DE2825191C2 - Zahnrad mit mehreren über ein Bindemittel verbundenen Gewebeschichten aus Kohlefadenbündeln - Google Patents
Zahnrad mit mehreren über ein Bindemittel verbundenen Gewebeschichten aus KohlefadenbündelnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Zahnrad iah mehreren über
ein Bindemittel verbundenen Gewebeschichten aus Kohlefadenbündeln, die jeweils unter einem Winkel von
90° zu Kett- und Schußfäden verwoben sind, wobei die Gewebeschichten, bezogen auf die Richtung der Kett-
und Schußfäden, gegeneinander verdreht sind.
Zur Verringerung der Geräusche ν ^rden zunehmend
Zahnräder aus Kunststoffen, beispielsweise Polyesterharzen verwendet Wegen ihrer Festig! '.it können diese
bisher jedoch nur bei geringen Belastungen eingesetzt werden. Konventionelle Kunststoffe für die Hersteilung
von Zahnrädern sind üblich thermoplastisch und weisen eine geringe Wärmebeständigkeit auf. So wurde festgestellt,
daß derartige Zahnräder schon bei einer Temperatur von nur etwa 100° C verformt werden. Dies ist von
Nachteil nicht nur in den Fällen, in denen das Zahnrad aufgrund von Reibungswärme höheren Temperaturen
ausgesetzt ist, sondern auch in den Fällen, in denen das Zahnrad zusammen mit einem Trockner oder einer
Heizvorrichtung bei hoher Temperatur verwendet wird. Auch Zahnräder aus glasfaserverstärkten Kunststoffen
erfüllen die an sich gestellten Anforderungen nicht genügend, weil sie keine ausreichende Ermüdungsbeständigkeit
aufweisen. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, Kohlefäden zur Herstellung von Zahnrädern zu verwenden,
da diese sowohl eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit als auch eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit
aufweisen. Dabei werden die Kohlefaden in Form von glatt gewebten Geweben eingesetzt, in
denen die Kett- und Schußfäden aus Kohlefadenbündeln bestehen, die zu mehreren Hunderten und Tausenden
mit einem Bindemittel zu Kohlefadenbündeln gebündelt sind. Beim Aufeinanderlaminieren mehrerer
derartiger Gewebeschichten werden die Hohlräume zwischen den benachbarten Kett- und Schußfäden nur
unvollständig durch das Bindemittel ausgefüllt, so daß bei der Belastung daraus hergestellter Zahnräder eine
Schichtentrennung auftreten kann.
Aus der DE-PS 4 42 580 sind Zahnräder bekannt, die aus mit einem Klebemittel getränkten Stoffgeweben bestehen,
wobei die einzelnen Stoffbahnen in bestimmter Weise übereinandergeschichtet und dann unter Anwendune
von Wärme und Druck zu einem festen Körper zusammengepreßt werden. Dabei erfolgt die Art der
Obereinanderschichtung in der Weise, daß die einzelnen Gewebefasern sowohl in der Kette als auch im Schluß
sich mit den Fasern des benachbarten Gewebestückes unter verschiedenen Winkeln, bezogen auf die Richtung
der Kett- und Schußfäden, kreuzen.
Aus der GB-PS 13 64 076 sind faserverstärkte Kunststoffmaterialien
bekannt, die aus übereinander angeordneten Gewebeschichten aufgebaut sind, die in bezug auf
ίο die Richtung der Kett- und Schußfäden gegeneinander verdreht sind.
Aus der US-PS 13 41 685 sind Kegelzahnräder bekannt,
die aus mehreren übereinander angeordneten Gewebeschichten bestehen, deren äußere Umfangsabschnitte
entsprechend der Form des Kegelzahnrades unter einem im wesentlichen rechten Winkel zur Fläche
des Kegelzahnrades aufgebogen sind.
Diese bekannten Zahnräder genügen in bezug auf ihre mechanischen und thermischen Eigenschaften den
heutigen Anforderungen nicht Insbesondere weisen sie eine unzureichende Wärmebeständigkeit und mechanische
Festigkeit (speziell eine unzureichende Ermüdungs- und Abriebsbeständigkeit) auf.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Zahnrad zu entwickeln, das nicht nur geräuschärmer ist als Metallzahnräder,
sondern auch eine höhere Wänr.ebeständigkeit und mechanische Festigkeit (insbesondere Ermüdungs-
und Abriebsbeständigkeit) als die bisher bekannten Kunststoff-Zahnräder aufweist
Diese Aufgäbe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die einzelnen Kohlefäden der jeweiligen Kett- und Schußfäden einen gleichen Abstand voneinander haben und daß die auf die erste Gewebeschicht folgende zweite, dritte und vierte Gewebeschicht jeweils um 45°, 22,5° und 673°, bezogen auf die Richtung der Kett- und Schußfäden der ersten Gewebeschicht verdreht sind.
