DE102018125863A1 - Process for producing a fiber composite cardan shaft tube and fiber composite cardan shaft tube - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Gelenkwellenrohres mit den Schritten:Bereitstellen eines Stapels (10, 10-1) von mehreren Verstärkungsfaserlagen (20, 21, 22, 23) entsprechend einer Abwicklung des herzustellenden Gelenkwellenrohres, wobei der Stapel (10, 10-1) an seinen Längsseiten miteinander korrespondierende, geschäftete Randbereiche (12, 14) aufweist, Legen des Stapels (10, 10-1) um einen Dorn (30), derart, dass die Randbereiche (12, 14) aufeinander zu liegen kommen, wobei eine erste und zweite Längsseite (20A, 20B) jeder Faserlage benachbart zueinander positioniert werden,Fixieren des Stapels (10, 10-1),Einbringen eines Matrixmaterials in den Stapel (10, 10-1) undAushärten des mit dem Matrixmaterial getränkten Stapels (10, 10-1) in einem Presswerkzeug, wodurch das Gelenkwellenrohr ausgebildet wird, undEntfernen des Dorns (30) aus dem Gelenkwellenrohr. Weiterhin wird ein Faserverbund-Gelenkwellenrohr angegeben.The invention relates to a method for producing a fiber composite cardan shaft tube, comprising the steps of: providing a stack (10, 10-1) of a plurality of reinforcing fiber layers (20, 21, 22, 23) in accordance with a development of the cardan shaft tube to be produced, the stack (10, 10-1) on the long sides of which have corresponding, tucked edge areas (12, 14), placing the stack (10, 10-1) around a mandrel (30) in such a way that the edge areas (12, 14) come to lie on one another , wherein first and second longitudinal sides (20A, 20B) of each fiber layer are positioned adjacent to one another, fixing the stack (10, 10-1), introducing a matrix material into the stack (10, 10-1) and curing the stack soaked with the matrix material (10, 10-1) in a press tool, thereby forming the propeller shaft tube, and removing the mandrel (30) from the propeller shaft tube. A fiber composite cardan shaft tube is also specified.
Description
Die Erfindung betrifft ein Faserverbund-Gelenkwellenrohr und ein Verfahren zur Herstellung desselben.The invention relates to a fiber composite cardan shaft tube and a method for producing the same.
Gelenkwellen dienen zur Übertragung von Drehmomenten und Drehbewegungen. Eine Gelenkwelle beinhaltet üblicherweise ein Gelenkwellenrohr, das an zumindest einem Ende mit einem Gelenk versehen ist.Cardan shafts are used to transmit torques and rotary movements. A propeller shaft usually contains a propeller shaft tube which is provided with a joint at at least one end.
In High-Performance Fahrzeugen werden die Gelenkwellenrohre aus Gewichtsgründen als Faserverbund-Gelenkwellenrohre aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial hergestellt. Hier kommt insbesondere kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) zum Einsatz.In high-performance vehicles, for reasons of weight, the cardan shaft tubes are manufactured as fiber composite cardan tubes made of a fiber-plastic composite material. Here, carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is used in particular.
