DE3341368C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebswelle aus faserverstärktem Kunststoff der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle mit den Merkmalen nach Anspruch 3.

Eine solche Antriebswelle ist aus dem DE-GM 79 36 056 bekannt und weist einen rohrförmigen Hauptteil, bestehend aus wendelförmig gewickelten, in einer Matrix aus gehärtetem Kunststoff eingebette­ ten Kohlenstoff-Fasern, sowie an die Enden des Hauptteils ange­ schlossene, metallische Anschlußelemente auf, die von der Matrix und den Faserwickellagen fest umschlossen sind; dabei ist die zunächst in ungehärtetem Zustand die Anschlußelemente umgebende Kunststoffmatrix des Hauptteils durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet.

Eine ähnliche Antriebswelle geht aus der DE-OS 28 51 293 hervor, wobei als metallisches Anschlußelement eine Buchse dient, die die Form eines zylindrischen Ringes hat und in einem Ende des rohrförmigen Hauptteils aufgenommen ist. Diese Buchse weist eine radial nach außen gerichtete Fläche auf, auf der der rohrförmige Hauptteil befestigt ist. An der Buchse ist das Joch eines Kardan­ gelenkes angebracht.

Schließlich geht aus der DE-OS 30 07 896 eine Anschlußverbindung für Faser-Kunststoffrohre, insbesondere Hohlwellen von Kraftfahr­ zeugen, hervor, bei der ein an ein Ende einer Welle aus faserver­ stärktem Kunststoff angeschlossenes metallisches Endstück mittels eines bandagenartigen, z. B. durch Wickeln hergestellten Abstütz­ elementes, das von außen einen Radialdruck auf das Wellenende ausübt, mit der Kunststoffwelle verbunden ist. Dabei muß jedoch das Endstück eine Umfangsverzahnung aufweisen und derart auf die Kunststoffwelle aufgepreßt werden, daß das Endstück in Drehrich­ tung mit der Kunststoffwelle eine formschlüssige Verbindung bildet.

Wird eine solche Antriebswelle in der Weise hergestellt, daß die zunächst in ungehärtetem Zustand die Anschlußelemente umgebende Kunststoffmatrix durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet wird, so erge­ ben sich bei dem für die Dämpfungseigenschaften günstigen Wickel­ winkelbereich von 45 bis 75° zur Achse der Welle jedoch aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnung der faserverstärkten Kunststoff- Schicht einerseits und der Anschlußelemente andererseits unbefrie­ digende Haftungsbedingungen im Bereich der Verbindung zwischen dem Kunststoffteil der Welle und den metallischen Anschlußelemen­ ten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Antriebs­ welle aus faserverstärktem Kunststoff der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der eine optimale Haftung im Bereich der Verbin­ dung zwischen dem Kunststoffteil der Antriebswelle und den metalli­ schen Anschlußelementen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen dieser Antriebswelle werden durch die Merkmale der Unteransprüche 2 und 3 definiert.

Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle mit den Merkmalen nach Anspruch 3 wird durch den Anspruch 4 vorgeschla­ gen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß die Antriebswelle im Bereich der metallischen Anschlußelemente von einer zusätzlichen Schicht aus faserverstärktem Kunststoff umgeben ist; dabei wird der Wickelwinkel - je nach Art der für diese Zu­ satz-Schicht verwendeten Fasern - so gewählt, daß diese Zusatz- Schicht bestimmte, geeignete Wärmedehnungseigenschaften hat, damit die aus den Anschlußelementen und den zunächst ungehärteten Kunst­ stoff-Schichten vormontierte Antriebswelle beim Aushärten durch Wärmeeinwirkung in ihren Endbereichen von den Zusatzschichten wie von einen Radialdruck erzeugenden Bandagen umgeben ist.

Dadurch wird es wiederum möglich, die Kohlenstoff-Fasern des rohr­ förmigen Hauptteils der Antriebswelle unter einem Winkel von 45 bis 75° zu wickeln, wodurch sich eine mechanisch hoch beanspruch­ bare Antriebswelle mit guten Dämpfungseigenschaften ergibt.

