DE3139247A1 - Composite vehicle drive shaft dispensing with universal-joint shaft couplings - Google Patents
Composite vehicle drive shaft dispensing with universal-joint shaft couplingsInfo
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Abstract
Description
Kardangelenk-Wellenkupplungen entbehrlich machende Universal joint shaft couplings making dispensable
zusammengesetzte Fahrzeug-Antriebswelle Die vorliegende Erfindung betrifft Fahrzeug-Antriebswellen und insbesondere solche Antriebswellen, deren Enden durch starre Wellenkupplungen mit Komponenten der Antriebs strecke verbunden sind. composite vehicle drive shaft The present invention relates to vehicle drive shafts and more particularly to such drive shafts, the ends thereof are connected to components of the drive line by rigid shaft couplings.
Bei den derzeitigen Anstrengungen, die Kraftstoff-Ausnutzung von Fahrzeugen auf den höchstmöglichen Wert zu steigern, wird beträchtlicher Nachdruck auf eine Verminderung des Fahrzeug-Gewichts gelegt. Ein Ziel dieser Bemühungen um eine Gewichtsverminderung sind die Kardangelenk-Wellenkupplungen aus Stahl, die traditionell zur Verbindung der Enden der Antriebswelle mit ihren zugehörigen Komponenten der Kraftübertragungsstrecke verwendet werden. Beispielsweise ist bei einem Fahrzeug mit vorn liegendem Motor und Getriebe und einem Hinterachsantrieb das vordere Ende der Antriebswelle mittels eines Kardangelenks mit der Kraftabgabewelle des vorderen Getriebes verbunden, während das hintere Ende der Antriebswelle mittels eines Kardangelenks mit der Kraftaufnahmewelle des Hinterachs- oder Differentialgetriebes verbunden ist.With current efforts, the fuel economy of vehicles Increasing to the highest possible value becomes considerable emphasis on one Reduction of the vehicle weight. One goal of these weight loss efforts are the universal joint shaft couplings made of steel that are traditionally used to connect the ends of the drive shaft with their associated components of the power transmission line be used. For example, in a vehicle with a front engine and transmission and a rear axle drive means the front end of the drive shaft a universal joint connected to the power output shaft of the front transmission, while the rear end of the drive shaft by means of a universal joint with the power take-up shaft of the rear axle or differential gear is connected.
Kardangelenke werden verwendet, um eine schlechte Ausrichtung, z.B. eine seitliche Versetzung oder eine nicht-geradlinige Fluchtung, auszugleichen, die bei den durch die Antriebswelle verbundenen Komponenten der Antriebsstrecke auftreten kann. Sogar in den Fällen, in denen diese Komponenten, z.B. das vordere Getriebe oder das Differential, auf relativ unbewegliche Teile des Fahrzeugrahmens montiert sind, kann während der Montage des Fahrzeugs eine gewisse Fehlausrichtung vorkommen.Universal joints are used to correct bad alignment, e.g. to compensate for a lateral offset or a non-linear alignment, the components of the drive train connected by the drive shaft can occur. Even in those cases where these components, such as the front Transmission, or the differential, on relatively immobile parts of the vehicle frame may have some misalignment during assembly of the vehicle occurrence.
Es wäre erwünscht, das Fahrzeuggewicht dadurch zu erniedrigen, daß die Notwendigkeit von Kardangelenken in der Fahr- zeug-Antriebsstrecke beseitigt und das Gewicht der Antriebswelle selbst auf das mindestmögliche Maß herabgesetzt wird.It would be desirable to lower the vehicle weight by that the need for universal joints in driving tool drive train eliminated and the weight of the drive shaft itself reduced to the minimum possible will.
In mindestens einem Fahrzeug, z.B. in dem Modell 1979 des Porsche 928, werden keine Kardangelenke verwendet. In diesem Fahrzeug sind der Motor, der im Fahrzeugvorderteil angeordnet ist, und ein Getriebe, das im rückwärtigen Teil des Fahrzeugs eingebaut ist, nicht nur durch die Antriebswelle sondern auch durch ein starres äußeres Rohr verbunden, das als Gehäuse für die Antriebswellen-Baugruppe dient. Das äußere Rohr verhindert das Auftreten nennenswerter Versetzungen zwischen Motor und Getriebe und macht damit Kardangelenke in der Antriebswelle entbehrlich. Es wäre jedoch erwünscht, wenn man auch auf den Einbau eines solchen starren äußeren Rohres verzichten könnte.In at least one vehicle, e.g. in the 1979 model of the Porsche 928, cardan joints are not used. In this vehicle are the engine that is arranged in the front part of the vehicle, and a transmission in the rear part of the vehicle is installed, not only through the drive shaft but also through a rigid outer tube connected to act as the housing for the drive shaft assembly serves. The outer tube prevents significant dislocations between Motor and gearbox, making universal joints in the drive shaft unnecessary. However, it would be desirable to also consider installing such a rigid outer Rohres could do without.
Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung dieser Probleme durch den Einsatz einer mit Kohlenstoffasern verstärkten Welle als Antriebswelle. ellen von derartiger allgemeiner Beschaffenheit wurden bereits vorher zur Übertragung von Torsionskräften vorgeschlagen, wie aus den US-PSen 4 089 190 und 4 171 626 hervorgeht. Die vorliegende Erfindung zielt auf eine solche Welle ab, die die geräuschbezogenen Probleme auf das mindestmögliche Maß reduziert oder vollständig löst und Kardangelenke entbehrlich macht.The present invention provides a solution to these problems the use of a shaft reinforced with carbon fibers as the drive shaft. ellen of such general nature were previously for transfer of torsional forces as disclosed in U.S. Patents 4,089,190 and 4,171,626. The present invention aims at such a wave that the noise related Problems reduced to the minimum possible or completely solves and universal joints makes dispensable.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, das Gewicht von Fahrzeugen zu verringern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Kardangelenke an den Enden einer Fahrzeug-Antriebswelle entbehrlich zu machen. Hierzu sollte eine leichte, geräuscharme Antriebswelle verfügbar gemacht werden, die ohne Kardangelenke auskommt. Diese leichte Antriebswelle sollte aufgrund ihrer Beschaffenheit in der Lage sein, eine seitliche Versetzung und nichtgeradlinige Fluchtung einer Fahrzeug-Antriebswelle ohne die Verwendung von Kardangelenken auszugleichen. Schließlich sollte eine mit Kohlenstoff- und Glasfasern verstärkte Antriebswelle aus einem Harzgrundmaterial verfügbar gemacht werden, die zwischen den Komponenten einer Antriebsstrecke ein Drehmoment überträgt, ohne daß dazu Kardangelenke benötigt werden.The invention is therefore based on the object, the weight of Vehicles to decrease. Another object of the invention is universal joints to make dispensable at the ends of a vehicle drive shaft. To do this, a lightweight, low-noise drive shafts are made available that do not have cardan joints gets by. Due to its nature, this lightweight drive shaft should be in the Be able to offset and align a vehicle driveshaft laterally without to compensate for the use of universal joints. In the end should be a drive shaft reinforced with carbon and glass fibers made of a resin base material are made available between the components of a drive train Transmits torque without the need for universal joints.
Die Lösung dieser Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine umlaufende Antriebswelle zur Verwendung in einem Fahrzeug, das bauartbedingt eine Antriebsmaschine, ein Getriebe und eine Antriebsstrecke enthält, die die Antriebsmaschine und das Getriebe zum Zwecke der Übertragung eines Drehmoments zwischen beiden miteinander verbindet.The solution to this problem according to the present invention is one rotating drive shaft for use in a vehicle that has a The prime mover, a gearbox and a drive train contains the prime mover and the transmission for the purpose of transmitting torque between the two with each other connects.
