DE3331789A1 - Verfahren zur herstellung einer antriebswelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer antriebswelle

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Leon W. 43616 Oregon Ohio Valencic
Barry L. 43612 Toledo Ohio Zackrisson
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Dana Inc
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Description

Patentanwälte Dr. rer. net. Thomas Berendt
Dr.-ftvj. Hens I.eyh Innere Wiener :\-. co . D 0000 München 60
Unser Zeichen: A 14 Lh/fi
DANA CORPORATION
4500 Dorr Street
Toledo, Ohio, U.S.A.
Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle
A 14 686
u. „ Dana Corp.
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle, insbesondere die Verbindung eines rohrförmigen, faserverstärkten Harzteiles mit einem Metallteil zur Bildung einer Antriebswelle, die Torsionsbelastungen übertragen kann.
Es sind schon einige Verfahren vorgeschlagen worden zur Verbindung einer Hohlwelle oder eines Rohres mit dem Gabelkopf oder dem Joch eines Kardangelenkes, keines dieser Verfahren hat aber befriedigt.
Beispielsweise wird nach dem US-Patent 4 236 386 ein faserverstärktes Kunststoffrohr mit einer Metallhülse verbunden, die eine unregelmäßige Oberfläche hat, wodurch eine Verankerung mit dem Rohr erreicht werden soll. Eine ähnliche Verbindung ist in dem US-Patent 4 238 540 beschrieben. In beiden Fällen wird dann die metallische Hülse an ein Antriebsteil, z.B. ein metallisches Joch eines Kardangelenkes angeschweißt. In dem US-Patent 4 190 479 wird eine faserverstärkte rohrförmige Welle mit einem Joch verbunden, das ein Paar im Abstand angeordneter zylindrischer Wände hat, die eine ringförmige Nut zwischen sich bilden, in welcher das Ende des Rohres aufgenommen ist. Ein Joch dieser Art ist teuer und relativ aufwendig und schwierig in der Herstellung. Nach einem Verfahren, das in dem US-Patent 3 553 978 beschrieben ist, wird das faserverstärkte Kunstharzrohr direkt auf eine unregelmäßige Oberfläche eines Joches aufgewickelt.
In allen Fällen muß das Rohr speziell für die zusammenzubauende Welle hergestellt werden und der aus Metall bestehende Teil hat eine für die Herstellung aufwendige und schwierige Form.
Ferner ist aus dem US-Patent 4 256 412 eine zusammengesetzte Welle bekannt, mit einem sich verjüngenden Ende, aber auch diese Ausführungsform war nicht befriedigend.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle, die aus einem rohrförmigen Wellenabschnitt besteht, der mit einem seiner Enden direkt mit einem Antriebsteil, z.B. dem metallischen Joch eines Kardangelenkes, verbunden ist. Der rohrförmige Abschnitt wird hierzu aus einem langen, einstückigen Rohr abgetrennt. Das letztere ist lange genug, damit mehr als ein Wellenstück für mehr als eine Welle aus ihm erhalten werden können. Dieses Rohr wird mit einem metallischen Antriebsteil verbunden, wobei das rohrförmige Teil direkt auf die erforderliche Länge geschnitten werden kann, wodurch die Kosten verringert werden können, da es nicht erforderlich ist, eine Mehrzahl von verschiedenen rohrförmigen Wellen der erforderlichen Längen vorzufertigen und auf Lager zu legen.
