DE3230116A1

DE3230116A1 - Anschlussverbindung fuer treibende oder angetriebene hohlwellen aus faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE3230116A1
Application number: DE19823230116
Authority: DE
Inventors: F.J. Prof. 8000 München Arendts; Manfred Dipl.-Ing. 7302 Ostfildern Klemenz; Ralf Dipl.-Ing. 7022 Leinfelden Schnell
Original assignee: ARENDTS FRANZ JOSEPH PROF
Current assignee: ARENDTS FRANZ JOSEPH PROF
Priority date: 1982-08-13
Filing date: 1982-08-13
Publication date: 1984-02-16

Description

Anschlußverbindung für Hohlwellen sowie
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen derselben.
Die Erfindung betrifft eine Anschlußverbindung für treibende oder angetriebene Hohlwellen aus Faserverbundwerkstoff, insbesondere aus mlt.Kohlefasern verstärktem Kunstharz, nach dem. Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Verfahren.und eine. Vorrichtung zum Herstellen der Anschlußverbindung.
Eine. solche Anschlußverbindung ist z.B. durch die DE-OS 3007896 bekannt geworden. Diese bekannte Verbindung besteht aus einem Faserkunststoffrohr mit. kreisförmigem Querschnitt, in dessen Ende der zylindrische, mit einer Umfangsverzahnung versehene Ansatz des Anschlußstückes so eingepreßt ist, daß die spitze Verzahnung in die Innenwand des als Hohlwelle dienenden. Faserkunststoffrohres einschneidet und mit diesem eine in Umfangsrichtung formschlüssige Verbindung bildet. Ein Aufweiten des Rohrendes wird. durch ein außen darüber. geschobenes Hülsenteil verhindert.
Die in dieser Druckschrift beschriebene Anschlußverbindung weist, insbesondere bei ihrer Verwendung an mit Kohlefasern. verstärkten Kunststoffrohren, einige Nachteile auf, die besonders durch die Sprödigkeit der Kohlefasern bedingt sind. D.iese Fasereigenschaft schließt eine plastische. Verformbarkeit des Verbundwerkstoffes weitgehend aus, so daß die Verzahnung im wesentlichen nur in die innerste Schicht der Kunststoffmatrix eindringt und nur mit dieser einen echten Formschluß bildet, während die Krafteinleitung in die Fasern des Verbundrohres eher nach Art einer kraftschlüssigen bzw. Klebe-Verbindung zwischen dieser Matrixschicht und den Faserschichten erfolgt. Überdies bedingt diese Anschlußverbindung einen relativ geringen Faservolumenanteil in der Hohlwelle, damit. genügend. Matrixmaterial als. Bettungsmasse vorhanden ist und beim Eingriff der Verzahnung in die Innenwand des Rohres keine Fasern heschädigt oder zerstört werden. Im. Interesse der Gewichtsersparnis und der optimalen Werkstoffausnutzung sind jedoch möglichst hohe Faservolumenanteile. wünschenswert.
Bei einer aus der DE-OS-. 2851292 bekannten Kardanwelle aus Faserverbundwerkstoff ist die Hohlwelle durch Aufwickeln von. mit Kunstharz getränkten Fasersträngen auf ein dünnwandiges, le-ichtes Kernrohr gebildet. Die Verbindung der Hohlwelle mit den. in das Kernrohr drehfest eingesteckten Kardanköpfen erfolgt dadurch; daß die Faserstränge auch über einen. Ansatz- jedes Kardankopfes gewickelt werden, der gegenüber dem Außendurchme.sser des Kernrohres ringförmig nach innen eingezogen ist und zur Gewährl.eistung eines Formschlusses in Umfangsrichtung mit Vorsprüngen und.Vertiefungen- versehen ist.
Diese Kardanwelle ist bezüglich. der- Herstellung der Kardanköpfe aufwendig und erlaubt auch nicht die.Herstellung einer über ihre gesamte Länge zylindrischen Hohlwelle als Halbzeug, von der Teilstücke in jeweils erforderlicher Länge abgetrennt werden können.
Ein Wellenkörper mit zumindest innen polygonförmigem. Profil, in das ein entsprechend geformtes Anschlußstück zur Drehmomentübertragung eingesteckt werden kann, ist in der DE-OS 2747910 beschrieben. Das Polygonprofil ist dort als Mehreck mit scharfen Ecken ausgebildet, an denen bei Drehbelastung durch das Anschlußstück unerwünschte Spannungsspitzen im Wellenkörper auftreten.
