DE102012211840A1

DE102012211840A1 - Faserverstärkte Antriebswelle und Ösenwickelverfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102012211840A1
Application number: DE102012211840.3A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Wethje
Original assignee: Wethje Beteiligungs GmbH
Current assignee: Wethje Beteiligungs GmbH
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-01-09
Also published as: WO2014006134A1

Abstract

Die Erfindung offenbart eine faserverstärkte Antriebswelle, vorzugsweise eine Kardanwelle, wobei die Fasern Kohlenstoff, Aramid, Basalt, Glas-, und/oder Naturmaterial aufweisen und ein Lastverteilungskopf fest mit der Antriebswelle verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Ösenwickelverfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Antriebswelle mit den Schritten: Bereitstellen einer Wickelvorrichtung mit 2 Wickelenden, die jeweils mindestens 2, bevorzugt mindestens 3 Ösen aufweisen; Bereitstellen eines Stützkerns im Wesentlichen zwischen den Wickelenden; Bereitstellen mindestens einer Faser; Aufbringen der Faser auf den Stützkern in einer ersten Winkelausrichtung; Umlenken der Faser an einer Öse an einer der Wickelenden; Aufbringen der Faser auf bzw. um den Stützkern in einer zweiten Winkelausrichtung, die von der ersten unterschiedlich sein kann; Umlenken der Faser an einer Öse am anderen Wickelende; Aufbringen der Faser auf den Stützkern in einer dritten Winkelausrichtung, die sich von den vorgenannten unterscheiden kann; und beliebige Wiederholung einiger der Schritte, wobei die Winkelausrichtungen in jedem Schritt beliebig gewählt werden kann und wobei hierdurch die Antriebswelle entsteht. Ferner betrifft die Erfindung auch eine entsprechende Welle und einen entsprechenden Lastverteilungskopf, eine Ösenwickelvorrichtung zur Herstellung einer entsprechenden Antriebswelle bzw. zur Durchführung eines entsprechenden Ösenwickelverfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft eine faserverstärkte Antriebwelle, die fest mit einem Lastverteilungskopf verbunden ist und ein Ösenwickelverfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Antriebswelle.
Stand der Technik
Antriebswellen werden im Stand der Technik eingesetzt, um Kräfte bzw. Drehmomente zu übertragen. Diese können in der Fahrzeugtechnik eingesetzt werden, um Kräfte bzw. Drehmomente, bspw. zwischen einem Getriebe und einem angetriebenen Rad, zu übertragen. Im Allgemeinen sind solche Wellen als Hohlwellen ausgebildet. Gerade im Bereich der Fahrzeugtechnik kommt es vor, dass eine Rotation um eine erste Achse in eine Rotation um eine andere Achse übertragen werden muss. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Motor eine Rotation um eine erste Achse bewirkt, die angetriebenen Räder aber um eine andere Achse rotieren sollen. Oft ist es bei Kraftfahrzeugen auch der Fall, dass der Motor eine Rotation um eine erste Achse bewirkt, diese Rotation auf eine zweite Achse übertragen wird, die dann ihrerseits eine Rotation um eine dritte Achse parallel zu den angetriebenen Rädern bewirkt. In den geschilderten Fällen muss eine Kraft bzw. ein Drehmoment mindestens einmal von einer Rotationsrichtung in eine andere Rotationsrichtung umgelenkt werden. Hierfür werden zwischen den Wellen Gelenke verwendet, die oft als Kreuz- bzw. Kardangelenke ausgebildet sind. Eine Antriebswelle, die über mindestens ein solches Gelenk mit einer anderen Welle bzw. Achse verbunden wird, bezeichnet man auch als Kardanwelle.
Derartige Kardanwellen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, werden standardgemäß aus Stahl gefertigt. Allgemein ist eine hohe Biegesteifigkeit bei geringem Gewicht gewünscht. Ein geringes Gewicht ist insbesondere für Kraftfahrzeuge, die im Motorensport eingesetzt werden, wünschenswert. Ebenso ist dies wünschenswert für solche Wagen, die allgemein als „Sportwagen” beworben werden. Gerade bei solchen Kraftfahrzeugen ist ein möglichst niedriges Gesamtgewicht gewünscht. So ist auch eine Gewichtsreduktion der Kardanwelle durch Verwendung anderer Materialien als Stahl vorgeschlagen worden, wobei insbesondere die Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) vorgeschlagen wurde.
So offenbart die DE 3 718 399 A1 ein torsionsbeanspruchtes Bauteil mit Faserschichten zwischen denen ein gegenüber den Faserschichten weiches Material angeordnet ist. Die Fasern können beispielsweise als Kohlefasern ausgebildet sein.
Die EP 2 184 439 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Triebwerkswelle, die aus einem Faserverbundmaterial besteht und an den Enden mit metallischen Abtriebs- bzw. Antriebszapfen verbunden ist. Das Faserverbundmaterial aus der EP 2 184 439 A2 kann Kohlenstofffasern umfassen.
Die Offenbarungen des Standes der Technik sind jedoch mit einer Vielzahl von Problemen versehen. So wird durch die Einbindung von Antriebszapfen wie in der EP 2 184 439 A2 zum Beispiel keine adäquate Lastverteilung erreicht. Vielmehr sind die Verbindungen zwischen Verbundmaterial und metallischen Zapfen großen Torsionskräften ausgesetzt, die im Allgemeinen zu einer großen Materialermüdung und schließlich zum Versagen der Welle führen können. Dies ist in hohem Maße unerwünscht, ohne, dass der Stand der Technik Lösungen für diese Probleme anbietet. Weiterhin ist die Verwendung von metallischen Elementen per se unerwünscht, da einerseits die Verbindung zwischen metallischen Elementen und Faserverbundmaterialien nicht optimal ist. Andererseits sind metallische Elemente aber auch schwerer als andere Materialien, was der gewünschten Gewichtsreduktion entgegensteht.
Weiterhin widmen sich die Offenbarungen des Standes der Technik nicht den Problematiken, die allgemein bei der Verwendung von Fasermaterialien, vor allem Kohlenstofffasermaterialien auftreten. So handelt es sich bei Kohlefaser um ein extrem sprödes Material. Hierdurch ist es sehr anfällig für Stöße, die nicht parallel zur Faserrichtung verlaufen. Diese können bei einem Kraftfahrzeug beispielsweise im Falle eines Unfalls auftreten. Kleinere Stöße, die zu Materialermüdung führen können, können bereits durch kleine Steinchen und andere Partikel hervorgerufen werden. Neben der Gefahr von Stößen, die von solchen Partikeln ausgelöst werden, die die Welle von außen treffen, stellen aber auch Partikel, die in den Hohlraum der Hohlwelle gelangen, ein Problem dar. Allgemein kann es sowohl im Falle eines Unfalls als auch bei der normalen Benutzung eines Fahrzeugs zu Abnutzungs- und Versagenserscheinungen kommen. Diese werden im Stand der Technik nicht kontrolliert, was verheerende Folgen haben kann.
Ein weiteres Problem bei Antriebswellen im Allgemeinen und bei faserverstärkten Antriebswellen im Speziellen ist das Auftreten von Schwingungen. Beispielsweise bei Kraftfahrzeugen ist die Antriebswelle viele Dezimeter lang, wodurch leicht Resonanzschwingungen auftreten können. Dies ist für die Funktionalität der Antriebswellen unerwünscht.
Ebenso wenig offenbaren die Dokumente des Standes der Technik ein Verfahren, das geeignet ist, eine geeignete faserverstärkte Antriebswelle in einem ökonomischen Prozess herzustellen. Insbesondere wird nicht offenbart, wie ein solches Herstellungsverfahren ausgestaltet sein soll, um eine gewünschte beliebige Faserorientierung in der faserverstärkten Antriebswelle zu erzielen. Insbesondere ist nicht offenbart, wie dies für kleine Faserorientierungen nahe 0° mit der Wellenachse als Bezugsachse realisiert werden kann.
Ebenso ist nicht offenbart, wie andere Elemente außer den metallischen Zapfen der EP 2 184 439 A2 mit einer Welle verbunden werden können.
Auf Grund der diskutierten Probleme und Nachteile des Standes der Technik wurden die beschriebenen Wellen mit Kohlenstofffasern bisher noch nicht realisiert. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Probleme, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, zu lösen oder deren Auswirkungen zumindest zu verringern. In anderen Worten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte faserverstärkte Antriebswelle bereitzustellen. Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer solchen Antriebswelle bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgaben werden durch die erfindungsgemäße Antriebswelle und das erfindungsgemäße Verfahren der unabhängigen Ansprüche gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen diskutiert.
