DE2716249A1

DE2716249A1 - Rohrfoermige antriebswelle

Info

Publication number: DE2716249A1
Application number: DE19772716249
Authority: DE
Inventors: Derek Reginald Smith; Gordon Peter Worgan
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1976-04-14
Filing date: 1977-04-13
Publication date: 1977-10-27
Also published as: SE431899B; IT1086739B; JPS6010922U; US4089190A; ES457747A1; FR2348393B1; FR2348393A1; JPS52127542A; JPS5614889B2; CA1058896A; GB1530543A; SE7703445L

Description

PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT₁ DIPLOMCHEMIKER

5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90 4 / I O A ί

Köln, den 12. April 1977 Nr. 32

UNION CARBIDE CORPORATION, 270 Park Avenue, New York, N.Y. 1oo17 (U.S.A.)

Rohrförmige Antriebswelle

Die vorliegende Erfindung betrifft leichtgewichtige Antriebswellen mit Geräusch- und Vibrationsdämpfungseigenschaften.

Die Funktion einer Antriebswelle besteht darin, ein Drehmoment von einer Kraftquelle auf eine Einrichtung zum Umsetzen dieser Energie in nutzvolle Arbeit zu übertragen. Im Falle von konventionellen Automobilen oder anderen Fahrzeugen überträgt die Antriebswelle ein Drehmoment von der Transmission auf das Differential, wo es in die Antriebskraft für die rückwärtigen Räder des Fahrzeugs umgewandelt wird.

Konventionelle Automobilantriebswellen sind aus Stahl oder einem ähnlich dichten Material hergestellt und besitzen einen Durchmesser und eine Dicke, die es ihnen ermöglichen, das erforderliche Drehmoment aufzunehmen. Jedoch sind derartige bekannte Wellen nicht nur unerwünscht schwer, sondern besitzen zusätzlich eine hohe Starrheit in Längsrichtung, beispielsweise einen Young-Elastizitätsmodul in

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Längsrichtung von etwa 2,1 χ 10 kg/cm . Das übermäßige Gewicht derartiger Wellen vergrößert die Herstellungs- und Betriebskosten des Fahrzeugs beträchtlich, während die hohe Steifheit dieser Wellen seitliche Vibrationen bewirkt, die in der Maschine und der Transmission entstehen und ohne weiteres auf das Differential übertragen werden, wenn die Ma-

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schine mit hoher Geschwindigkeit betrieben wird, wodurch sich ein beträchtlicher Lärm in den Lagern des Differentials ergibt. Dieses Geräuschproblem tritt insbesondere weit verbreitet in kleineren Kraftfahrzeugen mit kleineren Maschinen auf, bei denen eine größere Anzahl von Kurbelwellenumdrehungen pro Minute als bei größeren Kraftfahrzeugen mit größeren Maschinen notwendig ist. Aufgrund des beschleunigten Trends zu kleineren Kraftfahrzeugen und Energieeinsparung hat dieses Problem stark an Bedeutung gewonnen. Während das Problem von Vibrationen, die auf das Differential durch die Antriebswelle übertragen werden, durch die Verwendung von Universalgelenken in der Welle bis zu einem gewissen Grad gelöst werden kann, ergibt diese Lösung zusätzliches Gewicht für das Kraftfahrzeug oder andere Fahrzeuge und vergrößert weiterhin die Kosten und den Aufwand für die Herstellung und den Betrieb des Fahrzeugs.

Ein weiteres mit konventionellen Antriebswellen verbundenes Problem besteht darin, daß sie manchmal, wenn sie gedreht werden, unrund werden, d.h. daß sie einer entsprechenden Verformung unterworfen werden, wodurch ein Geräusch erzeugt wird, das als Dröhnen bezeichnet werden kann. Die Neigung,unrund zu werden, kann durch Vergrößerung der Dicke der Wandungen der Welle reduziert werden, wodurch jedoch wieder nur zusätzliches Gewicht und Kosten bezüglich des Fahrzeugs hervorgerufen werden. Ferner vergrößert die größere Wandstärke die Steifheit der Welle in Längsrichtung und vergrößert damit das Geräuschproblem in den Lagern des Differentials.

