DE3143485C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebswelle, insbesondere Gelenk­ welle, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie findet beson­ ders Anwendung bei Gelenkwellen wie Kardanwellen oder dgl. für Motorfahrzeuge.

Aus EP-OS 00 29 093 ist eine Antriebswelle mit rohrförmigem Hauptteil aus faserverstärktem Kunststoff und daran vorragend festgelegten Endstücken aus Metall bekannt, mit denen je ein Jochteil eines Kreuzgelenkes oder dgl., gegebenenfalls über ein Adapterteil, verschweißt ist. Neben einer besonderen Anord­ nung 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 Haupt­ teiles der Welle allein der Ringteil jedes seiner metallenen Endstücke vorragt.

Diese bekannte Welle kann einschließlich der in ihren Endbe­ reichen festgelegten Endstücke auf wirtschaftliche Weise auf einem daraus ausziehbaren und wiederholt verwendbaren Wickel­ dorn erstellt, und hiernach im Bereich der äußeren Randzone jedes ihrer metallenen Endstücke mit beliebig gestalteten bzw. bemessenen Anschlußteilen aus Metall, z. B. Jochteil eines Kreuz­ gelenkes, durch umfängliche Schweißung fest und dauerhaft ver­ bunden werden. Dies bedingt zugleich aber auch den Nachteil, daß die Schweißverbindung der Anschlußteile mit besonderer Sorg­ falt durchgeführt werden muß, um ein Verziehen der in den End­ bereichen festgelegten Endstücke als Folge von unterschiedli­ chen 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.

Andererseits ist aus US-PS 40 41 599 ein Verfahren zum genauen Zentrieren und sichereren Festkleben des stangenförmigen Fort­ satzes einer Armatur, z. B. Teil eines Kreuzgelenkes, aus Metall unmittelbar im Endbereich eines Wellenstückes aus faserverstärk­ tem Kunststoff bekanntgeworden. Dieses besteht im wesentlichen darin, daß auf den Fortsatz der zentriert festzuklebenden Arma­ tur vor deren Einführung in das Wellenende zwei elastische Dichtringe im Abstand voneinander aufgebracht werden, so daß beim Einführen des so bestückten Armaturenfortsatzes ein flüs­ sig einzubringendes, härtbares Klebemittel auf Epoxidharz-Basis von einer das Wellenende umgebenden trichterförmigen Füllan­ ordnung 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. 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.

Bei einer so angefertigten Welle, die ebenfalls die Vorteile eines geringen Gewichtes und großer Steifigkeit und mechani­ scher Festigkeit ihres rohrförmigen Wellenstückes aus faserver­ stärktem Kunststoff aufweist, erübrigt sich auch das Anschwei­ ßen der Armaturen, so daß durch unterschiedliche Schweißspan­ nungen hervorgerufene Unregelmäßigkeiten ausgeschlossen sind.

Diese Welle besitzt jedoch nur relativ geringe mechanische Festigkeit, insbesondere Dauerwechselfestigkeit, in ihren End­ bereichen und ist daher für die Übertragung großer Drehmomente besonders bei variabler Belastung, wie dies z. B. bei Fahrzeug­ antrieben unvermeidbar ist, völlig ungeeignet. Die Anwendung dieses bekannten Klebeverfahrens ist überdies für eine wirt­ schaftliche Fertigung der Welle zu arbeitsaufwendig.

Andere unmittelbare Endteilklebungen scheiterten bisher an den Schwierigkeiten der gleichmäßigen Verteilung des Klebstoffes bei dünnem Auftrag desselben sowie an der mangelnden Konzen­ trizität der so festgeklebten Endteile mit dem vorgefertigten Wellenstück. Das unmittelbare Festwickeln von mit der Armatur endstückig 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle dieser Art mit in ihren Endbereichen genau zentrisch festgeklebten Arma­ turen zu schaffen, die zur Übertragung großer Drehmomente bei wechselnder Belastung geeignet und mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind mit den Unter­ ansprüchen 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.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt in der Schaffung einer mit geringem Aufwand herzustellenden und mit den Arma­ turen fest und dauerhaft verbundenen Antriebswelle aus faser­ verstärktem Kunststoff, die über ihre gesamte Länge einschließ­ lich der Übergänge zu den aus Metall bestehenden Armaturen die für Übertragung großer Kräfte und Drehmomente notwendige mechanische Festigkeit aufweist. Weitere Vorteile liegen in der genau zentrierten Befestigung ihrer Armaturen in den End­ bereichen des rohrförmigen Wellenstückes durch einfache Kle­ bung, welche dennoch den ruhigen Lauf der Welle und deren große mechanische Festigkeit auch in den Übergangsbereichen gewährleistet, 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.

