrung viele verschiedene Faserorientierungen auf, von denen mindestens etwa 30% um nicht mehr als etwa +/–20° von der Radialrichtung abweichen. Dies wird zweckmäßig und kostengünstig erreicht mittels Verwendung einer langfaserverstärkten Pressmasse mit regelloser Faserorientierung im Nahbereich der späteren Bohrung.
Diese Werkstoffauswahl wird kombiniert mit Endlosfasersträngen, die nur im Außenbereich des Auges eine schlaufenartige Verstärkung bilden, nicht jedoch im Nahbereich der Bohrung. In dem Übergangsbereich zwischen Außenbereich und Nahbereich der Bohrung bildet sich durch die verwendete Preforming-Technik und durch die Fließvorgänge während des Pressens ein allmählicher, harmonischer Übergang der Faserorientierung von den Endlosfasersträngen im Außenbereich zu der regellosen Faserorientierung der Langfasern im Bohrungsbereich aus (vgl. 19). Hierdurch wird sowohl eine hohe Biegefestigkeit des Augenbereiches als auch eine hohe Lochleibungsfestigkeit erreicht.
Die sonstigen Bereiche des Gelenkbauteils 20 weisen vorzugsweise ebenfalls eine regellose (unwillkürliche) Faserorientierung auf und sind so ohne aufwändige Maßnahmen zur Sicherstellung einer etwaigen vorgeschriebenen (willkürlichen) Faserorientierung kostengünstig herzustellen.
Die gegenüber endlosfaserverstärkten Laminaten etwas geringeren Steifigkeits- und Festigkeitswerte einer langfaserverstärkten Pressmasse können durch eine zweckmäßige geometrische Gestaltung mit leicht erhöhten Wanddicken ausgeglichen werden. Die im Vergleich zu Stahl niedrige Dichte des verwendeten Faser-Kunststoff-Verbundmaterials führt dann immer noch zu einem leichten Bauteil, das aber im Gegensatz zu einem endlosfaserverstärkten Bauteil wesentlich kostengünstiger und leichter automatisierbar hergestellt werden kann.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 20 ff. eine Gelenkwelle, insbesondere Kardangelenkwelle, sowie ein Verfahren zum Herstellen beschrieben, bei der ein sich axial erstreckender Gelenkwellenkörper über eine drehschlüssige Verbindung mit einer Gelenkgabel verbunden ist, die endseitig an einem Gelenkwellenkörper angeordnet ist.
Die 20 bis 23 zeigen schematische Darstellungen zur Beschreibung eines Verfahrens zum Herstellen eines Gelenkwellenkörpers 50, der in der gezeigten Ausführungsform als rohrförmiger Gelenkwellenkörper hergestellt wird. Gemäß 20 wird zunächst auf einem Wickelkern 51 der Gelenkwellenkörper 50 aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial mittels Faserwickeln hergestellt. Faserwickelverfahren, die in Ausgestaltungen auch als „Filament Winding” bezeichnet werden, sind als solche in verschiedenen Ausgestaltung bekannt.
Gemäß 21 wird dann eine Faser-Kunststoff-Pressmasse 52 auf den hergestellten Gelenkwellenkörper 50 aufgetragen. Die Faser-Kunststoff-Pressmasse 52 umfasst ein formbares Kunststoffmaterial, in dem Fasern zufällig verteilt sind, beispielsweise Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern.
Sodann wird gemäß 22 eine Pressform-Schale 53, die bei der gezeigten Ausführungsform mehrteilig ausgeführt ist und eine innere Zahnstruktur 53a aufweist, aufgebracht, um mittels der Faser-Kunststoff-Pressmasse 52 ein wellenkörperseitiges Verbindungselement 54 mit einer Oberflächenstruktur 55 zu herzustellen. Bei der gezeigten Ausführungsform gemäß 23 verfügt die Oberflächenstruktur 55 über eine Verzahnung 56 sowie einen Zentrierabschnitt 57. Die Verzahnung 56 weist nach außen vorspringende Zähne oder Zahnstege und hierzwischen gebildete Vertiefungen auf, die sich in axialer Richtung des Gelenkwellenkörpers 50 erstrecken. Der Gelenkwellenkörper 50 wird dann mit montierter Pressform-Schale 53 ausgehärtet. Nach dem Aushärten werden der Wickelkern 51 ausgezogen (in 23 noch nicht gezeigt) und die Pressform-Schale 53 in radialer oder axialer Richtung entfernt. Hierdurch ist der Gelenkwellenkörper 50 mit dem angeformten wellekörperseitigen Verbindungselement 54 gebildet, das über den Zentrierabschnitt 57 verfügt.
Die 24 bis 29 zeigen schematische Darstellungen in Verbindung mit einer Gelenkgabel sowie deren Herstellung. Hierbei wird gemäß 24a und 24b eine Anordnung mit einem Wickelkern 60 und hierauf gelagerter Formschale 61 bereitgestellt. Die Formschale 61 verfügt über eine Negativoberflächenstruktur 62 mit einer Verzahnung 62a sowie einem Zentriersitz 62b. Die Formschale 61 ist spiegelsymmetrisch hinsichtlich der Negativoberflächenstruktur 62.
