DE102015115913A1

DE102015115913A1 - Welleneinrichtung aus einem Faser-Kunststoff-Verbund

Info

Publication number: DE102015115913A1
Application number: DE102015115913.9A
Authority: DE
Inventors: Helmut Schürmann; Barbara Höring
Original assignee: Horiba Europe GmbH
Current assignee: Horiba Europe GmbH
Priority date: 2015-09-21
Filing date: 2015-09-21
Publication date: 2017-03-23
Also published as: EP3353439A1; CN108026979A; KR101961075B1; KR20180044930A; WO2017050684A1; CN108026979B

Abstract

Eine Welleneinrichtung weist einen inneren Wellenabschnitt (1) aus einem Faser- Kunststoff-Verbund und einen den inneren Wellenabschnitt (1) über einen Überlappungsbereich (Ü) umschließenden äußeren Wellenabschnitt (2) aus einem Faser-Kunststoff-Verbund auf. Zwischen dem inneren Wellenabschnitt (1) und dem äußeren Wellenabschnitt (2) ist in dem Überlappungsbereich (Ü) eine Fuge (3) ausgebildet, wobei in der Fuge (3) wenigstens teilweise eine Schicht aus Thermoplastischem Urethan (TPU) vorgesehen ist. Mit Hilfe der TPU-Schicht können die Dämpfungseigenschaften der Welleneinrichtung eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Welleneinrichtung zum Übertragen eines Drehmoments. Insbesondere kann die Welleneinrichtung in einem Prüfstand eingesetzt werden.
Welleneinrichtungen dienen zum Übertragen von Drehmomenten und können zum Beispiel in Prüfständen dazu genutzt werden, einen Drehmomentfluss zwischen einer Last- bzw. Antriebseinrichtung einerseits und einem Prüfling, zum Beispiel einem Verbrennungsmotor oder einer Bremse, anderseits zu übertragen.
Aus der DE 10 2011 112 708 A1 ist es bekannt, eine Wellenverbindung zu verwenden, bei der ein Wellenkörper und ein Anschlussflansch aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) bestehen.
Durch die Nutzung von Faser-Kunststoff-Verbunden zur Drehmomentübertragung kann das Massenträgheitsmoment reduziert werden, was sich auf die Dynamik des Gesamtsystems vorteilhaft auswirken kann. Allerdings weisen Wellenverbindungen aus einem Faser-Kunststoff-Verbund für viele Anwendungen eine nur unzureichende Dämpfung auf. Zur Erhöhung der Dämpfung müssen in diesen Fällen zusätzliche Dämpfungselemente, wie zum Beispiel Schwingungstilger oder Gummikupplungen in den Wellenstrang integriert werden, um die gewünschte Dämpfung zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welleneinrichtung anzugeben, die zumindest teilweise aus einem Faser-Kunststoff-Verbund besteht und bei der eine verbesserte Dämpfung erreicht werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Welleneinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Eine derartige Welleneinrichtung kann insbesondere in einer Prüfstandsvorrichtung vorteilhaft eingesetzt werden.
Eine Welleneinrichtung weist einen inneren Wellenabschnitt aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV), einen den inneren Wellenabschnitt über einen Überlappungsbereich umschließenden äußeren Wellenabschnitt aus einem Faser-Kunststoff-Verbund, und eine zwischen dem inneren Wellenabschnitt und dem äußeren Wellenabschnitt in dem Überlappungsbereich ausgebildete Fuge auf, wobei in der Fuge wenigstens teilweise eine Schicht aus Thermoplastischem Urethan (TPU) vorgesehen ist.
Der innere Wellenabschnitt und der äußere Wellenabschnitt überlappen sich somit in dem Überlappungsbereich über eine bestimmte Länge, so dass zwischen ihnen die Fuge gebildet wird. Diese Fuge ist zylindrisch ausgebildet und kann wenigstens teilweise mit TPU ausgefüllt sein. Über die Gestaltung der Fuge und die Ausfüllung mit TPU können die Dämpfungseigenschaften des Gesamtsystems eingestellt werden.
