DE10306989A1

DE10306989A1 - Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle

Info

Publication number: DE10306989A1
Application number: DE10306989A
Authority: DE
Inventors: Yasunori Nonogaki; Koya Suzuki
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2003-10-16
Also published as: US20030157988A1; JP2003237396A

Abstract

Eine faserverstärkte Kunststoffkardanwelle hat ein faserverstärktes Kunststoffrohr und mindestens ein Metallelement, das an einem Ende des Rohrs angebracht ist. Das Metallelement ist mit einer Kerbverzahnung versehen, die eine Vielzahl von Zähnen hat, die einen Scheitelwinkel haben. Wenn das Metallelement an dem Ende des Rohrs angebracht ist, bildet jeder Zahn auf der Innenfläche des Endes des Rohrs eine Nut, die sich entlang der axialen Richtung des Rohrs erstreckt. Der Scheitelwinkel jedes Zahns beträgt zwischen 45 DEG und 75 DEG .

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine faserverstärkte Kunststoffkardanwelle, die ein faserverstärktes Kunststoffrohr und Metallelemente hat, die an den Enden des Rohrs angebracht sind, wobei jedes Metallelement eine Kerbverzahnung hat, die eine Anzahl von Zähnen hat, die Nuten ausbilden, die sich in die axiale Richtung in der Innenfläche der Enden des Rohrs erstrecken.
Eine Kardanwelle zum Übertragen von Kraft, die durch den Motor eines Automobils erzeugt wird, auf angetriebene Räder weist typischerweise eine Metallwelle und Gabeln auf, die an den Enden der Welle geschweißt sind. Die Gabeln bilden einen Teil von Kardangelenken aus Metall. Die Kardangelenke sind jeweils mit einer Antriebswelle und einer angetriebenen Welle gekoppelt. Diese Kardanwellenbauart bezieht sich auf eine Kardanwelle aus Metall.
In den letzten Jahren gibt es eine große Nachfrage nach leichten Teilen von Fahrzeugen, um das Gewicht der Fahrzeuge zu verringern. Dementsprechend werden Kardanwellen, die aus faserverstärktem Kunststoff (FRP) gefertigt sind, verwendet, um das Gewicht zu verringern. Fig. 5(a) zeigt eine derartige faserverstärkte Kunststoff (FRP) Kardanwelle 51, die beispielsweise in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 2000-120649 offenbart ist. Die Kardanwelle 51 hat ein FRP-Rohr 52 und Metallgabeln 53, die an den Enden des Rohrs 52 pressgepasst sind. Die Gabeln 53 koppeln das Rohr 52 an eine Antriebswelle und eine angetriebene Welle (keine von beiden ist gezeigt).
Jede Gabel 53 hat eine Kerbverzahnung 54, die auf einem Teil der äußeren Fläche ausgebildet ist, die das FRP-Rohr 52 kontaktiert. Der Außendurchmesser der Kerbverzahnung 54 ist größer als der Innendurchmesser des FRP-Rohrs 52. Presspassen des Kontaktteils der Gabel 53 in das FRP-Rohr 52 bewirkt, dass die Zähne der Kerbverzahnung 54 der Gabel 53 Nuten auf der Innenfläche des FRP-Rohrs 52 ausbilden. Der Eingriff von der Kerbverzahnung 54 und dem FRP-Rohr 52 stellt eine ausreichende Kopplungsfestigkeit sicher, um der Gabel 53 und dem FRP-Rohr 52 zu erlauben, integral zu drehen.
Der Scheitelwinkel θ jedes Zahns 54a der Kerbverzahnung 54 beträgt ungefähr 90°. Wie in Fig. 5(b) gezeigt ist, bezieht sich der Scheitelwinkel θ auf einen Winkel, der durch Linien Ls definiert ist, die die Seiten des Zahns 54a darstellen. Ein größerer Scheitelwinkel θ erfordert eine größere Kraft, um die Kerbverzahnung 54 in das FRP- Rohr 52 presszupassen. Dies erfordert Einrichtungen mit einer größeren Druckkraft und kann das Rohr 52 brechen. Die Kosten steigen dementsprechend. Des Weiteren ist, da es schwierig ist, das Ende des Zahns 54a spitz zu machen, das Ende des Zahns 54a ausgebildet, so dass es einen trapezoidalen oder bogenförmigen Querschnitt hat. Daher bewirkt ein Scheitelwinkel von ungefähr 90° wahrscheinlich, dass die Zähne 54a das FRP-Rohr 52 aufweiten, wenn die Kerbverzahnung 54 pressgepässt wird. In diesem Fall können die Zähne 54a nicht Nuten ausbilden, die eine ausreichende Tiefe haben, und der Eingriff der Zähne 54a mit der Innenfläche des FRP-Rohrs 52 ist nicht ausreichend. Folglich ist die Kopplungsfestigkeit des FRP-Rohrs 52 und der Gabeln 53 nicht zufriedenstellend.
