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Die Erfindung betrifft ein innenverzahntes oder außenverzahntes Zahnrad aus endlosfaserverstärktem Kunststoff mit einem Zahnhüllenbereich, dessen radiale Ausdehnung kleiner oder gleich dem Modul des Zahnrads ist, und einem Grundkörper, wobei Zahnhüllenbereich und Grundkörper voneinander verschiedene mechanische und tribologische Eigenschaften aufweisen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zahnrads.
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Aus dem Stand der Technik sind Zahnräder aus Kunststoffen in unmodifizierter oder in faserverstärkter Form sowie mögliche Fertigungsverfahren bekannt. Die Fertigung von Kunststoff-Zahnrädern kann beispielsweise spangebend aus Massivmaterial oder durch Gießen bzw. Spritzgießen, wie z. B. beschrieben in der
DE 101 19 235 A1 , erfolgen.
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Die Einsatzmöglichkeiten von Kunststoffen-Zahnrädern sind bisher trotz der gegenüber metallischen Zahnrädern bestehenden Vorteile, wie beispielsweise das geringe Gewicht oder etwaige selbstschmierenden Eigenschaften, begrenzt, vor allem durch im Vergleich zu metallischen Werkstoffen reduzierte mechanische Eigenschaften, insbesondere Festigkeit und Steifigkeit. Zur Erhöhung der übertragbaren Leistung von Kunststoff-Zahnrädern existieren daher Ansätze einerseits hinsichtlich einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Grundkörpers, andererseits hinsichtlich einer Verbesserung der tribologischen Eigenschaften, um durch günstiges Reibungs- und Verschleißverhalten beispielsweise einen reduzierten Wärmeeintrag zu erhalten.
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Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Grundkörpers sowie der Anbindungsbereiche an z. B. eine Welle, eine Achse oder einen Zapfen wird nach dem Stand der Technik üblicherweise durch den Einsatz von Verstärkungsfasern erzielt. So ist es üblich, kurz- bzw. langfaserverstärkte Kunststoffe insbesondere in den o.g. Fertigungsverfahren zu verarbeiten.
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Bauteile aus endlosfaserverstärktem Kunststoff werden üblicherweise in mehreren Prozessschritten gefertigt, die beispielsweise die Herstellung eines oder mehrerer Faser-Halbzeuge und deren anschließende Infiltration mit Matrixmaterial umfassen, wie u.a. in
US 4,404,156 beschrieben. Alternativ können durch Verwendung sogenannter Hybridfasern, in denen neben den Verstärkungsfasern auch die Matrix als Faser vorliegt, Halbzeuge geschaffen werden, die nicht zusätzlich infiltriert, sondern nur noch thermisch konsolidiert werden müssen.
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Wie z. B. in der
DE 10 2008 043 525 A1 beschrieben, können die Verstärkungsfasern dabei axial gerichtet oder variabelaxial orientiert sein.
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In der
DE 199 09 191 A1 ist ein mit Langfasern verstärktes Kunststoff-Zahnrad offenbart, dessen Zähne zum einen Langfasern parallel zu den Zahnflanken, zum anderen Langfasern senkrecht zu den Zahnflanken aufweisen, wobei die Langfasern senkrecht zu den Zahnflanken mit den Langfasern parallel zu den Zahnflanken vernetzt sind. Das Restvolumen besteht vorzugsweise aus einem Multiaxialgelege. Dabei soll durch die parallel zur Zahnflanke orientierten Faserstränge die Zahnfußtragfähigkeit und durch die senkrecht zur Zahnflanke orientierten Faserstränge die Zahnflankentragfähigkeit gewährleistet werden. Die Herstellung erfolgt durch Übereinanderschichten vorgefertigter Halbzeuge, die in eine Form eingebracht und mittels eines Harzinjektionsverfahrens vervollständigt werden. Die Nabenöffnung ist als einfache zentrale Bohrung ausgeführt und nicht an die Welle oder Achse angepasst, so dass nachteilig eine drehfeste Verbindung zwischen Zahnrad und Welle oder Achse und damit die Übertragung hoher Drehmomente nicht sichergestellt ist.