Thermoplastisches Urethan gehört zu der Gruppe der thermoplastischen Elastomere (auch als Elastoplaste bezeichnet). Dabei handelt es sich um Kunststoffe, die sich bei Raumtemperatur vergleichbar den klassischen Elastomeren verhalten, sich jedoch unter Wärmezufuhr plastisch verformen lassen und somit ein thermoplastisches Verhalten zeigen. TPU ist somit ein thermoplastisches Elastomer auf Urethan-Basis.
Je nach Dimensionierung der Fuge, insbesondere der Höhe bzw. Dicke der Fuge, und der axialen Länge der TPU-Schicht sowie den Eigenschaften des TPU-Materials selbst können definierte Dämpfungseigenschaften erreicht werden.
Der Faser-Kunststoff-Verbund ermöglicht ein sehr niedriges Gewicht der Welleneinrichtung. TPU weist im Gegensatz zu üblichen Elastomeren eine hohe Schubfestigkeit auf und eignet sich damit besonders als Dämpfungsschicht. Durch die Verwendung von TPU kann darüber hinaus die Fügelänge, also der Überlappungsbereich, in dem eine TPU-Schicht ausgebildet ist, reduziert werden.
Der äußere Wellenabschnitt kann als Hohlwelle ausgebildet sein, so dass sich der innere Wellenabschnitt leicht wenigstens teilweise in dem Hohlbereich unterbringen bzw. einschieben lassen kann.
Ebenso kann auch der innere Wellenabschnitt als Hohlwelle ausgebildet sein, um einerseits Gewicht zu sparen und um anderseits eine einfache Fertigung des inneren Wellenabschnitts aus FKV zu ermöglichen.
Unter einem Faser-Kunststoff-Verbund kann zum Beispiel ein faserverstärkter Kunststoff oder ein Faserverbund-Kunststoff verstanden werden. Dabei handelt es sich um einen Werkstoff, bestehend aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoff-Matrix. Die Matrix umgibt die Fasern, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden sind. Durch die Verwendung von Faserwerkstoffen haben Faser-Kunststoff-Verbunde ein richtungsabhängiges Elastizitätsverhalten.
Als Fasern eignen sich anorganische Verstärkungsfasern, wie Glasfasern, oder insbesondere organische Verstärkungsfasern, wie Aramid-Fasern, Kohlenstoff-Fasern, Polyester-Fasern etc. FKV-Materialien sind bekannt, so dass sich an dieser Stelle eine weitere Erläuterung erübrigt.
Für die hier erörterte Welleneinrichtung hat sich insbesondere ein Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) als geeignet erwiesen.
Die Verbindungsflächen zwischen der Schicht aus Thermoplastischem Urethan und den jeweils zugeordneten Wellenabschnitten können wenigstens teilweise eine Schicht aus einem Klebstoff ausweisen. Es hat sich erwiesen, dass das Verbinden des Faser-Kunststoff-Verbundes, insbesondere eines CFK, mit der TPU-Schicht als problematisch erweist. Mit Hilfe des Klebstoffs ist es möglich, die TPU-Schicht dauerhaft und zuverlässig mit dem FKV-Material der Wellenabschnitte zu verbinden. Dementsprechend ist es zweckmäßig, wenn die TPU-Schicht zumindest teilweise mit Hilfe des Klebstoffs an die FKV-Wellenabschnitte angeklebt ist.
Der innere Wellenabschnitt und der äußere Wellenabschnitt können einen Längspressverband bilden. Das bedeutet, dass der Außendurchmesser des inneren Wellenabschnitts vor dem Fügen etwas größer ist als der Innendurchmesser des äußeren Wellenabschnitts. Das Übermaß des inneren Wellenabschnitts kann dabei nur wenige Tausendstel oder Hundertstel Millimeter betragen. Durch das Längspressen werden der innere Wellenabschnitt und der äußere Wellenabschnitt axial ineinander gefügt und die dazwischen liegende TPU-Schicht eingepresst. Bereits dadurch entsteht ein fester Verbund, bestehend aus innerem Wellenabschnitt, TPU-Schicht und äußerem Wellenabschnitt.