Erfindungsgemäß wird eine faserverstärkte Antriebswelle bereitgestellt, wobei die Fasern Kohlenstoff, Basalt, Glas-, und/oder Naturmaterial aufweisen und mindestens ein Lastverteilungskopf fest mit der Antriebswelle verbunden ist. Im Hinblick auf Naturmaterialien ist Hanf ein besonders bevorzugtes Material. Unter einer Antriebswelle wird im Sinne der Erfindung ein Schaft verstanden, der ein Drehmoment übertragen kann. Typischer Weise wird eine solche Welle in Kraftfahrzeugen verwendet und ist vorzugsweise in der Form eines Zylinders ausgebildet. Die Welle muss aber nicht notwendigerweise als gleichmäßiger Zylinder ausgebildet sein. So ist es zum Beispiel möglich, dass der Zylinder verschiedene Radien an verschiedenen Stellen aufweist. Der Übergang von einem Radius zu einem anderen kann sowohl stufenweise als auch gleichmäßig erfolgen. In diesem Fall kann die Welle zumindest streckenweise auch als Konus bzw. Kegel ausgebildet sein. Weiterhin ist die Welle nicht auf perfekt kreisförmige Querschnitt beschränkt, sondern soll auch Abweichungen von perfekt runden bzw. kreisförmigen Querschnitten umfassen. Die erfindungsgemäße Antriebswelle ist vorzugsweise als Hohlwelle ausgebildet. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass sie im Innern mit einem anderen Material ausgefüllt ist. Vorzugsweise ist die Antriebswelle als eine Kardanwelle realisiert. Eine Kardanwelle wird als eine Antriebswelle mit mindestens einem Kreuz- bzw. Kardangelenk verstanden. Eine Faser ist im Allgemeinen ein Gebilde, welches eine Dimension (Länge) aufweist, die deutlich länger sind als die beiden anderen Dimensionen (Breite und Dicke bzw. Querschnitt). Unter einem Lastverteilungskopf im Sinne der Erfindung wird insbesondere ein Element verstanden, welches, insbesondere im Zusammenwirken mit Elementen bzw. Bereichen einer Welle, geeignet ist, das Drehmoment der Welle auf ein anderes Element zu übertragen und das an der Antriebswelle anliegende Drehmoment umfangsseitig zu verteilen. In anderen Worten ist ein Lastverteilungskopf vorzugsweise dazu ausgelegt, ein Drehmoment von wenigen Zapfen bzw. Lastarmen auf einen Gesamtumfang der Welle zu übertragen. Wenn zum Beispiel 3 Lastarme mit einer Umfangswinkelausdehnung von jeweils 20° vorgesehen sind, so liegt das Drehmoment an dem Ende des Lastverteilungskopf, an dem die Lastarme angeordnet sind, an 3 × 20° = 60° des Umfangswinkels an. Der Lastarm überträgt dieses Drehmoment auf die gesamte Umfangsseite, also auf 360°. Ebenso ist es auch möglich, dass der Lastverteilungskopf ein Drehmoment von dem Gesamtumfang (360°) auf die Lastverteilungsarme verteilt. Vorzugsweise ist es auch möglich, dass eine Gesamtlast bzw. eine Lastspitze von einem Lastarm auf einen Gesamtumfang der Welle übertragen werden kann. Es ist auch möglich, dass die Antriebswelle mehr als einen Lastverteilungskopf, vorzugsweise zwei Lastverteilungsköpfe, aufweist. Diese können an unterschiedlichen Längsenden der Antriebswelle angeordnet sein.
Vorzugsweise weisen die Lastverteilungsarme in einer Draufsicht senkrecht zur Wellenachse eine konische Struktur auf. In anderen Worten verjüngen sich die Lastverteilungsarme mit zunehmendem Abstand von der Wellenmitte hin zu einem Längsende.
Durch die feste Verbindung des Lastverteilungskopfes mit der Antriebswelle ist diese im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Wellen abnutzungsresistenter, weniger fehleranfällig und langlebiger. Diese Vorteile ergeben sich vorzugsweise und beispielsweise daraus, dass zwei gleiche bzw. ähnliche Werkstoffe miteinander in Verbindung stehen und/oder daraus, dass Welle und Lastverteilungskopf in einem Schuß gefertigt bzw. verbunden werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die erfindungsgemäße Welle in einem einfachen und günstigen Verfahren gefertigt werden kann.
Es ist bevorzugt, dass die Fasern kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) aufweisen. Besonders bevorzugt ist, dass sie im Wesentlichen aus CFK besteht. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Fasern mindestens einen thermoplastischen bzw. thermoplastisch gebundenen Werkstoff aufweisen. Beispiele für solche thermoplastisch gebundene Fasern sind unter anderem Fasern aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC) und Zelluloid. Weiterhin oder zusätzlich können auch duroplastische Werkstoff, insbesondere Epoxid-, Polyester-, Vinylester-, Phenol und Polyimidharze verwendet werden. Durch eine geeignete Materialauswahl lassen sich Eigenschaften (z. B. Härte, Elastizität, Schwingungsverhalten, Gewicht) der Antriebswelle positiv beeinflussen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Fasern verschiedene Winkelausrichtungen aufweisen.
Im Sinne dieser Erfindung werden Winkel, soweit nicht explizit anders erwähnt, immer hinsichtlich einer Längsachse der Antriebswelle gemessen. Eine Faser mit einem Winkel von 0° ist daher eine Faser, die parallel zur Längsachse der Antriebswelle verläuft und eine Faser mit einem Winkel von 90° verläuft senkrecht zur Längsachse, d. h. im Allgemeinen in Umfangsrichtung der Welle. Bei allen angegebenen Werten für Winkel handelt es sich um Angaben des Absolut-Wertes. So soll zum Beispiel ein Winkel von 90° sowohl eine Faser beschreiben, die eine Rechtswicklung in Umfangsrichtung beschreibt als auch eine Faser, die eine Linkswicklung in Umfangsrichtung beschreibet. Ebenso soll eine Winkelausrichtung von 0° eine Ausrichtung parallel zu der Längsachse beschreiben, unabhängig von der Richtung der Faser. Analog gilt dies auch für alle Werte zwichen 0° und 90°. Vorzugsweise weist zumindest ein Teil der Fasern Winkelausrichtungen zwischen 0° und 90° auf, bevorzugt zwischen 0° und 15°, besonders bevorzugt zwischen 0,5° und 9° und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,5° und 5° auf. Einerseits kann dies fertigungstechnische Vorteile mit sich bringen. Eine solche Welle kann beispielsweise auch in dem unten beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Weiter kann es vorteilhaft sein, eine möglichst große Variation bzw. Breite an Faserausrichtungen zwischen 0° und 90° vorzusehen. Die geringen Faserwinkel erlauben insbesondere das Ausbilden bspw. der Lastverteilungsarme an der Welle sowie deren einteiligen Übergang in den Wellenkörper.
Es ist außerdem bevorzugt, dass der Lastverteilungskopf CFK aufweist. Besonders bevorzugt besteht der Lastverteilungskopf sogar im Wesentlichen aus CFK. Dies kann zur Folge haben, dass der Lastverteilungskopf einerseits ein geringes Gewicht bei guten Härte und Steifigkeitseigenschaften hat. Andererseits kann ein solcher Lastverteilungskopf einfach mit der Antriebswelle verbunden werden. Diese Verbindung kann verschiedene Ausgestaltungen annehmen. So ist es bevorzugt, dass der Lastverteilungskopf mit der Antriebswelle verklebt ist. Weiterhin kann der Lastverteilungskopf aber auch ein integraler Bestandteil der Antriebswelle sein und ist besonders bevorzugt integral damit verwickelt bzw. verflochten. Die Verbindung kann auch einstückig sein. All dies kann eine feste Verbindung zwischen der Welle und anderen Elementen ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Antriebswelle einen Versagensbereich am Lastverteilungskopf bzw. in einer Umgebung des Lastverteilungskopfes auf. Bevorzugt ist dieser Versagensbereich an einer Verbindungsstelle zwischen der Antriebswelle und dem Lastverteilungskopf ausgebildet. Vorzugsweise ist der Versagensbereich als eine Sollbruchstelle ausgebildet und weiter ist es bevorzugt, dass der Versagensbereich durch eine geeignete Geometrie, beispielsweise durch einen kantigen Lastverteilungskopf oder durch einen verjüngten Bereich bzw. einen Bereich mit reduzierter Wandstärke ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Versagensbereich durch eine geeignete Anordnung, oder Winkelausrichtung der Faserwicklungen ausgebildet sein. Der Versagensbereich am Lastverteilungskopf bzw. in der Nähe davon kann zum Beispiel dazu führen, dass die Antriebswelle im Falle eines Unfalls an einer definierten Stelle versagt, zum Beispiel bricht. Dadurch kann vorzugsweise der Schadensfall kontrolliert werden. So kann hierdurch zum Beispiel verhindert werden, dass Teile, zum Beispiel Splitter, die bei einem Bruch an einer nicht definierten Stelle, in ungeeignete Bereiche gelangen und hierdurch bspw. die Funktionalität des Kraftfahrzeugs beeinträchtigen oder Personen verletzen bzw. andere Fahrzeuge beschädigen. Neben Kraftfahrzeugen kann die erfindungsgemäße Antriebswelle auch in Schiffen, Hubschraubern und anderen Geräten eingesetzt werden, in denen eine Übertragung eines Drehmoments wünschenswert ist. Weiter können diese Bruchteile, weil sie an einem definierten Ort anfallen, abgeschirmt werden und hierdurch können Verletzungen von Insassen und anderen Personen und Tieren verhindert werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Lastverteilungskopf, vorzugsweise dessen Basisbereich, bzw. die Welle im Aufnahmebereich für den Lastverteilungskopfes eine im Wesentlichen konische Struktur aufweist. In anderen Worten ist ein Außendurchmesser der Welle in einem Endbereich bzw. in einem den Lastverteilungskopf aufzunehmenden oder diesen aufweisenden Bereich vorzugsweise größer sein als ein Außendurchmesser der Welle in einem anderen, beispielsweise mittleren, Bereich.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass der Lastverteilungskopf drei oder mehr Lastarme aufweist, die sich vorzugsweise von einem Basisbereich des Lastverteilungskopfes erstrecken. Weitere bevorzugte Anzahlen von Lastarmen sind vier, fünf und sechs, oder mehr, ohne darauf beschränkt zu sein. Die, vorzugsweise hohle, Antriebswelle weist zwei Enden auf. Eines der Enden ist vorzugsweise zur Aufnahme des Lastverteilungskopfes ausgebildet. Der entsprechende Lastverteilungskopfaufnahmebereich weist vorzugsweise eine dem Lastverteilungskopf komplementäre Form, insbesondere an der Innenseite der Welle, auf. Besonders bevorzugt weist auch die Antriebswelle Stege bzw. Arme auf, die den Lastverteilungsarmen des Lastverteilungskopfes entsprechen., insbesondere hinsichtlich ihrer Form. In Kombination, also bei in der Welle aufgenommenem Lastverteilungskopf, stehen die Arme der Antriebswelle vorzugsweise mit den Lastverteilungsarmen des Lastverteilungskopfes in Verbindung. Vorzugsweise stehen sie im Wesentlichen über ihre gesamte Länge mit den Lastverteilungsarmen des Lastverteilungskopfes in Kontakt. Durch die Verbindung der Stege mit den Lastverteilungsarmen des Lastverteilungskopfes werden neue Strukturen geschaffen, die im Folgenden als Wellenlastverteilungsarme bezeichnet werden. Im Allgemeinen sind die Wellenlastverteilungsarme derart dimensioniert, dass sie eine anliegende Last geeignet verteilen können. Grundsätzlich können insbesondere kleine Längen der Wellenlastverteilungsarme vorteilhaft sein. Wie bereits angesprochen, weist die Antriebswelle vorzugsweise einen Lastverteilungskopfaufnahmebereich auf, der einen Abschnitt zur Aufnahme der Lastverteilungskopfbasis und einen Bereich zur Aufnahme der Lastverteilungsarme umfasst.
