DE10205657C2 - Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen, torsions-und biegesteifen Antriebswelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen, torsions- und biegesteifen Antriebswelle, bestehend aus einem Faserverbundwerkstoff, der mindestens aus mehreren, aufgewickelten Prepreg-Bahnen besteht, wobei die Prepreg- Bahnen auf einem abziehbaren Wickeldorn aufgewickelt werden und die aus Lagen von Prepreg-Bahnen gewickelte rohrförmige Antriebswelle erhitzt und ausgehärtet wird.

Zahlreiche Anlagen und Maschinen besitzen einen Antrieb, und das an der Abtriebseite vorhandene Drehmoment muss über einen Antriebstrang zum Arbeitsmittel übertragen werden. Das Arbeitsmittel kann unterschiedlicher Art sein, z. B. ein Rad, eine Walze, ein Propeller, ein Rotor, o. a. Das Arbeitsmittel ist nicht auf eine bestimmte Art eingeschränkt. Es wird ein Antriebstrang betrachtet, der mindestens eine Antriebswelle besitzt. Daneben sind auch Getriebe oder andere Kraftübertragungsmittel einsetzbar. Die Antriebswelle ist in der Regel aus metallischem Werkstoff gefertigt und ist in ihrer Geometrie entsprechend der Antriebsaufgabe dimensioniert.

Nachfolgend wird eine Antriebswelle bei unveränderter Anordnungsgeometrie betrachtet, deren relativ hohe Nenndrehzahl eine ausreichende Leistungsübertragung gewährleisten aber dennoch unterhalb einer kritischen Drehzahl liegen muss. Die Antriebswelle muss deshalb in ihrem Anwendungsfall eine relativ hohe Biegesteifigkeit und Torsionssteifigkeit aufweisen und zugleich schadenstolerant bezüglich des Torsionsmomentes sein.

Die Forderung nach Schadenstoleranz einer unterkritischen Antriebswelle erfolgt aus Gründen der personellen oder technischen Sicherheit oder aufgrund hoher Investitionskosten. Die Schadenstoleranz verlangt, dass eine definierte Schädigung der Antriebswelle, z. B. ein mechanischer Schlag auf die Antriebswelle in Größe von 25-50 Joule, funktionserhaltend von der Antriebswelle überstanden werden muss (2,5 kg aus 1 m Fallhöhe entspricht ca. 25 Joule). Der verdeckte oder sichtbare Schaden darf bei vorhandener Schadenstoleranzfestigkeit nicht die Torsionsfestigkeit der Antriebswelle gefährden. Die Forderung nach Schadenstoleranz ist für eine Antriebswelle gefordert, die freiliegend (ungekapselt) gegenüber der Umgebung angeordnet ist und beispielsweise Steinschlag erhalten kann. Diese Forderung besteht beispielsweise für die Antriebswelle eines Heckrotors eines Hubschraubers.

Eine Antriebswelle mit Nenndrehzahl unterhalb der kritischen Drehzahl wird als "unterkritische Welle" bezeichnet. Eine solche unterkritische Welle wird nachfolgend betrachtet.

Um eine hohe Biegesteifigkeit zu erreichen, könnte die Masse der Antriebswelle verstärkt werden. Dies hätte auch eine günstige Auswirkung hinsichtlich der Schadenstoleranz. Die Folge wäre eine Annäherung zwischen Nenndrehzahl und kritischer Drehzahl. Die kritische Drehzahl entspricht einer biegungskritischen Drehzahl der Antriebswelle wie in
[1] D. Beitz, K.-H. Grote Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau 19., völlig neu bearbeitete Auflage Springer-Verlag, 1997, Seite B40, Absatz 4.1.5.
beschrieben. Das ist nicht gewünscht, dennoch soll die Antriebswelle bei hoher Biegesteifigkeit aus Gründen des Leichtbaus eine geringe Masse aufweisen und relativ dünn sein. Das sind gegensätzliche technische Anforderungen. Unter diesem Aspekt ist eine solche Antriebswelle bereits als Hohlwelle ausgebildet, um die Masse gering zu halten.