Der Innendurchmesser am Ende des Rohres wird dann kegelförmig bearbeitet, mit einem Winkel im Bereich von 1°-5° relativ zur Längsachse des Rohres, wobei der größere Durchmesser des kegelförmigen Abschnitts am offenen Ende des Rohres liegt. Die entsprechende Außenfläche des metallischen Antriebsteiles wird mit einem entsprechenden Kegelwinkel bearbeitet, so daß das metallische Element in das Rohr eingesetzt werden kann, wobei das einzusetzende Ende das Ende der Verjüngung mit dem kleineren Durchmesser ist. Die Verjüngung dieses Teiles sollte der Verjüngung des Rohrs entsprechen und im Bereich von 0,025 bis 0,125 mm liegen. Die Länge der Überlappung der beiden Teile wird so gewählt, daß eine ausreichende Sicherheit bezüglich der Torsions-Scherkräfte gewährleistet ist, wenn die beiden Teile miteinander verbunden werden, wie noch beschrieben wird. Als Bindemittel zur Verbindung des metallischen Teiles mit dem Rohr kann ein Epoxyharz verwendet werden, welches Mittel enthält, die gewährleisten, daß beim Einschieben des metallischen Teiles in das Rohr das Bindemittel im gesamten Verbindungsbereich eine ausreichende Dicke hat. Diese Mittel sind vorzugsweise kleine, im wesentlichen kugelige Distanzelemente, die eine beträchtliche Druckfestigkeit haben und die mit dem Bindemittel gemischtwerden, um einen Abstand zwischen dem metallischen Element und dem Rohr zu gewährleisten, zu große Abstände jedoch zu vermeiden. Durch Kontrolle bzw. Auswahl der Größe der kugelförmigen Elemente, die vorzugsweise Glaskugeln sind, kann der radiale und longitudinal Abstand zwischen den beiden Teilen eingestellt werden. Auch die Geradlinigkeit der zusammengebauten Teile kann auf diese Weise kontrolliert bzw. eingestellt werden.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Teils einer Antriebswelle nach der Erfindung zeigt.
Fig. 2 zeigt vergrößert einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1, wobei auch der Kegelwinkel und der Abstand zwischen dem Rohr und dem Metall teil aus Gründen der Übersichtlichkeit größer dargestellt sind.
Die in Fig. 1 gezeigte Antriebswelle 10 umfaßt eine rohrförmige Welle 12, die mit einem üblichen Joch 14 eines Kardangelenkes in erfindungsgemäßer Weise verbunden ist. Die Rohrwelle 12 kann von verschiedenen Anbietern bezogen werden und sie wird z.B. in Längen gekauft, die genügend groß sind, damit mehrere Rohre 12 abgetrennt werden können zum Zusammenbau mehrerer Wellen 10.
Das Rohr 12 besteht aus einer inneren Schicht 16 aus Fiberglas, das hergestellt wird, indem Fiberglas bzw. Glasfasern um einen geeigneten Dorn gewickelt wird, wobei durch die Galsfasern eine Matrix aus einem wärmehärtenden Harz verstärkt wird, in welchem sie gewickelt werden, wodurch das Rohr die erforderliche Stärke und Dauerfestigkeit erhält. Die Glasfasern werden in Winkeln von etwa +_ 45° relativ zu einer Linie parallel zur Längsachse des Rohres 12 gewickelt. Die Glasfasern nehmen im wesentlichen die auf das Rohr wirkenden Torsionsbelastungen auf. Auf die Schicht 16 aus glasfaserverstärktem Kunststoff, sogenanntem Fiberglas, wird eine Schicht aus Kohlenstoff-Graphit-Fasern 18 aufgebracht, die die Fiberglas-Schicht in Umfangsrichtung umgibt und die ebenfalls in eine Matrix aus wärmehärtendem Harz eingebettet ist, die sich mit dem äußeren Umfang der Fiberglas-Schicht 16 verbindet. Die Graphit-Fasern 18 verlaufen im wesentlichen in Längsrichtung des Rohres 12 und geben diesem im wesentlichen seine Steifheit. Soweit die Graphit-Fasern von der exakten Längsrichtung des Rohres 12 abweichen, nehmen sie auch Torsionsbel&stungen auf. Die Steifigkeit, die sie dem Rohr in Längsrichtung geben, dient zur Kontrolle bzw. Herbeiführung einer gewünschten Biegefestigkeit des Rohres und damit der Einstellung bzw. Kontrolle der kritischen Drehzahl der Welle
Auch die Schicht 16 trägt zur Einstellung der Biegefestigkeit und der kritischen Drehzahl bei.