Die beiden oben genannten Fügeprinzipien, nämlich das Verkleben der TPU-Schicht einerseits und der Längspressverband andererseits können auch miteinander kombiniert werden, um eine besondere Festigkeit zu erreichen.
Als Alternative zu dem Längspressverband ist auch ein Querpressverband möglich, wobei auch dieser mit dem Verkleben der TPU-Schicht kombinierbar ist.
Bei einer Variante können mehrere Paarungen aus einem inneren Wellenabschnitt und einem mit diesem inneren Wellenabschnitt über eine Schicht aus Thermoplastischem Urethan verbundenen äußeren Wellenabschnitt vorgesehen sein, wobei die Paarungen koaxial zueinander angeordnet sind und wobei durch die Paarungen ein von der Welleneinrichtung zu übertragendes Drehmoment übertragbar ist. Somit sind in einer mechanischen Reihenschaltung mehrere Paarungen aus einem inneren Wellenabschnitt und einem äußeren Wellenabschnitt vorgesehen, die das zu übertragende Drehmoment weiterleiten. In der Fuge zwischen den inneren und äußeren Wellenabschnitten ist jeweils eine TPU-Schicht vorgesehen. Dabei können einige der Wellenabschnitte jeweils mit zwei anderen, in einem entsprechenden Überlappungsbereich überlappenden Wellenabschnitten verbunden sein. So kann ein innerer Wellenabschnitt mit zwei äußeren Wellenabschnitten verbunden sein, und umgekehrt.
Bei einer Ausführungsform sind zwei innere Wellenabschnitte vorgesehen, die durch einen gemeinsamen äußeren Wellenabschnitt miteinander verbunden sind, wobei in den Fugen zwischen jeweils einem der inneren Wellenabschnitte und dem äußeren Wellenabschnitt eine Schicht aus TPU vorgesehen ist. Auf diese Weise lässt sich mit einem sehr kompakten Aufbau erreichen, dass auch eine größere Menge an TPU bzw. ein größerer (Gesamt-)Überlappungsbereich erreicht werden kann, in dem eine TPU-Schicht ausgebildet ist. Da die Dämpfungseigenschaften ganz überwiegend allein durch die TPU-Schicht bestimmt werden, können auf diese Weise durch die entsprechende Ausgestaltung die Dämpfungswerte in einem weiten Bereich erreicht werden.
Durch Aufteilung der TPU-Schichten auf mehrere Paarungen von Wellenabschnitten ist es möglich, die jeweiligen Überlappungsbereiche mit einer kurzen axialen Länge zu gestalten. Dadurch wird die Fertigung, insbesondere das Fügen der Wellenabschnitte vereinfacht.
Die beschriebene Wellenverbindung kann vorteilhaft in einer Prüfstandsvorrichtung zum Prüfen eines Prüflings eingesetzt werden. Die Prüfstandsvorrichtung kann eine Last- oder Antriebseinrichtung, wie zum Beispiel ein Dynamometer, eine Wirbelstrombremse etc., aufweisen, die mit einem Prüfling an einer Koppelstelle koppelbar ist. Bei dem Prüfling kann es sich um einen Motor, eine Bremse oder um einen ganzen Antriebsstrang handeln. In dem Drehmomentfluss zwischen der Last- oder Antriebseinrichtung einerseits und der Koppelstelle anderseits kann eine Wellenverbindung vorgesehen sein, die eine Welleneinrichtung der oben beschriebenen Art aufweisen kann. Insbesondere kann die Welleneinrichtung Wellenabschnitte aus FKV mit dazwischen angeordneten TPU-Schichten aufweisen.
Mit Hilfe der Dimensionierung und Gestaltung der TPU-Schichten ist es möglich, das Dämpfungsverhalten der Wellenverbindung in einem Bereich einzustellen, der für die Anforderungen des Prüfstands geeignet ist.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung einer Welleneinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform; und
2 eine Schnittdarstellung einer Welleneinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
1 zeigt in Schnittdarstellung einen Ausschnitt aus einer Welleneinrichtung, mit einem inneren Wellenabschnitt 1 und einem äußeren Wellenabschnitt 2.
