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Antriebswelle mit rohrförmigen Wellenstück aus faserverstärktem
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Kunststoff und endseitig festgeklebten Aramaturen Die Erfindung betrifft
eine Antriebswelle, insbesondere Gelenkwelle, nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Sie findet besonders Anwendung bei Gelenkwellen wie Kardanwellen oder dgl. für
Motorfahrzeuge.
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Aus EP-OS 00 29 093 ist eine Antriebswelle mit rohrförmigem Hauptteil
aus faserverstärktem Kunststoff und daran vorragend festgelengten Endstücken aus
Metall bekannt, mit denen je ein jochteil eines Kreuzgelenkes oder dgl , gegebenenfalls
über ein Adapterteil, verschweißt ist. Neben einer besonderen Anordnung der Fasern
der einzelnen Lagen des Wellenhauptteiles, ist Jedes der Endstücke dieser Welle
als rotationssymmetrisches Ringteil mit einem Hülsenfortsatz ausgebildet, welcher
in dem betreffenden Endabschnitt des Hauptteiles verankert sowie von diesem fest
umschlossen ist, so daß an Jedem Ende des Hauptteiles der Welle allein der Ringteil
jedes seiner metallenen Endstücke vorragt.
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Diese bekannte Welle kann einschließlich der in ihren Endbereichen
festgelegten Endstücke auf wirtschaftliche Weise auf einem daraus ausziehbaren und
wiederholt verwendbaren Wickeldorn erstellt, und hiernach im Bereich der äußeren
Randzone Jedes ihrer metallenen Endstücke mit beliebig gestalteten bzw0
bemessenen
Anschlußteilcn aus Metall, z.B. Jochteil eines Kreuzgelenkes, durch umfängliche
Schweißung fest und dauerhaft verbunden werden. Dies bedingt zugleich aber auch
den Nachteil, daß die Schweißverbindung der Anschlußteile mit besonderer Sorgfalt
durchgeführt werden muß, um ein Verziehen der in den Sndbereichen festgelegten Endstücke
als Folge von unterschiedlichen Schweißspannungen zu vermeiden und die Zentrizität
und den ruhigen Lauf der Welle zu gewährleisten. Dadurch erhöht sich aber der Fertigungsaufwand
dieser Welle in erheblichem Maße.
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Andererseits ist aus US-PS 4 041 599 ein Verfahren zum genauen Zentrieren
und sicheren Festkleben des stangenförmigen Fortsatzes einer Armatur, z.B. Teil
eines Kreuzgelenkes, aus Metall unmittelbar im Endbereich eines Wellenstückes aus
faserverstarktem Kunststoff bekannt geworden. Dieses besteht im wesentlichen darin,
daß auf den Fortsatz der zentriert festzuklebenden Armatur vor deren Einführung
in das Wellenende zwei elastische Dichtringe im Abstand voneinander aufgebracht
werden, so daß beim Einführen des so bestückten Armaturenfortsatzes ein flüssig
einzubringendes, härtbares Klebemittel auf Epoxiharz-Basis von einer das Wellenende
umgebenden trichtenförmigen Füllanordnung in den so gebildeten Ringspalt zwischen
der Außenfläche des Armaturenfortsatzes und der Innenfläche des vorgefertigten Hohlwellenstückes
eingesaugt, wobei der Spaltraum durch die elastischen Ringe zu beiden Seiten umfänglich
abgedichtet wird.
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Diese elastischen Dichtringe halten zugleich die Armatur während der
nachfolgenden Härtung des Klebemittels in der konzentrischen Lage im Inneren des
betreffenden Wellenstückendbereiches aus dem faserverstärkten Kunststoff.
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Bei einer so angefertigten Welle, die ebenfalls die Vorteile eines
geringen Gewichtes und großer Steifigkeit und mechanischer Festigkeit ihres rohrförmigen
Wellenstückes aus faserverstärktem Kunststoff aufweist, erübrigt sich auch das Anschweissen
3er Armaturen, so daß durch unterschiedliche Schweißspannungell hervorgeufene Ilnregelniäß
igke lt en ausgeschlossen sind.
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Diese Welle besitzt jedoch nur relativ geringe mechanische Festigkeit,
insbesondere Dauerwechselfestigkeit, in ihrem Endbereichen und ist daher für die
Übertragung großer Drehmomente besonders bei variabler Belastung, wie dies z.B.
bei Fahrzeugantrieben unvermeidbar ist, völlig ungeeignet Die Anwendung dieses bekannten
Klebe verfahrens ist überdies für eine wirtschaftliche Fertigung der Welle zu arbeitsaufwendig
Andere unmittelbare Endteilklebung scheiterten bisher an den Schwierigkeiten der
gleichmäßigen Verteilung des Klebstoffes bei dünnem Auftrag desselben sowie an (ler
mangelnden Konzentrizität der so festgeklebten Endteile mit dem vorgefertigten Wellenstück.