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Aus der
DE 10 2014 113 294 A1 ist ebenfalls ein Zahnrad mit einer Nabenöffnung bekannt, das aus mehreren vorgefertigten Lagen eines Faser-Kunststoff-Verbunds besteht. Die vorgefertigten Lagen weisen dabei jeweils geradlinig in einer Faserhauptrichtung verlaufende Fasern und ein in Faserhauptrichtung ausgerichtetes Langloch auf. Die Lagen werden um einen Winkel zwischen 0° und 180° bezüglich ihrer Faserhauptrichtungen versetzt übereinander angeordnet, und die Nabenöffnung mit einem Dorn aufgeweitet, wodurch eine belastbare und drehfeste Verbindung mit einer Welle bezweckt wird. Das Zahnrad ist nachteilig nicht mit einer belastungsangepassten Faserstruktur ausgeführt.
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Nachteilig bei der Verwendung von Verstärkungsfasern ist der stark negative Einfluss auf das Reibungs- und Verschleißverhalten der Zahnräder, da die Verstärkungsfasern üblicherweise stark abrasiv im tribologischen System wirken.
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In der
DE 10 2014 104 949 A1 ist ein mittels Spritzgießen hergestelltes Zahnrad offenbart, dessen Zahnradgrundkörper aus einem nicht belastungsangepasst ausgeführten faserverstärkten Kunststoff besteht, während die Zahnhülle aus einem unverstärkten Kunststoff mit Zusätzen zur Reibungsreduzierung oder aus einem mit Kohlenstofffasern verstärkten Kunststoff besteht, wobei ein Schmiereffekt durch Abrieb der Kohlenstofffasern beabsichtigt ist.
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Des Weiteren sind nach dem Stand der Technik Beschichtungen bekannt, die für ein gutes tribologisches Verhalten von Zahnrädern sorgen. Für die Verwendung in Kunststoff-Zahnrädern sind diese jedoch weitgehend ungeeignet, da es aufgrund der Steifigkeitsunterschiede zwischen Beschichtung und Zahnradgrundkörper zum Abplatzen der Deckschichten kommen kann.
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Die in der
DE 10 2011 117 444 A1 vorgeschlagene Bauweise für einen Radteller eines Schienenfahrzeugrads mit einem axial gerichteten bzw. variabelaxial verstärkten Innenbereich sowie einem umlaufend verstärkten statischen Verbindungsbereich kann auf Zahnräder übertragen werden. Damit kann durch die parallel zur Oberfläche verlaufenden Verstärkungsfasern deren abrasiver Einfluss bei dynamisch bewegten Kontaktzonen reduziert werden. Nachteilig ist jedoch hier, dass die mechanischen Eigenschaften bei bewegten Kontaktzonen insbesondere im Zahnflankenbereich aufgrund der ungünstigen umlaufenden Faserarchitektur ebenso reduziert sind und es aufgrund der Steifigkeitsunterschiede zwischen Innen- und Verbindungsbereich zum schnellen Ausfall des Maschinenelements kommen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgeführten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und ein innen- oder außenverzahntes Kunststoff-Zahnrad hervorzubringen, das robust und leicht ist, vorteilhafte Notlaufeigenschaften aufweist und hohen mechanischen Belastungen standhält.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein innenverzahntes oder außenverzahntes Zahnrad aus endlosfaserverstärktem Kunststoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zahnrads mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Lösung basiert darauf, voneinander verschiedene Bereiche eines Zahnrads gemäß der an sie gestellten Anforderungen zum einen hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften und zum anderen hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften zu optimieren.
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Das erfindungsgemäße Zahnrad aus endlosfaserverstärktem Kunststoff kann als außenverzahntes Zahnrad, insbesondere Stirnrad, oder als innenverzahntes Zahnrad, insbesondere Hohlrad, ausgebildet sein. Das Zahnrad weist einen Zahnhüllenbereich auf, der umlaufend an der Zahnoberfläche angeordnet ist und dessen radiale Ausdehnung größer als 0 und kleiner oder gleich dem Modul (Normalmodul) des Zahnrads ist. Die Zahnoberfläche ist dabei im Sinne der Erfindung der Bereich, der den Kontaktbereich zu einem eingreifenden Gegenzahnrad darstellt. Der Zahnhüllenbereich umfasst Zahnflanken, Zahnkopf und Zahnfuß eines jeden Zahns des erfindungsgemäßen Zahnrads. Das nicht dem Zahnhüllenbereich zugehörige Volumen des Zahnrads, welches auch die nicht zum Zahnhüllenbereich gehörenden Bereiche der Zahnkörper umfasst, wird im Folgenden als Grundkörper bezeichnet, wobei Zahnhüllenbereich und Grundkörper voneinander verschiedene mechanische und tribologische Eigenschaften aufweisen. Insbesondere weist der Grundkörper eine höhere Steifigkeit als der Zahnhüllenbereich auf, und der Zahnhüllenbereich weist eine höhere Verschleißfestigkeit als der Grundkörper auf.