Antriebswellen, die aus einem Aufbau aus fadenförmigem Material, etwa aus Bor- oder Kohlenstoffasern, hergestellt sind, die in einer festen Harzmatrix eingebettet sind, wurden bereits als Dreheinrichtung für Helikopterblätter vorgeschlagen. In allen derartigen Wellen wurde eine Mehrzahl der ver-

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/. V 1 ο ^ 4 :

wendeten Fasern immer parallel zur Achse der Welle angeordnet, um der Welle eine maximale Steifheit zu verleihen, damit diese den hohen Seitenkräften, der eine derartige Welle ausgesetzt ist, zu widerstehen, wobei keine dieser Wellen dazu geschaffen ist, die Geräusch- und Vibrationsprobleme, die mit der Übertragung des Drehmoments von der Maschine und Transmission auf das Differential in schnellen kleinen Kraftfahrzeugen verbunden sind.

Erfindungsgemäß wurde entdeckt, daß leichte rohrförmige Antriebswellen mit Geräusch- und Vibrationsdämpfungseigenschaften, die außerdem bei hohen Geschwindigkeiten ohne bedeutende Versetzung zwischen ihren geometrischen und Rotationsachsen betrieben werden können, derart hergestellt werden können, daß die Wandungen hiervon aus einem Verbund einer Vielzahl von Schichten von Kohlenstoffasern in einer festen Harzmatrix bestehen, wobei die Fasern in ümfangsrichtung und spiralförmig um die Längsachse der Welle angeordnet sind. In derartigen Wellen sind die Fasern der innersten und äußersten Schicht im wesentlichen in Ümfangsrichtung um die Längsachse der Welle in einem Winkel von 85 bis 90° zu einer Linie in der Welle parallel zu der Längsachse angeordnet, während die Fasern von wenigstens vier Zwischenschichten zwischen der innersten und der äußersten Schicht spiralförmig um die Längsachse in einem Winkel von 15 bis 50 zu einer Linie in der Welle parallel zu der Längsachse der Welle angeordnet sind. Diese spiralförmigen Schichten sind derart angeordnet, daß die Fasern hiervon die Fasern der vorhergehenden spiralförmigen Schicht in einem Winkel von 30 bis 90° kreuzen (der kleinere der beiden Winkel, die durch übereinanderanordnen der beiden Faserschichten gebildet werden, liegt im Bereich von 30 bis 90 ). Wellen, die derart ausgebildet sind, weisen verbesserte Geräusch- und Vibrationsdämpfungseigenschaften auf und ermöglichen ein Betreiben bei Geschwindigkeiten von wenigstens 60OO U/min bis zu 8000 U/min oder mehr

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ohne wesentliche Versetzung zwischen ihren geometrischen und Rotationsachsen. Es wurde gefunden, daß eine derartige Versetzung in Verbundwellen auftritt, wenn sie einer Rotation bei hohen Geschwindigkeiten ausgesetzt wird, wobei die erzeugten Zentrifugalkräfte dazu neigen, die Kräfte aufgrund der Steifheit zu übertreffen. Die seitliche Durchbiegung der Wellen, die sich aufgrund dieser Rotation mit hoher Geschwindigkeit ergibt, ergibt einen wesentlichen Kraftverluft und vergrößert den Lagerverschleiß.

Die Zeichnung zeigt perspektivisch mit abgetrennten Teilen eine Ansicht eines Teils einer Verbundantriebswelle aus Kohlen stoff a sern, wobei nur ein Teil der vorhandenen Kohlenstoff asern dargestellt ist. Die dargestellte Welle besteht aus acht Schichten aus harzimprägnierten kontinuierlichen Längen von Kohlenstoffasern, die in ümfangsrichtung und schraubenlinienförmig um die Längsachse der Welle angeordnet sind. Die Fasern der innersten und äußersten Schicht sind im wesentlichen in Ümfangsrichtung um die Längsachse in einem Winkel von etwa 87° zu einer Linie in der Welle parallel zu der Längsachse der Welle angeordnet. Zwischen diesen beiden im wesentlichen in Ümfangsrichtung angeordneten Schichten sind sechs Zwischenschichten, in denen die Fasern schraubenlinienförmig um die Längsachse in einem Winkel von etwa 22,5 zu einer Linie in der Welle parallel zur Längsachse der Welle angeordnet sind, wobei die Fasern jeder aufeinanderfolgenden Schicht die Fasern der vorhergehenden Zwischenschicht in einem Winkel von etwa 45° kreuzen (der kleinere der beiden Winkel, die durch das Kreuzen der zwei Faserschichten gebildet wird, ist etwa 45°).