Wesentlich ist hierzu, daß der Fortsatz jeder der in den Wel­ lenendbereichen festgeklebten Armaturen mit achsparallelen Vorsprüngen ausgebildet, und zwischen dem Armaturenfortsatz und dem Endbereich ein ringförmiges Endstück mit den Vorsprün­ gen des Fortsatzes entsprechenden Vertiefungen seiner Innen­ fläche angeordnet ist, das in dem faserverstärktem Kunststoff des Wellenstückes fest verhaftet, und an dessen Innenfläche die betreffende Armatur mit ihrem Fortsatz geklebt ist. Da­ durch ergibt sich nämlich die zwangsläufige Drehmomentenüber­ tragung von dem Wellenstück aus faserverstärktem Kunststoff über die darin fest eingebundenen Endstücke und deren Vertie­ fungen auf die Vorsprünge des Fortsatzes jeder Armatur, ohne nennenswerte Beanspruchung der die Endstücke mit den Armatur­ fortsätzen fest verbindenden Klebung und bei formschlüssig festgelegter, genau zentrischer Lage der Endstücke in den an den beiden Wellenendbereichen genau zentrisch fest verhafteten Endstücken. Diese werden in großen Stückzahlen vorgefertigt, vor dem Wickelvorgang im jeweils erforderlichen Abstand auf einen Wickeldorn geschoben und so festgewickelt, daß sie nach dem Härten der Welle und Abziehen derselben vom Dorn praktisch einstückige Teile derselben bilden. In diese werden schließ­ lich je nach Bedarf die Armaturen mit ihren zuvor mit dem Klebe­ mittel beschichteten Fortsatz eingeführt und darin festgeklebt.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung ver­ anschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 teilweise im Längsschnitt den Endbereich einer Antriebs­ welle mit festgeklebter Armatur,

Fig. 2 ähnlich wie in Fig. 1 eine andere Ausführungsform der Antriebswelle,

Fig. 3 einen Querschnitt nach A-B durch die Antriebswelle der Fig. 1 und

Fig. 4 in Stirnansicht den Endbereich einer anderen Aus­ führungsform der Antriebswelle, ohne Armatur.

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 je ein ringförmiges Endstück 5, z. B. aus einem Metall wie Stahl oder Aluminium dauerhaft fest­ gelegt, indem es vor dem Härten in die Faserwicklungen des Wellenstückes 1 bei dessen Fertigung in Wickeltechnik einge­ bunden und darin fest verhaftet ist. Bei der in Fig. 2 gezeig­ ten Ausführungsform der Welle ist das bzw. 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 Be­ festigung der Endstücke 5 in den Wellenendbereichen 3 mit sich, welche auch hohe Zugbeanspruchungen zu widerstehen vermag.

Bei allen Ausführungsformen der Welle ist in jedem Endbereich 3 derselben, nämlich in den dort festgelegten Endstücken 5 eine mit einem Fortsatz 4 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 Epoxid­ basis festgeklebt. Die so an der Welle endseitig festgeklebten Armaturen können in beliebiger Weise z. B. als Teil eines Kreuz­ gelenkes, Kupplungs- oder Flanschteil oder auch als profilierter Wellenstummel ausgebildet sein.

Wesentlich für die dauerhafte Drehfestigkeit sowie die Biege­ wechselfestigkeit 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 Vorsprüngen 6, entsprechend der in gleicher Weise gestalteten sowie mit desgleichen in der Achsrichtung verlaufenden Vertiefungen 7 ausgebildeten Innen­ fläche 8 jedes der Endstücke 5. Diese achsparallelen Vorsprün­ ge 6 bzw. Vertiefungen 7, welche an jedem Fortsatz 4 bzw. Wel­ lenstück 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 zu­ gleich dessen gleichmäßige Verteilung an der Innenfläche 8 je­ des Endstückes 5. Darüber hinaus entlasten diese vorzugsweise als profilierte Rippen bzw. Nuten ausgebildeten Vorsprünge 6 und Vertiefungen 7 beim Einsatz der Welle für die Kraftüber­ tragung, 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 Scherbeanspruchungen. Dadurch können mit dieser Welle langzeitig auch sehr große Drehmomente problemlos übertragen werden, wobei die Festigkeit der Klebeschichten 11 im wesentlichen nur durch in der Achsrichtung der Welle wirk­ same Kräfte beansprucht wird.