Die Antriebsstrecke enthält eine Antriebswelle, deren erstes Ende starr mit einer Antriebskomponente der Antriebsstrecke verbunden ist und deren zweites Ende starr mit einer angetriebenen Komponente der Antriebs strecke verbunden ist. Die Antriebswelle besteht aus einer mit Kohlenstoffasern verstärkten rohrförmigen Antriebswelle, die eine Vielzahl von aneinander haftenden Schichten aus faserförmigem Verstärkungsmaterial, das in eine Harzyrundmasse eingebettet ist, enthält. Diese Schichten enthalten mindestens eine Schicht aus Kohlenstoffasern hoher Festigkeit, die in einem Winkel von + 400 bis + 50° relativ zu der Längsachse der Welle angeordnet sind. Die Gesamt-Dicke dieser Wicklung aus hochfesten Kohlenstoffasern liegt im Bereich von 0,51 bis 6,35 mm (0,020 bis 0,250 in).The drive line includes a drive shaft, the first end of which is rigidly connected to a drive component of the drive line and the second The end is rigidly connected to a driven component of the drive line. The drive shaft consists of a tubular shape reinforced with carbon fibers Drive shaft, which is a multitude of adherent layers of fibrous Reinforcement material embedded in a resin compound. These Layers contain at least one layer of high strength carbon fibers, which are arranged at an angle of + 400 to + 50 ° relative to the longitudinal axis of the shaft are. The total thickness of this high-strength carbon fiber winding is in Range from 0.51 to 6.35 mm (0.020 to 0.250 in).
Mindestens eine Schicht aus Glasfasern wird in einem Winkel von 0° bis + 150 relativ zu der Längsachse der Welle angeordnet, wobei die Gesamt-Dicke einer solchen Schicht aus Glasfasern Von 0,25 bis 2,54 mm (0,010 bis 0,100 in) beträgt. Mindestens eine Schicht aus Glasfasern wird in einem Winkel von + 750 bis 90° relativ zu der Längsachse der Welle angeordnet, wobei die Dicke dieser Schicht aus Glasfasern 0,13 bis 1,27 mm (0,005 bis 0,050 in) beträgt.At least one layer of fiberglass is at an angle of 0 ° to + 150 arranged relative to the longitudinal axis of the shaft, the total thickness such a layer of glass fibers is from 0.25 to 2.54 mm (0.010 to 0.100 in). At least one layer of fiberglass is at an angle of + 750 to 90 ° relative arranged to the longitudinal axis of the shaft, the thickness of this layer of glass fibers Is 0.13 to 1.27 mm (0.005 to 0.050 in).
Gegebenenfalls können die Schichten unter Bercksichtigung der Erfordernisse hinsichtlich der Befestigungen an den Enden der Antriebswelle noch ein oder mehrere Paare von Endstück-Wicklungen aus hochfesten Kohlenstoffasern enthalten, die an den Enden der Welle und in einem Winkel von + 750 bis 90" relativ zur Längsachse der Welle angeordnet sind.If necessary, the layers can be made taking into account the requirements with regard to the fastenings at the ends of the drive shaft, one or more Pairs of tail windings made from high strength carbon fibers are attached to the ends of the shaft and at an angle of + 750 to 90 "relative to the longitudinal axis the shaft are arranged.
Ebenfalls unter Berücksichtigung der Erfordernisse hinsichtlich der Befestigungen an den Enden der Antriebswelle können wahlweise die Schichten noch ein oder mehrere Paare von Endstück-Wicklungen aus hochfesten Kohlenstoffasern enthalten, die an den Enden der Welle und in einem Winkel von + 40° bis + 70" relativ zu der Längsachse der Welle angeordnet sind.Also taking into account the requirements regarding the Attachments at the ends of the drive shaft can optionally add the layers contain one or more pairs of tail windings made of high strength carbon fibers, those at the ends of the shaft and at an angle of + 40 ° to + 70 "relative to the Are arranged longitudinal axis of the shaft.
Die Erfindung wird im Hinblick auf weitere Vorteile und Merkmale durch die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen näher erläutert.The invention is carried out in view of further advantages and features the following description in conjunction with the attached drawings explained.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Antriebswelle gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 ist eine längsgeschnittene Teilansicht der Antriebswelle, und Fig. 3 ist eine Seitenansicht, die zeigt, wie die Antriebswelle in einem Fahrzeug eingebaut ist.Fig. 1 is a side view of a drive shaft according to the present invention Invention; Fig. 2 is a partial longitudinal sectional view of the drive shaft, and Fig. 3 is a side view showing how the drive shaft in a vehicle is built in.
Fig. 3 stellt ein Fahrzeug 10 dar, das einen Rahmen 12, eine Antriebsmaschine 14, ein mit der Antriebsmaschine verbundenes, vorn liegendes Getriebe 16 und ein im Heck befindliches Getriebe oder Differential 18 enthält, das mit einem angetriebenen Hinterrad 20 verbunden ist. Das vordere und das rückwärtige Getriebe 16 und 18 sind auf relativ unbewegliche Teile des Rahmens montiert, so daß sie im wesentlichen in fixierter Lage zu einander bleiben.FIG. 3 illustrates a vehicle 10 having a frame 12, a prime mover 14, a front gear 16 connected to the prime mover and a located in the rear gear or differential 18 contains, which is driven with a Rear wheel 20 is connected. The front and rear transmissions 16 and 18 are mounted on relatively immobile parts of the frame so that they are essentially stay in a fixed position to each other.
Zu dem vorderen Getriebe 16 gehört eine kraftabgebende Welle 22, und zu dem Differential gehört eine kraftaufnehmende Welle 24. Starr mit der Kraftabgabewelle 22 des vorderen Getriebes verbunden ist das vordere Ende einer Antriebswelle 26, die gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde. Das rückwärtige Ende der Antriebswelle 26 ist starr mit der Kraftaufnahmewelle 24 des Differentials 18 verbunden. Die starre Verbindung der Antriebswelle 26 mit der Kraftabgabewelle 22 des Frontgetriebes und der Kraftaufnahmewelle 24 des Differentialgetriebes wird statt der traditionellen Kardangelenke aus Stahl verwendet, wodurch das Gewicht des Fahrzeugs verringert wird.The front transmission 16 includes a power output shaft 22, and a force-receiving shaft 24 belongs to the differential. Rigid with the power output shaft 22 of the front gear is connected to the front end of a drive shaft 26, obtained in accordance with the present invention. The rear end of the drive shaft 26 is rigidly connected to the power take-up shaft 24 of the differential 18. The rigid Connection of the drive shaft 26 to the power output shaft 22 of the front transmission and the power take-up shaft 24 of the differential gear is instead of the traditional Cardan joints made of steel are used, which reduces the weight of the vehicle will.