Die erfindungsgemäßen Antriebswellen werden gewöhnlich derart konstruiert, daß sie Drehmomentbelastungen bis zu 1660 kg m, beispielsweise von etwa 110 bis 1660 kg m abgeben

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können. Um eine derartige Drehmomentaufnahmefähigkeit zu erzielen, haben die Wellen eine Länge und einen Durchmesser, der zur Verwendung in den meisten üblichen Kraftfahrzeugen geeignet ist, d.h. eine Länge von ca. 1 bis 1,3 m und einen inneren Durchmesser von ca. 5 bis 7,6 cm, wobei die Wandungen der Welle wenigstens 0,15 cm dick sein sollten, wobei die in der Welle verwendeten Kohlenstoffasern einen

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Young-Elastizitätsmodul von wenigstens 1757 χ 10 g/cm aufweisen sollten. Gewöhnlich liegt die Dicke der Wandungen der Welle im Bereich von 0,2 bis 0,64 cm, während die Fasern

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einen minimalen Elastizitätsmodul von 2110 χ 10 g/cm besitzen. Die in der Welle verwendeten Kohlenstoffasern können gemäß den üS-PSen 3 454362 und 3 412 062 sowie gemäß der GB-PS 1 416 614 hergestellt werden. Der Ausdruck "Kohlenstoff" wird hier sowohl für graphitische als auch für nichtgraphitische Fasern verwendet. Um das Geräusch minimal zu halten, wenn die Welle sich mit Geschwindigkeiten über 1000 U/min bis über 6000 U/min dreht (Maschinen, die mit Kurbelwellengeschwindigkeiten von 4000 U/min bis 80OO U/min arbeiten, erzeugen Geschwindigkeiten von 1000 U/min bis 8000 U/min bezüglich der Antriebswelle, was von der Wahl des Übersetzungsverhältnisses in der Transmission abhängt), wurde gefunden, daß das Produkt des Young-Elastizitätsmoduls in Längsrichtung der Welle multipliziert mit dem zweiten Flächenmoment der Welle dividiert durch die vierte Potenz der Länge der Welle nicht größer als 1 sein sollte, d.h. daß

EI/L⁴ < 1

sein sollte, wobei

E der Young-Elastizitätsmodul der Welle in Längsrichtung (70,30 g/cm²),

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ο ζ

L die Länge der Welle (in 2,54 cm) und

4 I das zweite Flächenmoment der Welle (in (2,54 cm) ) ist, d.h. r t für dünnwandige Wellen, wobei r der mittlere Radius der Welle (in 2,54 cm) und t die Dicke der Wellenwandung (in 2,54 cm) ist.

Um für die obige Formel einen Wert zu erzielen, der nicht größer als 1 ist, sollte die Welle normalerweise einen maximalen Young-Elastizitätsmodul von 562 χ 10 g/cm und vor-

6 2 zugsweise kleiner als 422 χ 10 g/cm aufweisen. Es wurde gefunden, das Wellen mit einem höheren Elastizitätsmodul meßbar geräuschvoller sind.

Um dem Versetzen der Welle vorzubeugen, wenn die Welle mit Geschwindigkeiten über 1000 bis zu über 6000 U/min gedreht wird, sollte der oben genannte Wert wenigstens 40 mal größer als das Produkt des mittleren Wellendurchmessers mit der Wellenstärke multipliziert mit der durchschnittlichen Dichte der Wellenwandung sein, d.h.

EI/(L⁴DPt) -S 40

E, I und L die oben definierten Größen sind, während D der mittlere Durchmesser der Welle (gemessen in 2,54 cm), P die mittlere Dichte der Wellenwandung (in 27,68 g/cm ) und t die Dicke der Wellenwandung (in 2,54 cm) ist.