Wie zuvor erwähnt, können der Fortsatz zumindest einer Armatur 2 sowie der Bohrungsquerschnitt des betreffenden Wellenend­ stückes in der gleichen Weise polygon, z. B. oktagonal, und/oder konisch gestaltet sein, mit dem Vorteil einer vereinfachten Fertigung bzw. Zentrierung dieser Teile sowie einer noch besse­ ren Verteilung des alle Spalträume zwischen der Innenfläche 8 jedes Endstückes 5 und der Außenfläche 12 jedes Armaturenfort­ satzes 4 ausfüllenden Klebemittels, in welche dieses bei ein­ wärts verjüngter konischer Ausbildung derselben hineingedrückt wird.

Für eine wirtschaftliche Fertigung dieser Welle ist es beson­ ders vorteilhaft, wenn jedes Endstück 5 aus einem gieß- oder spritzbaren Kunststoff besteht, so daß es mit geringem Arbeits­ aufwand in großen Stückzahen vorgefertigt, und in der voraus­ gehend beschriebenen Weise auf einen Wickeldorn in das Wellen­ stück 1 beiderends eingebunden werden kann, wobei ihm durch den es umschließenden Endbereich 3 zusätzliche mechanische Festig­ keit verliehen wird. Für die Herstellung dieser Endstücke 5 eig­ nen sich verschiedene duroplastische oder thermoplastische Kunststoffe bzw. -gemische, beispielsweise Propylenpolymere bzw. -copolymere, die nach ihrer Ausformung bzw. Härtung aus­ reichende Formstabilität und mechanische Festigkeit besitzen.

Die beschriebene Welle läßt sich auf besonders wirtschaftliche Weise herstellen und weist in hervorragendem Maße alle gewünsch­ ten Eigenschaften auf, so daß sie für den langzeitigen Betrieb zur Übertragung großer Kräfte gut geeignet ist.

Claims (7)

1. Antriebswelle, insbesondere Gelenkwelle, mit einem rohrför­ migen Wellenstück (1) aus faserverstärktem Kunststoff und endseitig festgeklebten Armaturen (2) aus Metall, deren jede einen in betreffenden Endbereich (3) des Wellen­ stückes (1) ragende, zum Festkleben der Armatur (2) einge­ richteten, Fortsatz (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (4) mit achs­ parallelen Vorsprüngen (6) ausgebildet, und zwischen dem Armaturenfortsatz (4) und dem Endbereich (3) ein ringför­ miges Endstück (5) mit den Vorsprüngen (6) des Fortsatzes (4) entsprechenden Vertiefungen (7) seiner Innenfläche (8) angeordnet ist, das in dem faserverstärkten Kunststoff des Wellenstückes (1) fest verhaftet, und an dessen Innenfläche (8) die betreffende Armatur (2) mit ihrem Fortsatz (4) ge­ klebt ist.

2. Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes Endstück (5) in den betreffen­ den Endbereich (3) des Wellenstückes (1) kraft- und form­ schlüssig eingebunden und hierzu an seiner Außenfläche (9) mit wenigstens einem umfänglichen Wulst (10) ausgebildet ist.

3. Antriebswelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (4) zumin­ dest einer Armatur (2) und der Bohrungsquerschnitt des betreffenden Wellenendstückes (5) in gleicher Weise polygon, beispielsweise oktagonal gestaltet sind.

4. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor­ sprünge (6) jedes Fortsatzes (4) und/oder die Vertiefungen jedes Wellenendstückes (5) einwärts verjüngt ausgebildet sind.

5. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Außenfläche (12) jedes Fortsatzes (4) und der Innen­ fläche (8) jedes Endstückes (5) eine aus einem Kunstharz auf Epoxidbasis bestehende, dünne Klebe­ schicht (11) angeordnet ist.

6. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Endstück (5) aus einem Metall, z. B. Stahl oder Aluminium, besteht.

7. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Endstück (5) aus einem gieß- oder spritzbaren Kunststoff besteht.