DE102014113294A1

DE102014113294A1 - Machine element and method for producing a machine element

Info

Publication number: DE102014113294A1
Application number: DE102014113294.7A
Authority: DE
Inventors: Helmut Schürmann; Wolfgang Bleser
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2016-03-17

Abstract

Zur Herstellung eines Zahnrads mit einer Nabenöffnung (10) aus mehreren vorgefertigten Lagen (1) eines Faserkunststoffverbundmaterials, wobei in jeder Lage (1) geradlinig in einer Faserhauptrichtung (5) verlaufende Fasern (3) in ein Matrixmaterial (4) eingebettet sind, wird in jeder Lage (1) ein Langloch eingebracht, dessen Längsachse parallel zu der Faserhauptrichtung (5) verläuft. Die mehreren Lagen (1) werden so übereinander angeordnet, dass die Faserhauptrichtungen (5) von benachbarten Lagen (1) jeweils einen Winkel zwischen 0° und 180° zueinander aufweisen und dass die Mittelpunkte (8) der Langlöcher (6) übereinander angeordnet sind. Anschließend werden die übereinanderliegenden Langlöcher (6) mit einem Dorn aufgeweitet, so dass eine kreisförmige Nabenöffnung (10) gebildet wird, wenn die mehreren Lagen (1) miteinander verpresst werden. Ein derart hergestelltes Zahnrad weist mehrere übereinander angeordnete Lagen (1) eines Faserkunststoffverbundmaterials auf, wobei Fasern (3) im Abstand zu der Nabenöffnung (10) jeweils geradlinig und parallel zu einer Faserhauptrichtung (5) verlaufen und in einem an die Nabenöffnung (10) angrenzenden Nabenrandbereich (11) einen an einen Nabenöffnungsrand (12) angepassten gekrümmten Verlauf aufweisen.To produce a gear with a hub opening (10) of a plurality of prefabricated layers (1) of a fiber plastic composite material, wherein in each layer (1) in a fiber main direction (5) extending fibers (3) are embedded in a matrix material (4) is in each layer (1) introduced a slot whose longitudinal axis is parallel to the main fiber direction (5). The plurality of layers (1) are arranged one above the other so that the main fiber directions (5) of adjacent layers (1) each have an angle between 0 ° and 180 ° to each other and that the centers (8) of the elongated holes (6) are arranged one above the other. Subsequently, the overlying elongated holes (6) are widened with a mandrel, so that a circular hub opening (10) is formed when the plurality of layers (1) are pressed together. A gear produced in this way has a plurality of layers (1) of a fiber-plastic composite material arranged one above the other, wherein fibers (3) extend at a distance from the hub opening (10) in a straight line and parallel to a main direction of the fibers (5) and in one adjacent to the hub opening (10) Hub edge portion (11) having a to a hub opening edge (12) adapted curved course.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelements mit einer Nabenöffnung aus mehreren Lagen eines Faserkunststoffverbundmaterials, wobei in jeder Lage geradlinig in einer Faserhauptrichtung verlaufende Fasern in ein Matrixmaterial eingebettet sind. The invention relates to a method for producing a machine element having a hub opening made of a plurality of layers of a fiber-reinforced plastic composite material, wherein fibers running in a straight line in a main fiber direction are embedded in a matrix material in each layer.

Maschinenelemente aus einem Faserkunststoffverbundmaterial können im Vergleich zu Maschinenelementen aus Metall ein erheblich geringeres Eigengewicht bei vergleichbaren oder vorteilhafteren mechanischen Eigenschaften wie beispielsweise Festigkeit, Haltbarkeit und Verschleiß aufweisen. Auch aus diesem Grund werden zunehmend Maschinenelemente aus einem für die betreffende Anwendung geeigneten Faserkunststoffverbundmaterial hergestellt. Machine elements made of a fiber-reinforced plastic composite material can have a significantly lower dead weight compared to machine elements made of metal with comparable or more advantageous mechanical properties such as strength, durability and wear. For this reason, too, machine components are increasingly produced from a fiber-plastic composite material suitable for the respective application.

Rotationssymmetrische Maschinenelemente wie beispielsweise Wellen, Hohlwellen oder Spannringe können aus einer mit einem Kunststoffmaterial imprägnierten Endlosfaser hergestellt werden, mit der ein Dorn oder ein Kern umwickelt wird. Nicht rotationssymmetrische und insbesondere eine komplexe Formgebung aufweisende Maschinenelemente können aus mehreren Lagen eines vorgefertigten Faserkunststoffverbundmaterials hergestellt werden, die entweder vor oder nach einem Verpressen der einzelnen Lagen miteinander zugeschnitten, bzw. in ein Werkzeug eingebracht werden, um die gewünschte Formgebung des Maschinenelements zu erzeugen. Rotationally symmetric machine elements such as shafts, hollow shafts or clamping rings can be made of an impregnated with a plastic material continuous fiber, with which a mandrel or a core is wrapped. Non-rotationally symmetric and in particular a complex shaping having machine elements can be made of several layers of a prefabricated fiber composite material, either cut together before or after pressing the individual layers, or introduced into a tool to produce the desired shape of the machine element.