Diese starre Verbindung kann durch jede geeignete Vorrichtung am vorderen und rückwärtigen Ende der Antriebswelle bewirkt werden, wie Kerbverzahnung der Wellen und/oder Flanschverbindungen. In der bevorzugten Ausführungsform werden eine innen-kerbverzahnte Welle 28 bzw. ein Flansch 30 als an dem vorderen bzw. rückwärtigen Ende der Antriebswelle angebracht offenbart. Die Kraftabgabewelle 22 des Frontgetriebes enthält eine Welle mit Außennut, in die die Verzahnung der Welle 28 am vorderen Ende der Antriebswelle eingreift, wodurch eine Verbindung hergestellt wird, die in bezug auf Biegebelastungen und Versetzungen starr ist, jedoch eine gewisse relative Vorwärts- und Rückwärtsbewegung zuläßt und sich dadurch geringen Änderungen der Länge der Antriebsstrecke anpaßt. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß der hierin verwendete Begriff "starr" eine Verbindung einbezieht, die eine gewisse relative Vorwärts- und Rückwärts-Bewegung erlaubt. Die Kraftaufnahmewelle 24 des Differentialgetriebes trägt in diesem Falle einen Flansch, der starr mit dem entsprechenden Flansch 30 am Heckende der Antriebswelle verbunden wird. Die kerbverzahnten Wellen und Flansche können aus jedem hierfür geeigneten haltbaren Material, wie Stahl oder Aluminium, gefertigt werden.This rigid connection can be made by any suitable device on the front and rear end of the drive shaft, such as serration of the shafts and / or flange connections. In the preferred embodiment, an internally splined Shaft 28 or a flange 30 than at the front or rear end of the drive shaft attached disclosed. The power output shaft 22 of the front transmission includes a shaft with an outer groove in which the toothing of the shaft 28 at the front end of the drive shaft engages, whereby a connection is established with respect to bending loads and dislocations is rigid, but with some relative forward and backward movement allows and adapts to small changes in the length of the drive line. In this context, it should be noted that the term used herein "Rigid" includes a link that has some relative forward and backward movement permitted. The force take-up shaft 24 of the differential gear carries in this case a flange that is rigidly connected to the corresponding flange 30 at the rear end of the drive shaft is connected. The splined shafts and flanges can be made from any one for this suitable durable material such as steel or aluminum.
Die Antriebswelle besteht aus einer mit Kohlenstoffasern verstärkten, zusammengesetzten röhrenförmigen Antriebswelle oder Verbundhohlwelle, die eine Vielzahl von aneinander haftenden Schichten aus einem faserförmigen Verstärkungsmaterial eingebettet in eine Harzgrundmasse enthält.The drive shaft consists of a carbon fiber reinforced composite tubular drive shaft or composite hollow shaft containing a variety of adhering layers of fibrous reinforcing material embedded in a resin base.
Die Anordnung der Fasern innerhalb dieser Welle ist eine solche, daß sie die erforderliche Torsionsfestigkeit (Verdrehsteifigkeit) ebenso gewährleistet wie eine genügend niedrige Biegesteifigkeit, so daß auf Kardangelenke verzichtet werden kann, ohne daß dadurch von Fluchtungsfehlern zwischen den Kraftabgabe- und Kraftaufnahmeenden der Welle herrührende hohe Belastungen auftreten.The arrangement of the fibers within this shaft is such that it also ensures the required torsional strength (torsional stiffness) such as a sufficiently low bending stiffness, so that cardan joints are dispensed with can be without causing misalignment between the power output and Force-absorbing ends of the shaft resulting from high loads occur.
Die als faserförmiges Verstärkungsmaterial verwendeten Kohlenstoffasern enthalten mindestens 90 Gewichts-% Kohlenstoff (z.B. mindestens 95 Gewichts-% Kohlenstoff) und können entweder von amorpher oder graphitischer Beschaffenheit sein. Für die Verwendung bevorzugt werden sogenannte "hochfeste" (high strength") Kohlenstoffasern, im Gegensatz zu "Hochmodul'-Kohlenstoffasern (high-modulus carbon fibers). Solche hochfesten Kohlenstoffasern sind allgemein als Multifilament-Bündel aus im wesentlichen parallelen fortlaufenden Einzel fäden erhältlich und besitzen eine Zugfestigkeit im Bereich von 2 620 N/mm2 bis 3 034 N/mm2. Derartige Filamente besitzen im allgemeinen einen Einzeltiter von 0,56 bis 2,22 dtex und einen Young-Elastizitätsmodul von mindestens 172 375 N/mm2 (25 000 000 psi) (z.B. etwa 206 850 bis 448 175 N/mm2 (30 000 000 bis 65 000 000 psi)). Der Young-Elastizitätsmodul kann nach dem Verfahren der ASTM-D-2101-64T bestimmt werden. Derartige'Kohlenstoffasern sind im Handel erhältlich (z.B. unter der Bezeichnung Celion 6000 von der Celanese Co.) und können nach bekannten Verfahrensweisen durch thermische Behandlung einer Reihe von polymeren Fasermaterialien gewonnen werden. Bevorzugte Kohlenstoff- fasern werden aus einer Ausgangsfaser auf Acrylbasis erhalten; hierzu wird auf die US-PSen 3 775 520, 3 900 556 und 3 954 950 Bezug genommen. Die Kohlenstoffasern werden im Anschluß an ihre Bildung bevorzugt oberflächenbehandelt, um ihr Haftvermögen an einem Harzgrundmaterial zu verbessern. Typische Verfahren zur Modifizierung der Oberflächencharakteristiken eines kohlenstoffhaltigen Fasermaterials zur Verbesserung der Haftung auf einem Harzgrundmaterial werden in den US-PSen 3 723 150, 3 723 607, 3 745 104, 3 762 941, 3 767 774, 3 821 013, 3 894 884 und 3 859 187 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.The carbon fibers used as fibrous reinforcement material contain at least 90% by weight carbon (e.g. at least 95% by weight carbon) and can be either amorphous or graphitic in nature. For the Use preferred are so-called "high strength" carbon fibers, in contrast to high-modulus carbon fibers High strength carbon fibers are generally made up of essentially multifilament bundles parallel continuous single threads available and have a tensile strength in the range from 2 620 N / mm2 to 3 034 N / mm2. Such filaments generally have a single titer of 0.56 to 2.22 dtex and a Young's modulus of elasticity of at least 172 375 N / mm2 (25,000,000 psi) (e.g. about 206,850 to 448 175 N / mm2 (30,000,000 up to 65,000,000 psi)). The Young's modulus of elasticity can be determined according to the method of ASTM-D-2101-64T to be determined. Such carbon fibers are commercially available (e.g. under the designation Celion 6000 from Celanese Co.) and can according to known procedures obtained by thermal treatment of a number of polymeric fiber materials will. Preferred carbon fibers are made from a source fiber obtained on an acrylic basis; reference is made to U.S. Patents 3,775,520, 3,900,556 and 3 954 950 referenced. The carbon fibers are made following their formation preferably surface-treated to increase their adhesiveness to a resin base material to enhance. Typical methods for modifying the surface characteristics a carbonaceous fiber material to improve adhesion to a Resin base materials are disclosed in U.S. Patents 3,723,150, 3,723,607, 3,745,104, 3,762,941, 3,767,774, 3,821,013, 3,894,884, and 3,859,187, all of which are incorporated herein by reference will.