Der innere Wellenabschnitt 1 und der äußere Wellenabschnitt 2 bestehen aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV). Dabei hat sich insbesondere ein Carbonfaser-verstärkter Kunststoff (CFK) als geeignet erwiesen.
Der äußere Wellenabschnitt 2 ist als Hohlwelle ausgeführt, so dass der ebenfalls als Hohlwelle ausgebildete innere Wellenabschnitt 1 über einen bestimmten Bereich, den sogenannten Überlappungsbereich Ü überlappt.
Zwischen dem inneren Wellenabschnitt 1 und dem äußeren Wellenabschnitt 2 ist eine Fuge 3 ausgebildet, in der eine Schicht 4 aus einem Thermoplastischen Urethan (TPU) vorgesehen ist. Die TPU-Schicht 4 erstreckt sich in dem in 1 gezeigten Bereich über die vollständige Länge der Fuge 3, also über den gesamten Überlappungsbereich Ü. Ebenso ist es aber auch möglich, dass nur ein Teil der Fuge 3 mit der TPU-Schicht 4 ausgefüllt ist, bzw. dass mehrere TPU-Schichten axial zueinander versetzt angeordnet sind.
Die Fuge 3 und dementsprechend auch die TPU-Schicht 4 sind in dem gezeigten Beispiel hohlzylindrisch ausgebildet.
2 zeigt eine andere Ausführungsform, wobei zu 1 gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Die in 2 gezeigte Welleneinrichtung weist zwei innere Wellenabschnitte auf, nämlich den inneren Wellenabschnitt 1 in der linken Bildhälfte und den inneren Wellenabschnitt 1' im rechten Bildteil. Beide innere Wellenabschnitte 1, 1' sind mit dem gemeinsamen äußeren Wellenabschnitt 2 über eine jeweilige TPU-Schicht 4, 4' gekoppelt. Auch in diesem Fall sind die Wellenabschnitte 1, 1', 2 aus einem FKV-Material, z.B. CFK, hergestellt.
Zwischen den jeweiligen Paaren von Wellenabschnitten 1, 1', 2 sind – wie bei der Ausführungsform von 1 – Fugen ausgebildet, die in 2 mit den Bezugszeichen 3 (für die im linken Bildteil gezeigte Fuge) und 3' (für die im rechten Bildteil gezeigte Fuge) versehen sind.
Je nach Ausgestaltung einer derartigen Welleneinrichtung können durch Dimensionierung der TPU-Schicht 4 bzw. 4' geeignete Dämpfungseigenschaften erreicht werden.
Aufgrund der hohen Schubfestigkeit von TPU kann die Fügelänge zwischen innerem Wellenabschnitt 1 und äußerem Wellenabschnitt 2, also der Überlappungsbereich Ü relativ kurz gestaltet werden, wie insbesondere in 2 erkennbar.
Die in 2 gezeigte Reihenschaltung von zwei TPU-Schichten 4, 4' kann auch noch weiter fortgeführt werden, so dass die Kräfte über mehrere TPU-Elemente bzw. TPU-Schichten geleitet werden.
Dadurch, dass der jeweilige Überlappungsbereich Ü bei den TPU-Schichten 4, 4' kurz gehalten werden kann, eröffnen sich weitere Gestaltungsspielräume. Darüber hinaus kann der Fügevorgang beim Fertigen der Welleneinrichtung vereinfacht werden, da die Wellenabschnitte nicht über einen längeren Überlappungsbereich Ü gefügt werden müssen.
Es hat sich herausgestellt, dass sich TPU und CFK nur schwer miteinander fügen lassen. Daher kann es sinnvoll sein, wenn in den Verbindungsflächen zwischen einer jeweiligen TPU-Schicht 4 und dem jeweiligen zu verbindenden Wellenabschnitt (innere Wellenabschnitte 1, 1', äußerer Wellenabschnitt 2) eine Klebverbindung gebildet ist.