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Erfindungsgemäß weist der endlosfaserverstärkte Kunststoff des Grundkörpers ein anderes Matrixmaterial auf als der endlosfaserverstärkte Kunststoff des Zahnhüllenbereichs. Das Matrixmaterial des Zahnhüllenbereichs und des Grundkörpers unterscheiden sich voneinander beispielsweise durch ihre chemische Zusammensetzung und/oder chemische Struktur. Bevorzugt wird für den Grundkörper ein Matrixmaterial mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften, z. B. einer hohen Festigkeit, ausgewählt und für den Zahnhüllenbereich ein Matrixmaterial mit vorteilhaften tribologischen Eigenschaften, im speziellen bei der dynamischen Belastung der Zähne. Insbesondere weist der endlosfaserverstärkte Kunststoff des Zahnhüllenbereichs ein duroplastisches und/oder thermoplastisches Matrixmaterial auf, das eine andere chemische Zusammensetzung und/oder eine andere chemische Struktur hat als das duroplastische und/oder thermoplastische Matrixmaterial des Grundkörpers.
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Dabei sind Grundkörper und Zahnhüllenbereich des erfindungsgemäßen Zahnrads durch durchgängige unterbrechungsfreie Verstärkungsfasern verbunden. Die Verstärkungsfasern sind also bereichsübergreifend ausgeführt; sie verbinden Grundkörper und Zahnhüllenbereich. Vorteilhaft wird dadurch der aufgrund der unterschiedlichen Matrixmaterialien vorhandene Steifigkeitssprung zwischen Grundkörper und Zahnhüllenbereich abgeschwächt und die Schadenstoleranz des Zahnrads erhöht.
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Die radiale Ausdehnung des Zahnhüllenbereichs ist größer als 0 und kleiner oder gleich dem Modul des Zahnrads. Der Modul entspricht dem Quotienten aus der Zahnradteilung am Teilkreis und der Kreiszahl π und kann ebenso als Quotient aus dem Teilkreisdurchmesser des Zahnrads und der Zähnezahl dargestellt werden. Bevorzugt weist der Zahnhüllenbereich eine radiale Ausdehnung von mindestens einem Zehntel des Moduls bis höchstens einem Viertel des Moduls auf.
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Für das erfindungsgemäße Zahnrad sind prinzipiell alle Typen von Verstärkungsfasern geeignet, wobei bevorzugt mindestens einer der Fasertypen Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern verwendet wird.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zahnrads ist das Matrixmaterial des Zahnhüllenbereichs thermoplastisch und das Matrixmaterial des Grundkörpers duroplastisch, oder das Matrixmaterial des Zahnhüllenbereichs ist thermoplastisch und das Matrixmaterial des Grundkörpers ebenfalls thermoplastisch, wobei die beiden thermoplastischen Matrixmaterialien des Grundkörpers und des Zahnhüllenbereichs voneinander verschiedene chemische Zusammensetzungen und/oder chemische Strukturen aufweisen. Letztgenannte Ausführungsform eignet sich insbesondere für hohe Leistungsdichten, wobei im Zahnhüllenbereich Hochleistungspolymere eingesetzt werden, während im Grundkörper kostengünstigere Standardkunststoffe zur Anwendung kommen können. Duroplastische Werkstoffe weisen gegenüber thermoplastischen Werkstoffen u.a. den Vorteil eines großen Temperatureinsatzbereichs auf. Thermoplastische Werkstoffe zeichnen sich wiederum z. B. dadurch aus, dass sie, insbesondere auch bei Compoundierung mit geeigneten Füllstoffen, einen hohen Verschleißwiderstand bei geringem Gewicht aufweisen. Bevorzugt werden im Zahnhüllenbereich Matrixmaterialien mit einem günstigen tribologischen Verhalten, wie beispielsweise Phenolharz, Polyamid, Polyetheretherketon, und im Grundkörper Matrixmaterialien mit günstigen mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise Epoxidharz, eingesetzt.