Lastverteilungskopfbasis und der korrespondierende Lastverteilungskopfbasisaufnahmebereich der Welle sind vorzugsweise im Wesentlichen rund ausgebildet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen diese Bereiche unrunde, bspw. im Wesentlichen polygonale, insbesondere dreiecksförmige oder ovale, Querschnitte auf. Dies unterstützt einen Formschluss so dass der Lastverteilungskopf nicht in der Welle rotieren kann, was vorzugsweise die Lastübertragung unterstützt.
Im Allgemeinen soll eine Querschnittsfläche durch einen Wellenlastverteilungsarm in etwa gleich einer entsprechnenden Querschnittsfläche durch einen anderen Wellenlastverteilungsarm sein. Als eine Gesamtquerschnittsfläche der Wellenlastverteilungsarme wird insbesondere die Summe der Querschnittsflächen aller Wellenlastverteilungsarme entlang einer Schnittebene verstanden. Als Wellenquerschnittsfläche wird insbesondere eine Querschnittsfläche des massiven Bereichs einer Welle entlang einer Schnittebene verstanden. Vorzugsweise ist eine Gesamtquerschnittsfläche der Wellenlastverteilungsarme größer, besonders bevorzugt mindestens um 50% größer, ganz besonders bevorzugt um mindestens 100% größer als eine Wellenquerschnittsfläche. Insbesondere ist es bevorzugt, dass eine Gesamtquerschnittsfläche der Wellenlastverteilungsarme in etwa doppelt so groß ist wie eine Wellenquerschnittsfläche. Dies gilt bevorzugt für den Fall, dass eine Querschnittsfläche der Lastvereilungsarme in etwa gleich groß einer entsprechenden Querschnittsfläche der Arme der Welle ist.
Durch Lastarme kann die Kraft bzw. das Drehmoment in besonders geeigneter Weise auf ein nächstes Element übertragen werden. Weiterhin ist es besonders bevorzugt, dass der Lastverteilungskopf einen integrierten Zentrierzapfen aufweist, der vorzugsweise in der Lastverteilungskopfbasis vorgesehen ist. Dies kann zum Beispiel eine vereinfachte Zentrierung des Lastverteilungskopfes bzw. der Antriebswelle ermöglichen.
Vorzugsweise weist die Antriebswelle in einer Umgebung eines Lastverteilungskopfes Fasern mit Winkelausrichtungen von 60° bis 90°, bevorzugt 70° bis 90°, besonders bevorzugt 80° bis 90° und ganz besonders bevorzugt 85° bis 89,5° auf. In der Umgebung eines Lastverteilungskopfes kann eine große Beanspruchung der Antriebswelle in Rotations- bzw. in Umfangsrichtung entstehen. Daher kann gerade in diesem Bereich eine Faserrichtung, die eine große Komponente in Umfangs- bzw. Rotationsrichtung hat, also nahe 90° liegt, besonders bevorzugt sein. Dem wird durch oben stehendes Merkmal Rechnung getragen. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass die Antriebswelle in einer Umgebung eines Lastverteilungskopfes eine Querschnittsvergrößerung durch eine Häufung von Fasern aufweist. Hierdurch kann die Antriebswelle in Bereichen, die einer besonders großen Rotations- bzw. Torsionsbeanspruchung augesetzt sind, verstärkt werden, was sich positiv auf die mechanische Widerstandsfähigkeit und die Lebensdauer der Antriebswelle auswirken kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Antriebswelle weitere Materialien auf. So kann es bevorzugt sein, dass die Antriebswelle mindestens ein Material zur Schwingungsdämpfung aufweist. Es ist möglich, dass dieses Material im Wesentlichen über die ganze longitudinale Ausdehnung der Welle angebracht ist. Longitudinal bedeutet in diesem Zusammenhang parallel zur Längsachse. Ebenso ist es besonders bevorzugt, dass das Material im Wesentlichen über 360° des Umfangs angeordnet ist. Ebenso kann es aber auch bevorzugt sein, das Material zur Schwingungsdämpfung nicht über die gesamte longitudinale Ausdehnung und/oder nicht über die vollen 360° des Umfangs anzuordnen. Das Material zur Schwindungsdämpfung kann vorzugsweise ein Gummimaterial und/oder ein Kunststoffmaterial sein. Das Kunststoffmaterial, das als Material zur Schwingungsdämpfung verwendet wird, kann vorteilhafter Weise Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Polyurethan, Polyethylen, Polyolefine, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylchlorid und/oder Polytetrafluorethen aufweisen. Es ist weiter bevorzugt, dass das Material zur Schwingungsdämpfung einen Schaumstoff und/oder ein wabenartig ausgebildetes Material aufweist. Bevorzugt ist das Material zur Schwingungsdämpfung zwischen einer inneren und einer äußeren Faserschicht angeordnet ist. In anderen Worten ist die Antriebswelle also vorzugsweise aus mehreren Schichten geformt – einer oder mehreren Faserschichten und mindestens einer Schicht zur Schwingungsdämpfung. Das Material zur Schwingungsdämpfung kann allgemein dazu geeignet sein, mögliche Schwingungen der Antriebswelle zu dämpfen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Antriebswelle ein Schutzmaterial aufweist. Dieses kann zum Beispiel ein Gummimaterial und/oder ein Kunststoffmaterial aufweisen. Es ist möglich, dass dieses Schutzmaterial im Wesentlichen über die ganze longitudinale Ausdehnung der Welle angebracht ist. Longitudinal bedeutet in diesem Zusammenhang parallel zur Längsachse. Ebenso ist es besonders bevorzugt, dass das Schutzmaterial im Wesentlichen über 360° des Umfangs angeordnet ist. Ebenso kann es aber auch bevorzugt sein, das Schutzmaterial nicht über die gesamte longitudinale Ausdehnung und/oder nicht über die vollen 360° des Umfangs anzuordnen. Das Kunststoffmaterial, das als Schutzmaterial verwendet wird, kann vorteilhafter Weise Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Polyurethan, Polyethylen, Polyolefine, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylchlorid und/oder Polytetrafluorethen aufweisen. Vorzugsweise ist das Schutzmaterial innen oder außen an der Antriebswelle angeordnet. Außen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass es in Umfangsrichtung über der äußersten Faserschicht angebracht ist. Innen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass es die die Antriebswelle, die im Allgemeinen hohl ist, zum Hohlraum hin begrenzt. Das Vorsehen einer solchen Schutzschicht kann vorteilhaft sein, um die Welle vor Schlägen, zum Beispiel durch Steine bzw. Steinchen, zu schützen. Dies kann dann besonders vorteilhaft sein, wenn die Antriebswelle stoßempfindliche Materialien, zum Beispiel CFK, aufweist. Dies kann die Langlebigkeit der Antriebswelle erhöhen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Schutzmaterial gleichzeitig das Material zur Schwingungsdämpfung.
Weiterhin weist die Antriebswelle vorzugsweise eine Hardyscheibe bzw. Gelenkscheibe auf. Die Hardys- bzw. Gelenkscheibe ist vorzugsweise aus Gummi oder einem anderen elastischen Material gefertigte und weist, bspw. einvulkanisierte, Buchsen, vorzugsweise aus Metall, auf. Durch eine solche Scheibe können bspw. leichte Achs-Versetzungen zwischen zwei Wellen, ausgeglichen und gleichzeitig Drehmoment-Stöße gedämpft werden. Die Hardy- bzw. Gelenkscheibe ist vorzugsweise fest mit der Antriebswelle verbunden. Diese Verbindung kann besonders bevorzugt integral bzw. einstückig sein. Durch eine solche Verbindung wird die Komponentenzahl weiter verringert, was eine zusätzliche Gewichtsreduktion zur Folge haben kann. Weiterhin kann eine solche Verbindung den Vorteil haben, dass hierdurch eine Kraft bzw. ein Drehmoment geeignet übertragen werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Antriebswelle mindestens ein Längsende auf mit 2, bevorzugt 3, besonders bevorzugt 4, beispielsweise 6 oder mehr Fortsätzen zum Längenausgleich auf. Diese können zum Beispiel ausgelegt sein, um mit einem weiteren Element, zum Beispiel einer weiteren Welle oder einem Getriebegehäuse, bspw. an der Hinterachse eines KFZ, gleitend verbunden zu werden. Gleichzeitig ist es besonders bevorzugt, dass diese Fortsätze ausgelegt sind, in einem Bauteil eines solchen weiteren Elements gleiten zu können. Hierdurch können kleine Längen- bzw. Positionsänderungen ausgeglichen werden, was die Lebensdauer einer Antriebswelle weiter erhöhen kann. Weiter stellt dies eine kostengünstige, ^mit wenig Aufwand verbundene und wenig Teile benötigende Möglichkeit dar, derartige Positionsänderungen auszugleichen. Solch ein Längenausgleich kann zum Beispiel durch thermische Ausdehnung oder auf Grund von Ausdehnung durch Kräften beim Fahren erforderlich werden. Vorteilhafter Weise sind die Fortsätze zum Längenausgleich beschichtet, wobei die Beschichtung der Fortsätze bzw. Beinchen besonders bevorzugt Teflon, galvanische Beschichtungen und/oder Metallhülsen aufweist. Diese Fortsätze sind an dem Lastverteilungskopfaufnahmebereich gegenüberliegenden Ende der Welle angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Ösenwickelverfahren, sowie eine entsprechende Ösenwickelvorrichtung, zur Herstellung einer faserverstärkten Antriebswelle mit den Schritten: a. Bereitstellen einer Wickelvorrichtung mit 2 Wickelenden, die jeweils mindestens 2, bevorzugt mindestens 3 Ösen aufweisen; b. Bereitstellen eines Stützkerns im Wesentlichen zwischen den Wickelenden; c. Bereitstellen mindestens einer Faser; d. Aufbringen der Faser auf den Stützkern in einer ersten Winkelausrichtung; e. Umlenken der Faser an einer Öse an einer der Wickelenden; f. Aufbringen der Faser auf bzw. um den Stützkern in einer zweiten Winkelausrichtung, die von der ersten unterschiedlich sein kann; g. Umlenken der Faser an einer Öse am anderen Wickelende; h. Aufbringen der Faser auf den Stützkern in einer dritten Winkelausrichtung, die sich von den vorgenannten unterscheiden kann; und i. beliebige Wiederholung der Schritte c.–h., wobei die Winkelausrichtungen in jedem Schritt beliebig gewählt werden kann und wobei hierdurch die Antriebswelle entsteht. Dem Fachmann wird klar sein, dass in jedem der Schritte i, die hier auch die erste Wiederholung miteinschließen soll, die Schritte e, f, g und h fakultativ sein können. In anderen Worten ist es nicht erforderlich, dass jede Faser mehrfach die Ösen passiert und umgelenkt wird. Es ist allerdings besonders bevorzugt, dass dies mit mindestens einem Teil und ganz besonders bevorzugt mit einem Großteil bzw. im Wesentlichen allen Fasern geschieht. Weiterhin kann es in einigen Ausführungsformen bevorzugt sein, dass gewisse Wicklungen bewusst so ausgeführt werden, dass sie nicht die gesamte Längsausdehnung der entstehenden Antriebswelle ausfüllen. Dies kann zum Beispiel dann besonders bevorzugt sein, wenn der Querschnitt der entstehenden Antriebswelle an bestimmten Abschnitten, ganz besonders bevorzugt an Längsenden bzw. in einer Umgebung eines Lastverteilungskopfes größer werden soll als an anderen Abschnitten.