Zur Herstellung des Rohres 12 ist nur die Angabe des Innen- und Außendurchmessers erforderlich, die erforderliche kritische Drehzahl, die Torsionsfestigkeit und die Dauerfestigkeit für den speziellen Anwendungsfall, worauf die Schichten 16 und 18 entsprechend variiert werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten. Ferner wird die Gesamtlänge des Rohres angegeben, von dem dann die einzelnen Abschnitte, die die gewünschte Länge des Rohres haben, abgetrennt werden können. Für einen Personenkraftwagen oder einen leichten Lastkraftwagen eignen sich z.B. folgende Werte: Rohrlänge 176 cm, Rohrinnendurchmesser 9,5 cm, Rohraußendurchmesser 10,1 cm, kritische Drehzahl 6000 U/min,Torsionsfestigkeit 34300 cm.kp, Dauerfestigkeit (nach dem Zusammenbau) 75000 Umläufe bei einer Belastung von 13700 cm.kp. Eine Welle mit diesen Werten benötigt eine Verbindungslänge von 6,4 cm, um eine Scherfestigkeit von weniger als 35 kp.cm2 zu erreichen, wenn die Welle 10 zusammengebaut ist, wobei ein ausreichender Sicherheitsfaktor berücksichtigt ist. Die effektive Länge der Verbindung zwischen dem Rohr 12 und dem metallischen Teil 14 für einen gegebenen Anwendungsfall kann berechnet werden nach folgender Gleichung:
(2 R2) TA
Hierin sind L = die Länge der Verbindung
T = das angelegte Drehmoment
R = der Radius zur Mitte der Verbindungslinie T. = die zulässige durchschnittliche Torsions-Scherbelastung.
Wie Fig. 2 zeigt, ist die äußere Umfangsfläche 20 des Joches 14 kegelig verjüngt ausgebildet, mit einem Kegelwinkel von 1°, wobei das rechte Ende des Joches einen kleineren Durchmesser hat als das linke Ende des kegelförmigen Teils. Die axiale Länge dieser kegeligen Fläche beträgt in dieser bevorzugten Ausführungsform 6,4 cm, und die Kegel fläche 20 kann durch Schleifen oder Drehen hergestellt werden. Der erwünschte Bereich der Ver-
jlingung liegt bei 1-5°. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsforni hat die Verjüngung einen Winkel von 1°.
Die Innenfläche 22 des äußeren Endes 24 des Rohres 12 hat ebenfalls eine Verjüngung von im wesentlichen 1° in entsprechender Richtung wie die Verjüngung auf der Außenfläche 20 des Joches 14, so daß die beiden Flächen im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Der Rohrabschnitt 12 wird von einem langen, nicht gezeigten Rohr abgeschnitten, welches langer ist als der Rohrabschnitt 12 und von welchem mehrere Rohrabschnitte 12 abgeschnitten werden können, um mehrere Antriebswellen 10 herzustellen. Da beispielsweise in der beschriebenen Ausführungsform die Länge des Rohres 12 176 cm beträgt, kann die Länge des Rohres, von welchem der Rohrabschnitt 12 abgeschnitten wird, ein mehrfaches dieser Länge sein, plus dem Materialverlust für das Abschneiden der gewünschten Längen von dem langen Rohr. Sollen Wellen unterschiedlicher Längen hergestellt werden, beispielsweise eine Welle,die ein Rohr mit 176 cm und eine Welle, die ein Rohr mit 100 cm benötigt, so kann ,die,Länge des langen Rohres die Summe dieser Längen sein plus ausreichend Material für das Abschneiden. Durch die Verwendung langer/ Rohre5 von denen, die erforderlichen endgültigen Längen abgeschnitten werden können, werden Kosten und Lagerhaltung reduziert.
Nachdem das Roty 12 in gewünschter Länge abgeschnitten worden ist,. ζ,,Β. (.„,c mittels einer Drehbank oder Säge,, wird die Innenfläche 22 des äußeren Endes 24 und die Innenfläche des gegenüberliegenden äußeren Endes,, falls diese ebenfalls mit einem Joch verbunden wird,, durch Schleifen oder Drehen bearbeitet, so daß sie eine Verjüngung bzw. Kegel fläche zwischen 1° und 5° erhält. Der gewählte Kegelwinkel sollte zweckmäßigerweise derselbe sein, wie der Kegelwinkel am Joch. Die Länge dieser Verjüngung beträgt z.B. 6,4 cm.