Diese Aufgäbe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die einzelnen Kohlefäden der jeweiligen Kett- und Schußfäden einen gleichen Abstand voneinander haben und daß die auf die erste Gewebeschicht folgende zweite, dritte und vierte Gewebeschicht jeweils um 45°, 22,5° und 673°, bezogen auf die Richtung der Kett- und Schußfäden der ersten Gewebeschicht verdreht sind.
Die erfindungsgemäßen Zahnräder weisen gegenüber den bekannten Metallzahnrädccn und den bekannten
Kunststoff-Zahnrädern die folgendem Vorteile auf:
1. Sie sind geräuschärmer als die bekannten Metall-Zahnräder;
2. sie weisen eine höhere Wärmebeständigkeit auf als die konventionellen thermoplastischen Kunststoff-Zahnräder,
da sie, wie Versuche gezeigt haben, bei Temperaturen bis zu 4000C stabil sind, ohne ihre
ausgezeichneten Geräuschdämpfungseffekte zu verlieren;
3 sie besitzen eine höhere Festigkeit und einen höheren Elastizitätsmodul als Zahnräder aus hochwertigem
Stahl, Aluminium oder Titan;
4. sie unterliegen einem geringeren Verschleiß aus Kunststoff-Zahnräder aus beispielsweise einem Polyester, Phenol oder einem Polyamid;
5. sie sind in bezug auf ihre Ermüdungsfestigkeit den aus glasfaserverstärkten Kunststoffen hergestellten Zahnrädern überlegen; und
6. sie dämpfen Vibrationen wesentlich wirksamer.
4. sie unterliegen einem geringeren Verschleiß aus Kunststoff-Zahnräder aus beispielsweise einem Polyester, Phenol oder einem Polyamid;
5. sie sind in bezug auf ihre Ermüdungsfestigkeit den aus glasfaserverstärkten Kunststoffen hergestellten Zahnrädern überlegen; und
6. sie dämpfen Vibrationen wesentlich wirksamer.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Zahnrad um ein Kegelzahnrad,
bei dem die äußeren Umfangsabschnitte entsprechend der Form des Kegelzahnrades geformt sind
(vgl. die weiter unten folgende F i g. 6).
Das erfindungsgemäße Zahnrad läßt sich auf technisch einfache Weise dadurch herstellen, daß Gewebeschichten
aus Kohlefadenbündeln, d. h. glatt gewebte Gewebe aus Kohlefäden, die jeweils unter einem Win-
kel von 90° zu Kett- und Schußfäden verwoben sind,
durch Bürsten der glatt gewebten Gewebe unter gleichzeitigem Auftrag eines Bindemittels so aufgelockert
werden, daß die Kohlefaden in jedem der Kohlefadenbündei
einen gleichen Abstand voneinander haben, unter Ausbildung von dünnen und feinen Kohlefadengeweben,
daß die auf diese Weise aufgelockerten Kohlefadengewebe so aufeinander auflaminiert werden, daß ihre
Kohlefaden den gleichen Abstand von denjenigen einer anderen Gewebeschicht um eine gemeinsame
Achse haben, und daß man Wärme und Druck auf die aufeinanderlaminierten Gewebe einwirken läßt, um so
das Bindemittel auszuhärten
Zur Herstellung von kreisförmigen Zahnrädern kann eine Vielzahl von kreisförmigen Kohlefadengeweben
verwendet werden, wobei in jedem Falle die auf die erste Gewebeschicht folgende zweite, dritte und vierte
Gewebeschicht jeweils um 45°, 22,5° und 673°, bezogen auf die Richtung der Kett- und Schußfäden der ersten
Gewebeschicht, verdreht sind.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezu^nahm2 auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
F i g. 1 ein glatt gewebtes Gewebe aus Kohlefaden gemäß Stand der Technik, wie es für die Herstellung
eines Zahnrades verwendet wird;
F i g. 2 das gleiche Gewebe wie F i g. 1, dessen Kohlefaden
durch Bürsten aufgelockert worden sind;
F i g. 3 die Art der Aufeinanderlaminierung der verwendeten
aufgelockerten Gewebe, so daß die auf die erste Gewebeschicht folgende zweite, dritte und vierte
Gewebeschicht jeweils um 45°, 22,5° und 67,5°, bezogen
auf die Richtung der Kett- und Schußfäden der ersten Gewebeschicht, verdreht sind;
Fig.4 eine vergrößerte Darstellung der Teile der
Kohlefadengewebe, die zur Herstellung eines kreisförmigen Zahnrades wirksam verwendet werden können;
F i g. 5 einen axialen Querschnitt durch das verwendete Material zur Herstellung eines Stirnzahnrades aus
aufeinanderlarinierten Kohlefadengeweben; und
F i g. 6 einen axialen Querschnitt durch das Material gemäß F i g. 5, das durch geeignete Formpaare zu einem
Kegelzahnrad mit entsprechend geformten äußeren Umfangsabschnitten geformt worden ist.