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zahnrads ist die Ausrichtung der endlosen Verstärkungsfasern (Faserorientierung) belastungsangepasst variabelaxial, d. h. krumm- oder geradlinig. Die ortsabhängige Faserorientierung im Grundkörper des erfindungsgemäßen Zahnrads ist dabei bezüglich der übertragbaren Leistung optimiert Im Zahnhüllenbereich liegen Verstärkungsfasern vor, die weitgehend parallel zur Zahnoberfläche, insbesondere weitgehend parallel zu Zahnflanken und Zahnfuß, ausgerichtet sind, und es liegen Verstärkungsfasern vor, die spitzwinkelig zur Zahnoberfläche ausgerichtet sind. Die parallele Faserorientierung entspricht dabei einer Ausrichtung senkrecht zur Normalen auf der Zahnoberfläche. Eine spitzwinkelige Faserorientierung entspricht einer Ausrichtung, die nicht senkrecht zur Normalen auf der Zahnoberfläche ist. Bevorzugt sind die spitzwinkelig orientierten Verstärkungsfasern in einem Winkel im Bereich von 0° bis 60° zur Normalen auf der Zahnoberfläche ausgerichtet, besonders bevorzugt in einem Winkel im Bereich von 0° bis 10° zur Normalen auf der Zahnoberfläche. Ein Winkel von 0° entspricht dabei einer der Normalen auf der Zahnoberfläche parallelen Ausrichtung.
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Die variabelaxiale Faserorientierung des erfindungsgemäßen Zahnrads ist bevorzugt dergestalt, dass mindestens eine Eigenschaften Zahnfußfestigkeit oder Zahnflankenfestigkeit optimal ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Zahnrad ein außenverzahntes Zahnrad, insbesondere ein Stirnrad, dessen Grundkörper eine Nabenöffnung aufweist, wobei der Faserverlauf auf der die Nabenöffnung begrenzenden Oberfläche unterbrechungsfrei ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich vor allem durch vorteilhafte Steifigkeitseigenschaften in statischen Kontaktzonen (Nabenöffnung) mit vorteilhafter Anbindungsmöglichkeit an eine Welle, Achse oder einen Zapfen aus.
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Die Nabenöffnung wird nicht spanend, z. B. durch Bohren, sondern bereits im Fertigungsprozess der Verstärkungsfaserstruktur in den Grundkörper eingebracht. Durch den ungestörten Faserverlauf wird vorteilhaft dem Auftreten von Nabenrissen vorgebeugtund eine besonders gute Krafteinleitung in den Grundkörper erreicht.
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In einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform weist die im Fertigungsprozess intrinsisch in den Grundkörper des erfindungsgemäßen Zahnrads eingebrachte Nabenöffnung ein Mehrkant-Umfangsrandprofil in Form eines Polygons auf, mittels dessen eine spielfreie, bevorzugt formschlüssige, Anbindung an ein komplementär profiliertes Maschinenelement, wie beispielsweise eine Welle, Achse oder einen Zapfen, bewirkt wird. Vorteilhaft wird dadurch eine auch zur Übertragung großer Drehmomente geeignete, drehfeste und belastbare Maschinenelement-Zahnrad-Verbindung geschaffen.
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In einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist die die Nabenöffnung begrenzende Oberfläche als Gleitfläche ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zahnrads ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Zahnrad einen schichtartigen Aufbau aus mindestens zwei, bevorzugt mehr als zwei Lagen vorgefertigter Endlosfaserhalbzeuge (Preforms) aufweist. Die Endlosfaserhalbzeuglagen können in radialer Richtung oder in axialer Richtung geschichtet werden. Insbesondere sind die Endlosfaserhalbzeuglagen bei einer radialen Schichtung etwa ringförmig mit von innen nach außen wachsendem Durchmesser ausgebildet. Bei einer axialen Schichtung weisen zumindest einige der Endlosfaserhalbzeuglagen den Querschnitt des Zahnrads auf.