Faserverbund-Gelenkwellenrohre lassen sich im Nass-Wickelverfahren herstellen. Bei dem beispielsweise aus der
Der Winkel, unter dem Fasern auf den Dorn aufgebracht werden, ist entscheidend für die spätere Bauteilfestigkeit. Die Fasern werden in mehreren Lagen übereinander auf den Dorn aufgewickelt, wobei die Winkel in den einzelnen Lagen variiert werden können. Der Prozess des Wickelns braucht dabei jedoch einige Minuten Zeit.The angle at which fibers are applied to the mandrel is decisive for the later component strength. The fibers are wound onto the mandrel in several layers one above the other, the angles in the individual layers being variable. However, the winding process takes a few minutes.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit anzugeben, wie ein Faserverbund-Gelenkwellenrohr einfach und schnell herstellbar ist.Against this background, the object of the invention is to provide a possibility of how a fiber composite cardan shaft tube can be produced simply and quickly.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und ein Faserverbund-Gelenkwellenrohr nach Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.The object is achieved by a method according to patent claim 1 and a fiber composite cardan shaft tube according to patent claim 9. Further advantageous configurations result from the subclaims and the following description.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Gelenkwellenrohres angegeben mit den Schritten:
- - Bereitstellen eines Stapels von mehreren Verstärkungsfaserlagen entsprechend einer Abwicklung des herzustellenden Gelenkwellenrohres, wobei der Stapel an seinen Längsseiten miteinander korrespondierende, geschäftete Randbereiche aufweist,
- - Legen des Faserschichten-Stapels um einen Dorn, derart, dass die Randbereiche aufeinander zu liegen kommen, wobei eine erste und zweite Längsseite jeder Faserlage benachbart zueinander positioniert werden,
- - Fixieren des Faserschichten-Stapels,
- - Einbringen eines Matrixmaterials in den Faserschichten-Stapel,
- - Aushärten des mit dem Matrixmaterial getränkten Faserschichten-Stapels in einem Presswerkzeug, wodurch das Gelenkwellenrohr ausgebildet wird, und
- - Entfernen des Dorns aus dem Gelenkwellenrohr.
- Provision of a stack of a plurality of reinforcing fiber layers in accordance with a development of the cardan shaft tube to be produced, the stack having, on its longitudinal sides, corresponding, tucked edge regions,
- Laying the stack of fiber layers around a mandrel such that the edge regions come to lie on top of one another, with first and second long sides of each fiber layer being positioned adjacent to one another,
- - fixing the stack of fiber layers,
- Introduction of a matrix material into the fiber layer stack,
- Curing the stack of fiber layers impregnated with the matrix material in a pressing tool, as a result of which the cardan shaft tube is formed, and
- - Remove the mandrel from the drive shaft tube.
Erfindungsgemäß wird der Stapel aus Verstärkungsfaserlagen in der Art einer maßgeschneiderten Manschette angefertigt. Der Stapel ist eine Abwicklung des herzustellenden Bauteils, d.h. die Länge des Stapels ist entsprechend der Länge des Gelenkwellenrohres gewählt und die Breite der einzelnen Verstärkungsfaserlagen ist entsprechend dem jeweiligen Umfang des Gelenkwellenrohres gewählt. An den Längsseiten ist der Stapel in den Randbereichen geschäftet, d.h. Verstärkungsfaserlagen sind quer zur Längsrichtung stufenförmig zueinander versetzt angeordnet. Der geschäftete Randbereich auf der einen Längsseite korrespondiert dabei mit dem geschäfteten Randbereich der anderen Längsseite derart, dass - wenn der Stapel um den Dorn gelegt wird - die Randbereiche aufeinander zu liegen kommen und die Schäftungen ineinandergreifen. Hierbei werden die Längsseiten jeder Faserlage benachbart zueinander positioniert. Mit anderen Worten gesagt wird der Stapel so angefertigt, dass er sich um den Dorn herumlegen lässt und diesen genau einmal umschließt. Die Breite der einzelnen Faserlagen ist dabei so gewählt, dass jede Faserlage um den Dorn herumreicht, sich aber im um den Dorn gelegten Zustand nicht mit sich selbst überlappt. Daraus ergibt sich eine konzentrische Anordnung der Verstärkungsfaserlagen umeinander und um den Dorn.According to the invention, the stack is made of reinforcing fiber layers in the manner of a tailor-made sleeve. The stack is a development of the component to be manufactured, i.e. the length of the stack is selected in accordance with the length of the cardan shaft tube and the width of the individual reinforcing fiber layers is selected in accordance with the respective circumference of the cardan shaft tube. On the long sides, the stack is busy in the edge areas, i.e. Reinforcing fiber layers are arranged in a staggered manner transversely to the longitudinal direction. The stripped edge area on one long side corresponds to the stripped edge area on the other long side in such a way that - when the stack is placed around the mandrel - the edge areas come to lie on one another and the shafts interlock. The long sides of each fiber layer are positioned adjacent to each other. In other words, the stack is made so that it can be placed around the mandrel and encloses it exactly once. The width of the individual fiber layers is chosen so that each fiber layer extends around the mandrel, but does not overlap with itself when it is placed around the mandrel. This results in a concentric arrangement of the reinforcing fiber layers around each other and around the mandrel.