Im Folgenden wird nun gemäß 25a und 25b im Bereich der Formschale 61 und benachbart hierzu eine Faser-Kunststoff-Pressmasse 63 aufgetragen und mit Hilfe einer Konturspachtel 64 bearbeitet. Sodann werden eine oder mehrere Schichten eines Traglaminats 65 mittels Faserwickel-Verfahren aufgebracht, was 26a und 26b schematisch zeigen.
Auf die und/oder zwischen den einzelnen Schichten des Traglaminats 65 werden dann gemäß 27a und 27b lokale Verstärkungsbereiche 66, 67 auf-/eingewickelt, ebenfalls mittels Faserwickelverfahren, wobei die aufgewickelten Fasern in üblicher Weise in ein Kunststoffmaterial eingebettet werden.
Nach dem Aushärten wird dann der Wickelkern 60 mit der Formschale 61 von dem aus dem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial hergestellten Bauteil gemäß 28 getrennt. Mittels Einstechen wird hierbei eine Polkappe 68 entfernt. Bei der gezeigten Ausführungsform werden auf vergleichbare Weise die auf der Formschale 61 spiegelsymmetrisch gebildeten Bauteile getrennt.
Zur Herstellung einer Gelenkgabel 69, die schematisch in 29 gezeigt ist, werden dann bei der gezeigten Ausführungsform noch Aussparungen 70 hergestellt, vorzugsweise mittels spanender Bearbeitung. Auch werden Bohrungen 71 zur Aufnahme eines Gelenkelementes hergestellt, insbesondere zur Anbindung eines Gelenkkreuzes. In einer alternativen Ausgestaltung können die Aussparung 70 auch weggelassen werden, wie dieses vergleichbar oben in Verbindung mit den 5 bis 8 beschrieben wurde.
Die in 29 gezeigte Gelenkgabel 69 verfügt über ein gabelseitiges Verbindungselement 72, welches bei der gezeigten Ausführungsform mit einer innen umlaufenden Verzahnung gebildet ist, deren Oberflächenstruktur durch die Formschale 61 geprägt ist.
30 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Gelenkwelle, bei der zum Ausbilden einer drehschlüssigen Verbindung nun die Gelenkgabel 69 endseitig auf den Gelenkwellenkörper 50 aufgeschoben ist, derart, dass das wellenkörperseitige Verbindungselement 54 und das gabelseitige Verbindungselement 72 im Eingriff stehen. Dieses bedeutet bei der beschriebenen Ausführungsform, dass die einander zugeordneten Verzahnungen wenigstens teilweise ineinander greifen.
Gemäß 30 ist vorgesehen, zum Ausbilden einer Gleitschicht über eine Öffnung 73 eine flüssige Füllmasse 74 einzubringen, die sich in einem Hohlraum 75 zwischen der Oberfläche des gabelseitigen Verbindungselementes 72 und des wellenkörperseitigen Verbindungselementes 54 ablagert und anschließend erstarrt. Bei der Füllmasse 74 kann es sich bevorzugt um einen duroplastischen oder einen thermoplastischen Kunststoff handeln. Um die gewünschte Toleranzen einzuhalten und eine Abdichtung zu erzielen, wird hierbei eine Zentrierhilfe 76 eingeschoben, die den Gelenkwellenkörper 50 zur Gelenkgabel 69 gabelseitig zentriert und welche nach dem Erstarren der Füllmasse 74 wieder entfernt wird. Eine Zentrierung erfolgt auch wellenkörperseitig durch die angepresste Zentrierung 57.
Insgesamt ist hierdurch eine Anordnung geschaffen, bei der die Gelenkgabel 69 zentriert endseitig auf dem Gelenkwellenkörper 50 montiert ist, wobei mit Hilfe der drehschlüssigen Verbindung, die mittels des wellenkörperseitigen und des gabelseitigen Verbindungselementes 54, 72 sowie der erstarrten Füllmasse 74 gebildet ist, eine spielfreie axiale Relativbewegung zwischen dem Gelenkwellenkörper 50 und der Gelenkgabel 69 ermöglicht ist, sodass die Gelenkwelle im Betrieb, wenn entsprechende Kräfte auftreten, ihre Länge ändern kann. Eine solche Relativbewegung tritt erst dann auf, wenn angreifende Kräfte eine Grenzkraft überschreiten. Unterhalb der Grenzkraft sind Gelenkwellenkörper 50 und Gelenkgabel 69 gegen ein unbeabsichtigtes Verrutschen gesichert. Die Drehschlüssigkeit der Verbindung wird bei der dargestellten Ausführungsform mittels des Eingriffs der Verzahnungen am wellenkörperseitigen Verbindungselement 54 und am gabelseitigen Verbindungselement 72 sichergestellt.