Es ist auch nicht bei dieser Antriebswelle beabsichtigt, die Nenndrehzahl abzusenken, um durch Masseerhöhung die Schadenstoleranz zu verbessern und um gleichzeitig als unterkritische Welle zu arbeiten.

Bei zahlreichen Anwendungsfällen im Maschinen- und Anlagenbau besteht die Forderung nach einem Leichtbau, um dennoch eine hohe Biegesteifigkeit und Schadenstoleranz bei einer unterkritischen Antriebswelle zu garantieren.

Um den Nachteil hoher Masse zu beseitigen, ist es auch bekannt, die Antriebswelle aus Faserverbundwerkstoff herzustellen.

In einem Wickelverfahren wird ein mit Harz vorimprägnierter Endlosfaden beispielsweise unter Changierung des Fadens zwischen zwei beabstandeten Entfernungsmarken eines Wickeldorns aufgewickelt. Der aus der Textiltechnik stammende Begriff der "Changierung" betrifft das Führen eines aufzuwickelnden Fadens mittels Fadenführer in axialer Richtung entlang am Wickelkörper (Wickeldorn) zwischen den beiden beabstandeten Entfernungsmarken. Dabei werden mehrere Lagen Fäden gebildet. Nachfolgend werden die gewickelten Fadenlagen ausgehärtet. Harz und Härter bilden den sogenannten Matrixwerkstoff.

Die Literatur
[2] Dr. O. Schwarz, Glasfaserverstärkte Kunststoffe Vogel-Verlag, Würzburg 1975, Seite 83-90,
beschreibt das Herstellen von rohrförmigen Bauteilen durch Wickeln von technischen Fasern wie Glasfasern und/oder Kohlefasern. Unter dem Begriff "Faser" wird eine endlose Faser, d. h. ein Faden verstanden. Technische Fasern sind jene Materialien, die nicht Naturfasern, wie beispielsweise Wolle oder Baumwolle, sind.

Es ist erkennbar, dass das erforderliche Wickelverfahren generell abhängig ist von der Geometrie des zu wickelnden, rohrförmigen Bauteils, dessen gewünschten Konstruktionseigenschaften und den später zu erwartenden mechanischen Beanspruchungen.

Die Wahl der Verfahrensschritte beim Wickeln eines rohförmigen Bauteils wird je nach Verwendungszweck des rohförmigen Bauteils differieren.

Nach der o. g. Fachliteratur, [2] S. 89, steht das Wickeln von Einzelfäden (Filament winding) oder von Fasersträngen (Rovings) im Vordergrund. Mit dem Wickelverfahren gelingt es, dem Rohr Biegesteifigkeit und Torsionssteifigkeit zu verleihen.

Ein solches, durch ein Wickelverfahren eines Einzelfadens oder eines Faserstranges hergestelltes Rohr erfüllt jedoch nicht die Anforderungen hinsichtlich einer schadenstoleranten Antriebswelle.

Auch das Herstellen einzelner Gewebeschläuche, deren Ineinander-Anordnen, das Imprägnieren mit Harz und Härter und das anschließende Aushärten sind zur Herstellung einer Antriebswelle bekannt. Als problematisch wird angesehen, dass eine vollständige Reproduzierbarkeit der Qualitätseigenschaften nicht ohne großen Aufwand zu gewährleisten ist. Das Einlegen der Gewebeschläuche birgt die Gefahr, dass die Faserorientierung unerwünscht veränderbar und nicht erkannt wird. Damit wird keine ausreichende schadenstolerante Antriebswelle erzielt.
[3] DE 19 23 179 U betrifft eine rohrförmige Welle zur Übertragung von Antriebskräften in einem Kraftfahrzeug. Die dortige Antriebswelle wird aus einem biegesteifen Kunststoff hergestellt. Dabei sind als Fasern oder Bänder ausgebildete Verstärkungsmittel spiralförmig in der Welle angeordnet.