Die Glasfasern, die als Faserverstärkung dienen, sind üblicherweise ebenfalls in Form eines Multifilamentbündels aus im wesentlichen parallelen, endlosen Einzelfäden erhältlich und besitzen im allgemeinen einen Young-Elastizitätsmodul von 55 160 bis 82 740 N/mm2 (8 000 000 bis 12 000 000 psi). Typische Glasfasern, die verwendet werden können, sind im Handel unter den Bezeichnungen "E-Glas" und "S-Glas" erhältlich. Andere gleichwertige Fasern, etwa vollständig aromatische Polyamidfasern (z.B. Aramid-Fasern), können die Glasfaserbestandteile ganz oder teilweise ersetzen.The glass fibers that serve as fiber reinforcement are common also in the form of a multifilament bundle of essentially parallel, endless ones Single filaments are available and generally have a Young's modulus of elasticity from 55 160 to 82 740 N / mm2 (8,000,000 to 12,000,000 psi). Typical glass fibers, which can be used are commercially available under the names "E-Glass" and "S-glass" available. Other fibers of the same quality, such as fully aromatic polyamide fibers (e.g. aramid fibers) can completely or partially replace the glass fiber components.
Das Harzgrundmaterial, in das die Kohlenstoffasern und die Glasfasern eingebettet werden, wird so gewählt, daß es befähigt ist, die Betriebstemperatur der hergestellten zusammengesetzten Antriebswelle auszuhalten, und es kann entweder von wärmehärtbarer oder von thermoplastischer Beschaffenheit sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Harzgrundmaterial ein wärmehärtbares Harz, z.B. ein Epoxid-Harz, ein Phenolharz, ein Polyesterharz oder ein Polyimidharz. Das bevorzugte wärmehärtbare Harzgrundmaterial ist ein Epoxid-Harz.The resin base material into which the carbon fiber and the glass fiber are embedded, is chosen so that it is capable of operating temperature of the manufactured composite drive shaft, and it can either be of thermosetting or thermoplastic nature. In a preferred Embodiment of the invention, the resin base material is a thermosetting resin, e.g., an epoxy resin, a phenolic resin, a polyester resin or a polyimide resin. That preferred thermosetting resin base material is an epoxy resin.
Das als Harzgrundmaterial verwendete Epoxid-Harz kann durch Kondensation von Bisphenol A (4,4'-Isopropyliden-diphenol) und Epichlorhydrin hergestellt werden. Auch andere Polyole wie aliphatische Glycole und Novolak-Harze (z.B. Phenol-Formaldehyd-Harze), Säuren oder ihre aktiven Wasserstoff enthaltenden Verbindungen können mit Epichlorhydrin zur Herstellung von Epoxid-Harzen umgesetzt werden, die für die Verwendung als Harzgrundmaterial geeignet sind. Vorzugsweise werden Epoxid-Harze ausgewählt, die die erforderlichen Fließeigenschaften vor dem Vulkanisieren besitzen oder dahingehend modifiziert werden können. Zahlreiche reaktionsfähige Verdünnungsmittel oder Reglersubstanzen, die fähig sind, die Fließeigenschaften nicht-vulkanisierter Epoxid-Harze zu steigern, sind gutbekannt; hierzu zählen Butylglycidylether, höhermolekulare aliphatische und cycloaliphatische Monoglycidylether, Styroloxid, aliphatische und cycloaliphatische Diglycidylether sowie Gemische dieser Verbindungen.The epoxy resin used as the resin base material can be caused by condensation of bisphenol A (4,4'-isopropylidene diphenol) and epichlorohydrin getting produced. Also other polyols such as aliphatic glycols and novolak resins (e.g. phenol-formaldehyde resins), acids or their active hydrogen containing Compounds can be reacted with epichlorohydrin to make epoxy resins suitable for use as a resin base material. Preferably Epoxy resins are selected that have the required flow properties before Possess or can be modified to vulcanize. Numerous responsive Diluents or regulators that are able to improve the flow properties Uncured epoxy resins are well known; these include butyl glycidyl ether, higher molecular weight aliphatic and cycloaliphatic monoglycidyl ethers, styrene oxide, aliphatic and cycloaliphatic diglycidyl ethers and mixtures of these compounds.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden als Epoxid-Harze, die als das Harzgrundmaterial dienen sollen, solche ausgewählt, die endständige Epoxid-Gruppen besitzen und Kondensationsprodukte aus Bisphenol A und Epichlorhydrin der nachstehenden Formel sind, in der n zwischen 0 und einer kleinen Zahl von weniger als etwa 10 variiert. Wenn n gleich Null ist, so ist das Harz vor dem Vulkanisieren ein sehr leicht fließendes, leicht gefärbtes Material, das im wesentlichen der Diglycidylether des Bisphenols A ist. Mit der Erhöhung des Molekulargewichts steigt im allgemeinen auch die Viskosität der Harze. Demgemäß besitzen besonders bevorzugte flüssige Epoxid-Harze im allgemeinen einen Wert von n, der im Mittel unterhalb von etwa 1,0 liegt. Anschauliche Beispiele für besonders geeignete, im Handel erhältliche Epoxid-Harze, hier unter ihren Handelsbezeichnungen aufgeführt, sind die Epoxid-Harze Epi-Rez 508 und Epi-Rez 510 (Celanese Coatings) und Epon 828 (Shell).In preferred embodiments of the invention, epoxy resins to be used as the resin base material are selected from those having terminal epoxy groups and condensation products of bisphenol A and epichlorohydrin represented by the following formula in which n varies between 0 and a small number less than about 10. When n is zero, the resin prior to vulcanization is a very easy flowing, slightly colored material that is essentially the diglycidyl ether of bisphenol-A. As the molecular weight increases, the viscosity of the resins generally also increases. Accordingly, particularly preferred liquid epoxy resins generally have a value of n which is on average below about 1.0. Illustrative examples of particularly suitable, commercially available epoxy resins, listed here under their trade names, are the epoxy resins Epi-Rez 508 and Epi-Rez 510 (Celanese Coatings) and Epon 828 (Shell).
Eine Vielfalt von Härtungsmitteln für Epoxid-Harze kann in Verbindung mit den Epoxid-Harzen verwendet werden. Die Vulkanisation oder Aushärtung der Epoxid-Harze erfolgt in charakteristischer Weise durch weitere Reaktion der Epoxid- und Hydroxyl-Gruppen, die eine Molekülketten-Verlängerung und Vernetzung herbeiführen. Der hierin verwendete Begriff "Härtungsmittel" ist dementsprechend so zu verstehen, daß er verschiedenartige Härter des fremdvernetzenden ("co-reactant") Typs einschließt. Anschauliche Beispiele für bekannte Epoxid-Härtungsmittel, die verwendet werden können, sind aliphatische und aromatische Amine, Polyamide, tertiäre Amine, Amin-Addukte, Säureanhydride, Säuren, Aldehyd-Kondensationsprodukte und Katalysatoren vom Typ der Lewis-Säuren wie Bortrifluorid. Die für die Verwendung mit dem Epoxid-Harz bevorzugten Epoxid-Härtungsmittel sind Säureanhydride (z.B. Hexahydrophthalsäureanhydrid und die isomeren Methylbicyclo I,2,13hepten-2,3-dicarbonsäureanhydride, die unter der Bezeichnung Nadic Methyl Anhydride von der-Allied Chemical Co. vertrieben werden) sowie aromatische Amine (z.B. m-Phenylendiamin und Dimethylanilin).A variety of curing agents for epoxy resins can be used in conjunction to be used with the epoxy resins. The vulcanization or curing of epoxy resins takes place in a characteristic way through further reaction of the epoxy and hydroxyl groups, which bring about a molecular chain extension and crosslinking. The one used herein Accordingly, the term "hardener" is to be understood to include various types Includes hardeners of the co-reactant type. Illustrative examples known epoxy curing agents that can be used are aliphatic and aromatic amines, polyamides, tertiary amines, amine adducts, acid anhydrides, Acids, aldehyde condensation products and catalysts of the Lewis acid type like boron trifluoride. The preferred epoxy curing agents for use with the epoxy resin are acid anhydrides (e.g. hexahydrophthalic anhydride and the isomeric methylbicyclo I, 2,13hepten-2,3-dicarboxylic anhydrides, which are sold under the name Nadic Methyl Anhydrides sold by the Allied Chemical Co.) as well as aromatic amines (e.g. m-phenylenediamine and dimethylaniline).