Nachdem das Joch 14 und das Rohr 12 bearbeitet worden sind und die gewünschte Kegelfläche erhalten haben, wird ein spezielles Bindemittel 26 auf die äußere Kegelfläche 20 des Joches 14 aufgebracht und dieses axial in die Kegelfläche des Rohres 12 eingeführt und eingepreßt, wie nachfolgend beschrieben wird.
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Ein geeignetes Bindemittel ist ein Zwei-Komponenten-Epoxyharz, das unter der Nummer EA 9410 von der Firma Hysol Division of The Dexter Corporation, Pittsburg, Kalifornien, USA, vertrieben wird. Dies ist ein Zwei-Komponenten-Kleber mit einer Scherfestigkeit von 316 kp/cm2 bei einer Temperatur von 210C, der bei Zimmertemperatur oder bei höherer Temperatur ausgehärtet werden kann. Als Dicke der Klebstoffschicht werden 0,025bis 0,25 mm empfohlen.
Wenn der Klebstoff nach dem Mischen verwendet und das verjüngte Ende 24 des Rohres auf die kegelige Außenfläche 20 des Joches 14 gepreßt wird, fehlt jede Kontrolle bzw. Einstellung der Dicke der Klebstoffschicht. Wenn daher eine zu hohe Axial kraft ausgeübt wird, kann der Klebstoff zu stark aus dem Spalt zwischen den beiden Teilen hinausgequetscht werden, so daß ein direkter Kontakt zwischen dem Rohr und dem Joch entsteht. Wenn andererseits die Axial kraft beim Aufpressen zu gering ist, kann die Schichtdicke des Klebstoffes zu groß werden, oder der Klebstoff tritt nicht in Kontakt, sowohl mit.dem Rohr als auch mit dem Joch, so daß keine oder keine ausreichende Klebwirkung zwischen dem Rohr und dem Joch entsteht.
Um dies zu vermeiden, wird vor dem Aufbringen des Klebstoffes dieser mit Glaskugeln hoher Qualität gemischt, in einem Volumenanteil von einem Teil Glaskugeln auf zehn Teile Klebstoff, wodurch eine Bindemittel 26 erhalten' wird, das sich für die Erfindung eignet. Die Glaskugeln wirken wie kleine Kugellager während des Zusammenbaus und als Distanzstücke während des Aushärtens. ' ■ .
Glasperlen dieser Qualität können von der Firma John-Manville Corporation, Waterville, Ohio, USA, unter der Bezeichnung #325 Güteklasse A bezogen werden. Diese Glasperlen haben eine hohe Druckfestigkeit und eine nominelle Durchschnittsgröße von 0,075 mm mit einer Toleranz von + 0,05 mm bis - 0,0125 mm.
Wie Fig. 2 zeigt, sind die Glaskugeln mit dem Klebstoff vermischt und eine Schicht 26 aus dem Klebstoffgemisch wird auf die kegelige Oberfläche 20 des Joches aufgebracht. Die Schicht 26 besteht aus Glaskugeln 28 und Klebstoff Da die Glasperlen 28 eine nominelle Durchschnittsgröße von 0,075 mm haben und
eine positive Toleranz von 0,05 mm ist die Schichtdicke des Bindemittels etwas größer als 0,125 mm, wobei auch die Kugeln mit dem größten Durchmessen vollständig umhüllt sind. Wenn gewünscht, kann das Bindemittel 26 auch auf die kegelige Innenfläche 22 des Rohres 12 oder auf beide Kegelflächen aufgebracht werden, es wird aber in diesem Fall manchmal zuviel Bindemittel in das Rohr hineingedrückt. Es wird vorgezogen, das Bindemittel auf die Außenfläche des Joches aufzubringen, da in diesem Fall überschüssiges Bindemittel nach vorn aus dem Rohr hinausgedrückt wird, wo es leicht entfernt werden kann.