Die F i g. 1 zeigt in Form einer ebenen Draufsicht ein glatt gewebtes Gewebe 11, das aus Kettfaden 12 und
Schußfäden 13 augebaut ist, die jeweils unter Verwendung eines Bindemittels zu einem Kohlefadenbündel
(beispielsweise in der Größenordnung von mehreren Hundert oder mehreren T?usend) gebündelt sind. Wie
dargestellt, entstehen dabei verhältnismäßig grobe Maschen A ι zwischen den benachbarten Kettfäden 12 und
Schußfäden 13. Wenn daher ein weiteres Bindemittel, bei dem es sich um das gleiche wie das erste Bindemittel
handeln kann, auf daj glatt gewebte Gewebe 11 aufgebracht
wird, reicht es nicht aus, um die Hohlräume der Maschen A, zwischen benachbarten Kett- und Schußfäden
12 und 13 aufzufüllen, selbst nachdem die Gewebe 11 aufeinanderlaminiert worden sind, so daß beide Bindemittel
unzureichend gemischt bleiben.
Um zu verhindern, daß bei Mehrfachschichten des glatt gewebten Gewebes 11 mit einer solchen Struktur
diese sich voneinander trennen, wird ein Stempel, eine Bürste oder eine Walze (aus HoIz1 Bambus, Wolle, Metall,
Stoff, Kunststoff, Kautschuk od. dgl.) verwendet, wenn das zweite Bindemittel auf jede Schicht aufgetragen
wird. Dieser Auftraf erfolgt durch Bürsten der Oberfläche jeder Schicht in der Längsrichtung und in
der Querrichtung oder in einer schrägen Richtung.
Durch dieses Bürsten werden die Fäden 12a und 13a der Kettfaden 12 und der Schußfäden 13 so aufgelockert,
daß sie einen gleichen Abstand voneinander haben (vgL F i g. 2), wobei man ein feineres, dünneres Kohlefadengewebe
W erhält, das aus den gelockerten Fäden 12a und 13a als Kett- und Schußfäden besteht. Wie bei A2
angegeben, sind die entstehenden Maschen sehr viel kleiner als die Maschen A\ der F i g. 1, so daß das Gewebe
11' selbst dünner wird.
ίο Als Bindemittel können wärmehärtbare Kunststoffe,
beispielsweise ein Epoxyharz, in einem fließfähigen Zustand verwendet werden. Die auf diese Weise erhaltenen
Kohlefadengewebe 11', die einheitliche und feine Maschen aufweisen, werden aufeinandergelegt, nachdem
ihre Oberflächen mit dem zweiten Bindemittel benetzt worden sind; und dann werden sie Wärme und
Druck ausgesetzt unter Bildung eines Verbundmaterials,
aus dem das gewünschte Zahnrad hergestellt wird. Um die sowolil mit der Gleichmäßigkeit der Festigkeit
als auch mit der Bündelung des Matt -,als zusammenhängenden
Probleme zu lösen, erfolgt die I aminierung wie in der F i g. 3 dargestellt
Das erste Kohlefadengewebe 11' mit der Ordinate X1
und der Abszisse Vj, in dem sich die Kettfäden 12a und
die Schußräden 13a unter einem rechten Winkel kreuzen, wird bedeckt von dem zweiten Gewebe 11' mit der
Ordinate X\ und der Abszisse y\, die um 45° gegenüber
den Koordinaten X\ und Y\ verdreht sind. Die Koordinaten X2 und Y2 des dritten Gewebes 11' sind um 22,5°
gegenüber den Koordinaten X\ und Y\ verdreht und die Koordinaten x2 und y2 des vierten Gewebes 11' sind um
67,5° gegenüber den Koordinaten ΛΊ und Y\ verdreht.
Die Anzahl der aufeinanderlaminierten Kohlefadengewebe hängt ab von dem gewünschten Durchmesser und
der gewünschten Dicke, der gewünschten Größe und Anzahl der Zähne des daraus herzustellenden Zahnrades
und der geforderten Festigkeit des Zahnrades.