Im übrigen handelt es sich hierbei nicht um eine Hohlwelle, da der Wellenkörper einen verlorenen Kern aus Schaumstoff aufweist, auf den der Faserverbundkörper in Form eines Kunstharz getränkten Schlauches aufgebracht ist, der vor dem Einsetzen eines Anschluß stückes in den Endbereich der Welle entfernt werden muß. Die bei dieser Konstruktion zz B I verwirklichende Anschlußverbindung ist zur Übertragung großer Drehmomente nicht geeignet, da die an den scharfen Ecken entstehenden Spannungsspitzen keine gute Materialausnutzung zulassen. Überdies ist. durch das Fehlen einer radialen Pressung an den ebenen Flächen des Profils während des Auf ziehens des Faserschlauches nur ein vergleichsweise niedriger Faser-Volumenanteil zu realisieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden und eine Anschlußverbindung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau. eine formschlüssige Verbindung zwischen einer Hohlwelle aus Faserverbundwerkstoff und e.inem in diese eingesteckten. Zapfen ermöglicht, bei der keine Kerbwirkung und keine Spannungsspitzen auftreten und die es erlaubt, relativ hohe Drehmomente zu übertragen. Außerdem soll es möglich sein, die Hohlwelle als Halbzeug zu fertigen, so daß gewünschte Teillängen abgeschnitten und mit den Anschlußelementen. versehen werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anschlußverbindung sowie Verfahren und eine Vorrichtung zu ihrer Herstellung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch das im Anspruch 1 definierte Polygonprofil ohne scharfe Ecken und mit stetigem Übergang der Krümmungen wird zwischen dem Zapfen des Anschluß elements und der Hohlwelle ein hoch beanspruchbarer Formschluß erreicht, bei dem keine Kerbwirkungen und Spannungsspitzen auftreten und Beschädigungen in den Fasern vermieden werden.
Die Konstanz dieses Profiles über die Länge eines z.B.
durch Wickeln über einen entsprechend profilierten Kern hergestellten Wellenhalbzeuges ermöglicht es, Hohlwellen der jeweils benötigten Länge abzutrennen, in deren Enden die Zapfen der Anschlußelemente passen.
Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Polygonpro--£iles. als von einem Vieleck, insbesondere einem gleichseitigen Dreieck abgeleitetes Gleichdickprofil, wie es z.B. als Polygonprofil P 3 G durch DIN 32711 definiert ist.
Die bei der Erfindung verwendete Hohlwelle wird in an sich bekannter Weise durch Aufwickeln von kunstharzgetränkten Fasersträngen ( Rovings ) auf einen das gewünschte Polygonprofil aufweisenden Dorn hergestellt, der über Einspannzapfen an kuppelartigen Endstücken in eine drehbankähnliche Wickelmaschine eingespannt ist. Zwischen den abwechselnd unter etwa + 450 verlaufenden Wickellagen aus den Fasersträngen können axial gerichtete Faserstoffbahnen zur Erhöhung der Biegesteifigkeit eingelegt werden. Der Aufbau und die Dicke des Wickelkörpers bestimmen dessen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften.
Nötigenfalls können di.e Enden der Hohlwelle im Bereich der Anschluß zapfen durch Aufbringen weiterer Wickellagen oder durch eine Metallhülse außen verstärkt werden; werden die zusätzlichen Wickellagen in Umfangsrichtung- mit definierter Vorspannung auf die ausgehärtete und zugeschnittene, bereits mit Endstücken versehene Hohlwelle aufgebracht und bleibt diese Vor spannung nach Aushärten und Tempern der Zusatzlagen erhalten, so ergibt sich eine Druckvorspannung der Hohlwelle: in Umfangsrichtung im Anschlußbereich, die auf die inneren Lagen entlastend bezüglich der Drehmomenteinleitung wirkt.
Um ein Trennen des Wickelkörpers vom Wickeldorn leicht zu ermöglichen, kann auf den Dorn mittels einer profilierten Schablone eine dünne ( z.B. 0,3 mm ) Trennschicht aus einem leicht schmelzenden Material, z.B. Paraffin, aufgetragen werden, die beim Tempern des aufgewickelten Faserverbundkörpers ausgeschmolzen wird.
