DE10226093A1

DE10226093A1 - Integral versteifte Verbundstoffantriebswelle

Info

Publication number: DE10226093A1
Application number: DE10226093A
Authority: DE
Inventors: Douglas J Bradley; Brian E Carlson
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2022-06-13
Also published as: DE10226093B4; GB0213301D0; US20030114231A1; US20040089976A1; GB2390326A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbundstoffantriebswellenherstellungsvorrichtung mit Versteifungsformelementen und einer zylindrischen Form mit Aufnahmenuten, die dazu ausgelegt sind, die länglichen Versteifungsformelemente aufzunehmen. Bereitgestellt wird erfindungsgemäß außerdem eine Verbundstoffantriebswelle, die aus Verbundstofffasermaterial in einer zylindrischen Form hergestellt ist, die die länglichen Versteifungsformelemente in Position hält. Ein Verfahren zum Herstellen der Verbundstoffantriebswelle wird außerdem bereitgestellt, demnach eine Schicht aus Verbundstofffasermaterial um die zylindrische Form gewickelt wird, die Versteifungsformelemente eingeführt werden und eine zweite Schicht um die Form gewickelt wird. Die Verbundstoffantriebswelle wird konsolidiert und die zylindrische Form wird entfernt. Bereitgestellt wird ferner eine Vorrichtung zur Verwendung in einer Verbundstoffantriebswellenkonstruktion, aufweisend zwei Schichten aus Verbundstofffasermaterial mit mehreren länglichen Versteifungsformelementen, die zwischen ihnen angeordnet sind. Bereitgestellt wird außerdem ein Verfahren zur Verwendung für eine derartige Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbundstoffantriebswelle und ein Verfahren zum Herstellen derselben.
Die Leistungsabgabe von einem Fahrzeuggetriebe wird über eine Antriebswelle zu anderen Getrieben und Teilen des Antriebssystems übertragen. Die Antriebswelle dreht sich häufig mit sehr hoher Drehzahl und unterliegt sehr hohen Torsionskräften.
Eine Antriebswelle ist üblicherweise aus Stahl oder anderen Metallen hergestellt, die häufig mit Nachteilen verbunden sind. Um die geeignete Festigkeit bzw. Beständigkeit gegenüber Torsionskräften bereit zu stellen, denen eine Antriebswelle im Einsatz unterworfen ist, wird für diese Wellen häufig ein dichtes Metall verwendet, das es erforderlich macht, dass zum Starten der Welle eine hohe Kraft in diese eingeleitet werden muss, ebenso wie zum Aufrechterhalten der Drehzahl von dem Getriebe. Außerdem sind Metallbestandteile üblicherweise teuer.
Leichte Materialien sind ebenfalls verwendet worden, um die Kraft zu verringern, die zum Starten und Aufrechterhalten der Drehzahl der Antriebswelle benötigt wird. Zu diesem Zweck sind Antriebswellen aus Verbundstofffasern vorgeschlagen worden. Leichte Materialien führen dazu, dass der Antriebswelle eine höhere kritische Drehzahl verliehen wird. Sämtliche Antriebswellenmaterialien besitzen eine interne Resonanzfrequenz, teilweise basierend auf dem Gewicht des Materials. Wenn die Antriebswelle die Resonanzfrequenz des Materials erreicht, beginnt die Antriebswelle zu rütteln bzw. zu schütteln. Die Resonanzfrequenz des verwendeten Materials bestimmt dadurch die maximale Betriebsdrehzahl bzw. die kritische Drehzahl der Antriebswelle. Ein leichteres Material besitzt eine höhere Resonanzfrequenz und damit eine höhere kritische Drehzahl als eine Antriebswelle aus schwererem Material.
Filamentumwicklungsverfahren und Faserflechtverfahren zum Erzeugen von Verbundstoffmaterialien sind getestet worden im Versuch zur Erzeugung einer festeren Verbundstoffantriebswellenstruktur, die in der Lage ist, Torsionskräften beim Fahrzeugbetrieb zu widerstehen. Andere Materialien, wie etwa Metallfasern, die in eine Verbundstoffantriebswelle geformt sind, Wellenverkleidungen, Polyurethanschaumformen und Keilnutgruppierungen, die in die Innenseite einer Metallantriebsfläche geschnitten sind, sind ebenfalls getestet worden. Keiner dieser Ansätze hat zu einer kostengünstigen Antriebswelle geführt, die die Kraft- bzw. Antriebsvorteile eines leichtgewichtigen Materials aufweist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verbundstoffantriebswelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, die die Vorteile eines leichten Verbundstoffmaterials voll nutzen und eine zuverlässige Funktion gewährleisten.
Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich einer Verbundstoffantriebswellenherstellvorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich einer Verbundstoffantriebswelle durch die Merkmale des Anspruchs 9 und hinsichtlich eines Verfahrens zur Herstellung einer Verbundstoffantriebswelle durch die Merkmale des Anspruchs 18 sowie hinsichtlich einer Vorrichtung zur Verwendung einer Verbundstoffantriebswellenkonstruktion durch die Merkmale des Anspruchs 19 und hinsichtlich eines Verwendungsverfahrens für eine Vorrichtung unter Verwendung einer Verbundstoffantriebswelle durch die Merkmale des Anspruchs 36. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demnach schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt eine Verbundstoffantriebswellenherstellvorrichtung, aufweisend zumindest ein längliches Versteifungsformelement und eine zylindrische Form mit zumindest einer Aufnahmenut parallel zu seiner Mittenachse, um das längliche Versteifungsformelement aufzunehmen.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Verbundstoffantriebswelle mit mehreren länglichen Versteifungsformelementen, die parallel zu einer Mittenachse angeordnet sind. Verbundstofffasermaterial erstreckt sich um die länglichen Versteifungsformelemente in einer zylindrischen Form zum Halten der Versteifungsformelemente in Position.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundstoffantriebswelle. Eine zylindrische Form wird bereit gestellt, die mehrere Aufnahmenuten aufweist, die sich parallel zu ihrer Achse erstrecken. Eine erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial wird um die Form angebracht und längliche Versteifungsformelemente werden in die Aufnahmenuten über der ersten Schicht des Verbundstoffmaterials eingesetzt. Eine zweite Schicht aus Verbundstofffasermaterial wird um die zylindrische Form, die erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial und die länglichen Versteifungsformelemente angebracht. Daraufhin wird die Einheit in eine fertiggestellte Antriebswelle konsolidiert und die zylindrische Form wird von der Antriebswelle entfernt.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Verwendung in einer Verbundstoffantriebswellenkonstruktion, aufweisend eine erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial und mehrere längliche Versteifungsformelemente, die auf der ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial angeordnet sind. Eine zweite Schicht aus Verbundstofffasermaterial wird auf der Oberseite der ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial und den länglichen Versteifungsformelementen angeordnet.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstoffantriebswelle. Eine zylindrische Form wird bereit gestellt, die mehrere Aufnahmenuten aufweist, die sich parallel zu ihrer Achse erstrecken. Eine Vorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung einer Verbundstoffantriebswelle wird außerdem bereit gestellt. Die Vorrichtung wird um die zylindrische Form derart gewickelt, dass die länglichen Versteifungsformelemente in der Vorrichtung in die Aufnahmenuten der zylindrischen Form passen. Die Antriebswelle wird konsolidiert und die zylindrische Form wird von der fertiggestellten Antriebswelle entfernt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; in dieser zeigen:
Fig. 1A eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der zylindrischen Form und des entsprechenden Versteifungsformelements zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung,
Fig. 1B eine Querschnittsansicht einer weiteren Geometrie der zylindrischen Form und des Versteifungsformelements von Fig. 1A,
Fig. 1C eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der zylindrischen Form und des Versteifungsformelements von Fig. 1A,
Fig. 2A eine Seitenansicht einer Ausführungsform der zylindrischen Form zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2B eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines hutförmigen Versteifungsformelements zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der zylindrischen Form von Fig. 2A,
Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer vervollständigten Verbundstoffantriebswelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des Verbundstoffantriebswellenherstellprozesses in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6A eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer vervollständigten Verbundstoffantriebswelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6B eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer vervollständigten Verbundstoffantriebswelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer vorab vorbereiteten Vorrichtung zur Verwendung in dem Verbundstoffantriebswellenherstellverfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Herstellprozesses für die Vorrichtung von Fig. 7 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 9 eine Ausführungsform der Verwendung der Vorrichtung von Fig. 8 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Der Prozess zum Herstellen einer Verbundstoffantriebswelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erfordert eine zentrale zylindrische Form 10. Die zylindrische Form 10 ist in sämtlichen Figuren gezeigt, geht jedoch am besten aus Fig. 2A hervor. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform ist die zylindrische Form 10 bevorzugt aus Stahl oder einem anderen festen bzw. beständigen Metall hergestellt, um strukturelle Dicke und Stützfähigkeit bereit zu stellen. Insbesondere hat sich ein Stahl mit einer Dicke von 1/4 Inch als besonders günstig zur Durchführung der vorliegenden Erfindung erwiesen. Materialien, die an der Verbundstoffantriebswelle nicht haften, die während der Verarbeitung der Verbundstoffantriebswelle aushärten oder die anderweitig von selbst an der Verbundstoffantriebswelle nicht haften, stellen ein geeignetes Material für die zylindrische Form 10 dar.
Die zylindrische Form 10 legt außerdem bevorzugt zumindest eine Aufnahmenut 12 in der Seitenwandung 11 des Zylinders fest. Diese Aufnahmenut 12 wird bevorzugt in die zylindrische Form 10 parallel zu ihrer Achse geschnitten. Jede Aufnahmenut 12 ist bevorzugt so konfiguriert, dass sie ein Versteifungsformelement 14 aufnimmt.
Die Versteifungsformelemente 14 dienen zumindest zwei wesentlichen Zwecken. Der erste Zweck besteht darin, eine Abstützung der Verbundstoffantriebswelle während der Konstruktion bereit zu stellen. Wie nachfolgend näher erläutert und in Fig. 4 gezeigt, umfasst die Antriebswelle zwei Schichten aus Verbundstoffmaterial. Beim Prozess zum Konstruieren der Antriebswelle stellen die Versteifungsformelemente 14 eine Trennung zwischen den zwei Schichten bereit. Die Versteifungsformelemente 14 halten diese zwei Schichten voneinander entfernt, wenn die Verbundstoffantriebswelle ausgehärtet wird, und sie können daraufhin entfernt werden, um strukturelle Hohlräume zu belassen, die die Struktur der Verbundstoffantriebswelle stärken. Wenn die Hohlräume einzeln um den Umfang der Verbundstoffantriebswelle beabstandet sind, stellen die Hohlräume eine größere Festigkeit bereit als Strukturen gemäß dem Stand der Technik, wie etwa eine Honigwabenanordnung.
Die Versteifungsformelemente 14 können ihrerseits auch verwendet werden, um zusätzliche Steifheit und Festigkeit für die Verbundstoffantriebswelle im Einsatz derselben bereit zu stellen. Wie vorstehend erläutert, stellt die Trennung der Schichten der Antriebswelle, die durch die Versteifungsformelemente 14 bewirkt wird, eine signifikante zusätzliche Beständigkeit bzw. Festigkeit gegenüber Torsionskräften bereit. Die zusätzliche Steifheit und Festigkeit kann gegebenenfalls bereit gestellt werden, indem die Versteifungsformelemente 14 in der fertiggestellten Antriebswelle belassen werden.
Die Versteifungsformelemente können aus einer großen Vielfalt von Materialien hergestellt werden. Polymere, wie etwa Polypropylen sowie Metalle, wie etwa Stahl und Aluminium, haben sich als die am besten geeigneten Materialien für die Ausführungsformen eines Versteifungsformelements 14 erwiesen.
Fig. 1A bis 1C zeigen unterschiedliche Ausführungsformen einer zylindrischen Form 10 mit unterschiedlichen Formen der Aufnahmenuten 12 sowie Versteifungsformelementen 14, die der jeweiligen Form entsprechen. Drei bevorzugte Gestalten der Ausführungsform für die Aufnahmenuten 12 und ihr zugeordnetes Versteifungsformelement 14 sind die Hutform, die Kreisform und eine T-Form; andere Formen können jedoch ebenfalls in Betracht gezogen werden. Fig. 1A zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer zylindrischen Form 10 mit mehreren hutförmigen Aufnahmenuten 12. Ein hutförmiges Versteifungsformelement 14 ist auch gezeigt und ist dazu bestimmt, in die Aufnahmenut 12 zu passen. Die hutförmigen Versteifungsformelemente 14 besitzen trapezförmige Querschnittsform. Eine derartige Form hat eine Anzahl von Winkeln und geraden Abschnitten zur Verbesserung der Steifigkeit der Verbundstoffantriebswelle. Fig. 1B zeigt eine Abwandlung der zylindrischen Form 10, die kreisförmige Aufnahmenuten 16 aufweist. In dieser Ausführungsform ist ein kreisförmiges Versteifungsformelement 18 zur Einführung in den Aufbau gezeigt. Diese Form weist nicht die Winkel eines hutförmigen Versteifungsformelements 14 auf, hat dafür einen glatteren Rand zur Anbringung eines Endelements unter Aufrechterhaltung einer verbesserten Steifigkeit entlang einer gleichmäßigen Verbundstoffantriebswelle. Fig. 1C zeigt eine dritte Ausführungsform der zylindrischen Form 10 mit T-förmigen Aufnahmenuten 20 und einem T-förmigen Versteifungsformelement 22. Die T-förmigen Aufnahmenuten stellen eine Rippenstruktur für die Innenseite der Verbundstoffantriebswelle bereit, die der Antriebswelle größere Steifigkeit verleiht sowie eine Grenzfläche mit Nuten in einem Endelement für die Antriebswelle.
