DE19524903A1 - Wellenförmige Kraftübertragungseinrichtung in faserverstärkte Rahmenstrukturen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftübertragungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 und 7.

In letzter Zeit sind zahlreiche Versuche unternommen worden, eine optimale Kraftüberleitung von metallenen Bauteilen auf faserverstärkte Kunststoff-Bauteile zu gestalten. Die Mehrzahl der veröffentlichten Fälle gestattet jedoch nur die optimale Überleitung von Torsionsmomenten, andere Konstruktionen sind lediglich für die Übertragung von Zug/Druck Kräften ausgelegt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine metallene Kraftübertragungseinrichtung, die es erlaubt Kräfte in ein hohles Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff zu übertragen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dabei können alle denkbaren Belastun­ gen, also Zug/Druck, Biegung und Torsion optimal übertragen werden. Aus rohr­ förmigen Bauteilen lassen sich Knotenstrukturen und Rahmentragwerke für die un­ terschiedlichsten Konstruktionen aus faserverstärktem Kunststoff erstellen. Beson­ dere Verwendung finden derartige Kraftübertragungseinrichtungen im Fahrzeugbau als Krafteinleitung in Fahrwerksteile aus faserverstärktem Kunststoff.

In der DE-OS 28 51 293 ist eine Antriebswellenkonstruktion beschrieben, die ein aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehendes Hohlwellenteil aufweist, in dessen En­ den metallische Buchsen festgelegt sind, welche die Form eines zylindrischen Rin­ ges aufweisen und von dem Hohlwellenteil mit je einer radial gerichteten Fläche vor­ ragen, an welche das Jochteil eines Kardangelenkes oder ein zu dessen Schweiß­ verbindung eingerichtetes Übergangsglied angeschweißt ist.

Die Verbindung zwischen dem aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Wellenteil und den in dessen Enden festgelegten Anschlußbuchsen ist vorwiegend kraftschlüssig, aufgrund der Adhäsionskraft des im ungehärteten Zustand um deren Außenfläche gewickelten faserverstärkten Kunststoffmaterials nach dessen Erhär­ tung. Der Zusammenhalt dieser Teile kann ferner durch die Ausbildung einer ring­ förmigen, radial abstehenden Rippe an jeder dieser Buchsen sowie gegebenenfalls durch warzenartige Vorsprünge ihrer Oberfläche und diesen sowie der Rippe ange­ paßten Innenform des Hohlwellenteiles erhöht werden. Es wurde jedoch gefunden, daß diese Einbindung der Anschlußbuchsen an den für den Dauerbetrieb einer sol­ chen Antriebswelle mit den hierbei unvermeidlichen Wechselbelastungen und Vibra­ tionen unzureichend, und daher die Lebensdauer der so ausgestalteten Antriebswel­ len relativ gering ist. Darüber ist die abrupte Durchmesserverringerung des Hohlwel­ lenteils etwa am inneren Ende jeder seiner Anschlußbuchsen für den stetigen Kraft­ schluß von dem einen zum anderen Ende der Welle für deren mechanische Festig­ keit unzuträglich, was die übertragbare Leistung vermindert, bzw. im Extremfall zum Bruch der Antriebswelle an diesen Stellen führen kann.

In der DE-29 51 629 ist ein rohrförmiges Bauelement aus faserverstärktem Kunst­ stoff mit darin eingebundenen Endstücken aus Metall gezeigt und beschrieben. Die Endstücke werden auf einen verlorenen Dorn aufgesteckt und mit dem faserverstärktem Kunststoff bewickelt. Zur besseren Kraftübertragung weisen die Hülsenfortsätze der Endstücke ebenfalls ein Gewinde, Rändelung, Wellungen, Zahnungen oder eine Ringnut auf. Diese Konstruktion behält über der Länge des faserverstärkten Kunststoffes einen konstanten Durchmesser bei. Sie hat jedoch den Nachteil, daß sie hinsichtlich der Konstruktion und der Fertigung recht aufwendig ist, ein relativ hohes Gewicht besitzt und lediglich für die Übertragung von Torsionsmo­ menten ausgelegt ist. Zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Endstück und dem Jochteil eines Kreuzgelenkes ist eine Löt- oder Schweißverbindung erforder­ lich, die an der stirnseitigen Endfläche des vorragenden äußeren Zylinderabschnit­ tes jedes der Endstücke angebracht wird. Dadurch ergibt sich ein weiterer ferti­ gungstechnischer Aufwand und eine nicht vorteilhafte thermische Belastung des be­ reits aufgetragenen faserverstärkten Kunststoffes.