Beispielsweise aus US 4,404,156 ist es bekannt, ein zahnradförmiges Maschinenelement aus einem Stapel übereinander angeordneter, jeweils gesondert hergestellter Lagen aus einem Faserkunststoffverbundmaterial herzustellen, die anschließend in einem Werkzeug erhitzt und verpresst werden. Das aus mehreren miteinander verpressten Lagen bestehende Gebilde wird anschließend mit einer zentralen Bohrung sowie mit einer zahnradförmigen Außenkontur versehen. For example US 4,404,156 It is known to produce a gear-shaped machine element from a stack of superposed, each separately produced layers of a fiber-reinforced plastic composite material, which are then heated and pressed in a tool. The structure consisting of several compressed layers is then provided with a central bore and with a gear-shaped outer contour.

Es hat sich gezeigt, dass ein derart aus mehreren Lagen aus einem Faserkunststoffmaterial hergestelltes Zahnrad für viele Anwendungen eine ausreichende Festigkeit und Haltbarkeit der entlang der äußeren Umfangskontur ausgebildeten Zähne aufweist, jedoch nur bedingt dazu geeignet ist, große Momente auf eine in der zentralen Bohrung angeordnete Welle zu übertragen. Die Verwendung eines derart hergestellten Zahnrads ist demzufolge auf Anwendungsfälle beschränkt, bei denen keine großen Drehmomente von dem Zahnrad aufgenommen und auf eine Welle übertragen werden müssen, die in der zentralen Bohrung angeordnet und festgelegt ist. It has been found that such a gear made of a plurality of layers of a fiber plastic material for many applications has sufficient strength and durability of the teeth formed along the outer peripheral contour, but is only limited suitable to large moments on a shaft arranged in the central bore transferred to. The use of a gear thus produced is therefore limited to applications in which no large torques must be absorbed by the gear and transmitted to a shaft which is arranged and fixed in the central bore.

Aus DE 199 09 191 A1 ist es bekannt, ein Zahnrad aus mehreren Fasergelegen herzustellen, wobei einzelne Faserstränge unterschiedlich ausgerichtet sind und das Zahnrad sowohl senkrecht als auch parallel zu den Wandungen der Zahnradflanken ausgerichtete Faserstränge aufweist. Die Herstellung eines derart ausgestalteten Zahnrads aus Faserkunststoffverbundmaterialien ist aufwendig und kostenintensiv. Eine möglicherweise erhöhte mechanische Festigkeit einzelner Zahnradflanken wirkt sich nicht ohne weiteres auf eine verbesserte drehfeste Verbindung des derart hergestellten Zahnrads mit einer Welle aus, die durch eine zentrale Bohrung in dem Zahnrad geführt wird. Out DE 199 09 191 A1 It is known to produce a gear of several fiber layers, wherein individual fiber strands are oriented differently and the gear has both perpendicular and parallel to the walls of the gear flanks aligned fiber strands. The production of such a designed gear made of fiber-reinforced plastic composite materials is complicated and expensive. A possibly increased mechanical strength of individual gear flanks does not readily affect an improved rotationally fixed connection of the gear thus produced with a shaft which is guided through a central bore in the gear.

Um eine möglichst haltbare und große Drehmomente übertragende Anbindung eines Zahnradrings aus einem Faserkunststoffverbundmaterial mit einer durch eine zentrale Ausnehmung verlaufenden Welle zu ermöglichen, ist es beispielsweise aus US 2013139630 A bekannt, an einer Innenseite eines Zahnradrings aus einem Faserkunststoffverbundmaterial einen Verbindungsring aus Metall stoffschlüssig, bzw. formschlüssig mit dem Zahnradring zu verbinden. Der Verbindungsring aus Metall ermöglicht die Übertragung großer Drehmomente zwischen einer innenliegend angeordneten Welle und dem um den Verbindungsring anliegenden Zahnring. Die Herstellung mehrerer Einzelteile aus unterschiedlichen Materialien und deren Montage ist kosten- und zeitaufwendig. Einige Vorteile eines Zahnrads aus einem Faserkunststoffverbundmaterial wie beispielsweise ein geringes Eigengewicht und eine hohe Laufruhe können bei einer derartigen Kombination mit Metallkomponenten nur teilweise erreicht werden. In order to enable the most durable and high torque transmitting connection of a gear ring made of a fiber-reinforced plastic composite material with a running through a central recess shaft, it is for example US 2013139630 A known to cohesively or positively connected to the gear ring on an inner side of a gear ring of a fiber-plastic composite material, a connecting ring made of metal. The connecting ring made of metal allows the transmission of large torques between an internally arranged shaft and the voltage applied to the connecting ring toothed ring. The production of several items made of different materials and their installation is costly and time consuming. Some advantages of a fiber of a composite fiber material such as a low weight and a quiet running can be achieved only partially in such a combination with metal components.

Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelements mit einer Nabenöffnung so auszugestalten, dass mit möglichst geringem Aufwand die Vorteile einer Herstellung des Maschinenelements aus einem Faserkunststoffverbundmaterial kombiniert werden können mit einer möglichst drehfesten bzw. hohe Drehmomente übertragenden Anbindung des Maschinenelements an eine in der Nabenöffnung angeordnete Welle. It is therefore regarded as an object of the present invention to design a method for producing a machine element with a hub opening in such a way that the advantages of producing the machine element from a fiber-reinforced plastic composite material can be combined with as little effort as possible with a connection that is as non-rotatable or high torque as possible of the machine element to a shaft arranged in the hub opening.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei der Herstellung des aus mehreren Lagen eines Faserkunststoffverbundmaterials zusammengesetzten Maschinenelements in jede Lage aus Faserkunststoffverbundmaterial ein Langloch eingebracht wird, dessen Längsachse parallel zu der Faserhauptrichtung verläuft, dass die mehreren Lagen so übereinander angeordnet werden, dass die Faserhauptrichtung von benachbarten Lagen jeweils einen Winkel zwischen 0° und 180° zueinander aufweisen und dass die Mittelpunkte der Langlöcher übereinander angeordnet sind, und dass die übereinanderliegenden Langlöcher mit einem Dorn aufgeweitet werden, so dass eine kreisförmige Nabenöffnung gebildet wird, wenn die mehreren Lagen miteinander verbunden werden. Die mit ihrer Längsachse parallel zu der Faserhauptrichtung ausgerichteten Langlöcher ermöglichen es auf Grund der geringen Breite, nur eine geringe Anzahl von Fasern zu durchtrennen und dennoch eine vergleichweise großflächige Aussparung aus der Lage aus Faserkunststoffverbundmaterial herauszutrennen. Bei dem anschließenden Aufweiten der Langlöcher werden die Langlöcher nahezu ausschließlich quer zu ihrer Längsachse aufgeweitet, so dass die zunächst parallel zu der Faserhauptrichtung ausgerichteten Fasern nicht primär einer Zugbelastung unterworfen werden, sondern im Wesentlichen seitlich ausgelenkt und bei der Verformung des Langlochs seitlich verlagert und zu dem gekrümmten Verlauf verformt werden. Diese durch die Aufweitung der Langlöcher quer zu deren Längsrichtung erzwungene Verformung der einzelnen Lagen und der darin eingebetteten Fasern ist mit einer erheblich geringeren mechanischen Beanspruch der einzelnen Lagen während des Verformungsvorgangs verbunden, als es beispielsweise bei einer vergleichbar großen Aufweitung einer ursprünglich kreisförmigen Aussparung mit einem geringeren Durchmesser der Fall wäre. This object is achieved in that in the production of the composite of several layers of a fiber plastic composite machine element in each layer of fiber plastic composite a slot is introduced whose longitudinal axis is parallel to the main fiber direction, that the plurality of layers are arranged one above the other, that the main direction of fiber adjacent layers each have an angle between 0 ° and 180 ° to each other and that the centers of the slots are arranged one above the other, and that the superimposed slots with a mandrel be widened so that a circular hub opening is formed when the multiple layers are joined together. The aligned with its longitudinal axis parallel to the main fiber direction elongated holes allow due to the small width, only a small number of fibers to cut and yet to separate a comparatively large-area recess from the layer of fiber-reinforced plastic composite material. In the subsequent widening of the elongated holes, the slots are widened almost exclusively transverse to its longitudinal axis, so that the first aligned parallel to the main fiber direction fibers are not primarily subjected to a tensile load, but deflected substantially laterally and laterally displaced during the deformation of the elongated hole and the curved shape to be deformed. This deformation of the individual layers and the fibers embedded therein, which is forced through the widening of the oblong holes transversely to their longitudinal direction, is associated with a considerably lower mechanical stress of the individual layers during the deformation process than, for example, a comparably large widening of an originally circular recess with a smaller one Diameter of the case would be.