Weiterhin wird ein Faserverbund-Gelenkwellenrohr angegeben mit einer Mehrzahl von Verstärkungsfaserlagen, die in eine Kunststoffmatrix eingebunden sind. Erfindungsgemäß sind die einzelnen Verstärkungsfaserlagen konzentrisch umeinander angeordnet, wobei eine erste und zweite Längsseite der Verstärkungsfaserlagen benachbart zueinander angeordnet sind und die Längsseiten aufeinanderliegender Verstärkungsfaserlagen umfangsseitig versetzt zueinander angeordnet sind.Furthermore, a fiber composite cardan shaft tube is specified with a plurality of reinforcing fiber layers, which are integrated in a plastic matrix. According to the invention, the individual reinforcing fiber layers are arranged concentrically around one another, a first and a second longitudinal side of the reinforcing fiber layers being arranged adjacent to one another and the longitudinal sides of reinforcing fiber layers lying one on top of the other being offset circumferentially from one another.
Ein derartiges Gelenkwellenrohr ist insbesondere mit dem beschriebenen Verfahren herstellbar und erzielt als solches dieselben technischen Vorteile und Wirkungen.Such a cardan shaft tube can be produced in particular using the described method and, as such, achieves the same technical advantages and effects.
Durch das Legen einer Stack-Manschette lässt sich die notwendige Prozesszeit deutlich verkürzen. Der Stapel bzw. die Manschette kann schon im Vorfeld der Bauteilproduktion hergestellt werden. Das Legen des zugeschnittenen Stapels kann deutlich schneller erfolgen als das Umwickeln des Dorns. Im Produktmix von verschiedenen Rohrlängen ist auch der Materialverschnitt im Stapel sehr gering. Das Verfahren ist somit einfach umzusetzen, die Zeit für den Prozesschritt wird verkürzt.The necessary process time can be clearly seen by placing a stack sleeve shorten. The stack or sleeve can be manufactured in advance of the component production. The cut stack can be placed much faster than wrapping the mandrel. In the product mix of different pipe lengths, the material waste in the stack is also very low. The process is therefore easy to implement and the time for the process step is shortened.
In dem Stapel können eine Vielzahl von Verstärkungsfaserlagen angeordnet sein. Jede Verstärkungsfaserlage kann wiederum aus einer einzigen oder mehreren Faserlagen gebildet sein. Zur Erzielung hoher Bauteilfestigkeiten ist es bevorzugt, wenn die Verstärkungsfaserlagen über ihre Breite als durchgehende Faserlage ausgebildet sind, d.h. sich unterbrechungsfrei umfangsseitig einmal um den Dorn herum erstrecken.A multiplicity of reinforcing fiber layers can be arranged in the stack. Each reinforcing fiber layer can in turn be formed from a single or a plurality of fiber layers. In order to achieve high component strengths, it is preferred if the reinforcing fiber layers are designed as a continuous fiber layer over their width, i.e. extend circumferentially around the mandrel once without interruption.
Der Stapel von Verstärkungsfaserlagen ist entsprechend der Länge des herzustellenden Rohres zugeschnitten, die Faserlagen des Stapels erstrecken sich vorzugsweise durchgängig über die Länge des Stapels.The stack of reinforcing fiber layers is cut according to the length of the tube to be produced, the fiber layers of the stack preferably extend continuously over the length of the stack.