Es ist ebenfalls aus der DE-PS 30 27 432 bekannt die Kraftübertragung von End­ stücken durch die Ausbildung einer Ringwölbung und einer Riefelung auf den Hül­ senfortsätzen zu erhöhen, wobei sich das Querschnittsprofil zu einem maximalen Wert erweitert und anschließend gegen das Welleninnere bis auf einen Nullwert verjüngt. Zusätzlich sind hier noch umfänglich verteilte Stifte angebracht, die in ge­ neigter Schräglage zur Führung der Faserverbände oder Rovings beim Aufwickeln rutschfeste Umkehrpunkte festlegen und vorzugsweise in Sackbohrungen einge­ steckt werden oder in Gewindebohrungen eingedreht werden. Bei einem Bohrungs­ durchmesser zwischen 60 und 80 mm sind wenigstens 24, vorzugsweise 32 Veran­ kerungsstifte pro Hülsenfortsatz vorgesehen, die alle einzeln montiert werden müs­ sen, was einen enormen Aufwand in der Fertigung darstellt. Auch hier kann nicht auf eine Schweißverbindung zum Anschluß eines Jochteiles eines Kreuzgelenkes ver­ zichtet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftübertragungseinrichtung der eingangs genannten Art derart zu gestalten, daß mit geringem Materialaufwand und entsprechendem Leistungsgewicht möglichst große Kräfte sicher und dauerhaft übertragen werden können und die Probleme der obengenannten Art auf ein Min­ destmaß verringert werden, wozu insbesondere die Ausbildung des Innenabschnitts der Endstücke -sowohl zur Seite der Welle, als auch zur Verbindungseinrichtung hin- gehört. Damit sollen die mit der Kraftübertragungseinrichtung übertragbaren Kräfte und die Lebensdauer mindestens ebenso groß sein, wie jene von vergleich­ baren Metallausführungen. Außerdem soll der Aufwand in der Fertigung so gering wie möglich gehalten werden, so daß derartige Bauteile auch in der Großserie wirt­ schaftlich produziert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der An­ sprüche 1 bis 7 gelöst. Sie betreffen im wesentlichen die Ausbildung der Endstücke und ihre Einbindung in die Faser-Kunststoff-Bewicklung. Die Ansprüche 3 und 4 be­ treffen die Ausbildung des Innenabschnitts des Endstücks. Anspruch 6 und 7 bein­ halten den Herstellungsprozeß.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für eine dauerhafte feste Einkapselung der Endstücke in den Endbereichen des rohrförmigen faserverstärkten Kunststoffbauteiles über die sich aus dem Herstellungsverfahren zwangsläufig erge­ bende kraftschlüssige Verbindung zufolge der Adhäsionskraft des aufgebrachten faserverstärkten Kunststoffmaterials hinaus auch noch eine möglichst umfassende formschlüssige Einbindung der Endstücke in dieses erforderlich ist, dergestalt, daß Zug/Druck, Biegung und Torsion schadlos aufgenommen werden können. Hierzu kommt ferner die Erkenntnis, daß die Kraftübertragung optimal durch einen stetigen Kraftfluß ohne Spannungsspitzen gewährleistet ist, der durch entsprechende Gestal­ tung und allmählichen Übergang der Endstücke auf den Querschnitt des rohrförmi­ gen Hauptbauteiles bewirkt wird. All dies bringt die Vorteile einer erhöhten Festig­ keit, Dauerbelastbarkeit und Bruchsicherheit dieser Kraftübertragungseinrichtung bei geringem Gewicht desselben sowie die Möglichkeiten einer äußerst wirtschaftlichen Fertigung mit sich. Frühere Vorschläge zur Befestigung der Endstücke unter Ver­ wendung von Klebern oder durch Herumwickeln der Filamentbündel um umfangs­ mäßig angeordnete Nuten an der Endstückaußenfläche können hier nicht herange­ zogen werden, um eine Verbindung der erforderlichen Festigkeit und Dauerhaftigkeit zu gewährleisten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein metallenes Endstück auf den als verlorenen Dorn dienenden, beispielsweise Hartschaumkern, aufgesetzt und ein Fasermaterial auf den Dorn und die Außenfläche des inneren Abschnittes des End­ stückes vorzugsweise durch das Wickelverfahren aufgebracht. Dabei trägt die sinus­ förmige Wellenform und der quadratische Querschnitt des äußeren Innenabschnitts zur dauerhaften Haltbarkeit und zur höheren Belastbarkeit des Bauteils bei. An­ schließend erfolgt die Tränkung der Fasern mit dem Harz vorzugsweise durch das Harzinjektionsverfahren (RTM) oder aber durch das Vakuumsackverfahren, bei einer thermoplastischen Matrix kommen aufgrund der hohen Viskosität nur Prepregs zum Einsatz.