Eine eventuelle Zugbeanspruchung an der Grenzfläche zwischen den mechanischen Anschlußelementen und der Kunststoffmatrix wird also durch den von der äußeren Schicht ausgeübten Radialdruck kompen­ siert, so daß sich eine sehr stabile Verbindung zwischen dem rohr­ förmigen Hauptteil und den metallischen Anschlußelementen ergibt.

Die wendelförmig gewickelten Fasern der äußeren Schicht sollten in Umfangsrichtung eine größere lineare Wärmeausdehnung haben als die Kohlenstoff-Fasern des rohrförmigen Hauptteils; die Diffe­ renz in den Wärmeausdehnungen sollte so abgestimmt sein, daß der von der äußeren Schicht ausgeübte Radialdruck die verbleibende Zugbeanspruchung an der Grenzfläche zwischen den metallischen Anschlußelementen und dem rohrförmigen Hauptteil vollständig kom­ pensiert. Zweckmäßigerweise ist die radiale Wärmeausdehnung der äußeren Schicht im wesentlichen gleich der der metallischen An­ schlußelemente, so daß praktisch keine Beanspruchung an der Grenz­ fläche zwischen den metallischen Anschlußelementen und dem rohr­ förmigen Hauptteil zurückbleibt.

Zu den Fasern, welche die oben erwähnten Anforderungen erfüllen, gehören Kohlenstoff-Fasern, Glas-Fasern, Polyester-Fasern und Aramid-Fasern.

Wegen ihrer anisotropen Eigenschaften sind Kohlenstoff-Fasern besonders geeignet. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Fa­ sern liegt darin, daß das Aufwickeln kontinuierlich, beginnend mit der Bildung des rohrförmigen Hauptteils, weitergeführt werden kann, indem einfach der Wicklungswinkel geändert wird.

Der Winkel der Faserwicklungen in der äußeren Schicht ändert sich in Abhängigkeit von den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Fasern. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sollte der Wicklungswinkel der kontinuierlichen Fasern in der äußeren Schicht 5 bis 40° zur Achse der Antriebswelle betragen.

Bei Verwendung von Kohlenstoff-Fasern werden gute Ergebnisse mit einem Wicklungswinkel von 15 bis 30° erreicht.

Obwohl an sich die äußere Schicht über dem gesamten, rohrförmigen Hauptteil ausgebildet werden kann, sollte zur Erzielung einer maximalen Dämpfungswirkung die äußere Schicht nur auf den Berei­ chen des Hauptteils vorgesehen werden, die die Anschlußelemente umgeben.

Das wendelförmige Wickeln von Fasern führt zu einer Struktur, bei der die Fasern, die in einem bestimmten Winkel zur Achse der Antriebswelle ausgerichtet sind, sich mit den Fasern kreuzen, die unter dem entgegengesetzten Winkel verlaufen. Eine Gesamtstruk­ tur, bei der sich die wendelförmig gewickelten Fasern so kreuzen, als wenn sie miteinander verwebt waren, ist wegen der sich dabei ergebenden mechanischen Eigenschaften besonders zweckmäßig.

Eine Alternative hierzu liegt in einer Struktur, bei der sich Faser-Schichten, die wendelförmig in einer Richtung gewickelt sind, mit Faser-Schichten abwechseln, die wendelförmig in entgegen­ gesetzter Richtung gewickelt sind.

Die Kohlenstoff-Fasern des rohrförmigen Hauptteils sowie die Fa­ sern der äußeren Schicht können in Form von Monofilaments bzw. Endlosgarn, Litzen, Vorgarn- bzw. Vorgespinst, Roving bzw. Seiden­ strängen, Garnen bzw. Fäden, Bändern usw. eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht, von der Seite gesehen, einer Antriebswelle aus faserverstärktem Kunststoff,

Fig. 2(a) und (b) Darstellungen von zwei verschiedenen Verfahrens­ schritten bei der Herstellung einer solchen Antriebswelle, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (in Umfangsrich­ tung) von rohrförmigen Hauptteilen aus verschiedenen, wendelförmig gewickelten Fasern und den Winkeln dieser Fasern zur Achse des rohrförmigen Hauptteils.