Die Eingriffsabschnitte der Gabeln, die mit einem FRP- Rohr gekoppelt sind, müssen ein erforderliches Moment (Drehmoment) übertragen und verhindern, dass das FRP-Rohr eine übermäßige Kraft erfährt, wenn die Gabeln an das Rohr pressgepasst werden. Daher muss die Pressdruckkraft minimiert werden. Die Momentübertragungsfähigkeit von den Gabeln auf das FRP-Rohr hängt jedoch nicht nur von dem Ausmaß des Eingriffs der Zähne 54 mit dem FRP-Rohr 52 ab, sondern auch von der Reaktionskraft, oder Befestigungskraft, die erzeugt wird, wenn die Kerbverzahnung 54 an das Rohr 52 pressgepasst wird und das Rohr aufweitet. Daher wird, wenn der Scheitelwinkel θ zu klein ist, das Rohr 52 nicht ausreichend aufgeweitet und es wird keine ausreichende Verbindungskraft geben. Folglich wird eine ausreichende Momentübertragungsfähigkeit nicht erreicht. Ebenso wird, wenn der Scheitelwinkel θ zu klein ist, eine erforderliche Festigkeit nicht erreicht.
In jüngsten Fahrzeugkonstruktionen ist eine Technologie vorgeschlagen worden, eine Kardanwelle in die axiale Richtung berstend oder brechend auszuführen, um die große Wucht eines Zusammenstoßes fortschreitend zu absorbieren. Diese Technologie verhindert eine übermäßige Wucht bei einem Zusammenstoß und bewirkt somit eine ausreichende Zeit, um verschiedene Sicherheitseinrichtungen, wie beispielsweise Airbags, zu betätigen. In einer der Konstruktionen gemäß der Technologie werden die Gabeln weiter als die Ursprungsstellung in ein FRP-Rohr durch die Stoßkraft eines Zusammenstoßes gepresst, wenn die Stoßkraft einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dies berstet oder bricht die Kardanwelle axial. In dieser Anordnung sind die Gabeln ferner an das FRP-Rohr mit einer verhältnismäßig kleinen Kraft während der Herstellung pressgepasst.
Dementsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine FRP-Kardanwelle zu schaffen, die Kerbverzahnungen, die leicht an ein FRP-Rohr pressgepassbar sind, und ausreichendes Drehmoment erlaubt, das zwischen dem FRP-Rohr und den Kerbverzahnungen zu übertragen ist.
Um das vorstehende und weitere Ziele gemäß dem Zweck der vorliegenden Erfindung zu erreichen, ist eine faserverstärkte Kunststoffkardanwelle vorgesehen. Die Welle hat ein faserverstärktes Kunststoffrohr und ein Metallelement, das an mindestens ein Ende des Rohrs angebracht ist. Das Metallelement ist mit einer Kerbverzahnung versehen, die eine Vielzahl von Zähnen hat, die einen Scheitelwinkel haben. Wenn das Metallelement an dem Ende des Rohrs angebracht wird, bildet jeder Zahn auf der Innenfläche des Endes des Rohrs eine Nut, die sich entlang der axialen Richtung des Rohrs erstreckt. Der Scheitelwinkel jedes Zahns beträgt zwischen 45° und 75°.
Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung, die beispielhaft die Prinzipien Erfindung veranschaulicht, in Zusammenhang genommen mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
Die Erfindung kann zusammen mit ihrer Aufgabe und ihren Vorteilen besser unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung der derzeitig bevorzugten Ausführungsbeispiele zusammen mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in denen:
Fig. 1 eine Teilschnittansicht ist, die eine FRP- Kardanwelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 eine Teilschnittansicht ist, die die Gabel von Fig. 1 darstellt;
Fig. 3(a) eine vergrößerte Teilvorderansicht der Verzahnung der Gabel ist, die in Fig. 2 gezeigt ist;
Fig. 3(b) eine vergrößerte Teilschnittansicht ist, die den Eingriffsabschnitt der Kerbverzahnung und dem FRP- Rohr zeigt;
Fig. 4 eine vergrößerte Teilvorderansicht ist, die eine Kerbverzahnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt.
Fig. 5(a) eine Schnittansicht ist, die eine FRP- Kardanwelle des Stands der Technik zeigt; und
Fig. 5(b) eine schematische Ansicht ist, die den Scheitelwinkel eines Zahns der Kerbverzahnung zeigt, die in Fig. 5(a) gezeigt ist.
Ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben. Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die eine FRP-Kardanwelle 11 zeigt. Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer Gabel 13, bei der eine Hälfte geschnitten ist. Fig. 3(a) ist eine vergrößerte Teilvorderansicht, die eine Kerbverzahnung 14 zeigt. Fig. 3(b) ist eine vergrößerte Teilschnittansicht, die die Eingriffsabschnitte 13a der Kerbverzahnung 14 und ein FRP-Rohr 12 zeigt.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, hat die FRP-Kardanwelle 11 das FRP-Rohr 12 und ein Paar Metallelemente, die die Metallgabeln 13 in diesem Ausführungsbeispiel sind. Jede Gabel 13 ist in ein Ende des Rohrs 12 pressgepasst. Jede Gabel 13 hat einen Eingriffsabschnitt 13a und einen Gelenkabschnitt 13b. Der Eingriffsabschnitt 13a ist in das entsprechende Ende des FRF-Rohrs 12 pressgepasst. Der Gelenkabschnitt 13b ist an ein Kardangelenk (z. B. ein Kreuzgelenk) gekoppelt, das verwendet wird, um die Kardanwelle 11 mit der Antriebswelle des Fahrzeugs zu koppeln. Ein Loch 13c ist in dem Gelenkabschnitt 13b ausgebildet (siehe Fig. 2). Das Kardangelenk ist mit dem Loch 13c in Eingriff. Der Eingriffsabschnitt 13a jeder Gabel 13 ist an einen Eingriffsabschnitt 12a pressgepasst, der an jedem Ende des FRP-Rohrs 12 angeordnet ist. Die Gabeln 13 sind somit an das FRP-Rohr 12 gekoppelt.
Die Eingriffsabschnitte 12a des FRP-Rohrs 12 sind dicker als der Rest des Rohrs 12. Das FRP-Rohr 12 wird durch das Fadenwicklungsverfahren (FW-Verfahren) hergestellt. Die Verstärkungsfasern des Rohrs 12 sind Kohlefasern. Das Matrixharz ist Epoxydharz. Fasern werden mit Harz getränkt und um eine Spindel gewickelt. Dann wird das Harz mit Wärme gehärtet. Danach wird die Spindel entfernt um das FRP-Rohr 12 auszubilden.
Die Kerbverzahnung 14, die axial erstreckende Zähne 14a hat, ist auf der Außenfläche jedes Eingriffsabschnitts 13a ausgebildet. Die Zähne 14a bilden axial erstreckende Nuten 12c (siehe Fig. 3(b)) auf dem Ende der Innenfläche 12b des FRP-Rohrs 23. Wie in Fig. 3(a) gezeigt ist, sind die Zähne 14a mit einem vorgegebenen Abstand P entlang der Umfangsrichtung ausgebildet. Jeder Zahn 14a hat einen dreieckigen Querschnitt.
Der Scheitelwinkel θ jedes Zahns 14a beträgt 60°. Der Verbindungswinkel p, der durch jedes benachbarte Paar von Zähnen 14a definiert wird, ist im Wesentlichen gleich mit dem Scheitelwinkel θ. Insbesondere beträgt der Unterschied zwischen dem Scheitelwinkel θ und dem Verbindungswinkel φ von 0° bis 5°. In diesem Ausführungsbeispiel bildet der Querschnitt des Zahns 14a ein Sägezahnmuster.
Der Außendurchmesser jeder Kerbverzahnung 14 beträgt zwischen 70 mm und 75 mm (in diesem Ausführungsbeispiel 71 mm). Eine vorgegebene Anzahl von Zähnen, die zwischen 142 und 145 (142, 143, 144 oder 145) beträgt, ist auf der Kerbverzahnung 14 ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Zahl der Zähne 144. Die Seiten jedes Zahns 14a sind durch die Linien Ls in Fig. 3(a) dargestellt. Der Abstand H zwischen dem Schnittpunkt der Linien Ls von benachbarten Zähnen 14a und die Außendurchmesserumfangslinie Ld der Kerbverzahnung 14 beträgt zwischen 0,9 mm und 1,8 mm. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Strecke H 1,25 mm. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Zahnhöhe h gleich dem Abstand H.
