DE2851293A1

DE2851293A1 - Antriebswellen-konstruktion und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2851293A1
Application number: DE19782851293
Authority: DE
Inventors: Philippe Hardy-The Mclain
Original assignee: Shakespeare Co LLC
Current assignee: Shakespeare Co LLC
Priority date: 1977-11-25
Filing date: 1978-11-27
Publication date: 1979-05-31
Also published as: GB2008720A; FR2434300A1; JPS5482547A

Description

Antriebswellen-Konstruktion und Verfahren zu deren Herstellung

In dem Bemühen, für Kraftfahrzeuge einen besseren Kraftstoffwirkungsgrad herbeizuführen., versucht die Kraftfahrzeugindustrie alles zu tun, um Mittel und Wege zu finden und einzusetzen, die zur Entwicklung von in Zukunft leichteren Kraftfahrzeugmodellen führen sollen.

Zur Zeit werden die Antriebswellen für Kraftfahrzeuge normalerweise aus Stahlrohr hergestellt, das einen hohen Elastizitätsmodul hat - gewöhnlich in der Größenordnung von 30 χ 10 psi. Die aus Stahlrohr bestehenden Antriebswellen haben aber auch ein hohes spezifisches Gewicht, das für gewöhnlich in der Größenordnung von 7.7 liegt. Das hat zur Folge, daß auch die eigentliche Antriebswelle in einem Kraftfahrzeug ein relativ schweres Bauelement ist.

Es ist allgemein bekannt, daß bei bestimmten Drehzahlen eine Antriebswelle dynamisch instabil wird und dann außergewöhnlich starke Vibrationen/Schwingungen wahrscheinlich erzeugt. Dieses Phänomen ist das Resultat der Resonanz, und die kritische Drehzahl - d.h. die Anzahl der Umdrehungen in der Sekunde, bei der diese Instabilität aufkommt, ist gleich der Frequenz der Eigenschwingungen für die jeweils zutreffende Welle.

Mathematisch ist die kritische Drehzahl für eine Hohlwelle mit einem Kardangelenk an jedem Ende durch die nachstehend gegebene Formel bestimmt;

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In diese Formel oder Gleichung sind eingetzt: W = kritische Drehzahl in rad/sek.

E = Elastizitätsmodul aus- Biegung in ρsi.

4 I = Wellen-Trägheitsmoment in Zoll .

' ρ G · = Erdbeschleunigung in Zoll/sek .

W = Gesamtgewicht der Welle in lbs.

L = Länge der Welle zwischen den Mittellinien der Kardangelenke.

Um eine akzeptierbar hohe kritische Drehzahl zu erreichen, und zwar mit Stahl-Hohlwellen zu erreichen,werden im allgemeinen mehrere kurze Hohlwellenstücke verwendet, die jeweils untereinander mit einem Kardangelenk verbunden sind. Die Verwendung mehrerer Kardangelenke zum Verbinden der aufeinanderfolgenden STUcke der Antriebswelle erhöht aber acuh das Gesamtgewicht der Antriebswellen-Konstruktion.

Wellen aus faserverstärktem Kunststoff sind eine ganz klare und geeignete Alternative zu den Hohlwellen aus STahl. Die Verstärkungsstoffe, beispielsweise Glasfasern, Graphitfasern und ander Fasern oder Faserkombinationen, werden in eine Kunststoff-.matrix eingekapselt, und zwar in einem Anteil an Fasern von 50 % bis 70 %, so daß dabei faserverstärkte Kunststoffe entstehen, die je nach Art der verwendeten Materialien und Mischungsverhältnisse einen Elastizitätsmodul aus Biegung oder eine Biege-

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festigkeit von 2 χ 10 psi bis 25 χ 10 psi haben und ein spezifisches Gewicht von 1.4 bis 2.0. aal. Λ,6 ik/> 2,0.

Cine exemplarische Hohlwelle aus faserverstärktem Kunststoff, desgleichen auch deren Herstellungsverfahren und die Anlage zu deren Herstellung, sind in meiner mit dem Erfindungsgegenstand zusammenhängenden Patentanmeldung U.S.-Nr. 720.907 vorn 7 „ September 1976 dargestellt und beschrieben worden.