Eine andere Trennmöglichkeit besteht darin, daß der außen mit einem Antihaftbelag versehene, hohle Wickeldorn nach Aushärtung des Faserverbundkörpers z..B. durch Einleiten von flüssigem Stickstoff, so stark abgekühlt wird, daß durch sein Schrumpfen die Trennung erfolgt. Bei der Verwendung heiß aushärtender Matrixwerkstoffe ergibt sich eine weitere Trennmöglichkeit, falls der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kerns größer ist, als der des Faserverbundkörpers: Beim Abkühlen nach der heiß erfolgten Aushärtung schrumpft der mit einem Antihaftbelag versehene Kern mehr als der Faserverbundkörper, so daß sich auf diesem Wege die Trennung ergibt Obwohl ein Wickeldorn mit einem Polygonprofil P 3 G nach DIN 32711 auf bekannten Werkzeugmaschinen.verhältnismäBig einfach und mit großer Genauigkeit herstellbar ist, kannes insbesondere zur Verwirklichung anderer Polygonprofile zweckmäßig sein-, für den Dorn ein kreiszylindrisches Kernrohr zu verwenden, auf das eine dickere, außen profilierte-Trennschicht mit Hilfe- einer- zum Kern koaxial winkellagenstreu. geführten Schablone aufgetragen-wird. Das Material muß un.ter Berücksichtigung der Ausschmelzbarkeit bei einer für eine werkstoffgerechte Temperung üblichen Temperatur bei Raumtemperatur so druckfest sein, daß es durch die beim Bewickeln auftretenden Druckkräfte nicht unzulässig verformt wird.
Zur Lagescherung , insbesondere gegen etwaige Axialkräfte, kann es zweckmäßig- sein, den Zapfen des Anschlußelementes. in an sich bekannter Weise in die Hohlwelle einzukleben.
Der zur Definition der QuerschnittsforL bei der Erfindung verwendete Ausdruck " Polygonprofil " ist irt Anlehnung an DIN 32711 gebildet worden, obwohl dieser Querschnitt kein echtes Polygon ( Vieleck ) mit scharfen Ecken ist, sondern entsprechend dem Hauptanspruch auf seinem Umfang stets endliche Krümmung aufweist. Im Sinne der Erfindung ist ein Polygonprofil somit ein aus einem Vieleck, insbesondere einem gleichseitigen Dreieck entwickeltes Profil ohne scharfe Ecken, mit stetigem Krümmungsverlauf.
Im Folgenden. sind ein. Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie zugehörige Verfahren und eine Vorrichtung zur Wickelkern-Herstellung- anhand der Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen: Figur; 1 einen. Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße-Anschlußverbindung längs der Linie 1-1 in der Figur 2, Figur 2 eine Stirnansicht der Anschlußverbindung-Figur 3 einen Querschnitt durch die.. Anschlußverbindung im Bereich des Zapfens längs der Linie Ill-Ilt in der Figur 1 in doppeltem Maßstab, Figur 4 einkauf den Maßstab 10:1 vergrößerten Ausschnitt IV aus der Figur 3, Figur 5 einen profilierten massiven. Wickeldorn mit auf gebrachter dünner. Trennschicht im Querschnitt, Figur 6 einen Wickeldorn mit kreiszylindrischem Kern und profilierter Trennschicht im Querschnitt, Figur 7 eine Vorrichtung zum Aufbringen der profilierten Trennschicht.
Bei der in den Figuren 1 und Z dargestellten Anschlußverbindung ist eine erfiniungsgemäß. profilierte. Hohlwelle H aus Faserkunststoff mit einem metallischen Anschlußelement versehen, daß. in Ganzen mit A bezeichnet ist. Das Anschlußelement A besteht aus einem in das Ende der Hohlwelle H eingesteckten, entsprechend deren Innenquerschnitt profilierten Zapfen Z mit einem Anschlagbund B und aus einem mit dem Zapfen Z einstückig verbundenen Kupplungsteil K, das hier ebenfalls als Polygonprofil ausgeführt ist und zur Weiterleitung des Drehmomentes dient. Der Zapfen Z ist zur Masseverminderung und Abmilderung von Steifigkeits-Sprüngen teilweise ausgehöhlt. Im Bereich des Zapfens Z ist die. Hohlwelle H außen mit einer als Umfangsbewicklung ausgebildeten Verstärkung V versehen.
Die. Querschnittsform der Hohlweile. H und des Zapfens Z. sowie der Aufbau der Wickellagen ist in größerem Maßstab aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich Die Hohlwelle.H weist zumindest innen auf ihrer gesamten Länge ein konstantes Polygonprofil P mi.t über seinem Umfang stets endlicher Krümmung, vorzugsweise ein Gleichdickprofil P 3 G nach DIN 32711 auf.
