DE2911238A1

DE2911238A1 - Faserverstaerkte, zusammengesetzte hohlwelle mit metallischen anschlusshuelsen und verfahren zu ihrer herstellung (ii)

Info

Publication number: DE2911238A1
Application number: DE19792911238
Authority: DE
Inventors: John C Presta; Derek N Yates
Original assignee: Celanese Corp
Current assignee: Celanese Corp
Priority date: 1978-03-27
Filing date: 1979-03-22
Publication date: 1979-10-11
Also published as: FR2421060A1; JPS54131685A; GB2017567B; US4185472A; FR2421060B1; GB2017567A

Description

Faserverstärkte, zusammengesetzte Hohlwelle mit metallischen Anschlußhülsen und Verfahren zu ihrer Herstellung(II),

Die Erfindung betrifft faserverstärkte, zusammengesetzte ₍ Wellen und insbesondere Antriebswellen für Fahrzeuge, die

einen faserverstärkten, aus Harz bestehenden Wellenkörper ■ mit an seinen Enden befestigten Kupplungshülsen aufweisen, j

Die US-PSen 2 882 072 und 3 661 670 beschreiben rohrförmige faserverstärkte Verbundteile. In der letztgenannten j Patentschrift wird beispielsweise beschrieben, derartige Verbundteile aus einem mit Glasfasern verstärkten Harz- ' material herzustellen. Im einzelnen werden Filamente, j die ein nicht-ausgehärtetes Harzmaterial, d.h. ein ungehärtetes hitzehärtbares Harz tragen, um einen Dorn herum- ! gewickelt, bis die gewünschte Dicke erreicht worden ist. ι Die verstärkenden Fasern können innerhalb der Wand des rohrförmigen Verbundteils in verschiedenen Winkelbeziehun- ' gen zueinander angeordnet sein. Anschließend wird das Harzmaterial ausgehärtet, d.h. gehärtet oder vernetzt. Ein vorgeformtes, mit Gewinde versehenes Endteil kann ] an den Enden des rohrförmigen Verbundteils befestigt werden, beispielsweise durch unmittelbares Herumwickeln der Filamente um das Endteil herum während des Wickelprozesses.

Neuerdings ist die Herstellung von Fahrzeugantriebswellen aus rohrförmigen, faserverstärkten Verbundteilen beschrieben worden, und zwar in der US-PS 4 041 599 und der ver-

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öffentlichten japanischen Patentanmeldung 52-127542. Gemäß dieser japanischen Patentanmeldung werden Filamente, die ein nicht-ausgehärtetes Harzmaterial, beispielsweise ein nicht-gehärtetes bzw. nicht-vernetztes hitzehärtbares Harz tragen, um einen Dorn herumgewickelt, bis die gewünschte Dicke erreicht worden ist, worauf das Harzmaterial gehärtet wird. Zonen oder Schichten sind in einer dort beschriebenen bestimmten Winkelbeziehung zueinander umfangsmäßig innerhalb der Wand der Welle angeordnet. Die US-PS ; 4 041 599 beschreibt die Befestigung einer mit Kohlenstoff asern verstärkten, epoxyharzhaltigen Antriebswelle unmittelbar an einen Universalgelenkansatz mittels einer bestimmten Verbindungsmethode.

Faserverstärkte, zusammengesetzte Wellen besitzen Vorteile ι gegenüber metallischen Wellen; denn sie sind leichter im Gewicht, beständiger gegen Korrosion, haltbarer und indifferenter. In der Patentanmeldung der Anmelderin vom

gleichen Tage P (entsprechend US-Serial No.

89Ο 232 vom 27. März 1978), auf die hier Bezug genommen wird, wird eine faserverstärkte, zusammengesetzte Antriebswelle beschrieben, die verbesserte Gebrauchseigenschaften sowie die erforderliche Festigkeit und Haltbar- ! keit aufweist, um den unterschiedlichen Belastungen, die j während des Betriebs des Fahrzeuges auftreten, gewachsen zu sein.