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In einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform erlaubt insbesondere der schichtweise Aufbau des erfindungsgemäßen Zahnrads aus Endlosfaserhalbzeuglagen die Integration von funktionalen Zwischenlagen, die nicht oder zumindest nicht ausschließich aus endlosfaserverstärktem Kunststoff bestehen. Mit Hilfe metallischer funktionaler Zwischenlagen kann beispielsweise eine verbesserte Wärmeableitung erzielt werden, oder es können Zwischenlagen zur Signalverarbeitung eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Zahnrad in den Grundkörper integrierte Sensorelemente und/oder Aktorelemente auf. Bevorzugt sind die Sensor- und/oder Aktorelemente mittels Verstärkungsfasern oder Garn innerhalb oder an der Verstärkungsfaserstruktur des Grundkörpers fixiert und positioniert. Die Sensor- und/oder Aktorelemente sind in diesem Fall gemeinsam mit den Verstärkungsfasern in das Matrixmaterial eingebettet. Die Sensor- und/oder Aktorelemente sind besonders bevorzugt als Fasern ausgebildet und können daher mit den endlosen Verstärkungsfasern zu Endlosfaserhalbzeugen verarbeitet werden. Die Sensorelemente können beispielsweise zur Detektion struktureller Defekte, wie Verzerrungen in der Verstärkungsfaserstruktur, dienen.
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Das erfindungsgemäße Zahnrad wird bevorzugt als ein vorrangig durch Fliehkräfte beanspruchtes Maschinenelement verwendet, besonders bevorzugt in Planetengetrieben, ganz besonders bevorzugt als Planetenrad. Durch die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig vorteilhaftem tribologischen Verhalten eignet sich das erfindungsgemäße Zahnrad für den Einsatz in Leistungsgetrieben.
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Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads aus endlosfaserverstärktem Kunststoff. Das Zahnrad ist als innenverzahntes oder außenverzahntes Zahnrad ausgebildet. Es weist einen Zahnhüllenbereich auf, dessen radiale Ausdehnung größer als 0 und kleiner oder gleich dem Modul des Zahnrads ist, und einen Grundkörper, wobei Zahnhüllenbereich und Grundkörper voneinander verschiedene mechanische und tribobgische Eigenschaften aufweisen, und wobei der endlosfaserverstärkte Kunststoff des Zahnhüllenbereichs ein anderes Matrixmaterial aufweist als der endlosfaserverstärkte Kunststoff des Grundkörpers, und Zahnhüllenbereich und Grundkörper durch durchgängige unterbrechungsfreie Verstärkungsfasern verbunden sind. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- a. Bereitstellen von lagenförmigen Endlosfaserhalbzeugen;
- b. Integration des Matrixmaterials im Zahnhüllenbereich;
- c. Schichtweise Anordnung von mindestens zwei, bevorzugt mehr als zwei, lagenförmigen Endlosfaserhalbzeugen;
- d. Aushärtung des Matrixmaterials im Zahnhüllenbereich;
- e. Infiltration des Grundkörpers mit Matrixmaterial und Aushärtung des Matrixmaterials des Grundkörpers.
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Insbesondere die Verfahrensschritte a. und b. können auch gleichzeitig durchgeführt werden. Des Weiteren insbesondere können die Verfahrensschritte b. und c. auch in umgekehrter Reihenfolge oder gleichzeitig durchgeführt werden.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Bereitstellen der lagenförmigen Endlosfaserhalbzeuge (Verfahrensschritt a.) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens (auch als additives Fertigungsverfahren bezeichnet) zur Herstellung variabelaxial verstärkter Faserarchitekturen.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Bereitstellen der lagenförmigen Endlosfaserhalbzeuge (Verfahrensschritt a.) mit belastungsangepasst variabelaxialer Faserarchitektur mittels des Fertigungsverfahrens des Tailored Fibre Placements (TFP). Hierbei werden Verstärkungsfasern mit flexibler Faserorientierung endkonturnah auf einem Trägermaterial fixiert.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Matrixmaterial in den Zahnhüllenbereich in faserartiger und/oder folienartiger und/oder pulverartiger Form integriert (Verfahrensschritt b.). Bevorzugte Matrixmaterialien sind thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Polyamid, Polyoxymethylen, Polyetheretherketon, die in Form von Fasern, Folien oder Pulver vorliegen, oder spezielle pulverförmige oder folienförmige duroplastische Harzsysteme mit thermoplastischen Verarbeitungseigenschaften, wie A.S.Set.