Das gegenüber dem Gewicht einer als Hohlwelle ausgeführten Antriebswelle aus Stahl beträchtlich geringere Gewicht einer als faserverstärktem Kunststoft-HohlwelIe ausgeführten Antriebswelle - und dies im Hinblick auf einen nur wenig schwächeren Biegeniodul oder auf eine nur wenig schwächere Biegefestigkeit - läßt es zu, daß die aus mehreren Stücken bestehende stählerne Antriebswelle bei einer durchaus vergleichbaren kritischen Drehzahl durch eine länyere Antriebswelle ersetzt werden kann. Dabei wird nicht nur das Gewicht der eigentlichen Antriebswelle verringert, weil die aus faserverstärktem Kunststoff bestehende Welle im Vergleich mit einer stählernen Hohlwelle, die die gleiche kritische Drehzahl aufweist, langer sein kann, sondern darüber hinaus verringert sich auch noch das Gewicht der begleitenden Bauelemente.So können beispielsweise mehrere der Kardangelenke wegfallen.

Konstruktionselemente aus faserverstärktem Kunststoff sind bisher jedoch für die Verwendung bei Kraftfahrzeug-Antriebswellen nocht nicht für gut

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und zufriedenstellend befunden worden. Dafür gibt es mehrere Gründe:- Niemand ist sich voll und ganz bewußt, welch hohe kritische Drehzahl mit einer solchen Konstruktion erzielt werden kann, das ist der erste Grund. Der zweite Grund besteht darin, daß die Möglichkeit, eine akzeptierbare Verbindung zwischen der aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Antriebswelle und dem aus Metall bestehendem Joch eines Kardangelenkes unbekannt gewesen ist die bisher durchgeführten Versuche waren mühselig und auch außergewöhnlich teuer.

Experimente, bei denen die Welle aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt wurde, und bei denen dann versucht wurde, ein Kardangelenkt direkt an der Welle zu befestigen, haben gezeigt, wie schwierig es ist, eine Verbindung herbeizuführen, die in der Lage ist, die Biegekräfte und Drehmomentskräfte, die auf die fertige Antriebswellen-Konstruktion einwirken, auszuhalten und dabei auch eine entsprechende und genaue Ausrichtung zwischen der Welle und dem Konstruktionselement beizubehalten, an dem das Kardangelenk befestigt ist, so wie dies bei den hohen Arbeitsdrehzahlen, denen die Antriebswellen-Konstruktion unterworden ist, notwendig ist.

Frühere Versuche eine Antriebsweilen-Konstruktion herzustellen, waren auf die nachstehend angeführten Minimalschritte beschränkt:-

1. Ein Dorn wurde vorbereitet und hergestellt - dieser mußte auch dann, wenn er maßgenau angefertigt worden war, vor jedem Gebrauch gereinigt werden. Darüber hinaus mußt ein

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"Formenlösungsmittel" verwendet werden.

2. Auf den Dorn wurde faserverstärkter Kunststoff aufgetragen, dabei wurde für gewöhnlich der Dorn in einer "Wickelmaschine" gedreht.

3. Zum Festhalten des noch nicht ausgehärteten faserverstärkten Kunststoffes auf dem Dorn mußten Bindestücke verwendet werden.

4. Die über die Bindestücke hervorstehenden Abfallenden des noch nicht ausgehärteten faserverstärkten Kunststoffes wurden abgeschnitten und enttarnt.

5. Nach dem Auftragen des faserverstärkten Kunststoffes wurde der Dorn von der Wickelmaschine abgenommen.

6. Der Dorn mit dem darauf aufgebrachten faserverstärkten Kunststoffmaterial wurde in einen Ofen gesteckt und in diesem Ofen ausgehärtet oder vulkanisiert.

7. Das aus faserverstärktem Kunststoff hergestellte Rohr wurde vom Dorn abgestreift.

8. Das Joch eines Kardangelenkes wurde an jedem Ende der Welle mit Kleber angebracht und dann in eine Ausrichtungs-Einrichtung gespannt.

9. Nach Herstellung der Klebeverbindung wurde die Antriebswellen-Konstruktion wieder aus der Vorrichtung herausgenommen.

10. Die derart entstandene Antriebswellen-Konstruktion wurde dynamisch ausgewuchtet.

Jeder Dorn stellt eine beträchtliche Kapitalinvesti-

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dar, und das zuvor angeführte Verfahren verbraucht eine außergewöhnlich große Menge solcher Dorne, weil sie in den meisten Fällen und in der Mehrzahl der Herstellungsverfahren in dem aus faserverstärktem Kunststoffmaterial bestehenden Wellenteil bleiben. Hinzu kommen auch noch die außergewöhnlich hohen Arbeitskosten, weil in den verschiedenen Phasen des Fertigungsprozesses Reinigung₅ Besäumarbeiten und sonstige Arbeiten anfallen.