Nach der [3] war es einem Fachmann zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen bekannt, dass die Verstärkungsmittel in einem Formwerkzeug mit dem flüssigen Kunststoff imprägniert werden. Mit einer Abkühlung härtete der Kunststoff (Epoxyd- oder Polyester-Harz) aus, und die Verstärkungsmittel waren im Kunststoff eingebunden. Der Kunststoff diente als Träger für das Verstärkungsmittel. Die [3] lehrt auch, den Einsatz von Gewebe als Verstärkungsmittel in die rohrförmige Welle einzubringen. [3] verwendet keine Prepreg-Lagen, sondern gewebeartige Einlagerungen in der Rohrwandung ([3], S. 3, 22. bis 24. Z.). Die bekannte Lösung besitzt eine ungenügende Schadenstoleranz-Festigkeit, die für den Hubschrauberbau nicht ausreichend ist.
Die [4]: DE 38 22 417 C2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Welle zur Übertragung von Torsionskräften. Es liegt dort die Aufgabe zugrunde, eine Welle fertigungstechnisch einfach herzustellen. [4] lehrt, die Welle unter Anwendung der Wickeltechnik aus Faserverbundwerkstoff herzustellen. [4], Fig. 3 zeigt eine Welle, die aus imprägnierten Fasermatten oder Prepregs hergestellt wird. Das Prepreg kann dabei spiralförmig aufgewickelt werden. Diese Lösung besitzt ebenfalls noch nicht ausreichende Schadenstoleranzfestigkeit, wie sie im Hubschrauberbau erforderlich ist.

Der zuvor genannte bekannte Stand der Technik hat auch den Nachteil, dass die Gefahr der Faltenbildung, z. B. im Presswerkzeug (z. B. Vakuumsack), besteht. Es ist dem Fachmann für Faserverbundwerkstoffe bekannt, dass die Gewebelagen im Presswerkzeug einen Setzweg absolvieren, der eine Faltenbildung nicht ausschließt. Die Faltenbildung entspricht einer lokalen Abweichung von der idealen Faserorientierung im Gewebe. Das beeinflusst die Torsionssteifigkeit der Antriebswelle nachteilig.

Aus der US 5 076 871 ist ein Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen, torsions- und biegesteifen Körpers aus einem Faserverbundwerkstoff bekannt, der mindestens aus mehreren, aufgewickelten Prepreg-Bahnen besteht. Bei diesem Verfahren werden zunächst die Prepreg-Bahnen auf einen abziehbaren Wickeldorn aufgewickelt. Dann wird eine Art Abreißgewebe (in der US 5 076 871 als "release film" bezeichnet) auf die aufgewickelten Prepreg-Bahnen aufgebracht. Über das Abreißgewebe wird eine Art Schrumpfschlauch angeordnet, der eine gewebte Struktur besitzt und unter Wärmeeinwirkung schrumpft. Der aus den aufgewickelten Prepregbahn-Lagen aufgebaute und so vorbereitete rohrförmige Körper wird anschließend in einem evakuierten Luftsack kompaktiert und dann erhitzt und ausgehärtet. Abschließend werden der Luftsack, der Schrumpfschlauch und das Abreißgewebe wieder entfernt.

Die nachveröffentlichte DE 10 02 5628 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen, torsions- und biegesteifen Körpers, bestehend aus einem Faserverbundwerkstoff, der mindestens aus mehreren, aufgewickelten Prepreg-Bahnen besteht, wobei die Prepreg-Bahnen auf einem abziehbaren Wickeldorn aufgewickelt werden, und der aus Lagen von Prepreg-Bahnen aufgewickelte rohrförmige Körper erhitzt und ausgehärtet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine aus Faserverbundwerkstoff gefertigte rohrförmige, torsions- und biegesteife Antriebswelle, die als unterkritisch arbeitende Welle einzusetzen ist, so zu verbessern, dass eine hohe Schadenstoleranz bezüglich Torsionsfestigkeit erzielt wird und dennoch das Herstellungsverfahren kostengünstig bleibt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Antriebswelle besteht aus Faserverbundwerkstoff, der mindestens aus mehreren, z. B. spiralförmig aufgewickelten Prepreg-Bahnen besteht. Ein Prepreg ist eine mit Harz und Härter vorimprägnierte, noch nicht ausgehärtete Gewebebahn bzw. -lage. Das Prepreg hat eine definierte Faserorientierung.