Die Dicke des Kopfes des Zahns T der Zähne 14a beträgt gleich oder weniger als 0,1 mm und die Breite W des Fußes der Zähne 14a beträgt 1,5 mm. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Zahndicke des Kopfes T 0,05 mm. Das radiale Maß des Abschnitts jedes Zahns 14a, der mit dem FRP-Rohr 12 eingreift, oder sich darin eingräbt, ist gleich oder geringer als ein Fünftel der Zahnhöhe h. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt das radiale Maß des Eingrababschnitts 0,15 mm. Zum Zwecke der Darstellung sind die Eingrababschnitte in Fig. 3(b) herausgestellt.
Die Kerbverzahnung 14 jeder Gabel 13 wird beispielsweise mit einem Kopffräser ausgebildet. Im Gegensatz zu einem normalen Fräser kann ein Kopffräser den äußeren Abschnitt der Zähne 14a spanend bearbeiten, um den Kopf schmal zu machen.
Die Betriebsweisen der Gabel 13, die wie vorstehend konstruiert ist, ist nachstehend beschrieben. Wenn die Gabeln 13 mit dem FRP-Rohr 23 gekoppelt werden, wird das FRP-Rohr 12 mit einer Spannvorrichtung fixiert. Das Rohr 12 und die Gabel 13 sind in einer Linie und die Kerbverzahnung 14 wird in das Rohr 12 mit einem Werkzeug pressgepasst. Wenn die Kerbverzahnung 14 pressgepasst wird, dringen die Zähne 14 in das Rohr 12 ein, während sie die Nuten 12c auf der Innenfläche des Rohrs 12 ausbilden. Die Zähne 14a sind fest mit den Nuten 12c in Eingriff, was die Gabel 13 mit dem Rohr 12 mit einer hohen Festigkeit koppelt. Wenn die Gabel 13 an den Enden des FRP-Rohrs 12 angebracht werden, ist die Herstellung der Kardanwelle 11 abgeschlossen.
Wenn der Scheitelwinkel θ der Kerbverzahnungszähne 14a ungefähr 90° wie in dem Stand der Technik beträgt, ist eine große Kraft erforderlich, um die Kerbverzahnung 14 in das FRP-Rohr 12 presszupassen. In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel beträgt jedoch der Scheitelwinkel θ 60° und der Verbindungswinkel p (der durch die Seiten 14b jedes benachbarten Zähnepaars 14a definiert ist) ist im Wesentlichen gleich dem Scheitelwinkel θ. Diese Anordnung verringert die Kraft, die zum Presspassen erforderlich ist, und garantiert die Drehmomentübertragungsfähigkeit zwischen dem FRP-Rohr 12 und den Gabeln 13.
Die Drehmomentübertragungsfähigkeit des FRP-Rohrs 12 und die Presspassungskraft wurden durch Verwenden der Gabeln 13 mit verschiedenen Scheitelwinkeln θ und verschieden Zahnhöhen h der Verzahnung 14 untersucht. Die Untersuchung zeigte, dass in dem Bereich des Scheitelwinkel θ zwischen 45° und 75° die Presspassungskraft und die Drehmomentübertragungsfähigkeit zufriedenstellend sind. Wenn der Scheitelwinkel θ geringer als 45° ist, ist die Festigkeit der Zähne 14a nicht ausreichend. Wenn der Scheitelwinkel θ größer als 75° ist, ist eine verhältnismäßig große Presspassungskraft erforderlich.
Der Scheitelwinkel θ sollte zwischen 45° und 75°, bevorzugt zwischen 50° und 70°, bevorzugter zwischen 55° und 65°, betragen.
Wenn der Scheitelwinkel 45° beträgt und die Zahnhöhe 1,7 mm beträgt, ist die Breite W des äußeren Zahnendes etwas geringer als in dem Fall, in dem der Scheitelwinkel θ 60° beträgt. Wenn der Scheitelwinkel θ 75° beträgt und die Zahnhöhe 0,95 mm beträgt, ist die Breite W des Zahnkopfes etwas größer als in einem Fall, in dem der Scheitelwinkel θ 60° beträgt.
Dieses Ausführungsbeispiel schafft die nachstehenden Vorteile.