Ein derartig hergestelltes Maschinenelement kann beispielsweise mit einem reibkraftschlüssigen Längspressverband kostengünstig und ausreichend fest an einer Welle oder an einem Stab, bzw. Bolzen festgelegt werden, der durch die Nabenöffnung hindurch angeordnet wird. Die Welle, bzw. der Stab oder der Bolzen können in vorteilhafter Weise ebenfalls aus einem Faserkunststoffverbundmaterial hergestellt sein. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nicht nur einzelne Maschinenelemente, sondern auch aus diesen Maschinenelementen zusammengesetzte komplexe Baugruppen wie beispielsweise Getriebe oder Antriebsstränge vollständig aus Faserkunststoffverbundmaterialien hergestellt werden. A machine element produced in this way can, for example, be fixed cost-effectively and sufficiently firmly to a shaft or to a rod or bolt, for example by means of a frictional force-locking longitudinal compression bandage, which is arranged through the hub opening. The shaft, or the rod or the bolt can also be made of a fiber-reinforced plastic composite material in an advantageous manner. With the method according to the invention not only individual machine elements, but also from these machine elements composite complex assemblies such as gears or drive trains can be made entirely of fiber-reinforced plastic composite materials.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Breite der Langlöcher einem Radius der Nabenöffnung entspricht. Es hat sich gezeigt, dass durch den anschließenden Vorgang des Aufweitens der Langlöcher eine besonders vorteilhafte Festigkeit des Maschinenelements in einem Umgebungsbereich um die Nabenöffnung ermöglicht wird und gleichzeitig eine zuverlässige Festlegung des Maschinenelements an einer durch die Nabenöffnung verlaufenden Welle erleichtert wird. Durch die Ausbildung von Langlöchern mit einer derartigen Breite in den einzelnen Lagen kann zudem das Risiko erheblich reduziert und gegebenenfalls vollständig ausgeschlossen werden, dass sich bei dem anschließenden Aufweiten der Langlöcher die einzelnen Lagen auf Grund einer übermäßigen Verformung und mechanischen Beanspruchung aufspalten und einzelne Fasern reißen oder beschädigt werden. It is preferably provided that a width of the oblong holes corresponds to a radius of the hub opening. It has been shown that a particularly advantageous strength of the machine element in a surrounding area around the hub opening is made possible by the subsequent process of widening the elongated holes and at the same time a reliable fixing of the machine element is facilitated on a shaft extending through the hub opening. The formation of slots with such a width in the individual layers, the risk can also be significantly reduced and possibly completely ruled out that split in the subsequent expansion of the slots, the individual layers due to excessive deformation and mechanical stress and tear individual fibers or to be damaged.

Es hat sich herausgestellt, dass ein auf diese Weise hergestelltes Maschinenelement besonders vorteilhafte Eigenschaften aufweist, wenn ein Umfang der Langlöcher einem Umfang der Nabenöffnung entspricht. It has been found that a machine element produced in this way has particularly advantageous properties when a circumference of the elongated holes corresponds to a circumference of the hub opening.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eignet sich in besonders vorteilhafter Weise für die Herstellung von Maschinenelementen mit einer Nabenöffnung, die einen Durchmesser von mehr als 15 mm aufweist. Es ist besonders vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren so auszugestalten, dass die Breite der in die einzelnen Lagen eingebrachten Langlöcher mehr als 8 mm, vorzugsweise mehr als 10 mm beträgt. The production method according to the invention is particularly suitable for the production of machine elements with a hub opening having a diameter of more than 15 mm. It is particularly advantageous to design the method according to the invention in such a way that the width of the elongated holes introduced into the individual layers is more than 8 mm, preferably more than 10 mm.

Um zu vermeiden, dass während der Aufweitung der Langlöcher in einem angrenzenden Nabenrandbereich ein übermäßig großes Volumen von aus benachbarten Schichten verdrängten Masseanteilen ansammelt, ist gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens vorgesehen, dass ein Umfang der Langlöcher so vorgegeben ist, dass bei einem anschließenden Verbinden der einzelnen Lagen der Nabenrandbereich über alle Lagen hinweg vollständig mit Faserkunststoffverbundmaterial ausgefüllt wird. Der Umfang der Langlöcher kann dabei für ein vorgegebenes Maschinenelement entweder experimentell oder durch numerische Simulation bzw. theoretische Abschätzungen ermittelt werden. In vielen Fällen wird der Umfang der Langlöcher größer als der Umfang und kleiner als ein 1,2-facher Umfang der Nabenöffnung sein. In order to prevent an excessive volume of mass portions displaced from adjacent layers from accumulating during the widening of the elongated holes in an adjacent hub edge region, according to an embodiment of the invention, it is provided that a circumference of the elongated holes is predetermined so that the individual components are subsequently joined Laying the hub edge area over all layers completely filled with fiber plastic composite material. The extent of the elongated holes can be determined for a given machine element either experimentally or by numerical simulation or theoretical estimates. In many cases, the circumference of the slots will be greater than the circumference and less than 1.2 times the circumference of the hub opening.

In Abhängigkeit von den jeweiligen Verwendungszwecken kann auch ein abweichendes Umfangsverhältnis vorteilhaft sein. Das für ein vorgegebenes Maschinenelement bzw. für verschiedene Anwendungsfälle jeweils vorteilhafte Verhältnis des Umfangs der Langlöcher zu dem Umfang der Nabenöffnung kann ebenfalls vorab entweder experimentell oder durch geeignete Simulationen und Berechnungen theoretisch ermittelt werden. Depending on the particular uses, a different circumferential ratio may also be advantageous. The ratio of the circumference of the elongated holes to the circumference of the hub opening, which is advantageous in each case for a given machine element or for different applications, can likewise be determined theoretically beforehand either experimentally or by suitable simulations and calculations.