Dargestellt ist in der Figur 3 das Profil 32711-P3G32 mit 32 mm Nennmaß. Mit diesem Profil ist auch der Zapfen Z als Außenprofil ausgeführt. Der Ausschnitt gemäß Figur 4 aus der Figur 3 läßt den Aufbau de-s.. Faserverbundwerkstoffes der + Hohlwelle H aus - 450-Wickellagen W und eingelegten Axiallagen L sowie den der Verstärkung V aus Umfangswicklungen deutlich erkennen.
Aus. der Figur 3 ist auch der Formschluß des Zapfens Z in der Hohlwelle in Drehrichtung durch die Profilierung P ersichtlich,. der unter Vermeidung von scharfen Ecken. und kerbempfindlichen. Verzahnungen erzielt wird.
Die- Herstellung der Hohlwelle H geschieht auf einem entsprechen& prof ilierten- zylindrischen Wickeldorn D, der in.
eine drehbankähnliche Wickelmaschine einspannbar ist und gemäß der Figur 5 aus einem Kern KD besteh.t, der das gewünschte Polygonprofil mit Untermaß aufweist und auf den eine etwa 0,3 mm starke Trennschicht T aus Paraffin auf getragen ist; diese Trennschicht wird beim Tempern des Wickelkörpers ausgeschmolzen.
Eine andere Form des Wickeldornes D' zeigt die Figur 6.
Dieser Wickeldorn besteht aus einem kreiszylindrischen Kern KD', auf den eine dickere Trennschicht T' aufgetragen ist. Der Trennschicht T t wird mittels einer zum Kern RD koaxial winkellagentres verschiebbaren Schablone außen das jeweils für die Hohlwelle. H vorgesehene Profil gegeben.
Eine Ausführungsform der für die Profilierung der Trennschichten T bzw. T1 - erforderlichen Vorrichtung ist in. der Figur 7 dargestellt.
Der für die Ausführung nach Fig. 6 zu verwendende Kern KD wird durch ein das. schmelzflüssige Beschichtungsmaterial BM enthaltendes. Gefäß G bewegt. Für die Einhaltung der Winkellage sorgt ein am Ende des Kerns schnell lösbar angebrachtes Führungsstück, das eine zusammen mit dem Gefäß G an dessen Grundplatte GP angeflanschte Schiene S umgreift.. Eine in eine Bohrung des Gefäßes G eingesetzte Dichtung DI verhindert ein unerwünschtes Austreten des Beschichtmaterials BM. Auf der Dichtungsseite des Gefäßes befindet. sich ein zylindrischer Führungsansatz FA. Die gegenüberliegende Gefäßwand trägt eine Profilschablone Sch, die austauschbar fluchtend zum Führungsansatz FA angebracht ist.
Wird der etwa Raumtemperatur aufweisende Kern KD in Pfeilrichtung mit einer z.um.Erreichen einer bestimmten Schichtstärke geeigneten Geschwindigkeit durch das Gefäß G bewegt, erstarrt an seiner Oberfläche das Beschichtungsmaterial BM; diese erstarrte, am Kern haftende Schicht wird durch die Schablone Sch auf das gewünschte Profil gebracht. Ist der Kern soweit eingeschoben, daß das Führungsstück F am Führungsansatz FA anschlägt, so wird das Führungsstück am Kern gelöst und dieser vollends durch das Gefäß gezogen. Dabei werden möglichst gleichzeitig die Öffnungen des Gefäßes G geschlossen, um das Auslaufen des Beschichtungsmaterials BM zu vermeiden.
Wird ein Kern RD gemäß Figur 5 verwendet, der bereits das Sollprofil mit Untermaß aufweist, so-kann auf die Schiene 5 und das. Führungsstück F verzichtet werden, wenn der Führungsansatz FA ein entsprechendes Innenprofil aufweist, das die Winkellagentreue. sicherstellt.
In beiden. Fällen kann es' erforderlich sein, lange Kerne KD bzw. KD' auf der beschichteten Seite zu. stützen, um die durch das. Eigengewicht auftretende, die Konzentrizität der Beschich.tung störende Durchbiegung zu vermeiden.