1. Die Kardanwelle 11 hat das FRP-Rohr 12 und die Metallgabeln 13, die an den Enden des Rohrs 12 angebracht sind. Jede Gabel 13 hat die Kerbverzahnung 14 mit den Zähnen 14a. Die Zähne 14a bilden die axial erstreckenden Nuten 12c in dem entsprechenden Ende des Rohrs 12. Der Scheitelwinkel θ der Zähne 14a beträgt zwischen 45° und 75°. Daher ist eine Kraft, die erforderlich ist, wenn die Kerbverzahnung 14 jeder Gabel 13 an einem Ende des FRP- Rohrs 12 pressgepasst wird, verringert. Ebenso wird die Drehmomentübertragungsfähigkeit des Rohrs 12 verbessert.
2. Der Scheitelwinkel θ jedes Zahns 14a in der Kerbverzahnung 14 beträgt zwischen 45° und 75°. Der Verbindungswinkel φ (der durch ein benachbartes Zähnepaar 14a definiert ist) ist im Wesentlichen gleich dem Scheitelwinkel θ. Daher ist eine Kraft, die erforderlich ist, wenn die Kerbverzahnung 14 in der Gabel 13 an einem Ende des FRP-Rohrs 12 pressgepasst wird, verringert. Ebenso ist die Drehmomentübertragungsfähigkeit des Rohrs 12 verbessert.
3. Das radiale Maß des Abschnitts jedes Zahns 14a, der in das FRP-Rohr 12 krallt, ist gleich oder geringer als ein Fünftel der Zahnhöhe h. Daher erfährt, wenn die Kerbverzahnung 14 der Gabel 13 in das FRP-Rohr 12 pressgepasst wird, das FRP-Rohr 12 keine übermäßige Aufweitungskraft.
4. Der Außendurchmesser der Kerbverzahnung 14 beträgt zwischen 70 mm und 75 mm und die Zahl der Zähne 14a beträgt zwischen 142 und 145. Somit erfährt, wenn die Kerverzahnung 14 pressgepasst wird, das FRP-Rohr 12 keine übermäßige Aufweitungskraft.
5. Die Kerbverzahnung 14 ist ausgebildet, so dass die Strecke H zwischen dem Schnittpunkt benachbarter Linien Ls, die die Seiten 14b der Zähne 14a darstellen, und der Außendurchmesserlinie Ld der Kerbverzahnung 14 zwischen 0,9 mm und 1,8 mm beträgt. Diese Anordnung erleichtert die spanende Bearbeitung der Kerbverzahnung 14.
6. Die Kerbverzahnung 14 ist ausgebildet, so dass die Dicke des Kopfes des Zahns T der Zähne 14a gleich oder geringer als 0,1 mm beträgt (in diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke des Kopfes des Zahns 0,05 mm). Diese Anordnung erfordert eine geringere Presspassungskraft und macht das Ausmaß des Eingrabens angemessen.
7. Die Kerbverzahnung 14 ist ausgebildet, so dass die Dicke des Kopfes des Zahns T der Zähne 14a gleich oder weniger als 0,1 mm beträgt und die Breite W des Fußes der Zähne 14a 1,5 mm beträgt. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke des Kopfes des Zahns T 0,05 mm. Daher ist eine Kraft, die erforderlich ist, wenn die Kerbverzahnung 14 jeder Gabel 13 an einem Ende des FRP- Rohrs 12 pressgepasst wird, verringert. Ebenso ist die Drehmomentübertragungsfähigkeit des Rohrs 12 verbessert.