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Die Integration faserartiger Matrixmaterialien kann beispielsweise durch die Nutzung von Hybridfasern (vorimprägnierte Garne aus Verstärkungs- und Thermoplastfasern) oder durch die Nutzung einer Stickgrundlage für die lagenförmigen Endlosfaserhalbzeuge auf Basis des Matrixmaterials erfolgen. Die Integration des faserartigen Matrixmaterials erfolgt bevorzugt im Zuge des Verfahrensschritts des Bereitstellens der lagenartigen Endlosfaserhalbzeuge. Anschließend erfolgt die schichtweise Anordnung von mindestens zwei mit Matrixmaterial versetzten, lagenförmigen Endlosfaserhalbzeugen.
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Die Integration eines folien- oder pulverförmigen Matrixmaterials kann durch Einfügen von einer oder mehreren Folien oder von Pulver zwischen die einzelnen Schichten der lagenförmigen Endlosfaserhalbzeuge erfolgen. Die Integration eines folien- oder pulverförmigen Matrixmaterials erfolgt bevorzugt im Zuge des Verfahrensschritts der schichtweisen Anordnung von mindestens zwei lagenförmigen Endlosfaserhalbzeugen.
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Das Matrixmaterial des Zahnhüllenbereichs wird nach der schichtweisen Anordnung von mindestens zwei lagenförmigen Endlosfaserhalbzeugen ausgehärtet, insbesondere durch einen Wärmeeintrag. Der Zahnhüllenbereich liegt dann als feste Struktur vor und kann als eine Begrenzung für die folgende Infiltration der Faserstruktur des Grundkörpers mit einem vom Matrixmaterial des Zahnhüllenbereichs verschiedenen Matrixmaterial dienen. Bevorzugt werden im Grundkörper duroplastische Matrixmaterialien, besonders bevorzugt Epoxidharz, eingesetzt.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgtdie Infiltration des Grundkörpers mit Matrixmaterial mittels eines Injektionsverfahrens. Anschließend erfolgt die Aushärtung des Matrixmaterials des Grundkörpers, z. B. unter Wärmeeintrag oder Wärmeeintrag und Anwendung von erhöhtem Druck.
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Erfindungsgemäß beschriebene Merkmale und Details der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und umgekehrt.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden durch Ausführungsbeispiele anhand von Figuren erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
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Dabei zeigt die
- 1a eine Frontalansicht einer exemplarischen Endlosfaserstruktur eines erfindungsgemäßen außenverzahnten Zahnrads;
- 1b einen Ausschnitt Z der Frontalansicht der 1a;
- 2 eine perspektivische Ansicht eines stark vergrößerten Ausschnitts der Endlosfaserstruktur eines aus Endlosfaserhalbzeuglagen aufgebauten, erfindungsgemäßen außenverzahnten Zahnrads;
- 3 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen außenverzahnten Zahnrads;
- 4 die Längsschnittebene einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen außenverzahnten Zahnrads mit integrierter Sensorik;
- 5 ein zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Zahnrads verwendetes Werkzeug.
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In 1a ist ein Ausführungsbeispiel einer Endlosfaserstruktur eines erfindungsgemäßen außenverzahnten Zahnrads 1 in Frontalansicht dargestellt; einen vergrößerten Ausschnitt bei Z dieser Endlosfaserstruktur zeigt 1b. Das erfindungsgemäße Zahnrad 1 weist einen Zahnhüllenbereich 2 und einen Grundkörper 3 auf. Im Zahnhüllenbereich 2 ist die Orientierung der Verstärkungsfasern 4 weitgehend parallel zu den Zahnflanken 111 und Zahnfüßen 112, wobei die Verstärkungsfasern 4 spitzwinkelig zur Oberfläche der Zahnflanken 111 und der Zahnfüße 112 der Zähne 11 auslaufen, was zu einer Erhöhung der Zahnflankenfestigkeit beiträgt Die Verstärkungsfasern 4 im Grundkörper 3 sind belastungsangepasst mit variabelaxialer, krummliniger Orientierung angeordnet. Zur Erhöhung der Zahnfußfestigkeit trägt der hohe Faservolumenanteil im Bereich 113 bei. Erfindungsgemäß sind Zahnhüllenbereich 2 und Grundkörper 3 durch durchgängige unterbrechungsfreie Verstärkungsfasern 4 verbunden.