Durch die Verwendung von Ösen, die vorzugsweise einen geringeren Durchmesser und Raumbedarf als Vorrichtungen aus dem Stand der Technik haben können, ist es insbesondere möglich, Winkelausrichtungen nahe 0°, d. h. annährend parallel zur Längsachse der Welle zu erzeugen. Das Schaffen von Faserverläufen mit geringer Winkelausrichtung, von beispielsweise gegen 0°, ist besonders vorteilhaft zum Ausbilden der Arme der Welle und/oder Fortsätze zum Längenausgleich. Die Faserübergänge von diesen Armen und/oder Fortsätzen zum Wellenkörper und/oder zu einem benachbarten Arm oder Fortsatz, wird vorzugsweise durch ein entsprechendes Umleiten der Fasern durch eine am Wickelkern vorgesehenen Faserleitstruktur unterstützt. Der Kern ist dabei vorzugsweise zweiteilig bzw. kann seitlich aus der fertigen Welle gezogen werden.
Das Wickeln erfolgt vorzugsweise durch einen Schlitten oder einen Roboterarm, der die Fasern entlang eines Kerns und durch die Ösen führt. Der Faserwinkel kann durch Einstellen der Bewegung und Geschwindigkeit in Längsrichtung der Welle im Verhältnis zur Bewegung entlang des Wellenumfangs eingestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform verbleibt der Stützkern als verlorener Kern in der Antriebswelle. In einer solchen Ausführungsform wird ein verlorener Kern bereitgestellt, der bevorzugt günstige und relativ leichte Kunststoffe aufweist. Alternativ beinhaltet das Ösenwickelverfahren in einer anderen bevorzugten Ausführungsform auch den Schritt des Entfernens des Stützkerns aus der Antriebswelle. Vorzugsweise weist der Stützkern Wachs, Gips, Sand, Salze und/oder besonders bevorzugt niedrigschmelzende Metalllegierungen (z. B. Metalllegierungen mit Zn und/oder Bi) auf. Das Entfernen des Stützkerns kann gemäß bevorzugter Ausführungsformen durch Anlegen einer Temperatur, Anwendung von Flüssigkeiten und/oder Anlegen eines Druck, insbesondere eines Unterdrucks (mit Bezug auf den umgebenden Druck) erfolgen.
Vorzugsweise ist mindestens eine der Fasern, besonders bevorzugt im Wesentlichen alle Fasern mit einem Harz vorimprägniert. Vorzugsweise ist das Harz ein Kunstharz. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Ösenwickelverfahren den Schritt Aufbringen eines Harzes auf. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, dass die Fasern nicht vorimprägniert sind. Anders ausgedrückt können diese Fasern „trocken” gewickelt bzw. geflochten werden und das Harz wird in einem gesonderten Schritt beigefügt. Es ist also möglich, das Ösenwickelverfahren als ein Resin Transfer Molding Verfahren durchzuführen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Harz um ein Kunstharz.
Weiter ist es bevorzugt, dass das Ösenwickewerfahren auch die Schritte Bereitstellung einer Vorrichtung zur Härtung der Antriebswelle und Härtung der Antriebswelle aufweist. Die Vorrichtung zur Härtung der Antriebswelle, bspw. ein Autoklav, kann besonders bevorzugt eine Heißluftversorgung, einen Microwellenofen, eine Induktionsheizung, eine Wasserdampfheizung, eine elektrische Heizung und/oder eine andere Heizung aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Ösenwickelverfahren zusätzlich den Schritt Abschneiden bzw. Absägen eines Bereichs der Antriebswelle in einer Umgebung mindestens einer der Wickelendflächen auf.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass mindestens eine Öse federnd an einem Wickelende gelagert ist. Besonders bevorzugt ist es, alle Ösen federnd an einem Wickelende zu lagern. Hierdurch kann es möglich sein, die einzelnen Fasern einem geeigneten Zug auszusetzen. Außerdem ist es auch möglich, hiermit kleine Unterschiede zwischen Fasern bzw. verschiedenen Wicklungen einer Faser auszugleichen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegen die Winkelausrichtungen der Faser aus Schritten d., f., h. und i. zumindest für große Teile des Ösenwickelverfahrens in einem Bereich von 0° bis 15°, bevorzugt 0° bis 9°, besonders bevorzugt 0,5° bis 9° und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,5° und 5°. Gerade das Realisieren von kleinen Winkelausrichtungen nahe 0° wird durch die Verwendung der beschriebenen Ösen erleichtert bzw. ermöglicht. Bevorzugt verlaufen die Fasern in diesem Bereich in einem von der Wickelvorrichtung bereitgestellte Nut bzw. bereitgestellten Schacht. Es ist auch bevorzugt, dass die Ösen einen inneren Frei- bzw. Öffnungsdurchmesser aufweisen, der in etwa mindestens dem doppelten Durchmesser des zu produzierenden Lastarms entspricht. Ein Querschnittsdurchmesser der Öse soll so minimal wie möglich sein. Hierdurch können Faserwicklungen, die über einen möglichst großen Bereich sehr nahe beieinander liegen realisiert werden. Gleichzeitig soll der Querschnittsdurchmesser aber auch nicht zu klein sein, da dies eine unverhältnismäßig starke Belastung einer Faser bei Umlenkung an der Öse bewirken könnte.
Vorzugsweise werden die Wellenlastverteilungsarme bildenden Fasern nach dem Wickeln in eine bevorzugte Querschnittsform gebracht. Bevorzugt geschieht dies durch Formgebung, beispielsweise einen Stempel, der auf die Fasern drückt, die vorzugsweise in einem Schacht verlaufen. Die Wickelvorrichtung weist vorzugsweise entsprechende Mittel, bspw. Stempel auf.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein vorgefertigter Lastverteilungskopf so mit eingewickelt wird, dass er an einem Ende einer Längsseite einen integralen Bestandteil der Antriebswelle formt. Bevorzugt wird der Lastverteilungskopf so einstückig mit der Antriebswelle geformt, fest verbunden bzw. verklebt. Wird die Welle um den Lastverteilungskopf gewickelt, wird vorzugsweise ein verlorener Kern verwendet.
Vorteilhafterweise weist der Lastverteilungskopf eines oder mehrere der oben beschriebenen Merkmale auf.
Weiterhin kann es bevorzugt sein, mehr als eine Faser zu verwenden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Fasern Kohlenstofffasern, Glasfasern, Basaltfasern und/oder Naturfasern auf. Besonders bevorzugt ist, dass mindestens eine, ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen alle Fasern CFK aufweisen und noch bevorzugter im Wesentlichen aus CFK bestehen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine der Fasern ein Thermoplast auf.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Ösenwickelverfahren zusätzlich den Schritt Aufbringen mindestens eines weiteren Materials aufweist, wobei dieses Material in radialer Richtung unterhalb des Fasermaterials, zwischen Lagen des Fasermaterials und/oder oberhalb des Fasermaterials aufgebracht werden kann. Dieses Material kann zum Schlagschutz und/oder zur Schwingungsdämpfung geeignet sein. Vorzugsweise weist das mindestens eine weitere Material mindestens ein Gummimaterial und/oder mindestens einen Kunststoff auf, wobei der Kunststoff vorzugsweise Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Polyurethan, Polyethylen, Polyolefine, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylchlorid und/oder Polytetrafluorethen aufweist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Material auch einen Schaumstoff aufweisen und/oder wabenartig ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch eine faserverstärkte Antriebswelle, die aus einem Verfahren wie vorstehend beschrieben herstellbar ist bzw. hergestellt ist.
Dem Fachmann wird klar sein, dass sich einzelne Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen, die im Hinblick auf die Antriebswelle beschrieben wurden, auch im beschriebenen Ösenwickelverfahren wiederfinden können, ohne dass sie explizit beschrieben wurden. So ist der Fachmann beispielsweise klar, dass alle Materialien, die als mögliche Faserbestandteile für die Fasern der Antriebswelle beschrieben wurden, als Fasern im Ösenwickelverfahren eingesetzt werden können, ohne, dass diese explizit aufgeführt sind. Analog gilt dies ebenso für andere Merkmale. Ebenso ist dem Fachmann analog klar, dass einzelne Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Ösenwickelverfahren beschrieben wurden, ebenso Merkmale der beschriebenen Antriebswelle sein können.