Nach einer Ausgestaltung kann die Prepreg-Bahn aus einer 0°/90°-Prepreglage bestehen. Es besteht aber auch die Alternative, dass die Prepreg-Bahn aus einer +/-­ 45°-Prepreglage oder einem Multiaxialgelege besteht.

Das Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle aus Faserverbundwerkstoff wird dadurch gelöst, dass vom Wickeldorn aufgewickelte Prepreg-Bahnen bzw. -Lagen durch nachfolgendes, spiralförmiges Aufwickeln eines vorgespannten Thermoplast-Gewebebandes entlüftet und gleichmäßig verdichtet werden, und dass nach Abwickeln des Thermoplast-Gewebebandes weitere Prepreg-Bahnen aufgewickelt werden, die dann ebenso mittels aufzuwickelnden vorgespanntem Thermoplast- Gewebeband entlüftet und gleichmäßig verdichtet werden. Auch dieses Thermoplast- Gewebeband wird wieder abgewickelt.

Die mehrfache Wiederholung dieses Verfahrensschrittes während der Herstellung erbringt eine deutliche Steigerung der Schadenstoleranzfestigkeit.

Vorteilhafterweise ist der Wickeldorn während des Wickelns mit einer Temperatur im Bereich von etwa 60° bis 70° gleichmäßig erwärmt. Damit wird erreicht, dass im erfindungsgemäßen Verfahrensschritt bei der Behandlung des Prepregs mit dem Thermoplast-Gewebeband das Prepreg in einem geschmeidigen Zustand gehalten wird. Während des Entlüftens und Verdichtens der Prepreg-Lagen mittels des Thermoplast- Gewebebandes wird das Thermoplast-Gewebeband mit einer Vorspannung aufgewickelt. Die Vorspannung des Thermoplast-Gewebebandes ist empirisch zu ermitteln. Dabei führt die Vorspannung lediglich zu einer elastischen Formänderung des Thermoplast-Gewebebandes, so dass nach dem Abwickeln des Thermoplast- Gewebebandes eine Rückstellung (Rückstell-Effekt) in die ursprüngliche Form des Gewebebandes möglich ist. Die Vorspannung ist so einzustellen, dass kein Walkeffekt in der Prepreg-Lage sichtbar wird, in dem durch das Thermoplast-Gewebeband Wellen von Prepreg vor sich hergeschoben werden.

Die Verweilzeit des aufgewickelten Thermoplast-Gewebebandes ist empirisch zu ermitteln. Bereits mit Erreichen einer vollständigen Bewicklung kann das Thermoplast- Gewebeband wieder abgewickelt werden.

Mit dem unter Vorspannung aufgewickelten Thermoplast-Gewebeband gelingt es, überschüssiges Harz auszupressen und den Überschuss an Harz abzusaugen, wobei das verbleibende Harz und das Gewebe weiter verdichtet werden. Dieser Verfahrensschritt erzeugt eine deutliche Steigerung der Schadenstoleranzfestigkeit. In diesem Sinne werden sehr engmaschige Prepreg-Lagen verwendet, die eine sehr hohe Knotenhäufung pro Flächeneinheit im Gewebe zeigen. Als Knoten werden dabei im übertragenen Sinne die Auflagepunkte zwischen den gewebten Fäden bezeichnet.

Das Verfahren kann weiterhin dadurch ausgestaltet werden, dass das Prepreg isotrop und vorkompaktiert ist. Im Weiteren wird vorgeschlagen, beim Aufrollen einer weiteren Prepreg-Bahn deren Anfang am Umfang um 180° gegenüber dem Ende der vorhergehenden Prepreg-Bahn zu versetzen. Damit werden Stoßkanten und ungleiche Massenverteilungen entlang des Umfangs vermieden.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung einer rohrförmigen, torsions- und biegesteifen und zugleich schadenstoleranten Antriebswelle. Es gelingt somit, eine biegesteife Antriebswelle zu erzeugen, die auch bei Stoßschäden eine ausreichend hohe Festigkeit bezüglich der Torsionsfestigkeit besitzt.