Für die erfindungsgemäße Herstellung eines derartigen Maschinenelements können je nach Anwendungsfall unterschiedliche geeignete Materialien verwendet werden. So kann das Maschinenelement beispielsweise aus mehreren Lagen mit einem duroplastischen Matrixmaterial hergestellt werden, in welches Glasfasern eingebettet sind. Depending on the application, different suitable materials can be used for the production according to the invention of such a machine element. For example, the machine element can be produced from a plurality of layers with a thermosetting matrix material in which glass fibers are embedded.

Es hat sich gezeigt, dass insbesondere Zahnräder mit einer zentral angeordneten Nabenöffnung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einfach und kostengünstig hergestellt werden können. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass jede Lage mit einer zahnradförmigen äußeren Umfangskontur versehen wird und dass die mehreren Lagen in einer geeigneten Werkzeugform zu einem Zahnrad verbunden werden. Die Anordnung und Ausrichtung der zahnradförmigen äußeren Umfangskontur kann für jede Lage an die Anordnung des Langlochs und die Faserhauptrichtung in der betreffenden Lage angepasst sein, so dass bei einer Anordnung der einzelnen Lagen übereinander, die durch die jeweilige Faserhauptrichtung und die Ausrichtung desbetreffenden Langlochs vorgegeben wird, die äußere Umfangskonturen in axialer Richtung fluchtend und deckungsgleich übereinander angeordnet sind. Auf diese Weise werden eine umfangreiche Nachbearbeitung der Umfangskontur des Zahnrads und eine damit einhergehende Schwächung der mechanischen Stabilität und Abriebfestigkeit der Umfangskontur vermieden It has been shown that, in particular, gears with a centrally located hub opening can be produced simply and inexpensively by the method according to the invention. For this purpose it is provided that each situation with a geared outer peripheral contour is provided and that the plurality of layers are connected in a suitable tool shape to a gear. The arrangement and orientation of the gear-shaped outer circumferential contour can be adapted for each layer to the arrangement of the slot and the main fiber direction in the relevant position, so that when an arrangement of the individual layers one above the other, which is determined by the respective fiber main direction and the orientation of the relevant slot, the outer circumferential contours are aligned in the axial direction and arranged congruently one above the other. In this way, a comprehensive reworking of the peripheral contour of the gear and a concomitant weakening of the mechanical stability and abrasion resistance of the peripheral contour are avoided

Im Hinblick auf eine vorteilhafte Verwendung eines derart hergestellten Maschinenelements als Zahnrad oder Getrieberad ist vorgesehen, dass jede Lage Kohlefasern aufweist, die in eine Matrix aus thermoplastischem Kunststoffmaterial eingebettet sind. Durch die Verwendung von Kohlefasern als eingebettete Fasern ergeben sich besonders vorteilhafte Reib- bzw. Gleiteigenschaften der äußeren zahnradförmigen Umfangskontur. Die Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffmaterials und insbesondere eines geeigneten Polyamid-Kunststoffmaterials ermöglicht vorteilhafte Schmierungseigenschaften während einer Nutzung des Zahnrads. With regard to an advantageous use of a machine element produced in this way as a toothed wheel or gear wheel, it is provided that each layer has carbon fibers which are embedded in a matrix of thermoplastic material. The use of carbon fibers as embedded fibers results in particularly advantageous friction or sliding properties of the outer gear-shaped circumferential contour. The use of a thermoplastic plastic material, and particularly a suitable polyamide plastic material, provides beneficial lubrication properties during use of the gear.

Die Erfindung betrifft auch ein Maschinenelement mit einer Nabenöffnung, wobei das Maschinenelement mehrere übereinander angeordnete Lagen eines Faserkunststoffverbundmaterials mit in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern aufweist. The invention also relates to a machine element having a hub opening, wherein the machine element has a plurality of layers of a fiber-reinforced plastic composite material arranged one above the other with fibers embedded in a matrix material.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Fasern in einem Abstand zu der Nabenöffnung jeweils geradlinig in einer Faserhauptrichtung verlaufen, dass Fasern in einem an die Nabenöffnung angrenzenden Nabenrandbereich einen an den Nabenöffnungsrand angepassten gekrümmten Verlauf aufweisen, und dass die Faserhauptrichtungen benachbart angeordneter Lagen einen Winkel zwischen 0° und 180° zueinander aufweisen. Ein derartiges Maschinenelement kann aus mehreren vorgefertigten Lagen einfach und kostengünstig hergestellt werden. Durch die gekrümmte Anordnung von Fasern in dem Nabenrandbereich werden sowohl vorteilhafte mechanische Eigenschaften und insbesondere eine durch die gekrümmt verlaufenden Fasern erhöhte Festigkeit des Zahnrads in dem Nabenrandbereich ermöglicht, als auch eine zuverlässige und große Drehmomente übertragende Verbindung des Zahnrads mit einer durch die Nabenöffnung verlaufenden Welle ermöglicht. According to the invention, fibers extend in a straight line in a fiber main direction at a distance from the hub opening, fibers in a hub edge region adjoining the hub opening have a curved course adapted to the hub opening edge, and the fiber main directions of adjacently arranged layers have an angle between 0 ° and 180 ° to each other. Such a machine element can be made easily and inexpensively from a plurality of prefabricated layers. The curved arrangement of fibers in the hub edge region enables both advantageous mechanical properties and, in particular, increased strength of the gear in the hub rim region as a result of the curved fibers, as well as enabling a reliable and high torque transmitting connection of the gear with a shaft passing through the hub opening ,