Die Verwendung von Kleber für die Befestigung des Kardangelenkes an der aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Welle kann nicht ganz akzeptiert werden. Bei Verwendung von zu wenig Kleber wird die Klebeverbindung zu schwach, die Verwendung von zu viel Kleber hat zur Folge, daß der Kleber zu einer Klumpenbildung innerhalb der Welle neigt und dadurch verursacht, daß bei den höheren Drehzahlen Schwingungen und Vibrationen entstehen können»

Wegen der hohen Arbeitsdrehzahlen, denen die Antriebswellen-Konstruktionen ausgesetzt sind, müssen die Antriebswellen-Konstruktionen auch ausgewuchtet sein, damit schädliche Schwingungen und Vibrationen in dem unter der kritischen Drehzahl liegenden Drehzahlbereich vermieden werden können. Wellen die aus faserverstärktem Kunststoff bestehen, lassen sich nicht leicht dynamisch auswuchten.

Die Erfindung stellt sich somit im wesentlichen die Aufgabe, eine Antriebswellen-Konstruktion zu schaffen, die einen Wellenteil aus faserverstärktem Kunststoff hat und auch voll akzeptiert werden kann.

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Die Erfindung stellt sich auch die Aufgabe, eine Antriebsv/el len-Konstruktion der vorerwähnten Art zu schaffen, bei der eine Vorrichtung vorgesehen ist, die eine gute und wirksame Verbindung zwischen der eigentlichen Welle und dem Joch eines Kardangelenkes zu schaffen, die so gut und so fest ist,'daß sie die Biegekräfte und die Drehmomentkräfte, die auf die fertige Antriebswellen-Konstruktion einwirken, aushalten kann.

Die Erfindung stellt sich weiterhin die Aufgabe, eine Antriebswellen-Konstruktion der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Vorrichtung, über die die Verbindung zwischen der aus. faserverstärktem Kunststoff bestehenden Welle und dem Joch eines Kardangelenkes hergestellt wird, kompakt und relativ kostengünstig ist.

Eine andere Autgabe, die sich die Erfindung stellt, besteht darin, eine Antriebswellen-Kosntruktion zu schaffen, die relativ leicht dynamisch ausgewuchtet werden kann.

Eine wiederum andere Aufgabe, die sich die Erfindung stellt, besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine akzeptable Antriebswellen-Konstruktion, zu der eine aus faserverstärktem Kunststoff bestehende Welle gehört, hergestellt werden kann.

Die Erfindung stellt sich ebenfalls die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art für die Herstellung einer Antriebswellen-Konstruktion zu schaffen,bei dem die aus Metall bestehende Vorrich-

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tung, welche die Verbindung zum Joch des Kardangelenkes herbeizuführen hat, bereits bei der Herstellung des aus faserverstärkten Kunststoff bestehenden Wellenteiles in diesen aus faserverstärkten Kunststoff bestehenden Wellenteil eingesetzt wird.

Diese und andere Aufgaben der Erfindung, desgleichen aber auch die mit der Lösung dieser Aufgaben verbundenen Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der TechnikjWerden in der nachstehend<beschriebenen Weise gelöst und beansprucht.

Zur Lösung der Aufgaben sieht die Erfindung eine aus faserverstärkten Kunststoff hergestellte Hohlwelle ivor, die eine radial nach innen gerichtete Fläche hat. Diese radial nach innen gerichtete Fläche der Welle umschließt die radial nach außen gerichtete Fläche - diese wird auch als Befestigungsvorrichtung/Verankerungsvorrichtung bezeichnet einer aus Metall bestehenden Buchse, die in jedem Ende der Welle angeordnet und dort eingesetzt ist. Vorzugsweise wird die aus faserverstärktem Kunststoff bestehende Welle durch Adhäsionswirkung zwischen der Matrix der faserverstärkten Kunststoffe und der Buchse verbunden. Die radial nach außen gerichtete Fläche einer jeden Buchse kann jedoch mit einer Befestigungsvorrichtung/Verankerungsvorrichtung versehen werden, durch die dann eine zusätzlich mechanische Haftung zwischen den einander gegenüber angeordneten und einander anliegenden Flächen der Welle und der Buchse erreicht wird.

Das Joch eines Kardangelenkes kann dadurch an der

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aus Metall bestehenden Buchse Defestigt werden, daß zwischen ihnen ein Übergangsglied durch Schweißen angebracht wird, und die fertige Antriebswellen-Konstruktion kan dadurch ausgewuchtet werden, daß man ringsum eine der Buchse oder ringsum beide Buchsen Ausgleichsgewichte anbringt.

Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung der einzigartigen und hervorragenden Antriebswellen-Konstruktion dieser Erfindung weist die nachstehend angeführten Einzelschritte auf:- den Anfangsschritt der Herstellung einer aus Metall bestehenden Buchse in der Form eines zylindrischen Ringes für jedes Ende der Welle;diese Buchsen werden in einem bestimmten Längsabstand zueinander auf den Dorn geschoben.