Wenn die genannte Größe wenigstens gleich 40 ist, werden die Zentrifugalkräfte, die durch die Rotation erzeugt

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werden, durch die Kräfte aufgrund der Steifheit ausgeglichen, so daß die Welle keiner Deformation unterworfen wird.

Wenn die in der Antriebswelle verwendeten Kohlenstoffasern

6 einen Young-Elastizitätsmodul von wenigstens 1757 χ 10 g/cm aufweisen, ist es möglich, auf die Verwendung von Fasern zu verzichten, die parallel zu der Längsachse der Welle ausgerichtet sind. Als Ergebnis wird die übermäßige Steifheit in Längsrichtung, die bisher bekannte Antriebswellen charakterisierte und zu der übertragung von übermäßigen Vibrationen von der Maschine und Transmission auf das Differential führte, zusammen mit dem Geräuschproblem, das mit dieser übermäßigen Steifheit verbunden ist, das Automobilhersteller bisher vergeblich zu eliminieren suchten, eliminiert. Wenn Fasern, die

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einen kleineren Elastizitätsmodul als 1757 χ 10 g/cm aufweisen, verwendet werden, ist es jedoch notwendig, 10 bis 20 Gew.-% der Fasern parallel zur Längsachse der Welle anzuordnen, um der Welle eine genügende Steifheit zu geben, um eine Versetzung der Welle zu verhindern. Wenn beispielsweise eine Welle aus sieben Faserschichten besteht, kann eine der Schichten in Längsrichtung parallel zur Achse der Welle angeordnet sein. Wenn die Welle aus zehn Faserschichten besteht, können eine oder zwei Schichten in Längsrichtung parallel zur Achse der Welle angeordnet sein.

Vorzugsweise werden nur Kohlenstoffasern in den erfindungsgemäßen Antriebswellen aufgrund ihres niedrigen Gewichtes und ihres hohen Elastizitätsmoduls verwendet. Jedoch kann falls gewünscht anderes Fasermaterial zusammen mit den Kohlenstof fasern verwendet werden, um eine gemischtfaserige Welle zu bilden. Diese Fasern können zusammen mit den Kohlenstof fasern in einer oder mehreren einzelnen Schichten vermischt werden, oder sie können alleine in getrennten Schichten verwendet werden, vorausgesetzt, daß das Gesamtgewicht dieser Fasern nicht 80 % des Gesamtgewichtes der

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in der Welle verwendeten Fasern überschreitet. Gewöhnlich sind sie in Mengen von 40 bis 65 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Fasern vorhanden. Unter den Fasern, die verwendet wer den können, befinden sich Glas-, Bor- und organische Fasern wie Polyamidfasern, die unter dem Warennamen "Kevlar 49" (von E.I. du Pont de Nemours and Co.) vertrieben werden. Zur besten Geräuschdämpfung sollten die äußersten und innerr sten Faserschichten Kohlenstoffasern enthalten.

Die Antriebswellen der vorliegenden Erfindung können herge stellt werden, indem übliche Mantelwicklungstechniken ver wendet werden. Kontinuierliche Faserlängen, vorzugsweise in Form von Rovings, Garn oder Kabel werden mit einem geeigneten Harzbindemittel imprägniert und die imprägnierten Fasern dann auf einen Dorn in der gewünschten Weise gewickelt. Zum Er leichtern des Wickeins wird es bevorzugt, daß die Fasern eine

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Zugfestigkeit von wenigstens 14 χ 10 g/cm aufweisen. Wäh rend bevorzugt wird, die Fasern zu imprägnieren, wenn sie dem Dorn zugeführt werden, ist es auch möglich, zunächst ein Vorimprägnat von Fasern und Bindemittel zu bilden und dieses Vorimprägnat um den Dorn zu wickeln. In jedem Fall wird jede Wicklung derart gelegt, daß kein Zwischenraum zwischen den Windungen verbleibt:, die die Wicklung bilden, um die gesamte Oberfläche zu bedecken, auf die die Wicklung, ohne sie selbst zu überlappen, aufgebracht wird. Die in Umfangsrichtung auf gebrachte! Wicklungen , die die innerste und äußerste Schicht der Welle bilden, werden in einem Winkel von 85 bis 9O° zu einer Linie in dem Dorn parallel zur Achse des Dorns ge wickelt. Die dazwischen liegenden schraubenlinienförmigen Wicklungen werden in einem Winkel von 15 bis 50° zu einer Linie in dem Dorn parallel zur Längsachse des Dorns ge wickelt. Jede aufeinanderfolgende Zwischenwicklung wird derart angeordnet, daß die Fasern hiervon die Fasern der