Mit dem Verfahren lassen sich auf einfache Art und Weise gerade die Stirnseiten des Gelenkwellenrohres verstärken. So kann in einer Ausgestaltung zumindest ein stirnseitiger Randbereich des Stapels wenigstens eine zusätzliche Verstärkungslage aufweist. Diese eine (oder auch mehrere) zusätzliche Verstärkungslagen erstrecken sich nicht über die gesamte Länge des Stapels, sondern sind nur gezielt in den zu verstärkenden Bereichen angeordnet. Diese zusätzliche Verstärkungslage kann z.B. in Form eines schmalen Streifens eines Faserhalbzeugs ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Stirnseitige zusätzliche Verstärkungslage aus einem unidirektionalen Gelege ausgebildet ist, dessen Faserausrichtung quer zur Längsachse verläuft. So lässt sich ein mechanisch hochbelastbares Rohrende herstellen.With the method, the end faces of the propeller shaft tube can be reinforced in a simple manner. For example, in one configuration, at least one end edge region of the stack can have at least one additional reinforcement layer. This one (or more) additional reinforcement layers do not extend over the entire length of the stack, but are only arranged in a targeted manner in the areas to be reinforced. This additional reinforcement layer can e.g. be formed in the form of a narrow strip of a semi-finished fiber. It is particularly preferred if the end-face additional reinforcement layer is formed from a unidirectional scrim, the fiber orientation of which is transverse to the longitudinal axis. In this way, a mechanically heavy-duty pipe end can be produced.
Die einzelnen Faserlagen können z.B. als Gewebe, Geflecht, Gelege, Gestrick oder Vlies vorliegen. Unterschiedliche Verstärkungsfaserlagen können in dem Stapel miteinander kombiniert sein. Vorteilhafter Weise können die einzelnen Faserlagen entsprechend der Anforderungen an die mechanischen Bauteileigenschaften kombiniert werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung liegen in dem Stapel Verstärkungsfaserlagen mit unterschiedlichen Faserausrichtungen vor, wobei die Ausrichtung entsprechend den mechanischen Anforderungen an das Bauteil gewählt wird. Die Verwendung der erfindungsgemäßen „Manschette“ ist auch insofern vorteilhaft, weil die Faserausrichtungen in einfachster Weise variiert werden können, indem der Zuschnitt und das Zusammenlegen der einzelnen Schichten entsprechend erfolgt. Hier hat das Verfahren einen deutlichen Vorteil gegenüber den Wickelverfahren, da aufwendige Kombinationen von Faserwinkeln, z.B. mehrere Lagen mit 0 Grad, 45 Grad und weiteren Winkel, bereits im Vorfeld der Bauteilherstellung vorgefertigt und zwischengelagert werden können.The individual fiber layers can e.g. present as a fabric, braid, scrim, knitted fabric or fleece. Different reinforcing fiber layers can be combined in the stack. The individual fiber layers can advantageously be combined in accordance with the requirements for the mechanical component properties. In a preferred embodiment, reinforcing fiber layers with different fiber orientations are present in the stack, the orientation being selected according to the mechanical requirements on the component. The use of the “cuff” according to the invention is also advantageous in that the fiber orientations can be varied in the simplest manner by cutting and folding the individual layers accordingly. Here the process has a clear advantage over the winding process, since complex combinations of fiber angles, e.g. several layers with 0 degrees, 45 degrees and other angles, can be prefabricated in advance of the component production and stored temporarily.
Das Verfahren ist nicht auf bestimmte Verstärkungsfasern beschränkt, insofern kommen die bekannten Verstärkungsfasern, wie z.B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern etc. alleine oder in Kombination in Frage. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Verstärkungsfasern Kohlenstofffasern beinhalten oder aus diesen bestehen.The method is not restricted to certain reinforcing fibers, so that the known reinforcing fibers, e.g. Carbon fibers, glass fibers, aramid fibers etc. alone or in combination in question. However, it is particularly preferred if the reinforcing fibers contain or consist of carbon fibers.
Der auf den Dorn aufgebrachte Stapel wird fixiert. Hierzu kann z.B. auf den Randbereichen, welche aufeinander zu liegen kommen, ein Fixiermittel aufgebracht werden.The stack placed on the mandrel is fixed. For this, e.g. a fixing agent is applied to the edge regions which come to lie one on top of the other.