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Das erfindungsgemäße Zahnrad 1 weist des Weiteren eine Nabenöffnung 5 auf. Die die Nabenöffnung 5 begrenzende Oberfläche 51 ist mittels ihrer krummlinigen Verstärkungsfaseranordnung als ein sternförmiges Vielkantprofil gestaltet, um eine drehfeste Anbindung an eine, mit einem komplementären Vielkantprofil ausgestattete Welle, Achse oder einen ebensolchen Zapfen zu gewährleisten. Da die Nabenöffnung 5 nicht nachträglich, sondern intrinsisch im endkonturnahen Fertigungsprozess in die Endlosfaserstruktur des Grundkörpers 3 eingebracht wird, ist die mechanische Belastung der Endlosfaserstrukturgering.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines stark vergrößerten Ausschnitts der Endlosfaserstruktur eines aus in axialer Richtung geschichteten Endlosfaserhalbzeuglagen 41 aufgebauten, erfindungsgemäßen außenverzahnten Zahnrads 1 im Bereich eines Zahns. Die Verstärkungsfasern 4 der einzelnen Endlosfaserhalbzeuglagen 41 verlaufen weitgehend parallel zu den Zahnflanken und enden in einem spitzen Winkel zur Zahnoberfläche.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen außenverzahnten Zahnrads 1 mit belastungsangepasst variabelaxialer Endlosfaserstruktur und schichtweisern Aufbau. Im Zahnhüllenbereich 2 des Zahnrads 1 ist ein Matrixmaterial mit günstigen tribologischen Eigenschaften in Form einer Folie 6 aufgebracht. Die an der die Nabenöffnung 5 begrenzenden Oberfläche 51, die den Anbindungsbereich zu einer Welle oder Achse oder einem Zapfen etc. darstellt, angeordneten Verstärkungsfasern 4 sind unterbrechungsfrei um die Nabenöffnung 5 umlaufend.
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4 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes außenverzahntes Zahnrad 1. Das Zahnrad 1 weist einen Zahnhüllenbereich 2 und einen Grundkörper 3 mit einer Nabenöffnung 5 auf. Der endlosfaserverstärkte Kunststoff im Zahnhüllenbereich 2 weist ein Matrixmaterial mit günstigen tribologischen Eigenschaften auf; der Grundkörper 3 ein Matrixmaterial mit günstigen mechanischen Eigenschaften. Der Grundkörper 3 ist so gestaltet, dass dessen axiale Ausdehnung im an die Nabenöffnung 5 angrenzenden Bereich 31 größer ist im an die Zähne angrenzenden Bereich 32. Die Vergrößerung der axialen Ausdehnung zwischen den Bereichen 31 und 32 erfolgt kontinuierlich; eine diskontinuierliche Verbreiterung ist aber ebenso möglich. Des Weiteren kann die Verbreiterung anwendungsangepasst rotationssymmetrisch ausgeführt sein; nicht rotationssymmetrische Ausführungen sind aber ebenso denkbar, beispielweise, um gezielt eine Unwucht zu erzeugen. Vorteilhaft können mittels der beschriebenen Verbreiterung Eigenfrequenzen eines schwingenden Systems, in dem das erfindungsgemäße Zahnrad 1 verwendet wird, beispielweise einer Welle mit Zahnrad 1, gezielt beeinflusst werden.