Ein faserverstärkter Kunststoff-Werkstoff wird auf den Dorn aufgebracht und zumindest auch über einen Teil der auf den Dorn aufgeschobenen Buchsen, dann wird das faserverstärkte Kunststoffmaterial ausgehärtet/vulkanisiert. Eine Alternative dieses Verfahrens sieht vor,' daß der Dorn als Einwegdorn in der Welle verbleibt, während eine zweite Alternativform vorsieht, daß nach dem Aushärten/Vulkanisieren des faserverstärkten Kunststoffes der Dorn entfernt wird.

In jedem dieser Fälle aber kann nach dem Aushärten/ Vulkanisieren des faserverstärkten Kunststoffmaterials das Joch eines Kardangelenkes an der Buchse befestigt werden, kann darüber hinaus auch noch die fertige Antriebswellen-Konstruktion ausgewuch-

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tet werden.

Zwei Alternativausführungen einer Antriebswellen-Konstruktion werden zusammen mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung, desgleichen auch zusammen mit dem bevorzugten Herstellungsverfahren und einem alternativen Herstellungsverfahren als Beispiele in der Zeichnung dargestellt und in der Patentbeschreibung näher erläutert,ohne daß dabei alle möglichen Varianten dargestellt und beschrieben werden können. Die Erfindung soll an den beiliegenden Patentansprüchen gemessen werden, und nicht an den Details in der Patentbeschreibung.

Gegenstand dieser hrfindung sind somit eine Antriebswellen-Konstruktion mit einer Welle aus faserverstärktem' Kunststoff und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Antriebswellen-Konstruktion. Zur Antriebswellen-Konstruktion gehören:- ein aus faserverstärktem Kunststoff bestehender Hohlwellenteil, in dessen Enden jeweils eine aus Metall bestehende Buchse eingesetzt ist; Verankerungsvorrichtungen an der radial nach außen gerichteten Fläche einer jeden Buchse, diese sind mit der radial nach innen gerichteten Fläche des Wellenteiles verbunden, und zwar im wesentlichen durch die Adhäsion, die zwischen der faserverstärkten Kunststoffmatrix und den Verankerungsvorrichtungen gegeben ist, und, sollte eine zusätzliche Verbindung erforderlich sein, durch mechanische Verriegelung; das Joch eines Kardangelenkes wird an jeder Buchse befestigt. Zu dem Verfahren zur Herstellung der

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verbesserten Antriebswellen-Konstruktion gehören die nachstehend angeführten Einzelschritte:- das Aufschieben zweier Buchsen auf den Dorn und das Aufbringen des faserverstärkten Kunststoffmaterials auf den Dorn und über einen genügenden Teil einer jeden Buchse, damit deren Verankerungsvorrichtungc-ri eingekapselt werden; das Aushärten/Vulkanisieren des Kunststoffes und schließlich, wenn der Dorn einer erneuten Verwendung zugefüh.! werden soll, das Entfernen des Uornes, und zwar noch vor dem Anbringen des Kardangelenkjoches an jeder Buchse. Dann das dynamische Auswuchten der fertiggestellten Antriebswellen-Konstruktion durch Anbringen geeigneter Gewichte, die in der jeweils richtigen Position an der Buchse befestigt werden.

Diese Erfindung soll nachstehend nun anhand des in Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispieles (der in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele) näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in:-

Fig. 1 Eine zum Teil auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Antriebswellen-Konstruktion dieser Erfindung.

Fig. 2 Eine zum Teil weggebrochen dargestellte Seitenansicht der mit Fig. 1 wiedergegebenen Antriebswe Ilen-Konstruktion.

Fig. 3 Einen Längsschnitt, ähnlich dem in Fig. weggebrochen wiedergegebenen Teil, mit Darstellung einer AiternativausfUhrung, bei der das Joch eines Kardangelenkes an der aus faserverstärktem Kunststoff be-

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stehenden und mit Fig.l dargestellten Antriebswellen-Konstruktion.

Fig. 4 Eine vergrößerte Seitenansicht einer zylindrischen und ringförmigen Buchse von der Art, die in die Antriebsv/»1 len-Konstruktionen der zuvor angefü'hrten Fig. eingebaut ist.

Fig. 5 Die Seitenansicht zweier auf einen Einwegdorn aufgesetzter Buchsen. Diese Buchsen sind im Längsschnitt dargestellt.

Fig. 6 Die Seitenansicht einer Baugruppe bestehend aus einem Buchsenpaar, das auf einem wiederverwendbaren und zu entfernenden Dorn aufgeschoben ist. Diese Buchsen sind im Längsschnitt dargestellt.