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vorhergehenden Zwischenwicklung in einem Winkel von 30 bis 90 kreuzen (der kleinere der beiden Winkel, der durch das Kreuzen der beiden Faserwicklungen gebildet wird, liegt im Bereich von 30 bis 90 ). Wie oben ausgeführt wurde, werden wenigstens 4 schraubenlienförmige Zwischenwicklungen zwischen der innersten und äußersten Wicklung in ümfangsrichtung angeordnet. Gewöhnlich wird eine Gesamtzahl von 8 bis 10 Wicklungen verwendet, obwohl mehr oder weniger Wicklungen verwendet werden können, falls dies gefordert wird. Jede derartige Wicklung schwankt gewöhnlich in der Dicke von 0,01 bis 0,04 cm. Falls gewünscht, können eine oder mehrere Zwischenwicklungen in Längs- oder Umfangsrichtung verwendet werden. Derartige Wicklungen können Kohlenstofffasern oder anderes Fasermaterial oder beides aufweisen. Längswicklungen können nicht durch Mantelwickeltechniken aufgebracht werden und müssen erst auf die entsprechende Länge geschnitten werden, bevor sie aufgebracht werden. Wenn alle Wicklungen angebracht sind, wird das Bindemittel gehärtet und die Welle von dem Dorn entfernt. Falls notwendig können die Enden der Welle beschnitten werden.

Die bei der Herstellung der Antriebswellen verwendeten Fasern werden mit einem geeigneten flüssigen Harzbindemittel niedriger Viskosität imprägniert, bevor sie aufgewickelt werden, in dem sie einfach in das Harz eingetaucht werden. Als Harz, das zum Imprägnieren der Fasern verwendet wird, können u.a. Phenolharze, Epoxydharze, Polyesterharze und dergleichen verwendet werden, übliche Härtemittel und/oder Polymerisationskatalysatoren, die ein Vernetzen des Harzes bewirken, können natürlich in dem Maße verwendet werden, wie es zum Härten des Harzes notwendig ist. Nach dem Härten enthält der gebildete Faserverbund im allgemeinen etwa 40 bis 60 Volumen- % Harz.

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Ein Epoxydharzbindemittelsystem wird vorzugsweise zur Herstellung von erfindungsgemäßen Antriebswellen verwendet, da dieses leicht handhabbar ist und ausgezeichnete Temperatur- und Umweltwiderstandsfestigkeit liefert. Ein derartiges System besteht aus einem Expoxydharz zusammen mit einem reaktiven Epoxydharzhärtemittel und/oder einem Epoxydpolymerisationskatalysator in einer üblichen Menge zum Härten von Epoxydharzen.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zum.Erläutern der Erfindung. Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul sind in den Beispielen, falls nicht anders angegeben, bezüglich 10 cm Länge des ungerichteten Faser-Epoxydharz-Verbundes gemessen. Der Elastizitätsmodul der Welle wurde gemessen, in dem die Welle an beiden Enden unterstützt und in der Mitte der Welle eine Last aufgebracht wurde.