Ausdrücken wie z. B. „etwa, ca., um, im Wesentlichen, im Allgemeinen, zumindest, mindestens, annährend” usw. genannt wurden (also „etwa 3” soll ebenfalls „3” oder „im Wesentlichen radial” soll auch „radial” umfassen). Der Ausdruck „bzw.” bedeutet überdies „und/oder”.
Die Erfindung betrifft also die folgenden Aspekte:

1. Faserverstärkte Antriebswelle, vorzugsweise eine Kardanwelle, wobei die Fasern Kohlenstoff, Aramid, Basalt, Glas-, und/oder Naturmaterial aufweisen und ein Lastverteilungskopf fest mit der Antriebswelle verbunden ist.
2. Antriebswelle nach Aspekt 1, wobei die Fasern kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) aufweisen, und vorzugsweise im Wesentlichen aus CFK besteht.
3. Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, wobei die Fasern mindestens einen thermoplastischen Werkstoff und/oder einen duroplastischen Werkstoff aufweisen.
4. Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, wobei der Lastverteilungskopf CFK aufweist, und vorzugsweise im Wesentlichen aus CFK besteht.
5. Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, wobei der Lastverteilungskopf einen Basisbereich und sich von diesem erstreckende Lastarme aufweist, die vorzugsweise integral mit dem Basisbereich ausgebildet sind.
6. Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, wobei die Welle einen Lastverteilungskopfaufnahmebereich aufweist, der vorzugsweise eine zum Lastverteilungskopf komplementäre Form aufweist, wobei der Lastverteilungskopfaufnahmebereich vorzugsweise Arme aufweist, die in Kombination mit den Armen des Lastverteilungskopfs Wellenlastverteilungsarme bilden.
7. Antriebswelle nach Aspekten 6 und 7, wobei der Lastverteilungskopfaufnahmebereich der Welle einen Abschnitt zur Aufnahme der Lastverteilungskopfbasis und einen Bereich zur Aufnahme der Lastverteilungsarme umfasst.
8. Antriebswelle nach einem der Aspekte 6 bis 8, wobei der Lastverteilungskopfbasisbereich und der korrespondierende Lastverteilungskopfaufnahmebereich der Welle im Wesentlichen rund ausgebildet sind.
9. Antriebswelle nach einem der Aspekte 6 bis 8, wobei der Lastverteilungskopfbasisbereich und der korrespondierende Lastverteilungskopfaufnahmebereich der Welle unrund, vorzugsweise im Wesentlichen oval oder polygonal, zum Beispiel dreieckig, ausgebildet sind.
10. Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, wobei die Fasern verschiedene Winkelausrichtungen aufweisen, wobei die Fasern, vorzugsweise im Bereich der Lastverteilungsarme, Winkelausrichtungen zwischen 0° und 90° aufweisen, bevorzugt zwischen 0° und 15°, besonders bevorzugt zwischen 0,5° und 9° und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,5° und 5° aufweisen.
11. Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, wobei der Lastverteilungskopf mit der Antriebswelle verklebt ist oder ein integraler Bestandteil der Antriebswelle ist und bevorzugt integral damit gewickelt bzw. geflochten wurde.
12. Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, die einen Versagensbereich am Lastverteilungskopf oder in einer Umgebung des Lastverteilungskopfes aufweist, wobei der Versagensbereich bevorzugt an einer Verbindungsstelle zwischen Antriebswelle und Lastverteilungskopf ausgebildet ist.
13. Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, wobei der Lastverteilungskopf 3 oder mehr Lastarme aufweist und/oder wobei die Welle 3 oder mehr entsprechende Arme aufweist, vorzugsweise wobei bzw. so dass die Welle an einem Längsende 3 oder mehr Wellenlastverteilungsarme aufweist.
14. Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, wobei der Lastverteilungskopf einen integrierten Zentrierzapfen aufweist.
15. Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, die in einer Umgebung eines Lastverteilungskopfes Fasern mit Winkelausrichtungen von 60° bis 90°, bevorzugt 70° bis 90°, besonders bevorzugt 80° bis 90° und ganz besonders bevorzugt 85° bis 89,5° aufweist.
16. Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, die in einer Umgebung eines Lastverteilungskopfes eine Querschnittsvergrößerung durch eine Häufung von Fasern aufweist.
17. Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, die mindestens ein Material zur Schwingungsdämpfung, wie ein Gummimaterial und/oder ein Kunststoffmaterial, vorzugsweise einen Schaumstoff und/oder ein wabenartig ausgebildetes Material, aufweist, das bevorzugt zwischen einer inneren und einer äußeren Faserschicht angeordnet ist.
18. Antriebswelle nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Antriebswelle ein Schutzmaterial, wie ein Gummimaterial und/oder ein Kunststoffmaterial, aufweist, welches vorzugsweise außen oder innen an der Antriebswelle angeordnet ist.
19. Antriebswelle nach Aspekt 17 oder 18, bei dem das Kunststoffmaterial Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Polyurethan, Polyethylen, Polyolefine, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylchlorid und/oder Polytetrafluorethen aufweist.
20. Antriebswelle nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei weiterhin eine Hardyscheibe fest mit der Antriebswelle verbunden ist.
21. Antriebswelle nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei mindestens ein Längsende mindestens 3, bevorzugt mindestens 4, besonders bevorzugt mindestens 6 Fortsätze zum Längenausgleich aufweist, die vorzugsweise beschichtet sind., wobei die Beschichtung der Beinchen besonders bevorzugt Teflon, galvanische Beschichtungen und/oder Metallhülsen aufweist.
22. Ösenwickelverfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Antriebswelle mit den Schritten: a. Bereitstellen einer Wickelvorrichtung mit 2 Wickelenden, die jeweils mindestens 2, bevorzugt mindestens 3 Ösen aufweisen; b. Bereitstellen eines Stützkerns im Wesentlichen zwischen den Wickelenden; c. Bereitstellen mindestens einer Faser; d. Aufbringen der Faser auf den Stützkern in einer ersten Winkelausrichtung; e. Umlenken der Faser an einer Öse an einer der Wickelenden; f. Aufbringen der Faser auf bzw. um den Stützkern in einer zweiten Winkelausrichtung, die von der ersten unterschiedlich sein kann; g. Umlenken der Faser an einer Öse am anderen Wickelende; h. Aufbringen der Faser auf den Stützkern in einer dritten Winkelausrichtung, die sich von den vorgenannten unterscheiden kann; und i. beliebige Wiederholung der Schritte c.–h., wobei die Winkelausrichtungen in jedem Schritt beliebig gewählt werden kann und wobei hierdurch die Antriebswelle entsteht.
23. Ösenwickelverfahren nach Aspekt 22, mit dem Schritt: Verbleiben des Stützkerns in der Antriebswelle bzw. Entfernen des Stützkerns aus der Antriebswelle.
24. Ösenwickelverfahren nach Aspekt 22 oder 23 und zusätzlich mit dem Schritt: Abschneiden bzw. Absägen eines Bereichs der Antriebswelle, vorzugweise eines Teils der Wellenlastverteilungsarme, in einer Umgebung mindestens einer der Wickelenden.
25. Ösenwickelverfahren nach einem der Aspekte 22–24, wobei mindestens eine, vorzugsweise alle Öse(n) federnd an einem Wickelende gelagert ist.
26. Ösenwickelverfahren nach einem der Aspekte 22–25, wobei die Winkelausrichtungen der Faser aus Schritten d., f., h. und i. zumindest für große Teile des Ösenwickelverfahrens in einem Bereich von 0° bis 15°, bevorzugt 0° bis 9°, besonders bevorzugt 0,5° bis 9° und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,5° und 5° liegt.
27. Ösenwickelverfahren nach einem der Aspekte 17–26, wobei ein Lastverteilungskopf so mit eingewickelt wird, dass er an einem Ende einer Längsseite einen integralen Bestandteil der Antriebswelle formt.
28. Ösenwickelverfahren nach einem der Aspekte 17–27 und zusätzlich mit dem Schritt: Aufbringen mindestens eines weiteren Materials, wobei dieses Material in radialer Richtung unterhalb des Fasermaterials, zwischen Lagen des Fasermaterials und/oder oberhalb des Fasermaterials aufgebracht werden kann.
29. Faserverstärkte Antriebswelle, die aus einem Verfahren nach einem der Aspekte 17–28 herstellbar ist bzw. hergestellt wird.
25. Ösenwickelvorrichtung zur Herstellung einer faserverstärkten Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und 29 und/oder zur Durchführung eines Ösenwickelverfahrens nach einem der Ansprüche 17 bis 27.
26. Welle, insbesondere Kardanwelle, mit den Merkmalen der Antriebswelle nach einem der vorangegangenen Aspekte ohne Lastverteilungskopf.
27. Lastverteilungskopf mit den Merkmalen des Lastverteilungskopfes nach einem der vorangegangenen Aspekte ohne Antriebswelle.

Die Erfindung wird aus der nachfolgenden näheren Beschreibung und den beigefügte Zeichnungen besser verständlich, die lediglich zur Veranschaulichung dienen und somit die Erfindung nicht einschränken. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer Wickelvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2a eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer faserverstärkten Antriebswelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
2b eine schematische Schnittansicht entlang Schnittebene IIb-IIb aus 2a;
3a eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer faserverstärkten Antriebswelle und Teile einer Wickelvorrichtung gemäß einer weiterer Ausführungsformen der Erfindung;
3b eine schematische Schnittansicht entlang Schnittebene 14 aus 2b;
4a eine schematische Seitenansicht eines faserverstärkten Lastverteilungskopfs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
4b eine schematische Schnittansicht entlang Schnittebene IVb-IVb aus 4a;
5 eine schematische Seitenansicht eines faserverstärkten Lastverteilungskopfs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
6 eine schematische Längsschnittansicht eines Bereichs einer faserverstärkten Antriebswelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
7a eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Antriebswelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
7b eine Draufsicht auf ein Längsende eines Abschnitts einer Antriebswelle gemäß dieser Ausführungsform;
8a eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Lastverteilungskopfs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
8b eine Draufsicht auf ein Längsende eines Abschnitts eines Lastverteilungskopfs gemäß dieser Ausführungsform;
8c eine zweite perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Lastverteilungskopfs gemäß dieser Ausführungsform;
9a eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Lastverteilungskopfs in Verbindung mit einem Lastverteilungskopf gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
9b eine Draufsicht auf ein Längsende derselben gemäß dieser Ausführungsform;
9c eine zweite perspektivische Ansicht derselben gemäß dieser Ausführungsformen; und
10 eine Längsschnittansicht derselben gemäß dieser Ausführungsform.