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Die Vergrößerung der axialen Zahnradausdehnung im Bereich 31 kann dadurch erzielt werden, dass zusätzliche Verstärkungselemente, beispielsweise zusätzliche Verstärkungsfasern 4, die axial, multiaxial oder variabelaxial ausgerichtet sein können, in den vergrößerten Bereich 31 des Grundkörpers eingebracht werden, wobei sich die zusätzlichen Verstärkungsfasern 4 nicht oder zumindest nicht vollständig, sondern nur teilweise bis in den Bereich 32, der eine kleinere axiale Ausdehnung als der Bereich 31 aufweist, erstrecken. Besonders bevorzugt werden die Verstärkungselemente zwischen Lagen aus Endlosfaserhalbzeugen (nicht dargestellt), aus denen das Zahnrad gefertigt sein kann, angeordnet und bei der Infiltration des Grundkörpers 3 in das Matrixmaterial eingebettet.
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Wie 4 des Weiteren zu entnehmen ist, können in ähnlicher Weise Sensorelemente 7 in den Grundkörper 3 des erfindungsgemäßen Zahnrads 1 integriert werden, indem die Sensorelemente 7 zwischen den Lagen aus Endlosfaserhalbzeugen angeordnet und in das Matrixmaterial eingebettet werden. Die Sensorelemente können andererseits auch auf der Oberfläche des Zahnrads 1 platziert werden (nicht dargestellt). Die elektrische Kontaktierung 71 der Sensorelemente 7 wird zweckmäßig zur Nabenöffnung 5 geführt. Bei den Sensorelementen 7 kann es sich beispielsweise um Temperatursensoren (z. B. Widerstandsthermometer oder Thermoelemente) oder Dehnungs- bzw. Drucksensoren (z. B. Piezoelemente) handeln.
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Die Nabenöffnung 5 weist ein metallisches Insert 52 auf, mittels dessen eine mechanisch hochbelastbare Welle-Nabe-Verbindung realisiert werden kann. Das metallische Insert 52 kann besonders vorteilhaft als Hilfsmittel im Fertigungsprozess eingesetzt werden, beispielsweise als ein Dorn zur Zentrierung der Endlosfaserhalbzeuge, aus denen das Zahnrad 1 gefertigt sein kann. Das metallische Insert 52 kann form- oder kraftschlüssig in die Endlosfaserstruktur (nicht dargestellt) an der Nabenöffnung 5 eingebracht werden.
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In 5 ist ein zweiteiliges Werkzeug 8 dargestellt, das im Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Zahnrads 1 (nur schematisch dargestellt) verwendet werden kann. Das Werkzeug 8 kommt insbesondere bei der Aushärtung des Matrixmaterials mit tribologisch günstigen Eigenschaften im Zahnhüllenbereich 2 zum Einsatz. Unter-und Oberwerkzeug des Werkzeugs 8 weisen Heizelemente 81 auf, mittels derer das in den Zahnhüllenbereich 2 integrierte Matrixmaterial ausgehärtet wird. Zur Abgrenzung des Zahnhüllenbereichs 2 vom Grundkörper 3, der im Anschluss an die Aushärtung des Matrixmaterials des Zahnhüllenbereichs 2 mit einem anderen Matrixmaterial infiltriert wird, weisen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug des Werkzeugs 8 einen Stempel als Abgrenzungselement 82 auf. Zur Umgebung erfolgt die Abdichtung des Werkzeugs 8 mittels eines Dichtungselements 83.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnrad
- 11
- Zahn
- 111
- Zahnflanke
- 112
- Zahnfuß
- 113
- Bereich mit hohem Faservolumenanteil
- 2
- Zahnhüllenbereich
- 3
- Grundkörper
- 31
- Bereich mit gegenüber 32 erhöhter axialer Ausdehnung
- 32
- Bereich mit gegenüber 31 niedrigerer axialer Ausdehnung
- 4
- Verstärkungsfaser
- 41
- Endlosfaserhalbzeuglagen
- 5
- Nabenöffnung
- 51
- Oberfläche, die die Nabenöffnung begrenzt
- 52
- Metallisches Insert
- 6
- Folie aus Matrixmaterial
- 7
- Sensorelement
- 71
- Elektrische Kontaktierung
- 8
- Werkzeug
- 81
- Heizelement
- 82
- Abgrenzungselement
- 83
- Dichtungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10119235 A1 [0002]
- US 4404156 [0005]
- DE 102008043525 A1 [0006]
- DE 19909191 A1 [0007]
- DE 102014113294 A1 [0008]
- DE 102014104949 A1 [0010]
- DE 102011117444 A1 [0012]