Da das direkte Schweißen oder Kleben einer aus Harz bestehenden Welle an Metall normalerweise keine ausreichend ! feste und dauerhafte Verbindung auf einer beständigen und ; betriebssicheren Grundlage hervorbringt, wird durch die Verwendung metallischer Anschlußhülsen an den Enden der Welle in Übereinstimmung mit dem Grundgedanken der vorlie-j genden Erfindung ein Mittel zur Verfügung gestellt, um j eine sichere Schweißverbindung ähnlich der bei herkömm- I liehen metallischen Wellen zu schaffen. Die hohen Dreh-

momentbelastungen, die durch eine Fahrzeugantriebswelle

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übertragen werden, erfordern die Herstellung einer extrem j starken und dauerhaften drehmomentübertragenden Verbindung zwischen den Hülsen und dem Wellenkörper. Frühere Vorschläge zur Befestigung der Hülsen unter Verwendung von Klebern oder durch Herumwickeln der Filamentbündel um umfangsmäßig angeordnete Nuten an der Hülsenaußenfläche können hier nicht herangezogen werden, um eine Verbindung der erforderlichen Festigkeit und Dauerhaftigkeit zu gewährleisten.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine neue, faserverstärkte Welle auf Harzbasis zur Verfügung zu stellen, die Probleme der obengenannten Art auf ein Mindestmaß verringert oder verhütet und geeignet ist, zur Verwendung als Antriebswelle in Kraftleitungen für Fahrzeuge. Außerdem sollten neue Verfahren und Vorrichtungen geschaf- ^: fen werden, mit denen metallische Anschlußhülsen an den Enden der faserverstärkten, aus Harz bestehenden Wellen so befestigt werden können, daß die Wellen imstande sind, hohe Drehkräfte zu übertragen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Metall-' hülse auf einem Abschnitt eines Dorns aufgeformt und ein nicht-ausgehärtetes Harzmaterial tragendes Fasermaterial auf den Dorn und die Außenfläche der Hülse aufgebracht. ; Stifte werden dann einwärts durch dieses zuvor aufgebrach- j te Fasermaterial hindurch und in die Hülse eingeführt und Stiftbefestigungsmittel um die äußeren Enden der Stifte herum auf der Außenseite des zuvor aufgebrachten Fasermaterials angebracht, worauf das Harzmaterial in dem die Stifte umschließenden Fasermaterial und den Öffnungen unter Ausbildung einer drehmomentübertragenden Verbindung zwischen Metallhülse und Fasermaterial ausgehärtet und der Dorn entfernt wird.

Die Erfindung wird hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile durch die nachstehende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert, wo-

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bei in diesen Zeichnungen gleiche Bezugsziffern gleiche Bauteile kennzeichnen.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Endes einer faserverstärkten, zusammengesetzten Welle gemäß der Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch diese Welle längs der Linie 2-2 von Fig. 1;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilansicht des in Fig. 2 gezeigten Querschnittes;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines drehmomentübertragenden Teiles gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ist eine längsgeschnittene Teilansicht des drehmomentübertragenden Mechanismus, und

Fig. 6, 7 und 8 sind längsgeschnittene Teilansichten der Welle während unterschiedlicher Fabrikationsstufen.

Im einzelnen weist eine Welle 10 gemäß der Erfindung einen faserverstärkten Wellenkörper 12 zylindrischen Querschnittes auf, und eine metallische Anschlußhülse 14 ist vorzugsweise an jedem Ende des Wellenkörpers angeordnet. Die Anschlußhülse 14 ist im allgemeinen zylindrisch und aus einem geeigneten Metall,beispielsweise aus Stahl oder Aluminium, geformt. Die Hülse weist eine innere Ringfläche 16 konstanten Durchmessers auf, die im wesentlichen eng an einer inneren Fläche 18 des Wellenkörpers, die in Längsrichtung einwärts angeordnet ist, anliegt, wie aus Fig. 8 zu erkennen ist.

