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Die Erfindung betrifft einen Verbindungsabschnitt eines Maschinenelements aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei in dem Verbindungsabschnitt ein Gewindetragelement ausgebildet ist und wobei auf dem Gewindetragelement ein in eine Gewindeprofilrichtung verlaufendes Gewindeprofil eines Gewindes festgelegt ist. Zudem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsabschnitts.
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In solchen Verbindungsabschnitten werden die Maschinenelemente mit weiteren Maschinenelementen bzw. Bauteilen verbunden oder an diesen Bauteilen festgelegt. Beispielsweise kann es sich bei dem Maschinenelement um eine Drehwelle aus dem Faserverbundwerkstoff zur Übertragung eines Drehmoments zwischen einer rotierenden Antriebsmaschine und einer Arbeitsmaschine handeln. Bei einer solchen Drehwelle wäre der Verbindungsabschnitt in einem Endbereich der Drehwelle angeordnet.
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Zur Verbindung des Maschinenelements mit weiteren Maschinenelementen bzw. Bauteilen ist es bekannt Schraubverbindungen einzusetzen, wobei an dem Gewindetragelement ein hülsenförmiges Gewindeelement aus Metall angeordnet wird, wobei das Gewindeelement das an die jeweiligen Anforderungen angepasste Gewinde aufweist. Die Gewindeprofilrichtung des Gewindeprofils des Gewindes und eines zwischen dem Gewindeprofil ausgebildeten Gewindegangs entspricht einer Gewindesteigung des Gewindes.
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Solche Gewindeelemente aus Metall weisen ein vergleichsweise hohes Gewicht auf.
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Als Aufgabe der Erfindung wird es angesehen, einen Verbindungsabschnitt eines Maschinenelements und ein Verfahren zur Herstellung des Verbindungsabschnitts bereitzustellen, wobei der Verbindungsabschnitt verhältnismäßig leicht und kostengünstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Verbindungsabschnitt mindestens eine in einer zu der Gewindeprofilrichtung senkrechten Längsfaserrichtung ausgerichtete Längsfaserschicht aus einem ersten Faserverbundwerkstoff auf einem Umfang des Gewindetragelements angeordnet ist, dass in dem Verbindungsabschnitt in der Gewindeprofilrichtung eine äußere Umfangsfaserschicht aus einem zweiten Faserverbundwerkstoff auf der Längsfaserschicht angeordnet ist, wobei die äußere Umfangsfaserschicht sämtliche in dem Verbindungsabschnitt angeordnete Längsfaserschichten umgibt und dass in dem Verbindungsabschnitt das Gewinde zur Festlegung des Maschinenelements ausgebildet ist, wobei sich das Gewindeprofil des Gewindes in der Gewindeprofilrichtung über die Längsfaserschicht und die Umfangsfaserschicht erstreckt. Durch die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen und die Ausbildung der Gewindegänge in den Faserverbundwerkstoffen kann das Gewicht des Verbindungsabschnitts im Vergleich zu herkömmlichen Verbindungsabschnitten deutlich reduziert werden.
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Um auf Flanken des Gewindes wirkende Zug- und Druckkräfte aufnehmen und auf das Gewindetragelement übertragen zu können, werden Längsfaserschichten benötigt, deren Fasern im Wesentlichen in Krafteinleitungsrichtung der Zug- und Druckkräfte angeordnet sind. Eine Länge der in Längsfaserrichtung angeordneten Fasern der Längsfaserschichten entspricht näherungsweise einer Breite des Gewindeprofils des Gewindes. Diese Fasern der Längsfaserschichten enden an den Flanken des Gewindeprofils. An diesen freiliegenden Enden der Fasern der Längsfaserschichten angreifende Scherkräfte oder beispielsweise näherungsweise in Gewindeprofilrichtung des Gewindeprofils angreifende Kräfte können dazu führen, dass die offenen Enden ausfransen oder einzelne Fasern oder Längsfaserschichten von dem Gewindeprofil abgehoben werden.
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Dies wird durch die die Längsfaserschichten umgebende äußere Umfangsfaserschicht verhindert. Fasern der äußeren Umfangsfaserschicht umfassen vorteilhafterweise den Umfang des Gewindetragelements vollständig und sind besonders vorteilhafterweise mehrfach um den Umfang des Gewindetragelements gewickelt. Auf diese Weise werden die von der äußeren Umfangsfaserschicht umfassten Längsfaserschichten an dem Gewindetragelement festgelegt und ein Abheben einzelner Fasern oder Längsfaserschichten wird wirkungsvoll vermieden. Zudem kann durch die äußere Umfangsfaserschicht ein Ausfransen der in Längsfaserrichtung verlaufenden Fasern der Längsfaserschichten verringert werden.