Es wurde gefunden, dass durch die Knotenstruktur des Gewebelaminats die Schadenstoleranz weiterhin positiv beeinflusst werden kann. Das Herstellungsverfahren ist ein Aufwickelverfahren. Es gewährleistet eine gute Rundlaufeigenschaft der Welle, und es wird ein relativ hoher Massendurchsatz erzielt.

Zum Aufwickeln ist bereits eine einfache Drehbank mit Wickeldorn geeignet. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erfordert also geringere Investitionen.

Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Beispiels deutlich gemacht. Das Beispiel kommt aus dem Bereich der Luftfahrzeuge. Dem entsprechend ist das Beispiel als nicht auf den Bereich der Luftfahrzeuge eingeschränkt zu verstehen.

Beispielsweise bei den Drehflüglern, insbesondere den Hubschraubern, liefert mindestens eine Antriebsturbine das Drehmoment auf ein Hauptgetriebe, und von dort liefert eine Antriebswelle, die Hauptrotorwelle, das Drehmoment zum Rotor und andererseits eine zweite Antriebswelle, die Heckrotorwelle, das Drehmoment zum Heckrotor. Insbesondere die Heckrotorwelle ist auf Grund von dynamischen Bewegungen des Heckauslegers während des Fluges zahlreichen mechanischen Beanspruchungen insbesondere Biegebeanspruchungen, ausgesetzt. Die Heckrotorwelle ist eine rohrförmige, steife Torsionswelle, die auch Biegungen aufnehmen muss. Sie ist beispielsweise bei einzelnen Hubschraubertypen frei auf dem Heckausleger angeordnet, d. h. sie ist nicht gekapselt. Die Heckrotorwelle arbeitet als unterkritische Welle. Die Heckrotorwelle wird aus mehreren Wellenabschnitten gefertigt, die über Flansche miteinander verbunden sind.

Der mit der Heckrotorwelle verbundene Heckrotor dient zum Ausgleich des Hauptrotordrehmoments und zum Steuern um die Hochachse des Rotors. Für Hauptrotorwelle und Heckrotorwelle existieren hohe physikalische Qualitätsanforderungen. Insbesondere die Heckrotorwelle muss bei Stoßschäden noch eine ausreichende Restfestigkeit bezüglich der Torsion besitzen, also eine hohe Schadenstoleranz haben.

Gemäß der Erfindung wird auf einem rotierenden Wickeldorn ein Prepreg bzw. ein isotropes Gewebelaminat aufgerollt. Dieses Prepreg ist eine Gewebefläche, die als Bahn aufwickelbar ist. Verwendung findet die bekannte 0°/90° Prepreglage und/oder die +/-45°-Prepreglage. Eine solche Prepreglage wird allerdings vor dem Aufwickeln unter Vakuum vorkompaktiert (komprimiert). Dadurch wird die Prepreglage in ihrem quasi-isotropen Zustand verbessert. Es erfolgt dadurch ein Entlüften und ein erstes Absaugen der Matrix. Es wird damit die Lunkerbildung und das Faltenrisiko verringert. Weiterhin reduziert sich der Setzweg der Prepreglage und es kommt zu einer Stabilisierung der Faserorientierung. Eine so vorbereitete Prepreglage wird auf dem vorgewärmten Wickeldorn aufgewickelt. Die Breite der Prepreglage kann der Länge des Wickeldorns entsprechen, jedoch kann die Breite der Prepreglage auch kleiner als die Länge des Wickeldorns sein. In letzterem Fall sollte die aufzuwickelnde Prepreglage in axialer Richtung entlang des Wickeldorns geführt werden. Nach einigen wenigen Umwicklungen wird das Ende der Prepreglage über dem Anfang der Prepreglage abgelegt.

Die aufgewickelten Prepreg-Bahnen ergeben, wie ein Querschnitt zeigen würde, sogenannte Lagen von Prepregs. Mehrere Prepreglagen bilden ein Gelege. Mit dem Aufwickeln der Prepreg-Bahnen wird die Faserorientierung des Gewebes konsequent eingehalten.