Das innere Ende 20 der Hülse 14 ist sowohl längs als auch radial einwärts bei 22 abgeschrägt (Fig. 5), wodurch eine scharfe Kante 24 gebildet wird für die Aufnahme von Windungen des verstärkten Harzmaterials, wie erläutert

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werden wird.

Die Hülse enthält eine Vielzahl von vorgeformten Öffnungen 26 (Fig. 1 und 5), die vorzugsweise in umfangsmäßig angeordneten Längsreihen 28 ausgerichtet sind, wobei die Reihen um 90° versetzt angeordnet sind. Selbstverständlich sind gegebenenfalls auch andere Anordnungen der Öffnungen möglich.

Im Verlaufe der Herstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Welle wird ein Paar von Anschlußhülsen auf einem , Dorn 30 in Längsrichtung zueinander angeordnet. Die Hülsen umschließen den Dorn 30 etwa bündig, aber lose genug, um davon entfernt werden zu können. Ein geeignetes Kiemmittel ■ hält die Hülsen 14 an ihrem Platz. Der Dorn ist mit einem ', Trennmittel beschichtet, um das Anhaften von Harz oder Kleber am Dorn zu verhindern. Der Wellenkörper 12 wird ί dann um den Dorn und die Hülse herum aufgebaut.

Der Aufbau des Wellenkörpers 12 erfolgt vorzugsweise in \ einer Art und Weise, die ausführlicher in der oben erwähn- : ten gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung beschrie- > ben ist. Kurz gesagt werden Schichten eines faserverstärk- j ten, harzimprägnierten Materials aufgebracht, vorzugsweise in Form von Bündeln im wesentlichen paralleler Endlosfilamente, die ein nicht-ausgehärtetes, d.h. flüssiges, j weiches und klebriges oder geschmolzenes Harzmaterial | tragen. Die Filamentbündel können in ein ungehärtetes | flüssiges hitzehärtbares Harz, beispielsweise ein Epoxyharz , eingetaucht, und dann rund um den Dorn in mehreren Windungen gewickelt werden, bis eine Schicht der gewünschten Dicke ausgebildet ist. Bezüglich weiterer Einzelheiten betreffend mögliche Vorrichtungen zum Anklemmen der Hülsen und Aufwickeln der Filamentbündel wird verwiesen auf die US-PSen 3 661 670, 3 202 569 und 3 231 442, auf die hier Bezug genommen wird.

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Die hier verwendete Bezeichnung "Schicht" kennzeichnet j einen Umfangsbereich in der Wand der rohrförmigen Antriebswelle, 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 ί einzige Schicht kann eine Mehrfachorientierung oder einen
Mehrfachaufbau der Faserverstärkung in einer gegebenen
Konfiguration aufweisen. Der Ausdruck "Schicht" umfaßt i eine Orientierung, bei der die darin befindliche Faser- j verstärkung beidseitig ( + ) eines gegebenen Winkels angeordnet ist, die beliebig in mehreren Schritten aufgebaut ; sein kann. ·

Die Fasern verstärken die hitzegehärtete Harzmatrix und ,

5 verleihen der Welle die erforderlichen Eigenschaften be- ; züglich Festigkeit und Haltbarkeit. In dieser Beziehung
sind Glasfasermaterialien, beispielsweise aus Ε-Glas oder

S-Glas, und Kohlenstoffasern, und zwar entweder amorphe :

oder graphitische Kohlenstoffasern bevorzugt. Die Kohlen- ,

stoffasern enthalten im allgemeinen mindestens 90 Gew.-%, !

vorzugsweise mindestens 95 Gew.-%, Kohlenstoff. Darüber j

hinaus haben bevorzugte Kohlenstoffasern einen Young-

2 '