Fig. 7 Eine Darstellung ähnlich Fig. 6. Gezeigt wird die vorerwähnte Baugruppe nach dem Aufbringen einer Schicht aus faserverstärktem Kunststoff. Diese Schicht aus faserverstärktem Kunststoff ist im Längschnitt dargestellt.

Fig. 8 Ein Flußdiagramm, das schematisch die einzelnen Arbeitsschritte bei der Herstellung einer kompletten Antriebswellen-Konstruktion dieser Erfindung unter Verwendung des Herstellungsverfahrens dieser trfindung erkennen läßt.

Die in der Zeichnung wiedergegebene Antriebswellen-Konstruktion dieser Erfindung ist mit der allgemeinen Hinweiszahl 10 gekennzeichnet. Der zu dieser

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Antriebswellen-Konstruktion 10 gehörende eigentliche Wellenteil 11 ist vorzugsweise als Hohlwelle ausgeführt und aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial 12 hergestellt.

Das Joch 13 eines Kardangelenkes 14 ist an jedem Ende des Wellenteiles 11 befestigt. Zu diesem Joch 13 gehört ein Basisteil 15, von dem aus die beiden Arme 16 und 18 in einem Seitenabstand zueinander nach außen geführt sind. In.die aufeinander ausgerichteten Bohrungen 19 und 20 der Arme 16 und 18 werden die Schwenkbolzen eingesetzt, durch die Kardanaufhängung 21 derart mit dem Joch 13 verbunden wird, daß sie sich drehen und schwenken kann. Ein zweites und ähnlich dem Joch 13 geformtes Jocn 22 macht ein repräsentatives Kardangelenk 14 vollständig.

In dem faserverstärkten Kunststoffmaterial 12 können Glasfasern, Graphitfasern oder andere Fasern, seien es natürliche Fasern oder synthetische Fasern, als Verstärkungsfasern eingesetzt werden.

Der Kunststoff wird immer im Hinblick auf die spezifischen Betriebsbedingungen, die er auszuhalten hat, in seinen Eigenschaften und seinem Verhalten ausgewählt.Er wird aber auch gewählt im Hinblick auf die Adhäsion, die er zwischen dem aus faserverstärktem Material bestehenden Wellenteil 11 und dem Teil der nachstehend noch zu beschreibenden Buchse 25 zu gewährleisten hat, welche von dem faserverstärkten Kunststoff-

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material eingekapselt wird. Zu den Kunstharzen, die sich für faserverstärkte Kunststoffmaterialien ganz allgemein eignen , gehören: die Polyester, die Vinylester und die Epoxydharze. Weitere Faktoren, die in Betracht gezogen müssen sind: die Viskosität, die Gelier-Zeit, die Festigkeit, die Moduli, das Schrumpfen nach Aushärtung/Vulkanisieren und die Kosten. Gewöhnliche Zuschlagstoffe von Kunstharzmischungen sind beispielsweise die Farbstoffe, die Katalysatoren und die Füllstoffe, und der Begriff Kunstharz, so weit er in diesem Zusammenhange verwendet wird, soll alle Stofggemische in sich einschließen, die such allgemein für faserverstärkte Kunstharzelemente eignen. Die zuvor genannten Kunstharze werden im allgemeinen in der Wärme ausgehärtet/vulkanisiert, wobei die Reaktion für gewähnlich eingeleitet wird im Temperaturbereich von 25O⁰F bis 28O⁰F (121⁰C bis 138⁰C). Weil es sich dabei aber um eine exotherme Reaktion handelt, kann die Temperatur bis über 40O⁰F (204 C) ansteigen. In diesem Zusammenhang sei jedoch darauf hingewiesen, daß sich die Temperaturbereiche je nach Art des gewählten Kunstharzes verändern und variieren. Sehr erwünscht und das muß ausdrücklich betont werden- ist das höchstmögliche Eindringen des Kunstharzes,und damit die größtmögliche Imprägnierung, in die Verstärkungsfasern.

Eine aus Metall bestehende Buchse 2b, die als zylindrischer Ring ausgeführt ist, wird an jedem

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Ende innerhalb des Wellenteiles Π befestigt. Die radial nach außen gerichte Fläche 26 der Buchse 25 kann mit einer mechanischen Verankerungsvorrichtung oder mit mehreren mechanischen Verankerungsvorrichtungen 28 versehen sein. So kann beispielsweise ein Teil der äußeren Umfangsfläche 26, die sich innerhalb der Welle 11 befindet eine andere Umfangsabmessung haben als der übrige Teil der Fläche der in dem Wellenteil 11 sitzenden Buchse. Dies ist verdeutlich mit der ringförmigen Rippe 29, deren Umfangsabmessungen - wie dies dargestellt ist -größer ist als die übrige Fläche des Außenumfanges 26 der Buchse 25.