1 zeigt Teile eines Systems, das bzw. einer Vorrichtung, die für das erfindungsgemäße Ösenwickelverfahren genutzt werden kann. Es ist ein Endbereich einer Wickelvorrichtung 2 mit einem Wickelende 4 gezeigt. Wickelende 4 verfügt über mehrere Haken bzw. Ösen 6, 6', von den lediglich zwei hier gezeigt sind. Diese Ösen sind im gezeigten Ausführungsbeispiel mittels Federn 8 federnd gelagert. Öse 6 und Öse 6' sind hinsichtlich ihrer Ösenöffnung im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet. In 1 ist lediglich ein Wickelende 4 gezeigt. Wickelvorrichtung 2 verfügt über zwei derartige Wickelenden, die in einem Abstand zueinander gegenüberliegend angeordnet werden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Wickelverfahren wird ferner ein Stützkern zwischen den Wickelenden bereitgestellt (nicht gezeigt). Auf diesem Stützkern wird Faser bzw. werden Fasern 10 in einer ersten Richtung aufgebracht bzw. um diesen gewickelt. Sobald diese Faser eines der Wickelenden 4 erreicht, wird diese Faser an einer der Ösen 6, 6' umgelenkt. Diese Faser wird nun wieder in einer zweiten Richtung auf den Stützkern aufgebracht bzw. um diesen gewickelt. Die Winkelausrichtung der Faser 10 kann sich ändern. Die Faser erreicht nach einem bestimmten Weg das zweite, hier nicht dargestellte, Wickelende. Dieses Wickelende ist im Wesentlichen identisch oder zumindest ähnlich zu dem in 1 gezeigten Wickelende. Insbesondere ist auch dieses Wickelende so angeordnet, dass die Ösen dem Stützkern am nächsten sind. In anderen Worten sollen auch die Ösen dieses Wickelendes zum Stützkern hinweisen. Auch an einer Öse dieses zweiten Wickelendes wird die Faser nun wieder umgelenkt und anschließend wieder in Richtung des Wickelendes aufgebracht. Diese Schritte werden nun beliebig oft wiederholt, vorzugsweise bis die Faser 10 „aufgebraucht ist”, also keine Fortführung dieser Schritte mehr möglich oder nötig ist. Grundsätzlich kann in jedem dieser Schritte eine unterschiedliche oder sich ändernde Winkelausrichtung gewählt werden. Im Bereich Ösen verlaufen die Fasern vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Welle bzw. des Kerns.
Bevorzugt ist es auch möglich, dass eine Faser von einer Öse 6 eines Wickelendes 4 zu einer anderen Öse 6' desselben Wickelendes 4 verläuft, ohne, dass es vorher entlang des Kerns zum anderen Wickelende geführt und dort umgelenkt wird. Hierdurch kann zum Beispiel eine Bogenstruktur geschaffen werden, die Endabschnitte 18 und 18' oder 18' und 18'' einer Welle direkt miteinander verbindet. Dies erlaubt eine besonders vorteilhafte Kraft- bzw. Lastverteilung und damit Stabilität und Einsatzverhalten der Welle und/oder des Lastverteilungskopfs. Vorzugsweise wird diese Faserführung durch entsprechende Faserleitstrukturen (nicht dargestellt) unterstützt. Diese Strukturen können am Kern oder separat bereitgestellt werden.
Vorzugsweise werden die Wellenlastverteilungsarme bildenden Fasern beim und/oder nach dem Wickeln in eine bevorzugte Querschnittsform gebracht. Bevorzugt geschieht dies durch Wickeln entlang bzw. in einer Nut oder einem Schacht (nicht dargestellt) und/oder anschließende Formgebung, beispielsweise durch einen Stempel, der auf die Fasern drückt, die vorzugsweise in einem Schacht verlaufen. Die Wickelvorrichtung weist vorzugsweise entsprechende Mittel, bspw. Schacht und/oder Stempel, auf.
Der Stützkern kann beispielsweise aus Wachs, Gips, Sand, Salzen, Metallen, insbesondere Aluminium und/oder niedrig schmelzenden Metalllegierungen, zum Beispiel Stahl oder Inwar bestehen, bzw. diese Materialien aufweisen. Auch verlorene Kerne, in anderen Worten Kerne, die nach der Wicklung in der Welle verbleiben sollen, sind möglich – diese können insbesondere relativ günstige und/oder leichte Kunststoffe, zum Beispiel Polystyrol, Polyurethan und/oder Polyvinylchlorid aufweisen.
Mittels dieses Verfahrens wird eine faserverstärkte Antriebswelle hergestellt. 2a zeigt einen Endabschnitt 42 einer solchen Antriebswelle 40, bei denen die Fasern bzw. die Faserwicklungen 10 und 10' unterschiedliche Winkelausrichtungen aufweisen. Ferner sind die Ösen 6, 6' an denen die Fasern 10 und 10' umgelenkt werden, schematisch dargestellt. Eine solche Antriebswelle 40 weist im Allgemeinen eine Symmetrieachse A auf. 2b zeigt einen Schnitt entlang Ebene IIb aus 2a. Wie 2b zu entnehmen ist, liegen die Ösen 6 vorzugsweise auf dem Umfang eines imaginären Kreises 12 und weisen im Wesentlichen gleiche Winkelabstände zueinander auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Wickelende 4 sechs Ösen 6 auf, die einen Winkelabstand von 60° zueinander haben. Ebenso ist es möglich, dass ein Wickelende 3, 4, 5 oder auch mehr als 6 Haken bzw. Ösen aufweist.
In 3a ist abermals ein Endabschnitt 42 einer faserverstärkten Antriebswelle 40 dargestellt. Ferner ist schematisch eine Öse 6 eines Wickelendes dargestellt (die anderen Ösen wurden der Klarheit wegen in dieser Darstellung weggelassen). Bevorzugt weist Öse bzw. Haken 6, wie in 3a dargestellt, einen ersten Unterbereich bzw. Haltebereich 62 und einen zweiten Unterbereich bzw. Einfädelbereich 64 auf, die jeweils in unterschiedliche Richtungen gekrümmt sind. Die kann ein einfaches Einfädeln und einen sicheren Halt der Fasern bewirken. Obwohl nur in 3a gezeigt, ist dem Fachmann klar, dass er eine oder mehrere solcher Ösen 6 in jedem der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden kann. Weiter ist wieder eine Symmetrieachse A der Antriebswelle gezeigt. Ferner weist die in dem beschriebenen Ösenwickelverfahren hergestellte Antriebswelle mindestens einen Endabschnitt mit Stegen bzw. Armen 18, 18' und 18'' auf, die zu den jeweiligen bereitgestellten bzw. genutzten Ösen korrespondieren. In dem in 3a gezeigten Beispiel weist das Wickelende drei Ösen oder für das Ösenwickelverfahren der in 3a gezeigten Antriebswelle 40 wurden an diesem Wickelende lediglich drei Ösen genutzt. Mit anderen Worten ist es also möglich, weniger Ösen zu nutzen, das heißt, mit Fasern zu umwickeln als an einem bestimmten Wickelende vorhanden sind. Vorteilhafterweise wird die durch das beschriebene Verfahren entstandene Antriebswelle von den Wickelenden entfernt, in dem sie im Bereich der Stege bzw. Arme abgeschnitten bzw. abgesägt wird, wobei diese gekürzt werden. Dies ist in 3a durch Schnittebene 14 charakterisiert.
3b zeigt schematisch eine Schnittansicht entlang Schnittkante bzw. -ebene 14 aus 3a. Bei einem solchen Schnitt weist die erfindungsgemäße Antriebswelle einen imaginären Umfang 16 auf. Außerhalb dieses Umfangs sind Lastversteilungsstege 18, 18', 18'' angeordnet (siehe auch 7a und 7b).
Im beschrieben Ösenwickelverfahren können verschiedene Fasern verwendet werden. Diese Fasern können vorteilhafterweise Kohlenstoff, Basalt, Glas und/oder Naturmaterial aufweisen und ganz besonders bevorzugt kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK). Weiter ist es bevorzugt, dass die Fasern im Wesentlichen aus CFK bestehen. Diese Fasern können mit einem Harz, vorzugsweise einem Kunstharz vorimprägniert sein. Das kann bedeuten, dass man sie vor der Aufbringung auf den Wickelkern mit einem Kunstharz vorimprägniert. Die Fasern sind sozusagen „nass”, ehe sie auf dem Wickelkern bzw. den Stützkern aufgebracht werden. Alternativ können die Fasern aber auch vor Aufbringen auf den Stützkern „trocken” sein. In einem solchen Fall sind sie nicht mit einem Kunstharz vorimprägniert. Dann kann es vorteilhaft sein, im Anschluss an das beschriebene Wickelverfahren ein Harz, vorzugsweise ein Kunstharz auf die Welle aufzubringen.
Unabhängig davon, ob die Fasern vorimprägniert sind oder ob das Kunstharz nach dem Wickeln aufgebracht wird ist es vorteilhaft, dass im Anschluss daran ein Aushärteprozess stattfindet. Dieser wird im Allgemeinen durch Anlegen einer höheren Temperatur, zum Beispiel durch Heißluft, einen Mikrowellenofen, eine Induktionsheizung, eine Wasserdampfheizung, eine elektrische Heizung und/oder eine andere Heizung erreicht.