Vielfach ist eine direkte On-line Tränkung möglich. Häufig wird auch die Fertigungs­ geschwindigkeit durch die Tränkgeschwindigkeit begrenzt, so daß eine nachträgli­ che Tränkung vorteilhafter ist. Das RTM-Verfahren gilt als ein einfach zu handha­ bendes und serientaugliches Fertigungsverfahren, wodurch eine schnelle preiswerte Produktion von Serienbauteilen mit hoher Qualität vorgenommen werden kann, ohne daß große Investitionen vorgenommen werden müssen. Daher kann das RTM-Ver­ fahren als eine gute Ergänzung zum beschriebenen Wickelverfahren angesehen werden.

Anschließend kann in einem weiteren Fertigungsgang eine radiale Verstärkungs­ wicklung aus faserverstärktem Kunststoff über dem inneren Abschnitt des Endstüc­ kes angebracht werden, woraufhin der Kunststoff aushärtet. Sie dient dazu die Zeit­ sicherheit und somit das Kriechen der Matrix unter einer Belastung zu mindern oder zu verhindern.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles, unter Angabe weiterer Merkmale, Einzelheiten und Vorteile derselben näher erläutert, wobei in der Zeichnung gleiche Bezugsziffern gleiche Bauteile kennzeichnen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 im Längsschnitt das Ende einer Kraftübertragungseinrichtung nach der Er­ findung und

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-A in Fig. 1.

Die gezeigte Kraftübertragungseinrichtung weist einen rohrförmigen Hauptteil 1 aus faserverstärktem Kunststoff auf, der einen vorgefertigten, permanent eingebetteten Kern aus einem Kunststoff in vollen Standardlängen, insbesondere einem Hart­ schaumstoff, z. B. Polyurethan oder Polystyrolschaum, also in der Form eines leicht­ gewichtigen Zylinders oder auch in rohrförmigen Standardlängen einen Hohldorn aus Leichtmetall, Kunststoff oder Hartpapier, also in der Form einer langen dünnen Hülse umfaßt.

Das Hauptteil 1 besteht aus mehreren Lagen hochfester, in einer Matrix aus durch Wärmeeinwirkung gehärtetem Kunststoff oder einem thermoplastischen Kunststoff eingebetteter Fasern, vorzugsweise aus Kohlenstoff, Glasfasern oder synthetische Fasern, die im Zuge der Fertigung in an sich bekannter Weise auf den Hartschaum­ kern 2 aufgebracht, insbesondere aufgewickelt werden. Dabei umschließt die Be­ wicklung den inneren Bereich 4 der Endstücke 3. Diese Endstücke 3 sind im Quer­ schnitt als vorzugsweise rotationssymmetrische zylindrische Körper oder als qua­ dratische Körper aus Metall (Stahl, Alu, Titan oder Magnesium), mit je einem inneren und einem äußeren Zylinderabschnitt 4 bzw. 5 unterschiedlichen Außendurchmes­ sers ausgebildet.

Der innere Zylinderabschnitt 4 des Endstücks besitzt zur Herstellung der innigen Verbindung zwischen dem Metall und dem faserverstärkten Kunststoff an den In­ nenbereichen 4 sinusförmige Wellungen 7, von denen bei einem Durchmesser des Hauptteiles von 80mm vorzugsweise 4 Wellenlängen mit einer Amplitude von 5 mm ausgebildet sind. Bei anderen Ausführungsformen mit unterschiedlichen Durchmes­ sern kann die Anzahl der Wellen und Amplituden variieren.