Der hierin verwendete Begriff "Schicht" bezeichnet eine Umfangs zone innerhalb der Wandung der röhrenförmigen Antriebswelle, in der die Faserverstärkung in -einer speziellen Konfiguration angeordnet ist und die sich von der/den benachbarten Zone(n) in bezug auf diese Konfiguration und/ oder die Zusammensetzung der Faserverstärkung unterscheidet. Eine einzige Schicht kann eine Ausrichtung oder einen Aufbau der Faserverstärkung im Mehrfachdurchlauf in einer gegebenen Konfiguration aufweisen. Der Begriff Schicht schließt eine Ausrichtung ein, bei der die Faserverstärkung darin beidseitig (+) eines gegebenen Winkels angeord- net ist, die wahlweise in mehreren Durchgängen aufgebaut sein kann.The term "layer" as used herein refers to a perimeter zone inside the wall of the tubular drive shaft in which the fiber reinforcement Arranged in a special configuration and different from the neighboring one (s) Zone (s) with respect to this configuration and / or the composition of the fiber reinforcement differs. A single layer can provide an alignment or build up of the Have multiple pass fiber reinforcement in a given configuration. The term layer includes an orientation in which the fiber reinforcement arranged in it on both sides (+) of a given angle net is which can optionally be set up in several passes.
Die Welle 26 enthält eine oder mehrere Schichten der hochfesten Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von + 400 bis + 500 relativ zu der Längsachse der Welle ausgerichtet sind, Glasfasern, die in einem Winkel von 00 bis + 15° relativ zu dieser Achse ausgerichtet sind, sowie Glasfasern, die in einem Winkel von + 750 bis 90" relativ zu dieser Achse ausgerichtet sind. Zusätzlich zu diesen Basisschichten können manche Anwendungsformen zusätzliche verstärkende Schichten zu Befestigungszwecken erfordern. Solche Verstärkungsschichten umfassen mindestens ein Paar Endhülsen aus hochfesten Kohlenstoffasern, die an den Endstücken der Welle angebracht und in einem Winkel von + 750 bis 90" relativ zu deren Längsachse ausgerichtet sind, und/oder mindestens ein Paar Endhülsen aus hochfesten Kohlenstofffasern, die an den Endstücken der Welle angebracht und in einem Winkel von + 400 bis + 709 relativ zu dieser Achse angeordnet sind. Die Zeichnung stellt eine Konfiguration dar, bei der beide der vorgenannten Ausrichtungen der Verstärkungs-Schichten verwendet werden.The shaft 26 contains one or more layers of the high strength carbon fibers, which are oriented at an angle of + 400 to + 500 relative to the longitudinal axis of the shaft are glass fibers oriented at an angle of 00 to + 15 ° relative to this axis as well as glass fibers that are at an angle of + 750 to 90 "relative to this Axis are aligned. In addition to these base layers, some application forms require additional reinforcing layers for fastening purposes. Such reinforcement layers comprise at least one pair of high-strength carbon fiber end sleeves attached to the End pieces attached to the shaft and at an angle of + 750 to 90 "relative to whose longitudinal axis are aligned, and / or at least one pair of high-strength end sleeves Carbon fibers attached to the end pieces of the shaft and at an angle from + 400 to + 709 are arranged relative to this axis. The drawing represents represents a configuration in which both of the aforementioned orientations of the reinforcement layers be used.
Die erste oder radial innerste Schicht 30' erstreckt sich über die gesamte Länge der Welle; sie enthält eine Schicht aus Glasfasern, die in einem Winkel von + 75" bis 900 relativ zu der Längsachse der Welle angeordnet sind.The first or radially innermost layer 30 'extends over the entire length of the shaft; It contains a layer of fiberglass that is at an angle from + 75 "to 900 relative to the longitudinal axis of the shaft.
Eine zweite, über die gesamte Länge reichende Schicht 32, die die erste Schicht umgibt, enthält Kohlenstoffasern angeordnet in einem Winkel von + 40° bis + 50° relativ zu der Wellenachse.A second, over the entire length extending layer 32, which the Surrounding first layer contains carbon fibers arranged at an angle of + 40 ° to + 50 ° relative to the shaft axis.
Nur die beiden entgegengesetzten Endteile der sich über die gesamte Länge erstreckenden Schicht 32 umhüllt ein Paar Endhülsen 34 aus Kohlenstoffasern (in der Abbildung Fig. 2 ist nur eine solche Endhülse dargestellt), die in einem Winkel von + 750 bis 90" relativ zu der Wellenachse angeordnet sind.Just the two opposite end parts which extend over the whole Length extending layer 32 encases a pair of end sleeves 34 made of carbon fibers (in the picture Fig. 2 only shows such an end sleeve), which are arranged at an angle of + 750 to 90 "relative to the shaft axis.
Das erste Paar Endhülsen umgibt ein zweites Paar Endhülsen 36 aus Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von + 400 bis + 700 relativ zu der Wellenachse ausgerichtet sind.The first pair of end sleeves surround a second pair of end sleeves 36 Carbon fibers that are at an angle of + 400 to + 700 relative to the shaft axis are aligned.
Das zweite Paar Endhülsen sowie die zweite über die gesamte Länge sich erstreckende Schicht 32 umhüllt eine dritte, über die gesamte Länge reichende Schicht 40, die Glasfasern, angeordnet in einem Winkel von 0 bis + 15° relativ zu der Wellenachse, enthält.The second pair of end sleeves and the second over the entire length extending layer 32 envelops a third, extending over the entire length Layer 40, the glass fibers, arranged at an angle of 0 to + 15 ° relative to the shaft axis.
Nur die beiden entgegengesetzten Endteile der dritten durchgehenden Schicht umhüllt ein drittes Paar Endhülsen 42 aus Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von + 40° bis + 70" relativ zu der Wellenachse angeordnet sind.Only the two opposite end parts of the third continuous one Layer encases a third pair of end sleeves 42 made of carbon fibers, which are in one Angle of + 40 ° to + 70 "are arranged relative to the shaft axis.
Das dritte Paar Endhülsen umgibt ein viertes Paar Endhülsen 44 aus Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von + 75" bis 90° relativ zu der Wellenachse angeordnet sind.The third pair of end sleeves surround a fourth pair of end sleeves 44 Carbon fibers that are at an angle of + 75 "to 90 ° relative to the shaft axis are arranged.
Das vierte Paar Endhülsen 44 und die dritte über die gesamte Länge sich erstreckende Schicht 40 aus Glasfasern umhüllt eine vierte über die gesamte Länge reichende Schicht 46, die Kohlenstoffasern enthält, die in einem Winkel von + 400 bis + 50° relativ zu der Wellenachse angeordnet sind.The fourth pair of end sleeves 44 and the third over the entire length extending layer 40 of fiberglass wraps a fourth over the whole Length-reaching layer 46 containing carbon fibers inclined at an angle of + 400 to + 50 ° are arranged relative to the shaft axis.
