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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Herstellen einer Verbundstoffantriebswelle, eine Vorrichtung
zum Herstellen einer Verbundstoff-Antriebswelle zur Durchführung dieses
Verfahrens, eine nach diesem Verfahren hergestellte Verbundstoffantriebswelle
sowie ein Halbzeug zur Herstellung einer derartigen Verbundstoffantriebswelle.
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Aus
DE 27 47 910 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung
von Drehkräfte übertragenden
Stäben oder
Stangen aus faserverstärktem
Kunststoff bekannt, dabei wird ein verlorener Kern aus Schaumstoff
mit wenigstens einem diagonal gewebten Schlauch überzogen. Der Schlauch wird
mit härtbarem
Kunststoff getränkt
und anschließend
ausgehärtet.
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Nach
DE 198 41 606 A1 ist eine Antriebswelle bekannt,
die ein Grundelement umfasst, welches aus einem stranggepressten
Rohrteil mit Längsrippen
besteht, das mit einem Endteil, wie z.B. einem Lagerkopf über eine
Reibschweißverbindung
verbindbar ist.
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Aus
DE 40 25 958 A1 ist eine Hohlwelle aus faserverstärktem Kunststoff
bekannt, sie besteht aus einem rohrförmigen, aus gewickelten Faserlagen aufgebauten
Wellenteil mit an seinen Enden dauerhaft festgelegten Anschlussmitteln.
Das Wellenteil ist zumindest annähernd
parabolisch bombiert. Die Bombage durch einen entsprechend geformten
Kern erreicht, der entweder zwischen zwei Faserlagen eingebettet
ist oder den inneren Mantel des Wellenteils bildet.
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Durch Verwendung von Antriebswellen,
die aus Verbundstoff hergestellt sind, ist es möglich, dass die Antriebswelle
eine höhere
kritische Drehzahl hat. Sämtliche
Materialien für
Antriebswellen besitzen eine innere Resonanzfrequenz. Wenn die Antriebswelle
die Resonanzfrequenz des Materials erreicht, beginnt sie 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.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstoff-Antriebswelle
und eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung einer derartigen
Verbundantriebswelle anzugeben, wobei die Vorteile eines leichten
Verbundmaterials voll genutzt und eine zuverlässige Funktion gewährleistet
wird.
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Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1, vorrichtungsmäßig wird sie gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 5.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnungen beispielhaft näher
erläutert;
in dieser zeigen:
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1A eine
Querschnittsansicht einer Ausführungsform
der zylindrischen Form und des entsprechenden Versteifungsformelements
zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung,
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1B eine
Querschnittsansicht einer weiteren Geometrie der zylindrischen Form
und des Versteifungsformelements von 1A,
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1C eine
Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der zylindrischen
Form und des Versteifungsformelements von 1A,
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2 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform
der zylindrischen Form zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung,
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3 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform
eines hutförmigen
Versteifungsformelements zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung,
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4 eine
Querschnittsansicht einer Ausführungsform
einer vervollständigten
Verbundstoffantriebswelle in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung,
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5 ein
Flussdiagramm einer Ausführungsform
des Verbundstoffantriebswellenherstellprozesses in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung,
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6A eine
Seitenansicht einer Ausführungsform
einer vervollständigten
Verbundstoffantriebswelle in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung,
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6B eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer vervollständigten
Verbundstoffantriebswelle in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung,
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7 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform
einer vorab vorbereiteten Vorrichtung zur Verwendung in dem Verbundstoffantriebswellenherstellverfahren
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung,
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8 ein
Flussdiagramm einer Ausführungsform
eines Herstellprozesses für
die Vorrichtung von 7 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, und
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9 eine
Ausführungsform
der Verwendung der Vorrichtung von 8 in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung.
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Der Prozess zum Herstellen einer
Verbundstoffantriebswelle in Übereinstimmg
mit der vorliegenden Erfindung erfordert eine zentrale zylindrische Form 10.
Die zylindrische Form 10 ist in sämtlichen Figuren gezeigt, geht
jedoch am besten aus 2A hervor.
In Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
ist die zylindrische Form 10 bevorzugt aus Stahl oder einem
anderen festen bzw. beständiger.
Metall hergestellt, um strukturelle Dicke und Stützfähigkeit bereit zu stellen.
Insbesondere hat sich ein Stahl mit einer Dicke von etwa 6,4 mm
(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.
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Die zylindrische Form 10 legt
außerdem
zumindest eine Aufnahmenut 12 in der Seitenwandung 11 des
Zylinders fest. Diese Aufnahmenut 12 wird in die zylindrische
Form 10 parallel zu ihrer Achse geschnitten. Jede Aufnahmenut 12 ist
so konfiguriert, dass sie ein Versteifungsformelement 14 aufnimmt.
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Die Versteifungsformelemente 14 dienen
zumindest zwei wesentlichen Zwecken. Cer erste Zweck besteht darin,
eine Abstützung
der Verbundstoffantriebswelle während
der Konstruktion bereit zu stellen. Wie nachfolgend näher erläutert und
in 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.
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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.
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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.
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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. 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. 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. 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.
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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.
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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.
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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.
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2 und 3 zeigen Seitenansichten
von Ausführungsformen
der zylindrischen Form 10 mit Aufnahmenuten 12 und
einem Versteifungsformelement 14. 2 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 2 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 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 vorgeshen, dass diese Aufnahmenuten 12 sich parallel
zur Mittenachse der zylindrischen Form 10 erstrecken.
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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 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.
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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 Umwi ckeln. 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 0,2 mm (0,008 Inch).
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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.
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Das Verfahren zur Herstellung der
Verbundstoffantriebswelle von 4 ist
im Flussdiagramm von 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.
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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 Vakuumbeutelaufbau 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.
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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 6A gezeigt, während eine
weitere Ausführungsform
einer fertiggestellten Verbundstoffantriebswelle mit Versteifungsformelementen 14,
die in der Verbundstoffantriebswelle belassen werden, in 6B gezeigt ist. Ob die Versteifungs formelemente 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.
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Um die Geschwindigkeit bei der Herstellung einer
Verbundstoffantriebswelle unter Verwendung dieses Verfahrens zu
erhöhen,
kann eine vorab vorbereitete Vorrichtung, ein Halbzeug bzw. ein „Bausatz" erzeugt werden.
Eine Ausführungsform
eines derartigen Bausatzes ist in 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 ersten Schicht 24 aus dem Verbundstofffasermaterial angeordnet
und sie werden derart angeordnet, dass sie mit den Aufnahmenuten 12 in
der zylindrischen Form 10 übereinstimmen.
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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 Po lyamid hergestellt ist
sowie aus Fäden,
die aus Polypropylen oder Polyethylen hergestellt sind. Ein Kohlenstofffaserfaden
kann auch verwendet werden.
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Die Verwendung eines derartigen Bausatzes ist
im Flussdiagramm von 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 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 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.