Alternativ oder zusätzlich können in die Oberfläche der Buchse 25, d.h. in die Umfangsfjäche 26 der Buchse 25, Runzeln und Warzen eingestanzt oder eingeätzt sein, beispielsweise mehrere Erhebungen 30 und mehrer Vertiefungen 31, (wie dies in Fig. 4 dargestellt ist).

Jede dieser Ausfuhrungsmöglichkeiten oder beide dieser AusfUhrungsmöglichkeiten der Verankerungsvorrichtung 28 schaffen eine Konfiguration, mit der die radial nach innen gerichtete Fläche 32, die Innenumfangsflache 32, des Wellenteiles 11 mechanisch verbunden werden kann. Wie nachstehend noch näher zu erläutern sein wird, läßt sich die mechanische Verbindung zwischen dem Wellenteil und der Buchse 25 am besten während des Herstellungsprozesses bewerkstelligen. In diesem Zusammenhange sei jedoch ausdrücklich darauf hingewie-

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sen, daß man die Matrix oder die Zusammensetzung des Kunststoffes derart wählen kann, daß die Adhäsion zwischen dieser Matrix und der Buchse groß genug ist, um eine mechanische Verankerungsvorrichtung zu vermeiden.

Die radial gelegenen Außenkante eines Zwischengliedes oder ÜberbrUckungselementes 34 wird an der Buchse 25 mit der Schweißnaht 35 befestigt, während die radial innen gelegene Kante dieses Zwischengliedes oder überbriickungselementes 34 mit der Schweißnaht 38 an dem Joch 13 eines Kardangelenkes 14 befestigt ist. Fig. 2 läßt nun am besten erkennen, daß dieses Zwischenglied 34 die Form eines flachen Ringes haben kann, oder nach Fig. 3 die Form eines konischen Ringes 34A, der auch ein Jochspiel mit kleineren Durchmesser zuläßt, falls dies erforderlich sein sollte.

Wird nun die Buchse 25 derart angeordnet, daß ein Teil 41 in Längsrichtung aus dem Wellenteil 11 herausgeführt ist, dann ist die Buchse 25 zum Anlegen der Schweißnaht 35 nicht nur gut zugänglich, dann bietet dieser Endteil 41 auch eine Hache, an der die zum Auswuchten bestimmten Ausgleichsgewichte 42 bequem und leicht befestigt werden können, auch hier durch eine Schweißung 43 oder durch sonst ein dafür geeignetes Befestigungsverfahren.

Fig. 8 zeigt ein Flußdiagramm mit Darstellung der für die Herstellung der verbesserten Antriebswellen-Konstruktion erforderlichen Einzel-

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scnritte ist in Fig. 8 dargestellt. Anhand dieses Flußdiagrammes und anhand der Darstellungen in Fig. 5 bis Fig. 7 ist zu erkennen, daß zwei Buchsen 25, die jeweils die Form eines Ringes haben, vorgesehen sind. Auf der Außenumfangsflache 26 der Buchse ZS können eine Verankerungsvorrichtung 28 oder mehrere der Verankerungsvorrichtungen 28 eingearbeitet sein. Zwei Ausführungsformen der Verankerungsvorrichtungen 28 sind in Fig. 4 dargestellt:- einmal die ringförmige Rippe Z9 und zum anderen ein Muster von Erhebungen 30 und Vertiefungen 31, die der Fläche 26 eine irgendwie runzlige Form geben.

Die Buchsen 25 werden in einem Längsabstand zueinander, der von der Länge der jeweils gewünschten fertigen Antriebswellen-Konstruktion vorgegeben ist, angegordnet und auf einen Dorn 4b geschoben. Der Dorn 45A aus Fig. 5 kann ein Einwegdorn sein und wird schließlich zu einem mit der Welle integralen Kern, oder aber der Dorn 45 kann wieder herausgezogen und entfernt werden, wie dies mit F1g. 6 und Fig. 7 dargestellt ist. Ein Dorn,der wieder entfernt werden soll, sollte nach Möglichkeit eine ganz leichte Konizitat haben, die das Entfernen und Herausnehmen des Domes aus der Antriebswellen-Konstruktion erleichtern würde. Aber aucn ein Dorn, der sich zusammenklappen " läßt, kann sicherlich Verwendung finden, und zwar in solchen Situationen, 1n denen sogar eine'leichte Konizität als nicht wünschenswert betrachtet werden würde.