Silikongummi oder ein Balgmaterial kann verwendet werden, um ein Versteifungsformelement 14 herzustellen. Silikongummi ist ein natürlich expandierendes Material, während ein Balg unter Zuhilfenahme von Luft ähnlich wie ein Ballon aufgeweitet werden kann. Diese Materialien können verwendet werden, wenn ein festes Versteifungsformelement 14 normalerweise verwendet werden würde. Sie können zu jeder Zeit aufgeweitet werden, sobald die Verbundstoffantriebswelle um sie geformt worden ist. Der zusätzliche Druck, der durch das aufgeweitete Versteifungsformelement 14 den Wänden der Verbundstoffantriebswelle um sie herum zugeführt wird, führt zu einer zusätzlichen Festigkeit, durch die die Verbundstoffantriebswelle im Einsatz Torsionsspannung zu widerstehen vermag.
Es wird bemerkt, dass, um die vorliegende Erfindung besonders effektiv zu gestalten, die Aufnahmenuten 12 und die entsprechenden Versteifungsformelemente 14 keine Form aufweisen, die die zylindrische Form 10 in die Verbundstoffantriebswelle dauerhaft verblockt. Eine bevorzugte Verbundstoffantriebswelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erfordert, dass die zylindrische Form 10 aus der Verbundstoffantriebswelle herausziehbar bzw. gleitend bewegbar ist. Die vorstehend genannten bevorzugten Formen stellen sämtliche diese Fähigkeit bereit.
Während die weiteren Figuren dieser Erfindung hutförmige Aufnahmenuten 12 und Versteifungsformelemente 14 bereit stellen, ist die offenbarte Erfindung nicht auf diese Form der Aufnahmenuten 12 und der Versteifungsformelemente 14 beschränkt. Begriffe wie "Aufnahmenuten" und "Versteifungsformelement" beziehen sich auf sämtliche mögliche Geometrien, obwohl vorliegend eine bestimmte Geometrie für die Aufnahmenuten bzw. Versteifungsformelemente verwendet wird, wie etwa hutförmige Geometrie, T-förmige Geometrie oder kreisförmige Geometrie, soweit nicht anders ausgeführt.
Fig. 2A und 2B zeigen Seitenansichten von Ausführungsformen der zylindrischen Form 10 mit Aufnahmenuten 12 und einem Versteifungsformelement 14. Fig. 2A zeigt eine Seitenansicht der zylindrischen Form 10 mit Aufnahmenuten 12, die sich über die gesamte Länge der zylindrischen Form 10 in Längsrichtung erstrecken. In der in Fig. 2A gezeigten Ausführungsform kommen vier hutförmige Aufnahmenuten 12 zum Einsatz, die um den Umfang der zylindrischen Form 10 angeordnet sind. Es können jedoch mehr oder weniger derartige Aufnahmenuten 12 verwendet werden, je nach Anforderung des Herstellers der Verbundstoffantriebswelle. Die Aufnahmenuten 12 in dieser Ausführungsform sind ebenfalls gleichmäßig beabstandet voneinander um den Umfang der zylindrischen Form 10 angeordnet. Während es sich hierbei um eine bevorzugte Ausführungsform zum Anordnen der Aufnahmenuten 12 handelt, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Positionierung mit gleichmäßigem Abstand beschränkt; vielmehr können die Aufnahmenuten 12 an beliebiger Stelle entlang dem Umfang der zylindrischen Form 10 angeordnet sein. Diese Ausführungsform zeigt außerdem, dass die Aufnahmenuten 12 und die entsprechenden Versteifungsformelemente 14 sämtliche dieselbe Form aufweisen. Während ein Versteifungsformelement 14 bevorzugt dieselbe allgemeine Form aufweisen sollte wie ihre entsprechende Aufnahmenut 12, damit die Erfindung am wirksamsten zur Geltung kommt, müssen nicht sämtliche Paare von Aufnahmenuten 12 und Versteifungsformelementen 14 dieselbe Form aufweisen. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht jedoch vor, dass sämtliche Paare dieselbe Form aufweisen. Um das höchste Niveau an Festigkeit und Abstützung bereit zu stellen, ist es bevorzugt, dass diese Aufnahmenuten 12 sich parallel zur Mittenachse der zylindrischen Form 10 erstrecken.
Es ist auch erforderlich, dass die Aufnahmenut 12 sich über die gesamte Länge der zylindrischen Form 10 erstreckt, wie in Fig. 3 gezeigt. In dieser Ausführungsform verlaufen die Aufnahmenuten 12 lediglich über einen Teil durch die zylindrische Form 10. Um eine derartige zylindrische Form 10 mit der vorliegenden Erfindung verwenden zu können, wäre es jedoch erforderlich, Versteifungsformelemente 14 geeigneter Größe zu verwenden, die in die Aufnahmenuten 12 passen. Eine Verbundstoffantriebswelle, die mit einer derartigen zylindrischen Form 10 erzeugt wird, kann verwendet werden, wenn die Festigkeitseigenschaften an den Enden der Antriebswellen am wichtigsten sind, oder um eine physikalische Abstützung und eine Verblockungseinrichtung für ein Endelement für die Verbundstoffantriebswelle bereit zu stellen. Damit die zylindrische Form 10 von der Verbundstoffantriebswelle entfernt werden kann, wenn diese vollständig hergestellt ist, sollten diese Aufnahmenuten 12 ausschließlich an einem Ende der zylindrischen Form 10 angeordnet sein. Diese Anordnung erlaubt es, dass die zylindrische Form 10 vom anderen Ende der fertiggestellten Verbundstoffantriebswelle entfernt werden kann.