In bevorzugter Ausführungsform sind der innere Zylinderabschnitt 4 jedes der End­ stücke 3 mit sich im Längsschnitt gegen sein inneres Ende bis auf ein Mindestmaß konisch verjüngendes Profil, und jedes der Enden des Hartschaumkernes 2 diesem Profil entsprechend, ebenfalls konisch ausgebildet, und von dem Endbereich des betreffenden Zylinderabschnittes der beiden Endstücke 3 vollständig umfaßt. Da­ durch ergibt sich der vorausgehend beschriebene feste Sitz der Endstücke 3 auf dem Hartschaum 2 vor und während des Wickelvorgangs zum Aufbau des Haupttei­ les 1 aus faserverstärktem Kunststoff, nach dessen Erhärtung jedes derselben in dieser vorgegebenen Lage dauerhaft verbleibt und so eine untrennbare Einheit ge­ nau vorgegebene Gesamtlänge bildet. Die Verwendung des Hartschaumes hat in diesem Zusammenhang den besonderen Vorteil, daß sie als Wickeldorn verwendet sich in hohen Stückzahlen besonders wirtschaftlich erstellen lassen und bei ausrei­ chender mechanischer Festigkeit ein besonders niedriges Eigengewicht besitzen.

Im Verlaufe der Herstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Kraftübertra­ gungseinrichtung wird ein metallisches Endstück 3 mit der konisch sich verjüngen­ den ausgebildeten inneren Öffnung auf den Hartschaumkern 2 in Längsrichtung aufgesteckt. Das Endstück umschließt den Hartschaumkern bündig und fest genug, um den Belastungen des Wickelprozesses standzuhalten. Ein geeignetes Klemmittel hält die Endstücke an ihrem Platz. Das rohrförmige Hauptbauteil 2 wird dann um den Hartschaumkern und die Hülse herum aufgebaut.

Der Aufbau des Hauptbauteiles erfolgt vorzugsweise durch das Wickelverfahren in an sich bekannter Weise. Kurz gesagt werden Schichten eines Fasermaterials auf­ gebracht, welche aus miteinander verflochtenen oder verwebten Endlosfilamenten oder auch vorkonfektionierten Bändern wie Gelege, Gewirke, Gestricke oder WIMAG bestehen. Diese Bänder können beliebige Breiten und Faserorientierungen vorweisen. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis sich mehrere Schichten der gewünschten Gesamt-Dicke ausgebildet haben. Anschließend wird ein nicht ausgehärtetes Harzmaterial, beispielsweise Epoxid-Harz, oder ein thermoplastischer Kunststoff aufgetragen, wenn keine on-line Tränkung vorgenommen oder Prepregs verwand wurden.

Die hier verwendete Bezeichnung "Schicht" kennzeichnet einen Umfangsbereich in der Wand dem rohrförmigen Hauptbauteil, in dem die Faserverstärkung in einer spezifischen Konfiguration angeordnet ist und sich von den benachbarten Bereichen hinsichtlich der Konfiguration und/oder der Zusammensetzung der Faserverstärkung unterscheidet. Eine einzige Schicht kann eine Mehrfachorientierung oder einen Mehrfachaufbau der Faserverstärkung in einer gegebenen Konfiguration aufweisen. Der Ausdruck "Schicht" umfaßt eine Orientierung, bei der die darin befindliche Fa­ serverstärkung, die beliebig in mehreren Schritten aufgebaut sein kann.

Für die unterschiedlichen Belastungsarten sind geeignete Halbzeuge einzusetzten.

Selbstverständlich kann jede Anzahl von Schichten aufgebracht werden, und zwar unter verschiedenen Winkeln und mit unterschiedlicher Dicke, in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften des Bauteils.

Die Fasern verstärken die Harzmatrix und verleihen dem Bauteil die erforderlichen Eigenschaften bezüglich Festigkeit, Steifigkeit und Haltbarkeit. In dieser Beziehung sind Kohlenstoffasern bevorzugt, sie enthalten im allgemeinen mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 95 Gew.-%, Kohlenstoff.

Das Aufbringen der Ringwicklung 6 im Bereich des inneren Abschnittes 4 kann in bevorzugter Herstellungsweise noch während des Herstellungsvorganges erfolgen, so daß sie zusammen mit der Hauptwicklung mittels eines Tränkungsverfahrens mit Harz versehen wird. In einer anderen Herstellungsweise kann die Ringwicklung auch noch nach dem Aushärten des Hauptbauteiles erfolgen. Die radiale Faserwick­ lung wirkt dem Kriechen des Kunststoffes aufgrund der Belastung entgegen und er­ möglicht so eine dauerhafte Haltbarkeit der Kraftübertragungseinrichtung. Dabei handelt es sich um einen kohlefaserverstärkten Kunststoff, welcher unter einem Winkel von 90° aufgetragen auf das Hauptbauteil 1 aufgebracht wird.