Es sollte für den Fachmann ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung in vielen anderen speziellen Formen, ohne von dem Kern oder dem Umfang der Erfindung abzuweichen, ausgeführt werden kann. Insbesondere sollte verständlich sein, dass die Erfindung in den nachstehenden Formen ausgeführt werden kann.
Die Füße eines benachbarten Zähnepaars 14a müssen nicht übergehend sein. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, können die Füße um einen vorgegebenen Abstand beabstandet sein. Der Verbindungswinkel p, der durch die Seiten 14b der benachbarten Zähnepaare 14a definiert wird, ist im Wesentlichen der gleiche wie der Scheitelwinkel θ. Diese Modifikation hat die gleichen Vorteile wie der Fall, in dem die Zähne 14a einen Sägezahnquerschnitt haben.
Die Seiten 14b jedes Zahns 14a müssen nicht linear sein, wie durch die Linien Ls dargestellt ist. Die Linien, die die Seiten 14b darstellen, können an dem inneren Ende des Zahns 14a gekrümmt sein. In anderen Worten können die zugewandten Seiten 14b jedes benachbarten Zähnepaars 14a durch eine gekrümmte Ebene verbunden sein. In diesem Fall bezieht sich der Scheitelwinkel θ auf den Winkel, der durch linearen Abschnitte der Linien Ls definiert wird.
Die Seiten 14b der Zähne 14a, die durch die Linien Ls dargestellt sind, müssen nicht linear sein. Die gesamten Seiten 14b können beispielsweise eine Evolventenform haben. Wenn das Verhältnis (h/W) der Zahnhöhe h und der inneren Breite W zwischen 0,63 und 1,16 beträgt und die äußere Breite 0,05±0,02 mm beträgt, ist die Kraft, die zum Presspassen der Kerbverzahnungen 14 an den Enden des Rohrs 12 erforderlich ist, verringert, und die Drehmomentübertragungsfähigkeit ist verbessert. Wenn die Seiten 14b jedes Zahns 14a Flach sind und das Verhältnis (h/W) 1,16 beträgt, beträgt der Scheitelwinkel des Zahns 14a ungefähr 45°. Wenn die Seiten 14b jedes Zahns 14a flach sind, und das Verhältnis (h/W) 0,63 beträgt, beträgt der Scheitelwinkel ungefähr 75°.
In Fig. 4 können Abschnitte der Seiten 14b jedes Zahns 14a an dem Fuß bogenförmig sein. In anderen Worten sind die Seiten 14b jedes Zahns 14a in der Nähe des Fußes gekrümmt. Der Verbindungswinkel φ muss im Wesentlichen nicht der Gleiche wie der Scheitelwinkel θ sein.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Gabel 13 den integrierten Eingriffsabschnitt 13a und den Gelenkabschnitt 13b. Die Kerbverzahnung 14 ist auf dem Eingriffsabschnitt 13a ausgebildet. Der Eingriffsabschnitt 13a und der Gelenkabschnitt 13b können jedoch getrennt ausgebildet sein. Der Gelenkabschnitt 13b kann an den Eingriffsabschnitt 13a, auf dem die Kerbverzahnung 14 spanend eingearbeitet ist, geschweißt oder reibverschweißt sein. In diesem Fall sind, wenn eine Komponente, die für eine herkömmliche Kardanwelle verwendet wird, als der Gelenkabschnitt 13b verwendet werden kann, die Herstellungskosten verringert.
In der Modifikation, in der die Gabel 13 durch Schweißen des Gelenkabschnitts 13b an den Eingriffsabschnitt 13a ausgebildet ist, kann der Gelenkabschnitt 13b an den Eingriffsabschnitt 13a, nachdem der Eingriffsabschnitt 13a in das FRP-Rohr 12 pressgepasst ist, geschweißt werden.