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Sollte die verwendung des verbrauchbaren Einwegdor· nes 45a gewählt werden, so kann dieser Dorn aus jedem gewünschten Material besteht, beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoff, aus Schaumkunststoffe, oder aber als ein dlinnwadiges Metallrohr.

Das Auftragen des faserverstärkten Kunststoffmaterials kann auf verschiedene Weise erfolgen. Das bedeutet:- die Fasern können in Form von Einzelfasern gehalten sein, in Form von Fasermattern, in Form von Faserbändern oder in Form von Fasertüchern, die alle kunststoffimprägniert sind. Eine sehr geeignete Vorrichtung und ein sehr geeignetes und akzeptables Verfahren zum Aufbringen der kunststoff imprägnierten Fasern ist in meiner sachzusammenhSngenden Patentanmeldung Nr. 720.907, die am 7.' September 1976 eingereicht worden ist, dargestellt und beschrieben. Fig. 6 zeigt den Dorn 45 mit den Buchsen 25, die auf ihm aufgeschoben sind, noch vor dem Aufbringen des faserverstärkten Kunststoffes, wohingegen Fig. 7 die gleiche Baugruppe nach dem Aufbringen des faserverstärkten Kunststof- fts zeigt.

Die Wahl der bestimmten Faserart mag ganz gut davon abhängen, welche Belastung für die fertige Antriebswellen-Konstruktion zu erwarten ist, mit welchen Drehzahlen die fertige Antriebswellen-Kpnstruktion zu arbeiten hat und wieviel die fertige Antriebswellen-Konstruktion wiegt. Zwei Faserwerkstoffe, die für die zu erwartende Verwendung typisch sind, sind die Glasfasern und die

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Graphitfäsetn, entweder jeweils tür sich allein oder in Kombination miteinander.

Ganz unabhängig von den jeweils verwendeten Verstärkungsfasern, wird das Matrix-Kunstharz, werden die kunststoffimpragnierten Fasern mit der Konfiguration der nach außen ausgerichteten Umfangstläche 26 der Buchse 25 übereinstimmen, so daß dann, wenn das Kunstharz ausgehärtet/vulkanisiert ist, eine Verbindung hergestellt worden ist, die in der Tat die Buchsen 25 mit dem Wellenteil 11 in integraler Weise verbindet.

Nach dem Aushärten/Vulkanisieren des faserverstärkten Kunststoffes, wird der Dorn 45, wenn er als herausnehmbarer und wiederverwendbarer Dorn konzipiert ist, aus der Antriebswellen-Konstruktion entfernt. Dann wird das Joch 13 an jeder Buchse befestigt. Das Joch 13 kann an dem Zwischenglied 34 befestigt werden, entweder noch vor dem Anbringen dieses Zwischengliedes an der Buchse 25,oder aber nach dem Anbringen des Zwischengliedes 34 an der Buchse 25. Die derart fertiggestellte Antriebswellen-Konstruktion 10 wird dadurch dynmaisch ausgewuchtet, daß die erforderlichen Ausgleichsgewichte 42 ringsum den Endteil 41 von einer Buchse 25 oder von beiden Buchsen 25 angeordnet und montiert werden.

Nun dürfte klar sein, daß eine Antriebswellen-Konstruktion dieser Erfindung, welche unter Anwendung des Herstellungsverfahrens nach dieser Erfindung hergestellt worden ist, die nachstehend

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genannten Vorteile bietet:- ein besseres Verhalten im Hinblick auf die kritische Drehzahl; eine leichte und wirksame Verbindung zwischen dem aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Wellenteil und dem aus Metall bestehenden Joch eines Kardangelenkes, und dies in Erfüllung der anderen Zielsetzungen dieser trfindung.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÜLLER · C. GTfCSSt · :r PCLLMEIEP 22 NACHGEHgliCHTJ Antri ebswel1en-Konstruktion und Verfahren zu deren Hersii1Tuηg Patentansprüche:-

1. Antriebswellen-Konstruktion, dadurch gekennzeichnet, daß zu ihr ein aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehender Hohlwellenteil gehört; daß daß eine metallische Buchse, die die Formeines zylindrischen Ringes hat, in mindestens einem Ende der vorerwähnten Welle sitzt; daß diese Buchse eine radial nach außen gerichtete Fläche hat; daß der zuvor angeführte Wellenteil sachgerecht und normgerecht an der vorerwähnten und radial nach außen qerichten Fläche befestigt ist; daß schließlich das Joch eines Kardangelenkes an der vorerwähnten Buchse angebracht wird.