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Claims

Patentansprüche S AnschluBverbindung für treibende oder angetriebene Hohlwellen aus Faserverbundwerkstoff, insbesondere aus mit Kohlefasern verstärktem Kunstharz, bestehend aus der rohrförmigen Hohlwelle und aus einem das Drehmoment übertragenden Anschlußelement mit einem in ein Ende der Hohlwelle eingesteckten, durch Umfangsprofilierung mit der Hohlwelle in Drehrichtung formschlüssig verbundenen Zapfen., wobei das Anschlußelement an seinem dem Zapfen abgewandten Teil Kupplungsmittel für die Zu- oder Ableitung des Drehmoments aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß a) die rohrförmige Hohlwelle (H) zumindest innen auf ihrer gesamten Länge ein konstantes Polygonprofil ohne scharfe Kanten mit über seinem Umfang stets endlicher Krümmung, z.B. ein Gleichdickprofil P 3 G nach DIN 32.711, aufweist, b) der Zapfen (Z) des Anschlußelementes (A) mit einem Außenprofil versehen ist, das mit dem Innenprofil der Hohlwelle (H) übereinstimmt und in dieses passend einsteckbar ist.
2. Anschlußverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (Z) des Anschlußelementes (A) in das Ende der Hohlwelle (H) eingeklebt ist.
3. Anschlußverbindung- nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (H) ein über einen zylindrischen, entsprechend dem Innenprofil (P) außenprofilierten Dorn (D) gewickelter Faserverbundkörper mit hohem. Faservolumengehalt ist, der abwechselnd entgegengesetzt unter etwa + 450 geneigte Wickellagen und dazwischen. axial gerichtete Einlagen aus dem Fasermaterial, insbesondere aus Kohlefasern aufweist, wobei der Lagenaufbau in Achsrichtung konstant ist.
4. Anschlußverbindung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Hohlwelle (H) im Bereich der eingesteckten Zapfen (Z) am Umfang, insbesondere durch weitere, in Umfangsrichtung orientierte Wickellagen (V), verstärkt sind.
5. Anschlußverbindung nach. Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Wickellagen (V) unter definierter, nach Aushärten und Tempern erhalten bleibender Vorspannung auf gebracht sind.
6. Verfahren zum Herstellen. von. Hohlwellen für Anschlußverbindungen nach. Anspruch 3 bis 5, dadurch. gekeiinzeichnet, daß auf den in. eine Wickelmaschine, z.B. nach Art einer Drehbank, einspannbaren zylindrischen Kern KD eine Trennschicht T aus niedrig schmelzendem Material, z.B. aus Paraffin, aufgebracht. wird, die durch eine achsparallel und winkellagentreu auf dem Kern geführte Schablone das jeweils erforderliche Außenprofil (P) erhält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht beim Tempern nach der Aushärtung des aufgewickelten Faserverbundkörpers der Hohlwelle ausgeschmolzen wird.
8. Verfahren nach;Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,. daß. der Wickeldorn (D) einen kreiszylindrischen Kern KD' aufweist, auf den eine entsprechend dicke profilierte Trennschicht (T') mittels einer axial und winkellagentreu geführten Schablone aufgebracht wird.
Figur 6 9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen profilierten Kern KD eine dünne ( etwa 0,3 mm ) Trennschicht ( T ) aufgebracht wird. ( Figur 5 10*Vorrichtung zum Profilieren der Trennschicht nach Anspruch 6,8 oder 9 ( Figur 7 ), dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Trennschicht zu versehende Kern KD bzw.
KD' durch ein das. schmelzflüssige Beschichtungsmaterial enthaltendes Gefäß G in Längsrichtung bewegbar ist, das mit einem Führungsansatz FA und der Profilschablone Sch ausgestattet ist, die an einer öffnung des Gefäßes G gegenüber dem Führungsansatz FA fluchtend zu diesem angebracht ist.
11 Verfahren zum: Trennen der Hohlwelle nach. Anspruch 3 von ihrem Wickeldorn, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einem Antihaftbelag versehene hohle Wickeldorn nach Aushärten des aufgewickelten Faserverbundkörpers der Hohlwelle z.B. durch einleiten von flüssigem Stickstoff, plötzlich stark abgekühlt wird.
12. Verfahren zum Trennen der Hohlwelle nach Anspruch 3 von ihrem Wickeldorn, gekennzeichnet durch Verwendung eines heiß. aushärtendem Kunstharzes als Matrixwerkstoff für den Faserverbundkörper, so daß der Dorn aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausffiehnungskoeffizienter nach dem Aushärten. und Abkühlen entfernt werden kann.