Die Verbundstoffantriebswelle gemäß der vorliegenden Erfindung besteht primär aus mehreren Schichten von Verbundstofffasermaterial, die um die zylindrische Form 10 und die Versteifungsformelemente 14 gewickelt werden bzw. sind. Eine derartige Verbundstoffantriebswelle, die um eine zylindrische Form 10 erzeugt wird, ist in Fig. 4 in Querschnittsansicht gezeigt. Eine erste Schicht eines Verbundstofffasermaterials 24 ist um eine zylindrische Form 10 mit Aufnahmenuten 12 gewickelt. Versteifungsformelemente 14 sind bzw. werden in die Aufnahmenuten 12 über der ersten Schicht 24 aus Verbundstofffasermaterial eingeführt. Eine zweite Schicht 26 aus Verbundstofffasermaterial wird um den gesamten Aufbau gewickelt.
Die Verbundstofffasermaterialschichten 24 und 26 bestehen bevorzugt aus einer oder mehreren Kohlefaserlagen. Jede Kohlefaserlage ist bevorzugt vorab getränkt mit Verbundstofffasern und Harz zur Förderung des Aushärtens der Lage nach dem Umwickeln. Die verwendeten Kohlenstofffasern sind bevorzugt unidirektionell, weil eine derartige Faserorientierung die größte Festigkeit erbringt. Eine derartige Schicht bzw. Lage ist kommerziell erhältlich, und zwar in unterschiedlichen Dicken. Ein großer Dickenbereich ist für die vorliegende Erfindung von Nutzen. Besonders nützlich bzw. bevorzugt sind Lagen bzw. Schichten mit einer Dicke von ungefähr 0,008 Inch.
Während eine vorab getränkte Lage von Verbundstofffasern ein bevorzugtes Verfahren zum Anbringen der Schichten 24 und 26 von Verbundstofffasermaterial darstellt, können diese Schichten auch aufgetragen werden unter Verwendung von Filamentwickel- oder Flechtverfahren. Diese Verfahren sind dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik geläufig.
Das Verfahren zur Herstellung der Verbundstoffantriebswelle von Fig. 4 ist im Flussdiagramm von Fig. 5 dargestellt. Zunächst wird eine zylindrische Form 10 in einem Kasten 100 mit mehreren Aufnahmenuten 12 bereit gestellt. Eine erste Schicht 24 aus Verbundstofffasermaterial wird um die zylindrische Form 10 im Kasten 110 gewickelt. Versteifungsformelemente 14, die mit den Aufnahmenuten 12 der zylindrischen Form 10 übereinstimmen, werden in dem Kasten 120 in die Aufnahmenuten 12 über die erste Schicht 24 aus Verbundstofffasermaterial eingeführt. Eine zweite Schicht 26 aus Verbundstofffasermaterial wird daraufhin um den gesamten Aufbau im Kasten 130 gewickelt, und zwar über die erste Schicht 24 aus dem Verbundstofffasermaterial und die Versteifungsformelemente 14. Der gesamte Aufbau wird im Kasten 140 bevorzugt konsolidiert oder miteinander verbunden und die zylindrische Form 10 wird aus dem Zentrum bzw. der Mitte der Antriebswelle im Kasten 150 entfernt.
Die Konsolidierung im Kasten 140 kann in einer von zahlreichen Möglichkeiten erfolgen, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik geläufig. Die Konsolidierung kann erfolgen durch Schrumpfwickeln des gesamten Aufbaus, worauf er aushärten und miteinander verkleben gelassen wird. Eine derartige kommerzielle Schrumpfumwicklung besteht bevorzugt aus Polyester, Polyethylen, Polypropylen, Polyamidpolymeren, Polyimidpolymeren, anderen thermoplastischen Polymeren oder aus einer Kombination hieraus. Die Wahl des polymeren Materials kann auf Grundlage davon erfolgen, welches Material von einem Hersteller erhältlich ist und was es kostet. Ein Unterdruckbeutelaufbau kann auch verwendet werden, um die Verbundstoffantriebswelle unter Verwendung von Unterdruck zu konsolidieren. Alternativ konsolidiert ein Balgformaufbau oder ein eindringfähiges Passwerkzeug den Aufbau über mechanischen Druck. Der Aufbau kann durch einen herkömmlichen Aushärtungsprozess behandelt werden. Andere Verfahren zum Konsolidieren des Aufbaus können, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet geläufig, auf Grundlage der verwendeten Materialien gewählt werden sowie auf Grundlage des Kostenrahmens und der Einrichtungen, die dem Hersteller zur Verfügung stehen. Diese Verfahren können auch verwendet werden, um ein Endteil auf die Verbundstoffantriebswelle durch gemeinsames Aushärten aufzubringen, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik geläufig.