Die Eigenschaften und Vorteile eines erfindungsgemäßen Maschinenelements werden besonders deutlich, bzw. führen zu besonders günstigen Ergebnissen, wenn das Maschinenelement ein Zahnrad ist. Die einzelnen Lagen können eine zahnradförmige äußere Umfangskontur aufweisen und in geeigneter Weise übereinander angeordnet und miteinander verbunden werden, so dass nach dem Verbinden der Lagen und dem Aufweiten der zentralen Nabenöffnung keine nennenswerte Nachbearbeitung der äußeren Umfangskontur erforderlich wird, um das Zahnrad fertigzustellen. The properties and advantages of a machine element according to the invention are particularly clear, or lead to particularly favorable results when the machine element is a gear. The individual layers may have a gear-shaped outer peripheral contour and be suitably superimposed and connected to each other, so that after connecting the layers and the expansion of the central hub opening no significant reworking of the outer circumferential contour is required to complete the gear.

Ein Maschinenelement und insbesondere ein Zahnrad mit den vorangehend genannten Merkmalen kann in vorteilhafterweise mit einem vorangehend näher beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt werden. A machine element, and in particular a gear wheel with the features mentioned above, can advantageously be produced with a production method described in more detail above.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens näher erläutert, das in der Zeichnung exemplarisch dargestellt ist. Es zeigt: Hereinafter, an embodiment of the inventive concept will be explained in more detail, which is shown by way of example in the drawing. It shows:

1 eine exemplarische Darstellung von vier vorgefertigten Lagen aus einem Faserkunststoffverbundmaterial, wobei in jeder Lage geradlinig in einer Faserhauptrichtung verlaufende Fasern angeordnet sind und die Faserhauptrichtungen der vier exemplarisch dargestellten Lagen jeweils einen Winkel von 45° zueinander aufweisen, 1 an exemplary representation of four prefabricated layers of a fiber-reinforced plastic composite material, wherein in each layer linearly extending in a fiber main direction fibers are arranged and the fiber main directions of the four exemplified layers each having an angle of 45 ° to each other,

2 eine schematische Darstellung der in eine Abbildungsebene projizierten Faserverläufe und der Anordnungen der Langlöcher der übereinander angeordneten Lagen, 2 a schematic representation of the projected into an image plane fiber profiles and the arrangements of the slots of the superimposed layers,

3 eine schematische Darstellung einer Projektion in eine Abbildungsebene von einzelnen exemplarisch herausgegriffenen Fasern aus den verschiedenen Lagen nach dem Aufweiten der Langlöcher und 3 a schematic representation of a projection into an image plane of individual exemplary picked out fibers from the different layers after the expansion of the slots and

4 eine perspektivische Ansicht eines Zahnrads, das aus einem Stapel übereinander angeordneter Lagen gemäß 1 hergestellt ist. 4 a perspective view of a gear, which consists of a stack of superimposed layers according to 1 is made.

In 1 sind exemplarisch vier Lagen 1 aus einem Faserkunststoffverbundmaterial dargestellt, die jeweils eine zahnradförmige äußere Umfangskontur 2 aufweisen. In jeder Lage 1 sind Kohlefasern 3 in ein Matrixmaterial 4 aus Polyamid eingebettet, wobei zur Veranschaulichung in jeder Lage 1 lediglich einige wenige Kohlefasern 3 abgebildet sind. Die einzelnen Kohlefasern 3 weisen jeweils einen geradlinigen Verlauf auf und sind parallel zu einer Faserhauptrichtung 5 ausgerichtet, die mit einem Pfeil dargestellt ist. Die einzelnen Lagen 1 können jeweils aus einem handelsüblichen Prepreg mit einer Dicke von üblicherweise weniger als 1 mm hergestellt bzw. ausgestanzt sein. In 1 are exemplarily four layers 1 from a fibrous plastic composite material, each having a gear-shaped outer circumferential contour 2 exhibit. In every situation 1 are carbon fibers 3 in a matrix material 4 embedded in polyamide, by way of illustration in each layer 1 only a few carbon fibers 3 are shown. The individual carbon fibers 3 each have a rectilinear course and are parallel to a main fiber direction 5 aligned, which is shown with an arrow. The individual layers 1 can each be made or punched out of a commercially available prepreg having a thickness of usually less than 1 mm.