Die vierte durchgehende Schicht 46 umhüllt eine fünfte durchgehende Schicht 48, die Glasfasern enthält, die in einem Winkel von + 750 bis 900 relativ zu der Wellenachse angeordnet sind.The fourth continuous layer 46 envelops a fifth continuous layer Layer 48, which contains glass fibers that are at an angle of + 750 to 900 relative are arranged to the shaft axis.
Die gesamte Dicke sämtlicher durchgehender Schichten mit unter + 400 bis + 500 angeordneten Kohlenstoffasern liegt im Bereich von 0,51 bis 6,35 mm (0,020 bis 0,250 in), wobei der Bereich von 1,52 bis 3,05 mm (0,060 bis 0,120 in) besonders bevorzugt wird.The total thickness of all continuous layers with less than + 400 up to + 500 arranged carbon fibers in the range of 0.51 to 6.35 mm (0.020 to 0.250 in), with the range from 1.52 to 3.05 mm (0.060 to 0.120 in) is particularly preferred.
Die gesamte Dicke sämtlicher durchgehender Schichten mit unter 0° bis + 150 angeordneten Glasfasern liegt im Bereich von 0,25 bis 2,54 mm (0,010 bis 0,100 in), wobei der Bereich von 0,25 bis 0,76 mm (0,010 bis 0,030 in) besonders bevorzugt wird.The total thickness of all continuous layers with less than 0 ° to + 150 arranged glass fibers is in the range of 0.25 to 2.54 mm (0.010 to 0.100 in), with the range of 0.25 to 0.76 mm (0.010 to 0.030 in) being particularly is preferred.
Die gesamte Dicke sämtlicher Schichten mit unter + 750 bis 90" angeordneten Glasfasern liegt im Bereich von 0,13 bis 1,27 mm (0,005 bis 0,050 in), wobei der Bereich von 0,25 bis 0,51 mm (0,010 bis 0,020 in) besonders bevorzugt wird.The total thickness of all layers below + 750 to 90 " Glass fiber ranges from 0.13 to 1.27 mm (0.005 to 0.050 in), with the The range of 0.25 to 0.51 mm (0.010 to 0.020 in) is particularly preferred.
Die sich über die gesamte Länge erstreckenden Schichten der hoch festen Kohlenstoffasern wirken als primäre Träger der Scher-, Biege- und Torsionsbelastungen. Die über die gesamte Länge durchgehenden Glasfaserschichten erhalten die strukturelle Unversehrtheit für den Fall aufrecht, daß in dem Harz Rißbildung auftritt, und sie vergrößern die Dicke der Welle und verhindern dadurch Torsionsverformungen (Drehknicken) während des Einsatzes. Es ist von Bedeutung, daß die äußerste Schicht aus Glasfasern die darunter liegenden Schichten verdichtet, wodurch überschüssiges Harz herausgepreßt wird und Leerräume verkleinert werden, und sie bildet außerdem eine in hohem Maße schlagfeste äußere Oberfläche. Die kurzen Endhülsen aus Kohlenstoffasern sind nicht unbedingt erforderlich, aber wenn sie vorhanden sind, dienen sie zur örtlichen Verstärkung der Welle an den Endabschnitten, wo die Verbindungsstücke 28, 30 angeschlossen werden sollen.The full length layers of high strength Carbon fibers act as the primary carriers of the shear, bending and torsional loads. The fiberglass layers that run along the entire length preserve the structural Integrity in the event that the resin cracks, and they increase the thickness of the shaft and thereby prevent torsional deformation (torsional buckling) during use. It is important that the outermost layer be made of fiberglass the underlying layers compacted, which squeezes out excess resin and voids are shrunk, and it also forms one to a great extent impact-resistant outer surface. The short carbon fiber end sleeves are not absolutely necessary, but if they are present, they are used for local reinforcement of the shaft at the end sections where the connectors 28, 30 are connected should.
Die verschiedenen Endschichten und durchgehenden Schichten können, falls erwünscht, auch umgruppiert und/oder kombiniert werden. Beispielsweise muß die erste Schicht aus Glasfasern nicht an der innersten Position verwendet werden, sofern nicht, beispielsweise, Verbindungsstücke für die Befestigung aus Alumnium verwendet werden und die Kohlenstoff-Schicht zur Verhütung galvanischer Korrosion von dem Aluminium getrennt werden muß. Weiterhin könnten auch die über die gesamte Länge durchgehenden Schichten aus Kohlenstoffasern, falls erwünscht, zu einer einzigen Schicht vereinigt werden.The various end layers and continuous layers can, if desired, can also be regrouped and / or combined. For example, must the first layer off Optical fibers not in the innermost position are used, if not, for example, connecting pieces for the attachment Made of aluminum are used and the carbon layer to prevent galvanic Corrosion from which aluminum must be separated. Furthermore, the over the entire length of continuous layers of carbon fibers, if desired, can be combined into a single layer.
Die Antriebswelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann mittels verschiedener Arbeitstechniken hergestellt werden.The drive shaft according to the present invention can be made by various means Work techniques are produced.
Beispielsweise kann ein entfernbarer Kern mit einem äußerem Durchmesser verwendet werden, der im allgemeinen dem inneren Durchmesser der herzustellenden, mit Kohlenstofffasern verstärkten, zusammengesetzten Antriebswelle entspricht und auf den die Schichten aufgelagert werden. Die verschiedenen, die Faserverstärkung enthaltenden Schichten können in geeigneter Anordnung und in geeignetem Aufbau durch Fadenwickeln, Bandwickeln, Rohrwalzen oder Pultrusion aufgebracht werden. Wenn ein wärmehärtbares Harz als das Grundmaterial verwendet wird, so wird zunächst eine Stufe der Vulkanisation des Harzes durchgeführt, um das Harz zu vernetzen und zu härten, und danach wird der Kern entfernt.For example, a removable core with an outside diameter are used, which generally corresponds to the inner diameter of the carbon fiber reinforced composite drive shaft corresponds to and on which the layers are placed. The different ones, the fiber reinforcement containing layers can be in a suitable arrangement and in a suitable structure Thread winding, tape winding, tube rolling or pultrusion can be applied. When a thermosetting resin is used as the base material, a The vulcanization stage of the resin is carried out in order to crosslink and to crosslink the resin harden, after which the core is removed.
Eine bevorzugte Arbeitsweise, um die Faserverstärkung auf dem Kern genau in die richtige Lage zu bringen, ist das Fadenwickeln, wobei entweder das Naßwickeln oder das Wickeln nach Vorimprägnierung (Wickeln mit Prepegs) zur Anwendung gelangt. Bei dem Naßwickelverfahren trägt die Faserverstärkung zur Zeit des Auwickelns auf ihrer Oberfläche ein im wesentlichen unvulkanisiertes, flüssiges wärmehärtbares Harz, das üblicherweise durch Eintauchen in ein das Harz enthaltendes Gefäß unmittelbar vor der Aufwickelstufe aufgebracht wird. Bei Anwendung des Wickelverfahrens mit Prepegs trägt die Faserverstärkung vor dem Aufwickeln auf ihrer Oberfläche ein teilweise vulkanisiertes, klebriges Harz. In jedem Falle überführt die folgende Vulkanisationsstufe das wärmehärtende Harz in ein festes, wärmegehärtetes Harz, das die Faserverstärkung eingebettet enthält. Während der Vulkanisationsstufe wird jede Schicht mit der benachbarten Schicht bzw. den benachbarten Schichten dauerhaft haftend verbunden. Das Herstellungsverfahren mittels Fadenwickelns ist nicht arbeitsaufwendig und kann mit einem hohen Grad an Präzision auf einer schnellen, automatisierten kontinuierlichen Basis unter Einsatz von im Handel erhältlichen Geräten durchgeführt werden.A preferred way of working to get the fiber reinforcement on the core Getting in exactly the right position is thread winding, with either the Wet winding or winding after pre-impregnation (winding with prepregs) are used got. In the wet winding process, the fiber reinforcement carries at the time of winding a substantially unvulcanized, liquid thermoset on its surface Resin, usually by immersion in a vessel containing the resin directly is applied before the winding stage. When using the winding process with Prepegs carry the fiber reinforcement before Winding up on theirs Surface a partially vulcanized, sticky resin. Convicted in any case the following vulcanization step transforms the thermosetting resin into a solid, thermoset Resin that contains the fiber reinforcement embedded. During the vulcanization stage each layer becomes permanent with the adjacent layer or layers adhesively connected. The manufacturing process by means of thread winding is not labor-intensive and can be done with a high degree of precision on a fast, automated basis carried out on a continuous basis using commercially available equipment will.