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Zur Herstellung der Längsfaserschichten können erfindungsgemäß sogenannte Prepregs eingesetzt werden. Die Umfangsfaserschicht wird vorteilhafterweise um die Längsfaserschichten gewickelt. Eine Richtung der die Längsfaserschichten umgebenden Fasern der Umfangsfaserschicht entspricht dabei vorteilhafterweise einer Ausrichtung der in den Längsfaserschichten und der Umfangsfaserschicht ausgebildeten Gewindegänge. Dadurch wird vermieden, dass einzelne der die Längsfaserschichten in einem Bereich der Gewindeprofile umgebenden Fasern der Umfangsfaserschicht die Längsfaserschichten lediglich abschnittsweise umgeben. Auf diese Weise kann eine Stabilität der Gewindeprofile weiter erhöht werden.
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Um die Längsfaserschichten und die in Längsfaserrichtung ausgerichteten Fasern der Längsfaserschichten besonders wirkungsvoll vor Ausfransen und Abheben zu schützen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die äußere Umfangsfaserschicht die Längsfaserschichten unter Spannung umgibt.
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Die Längsfaserschichten können dadurch weiter stabilisiert und vor Ausfransen geschützt werden, dass in dem Verbindungsabschnitt mindestens eine innere Umfangsfaserschicht angeordnet ist, wobei die innere Umfangsfaserschicht mindestens eine innere Längsfaserschicht umgibt und wobei die innere Umfangsfaserschicht von mindestens einer äußeren Umfangsfaserschicht umgeben ist. Auf diese Weise können auch Gewindeprofile mit kleineren Flankensteigungen von beispielsweise 50 % verwendet werden und ein Ausfransen von Enden in Längsfaserrichtung ausgerichteter und in einem Bereich eines Gewindeinnenumfangs angeordneter Fasern ebenso wirkungsvoll vermieden werden wie ein Ausfransen von in einem Bereich eines Gewindeaußenumfangs in der Nähe der äußeren Umfangsfaserschicht angeordneten und in Längsfaserrichtung ausgerichteten Fasern.
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Das Gewindeprofil kann erfindungsgemäß dadurch weiter stabilisiert werden und vorteilhafterweise höhere Zug- und Druckkräfte aufnehmen, dass zwischen dem Gewindetragelement und der Längsfaserschicht Formschlusselemente angeordnet sind. Bei den Formschlusselementen kann es sich beispielsweise um Metallspäne oder Metallkugeln handeln, die bei dem Aufbringen der Längsfaserschicht zwischen dem Gewindetragelement und der Längsfaserschicht angeordnet werden.
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Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen benachbarten Faserschichten Formschlusselemente angeordnet sind. Auf diese Weise kann ebenfalls die Stabilität und ein Kraftübertragungsvermögen des Gewindeprofils bzw. der Gewindeprofile weiter erhöht werden. Bei den Formschlusselementen kann es sich erfindungsgemäß um Metallkugeln oder dergleichen handeln. Es ist aber auch möglich und vorteilhafterweise vorgesehen, dass es sich bei den Formschlusselementen um aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellte separate Bauelemente handelt.
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Vorteilhafterweise weist das Gewindetragelement eine zylinderförmige Umfangsfläche auf. Die Längsfaserschichten und die Umfangsfaserschichten können besonders einfach auf zylinderförmige Gewindetragelemente aufgebracht werden.
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Vorteilhafterweise ist das Gewindetragelement hohlzylinderförmig ausgestaltet. Auf diese Weise kann das Gewicht des Verbindungsabschnitts weiter reduziert werden.
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Zur weiteren Reduzierung des Gewichts des Verbindungsabschnitts ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gewindetragelement aus einem dritten Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbindungsabschnitts ist vorgesehen, dass es sich bei dem ersten Faserverbundwerkstoff, dem zweiten Faserverbundwerkstoff und dem dritten Faserverbundwerkstoff um den gleichen Faserverbundwerkstoff handelt. Beispielsweise kann der Verbindungsabschnitt aus einem Glasfaserkunststoffverbund hergestellt sein.