Das unmittelbare Festwickeln von mit der Armatur endetückig vorgefertigten ringförmigen
Endstücken aus Metall bei der Herstellung des Wellenhauptteiles aus faserverstärktem
Kunststoff erhöht hingegen den Fertigungsaufwand, wegen der Notwendigkeit des Einsatzes
sogenannter "verlorener" Dorne beim Wickeln.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, , eine Welle dieser Art
mit in ihren Endbereichen genau zentrisch festgeklebten Armaturen zu schaffen, die
zur Übertragung großer Drehmomente bei wechselender Belastung geeignet und mit vergleichsweise
geringem Aufwand herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die mit den merkmalen des Anspruchs 1 gekennzeichnete
Erfindung gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind mit den Unteransprüchen
2 bis 7 angegeben von welchen der Anspruch 2 eine bevorzugte Ausbildung des Endstückes
und dessen Einbindung in den Hauptwellenendbereich betrifft, und die Ansprüche 3
und 4 Ausführungsvarianten des Armaturenfortsatzes betreffen. Die Ansprüche 5 und
6 bzw, 7 beziehen sich auf für die Klebeschicht bzw. die Endstücke bevorzugte Werkstoffe.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt in der Schaffung einer
mit geringem Aufwand herzustellenden und mit den Armaturen fest und dauerhaft verbundenen
Antriebswelle aus faserverstärktem Kunststoff, die über ihre gesamte Länge einschließlich
der Übergänge zu den aus Metall bestehenden Armaturen die für Übertragung großer
Krafte und Drehmomente notwendige mechanische Festigkeit aufweist. Weitere Vorteile
liegen in der genau zentrierten Befestigung ihrer Armaturen in den Endbereichen
des rohrförmigen Wellenstückes durch einfache Klebung, welche dennoch den ruhigen
Lauf der Welle und deren große mechanische Festigkeit auch in den Übergangsbereichen
gewahrleistet, sowie in der Vermeidung der Nachteile, welche sich aus der Schweißverbindung
der Armaturen ergeben, bei gleichzeitiger Beibehaltung des Vorteiles einer nachträglichen
Zurüstung der Welle für bestimmte Verwendungen aus den in großen Stückzahlen vorgefertigten
Teilen derselben.
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Wesentlich ist hierzu, daß cter Fortsatz jeder der in den Wellenendbereichen
festgeklebten Armaturen mit achsparallelen Vorsprüngen ausgebildet, und zwischen
dem Armaturenfortsatz und dem Endbereich ein ringförmiges Endstück mit den Vorsprüngen
des Fortsatz es entsprecilenden Vertiefungen seiner Innenfläche angeordnet ist,
das in dem faserverstärkten Kunststoff des Wellenstückes fest verh'iftet, und an
dessen Innenfläche die betreffende Armatur mit ihrem Fortsatz geklebt ist. Dadurch
ergibt sich nämlich die zwangsläufige Drehmomentenübertragung von dem Wellenstück
aus faserverstärktem Kunststoff über die darin fest eingebundenen Endstücke und
deren Vertiefungen auf die Vorsprünge des Fortsatz es jeder Armatur, ohne nennenswerte
Beanspruehung der die Endstücke mit den Armaturfortsätzen fest verbindenden Klebung
und bei formschlüssig festgelegter, genau zentrischer Lage der Endstücke in den
an den beiden Wellenendbereichen genau zentrisch fest verhafteten Endstücken. Diese
wercten in großen Stückzahlen vorgefertigt, vor dem Wickelvorg.mg im jeweils erforderlichen
Abstand auf einen Wiekeldorn geschoben und so festgewickelt, daß sie nach
dem
Härten der Welle und Abziehen derselben vom Dorn praktisch einstückige Teile derselben
bilden In diese werden schließlich je nach Bedarf die Armaturen mit ihren zuvor
mit dem Klebemittel beschichteten Fortsatz eingeführt und darin festgeklebt.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig 1 teilweise im Län-geschnitt
den Endbereich einer Antriebswelle mit festklebber Armatur Fig. 2 ähnlich wie in
Figo 1 eine andere Ausführungsform der Antriebswelle Figo 3 einen Querschnitt nach
A-13 durch die Antriebswelle der Fig. 1 und Fig. 4 in Stirnansicht den Endbereich
einer anderen Ausführungsform der Antriebswelle9 ohne Armatur.