Weiterhin ist es wesentlich, daß der verstärkte Bereich nicht abrupt endet, sondern daß sich die Radialwicklung kontinuierlich auf die Wandstärke des Hauptbauteiles 1 reduziert, damit Spannungsspitzen vermieden werden.

Wenn kein one-line Tränkverfahren angewendet wurde, kann anschließend der du­ roplastische Kunststoff durch das Harzinjektionsverfahren (RTM) oder das Vakuum­ sackverfahren aufgebracht und gehärtet werden. Der thermoplastische Kunststoff würde direkt durch die Verwendung von Prepregs aufgebracht.

Der äußere Abschnitt des metallenen Endstückes 5 dient zur Herstellung der Ver­ bindung mit den übrigen metallenen Anschlußteilen, wofür insbesondere die eine Verschraubung aufnehmenden Bohrungen 8 dienen.

Bezugszeichenliste

1 rohrförmiges Hauptbauteil aus FVK
2 Hartschaumkern
3 metallenes Endstück
4 innerer Abschnitt des metallenen Endstückes
5 äußerer Abschnitt des metallenen Endstückes
6 radiale Faser-Kunststoff Wicklung
7 Wellungen
8 Bohrungen.

Claims (7)

1. Kraftübertragungseinrichtung, bestehend aus einem rohrförmigen Hauptteil (1) aus mit einer Vielzahl von aneinander haftenden Schichten eines ausgehärteten fa­ serverstärkten Matrixmaterials, das auf einen Kern aus Hartschaum (2) gewickelt ist, und in das mindestens an einem Ende ein metallenes Endstück (3) fest formschlüssig integriert ist, wobei das Endstück mit einem inneren und einem äußeren Zylinderab­ schnitt (4 bzw. 5) ausgebildet ist und der Außenabschnitt aus der Faser-Kunststoff- Wicklung vorragt, welcher eine Verbindung zu weiteren Bauteilen herstellt.

2. Kraftübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenabschnitt des Endstücks (4) den gleichen Außendurchmesser wie der Hart­ schaumkern (2) hat, wobei der Schaumstoffkern vor dem Aufbringen des faserver­ stärkten Kunststoffes in die sich mit konisch verjüngendem Profil ausgebildete innere Öffnung des Endstücks (3) eingesteckt wird.

3. Kraftübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Innenabschnitts des Endstücks (4) zum Außenabschnitt (5) hin stetig zunimmt und schließlich bei einer Ausführungsform in volles Material übergeht.

4. Kraftübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Innenabschnitts (4) des Endstücks mit sinusförmigen Wellungen (7) und einer rechteckigen oder elliptischen Quer­ schnittsform ausgestattet ist. Die Wellungen und die rechteckige Querschnittsform können optional zur Erhöhung der übertragbaren Lasten angebracht werden.

5. Kraftübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die über dem Innenabschnitt (4) liegende Faser-Kunst­ stoff-Wicklung gegenüber der Bewicklung im Hauptteil (1) durch eine zusätzliche uni­ direktionale radiale oder eine helixförmige FVK-Ringwicklung verstärkt ist, welche während des Herstellprozesses auf das Bauteil (1) aufgebracht wird und so einem vorzeitigen Versagen des Bauteils durch Kriechen der Matrix entgegenwirkt.

6. Verfahren zur Herstellung einer Kraftübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Kraftein­ leitungselement vorzugsweise durch ein Gußverfahren aus Metall hergestellt wird.

7. Verfahren zur Herstellung einer Kraftübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hartschaumkern in das Endstück eingesteckt wird und ein nicht ausgehärtetes Harzmaterial und tra­ gendes Fasermaterial auf den Hartschaumkern und die Außenfläche des Innenab­ schnitts des Endstückes aufgebracht und ausgehärtet wird, wobei unter Anwendung des Wickelverfahrens die vorkonfektionierten Wickelbänder in Abhängigkeit von der Belastungsart eingestellt werden.