Wenn die zylindrische Form 10 in dem Kasten 150 entfernt wird, können die Versteifungsformelemente 14 ebenfalls entfernt werden. Eine Ausführungsform einer fertiggestellten Verbundstoffantriebswelle ohne Versteifungsformelemente 14 ist in Fig. 6A gezeigt, während eine weitere Ausführungsform einer fertiggestellten Verbundstoffantriebswelle mit Versteifungsformelementen 14, die in der Verbundstoffantriebswelle belassen werden, in Fig. 6B gezeigt ist. Ob die Versteifungsformelemente 14 in der fertiggestellten Verbundstoffantriebswelle belassen werden, hängt von dem Material ab, das für die Versteifungsformelemente 14 verwendet wird, von den erwünschten Festigkeitseigenschaften der fertiggestellten Verbundstoffantriebswelle oder von den in Betracht stehenden Kosten. Ein Satz von Versteifungsformelementen kann außerdem hergestellt werden und daraufhin verwendet werden in recycelbarer Weise unter Nutzung desselben Satzes von Versteifungsformelementen 14 bei der Ausbildung mehrerer Verbundstoffantriebswellen.
Um die Geschwindigkeit bei der Herstellung einer Verbundstoffantriebswelle unter Verwendung dieses Verfahrens zu erhöhen, kann eine vorab vorbereitete Vorrichtung bzw. ein "Bausatz" erzeugt werden. Eine Ausführungsform eines derartigen Bausatzes ist in Fig. 7 gezeigt. Dieser Bausatz umfasst eine erste Schicht 24 aus einem Verbundstofffasermaterial und eine zweite Schicht 26 aus einem Verbundstofffasermaterial, wobei mehrere Versteifungsformelemente 14 zwischen die Schichten integriert sind. Die Versteifungsformelemente 14 sind sämtliche parallel zu einem gewählten Rand der erster. Schicht 24 aus dem Verbundstofffasermaterial angeordnet und sie werden derart angeordnet, dass sie mit den Aufnahmenuten 12 in der zylindrischen Form 10 übereinstimmen.
Es ist bevorzugt, an den Rändern der Versteifungsformelemente 14 zwischen der ersten Schicht 24 aus dem Verbundstofffasermaterial und der zweiten Schicht 26 aus dem Verbundstofffasermaterial eine Naht 28 vorzusehen. Diese Naht 28 dient dazu, die Versteifungsformelemente 14 sicherer in Position zu halten als beim Einsatz eines teilweisen Aushärtens oder eines zusätzlichen Klebematerials. Die Naht 28 kann aus einem Faden bestehen, der aus Nylon, Kevlar oder einem anderen Polyamid hergestellt ist sowie aus Fäden, die aus Polypropylen oder Polyethylen hergestellt sind. Ein Kohlenstofffaserfaden kann auch verwendet werden.
Die Verwendung eines derartigen Bausatzes ist im Flussdiagramm von Fig. 8 aufgeführt. Zunächst wird die zylindrische Form 10 im Kasten 160 bereit gestellt. Ein Bausatz, dessen Positionierung von Versteifungsformelementen 14 mit den Aufnahmenuten 12 in der zylindrischen Form 10 übereinstimmt, wird um die zylindrische Form 10 im Kasten 170 gewickelt. Eine Darstellung eines teilweise gewickelten Bausatzes ist in Fig. 9 gezeigt. Nach dem Wickelschritt im Kasten 170 wird der gesamte Aufbau im Kasten 180 konsolidiert. Die Konsolidierung im Kasten 180 kann durch ein beliebiges der vorstehend für die Fig. 5 im Kasten 140 zur Konsolidierung einer Verbundstoffantriebswelle ohne Verwendung eines Bausatzes erläuterten Verfahrens bewirkt werden oder durch ein anderes Verfahren, das dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik geläufig ist. Die zylindrische Form 10 wird dann im Kasten 190 entfernt.
Die gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind lediglich beschreibend und nicht beschränkend für dieselbe sowie zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich, die sämtliche im Umfang der anliegenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Verbundstoffwellenherstellungsvorrichtung, aufweisend:
zumindest ein längliches Versteifungsformelement, und
eine zylindrische Form mit zumindest einer Aufnahmenut parallel zu ihrer Mittenachse, wobei die Aufnahmenut dazu bestimmt ist, das längliche Versteifungsformelement aufzunehmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Aufnahmenuten gleichmäßig beabstandet entlang dem Umfang der Antriebswelle angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die länglichen Versteifungsformelemente und die zugeordneten Aufnahmenuten Hutform aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die länglichen Versteifungsformelemente und die zugeordneten Aufnahmenuten T-Form aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die länglichen Versteifungsformelemente und die zugeordneten Aufnahmenuten Kreisform aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die länglichen Versteifungsformelemente von der Antriebswelle unter Belassung struktureller Hohlräume entfernbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die länglichen Versteifungsformelemente und ihre zugeordneten Aufnahmenuten sich in Längsrichtung über die gesamte Länge der zylindrischen Form erstrecken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die länglichen Versteifungsformelemente und ihre zugeordneten Aufnahmenuten sich in Längsrichtung über einen Teil der Länge der zylindrischen Form erstrecken.