Das radiale Maß des Teils jedes Zahns 14a, der in das Rohr 12 krallt, kann größer als ein Fünftel der Zahnhöhe sein. Wenn der Scheitelwinkel θ ungefähr 45° beträgt, erhöht ein Betrag des Eingrababschnitts, der größer als ein Fünftel der Zahnhöhe ist, nicht übermäßig den Presspassungswiderstand und garantiert eine ausreichende Drehmomentübertragungsfähigkeit.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Kerbverzahnung 14 durch Bearbeiten eines Metallrohrs ausgebildet, auf dem der Gelenkabschnitt 13b ausgebildet ist. Die Kerbverzahnung 14 kann jedoch durch Kalt- oder Heißschmieden ausgebildet werden.
Anstelle der Gabeln 13 können Metallwellen, auf denen eine Kerbverzahnung ausgebildet ist, in das FRP-Rohr 12 pressgepasst werden. In diesem Fall haben die Metallwellen die Funktion der Metallelemente.
Das FRP-Rohr 12 muss nicht vollständig zylindrisch sein. Das FRP-Rohr 12 kann jedoch ein polygonales Prisma mit den Enden mit einem kreisförmigen Querschnitt sein.
Das FRP-Rohr 12 kann durch ein anders Verfahren als das Fadenwicklungsverfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann das FRP-Rohr 12 durch ein Bahnwicklungsverfahren ausgebildet werden. Solange das FRP-Rohr 12 die erforderlichen Eigenschaften als eine Kardanwelle hat, kann das Rohr 12 durch jegliches Verfahren hergestellt werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass das Rohr 12 durch Fadenwicklung hergestellt wird.
Die Verstärkungsfasern und das Matrixharz des FRP-Rohrs 12 müssen nicht Kohlefasern und Epoxydharz sein. Beispielsweise können andere Arten von Fasern, die eine hohe Elastizität und eine hohe Festigkeit, wie beispielsweise Aramitfasern und Glasfasern, haben, als die Verstärkungsfasern eingesetzt werden. Wärmehärtendes Harz, wie beispielsweise ungesättigter Polyester, Phenolharz und Polyimidharz, können als das Matrixharz eingesetzt werden.
Das Matrixharz des FRP muss nicht wärmehärtend sein. Ein bei ultraviolettem Licht härtendes Harz oder ein thermoplastisches Harz können beispielsweise als das Matrixharz eingesetzt werden.
Daher sind die vorliegenden Beispiele und Ausführungsbeispiele als veranschaulichend und nicht als beschränkend zu erachten und die Erfindung ist nicht auf die darin gegebenen Einzelheiten beschränkt, sondern kann innerhalb des Umfangs und der Äquivalenz der anhängenden Ansprüche modifiziert werden.
Eine faserverstärkte Kunststoffkardanwelle hat ein faserverstärktes Kunststoffrohr und mindestens ein Metallelement, das an einem Ende des Rohrs angebracht ist. Das Metallelement ist mit einer Kerbverzahnung versehen, die ein Vielzahl von Zähnen hat, die einen Scheitelwinkel haben. Wenn das Metallelement an dem Ende des Rohrs angebracht ist, bildet jeder Zahn auf der Innenfläche des Endes des Rohrs eine Nut, die sich entlang der axialen Richtung des Rohrs erstreckt. Der Scheitelwinkel jedes Zahns beträgt zwischen 45° und 75°.