Elastizitätsmodul von mindestens 172.375 N/mm , beispiels- j

2 '

weise von etwa 206.850 bis 413.700 N/mm . Die Lagen der :

Filamentbündel sind in verschiedener Richtung relativ zur I Längsachse der Antriebswelle aufgewickelt bzw. können in j unterschiedlicher Dicke aufgebracht sein. Vorzugsweise
ist eine Ausgangsschicht aus Glasfasern in einem Winkel
von +30 bis +50° zu einer Linie parallel zur Längsachse

der Welle angeordnet. Als nächstes ist eine Glasfaserschicht mit einem Winkel von 0 bis +15 aufgebracht, anschließend eine Kohlenstoffaserschicht in einem Winkel
von 0° bis +_15° und dann ist eine Glasfaserschicht in
einem Winkel von etwa +60° bis 90° angeordnet. Selbstver-

ständlich kann sowohl die Zahl und Zusammensetzung ^ der

Schichten als auch ihre Orientierung und Dicke variieren,

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und zwar in Abhängigkeit von den erwünschten Eigenschaften,, die der Welle verliehen werden sollen.

Neben der Anwendung des Filamentwickelns, beispielsweise des Naßwickeins oder des Wickeins mit Vorimprägnierung, können auch andere Rohrformverfahren zur Anwendung kommen, : beispielsweise Rohrwalzen, Bandwickeln oder Pultrusion. ■ In der Vorstufe werden vergleichsweise breite Abschnitte harzimprägnierter Bänder im Muster vorgeschnitten, der j Reihe nach geschichtet und auf den Dorn gewickelt. Nachdem . die Schichten aufgebracht worden sind, wird das nichtausgehärtete Harz gehärtet bzw. vernetzt. Im Hinblick ■, hierauf kann das Harz selbsthärtend oder aber ein Harz ,

von der Art sein, daß unter der Einwirkung von Wärme und/ '

oder eines Härtungsmittels aushärtet bzw. vernetzt. ;

Beim Verfahren gemäß der Erfindung wird die Hülse (bzw. die Hülsen) 14 auf dem Dorn 30 so aufgeformt, daß die Rei- I hen der Öffnungen auf in Längsrichtung angeordneten, nach j außen offenen Schlitzen 24 in dem Dorn 30 ausgerichtet sind· Dann wird eine Ausgangsschicht 32 aus Glasfasern um den Dorn und die Hülsen mit einem Winkel von etwa +^45 herum- , gewickelt. Diese Schicht endet kurz vor dem äußersten Ende ■ der Hülse, so daß der Außenteil 36 der Hülse 14 frei bleibt;. Die öffnungen 26 werden umfangsmäßig durch diese Schicht , 32 abgedeckt. Dann wird eine Glasfaserschicht 40 unter <

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einem Winkel von etwa 0 um diese Schicht 32 herumgewickelt, worauf eine Schicht 42 aus Graphitfasern unter einem Winkel von etwa 0 um die Schicht 40 herumgewickelt wird, und schließlich wird eine Glasfaserschicht 44 unter einem Winkel von etwa 90 um die Schicht 42 herumgewickelt. Selbstverständlich kann jede Anzahl von Schichten aufgebracht werden, und zwar unter verschiedenen Winkeln und mit unterschiedlicher Dicke, in Abhängigkeit von den erwünschten Eigenschaften der Welle.

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Alsdann wird eine Vielzahl von drehmomentübertragenden Elementen durch das Fasermaterial und die Hülse 14 eingeführt. Die drehmomentübertragenden Elemente weisen Stifte 50 auf, vorzugsweise in Form zugeschärfter Metallspitzen, die an ihrem äußeren Ende in großen Basisplatten 52 befestigt sind. Die Platten 52 sind bogenförmig, und die Metallspitzen erstrecken sich von der konkaven Fläche 54 der Platte aus (Fig. 4). Vorzugsweise trägt jede Platte eine Vielzahl von Spitzen 50, die in Längsreihen angeordnet sind, in Relation zu der Reihe 28 der Öffnungen 26 in der Hülse 14.