In einem weiteren Schritt werden beispielsweise nach etwa 2 bis 4 Prepreggelegen (entspricht etwa 4 bis 8 Prepreglagen) diese mit einem definiert vorgespannten Thermoplast-Gewebeband bewickelt. In Abhängigkeit verschiedener Einflüsse wie z. B. Rollendurchmesser, Temperatur u. a. kann die Vorspannung des Thermoplast- Gewebandes bei etwa 50 N bis 100 N liegen. Das ist empirisch zu ermitteln. Ein Walkeffekt im Prepreg ist zu vermeiden. Dieses Thermoplast-Gewebeband nutzt den Rückstell-Effekt von Thermoplasten bei elastischer Verformung aus. Dadurch erfolgt ein erneutes Vorkompaktieren der Prepreglagen. Die Prepreglagen werden dabei entlüftet und es erfolgt eine nochmalige Matrixabsaugung und Verdichtung.

Ziel dieses Verfahrensschrittes ist eine weitere Reduzierung des Setzweges, eine weitere Verringerung des Faltenrisikos und der Lunkerbildung. Ebenfalls wird die Faserorientierung in der Prepreglage nochmals stabilisiert.

Das Thermoplast-Gewebeband wird unmittelbar nach der vollständigen Bewicklung oder nach einer kurzen Verweilzeit (einige Minuten) wieder durch Abwickeln entfernt.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird nun eine andere Prepreg-Bahn aufgewickelt. Das Aufwickeln bzw. Einrollen erfolgt so, dass der Anfang dieser Prepreglage um 180° versetzt ist zum Ende der vorhergehenden Prepreglage. Beim Aufwickeln der Prepreglage wird deren Anfang nach jeder vollen Umdrehung eine neue Lage bilden. Die Anzahl der aufzutragenden Lagen ist abhängig von der gewünschten Dimensionierung der späteren Antriebswelle.

Es folgt ein erneuter Schritt des Entlüftens und des gleichmäßigen Verdichtens durch ein vorgespanntes Thermoplast-Gewebeband.

Eine der beiden bisher eingerollten Prepreglagen kann beispielsweise eine 0°/90°- Prepreglage sein, die entscheidend ist zur Erzielung einer ausreichenden Biegesteifigkeit. Die andere Prepreglage kann eine +/-45°-Prepreglage sein, welche die erforderliche Torsionssteifigkeit der späteren Welle erzeugt.

Zur weiteren Erhöhung der Biegesteifigkeit kann in einem weiteren Verfahrensschritt der belegte Dorn mit einer Kohlefaser-Uni-Prepreglage aufgewickelt werden. Darauf sollte anschließend eine Glasfaser-Gewebe-Prepreglage aufgewickelt werden. Damit wird ein Schutz der Kohlefaser-Uni-Prepreglage erreicht. Außerdem wird die Schadenserkennung verbessert. Das Aufwickeln eines Abreißgewebes (Hilfsstoff) dient dem weiteren Entlüften, dem weiteren Absaugen der Matrix und dem Verdichten.

Der Wickeldorn wird mit den so aufgewickelten Prepregs in einen Druckmantel aus Silikon eingeführt, wobei dieser Druckmantel den Wickeldorn radial umschließt. Mit Hilfe dieses Druckmantels aus Silikon wird eine gleichmäßige Druckverteilung entlang des komplett belegten Wickeldorns erzielt. Dadurch kann Einfluss genommen werden auf die Erzielung einer gleichmäßigen Wandstärke der Antriebswelle, so dass eine hohe Laminatqualität und weniger Unwuchten entstehen. Der komplett belegte Wickeldorn mit Druckmantel aus Silikon wird in eine Vakuumhülle eingeführt, und durch Evakuieren der Luft aus der Vakuumhülle legt sich die elastische Vakuumhülle (Entlüftungsgestricke) formschlüssig am Druckmantel an. Damit wird ein gleichmäßiger Druck gegenüber dem Druckmantel aufgebaut, der diesen Druck an den komplett belegten Wickeldorn weitergibt. Es kommt zu einem weiteren Entlüften der Prepreglagen. Auf die Anwendung eines Druckmantels kann gegebenenfalls verzichtet werden.