Die Endanschlußstücke 28, 30, die die starre Verbindung der Welle mit dem Getriebe und dem Differential ermöglichen, können auf verschiedene Weise montiert werden.; vorzugsweise wird die Welle jedoch um die Anschlußstücke herum hergestellt, indem die Anschlußstücke auf den Kern aufgebracht werden, um den die Welle gewickelt werden soll.The end fittings 28, 30, which are the rigid connection of the shaft Using the gearbox and the differential can allow in several ways to be assembled.; however, it is preferred that the shaft be around the fittings produced by applying the fittings to the core around which the Shaft is to be wound.
Ein geeigneter Klebstoff kann vor der Herstellung der Welle um die Verbindungsstücke auf diese aufgebracht werden, um die Festigkeit der Haftverbindung zwischen den Anschlußstücken und der Welle zu erhöhen. Zusätzlich können die Anschlußstücke noch mit der Welle durch Bolzen verschraubt werden, um sicherzustellen, daß eine weitgehende Festigkeit für die Übertragung der Torsionsbewegung gegeben ist.A suitable adhesive can be applied around the shaft prior to manufacture Connecting pieces are applied to these to increase the strength of the adhesive connection to increase between the fittings and the shaft. In addition, the connectors still be bolted to the shaft to ensure that a extensive strength for the transmission of the torsional movement is given.
Weitere Arbeitsweisen, die für die Montage der Flansche geeignet sind, werden in den DE-OSen 29 11 213 und 29 11 238 der Anmelderin, auf die hier Bezug genommen wird, beschrieben.Other working methods that are suitable for assembling the flanges, are in DE-OSes 29 11 213 and 29 11 238 of the applicant, to which reference here is taken, is described.
Es ist ausdrücklich festzustellen, daß für Fahrzeuge mit relativ geringfügiger Fehlausrichtung und Relativbewegung zwischen den durch die Antriebswelle miteinander verbundenen Komponenten der Antriebs strecke die vorliegende Erfindung Kardangelenke an den beiden Enden der Fahrzeug-Antriebswelle entbehrlich macht und dadurch das Fahrzeug- Gewicht verringert. Der Verzicht auf Kardangelenk-Verbindungen bietet die zusätzlichen Vorteile einer Verminderung der Komplexität der Antriebsstrecke sowie des Fortfalls des Wartungsaufwandes für die Kardangelenke. Darüber hinaus besitzt die Antriebswelle selbst, im Vergleich zu einer traditionellen Antriebswelle aus Stahl, ein niedriges Gewicht, wodurch das Fahrzeug-Gewicht weiter verringert wird.It should be expressly stated that for vehicles with relatively minor Misalignment and relative movement between those caused by the drive shaft with one another connected components of the drive stretch the present invention universal joints makes unnecessary at both ends of the vehicle drive shaft and thereby the Vehicle- Weight decreased. The waiver of universal joint connections offers the additional advantages of reducing the complexity of the drive train as well as the elimination of the maintenance effort for the cardan joints. Furthermore owns the drive shaft itself, compared to a traditional drive shaft made of steel, a low weight, which further reduces the weight of the vehicle will.
Die Antriebswelle zeigt genügend Verdrehsteifigkeit, um die geforderten-Drehmoment-Belastungen auszuhalten, und ist trotzdem hinreichend biegsam, um eine Versetzung oder eine nicht-geradlinige Fluchtung auszugleichen.The drive shaft shows sufficient torsional rigidity to meet the required torque loads and is still flexible enough to accommodate a dislocation or a compensate for non-linear alignment.
Die vorliegende Erfindung ist für die Anwendung in solchen Fällen geeignet, wo die Antriebswelle eine vorn liegende Antriebsmaschine unmittelbar mit einem im Heckteil montierten Getriebe verbindet, wie dies weiter oben in Verbindung mit einem Porsche 928 beschrieben wurde.The present invention is for use in such cases suitable where the drive shaft is directly connected to a drive machine located in front a gear mounted in the rear section connects, as described above in connection was described with a Porsche 928.
Bei vielen Fahrzeugen sind die Fehlausrichtungen zwischen den durch die Antriebswelle verbundenen Komponenten der Antriebsstrecke derartig groß, daß Kardangelenk-Verbindungen in der Praxis die einzigen Mittel sind, um mit diesen Fehlausrichtungen fertig zu werden. Bei solchen Fahrzeugen wäre die vorliegende Erfindung nicht praktisch einsetzbar, da die zulässigen Materialbeanspruchungen in der Antriebswelle überschritten würden, wenn solche großen Ausrichtungsfehler ausgeglichen werden sollten.On many vehicles, the misalignments are between the through the drive shaft connected components of the drive train so large that Cardan joints in practice are the only means of dealing with these To deal with misalignments. In the case of such vehicles, this would be the present one Invention cannot be used in practice because of the permissible material stresses in the drive shaft would be exceeded if such large misalignment should be balanced.
Das folgende Beispiel dient der näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Es wird darauf hingewiesen, daß die spezielle beschriebene Antriebswelle besonders geeignet ist für Kraftfahrzeuge in Kompaktbauweise, wie etwa beispielsweise eine Chevrolet-Corvette. In einem solchen Fall werden fünf über die gesamte Länge durchgehende Schichten und vier Endhülsen, die aus in eine Epoxid-Matrix eingebetteten Faserverstärkungen zusammengesetzt sind, verwendet Jede Schicht wird durch Naßwickeln eines Multifilament-Faserbündels unter Einsatz einer McClean-Anderson-Fadenwickelmaschine aufgebracht. Die das unvulkanisierte Epoxid-Harz tragende Faserverstärkung wird während des Fadenwickelns auf einen entfernbaren Kern (auf der Abbildung nicht dargestellt) aufgetragen; das Epoxid-Harz wird vulkanisiert, wobei ein einteiliges Rohr gebildet wird, und danach wird der Kern entfernt. Die Antriebswelle hat eine Länge von etwa 808,74 mm (31,84 in) und einen inneren Durchmesser von 57,15 mm (2,25 in). Die Mindest-Wandstärke der Welle beträgt 4,674 mm (0,184 in). Der Gehalt an Leerräumen in den erhaltenen Antriebswellen liegt bei weniger als 2 Volumen-%, und die Faserverstärkung nimmt etwa 60 Volumen-% ein. Die jeweiligen Schichten (d.h. von der innersten bis zur äußersten) sind numeriert, wie in der Abbildung dargestellt.The following example serves to explain the present in more detail Invention. It should be noted that the specific drive shaft described is particularly suitable for compact motor vehicles such as, for example a Chevrolet Corvette. In such a case there will be five over the entire length continuous layers and four end sleeves made from embedded in an epoxy matrix Fiber reinforcements are composed, used every layer is made by wet winding a multifilament fiber bundle using a McClean-Anderson filament winder upset. The fiber reinforcement supporting the unvulcanized epoxy resin is during thread winding on a removable core (not shown in the picture) applied; the epoxy resin is vulcanized, forming a one-piece tube and then the core is removed. The drive shaft has a length of approximately 808.74 mm (31.84 in) and an inner diameter of 57.15 mm (2.25 in). The minimum wall thickness the shaft is 4.674 mm (0.184 in). The content of voids in the obtained Drive shafts is less than 2 volume%, and the fiber reinforcement decreases about 60% by volume. The respective layers (i.e. from the innermost to the outermost) are numbered as shown in the figure.