Eine Reihe der Metallspitzen wird so über der äußersten Schicht 44 des Fasermaterials ausgerichtet, daß die Metallspitzen auf die Öffnungen 26 der Hülse 14 ausgerichtet sind, und dann radial einwärts eingepreßt, so daß sie die Schichten des Fasermaterials durchstoßen und in die öffnungen 26 eindringen. Die Spitzen 50 springen radial einwärts gegen die Öffnungen 26 vor und in die Schlitze 34 des Domes. Die Basisplatte 52 liegt an der äußersten Schicht 44 des Fasermaterials an und verhindert das Einwärtswandern der Stiftreihe.

Mehrere Stiftreihen werden in die entsprechenden Öffnungen 26 der Hülse 14 eingeführt, die zusammen mit den Platten 52 unter umfangsmäßigem Aneinanderstoßen ihrer Enden eine Manschette bilden, die sich um die äußerste Schicht des Fasermaterials herum erstreckt. Vorzugsweise sind vier Reihen von Stiften 50 vorgesehen, die mit der Platte 52 einen Bogen von 90 bilden, doch sind selbstverständlich, falls erwünscht, auch andere Anordnungen der Stifte möglieh.

Nachdem alle Stifte 50 richtig eingepreßt worden sind, wird eine die Stifte befestigende Schicht 60 eines ein nicht-ausgehärtetes Harz tragenden verstärkten Fasermaterial rund um die Platten 52 herum aufgebracht, um die

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Stifte 50 in ihrer Lage zu halten. Vorzugsweise erstreckt ! sich die Schicht 60 in Längsrichtung einwärts nur soweit j wie das innere Ende der Platten 52.

Anschließend wird das nicht-ausgehärtete Harz gehärtet bzw. vernetzt, um die Schichten miteinander unter Bildung eines eine Einheit darstellenden Verbundes zu verkleben, worauf die Welle vom Dorn entfernt wird. Die Entfernung der Stifte 50 vom Dorn wird durch die offenendigen Schlitze im Dorn 30 begünstigt.

Es ist zu erkennen, daß durch die oben beschriebene Wickel-j technik der Wellenkörper 12 und die Hülse 14 miteinander mechanisch fixiert werden. Die Stifte 50 verhindern eine Längsbewegung der Hülse relativ zum Wellenkörper 12 und sind imstande, hohe Drehmomentwerte zwischen Hülse und Wellenkörper zu übertragen. Eine Platzänderung der Stifte 50 wird durch die Basisplatten 52 verhindert, die ein radiales Einwärtswandern der Stifte begrenzen und durch die die Stifte fixierende Schicht 60 aus Fasermaterial, die die Basisplatten 52 umschließt und ein radiales Auswärtswandern der Stifte verhindert.

Die Hülsen 14 erleichtern den Anschluß der Welle an Metallteile, beispielsweise Metalljoche, in einer Fahrzeugkraftleitung, da ein unmittelbarer Schweißkontakt von Metall zu Metall möglich ist. Obwohl es nicht erforderlich ist, kann es erwünscht sein, ein Klebemittel zwischen Hülse 14 und Anfangsschicht 32 aus Fasermaterial aufzubringen, um zwischen diesen die Verbindung zu verstärken.

Obwohl die Idee der mechanischen Fixierung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem speziellen Wellenkörper beschrieben worden ist, kann dieser Vorschlag selbstverständlich auch verwirklicht werden allgemein bei zusammengesetzten Wellen, bei denen eine Faserverstärkung in einem Harz enthaltenden Matrixmaterial vorliegt.