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Um ein Ausfransen der Enden der in Längsfaserrichtung ausgerichteten Fasern sowohl in dem Bereich des Gewindeaußenumfangs als auch in dem Bereich des Gewindeinnenumfangs besonders einfach und wirkungsvoll durch die äußere Umfangsfaserschicht zu vermeiden ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Flankensteigung einer Gewindeflanke mindestens 75° und vorzugsweise mehr als 80° beträgt. Umso steiler die Flankensteigung der Gewindeflanken des Gewindeprofils ausgestaltet sind, umso stärker werden die Enden der in dem Bereich des Gewindeinnenumfangs angeordneten und in Längsfaserrichtung ausgerichteten Fasern von der äußeren Umfangsfaserschicht in Richtung des Gewindetragelements gedrückt und vor Ausfransen geschützt.
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Vorteilhafterweise kann die Gewindeflanke in radialer Richtung auch abschnittsweise bogenförmig ausgestaltet sein. Weicht eine Form der Gewindeflanke von einer ebenen Form ab, so bestimmt sich die Flankensteigung bzw. ein Flankensteigungswinkel durch einen Winkel zwischen der Längsfaserrichtung und einer durch einen Gewindeflankenfußpunkt und einen Gewindeflankenkopfpunkt verlaufenden Geraden. In dem Gewindeflankenfußpunkt geht die Gewindeflanke in den Gewindegang über und in dem Gewindeflankenkopfpunkt geht die Gewindeflanke in einen Stirnbereich des Gewindeprofils über.
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Um möglichst hohe Zug- und Druckkräfte mit dem Gewinde aufnehmen zu können ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Profilbreite eines Gewindeprofils größer ist als eine Flankenhöhe des Gewindeprofils. Umso länger die in Längsfaserrichtung ausgerichteten Fasern der Längsfaserschichten ausgestaltet sind, umso größere Zug- und Druckkräfte können mit Hilfe des Gewindes aufgenommen und übertragen werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines wie vorangehend beschriebenen Verbindungsabschnitts.
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Erfindungsgemäß wird zur Herstellung eines solchen Verbindungsabschnitts in einem ersten Schritt mindestens eine Längsfaserschicht und eine äußere Umfangsfaserschicht auf ein Gewindetragelement aufgebracht, wobei die äußere Umfangsfaserschicht die Längsfaserschicht umgibt und in einem nachfolgenden Schritt wird in dem Verbindungsabschnitt ein Gewinde zur Festlegung des Maschinenelements ausgebildet, wobei sich ein Gewindegang in Gewindeprofilrichtung über die Längsfaserschicht und die Umfangsfaserschicht erstreckt.
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Das Gewinde kann besonders einfach und kostengünstig dadurch in die Längsfaserschicht und in die Umfangsfaserschicht eingebracht werden, indem das Gewinde in die Umfangsfaserschicht und die Längsfaserschicht geschliffen wird.
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Um ein besonders stabiles Gewinde herzustellen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die äußere Umfangsfaserschicht unter Spannung auf die Längsfaserschicht aufgebracht wird.
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Die Stabilität des Gewindes und die von dem Gewinde aufnehmbaren und übertragbaren Zug- und Druckkräfte können dadurch weiter erhöht werden, dass in dem ersten Schritt zwischen dem Gewindetragelement und der Längsfaserschicht mindestens ein Formschlusselement angeordnet wird.
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Besonders vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem ersten Schritt zwischen benachbarten Faserschichten Formschlusselemente angeordnet werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine schematisch dargestellte Ansicht auf einen Verbindungsabschnitt mit einem hohlzylinderförmig ausgestalteten Gewindetragelement und mit einem in auf das Gewindetragelement aufgebrachten Längs- und Umfangsfaserschichten ausgebildeten Gewinde,
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2 eine schematisch dargestellte Schnittansicht durch ein Gewindeprofil mit in Längsfaserrichtung ausgerichteten Fasern einer Längsfaserschicht und in Gewindeprofilrichtung ausgerichteten Fasern einer Umfangsfaserschicht,
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3 eine schematisch dargestellte Schnittansicht eines Gewindeprofils mit mehreren Umfangs- und Längsfaserschichten,
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4 eine schematisch dargestellte Schnittansicht eines Gewindeprofils mit einem zwischen einem Gewindetragelement und einer Längsfaserschicht angeordnetem Formschlusselement.
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In 1 ist schematisch eine Ansicht eines Verbindungsabschnitts 1 eines Maschinenelements dargestellt. Der Verbindungsabschnitt 1 weist ein zylinderförmiges Gewindetragelement 2 auf, wobei das Gewindetragelement 2 hohlzylinderförmig ausgestaltet ist und aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. Durch die hohlzylinderförmige Ausgestaltung des Gewindetragelements 2 kann das Gewindetragelement 2 besonders leicht ausgeführt werden.