Beim Einführen des Joches 14 ins äußere Ende des Rohres 20 wird eine axiale Kraft aufgebracht, während gleichzeitig das Joch und das Rohr in Umfangsrichtung leicht relativ zueinander verdreht werden, um zu gewährleisten, daß ein direkter Kontakt der Kugeln zu den Flächen des Rohres und des Joches erreicht wird und keine Kugeln sich übereinanderschieben oder -schichten. Da die Kugeln rund sind, rollen sie und bewirken eine gleichmäßige Schichtdicke, wenn beim Zusammenbau die axialen und Umfangsbewegungen ausgeführt werden. Dieser direkte Kontakt mit den Kugeln gewährleistet, daß eine gute Klebwirkung in Längsrichtung und in Umfangsrichtung der Kegelflächen vorhanden ist. An manchen Stellen werden nur die größeren Kugeln 28 in Kontakt mit beiden Teilen stehen, an anderen auch kleinere Kugeln, die gewünschte Schichtdicke wird aber bei den gegebenen Toleranzen der Kugeln eingehalten. Gleichzeitig mit der Verbindung des Rohres mit dem Joch 14 kann das andere Ende des Rohres 12 mit einer Antriebswelle aus Metall verbunden werden. Auch andere Wellenteile aus Metall, z.B. Stummelwellen o.dgl., können mit dem Rohr verbunden werden, um eine Antriebswelle nach der Erfindung zu schaffen.
Das Aufbringen des Bindemittels 26 kann in bekannter Weise erfolgen, z.B. mit Hilfe einer Spatel o.dgl.. Auch andere automatische Möglichkeiten stehen bei größerer Produktion zur Verfugung. Anstatt das Ende des Joches in das Rohr einzuschieben, kann auch das Rohr über das Joch geschoben werden.

Claims (8)

A 14 686 Dana Corp. Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle, insbesondere zur Verbindung eines rohrförmigen Teiles aus faserverstärktem Kunststoff mit einem Metallteil zur Bildung der Antriebswelle, die in der Lage ist, Torsionskräfte zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr bereitgestellt wird, daß von diesem Rohr eine vorgegebene Länge abgeschnitten wird, daß die Innenfläche an wenigstens einem Ende dieses Rohrabschnittes kegelförmig bearbeitet wird, daß ein metallisches Verbindungsstück mit einem axialen Ende gebildet wird, das kegelförmig bearbeitet wird, derart, daß der Kegelwinkel im wesentlichen dem Kegelwinkel der Kegelfläche des Rohres entspricht, daß ein Bindemittel, bestehend aus einem Klebmittel und Distanzstücken, vorbereitet wird, daß dieses Bindemittel auf wenigstens eine der Kegelflächen aufgebracht wird, daß das sich verjüngende Ende des metallischen Verbindungsstückes in das kegelförmige Ende des Rohres eingeschoben wird, bis die Distanzstücke beide Kegelflächen berühren und im Abstand halten, und daß das Bindemittel ausgehärtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel auf die kegelförmige Fläche des metallischen Verbindungsstückes aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorbereitung des Bindemittels der Klebstoff mit einer Vielzahl von im wesentlichen kugelförmigen Distanzstücken gemischt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kugelförmigen DistanzstUcke Glaskugeln sind, die mit dem Klebstoff vermischt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskugeln
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eine nominelle Durchschnittsgröße von 0,075 mm haben mit einer Toleranz von + 0,05 mm bis - 0,0125 mm.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel der Innenfläche des Rohres und der der Außenfläche des metallischen Verbindungsstückes im Bereich von 1° bis 5° liegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsetzen des kegelförmigen Endes des metallischen Verbindungsstückes in das Rohr die beiden Teile relativ zueinander in Umfangsrichtung gedreht werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Länge und Durchmesser der kegelförmigen Flächen so gewählt werden, daß die im Bindemittel im Betrieb auftretende Scherspannung weniger als 35 kp/cm2 beträgt.
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