Beispiel 1

Zehn Rovings aus "Thornel" 300 Kohlenstoffgarn (von Union Carbide Corporation, eine einzelne Lage, 1717 Denier, aus Kohlenstoffgarn enthaltend 3000 Filamente, wobei die Filamente durch einen mittleren Elastizitätsmodul von 239O g/cm

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und eine mittlere Zugfestigkeit von 25 χ 10 g/cm gekennzeichnet waren) wurden durch ein Epoxydharzbindemittelsystem geführt und durch eine Filamentwickelmaschine um einen Stahldorn mit einem Winkel von 87 zu einer Linie in dem Dorn parallel zu seiner Längsachse gewickelt, wobei die gesamte Oberfläche des Dorns ohne Selbstüberlappung und ohne Belassen von Zwischenräumen zwischen den Windungen bedeckt wurde. Das Epoxydharzbindemittelsystem bestand aus 100 Gewichtsteilen eines kommerziell erhältlichen flüssigen Epoxydharzes, hergestellt durch die Reaktion von Epichlorhydrin und 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)propan (Epikote 828, hergestellt durch Shell Chemicals UK Ltd.) und 27 Gewichtsteilen Diaminodiphenylmethan (DDM Epoxydharzhärter, hergestellt durch Anchor

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Chemical Co. UK Ltd.)· Der verwendete Dorn hatte einen Durchmesser von 6,4 5 cm und war mit "Lecithin" (von Wynmouth, Lehr und Fatoils), einem kommerziellen Trennmittel, überzogen, Nachdem die anfängliche in Umfangsrichtung aufgebrachte Wicklung vollständig über den Dorn gewickelt war, wurden 180 Rovings desselben Kohlenstoffgarns in das Epoxydharzbindemittel eingetaucht und mittels der gleichen Filamentwicklungsmaschine um den Dorn in einem Winkel von 22,5° zu einer Linie parallel zu der Längsachse des Dorns gewickelt. Eine zweite spiralförmige Wicklung von 180 Rovings wurde dann um den Dorn in der entgegengesetzten Richtung in einem Winkel von 22,5 zu einer Linie parallel zu der Längsachse des Dorns gewickelt, so daß die Fasern hiervon die Fasern der ersten spiralförmigen Wicklung in einem Winkel von 45 kreuzten (der kleinere der beiden Winkel, die durch das Kreuzen der beiden Faserwicklungen gebildet wurden, war 4 5 ). Vier weitere spiralförmige Wicklungen von 180 Rovings wurden dann um den Dorn in gleicher Weise gewickelt, so daß die Fasern jeder nachfolgenden Wicklung die Fasern der vorhergehenden in einem Winkel von 45 kreuzten und einen Winkel von 22,5 mit einer Linie parallel zur Längsachse des Dorns bildeten. Jede spiralförmige Wicklung wurde in das Epoxydharzbindemittel getaucht, bevor es auf den Dorn gewickelt wurde, und derart gewickelt, daß es vollständig die vorhergehende Wicklung ohne Selbstüberlappung oder Freilassung von Zwischenräumen zwischen den Windungen bedeckte. Schließlich wurde eine weitere Wicklung in Umfangsrichtung um den Dorn in der gleichen Weise wie die erste Wicklung in Umf angsrichtung gewickelt, wobei· 10 Rovings wie in der anfänglichen Wicklung verwendet wurden. Jede der auf diese Weise aufgebrachten Schichten besaß eine Dicke von 0,025 cm.

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. il 1624-

Der umwickelte Dorn wurde dann in einen Ofen gebracht und auf eine Temperatur von 165° C während 110 min erhitzt, um das Epoxydharz zu härten und eine einstückige Welle über dem Dorn zu erzeugen, der Dorn hierbei mit 4 bis 5 U/min gedreht, um ein asymmetrisches Fließen des Harzes zu einer Seite des Doms zu verhindern. Am Ende dieser Zeit wurde der Dorn aus dem Ofen geholt und abgekühlt. Die Welle wurde dann von dem Dorn abgenommen und an beiden Enden auf eine Länge von 127 cm beschnitten. Universalgelenke wurden dann in die Welle eingesetzt und an beiden Enden mit dieser verklebt.

Die Helle besaß einen Youhg-Elastizitätsmodul von 422 χ IO g/cm . Ferner ergab sich hierbei

EI/L⁴ =0,57

wobei E, I und L die vorgenannten Bedeutungen besitzen. Dieser Wert zeigt an, daß die Welle mit Geschwindigkeiten von wenigstens 60OO U/min bei minimalem Geräusch gedreht werden kann.