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Längs des Umfangs des Gewindetragelements 2 sind eine schematisch dargestellte Längsfaserschicht 3 und eine schematisch dargestellte äußere Umfangsfaserschicht 4 angeordnet. In Längsfaserrichtung ausgerichtete Fasern 5 der Längsfaserschicht 3 sind benachbart zueinander in mehreren Schichten angeordnet. In der Figur sind exemplarisch einzelne Fasern 5 mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In die Längsfaserschicht 3 und die äußere Umfangsfaserschicht 4 wurde durch Schleifen ein Gewinde 6 eingebracht. Das Gewinde 6 weist ein Gewindeprofil 7 mit Gewindeflanken 8 auf. Eine Profilbreite 9 des Gewindeprofils 7 ist größer als eine Flankenhöhe 10 der Gewindeflanken 8, wobei die Flankenhöhe 10 der Hälfte der Differenz von Gewindeaußendurchmesser 11 und Gewindeinnendurchmesser 12 entspricht.
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Fasern 13 der Umfangsfaserschicht 4 verlaufen in Richtung des Gewindeprofils 7 und eines zwischen den Gewindeflanken 8 ausgebildeten Gewindegangs 14. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Stabilität des Gewindeprofils 7 erreicht. In die Figur sind einzelne Fasern 13 exemplarisch mit Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Mit Hilfe des Gewindes 6 kann das Maschinenelement einfach mit einem weiteren Maschinenelement bzw. Bauteil verbunden werden, wobei das weitere Maschinenelement bzw. Bauteil ein an das Gewinde 6 angepasstes Gewinde aufweisen sollte.
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2 zeigt eine schematisch dargestellte Schnittansicht eines in einer auf ein Gewindetragelement 2 aufgebrachten Längsfaserschicht 3 und einer äußeren Umfangsfaserschicht 4 ausgebildeten Gewindeprofils 7 eines Gewindes 6. Gewindeflanken 8 des Gewindeprofils 7 begrenzen einen Gewindegang 14.
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Ein Flankensteigungswinkel 15 der Gewindeflanken 8 beträgt weniger als 10°. Auf diese Weise werden Faserenden 16 von in Längsfaserrichtung verlaufenden Fasern 5 der Längsfaserschicht 3 des Gewindes 6 durch die äußere Umfangsfaserschicht 4 wirkungsvoll vor einem Ausfransen geschützt. In der 2 sind einzelne Fasern 5 der Längsfaserschicht 3, einzelne Fasern 13 der Umfangsfaserschicht 13 und Faserenden 16 der Fasern 5 der Längsfaserschicht 3 jeweils exemplarisch mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet.
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3 zeigt eine schematisch dargestellte Schnittansicht eines auf einem Gewindetragelement 2 in einer inneren Längsfaserschicht 17, einer die innere Längsfaserschicht 17 umgebenden inneren Umfangsfaserschicht 18, einer die innere Längsfaserschicht 17 und die innere Umfangsfaserschicht 18 umgebende äußere Längsfaserschicht 19 und einer die Faserschichten 17, 18 und 19 umgebenden äußeren Umfangsfaserschicht 20 ausgebildeten Gewindes 6. In Längsfaserrichtung ausgerichtete Fasern 5 der inneren Längsfaserschicht 17 werden durch die innere Umfangsfaserschicht 18 vor Ausfransen geschützt und Fasern 5 der äußeren Längsfaserschicht 19 werden durch die äußere Umfangsfaserschicht 20 vor Ausfransen geschützt. Auf diese Weise können Gewindeflanken 8 eines Gewindeprofils 7 des Gewindes 6 größere Flankensteigungswinkel 15 von beispielsweise 20° aufweisen, wobei ein Ausfransen weiterhin vermieden werden kann.
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4 zeigt eine schematisch dargestellte Schnittansicht eines Gewindes 6, das in einer auf einem Gewindetragelement 2 aufgebrachten Längsfaserschicht 3 und einer die Längsfaserschicht 3 umgebenden Umfangsfaserschicht 4 durch Schleifen ausgebildet ist. Zwischen dem Gewindetragelement 2 und der Längsfaserschicht 3 ist ein kugelförmiges Formschlusselement 21 angeordnet, wobei das Formschlusselement aus einem Metall hergestellt ist. Durch das Formschlusselement 21 werden die Stabilität und das Kraftübertragungsvermögen des Gewindes 6 erhöht.