Der sich in einer Vakuumhülle befindende, komplett belegte Wickeldorn, wird zum Aushärten der Prepreglagen in einen Härteofen gegeben. Unter Einhaltung einer erforderlichen Temperatur werden die Prepreglagen nach einer Verweildauer im Ofen und dem Einsetzen des Abkühlungsprozesses ausgehärtet. Während des Aufenthalts des Wickeldorns in der Vakuumhülle und im Härteofen wird der Pressdruck auf die Prepreglagen sowohl gleichmäßig von außen durch den Druckmantel als auch gleichmäßig von Innen durch den wärmeexpandierenden Wickeldorn erhöht.

Der komplett belegte Wickeldorn wird aus dem Härteofen entnommen, abgekühlt und aus Vakuumhülle und Druckmantel entfernt. Anschließend wird das gehärtete Rohr vom Wickeldorn abgenommen. Dann wird das Abreißgewebe entfernt und das Rohr auf die gewünschte Länge geschnitten. Die Parameter Länge, Krümmung, Wandstärke und Masse werden vermessen. Sind die gewünschten Parameter erreicht, wird die aus Kohlefaserverbundwerkstoff gefertigte Antriebswelle zur weiteren Montage verwendet.

Mit der so erzeugten Antriebswelle auf Grundlage eines Faserverbundwerkstoffes ist eine schadenstolerante Antriebswelle vorhanden. Es ist somit eine biegesteife Welle erzeugbar, die auch bei Stoßschäden eine ausreichende Restfestigkeit bezüglich der Torsionsfestigkeit ergibt.

Das Aufwickeln einer isotropen, vorkompaktierten Prepreglage ergibt im Gegensatz zur Wickeltechnik von Fäden eine feinere Knotenstruktur, die eine Verbesserung der Schadenstoleranz, d. h. ein verbessertes Aufprall (Impact)-Verhalten, ermöglicht. Das engmaschige Gewebe des Prepregs gewährleistet einen relativ hohen Faseranteil und eine hohe Knotenhäufung. Der spiralenartige Lagenaufbau bei der hergestellten Antriebswelle verbessert zusätzlich das Impact-Verhalten.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen, torsions- und biegesteifen Antriebswelle, bestehend aus einem Faserverbundwerkstoff, der mindestens aus mehreren, aufgewickelten Prepreg-Bahnen besteht, wobei die Prepreg-Bahnen auf einem abziehbaren Wickeldorn aufgewickelt werden und die aus Lagen von Prepreg-Bahnen aufgewickelte rohrförmige Antriebswelle erhitzt und ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass vom Wickeldorn aufgewickelte Prepreg-Bahnen durch nachfolgendes spiralförmiges Aufwickeln eines vorgespannten Thermoplast-Gewebebandes entlüftet und gleichmäßig verdichtet werden und nach Abwickeln des Thermoplast- Gewebebandes weitere Prepreg-Bahnen aufgewickelt werden, die dann ebenso entlüftet und gleichmäßig verdichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prepreg-Bahn isotrop und vorkompaktiert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prepreg-Bahn eine Faserorientierung von ±45° hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prepreg-Bahn eine Faserorientierung von 0°/90° hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufwickeln einer weiteren Prepreg-Bahn deren Anfang am Umfang um 180° gegenüber dem Ende einer vorhergehenden Prepreg-Bahn versetzt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldorn während des Aufwickelns gleichmäßig erwärmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Wickeldorns auf eine Temperatur von etwa 60°C bis 70°C erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach den Prepregbahn-Lagen als äußere Hülle der Antriebswelle mindestens eine Kohlefaser-Uni-Prepreg-Lage und nachfolgend eine Glasfaser-Gewebe-Prepreg-Lage und abschließend ein Abreissgewebe angeordnet wird.