9. Verbundstoffantriebswelle, aufweisend:
mehrere längliche Versteifungsformelemente, die parallel zu einer Mittenachse angeordnet sind, und
ein Verbundstofffasermaterial, das sich um die länglichen Versteifungsformelemente in einer zylindrischen Form erstreckt, um die länglichen Versteifungsformelemente in Position zu halten.

10. Verbundstoffantriebswelle nach Anspruch 9, wobei die länglichen Versteifungsformelemente Hutform aufweisen.

11. Verbundstoffantriebswelle nach Anspruch 9, wobei die länglichen Versteifungsformelemente T-Form aufweisen.

12. Verbundstoffantriebswelle nach Anspruch 9, wobei die länglichen Versteifungsformelemente Kreisform aufweisen.

13. Verbundstoffantriebswelle nach Anspruch 9, wobei die länglichen Versteifungsformelemente von der Antriebswelle unter Belassung struktureller Hohlräume entfernbar sind.

14. Verbundstoffantriebswelle nach Anspruch 9, wobei die länglichen Versteifungsformelemente sich über die gesamte Länge der Verbundstoffantriebswelle in Längsrichtung erstrecken.

15. Verbundstoffantriebswelle nach Anspruch 9, wobei die länglichen Versteifungsformelemente sich in Längsrichtung über einen Teil der Länge der Verbundstoffantriebswelle erstrecken.

16. Verbundstoffantriebswelle nach Anspruch 9, wobei die strukturellen Hohlräume sich in Längsrichtung über die gesamte Länge der Verbundstoffantriebswelle erstrecken.