Claims

1. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle mit einem faserverstärktem Kunststoffrohr und einem Metallelement, das an mindestens ein Ende des Rohrs angebracht ist, wobei das Metallelement mit einer Kerbverzahnung versehen ist, die eine Vielzahl von Zähnen hat, die einen Scheitelwinkel haben, wobei, wenn das Metallelement an dem Ende des Rohrs angebracht ist, jeder Zahn auf der Innenfläche des Endes des Rohrs eine Nut ausbildet, die sich entlang der axialen Richtung des Rohrs erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelwinkel jedes Zahns zwischen 45° und 75° beträgt.

2. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungswinkel, der durch gegenüberliegende Seiten jedes benachbarten Zähnepaars definiert ist, im Wesentlichen gleich dem Scheitelwinkel ist.

3. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Höhe jedes Zahns zu der Breite des Fußes jedes Zahn zwischen 0,63 und 1, 16 beträgt, und wobei die Breite des Kopfes jedes Zahns 0,05±0,02 mm beträgt.

4. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Kopfes jedes Zahns gleich oder weniger als 0,1 mm beträgt.

5. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt jedes Zahns, der einem Fünftel der Höhe des Zahns entspricht, in die Innenfläche des Endes des Rohrs eingräbt.

6. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Kerbverzahnung zwischen 70 mm und 75 mm beträgt, und wobei die Zahl der Zähne zwischen 142 und 145 beträgt.

7. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallelement eine Gabel ist.

8. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelwinkel jedes Zahns zwischen 50° und 70° beträgt.

9. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelwinkel jedes Zahns zwischen 55° und 65° beträgt.

10. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Kopfes jedes Zahns 0,05±0,02 mm beträgt.

11. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Köpfe jedes benachbarten Zähnepaars um einen vorgegebenen Abstand beabstandet sind.

12. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiten jedes Zahns in der Nähe des Fußes gekrümmt sind.

13. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungswinkel, der durch zugewandte Seiten jedes benachbarten Zähnepaars definiert ist, von dem Scheitelwinkel verschieden ist.

14. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen einem gedachten Kreis, der Köpfe der Zähne verbindet und einem Schnittpunkt von geraden Linien, die jede die Seite von einem der benachbarten Zähne enthält, 0,9 bis 1,8 mm beträgt.

15. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe jedes Zahns 0,9 bis 1,8 mm beträgt.

16. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zugewandten Seiten von jeglichen benachbarten Zähnen durch eine gekrümmte Ebene verbunden sind.

17. Faserverstärkte Kunststoffkardanwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallelement einen Eingriffsabschnitt, der an einem Ende des Rohrs angebracht ist, und einen Gelenkabschnitt hat, der an den Eingriffsabschnitt geschweißt ist.

18. Verfahren zum Herstellen einer faserverstärkten Kunststoffkardanwelle mit Anfertigen eines faserverstärkten Kunststoffrohrs und Anbringen eines Metallelements an einem Ende des Rohrs, wobei das Metallelement mit einer Kerbverzahnung versehen ist, die eine Vielzahl von Zähnen hat, wobei, wenn das Metallelement an dem Ende des Rohrs angebracht wird, jeder Zahn auf der Innenfläche des Endes des Rohrs eine Nut ausbildet, die sich entlang der axialen Richtung des Rohrs erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelwinkel jedes Zahns zwischen 45° und 75° beträgt.

19. Verfahren zum Herstellen einer faserverstärkten Kunststoffkardanwelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallelement einen Eingriffsabschnitt und einen Gelenkabschnitt hat, die vorhergehend getrennt angefertigt werden, und wobei ein Schritt des Anbringens des Metallelements an dem Ende des Rohrs:
Presspassen des Eingriffsabschnitts in das Rohr; und
Schweißen des Gelenkabschnitts an den Eingriffsabschnitt enthält.