In jeder Lage 1 ist jeweils ein mittig angeordnetes Langloch 6 eingebracht bzw. ausgestanzt worden. Das Langloch 6 ist in jeder Lage mit seiner Längsrichtung, der Richtung des größten Abstands von gegenüberliegenden Seitenwänden, parallel zu der Faserhauptrichtung 5 ausgerichtet. Durch die Ausrichtung der Langlöcher 6 in den einzelnen Lagen 1 wird erreicht, dass in jeder Lage 1 nur wenige Kohlefasern 3 durch das Einbringen des Langlochs 6 in die Lage 1 durchtrennt werden müssen. Jedes Langloch 6 weist eine Breite 7 von etwa 20 mm und eine Länge von etwa 50 mm auf. Ein Durchmesser der zahnradförmigen Lage 1 beträgt etwa 100 mm. In every situation 1 is in each case a centrally arranged slot 6 introduced or punched out. The slot 6 is in any position with its longitudinal direction, the direction of greatest distance from opposite side walls, parallel to the main fiber direction 5 aligned. By aligning the slots 6 in the individual layers 1 is achieved in every situation 1 only a few carbon fibers 3 by introducing the slot 6 in the position 1 have to be severed. Every slot 6 has a width 7 of about 20 mm and a length of about 50 mm. A diameter of the gear-shaped layer 1 is about 100 mm.

Die einzelnen Lagen 1 werden anschließend übereinander zu einem Stapel angeordnet, wobei Mittelpunkte 8 der Langlöcher 6 entlang einer senkrecht zu der Abbildungsebene gerichteten und in 2 nicht eingezeichneten Mittenachse 9 übereinander angeordnet sind. Die Umfangskonturen 2 der einzelnen Lagen 1 sind dann deckungsgleich übereinander angeordnet. Die Faserhauptrichtungen 5 von zwei benachbarten und übereinander angeordneten Lagen 1 weisen jeweils einen Winkel von 45° oder 90° zueinander auf. In 2 sind die geradlinig verlaufenden Kohlefasern 3 und die Langlöcher 6 der einzelnen Lagen 1 in eine gemeinsame Abbildungsebene projiziert dargestellt. The individual layers 1 are then stacked on top of each other to form a stack, with midpoints 8th the long holes 6 along a direction perpendicular to the image plane and in 2 not marked center axis 9 are arranged one above the other. The circumferential contours 2 the individual layers 1 are then arranged congruently one above the other. The main fiber directions 5 of two adjacent and stacked layers 1 each have an angle of 45 ° or 90 ° to each other. In 2 are the rectilinear carbon fibers 3 and the slots 6 the individual layers 1 shown projected in a common image plane.

In die übereinander angeordneten Langlöcher 6 der Lagen 1 wird ein nicht dargestellter Dorn mit einem in axialer Richtung zunehmenden Durchmesser eingebracht. Mit dem Dorn werden die Langlöcher 6 zu einer in 3 schematisch dargestellten kreisförmigen Nabenöffnung 10 aufgeweitet. Nach dem Aufweiten weist die Nabenöffnung 10 einen Durchmesser von etwa 40 mm auf. Durch den Vorgang des Aufweitens werden die einzelnen Langlöcher 6 jeweils in eine kreisförmige Ausnehmung verformt. Dabei werden die Kohlefasern 3 in einem mit einer gestrichelten Linie angedeuteten Nabenrandbereich 11 leicht verformt, so dass die einzelnen Kohlefasern 3 in dem Nabenrandbereich 11 einen gekrümmten und an einen Nabenöffnungsrand 12 angepassten gekrümmten Verlauf aufweisen. Die durch das Aufweiten der Langlöcher 6 erzwungene Verformung der einzelnen Lagen 1 ist im Wesentlichen auf den Nabenrandbereich 11 beschränkt. Im Abstand zu der Nabenöffnung 10 bzw. dem Nabenrandbereich 11 werden die in dem Matrixmaterial 4 eingebetteten Kohlefasern 3 nicht verformt und behalten ihren geradlinigen Verlauf parallel zu der Faserhauptrichtung 5 bei. In the superimposed slots 6 the layers 1 an unillustrated mandrel is introduced with an increasing diameter in the axial direction. With the thorn become the oblong holes 6 to one in 3 schematically illustrated circular hub opening 10 widened. After widening, the hub opening points 10 a diameter of about 40 mm. By the process of widening the individual slots are 6 each deformed in a circular recess. This will be the carbon fibers 3 in a direction indicated by a dashed line hub edge region 11 slightly deformed, leaving the individual carbon fibers 3 in the hub edge area 11 a curved and to a hub opening edge 12 have adapted curved course. The by the expansion of the slots 6 forced deformation of the individual layers 1 is essentially on the hub rim area 11 limited. At a distance to the hub opening 10 or the rim area 11 become those in the matrix material 4 embedded carbon fibers 3 not deformed and keep their straight line parallel to the main fiber direction 5 at.