17. Verbundstoffantriebswelle nach Anspruch 9, wobei die strukturellen Hohlräume sich in Längsrichtung über einen Teil der Länge der Verbundstoffantriebswelle erstrecken.

18. Verfahren zum Herstellen einer Verbundstoffantriebswelle, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen einer zylindrischen Form, die mehrere Aufnahmenuten aufweist, die sich parallel zu ihrer Achse erstrecken,
Anbringen einer ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial um die zylindrische Form,
Einführen länglicher Versteifungsformelemente in die Aufnahmenuten der zylindrischen Form außerhalb der ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial,
Aufbringen einer zweiten Schicht aus Verbundstofffasermaterial um die zylindrische Form, die erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial und die länglichen Versteifungsformelemente,
Konsolidieren der Antriebswelle, und
Entfernen der zylindrischen Form von der fertiggestellten Antriebswelle.

19. Verfahren nach Anspruch 18, außerdem aufweisend den Schritt, die länglichen Versteifungsformelemente von der fertiggestellten Antriebswelle unter Belassung struktureller Hohlräume zu entfernen.

20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die länglichen Versteifungsformelemente und ihre zugeordneten Aufnahmenuten sich in Längsrichtung über die gesamte Länge der zylindrischen Form erstrecken.

21. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die länglichen Versteifungsformelemente und ihre zugeordneten Aufnahmenuten sich in Längsrichtung über lediglich einen Teil der Länge der zylindrischen Form erstrecken.

22. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die strukturellen Hohlräume sich in Längsrichtung über die gesamte Länge der zylindrischen Form erstrecken.

23. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die strukturellen Hohlräume sich in Längsrichtung über lediglich einen Teil der Länge der zylindrischen Form erstrecken.

24. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Aufnahmenuten und die länglichen Versteifungsformelemente beide hutförmig sind.

25. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Aufnahmenuten und die länglichen Versteifungsformelemente beide kreisförmig sind.

26. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Aufnahmenuten und die länglichen Versteifungsformelemente beide T-förmig sind.

27. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt zum Aufbringen der ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial ausgeführt wird durch Wickeln von zumindest einer vorab imprägnierten Kohlefaserschicht bzw. -lage um die zylindrische Form.

28. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt zum Aufbringen der zweiten Schicht aus Verbundstofffasermaterial ausgeführt wird durch Wickeln von zumindest einer vorab imprägnierten Kohlefaserschicht um die zylindrische Form, die erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial und die länglichen Versteifungselemente.

29. Vorrichtung zur Verwendung in einer Verbundstoffantriebswellenkonstruktion, aufweisend:
eine erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial,
mehrere längliche Versteifungsformelemente, die auf der ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial angeordnet sind, und
eine zweite Schicht aus Verbundstofffasermaterial, die auf der ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial und den länglichen Versteifungsformelementen angeordnet ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die mehreren Versteifungsformelemente parallel zum selben Rand der ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial verlaufen.

31. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Ränder der Versteifungsformelemente eine Naht enthalten, die sich über beide Schichten aus Verbundstofffasermaterial erstreckt.

32. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die länglichen Versteifungsformelemente gleichmäßig beabstandet voneinander angeordnet sind.

33. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die länglichen Versteifungsformelemente hutförmig sind.

34. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die länglichen Versteifungsformelemente T-förmig sind.

35. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die länglichen Versteifungsformelemente kreisförmig sind.

36. Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung einer Verbundstoffantriebswelle, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen einer zylindrischen Form mit mehreren Aufnahmenuten, die sich parallel zu ihrer Achse erstrecken, und eine Vorrichtung zur Verwendung zur Herstellung einer Verbundstoffantriebswelle,
Wickeln der Vorrichtung um die zylindrisch Form, so dass die länglichen Versteifungsformelemente in der Vorrichtung in die Aufnahmenuten der zylindrischen Form passen,
Konsolidieren der Antriebswelle, und
Entfernen der zylindrischen Form von der fertiggestellten Antriebswelle.

37. Verfahren nach Anspruch 36, wobei die Aufnahmenuten und die länglichen Versteifungsformelemente beide hutförmig sind.

38. Verfahren nach Anspruch 36, wobei die Aufnahmenuten und die länglichen Versteifungsformelemente beide kreisförmig sind.

39. Verfahren nach Anspruch 36, wobei die Aufnahmenuten und die länglichen Versteifungsformelemente beide T-förmig sind.