Der erhaltene Wert von 0,57 war 43 mal größer als EI/(L⁴DPt) = 43

wobei die vorgenannten Bedeutungen zugrunde gelegt sind. Dieser Wert zeigt an, daß die Welle bei Geschwindigkeiten von wenigstens 6000 ü/min versetzungsfrei gedreht werden

Die auf diese Weise hergestellte Welle wurde auf einem Fabrikprüfstand in einem schalltoten Raum (Echoprüfraum) in Verbindung mit einer Maschine geprüft, die eine Kur- belwellengeschwindigkeit von 6000 U/min besaß. Es wurde

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gefunden, daß die Welle versetzungsfrei arbeitete und daß Geräusch und Vibrationen, die mit Antriebswellen, die in solchen Maschinen verwendet werden, verbunden sind, im wesentlichen ausgeschaltet waren.

Beispiel 2

In gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Antriebswelle hergestellt, wobei jedoch eine Mischung von "Thornel" 300 Kohlenstoffgarn und "Kevlar" 49 Garn (eine einzelne Lage von 1420 Denier Polyamidfasergarn enthaltend 10OO Filamente, wobei die Filamente durch einen mittleren Elastizitätsmodul von 914 χ 10 g/cm und eine mittlere Zugfestig-

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keit von 36,9 χ 10 g/cm gekennzeichnet war) verwendet wurde, wobei diese Garnmischung um einen Dorn mit einem Durchmesser von 7,72 cm gewickelt wurde. Zehn Rovings der beiden Garnsorten, die abwechselnd und parallel zueinander verwendet wurden, wurden zur Herstellung der ersten und letzten Wicklung in Umfangsrichtung und 180 Rovings der beiden Garnsorten in gleicher Weise abwechselnd zur Bildung von sechs spiralförmigen Zwischenwicklungen verwendet.

Die aus dem gemischten Garn hergestellte Welle besaß einen

Young-Elastizitäts Ferner ergab sich

6 2

Young-Elastizitätsmodul in Längsrichtung von 253 χ 10 g/cm ,

EI/L⁴ = 0,78

und

EI/(L⁴DPt) = 53

Diese Werte zeigten an, daß die Welle mit Geschwindigkeiten von wenigstens 60OO U/min versetzungsfrei und mit einem Minimum an Geräuschentwicklung gedreht werden kann.

Diese Welle wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 getestet, wobei sich ein versetzungsfreier Betrieb ergab, bei

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dem Geräusch und Vibrationen im wesentlichen eliminiert waren.

Beispiel 3

Eine Antriebswelle wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch für die spiralförmigen Wicklungen Glasfasern verwendet wurden, die in einem Winkel von 45° zu einer Linie parallel zur Achse der Welle gewickelt wurden. Um eine genügende Steifigkeit der Welle zu erzielen, war es jedoch notwendig, 4 Lagen von Kohlenstoffasern parallel zur Längsachse der Welle einzusetzen. Diese Lagen wurden als vorimprägnierte Blätter zwischen den spiralförmigen Wicklungen und der äußersten Wicklung in Umfangsrichtung eingesetzt. Jede Lage war 0,013 cm dick und enthielt Fasern, die durch einen mittleren Elastizitätsmodul von etwa 2110 χ 6 2

10 g/cm und eine mittlere Zugfestigkeit von etwa 21 χ 6 2

10 g/cm gekennzeichnet waren.

Die auf diese Weise erzeugte Welle hatte einen Young-Elastizitätsmodul in Längsrichtung von 461 χ 10 g/cm . Ferner ergab sich

EI/L⁴ = 0,76

EI/(L⁴DPt) = 52

Diese Werte zeigten an, daß die Welle bei Geschwindigkeiten von wenigstens 60OO U/min versetzungsfrei und mit minimalem Geräusch gedreht werden könne.