Um das Anhaften der über die Öffnung 73 eingebrachten Füllmasse 74 zum Ausbilden der Gleitschicht im Oberflächenbereich wenigstens eines der Fügepartner, zum Beispiel auf der Oberfläche des gabelseitigen Verbindungselementes 72, zu unterstützen, kann vorgesehen sein, die zu beschichtenden Oberflächenbereiche zu aktivieren, beispielsweise mittels Strahlen, chemischer Aktivierung und/oder der Verwendung eines Primers. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, die Oberflächenbereiche des anderen Fügepartners, also zum Beispiel die Oberfläche des wellenkörperseitigen Verbindungselementes 54, für die eine Anhaftung der Füllmasse 74 nicht gewünscht ist, zu deaktivieren, zum Beispiel mittels Auftragen eines Trennmittels oder eines Trennwachses und/oder der Verwendung von Öl oder Fett in diesen Oberflächenbereichen.
Vorangehend wurde die Herstellung des gabelseitigen Verbindungselementes 72 und des wellenkörperseitigen Verbindungselementes 54 an einem jeweiligen Gelenkwellenbauteil beispielhaft beschrieben, welches selbst aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial besteht. Ohne weiteres ergibt sich, dass die als Faser-Kunststoff-Pressbauteile hergestellten Verbindungselemente auf vergleichbare Art und Weise auch an Gelenkbauteilen aus anderen Werkstoffen gebildet werden können, die zum Beispiel aus Metall bestehen. So kann vorgesehen sein, das wellenkörperseitige Verbindungselement auf einem rohrförmigen Metallwellenkörper herzustellen.
Die Gelenkwelle kann mit anderen oben beschriebenen Gelenkwellen-Technologien kombiniert werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, die Gelenkwelle im gegenüberliegenden Endbereich einstückig auszuführen, wie dies oben zum Beispiel unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 erläutert wurde.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3007896 A1 [0005]
DE 102009026013 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Gelenkwelle (2), insbesondere Kardangelenkwelle, aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial, bei dem ein rohrförmiger Gelenkwellenkörper (4) und eine an dem Gelenkwellenkörper (4) endseitig angeordnete Gelenkgabel (5), die mit einer Aufnahmevorrichtung (8, 9) für ein Gelenkelement (10) gebildet wird, mittels Faserwickelverfahren einstückig hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass endseitig, zumindest im Bereich der Gelenkgabel (5) eine Materialaufdickung (6) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausbilden der Materialaufdickung (6) Fasern in Umfangsrichtung und/oder textile Halbzeuge lokal eingelegt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faser-Kunststoff-Verbundmaterial nach dem Aushärten mittels spanender Bearbeitung nachbearbeitet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gelenkgabel (5) die Aufnahmevorrichtung für das Gelenkelement (10) mit einander gegenüberliegenden Bolzenaugen (8, 9) hergestellt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der endseitig angeordneten Gelenkgabel (5) Ausnehmungen (13, 14) zum Eingreifen einer der Gelenkgabel (5) zugeordneten Gelenkgabel (11) gebildet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die endseitig angeordnete Gelenkgabel (5) umlaufend geschlossen gebildet wird.
Gelenkwelle (2), insbesondere Kardangelenkwelle, aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial, mit einem rohrförmigen Gelenkwellenkörper (4) und einer an dem Gelenkwellenkörper (4) endseitig angeordneten Gelenkgabel (5), mittels der ein gelenkwellenkörperseitiges Gelenkelement mit einer Aufnahmevorrichtung (8, 9) für ein Gelenkelement (10) gebildet ist, wobei der rohrförmige Gelenkwellenkörper (4) und die Gelenkgabel (5) als einstückiges, fasergewickeltes Bauteil ausgeführt sind.
Gelenkwellenanordnung (1), mit – einer Gelenkwelle (2), die einen rohrförmigen Gelenkwellenkörper (4) und eine an dem Gelenkwellenkörper (4) endseitig angeordnete Gelenkgabel (5) aufweist, und – einem Gelenk (3), welches unter Beteiligung der Gelenkgabel (5) gebildet ist, derart, dass eine der an dem rohrförmigen Gelenkwellenkörper (2) endseitig angeordneten Gelenkgabel (5) zugeordnete Gelenkgabel (11) über ein Gelenkelement (10) an eine Aufnahmevorrichtung (8, 9) gelenkig koppelt, die an der Gelenkgabel (5) gebildet ist, wobei der rohrförmige Gelenkwellenkörper (4) und die Gelenkgabel (5) als einstückiges, fasergewickeltes Bauteil ausgeführt sind.
Gelenkwellenanordnung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordnete Gelenkgabel (11) als eine flanschseitige Gelenkgabel ausgeführt ist, die einstückig an einem Anschlussflansch (12) gebildet ist.
Gelenkwellenanordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussflansch (12) mit der flanschseitigen Gelenkgabel aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial ist.
Gelenkwellenanordnung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussflansch (12) mit der flanschseitigen Gelenkgabel als einstückiger, fasergewickelter Anschlussflansch ausgeführt ist.
Gelenkwellenanordnung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussflansch (12) mit der flanschseitigen Gelenkgabel (11) als einstückiges Pressformbauteil (20) ausgeführt ist.