Beispiel Eine beispielhafte Welle, die gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigt wurde, umfaßt eine erste, durchgehende Schicht 30' mit einer Dicke von 0,483 mm (0,019 in), enthaltend Glasfasern, die in einem Winkel von 90° relativ zu der Wellenachse angeordnet sind, eine zweite, durchgehende Schicht 32 mit einer Dicke von 1,600 mm (0,063 in), enthaltend hochfeste Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von + 45" relativ zu der Wellenachse angeordnet sind, ein erstes Paar von Endhülsen 34 mit einer Dicke von 1,600 mm (0,063 in), enthaltend hochfeste Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von 900 relativ zu der Wellenachse angeordnet sind, ein zweites Paar von Endhülsen 36 mit einer Dicke von 0,76 mm (0,030 in), enthaltend hochfeste Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von + 450 relativ zu der Wellenachse angeordnet sind, eine dritte, durchgehende Schicht 40 mit einer Dicke von 0,51 mm (0,020 in), enthaltend Glasfasern, die in einem Winkel von + 100 relativ zu der Wellenachse angeordnet sind, ein drittes Paar von Endhülsen 42 mit einer Dicke von 0,76 mm (0,030 in), enthaltend hochfeste Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von + 450 relativ zu der Wellenachse angeordnet sind, ein viertes Paar von Endhülsen 44 mit einer Dicke von 1,600 mm (0,063 in), enthaltend hochfeste Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von 900 relativ zu der Wellenachse angeordnet sind, eine vierte, durchgehende Schicht 46 mit einer Dicke von 1,600 mm (0,063 in), enthaltend hochfeste Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von + 450 relativ zu der Wellenachse angeordnet sind, und eine fünfte, durchgehende Schicht 48 mit einer Dicke von 0,483 mm (0,019 in), enthaltend Glasfasern, die in einem Winkel von 900 relativ zu der Wellenachse angeordnet sind. Example An exemplary shaft made in accordance with the present invention comprises a first, continuous layer 30 'having a thickness of 0.483 mm (0.019 in) containing glass fibers that are at an angle of 90 ° relative are arranged to the shaft axis, a second, continuous layer 32 with a 1,600 mm (0.063 in) thick, containing high strength carbon fibers in a Angles of + 45 "relative to the shaft axis are a first pair of End sleeves 34 1,600 mm (0.063 in) thick containing high strength carbon fibers, which are arranged at an angle of 900 relative to the shaft axis, a containing a second pair of end sleeves 36 0.76 mm (0.030 in) thick high strength carbon fibers that are at an angle of + 450 relative to the shaft axis are arranged, a third, continuous layer 40 with a thickness of 0.51 mm (0.020 in) containing glass fibers that are at an angle of + 100 relative to the Shaft axis are arranged, a third pair of end sleeves 42 with a thickness of 0.76 mm (0.030 in) containing high strength carbon fibers that are at an angle of + 450 are arranged relative to the shaft axis, a fourth pair of end sleeves 44 with a thickness of 1,600 mm (0.063 in) containing high strength carbon fibers, which are arranged at an angle of 900 relative to the shaft axis, a fourth, continuous layer 46 having a thickness of 1,600 mm (0.063 in) containing high strength Carbon fibers arranged at an angle of + 450 relative to the shaft axis and a fifth, continuous layer 48 having a thickness of 0.483 mm (0.019 in), containing glass fibers that are at an angle of 900 relative to the shaft axis are arranged.
Das Young-Elastizitätsmodul in Längsrichtung der hochfesten Kohlenstoffasern beträgt etwa 2,34 105 N/mm2 (34 x 106 psi) und dasjenige der Glasfasern etwa 7,24 104 N/mm2 (10,5 x 106 psi). Das Young-Elastizitätsmodul in Längsrichtung für die gesamte Welle beträgt etwa 1,65 ' 104 N/mm2 (2,4 x 106 psi).The Young's modulus of elasticity in the longitudinal direction of the high-strength carbon fibers is about 2.34 · 105 N / mm2 (34 x 106 psi) and that of the glass fibers is about 7.24 104 N / mm2 (10.5 x 106 psi). The Young's modulus in the longitudinal direction for the total shaft is approximately 1.65 '104 N / mm2 (2.4 x 106 psi).
Die unter + 100 angeordneten Glasfasern bilden etwa 10 % des gesamten Gewichts des Fasermaterials (ausschließlich der Endhülsen), die unter 900 angeordneten Glasfasern etwa 20 % und die unter t 450 angeordneten Kohlenstoffasern etwa 70 % dieses Fasermaterial-Gesamtgewichts. Das Gesamt-Gewicht der Welle beträgt etwa 1,41 kg (3,1 lb), wovon etwa 1,0 kg (2,2 lb) auf Kohlenstoff/Harz entfallen. Die Zugfestigkeit der Kohlenstoffasern beträgt etwa 2,83 ' 10 N/mm2 (410 x 103 psi) und diejenige der Glasfasern etwa 3,45 ' 10 N/mm2 (500 x 10) psi).The glass fibers arranged below + 100 make up about 10% of the total Weight of the fiber material (excluding the end sleeves) placed under 900 Glass fibers about 20% and the carbon fibers arranged under t 450 about 70% this total fiber material weight. The total weight of the shaft is about 1.41 kg (3.1 lb) of which approximately 1.0 kg (2.2 lb) is carbon / resin. The tensile strength of the carbon fibers is about 2.83 · 10 N / mm2 (410 x 103 psi) and that of the glass fibers about 3.45 '10 N / mm2 (500 x 10 psi).
Es ist zu erwarten, daß eine solche Welle ein maximales Drehmoment von mehr als 1 475 N m (2 000 ft-lb) übertragen und eine kritische Drehzahl von über 6 000 min (100 Hz) erreichen kann.It is to be expected that such a shaft will have a maximum torque of more than 1,475 N m (2,000 ft-lb) and a critical speed of can reach over 6,000 min (100 Hz).
Es ist zu erwarten, daß die Welle eine Versetzung von bis zu 6,35 mm (0,25 in) zwischen den Mittellinien der Kraftabgabe- und Kraftaufnahme-Endstücke der Welle sowie eine Abweichung von der geradlinigen Fluchtung um bis zu 0,5° zwischen diesen Mittellinien auszugleichen vermag.It is expected that the shaft will have a displacement of up to 6.35 mm (0.25 in) between the centerlines of the power delivery and power receiving end pieces of the shaft as well as a deviation from the straight alignment of up to 0.5 ° between able to compensate for these center lines.
Claims (14)
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