In 4 ist ein aus mehreren Lagen 1 hergestelltes Zahnrad 13 dargestellt, das an einer durch die Nabenöffnung 10 verlaufenden, in 4 nicht dargestellten Welle festgelegt werden kann. Das aus mehreren Lagen 1 zusammengesetzte Zahnrad 13 ist mit dem vorangehend beschriebenen Verfahren aus Prepregs mit Kohlefasern 3 hergestellt, die in ein Polyamid-Matrixmaterial eingebettet sind. Die Welle kann ebenfalls aus einem geeigneten Faserkunststoffverbundmaterial bestehen. Das in 4 exemplarisch dargestellte Zahnrad 13 weist ein geringes Eigengewicht und damit einhergehend eine geringe träge Masse auf. Das Zahnrad 13 zeichnet sich durch eine hohe Laufruhe und vorteilhafte Gleit- und Schmiereigenschaften während des Betriebs aus. Auf Grund des geringen Eigengewichts können hohe Beschleunigungen des Zahnrads 13 mit einem geringen Energieaufwand erreicht werden. In 4 is one of several layers 1 manufactured gear 13 shown at one through the hub opening 10 running, in 4 not shown wave can be set. This from several layers 1 compound gear 13 is prepregs with carbon fibers by the method described above 3 prepared embedded in a polyamide matrix material. The shaft may also be made of a suitable fibrous plastic composite material. This in 4 exemplified gear 13 has a low weight and concomitantly a low inertial mass. The gear 13 is characterized by a very smooth running and advantageous sliding and lubricating properties during operation. Due to the low weight, high accelerations of the gear can 13 be achieved with a low energy consumption.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 4404156 [0004]
DE 19909191 A1 [0006]
US 2013139630 A [0007]

Claims

Method for producing a machine element with a hub opening ( 10 ) from several prefabricated layers ( 1 ) of a fiber-plastic composite material, wherein in each layer ( 1 ) straight in a main fiber direction ( 5 ) running fibers ( 3 ) into a matrix material ( 4 ), characterized in that in each layer ( 1 ) a slot ( 6 ) is introduced, whose longitudinal axis parallel to the main fiber direction ( 5 ) that the multiple layers ( 1 ) are arranged one above the other so that the main fiber directions ( 5 ) of adjacent layers ( 1 ) each have an angle between 0 ° and 180 ° to each other and that the centers ( 8th ) of the oblong holes ( 6 ) are arranged one above the other and that the superposed slots ( 6 ) are expanded with a mandrel, so that a circular hub opening ( 10 ) is formed when the multiple layers ( 1 ).

Method according to claim 1, characterized in that a width ( 7 ) of the oblong holes ( 6 ) a radius of the hub opening ( 10 ) corresponds.

Method according to claim 1 or claim 2, characterized in that a circumference of the oblong holes ( 6 ) a circumference of the hub opening ( 10 ) corresponds.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a width ( 7 ) of the oblong holes ( 6 ) is more than 8 mm, preferably more than 10 mm.

Method according to one of the preceding claims 1-3, characterized in that a circumference of the oblong holes ( 6 ) is predetermined so that in the subsequent connection of the individual layers ( 1 ) the hub edge area ( 11 ) over all layers ( 1 ) completely filled with fiber plastic composite material.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that each layer ( 1 ) with a gear-shaped outer circumferential contour ( 2 ) and that the multiple layers ( 1 ) to a gear ( 13 ) get connected.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that each layer ( 1 ) Carbon fibers ( 3 ) contained in a matrix material ( 4 ) are embedded from a thermoplastic material.

A method according to claim 7, characterized in that the thermoplastic material is a polyamide.

Machine element with a hub opening ( 10 ), wherein the machine element a plurality of superimposed layers ( 1 ) of a fiber plastic composite material in a matrix material ( 4 ) embedded fibers ( 3 ), whereby fibers ( 3 ) at a distance to the hub opening ( 10 ) in each case in a straight line and parallel to a main fiber direction ( 5 ), whereby fibers ( 3 ) in one to the hub opening ( 10 ) adjacent hub edge area ( 11 ) one to a hub opening edge ( 12 ) and having the main fiber directions ( 5 ) of adjacent layers ( 1 ) have an angle between 0 ° and 180 ° to each other.

Machine element according to claim 9, characterized in that the machine element is produced by a method according to one of claims 1 to 8.

Machine element according to claim 9 or claim 10, characterized in that the machine element is a gear ( 13 ).