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Leerseite

Claims

VON KREISLER SCHÖNWALD EISHOLD FUES

voNKREisLER keller selting ^WERNEgg 11238

PATENTANWÄLTE
Dr.-Ing. von Kreisler 11973

Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln

Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden

Dr. J. F. Fues, Köln

Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln

Dipl.-Chem, Carola Keller, Köln

Dipl.-Ing. G. Seifing, Köln

Dr. H-K. Werner, Köln

Ke/To.

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN T, 21. März 1979

CELANESE CORPORATION,

Avenue of the Americas, New York, N.Y. 10036 (V.St.A.)

Patentansprüche

( 1. (Faserverstärkte, zusammengesetzte Hohlwelle, gekennzeichnet durch'

(a) einen Wellenkörper (12) mit einer Vielzahl von aneinander haftenden Schichten eines ausgehärteten faserverstärkten Harzmaterials,

(b) eine in mindestens einem Ende des Wellenkörpers befestigte Metallhülse (14),

(c) eine Vielzahl sich durch mindestens eine der Schichten und die Hülse erstreckender, eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen Wellenkörper und Hülse herstellender Stifte (50) und

(d) Stiftbefestigungsmittel (60), die sich rund um das äußere Ende der Stifte auf der Außenseite von zuvor aufgebrachtem Fasermaterial erstrecken.

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Telefon: (0221) 131041 · Telex: 8882307 dopo d · Telegramm: Dompatent Köln

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2. Hohlwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte an ihren äußeren Enden befestigte große Platten (52) aufweisen und die Stiftbefestigungsmittel (60) um diese Platten herum angeordnet sind.
3. Hohlwelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (52) bogenförmig sind und mit ihren Enden umfangsmäßig aneinanderstoßen und die Stifte auf der konkaven Fläche angeordnet sind.
4. Hohlwelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (50) zugeschärfte Spitzen aufweisen.
5. Hohlwelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte (52) eine Vielzahl von in Längsreihen angeordneten spitzen Stiften (50) aufweist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallhülse auf einem Abschnitt eines Dorns aufgeformt und ein nichtausgehärtetes Harzmaterial tragendes Fasermaterial auf den Dorn und die Außenfläche der Hülse aufgebracht wird, Stifte einwärts durch dieses zuvor aufgebrachte Fasermaterial hindurch und in die Hülse eingeführt und Stiftbefestigungsmittel um die äußeren Enden der Stifte herum auf der Außenseite des zuvor aufgebrachten Fasermaterials angebracht werden, worauf das Harzmaterial in dem die

Stifte umschließenden Fasermaterial und den Öffnungen ! unter Ausbildung einer drehmomentübertragenden Verbindung zwischen Metallhülse und Fasermaterial ausgehärtet und der Dorn entfernt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

eine Metallhülse mit einer Vielzahl von Öffnungen, in die die Stifte eingeführt werden, verwendet wird.

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8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse verwendet wird, deren Öffnungen auf öffnun- i gen im Dorn ausgerichtet sind, und spitze Stifte durch das _; Fasermaterial hindurch und in die Öffnungen gepreßt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß . ein Dorn mit Öffnungen, deren Außenenden, in Längsrichtung gesehen, offen sind, verwendet wird. i
10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse verwendet wird, deren Öffnungen ^au-f Schlitze im Dorn ausgerichtet sind.
11. Verfahren nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, ^; daß an konkaven Flächen von bogenförmigen, mit ihren Enden umfangsmäßig aneinanderstoßenden Platten befestigte Stifte eingeführt werden und zusätzliches Fasermaterial um diese Platten herum aufgebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Platten mit in Längsreihen angeordneten Stiften verwendet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliches, nicht-ausgehärtetes Harzmaterial tragendes Fasermaterial um die äußeren Enden der Stifte j

herum aufgebracht wird. ₍
14. Verfahren nach Anspruch 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, j daß Befestigungsmittel für die Stifte um die Platten herum aufgebracht werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Befestigungsmittel zusätzliches, nicht-ausgehärtetes Harzmaterial tragendes Fasermaterial verwendet wird.

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