Beim Testen der Welle gemäß Beispiel 1 ergab sich ein versetzungsfreier Betrieb, wobei Geräusch und Vibrationen im wesentlichen eliminiert waren.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1J Rohrförmige Antriebswelle mit Geräusch- und Vibrationsdämpfungseigenschaften, die bei einer Geschwindigkeit von wenigstens 6000 U/min ohne Versetzung zwischen ihrer geometrischen und ihrer Rotationsachse drehbar ist, gekennzeichnet durch einen Verbund einer Vielzahl von Schichten aus Kohlenstoffasern in einer festen Harz-Matrix, wobei die Fasern in Umfangsrichtung und spiralförmig um die Längsachse der Welle angeordnet sind, wobei die Fasern der innersten und äußersten Schicht im wesentlichen in Umfangsrichtung zu der Längsachse der Welle in einem Winkel von 85 bis 9O° zu einer Linie parallel zur Längsachse der Welle und die Fasern von wenigstens vier Zwischenschichten zwischen der innersten und äußersten Schicht spiralförmig um die Längsachse in einem Winkel von 15 bis»50 zu einer Linie parallel zur Längsachse der Welle angeordnet sind, wobei die Fasern jeder aufeinanderfolgenden spiralförmigen Schicht die Fasern der vorhergehenden spiralförmigen Schicht in einem Winkel von 30 bis 90° kreuzen, während der Wert für

EI/L⁴
nicht größer als 1 und der Wert für

EI/(L⁴DPt)

wenigstens 40 ist, wobei

E der Young-Elastizitätsmodul in Längsrichtung der Welle

2
(gemessen in 70,30 g/cm ),

4 I das zweite Flächenmoment der Welle (in 2,54 cm ), L die Länge der Welle (in 2,54 cm), D der mittlere Durchmesser der Welle (in 2,54 cm), P die mittlere Dichte der Wellenwandung (in 27,68 g/cm )

und
t die Dicke der Wellenwandung (in 2,54 cm) ist.

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L / 1 ÜZ
2. Welle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen maximalen Young-Elastizitätsmodul in Längsrichtung von 562 χ 10⁶ g/cm².
3. Welle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen maximalen Young-Elastizitätsmodul in Längsrichtung von 422 χ 10⁶ g/cm².
4. Welle nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Länge von 101,6 bis 127 cm und einer Wandstärke von wenigstens 0,15 cm.
5. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Harzmatrix eine Epoxydharzmatrix ist.
6. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch bis zu 80 Gewichts-% fadenförmiges Material, das nicht aus Kohlenstoffasern besteht, wobei 10 bis 20 Gewichts-% der vorhandenen Fasern parallel zur Längsachse der Welle angeordnet sind.
7. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch 40 bis 65 Gewichts-% fadenförmiges Material, das keine Kohlenstoffasern enthält, wobei 10 bis 20 Gewichts-% der vorhandenen Fasern parallel zur Längsachse der Welle angeordnet sind.
8. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennz-

zeichnet, daß sämtliche Fasern Kohlenstoffasern mit einem

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Young-Elastizitätsmodul von wenigstens 1757 χ 10 g/cm sind.

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9. Welle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die innerste und äußerste Schicht der Kohlenstoffasern in Umfangsrichtung um die Längsachse der Welle in einem Winkel von 87 zu einer Linie parallel zur Längsachse der Welle angeordnet sind, während 6 bis 8 Zwischenschichten aus Kohlenstoffasern schraubenlinienförmig um die Längsachse in einem Winkel von 22,5° zu einer Linie parallel zur Längsachse der Welle angeordnet sind, wobei die Fasern von jeder nachfolgenden spiralförmigen Schicht die Fasern der vorhergehenden spiralförmigen Schicht in einem Winkel von 45 kreuzen.
10. Welle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung angeordneten Fasern der innersten und äußersten Schicht als auch die parallel zur Längsachse der Welle angeordneten Fasern Kohlen stof fasern sind, während die Fasern der spiralförmigen Zwischenschichten Glasfasern sind.
11. Welle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern der innersten und äußersten Schicht in Umfangsrichtung zur Längsachse der Welle in einem Win kel von 87° zu einer Linie parallel zur Längsachse der Welle angeordnet sind, während die in den spiralförmigen Zwischenschichten vorhandenen Glasfasern um die Längs achse in einem Winkel von 45° zu einer Linie parallel zur Längsachse der Welle angeordnet sind, wobei die Fa sern jeder nachfolgenden spiralförmigen Schicht die Fasern der vorhergehenden spiralförmigen Schicht in einem Winkel von 90° kreuzen.

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