Um die gewünschten Effekte der Laminatstruktu« der Kohlefadengewebe 11', welche die Verstärkung gemäß
dem obigen Verfahren aufweisen, auch dann zu erzielen, wenn die verwendeten Gewebe 11' quadratisch geformt
sind, wie in F i g. 4 dargestellt, muß das daraus herzustellende Zahnrad eine Größe haben, die geringer lytals der
nutzbare kreisförmige Abschnitt 14, der das Quadrat innen berührt, das durch die Kohlefadengewebe 1Γ, die
konzentrisch übereinanderliegen, definiert ist. Der Grund ist der, daß die Teile der Gewebe W außerhalb
des Umfanges des kreisförmigen Abschnitts 11 in ihrer Bündelung nicht ausreichend verstärkt sind.
Die auf diese Weise aufeinanderlaminierten Kohlefadengewebe 11' werden anschließend Wärme und Druck
ausgesetzt, bevor sie zu einem Zahnrad verarbeitet werden. Bv-i Berücksichtigung der Verarbeitbarkeit und
Materialverluste ist es zweckmäßig, die jeweiligen Kohlefadengewebe
11' vorher in eine kreisförmige Form einer festgelegten Größe zu bringen und sie dann so
aufeinanderzulaminieren und in Formpaaren einer Größe entsprechend dir kreisförmigen Form Wärme und
Druck auszusetzen, daß ein Zahnrad mit einer einheitlichen Struktur erhalten wird, Diese Ausführungsform
wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und
6 näher erläutert.
Die F i g. 5 zeigt einen axialen Querschnitt durch ein Material für ein einfaches Stirnzahnrad 15. In diesem
Falle erfolgt die Formgebung unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens mit einem Paar
von einfachen kreisförmigen Formen. Wenn jedoch ein Kegelzahnrad 16 hergestellt werden soll, wie es in
Fig.6 gezeigt ist, wird ein Laminatmaterial mit einer
flachen Struktur, wie durch die gestrichelten Linien in der F i g. 6 dargestellt, vorher hergestellt und unter Verwendung
eines entsprechenden Formpaares 17a und i7b mit der vorgegebenen Form Wärme und Druck
ausgesetzt. Dabei wird, wie durch die ausgezogenen Linien in der gleichen Figur gezeigt, ein Material 16' gebildet,
bei dem die aufeinanderlaminierten Kohlefadengewebn
an ihrem äußeren Umfang entsprechend der Form des gewünschten Kegelzahnrades gekrümmt sind. Der
dabei erhaltene Randabschnitt weist dann eine ähnliche Festigkeit auf wie das Stirnzahnrad gemäß Fi g. 5. Bei
der Verarbeitung des Materials 15 zu dem gewünschten Stirnzahnrad gemäß Fig. 5 wird da das Material nicht
unter Verwendung eines üblichen Gewindefräsers geschnitten werden kann, dieser Gewindefräser durch ein
Schleifrad ersetzt. Dieses Schleifrad wird so bearbeitet, daö es die Form des gewünschten Gewindefräsers hai
und es wird zum Ausschneiden der Zähne aus dem Material verwendet. Der Grad der Abnutzung des Schleifrades
ist bemerkenswert niedrig, und das Material 15 wird selbst kaum beschädigt, selbst wenn die Bearbeitungsgeschwindigkeit
erhöht wird. Gewünschtenfalls kann auf diese Weise ein Hochpräzisions-Zahnrad hergestellt
werden durch Unterteilen des Schneideverfahrens in zwei Schritte unter Verwendung von Rauhschleifrädern
und Glattschleifrädern. Wenn eine solche Präzision dagegen nicht erforderlich ist, kann das
Schneidverfahren unter Verwendung des Rauhschleifrades durchgeführt werden. Für dieses Rauhschleifen
(Schruppen) kann auch ein konventioneller superharter Gewindefräser verwendet werden, wobei ähnliche Effekte
erzielt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
40
45
50
Claims (2)
1. Zahnrad mit mehreren über ein Bindemittel verbundenen Gewebeschichten aus Kohlefadenbündeln,
die jeweils unter einem Winkel von 90° zu Kett- und Schußfäden verwoben sind, wobei die Gewebeschichten,
bezogen auf die Richtung der Kett- und Schußfäden, gegeneinander verdreht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen
Kohlefaden der jeweiligen Kett- und Schußfäden einen
gleichen Abstand voneinander haben und daß die auf die erste Gewebeschicht folgende zweite,
dritte und vierte Gewebeschicht jeweils um 45°, 22^° und 67^°, bezogen auf die Richtung der Kett-
und Schußfäden der ersten Gewebeschicht, verdreht sind.
2. Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad ein Kegelzahnrad ist, bei
dem die äußeres Umfangsabschnitte entsprechend der Form des Kegelzahnrades geformt sind (F i g. 6).
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