Der Stützkern kann nach Entfernung der Antriebswelle aus der Wickelvorrichtung entweder in der Welle verbleiben (verlorener Kern) oder entfernt werden. Mit wiederholtem Bezug zu 3a sei darauf hingewiesen, dass die Abtrennung durch Abschneiden bzw. Absägen entlang der Schnitteben 14 vorzugsweise nach dem Aushärteprozess stattfindet.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ösenwickelverfahrens schließt das Vorsehen weiterer Materialien mit ein. Hierfür wird nun auf 6 Bezug genommen. 6 zeigt einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Antriebswelle, die mit dem erfindungsgemäßen Ösenwickelverfahren hergestellt wird. Es sind zwei Faserbündel 100 und 100' dargestellt. Ferner ist abermals Symmetrieachse A dargestellt. Es ist also nur ein Halbschnitt entlang eines Bereichs einer Antriebswelle gezeigt, wobei lediglich der in der 6 unter Symmetrieachse A liegende Bereich dargestellt ist. Neben den Fasersträngen 100 und 100' ist in 6 ein Steinschlagschutz 30 dargestellt. Steinschlagschutz 30 kann aus einem Gummimaterial und/oder einem Kunststoffmaterial geformt sein bzw. ein solches Material aufweisen. In 6 ist dargestellt, dass Steinschlagschutz bzw. Schutzmaterial 30 im inneren Umfang der Antriebswelle angeordnet ist. Ebenso oder zusätzlich könnte Schutzmaterial 30 auch am Außenumfang der Antriebswelle angeordnet sein. Diese beiden Bereiche sind die Bereiche, die Einwirkungen von außen, wie zum Beispiel den Schlägen durch Steine, in besonderem Maße ausgesetzt sind. Daher kann es von Vorteil sein diese Bereiche gesondert zu schützen, um die Widerstandskraft der erfindungsgemäßen Antriebswelle zu erhöhen und die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Antriebswelle zu verlängern.
Ebenso ist in 6 Stützmaterial bzw. Schwingungsdämpfungsmaterial 32 dargestellt. Dieses ist zwischen den Faserschichten 100 und 100' angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Material um ein Gummimaterial und/oder ein Kunststoffmaterial. Besonders bevorzugt ist es für dieses Material einen Schaumstoff oder einen wabenartig ausgebildeten Stoff bzw. ein wabenartig ausgebildetes Material zu verwenden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dieses Material 32 sandwichartig angeordnet. Das heißt, es ist zwischen zwei Faserschichten 100 und 100' angeordnet. Das Vorsehen dieses Materials kann insbesondere dazu beitragen, die Antriebswelle vor Resonanzen bzw. Schwingungen zu schützen.
Solche Schutzmaterialien 30 und/oder Materialien zur Schwingungsdämpfung 32 können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einfach aufgetragen werden, indem man beispielsweise eine erste Schicht an Fasersträngen 100' aufträgt. Anschließend bringt man einen zusätzlichen Stoff, zum Beispiel das Material zur Schwingungsdämpfung 32 auf, um dann anschließend mit dem Aufbringen von Fasermaterial bzw. Fasersträngen 100 fortzufahren. Ebenso kann man, indem man zunächst eine Schutzschicht 30 auf den Stützkern aufträgt und erst anschließend mit dem Aufbringen der Fasern 100, 100' beginnt, ein inneres Schutzmaterial 30 vorsehen. Ebenso kann man nach Abschluss der Faserwickelung ein äußeres Schutzmaterial (nicht gezeigt) vorsehen. Das erfindungsgemäße Ösenwickelverfahren ermöglicht somit auch die Herstellung von faserverstärkten Antriebswellen unter Einbindung weiterer Materialien, wie Materialien zur Schwingungsdämpfung und Schutzmaterialien.
Ein viel beanspruchter Bereich einer Antriebswelle, vor allem einer Kardanwelle, sind die Wellenenden, insbesondere das Antriebsende. In diesen Bereichen müssen Kräfte bzw. Drehmomente von einem Element auf ein anderes übertragen werden. Daher kann auch die genaue Ausgestaltung dieser Endelemente von Bedeutung sein. Diese Endbereiche umfassen vorzugsweise einen Lastverteilungskopf. Erfindungsgemäße Ausführungsformen solcher Lastverteilungsköpfe und deren Herstellung sind in den 4a–5 dargestellt. Ähnlich wie Welle 40 kann auch Lastverteilungskopf 20 mittels eines Wickelverfahrens aus Fasern 210 und 210' (bzw. Faserwickelungen) geformt sein. Ebenso kann solch ein Lastverteilungskopf einen Basisbereich (bei 20 bzw. 20') und Endstege bzw. Lastverteilungsarme 22, 22' und 22'' bzw. 24, 24', 24'', 24''', 24''' aufweisen. Die Materialien sind vorzugsweise mit denen, die für die Welle verwendet werden, identisch. In Umfangsrichtung (siehe 4b) sind diese Endstege 22, 22', 22'' bzw. 24, 24', 24'', 24''', 24''' wieder im gleichen Winkelabstand um Umfangskreis 16 voneinander angeordnet. Verteilt um einen imaginären Umfangskreis 16 liegen Endstege vorzugsweise auf der inneren Seite. Mit Verweis auf 5 wird auch klar, dass ein alternativer Lastverteilungskopf 20' mehr als drei solcher Längsstege aufweisen kann. Im gezeigten Aufführungsbeispiel in 5 weist Lastverteilungskopf 20' vier solcher Endstege 24, 24', 24'' und 24''' auf.
Ein derartig ausgestalteter Lastverteilungskopf 20, 20' kann nun mit der Welle 40 verbunden werden. Vorzugsweise weist der Lastverteilungskopf dazu eine dem Lastkopfaufnahmebereich der Welle entsprechende äußere Form auf. Diese Verbindung kann verschiedenartig erfolgen. So ist zum Beispiel möglich, zunächst Lastverteilungskopf 20, 20' in einem Prozess zu formen, in einem separaten Prozess Antriebswelle 40 zu formen und diese beiden anschließend miteinander zu verkleben.
Alternativ ist es auch möglich, zunächst den Lastverteilungskopf 20, 20' zu formen, und diesen dann während des Ösenwickelverfahrens direkt mit der Antriebswelle zu verwickeln bzw. zu verflechten. Hierdurch kann eine besonders feste und widerstandsfähige Verbindung zwischen diesen Teilen geschaffen werden.
Wie in 3b und 4b gezeigt, sind die Endstege 18, 18' und 18'' der Antriebswelle 40 außerhalb des Umfangs des imaginären Kreises 16 angeordnet, während die Endstege bzw. Lastverteilungsarme 22, 22' und 22'' des Lastverteilungskopfs 20 innerhalb des Umfangs des imaginären Kreises 16 angeordnet sind. Hierdurch können diese beiden Elemente, das sind Lastverteilungskopf 20 und Welle 40, passend miteinander verbunden werden. Dies ist auch in 7a–10 illustriert. 7a und 7b zeigen eine perspektivische Ansicht bzw. eine Draufsicht von einem Ende auf Bereich 42 von Antriebswelle 40 mit Endstegen 18, 18' und 18''.
8a und 8c zeigen perspektivische Rück- bzw. Vorderansichten eines Lastverteilungskopfs 20 mit Endstegen 22, 22' und 22''. Ferner ist in 8c Zentrierzapfen 28 zu sehen. Dieser kann entweder massiv ausgebildet sein (nicht gezeigt) oder mit einem Hohlraum 26 (8a) korrespondieren. Vorzugsweise ist Zentrierzapfen 28 mit korrespondierendem Hohlraum 26 gebildet. Dies kann den Vorteil haben, dass ein geringeres Gewicht realisiert werden kann. 8b zeigt eine Enddraufsicht auf einen Lastverteilungskopf 20 mit den beschriebenen Elementen. Wie 8b zu entnehmen ist, ragen Endstege 22, 22' und 22'' nicht über eine umfangsmäßige Begrenzung von Lastverteilungskopf 20 hinaus. Vorzugsweise ist Lastverteilungskopf 20 also so geformt, dass er in Welle 40 eingepasst werden kann. In anderen Worten entspricht eine innere Formgestaltung der Antriebswelle 40 vorzugsweise einer äußeren Formgestaltung eines Lastverteilungskopfes 20. Insbesondere kann zum Beispiel die innere Form einer Antriebswelle 40 in Schnittansicht im Wesentlichen rund sein, wie dies zum Beispiel in 7b dargestellt ist. Die äußere Form eines Basisbereiches eines Lastverteilungskopfes 20 kann dieser Form im Wesentlichen entsprechen, wie dies zum Beispiel in 8b schematisch dargestellt ist. Ebenso kann es aber auch bevorzugt sein, dass eine innere Form der Antriebswelle 40 und eine entsprechende äußere Form des Basisbereiches des Lastverteilungskopfes 20 im Wesentlichen die Form eines Polyeders, beispielsweise eine im Wesentlichen drei-, vier, fünf-, sechs- oder sonst wie gestaltete mehreckige Form aufweisen. Hierdurch kann es ganz besonders bevorzugt zu einem Formschluss zwischen Welle 40 und Lastverteilungskopf 20 kommen und eine Übertragung eines Drehmoments von einem dieser Elemente auf das andere dieser Elemente wird erleichtert ähnlich wie bei so genannten Inbus-Schlüsseln und -Schrauben. In diesem Zusammenhang ist auf oben stehende Ausführungen verwiesen. Dem Fachmann ist es daher klar, dass das Einpassen des Lastverteilungskopfs 20 in Antriebswelle 40 sowohl nach Herstellung der Antriebswelle erfolgen als auch währenddessen.