2. Antriebswellen-Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß ein Teil der in dem vorerwähnten und aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehenden Hohlwellenteil angeordneten und radial nach außen gerichteten Buchsenfläche andere Radialabmessungen hat als der übrige Teil der in dem Hohlwellenteil angeordneten und radial nach außen gerichteten Buchsenfläche, und zwar derart, daß dadurch eine Verankerungsvorrichtung geschaffen wird.

3. Antriebswellen-Konstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß zu dem aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehenden Hohlwellenteil eine nach innen gerichtete Fläche gehört; daß schließlich diese nach innen gerichtete Fläche in Übereinstimmung mit der darin angeordneten und radial nach außen gerichteten Buchsenfläche ausgeführt ist.

4. Antriebswellen-Konstruktion nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verankerungsvorrichtung oder Befestigungsvorrichtung in der Form einer ringförmigen Rippe radial derart nach außen geführt ist, daß sie paßgenau in eine radial nach innen gerichtete Fläche des aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehenden vorerwähnten Hohlwellenteiles eingreift.

5. Antriebswellen-Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial nach außen ausgerichtete Fläche der vorerwähnten Buchse mit Runzeln versehen ist, die eine Befestigungsvorrichtung bilden; daß schließlich der aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehende Hohlwellenteil eine radial nach innen ausgerichtete Fläche hat, die sich mechanisch an die Runzelform der Befestigungsvorrichtung anlegt.

6. Antriebswellen-Konstruktion nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Rippe von der voerwähnten Buchse aus derart radial nach außen geführt ist, daß dadurch ein Teil der vorerwähnten

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Befestigungsvorrichtung/Verankerungsvorrichtung entsteht, die sich paßgenau an die radial nach innen ausgerichtete Fläche des aus glasfaserverstärkten Kunststoff hergestellten Hohlwellenteiles anlegt.

7. Antriebswellen-Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der vorerwähnten Buchse Ausgleichsgewichte befestigt sind.

8. Antriebswellen-Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch eines Kardangelenkes mit Hilfe eines Zwischengliedes an der vorerwähnten Buchse befestigt wird.

9. Antriebswellen-Konstruktion nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem zuvor angesprochenen Zwischenglied um einen Kreisring handelt.

"10. Antriebswellen-Konstruktion nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das vorerwähnte Zwischenglied als ein konischer Ring ausgeführt ist.

11. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle, dadurch gekennzeichnet, daß. zu ihm die nachstehend angeführten Einzelschritte gehören:- Herstel lung^'Älf^uchse, die die Form eines zylindrisehe η Ringes hat; Aufbringen dieser Buchse auf einen Dorn; Auftragen einer glasfaserverstärkten Kunststoffbeschichtung auf mindestens einen Teil einer

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jeden dieser Buchsen; Aushärten des vorerwähnten glasfaserverstärkten Kunststoffes und das Anbringen des Joches des Kardangelenkes an die bereits angeführte Buchse.

12. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle, nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß es noch den weiteren Arbeitsschritt des Herstellens einer radial ausgerichteten Rippe und des Auftragens des diese Rippe umgebenden glasfaserverstärkten Kunststoffes in sich einschließt.

13. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle, dieses Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu ihm die nachstehenden Einzelschritte gehören:- das Runzligmachen der zur Buchse gehörenden radial nach außen ausgerichteten Fläche; schließlich auch noch das Aufbringen einer Schicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff, und zwar derart, daß diese Kunststoffschicht zumindest einen Teil der mit Runzeln versehenen Fläche einschließt.

14. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle, nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß zu ihm noch die nachstehend angeführten Einzelschritte gehören:- das Entfernen des Domes, was noch vor dem Anbringen des Kardangelenkjoches an die Buchse erfolgt.

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15. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle, nach Anspruch 1 1,

dadurch gekennzeichnet, daß zu ihm noch der Arbeitsvorgang des Auswuchtens der Antriebswellen-Konstruktion gehört.

16. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle, nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß zu diesem Verfahren noch die nachstehend angeführten Einzelschritte gehören:- das Herstellen einer Radialrippe an der Buchse; das Runzligmachen der radial nach außen ausgerichteten Fläche der Buchse; das Auftragen von glasfaserverstärktem Kunststoff, und zwar derart, daß mindestens ein Teil der runzliggemachten Fläche vom glasfaserverstärkten Kunststoff eingeschlossen ist; schließlich auch noch das Auswuchten der fertigen Antriebswellen-Konstruktion.

17. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle, nach Anspruch 16,-

dadurch gekennzeichnet, daß zu ihm noch folgender Einzelschritt gehört: das Entfernen des Domes noch vor dem Anbringen des Kardangelenkjoches an die Buchse.

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