In den Faserschichtenstapel wird ein Matrixmaterial eingebacht. Dies kann z.B. bereits bei der Herstellung des Faserschichten-Stapels erfolgen. Insofern kann in einer Ausgestaltung der Stapel aus Verstärkungsfaserlagen als Prepreg, d.h. vorkonsolidiertes Faserhalbzeug, bereitgestellt werden. Der um den Dorn gewickelte Prepreg-Stapel wird dann in bekannter Weise in einem Presswerkzeug verpresst und ausgehärtet.A matrix material is inserted into the fiber layer stack. This can e.g. already take place during the production of the fiber layer stack. In this respect, in one embodiment, the stack of reinforcing fiber layers can be used as a prepreg, i.e. preconsolidated semi-finished fiber can be provided. The prepreg stack wound around the mandrel is then pressed and cured in a known manner in a pressing tool.
Der Stapel aus Verstärkungsfaserlagen kann jedoch ebenso aus trockenen Verstärkungsfaserlagen gebildet werden. In diesem Fall wird das Matrixmaterial im Presswerkzeug in den um den Dorn herumgelegten Stapel eingebracht. Das Einbringen des Matrixmaterials und das Aushärten kann dann z.B. in einem bekannten RTM-Prozess erfolgen.However, the stack of reinforcing fiber layers can also be formed from dry reinforcing fiber layers. In this case, the matrix material is introduced into the stack around the mandrel in the pressing tool. The introduction of the matrix material and the curing can then e.g. in a known RTM process.
Bei dem Matrixmaterial handelt es sich vorzugsweise um ein duromeres Matrixmaterial, wie z.B. ein Epoxy-basiertes Matrixmaterial. Gleichwohl ist das Verfahren grundsätzlich auch mit thermoplastischen Matrixmaterialien durchführbar. Nach der Aushärtung des Matrixmaterials wird das Bauteil entformt und der Dorn wird abgezogen.The matrix material is preferably a thermoset matrix material, e.g. an epoxy-based matrix material. Nevertheless, the method can in principle also be carried out with thermoplastic matrix materials. After the matrix material has hardened, the component is removed from the mold and the mandrel is removed.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination. If the term "can" is used in this application, it is both the technical possibility and the actual technical implementation.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
-
1 bis4 unterschiedliche Verfahrensabschnitte zur Herstellung eines Gelenkwellenrohres und -
5 einen beispielhaften Stapel von Verstärkungsfaserlagen.
-
1 to4th different process sections for the production of a cardan shaft tube and -
5 an exemplary stack of reinforcing fiber layers.
In dem Stapel
An den Seitenrändern, die später parallel zur Dornachse verlaufen, weist der Stapel jeweils geschäftete Randbereiche
Figru
Anschließend wird der auf dem Dorn
Handelt es sich bei dem Stapel um ein Prepreg, d.h. die Faserlagen
Ebenso kann der Stapel
Nach erfolgter Aushärtung kann das Bauteil entformt werden und der Dorn
Die in den Figuren gezeigten vier Verstärkungsfaserlagen sind rein beispielhaft. Es können auch mehr oder weniger Lagen vorgesehen sein. Ebenso können mehrere zusätzliche Verstärkungsfaserlagen übereinander vorgesehen sein. Es sind andere Zuschnitte als der gezeigte rechteckige Zuschnitt möglich.The four reinforcing fiber layers shown in the figures are purely exemplary. More or fewer layers can also be provided. Likewise, several additional reinforcing fiber layers can be provided one above the other. Other cuts than the rectangular cut shown are possible.
BezugszeichenlisteReference list
- 10, 10-110, 10-1
- Stapel von VerstärkungsfaserlagenStack of reinforcing fiber layers
- 12, 1412, 14
- geschäftete Randbereichebusy marginal areas
- 20, 21, 22, 2320, 21, 22, 23
- VerstärkungsfaserlageReinforcing fiber layer
- 20A, 20B20A, 20B
- LängsseiteLong side
- 24-1, 24-224-1, 24-2
- zusätzliche Verstärkungsfaserlageadditional reinforcing fiber layer
- 3030th
- Dornmandrel
- 40 40
- PresswerkzeugPress tool
- 4242
- OberwerkzeugUpper tool
- 4444
- UnterwerkzeugLower tool
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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