9a–10 zeigen nun eine Verbindung einer erfindungsgemäßen Antriebswelle 40 mit Lastverteilungskopf 20. 9a und 9c sind perspektivische Vorder- bzw. Rückansichten eines Endabschnitts 42 einer Antriebswelle 40, die in Verbindung steht mit Lastverteilungskopf 20. 9b zeigt eine Seitendraufsicht auf eine Verbindung zweier solcher Elemente. 10 zeigt eine Schnittansicht einer solchen Verbindung. In allen diesen Figuren wird ersichtlich, dass Endstege 18, 18' und 18'' des Endabschnitts 42 der Welle 40 direkt außen an Endstege bzw. Lastverteilungsarme 22, 22' und 22'' des Lastverteilungskopfs 20 anliegen. Ferner weist Lastverteilungskopf 20 Zentnerzapfen 28 auf, der hohl ist, also von der anderen Seite aus gesehen Aussparung 26 aufweist. Vorzugsweise überlappen bevorzugt Endstege 18, 18', 18'' des Endabschnitts 42 der Welle 40 mit entsprechenden Lastverteilungsarmen 22, 22', 22'' des Lastverteilungskopfs 20. Eine solche Überlappung übersteigt bevorzugt 90% und insbesondere 95% der Länge der einzelnen Stege. Durch den Überlapp der Lastverteilungsarme 22, 22', 22'' mit den Stegen 18, 18', 18'' entstehen neuen Strukturen, die als Wellenlastverteilungsarme bezeichnet werden. Im Allgemeinen soll eine Querschnittsfläche durch einen Wellenlastverteilungsarm in etwa gleich einer entsprechnenden Querschnittsfläche durch einen anderen Wellenlastverteilungsarm sein. Als eine Gesamtquerschnittsfläche der Wellenlastverteilungsarme wird insbesondere die Summe der Querschnittsflächen aller Wellenlastverteilungsarme entlang einer Schnittebene verstanden. Als Wellenquerschnittsfläche wird insbesondere eine Querschnittsfläche des massiven Bereichs einer Welle entlang einer Schnittebene verstanden. Vorzugsweise soll eine Gesamtquerschnittsfläche der Wellenlastverteilungsarme größer, besonders bevorzugt mindestens um 50% größer, ganz besonders bevorzugt um mindestens 100% größer sein als eine Wellenquerschnittsfläche. Dies wird insbesondere durch die Verhältnisse der entsprechenden Querschnittsflächen der Arme des Lastverteilungskopfes 22, 22' und 22'' und den entsprechenden Querschnittsflächen der Arme der Welle 18, 18', 18'' erreicht.
Eine derartige Vorrichtung, die eine Antriebswelle 40 und einen damit verbundenen Lastverteilungskopf 20 in der oben beschriebenen Art aufweist und faserverstärkt ist, hat im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Haltbarkeit, Belastbarkeit und Schwingungsverhalten.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung der Erfindung. In keiner Weise sind sie dahingehend auszulegen, die Erfindung zu beschränken. Wie für den Fachmann ersichtlich können die einzelnen in Zusammenhang mit unterschiedlichen bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen beschriebenen Merkmale auch in anderen Ausführungsformen vorgesehen werden oder aber mit diesen kombiniert werden. Ferner können einzelne Merkmale weggelassen werden. Ferner wird dem Fachmann klar sein, dass Ausführungsform, welche zu denen in den Patentansprüchen beanspruchten Ausführungsformen äquivalent sind, ebenso in den Schutzbereich der Erfindung fallen.
Weiterhin ist dem Fachmann klar, dass wenn immer Ausdrücke, Merkmale, numerische Werte oder Bereiche im Zusammenhang mit Ausdrücken wie zum Beispiel „etwa, circa, um, im Wesentlichen, im Allgemeinen, zumindest, mindestens” usw. genannt werden, die genauen oder exakten Ausdrücke, Merkmale, numerischen Werte oder Bereiche mit umfasst sein sollen. So soll zum Beispiel der Ausdruck „etwa 3” ebenfalls „3” umfassen und ein Begriff wie „im Wesentlichen radial” soll auch „radial” mit umfassen. Der Ausdruck „bzw.” bedeutet über dies „und/oder”.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3718399 A1 [0004]
EP 2184439 A2 [0005, 0005, 0006, 0010]

Claims

Faserverstärkte Antriebswelle, vorzugsweise eine Kardanwelle, wobei die Fasern Kohlenstoff, Basalt, Aramid, Glas-, und/oder Naturmaterial aufweisen, mit einem Lastverteilungskopf, der fest mit der Antriebswelle verbunden ist, wobei der Lastverteilungskopf kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff aufweist.
Antriebswelle nach Anspruch 1, wobei die Fasern kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) aufweisen, und die vorzugsweise im Wesentlichen aus CFK besteht.
Antriebswelle nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Fasern mindestens einen thermoplastischen Werkstoff und/oder einen duroplastischen Werkstoff aufweisen.
Antriebswelle nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Fasern verschiedene Winkelausrichtungen aufweisen, wobei die Fasern vorzugsweise Winkelausrichtungen zwischen 0° und 90° aufweisen, bevorzugt zwischen 0° und 15°, besonders bevorzugt zwischen 0,5° und 9° und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,5° und 5° aufweisen.
Antriebswelle nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Lastverteilungskopf im Wesentlichen aus CFK besteht.
Antriebswelle nach einem der vorigen Aspekte, wobei der Lastverteilungskopf einen Basisbereich und Lastarme aufweist und wobei die Welle einen Lastverteilungskopfaufnahmebereich aufweist, der vorzugsweise eine zum Lastverteilungskopf komplementäre Form mit entsprechenden Armen der Antriebswelle aufweist, die in Kombination mit den Armen des Lastverteilungskopfs Wellenlastverteilungsarme bilden.
Antriebswelle nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Lastverteilungskopf mit der Antriebswelle verklebt ist oder ein integraler Bestandteil der Antriebswelle ist und bevorzugt integral damit gewickelt bzw. geflochten wurde.
Antriebswelle nach einem der vorigen Ansprüche, die einen Versagensbereich am Lastverteilungskopf oder in einer Umgebung des Lastverteilungskopfes aufweist, wobei der Versagensbereich bevorzugt an einer Verbindungsstelle zwischen Antriebswelle und Lastverteilungskopf ausgebildet ist.
Antriebswelle nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Lastverteilungskopf 3 oder mehr Lastarme aufweist.
Antriebswelle nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Lastverteilungskopf einen integrierten Zentrierzapfen aufweist.
Antriebswelle nach einem der vorigen Ansprüche, die in einer Umgebung eines Lastverteilungskopfes Fasern mit Winkelausrichtungen von 60° bis 90°, bevorzugt 70° bis 90°, besonders bevorzugt 80° bis 90° und ganz besonders bevorzugt 85° bis 89,5° aufweist.
Antriebswelle nach einem der vorigen Ansprüche, die in einer Umgebung eines Lastverteilungskopfes Querschnittsvergrößerung durch eine Häufung von Fasern aufweist.
Antriebswelle nach einem der vorigen Ansprüche, die mindestens ein Material zur Schwingungsdämpfung, wie ein Gummimaterial und/oder ein Kunststoffmaterial, vorzugsweise einen Schaumstoff und/oder ein wabenartig ausgebildetes Material, aufweist, das bevorzugt zwischen einer inneren und einer äußeren Faserschicht angeordnet ist.
Antriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle ein Schutzmaterial, wie ein Gummimaterial und/oder ein Kunststoffmaterial, aufweist, welches vorzugsweise außen oder innen an der Antriebswelle angeordnet ist.
Antriebswelle nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Kunststoffmaterial Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Polyurethan, Polyethylen, Polyolefine, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylchlorid und/oder Polytetrafluorethen aufweist.
Antriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin eine Hardyscheibe fest mit der Antriebswelle verbunden ist.
Antriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Ende mindestens 2, bevorzugt mindestens 3, besonders bevorzugt mindestens 4 Fortsätze zum Längenausgleich aufweist, die vorzugsweise beschichtet sind., wobei die Beschichtung der Fortsätze zum Längenausgleich besonders bevorzugt Teflon, galvanische Beschichtungen und/oder Metallhülsen aufweist.
Ösenwickelverfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Antriebswelle mit den Schritten: a. Bereitstellen einer Wickelvorrichtung mit 2 Wickelenden, die jeweils mindestens 2, bevorzugt mindestens 3 Ösen aufweisen; b. Bereitstellen eines Stützkerns im Wesentlichen zwischen den Wickelenden; c. Bereitstellen mindestens einer Faser; d. Aufbringen der Faser auf den Stützkern in einer ersten Winkelausrichtung; e. Umlenken der Faser an einer Öse an einer der Wickelenden; f. Aufbringen der Faser auf bzw. um den Stützkern in einer zweiten Winkelausrichtung, die von der ersten unterschiedlich sein kann; g. Umlenken der Faser an einer Öse am anderen Wickelende; h. Aufbringen der Faser auf den Stützkern in einer dritten Winkelausrichtung, die sich von den vorgenannten unterscheiden kann; und i. beliebige Wiederholung der Schritte c.–h., wobei die Winkelausrichtungen in jedem Schritt beliebig gewählt werden kann und wobei hierdurch die Antriebswelle entsteht.
Ösenwickelverfahren nach Anspruch 18, mit dem Schritt: Verbleiben des Stützkerns in der Antriebswelle bzw. Entfernen des Stützkerns aus der Antriebswelle.
Ösenwickelverfahren nach Anspruch 18 oder 19 und zusätzlich mit dem Schritt: Abschneiden bzw. Absägen eines Bereichs der Antriebswelle in einer Umgebung mindestens eines der Wickelenden.
Ösenwickelverfahren nach einem der Ansprüche 18–20, wobei mindestens eine, vorzugsweise alle Öse(n) federnd an einem Wickelende gelagert ist.
Ösenwickelverfahren nach einem der Ansprüche 18–21, wobei die Winkelausrichtungen der Faser aus Schritten d., f., h. und i. zumindest für große Teile des Ösenwickelverfahrens in einem Bereich von 0° bis 15°, bevorzugt 0° bis 9°, besonders bevorzugt 0,5° bis 9° und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,5° und 5° liegt.
Ösenwickelverfahren nach einem der Ansprüche 17–22, wobei ein Lastverteilungskopf so mit eingewickelt wird, dass er an einem Ende einer Längsseite einen integralen Bestandteil der Antriebswelle formt.
Ösenwickelverfahren nach einem der Ansprüche 17–23 und zusätzlich mit dem Schritt: Aufbringen mindestens eines weiteren Materials, wobei dieses Material in radialer Richtung unterhalb des Fasermaterials, zwischen Lagen des Fasermaterials und/oder oberhalb des Fasermaterials aufgebracht werden kann.
Faserverstärkte Antriebswelle, die aus einem Verfahren nach einem der Ansprüche 17–24 herstellbar ist bzw. hergestellt wird.
Ösenwickelvorrichtung zur Herstellung einer faserverstärkten Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und 25 und/oder zur Durchführung eines Ösenwickelverfahrens nach einem der Ansprüche 17 bis 24.