In einem zweiten Fertigungsschritt kann zusätzlich zu der Klebeverbindung eine Drucküberlagerung durch einen Längspressverband erreicht werden. Für diesen Fall kann es zweckmäßig sein, wenn der innere Wellenabschnitt 1 ein Übermaß gegenüber dem Innendurchmesser des äußeren Wellenabschnitts 2 aufweist, damit die entsprechenden Druckkräfte erzeugt werden. Alternativ zu dem Längspressverband ist auch ein Querpressverband möglich.
Durch das Einbringen der TPU-Schicht kann eine Erhöhung der Dämpfung und damit eine Änderung der dynamischen Eigenschaften des Gesamtsystems erreicht werden. Insbesondere lassen sich die Dämpfungseigenschaften und die Torsionssteifigkeit des Gesamtsystems gezielt einstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011112708 A1 [0003]

Claims

Welleneinrichtung, mit – einem inneren Wellenabschnitt (1) aus einem Faser-Kunststoff-Verbund; – einem den inneren Wellenabschnitt (1) über einen Überlappungsbereich (Ü) umschließenden äußeren Wellenabschnitt (2) aus einem Faser-Kunststoff-Verbund; und mit – einer zwischen dem inneren Wellenabschnitt (1) und dem äußeren Wellenabschnitt (2) in dem Überlappungsbereich (Ü) ausgebildete Fuge (3); wobei – in der Fuge (3) wenigstens teilweise eine Schicht (4) aus Thermoplastischem Urethan (TPU) vorgesehen ist.
Welleneinrichtung nach Anspruch 1, wobei der äußere Wellenabschnitt (2) als Hohlwelle ausgebildet ist.
Welleneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der innere Wellenabschnitt (1) als Hohlwelle ausgebildet ist.
Welleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Faser-Kunststoff-Verbund ausgewählt ist aus der Gruppe Carbonfaser-verstärkter Kunststoff (CFK), Glasfaser-Verbundwerkstoff, Mineralfaser-Verbundwerkstoff, Keramikfaser-Verbundwerkstoff, Aramidfaser-Verbundwerkstoff, Kunststofffaser-Verbundwerkstoff, Naturfaser-Verbundwerkstoff.
Welleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Verbindungsfläche zwischen der Schicht (4) aus Thermoplastischem Urethan und einem zugeordneten Wellenabschnitt (1, 2) wenigstens teilweise eine Schicht aus einem Klebstoff aufweist.
Welleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der innere Wellenabschnitt (1) und der äußere Wellenabschnitt (2) einen Längspressverband und/oder einen Querpressverband bilden.
Welleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – mehrere Paarungen aus einem inneren Wellenabschnitt (1) und einem mit diesem inneren Wellenabschnitt (1) über eine Schicht (4) aus Thermoplastischem Urethan verbundenen äußeren Wellenabschnitt (2) vorgesehen sind; – die Paarungen koaxial zueinander angeordnet sind; und wobei – durch die Paarungen ein von der Welleneinrichtung zu übertragendes Drehmoment übertragbar ist.
Welleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – zwei innere Wellenabschnitte (1, 1') vorgesehen sind, die durch einen gemeinsamen äußeren Wellenabschnitt (2) miteinander verbunden sind; und wobei – in den Fugen (3, 3') zwischen jeweils einem der inneren Wellenabschnitte (1, 1') und dem äußeren Wellenabschnitt (2) eine Schicht (4, 4') aus Thermoplastischem Urethan vorgesehen ist.
Prüfstandsvorrichtung zum Prüfen eines Prüflings, mit – einer Last- oder Antriebseinrichtung; – einer Koppelstelle, an der der Prüfling ankoppelbar ist; und mit – einer in dem Drehmomentfluss zwischen der Last- oder Antriebseinrichtung einerseits und der Koppelstelle andererseits vorgesehenen Wellenverbindung; wobei – die Wellenverbindung eine Welleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.