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Wie insbesondere aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, weist die gezeigte
Antriebswelle in allen Ausführungsformen derselben ein rohrförmiges Wellenstück
1 aus faserverstärktem Kunststoff auf, in dessen Endbereichen 3 å e ein ringförmiges
Endstück 4, z.B. aus einem Metall wie Stahl oder Aluminium dauerhaft festgelegt,
indem es vor dem Härten in die Faserwicklungen des Wellenstückes 1 bei dessen Fertigung
in Wickeltechnik einem bunden und darin fest verhaftet ist, Bei der in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsform der Welle ist das bzw0 jedes Endstück 5 in den betreffenden Endbereich
des Wellenstückes 1 kraft- und formschlüssig eingebunden und hierzu an seiner Außenfläche
9 mit wenigstens einem umfänglichen Wulst 10 ausgebildet Dies bringt den Vorteil
einer besonders starken und sicheren Befestigung der Endstücke 4 in den Wellenendbereichen
3 mit sichs welche auch hohen Zugbeanspruchungen zu widerstehen vermag Bei allen
Ausführungsformen der Welle ist in jedem Endbereich 3 derselben9 nämlich in den
dort festgelegten Endstücken 4 eine mit einem Fortsatz d einstückige Armatur 2 aus
Metall
mittels je einer zwischen der Außenfläche 12 jedes Fortsatzes
4 und der Innenfläche 8 jedes Endstückes 5 angeordneten dünnen Klebeschicht 11,
beispielsweise aus einem Kunstharz auf Epoxidbasis festgeklebt. Die so an der Welle
endseitig festgeklebten Armaturen können in beliebiger Weise z.B. als Teil eines
Kreuzgelenkes, Kupplungs- oder Flanschteil oder auch als profilierter Wellenstummel
ausgebildet sein.
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Wesentlich für die dauerhafte Drehfestigkeit sowie die Biegewechselfestigkeit
der Welle an ihren Klebverbindungen mit den endseitig angeschlossenen Armaturen
2 ist die Ausbildung des zylindrischen oder im wesentlichen polygonen sowie vorzugsweise
auch gegen das freie Ende leicht konisch verjüngten Fortsatzes 4 jeder Armatur 2
mit achsparallelen Vorsprungen 6, entsprechend der in gleicher Weise gestalteten
sowie mit desgleichen in der Achsrichtung verlaufenden Vertiefungen 7 ausgebildeten
Innenfläche 8 jedes der Enllt-ücke . Diese achsparallelen Vorsprünge 6 bzw. Vertiefungen
7, welche an jedem Fortsatz 4 bzw. Wellenstück 5 vorzugsweise einwärts, d.h. gegen
das Innere des sie umfassenden Wellenstückes 1 aus faserverstärktem Kunststoff,
verjüngt ausgebildet sind, bewirken beim Einsetzen des mit dem Klebemittel beschichteten
Armaturenfortsatzes 4 in das Innere des betreffenden Wellenendstückes 5 eine genaue
konzentrische Führung und zentrische Lage der betreffenden Armatur 2 auch während
der nachfolgenden Härtung des Klebemittels, und zugleich dessen gleichmäßige Verteilung
an der Innenfläche 8 jedes Endstückes 5. Darüber hinaus entlasten diese vorzugsweise
als profilierte Rippen bzw. Nuten ausgebildeten Vorsprünge 6 und Vertiefungen 7
beim Einsatz der Welle für die Kraftübertagung, z.B. vom Motor auf das Fahrwerk
eines Kraftfahrzeuges, zufolge ihres Formschlusses die an sich nur kraftschlüssigen
Klebeverbindungen mittels der dünnen Klebeschicht 11 von den sich häufig ändernden
';cherbeanspruchungen. Dadurch können mit dieser Welle langzeitig auch wehr große
Drehmomente problemlos übertragen werlen, wobei tlie Festigkeit der Klebeschitllten
11 im wesentlichen nur durch in ler Achsrichtung der Welle wirksame Itriifte beansprucht
wird.
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Wie zuvor erwähnte können der Fortsatz zumindest einer Armatur 2 sowie
der Bohrungequerschnitt des betreffenden Wellenendstückes in der gleichen Weise
polygon9 z.B. oktagonal, und/oder konisch gestaltet sein, mit dem Vorteil einer
vereinfachten Fertigung bzw. Zentrierung dieser Teile sowie einer noch besseren
Verteilung des alle Spalträume zwischen der Innenfläche 8 jedes Endstückes 5 und
der Außenfläche 12 jedes Armaturenfortsatzes 4 ausfüllenden Klebemittels, in welche
dieses bei einwarte verjüngter konischer Ausbildung derselben hineingedrückt wird.
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Für eine wirtschaftliche Fertigung dieser Welle ist es besonders vorteilhaft,
wenn jedes Endstück 5 aus einem gieß- oder spritzbaren Kunststoff besteht so daß
es mit geringem Arbeltsaufwand in großen Stückzahlen vorgefertigt, und in der vorausgehend
beschriebenen Weise auf einen Wickeldorn in das Wellenstück ß beiderends eingebunden
werden kanne wobei ihm durch den es umschließenden Endbereich 3 zusätzliche mechanische
Festigkeit verliehen wirde Für die Herstellung dieser Endstücke 5 eignen sich verschiedene
duroplastische oder thermoplastische Kunststoffe bzw0 -gemische, beispielsweise
Propylenpolymere bzw. -copolymere, die nach ihrer Ausformung bzw. Härtung ausreichende
Formstabilität und mechanische Festigkeit besitzen Die beschriebene Welle läßt sich
auf besonders wirtschaftliche Weise herstellen und weist in hervorragendem Maße
alle gewinschten Eigenschaften auf, so daß sie für den langzeitigen Betrieb zur
Übertragung großer Kräfte gut geeignet ist0