Wie man in Fig. 1 erkennt, weist eine allgemein durch das Bezugs­ zeichen 1 angedeutete Antriebswelle aus faserverstärktem Kunst­ stoff einen rohrförmigen Hauptteil 2, der aus wendelförmig ge­ wickelten, in einer Matrix aus gehärtetem Kunststoff eingebetteten Kunststoff-Fasern besteht, zwei rohrförmige, an die Enden des Hauptteils angeschlossene metallische Anschlußelemente 3, 3, die koaxial in den beiden Enden des rohrförmigen Hauptteils 2 angeord­ net sind, sowie zwei Hilfshülsen 4, 4 auf.

Jedes Anschlußelement 3 hat eine mit einer Keilnut versehene, innere Oberfläche, die mit einer antreibendenWelle oder einer angetriebenen Welle gekuppelt werden kann. In jedem Anschlußele­ ment 3 ist eine Hilfshülse 4 angebracht und enthält eine konische Oberfläche, so daß der rohrförmige Hauptteil 2 einen Durchmesser hat, der vom Hauptbereich der Welle allmählich zum Bereich der Anschlußelemente zunimmt.

Der rohrförmige Hauptteil 2 besteht aus einer inneren Schicht 6 und einer äußeren Schicht 7; die innere Schicht 6 wird durch wendelförmiges Wickeln von kontiuierlichen, mit Harz beschichte­ ten Kohlenstoff-Fasern in einem Winkel von 45 bis 75°, insbesonde­ re 50 bis 65°, zur Achse der Antriebswelle 1 ausgebildet; die äußere Schicht 7 wird durch wendelförmiges Wickeln von kontinuier­ lichen, mit Harz beschichteten Kohlenstoff-Fasern um die innere Schicht 6 in einem Winkel von 5 bis 40°, insbesondere 15 bis 30°, zu der Achse der Antriebswelle 1 hergestellt. Nach einer bevorzug­ ten Ausführungsform werden die Kohlenstoff-Fasern in der inneren Schicht 6 wendelförmig in einem Winkel von 60° und in der äußeren Schicht 7 in einem Winkel von 30° gewickelt. In einem solchen Fall hat die innere Schicht 6 die maximale Dämpfung, während die äußere Schicht 7 eine Wärmeausdehnung hat, die im wesentlichen im gleichen Bereich wie die Wärmeausdehnung der metallischen An­ schlußelemente 3 liegt, die im allgemeinen aus Stahl hergestellt werden; die entsprechenden Beziehungen lassen sich aus Fig. 3 ableiten.

Aufgrund der unterschiedlichen radialen Wärmeausdehnung zwischen der inneren Schicht 6 und der äußeren Schicht 7 wird die innere Schicht 6 von der äußeren Schicht 7 zusammengedrückt, wenn die Antriebswelle von der hohen Aushärtetemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Diese Kompressionskraft dient dazu, die möglicher­ weise an der Grenzfläche zwischen den metallischen Anschlußelemen­ ten 3 und der inneren Schicht vorhandene Beanspruchung zu kompen­ sieren, die sonst zu einer Ablösung zwischen den beiden Teilen in diesem Bereich führen könnte. Es bleibt, wenn überhaupt, nur eine extrem geringe Beanspruchung an dieser Grenzfläche zurück, wodurch sich eine merkliche Erhöhung der Torsionsfestigkeit der Antriebswelle 1 ergibt. Darüber hinaus kann eine Antriebswelle 1 mit dieser Struktur effektiv Schwingungen absorbieren, die über die Antriebswelle übertragen werden, so daß sich z. B. für die Passagiere eines Fahrzeugs ein hoher Fahrkomfort ergibt.

Das auf ein Anschlußelement 3 ausgeübte Drehmoment wird über den eigentlichen Wellenkörper 5 auf das andere Anschlußelement 3 über­ tragen, während gleichzeitig die dabei auftretenden Schwingungen effektiv gedämpft werden. Da die Grenzflächen zwischen den An­ schlußelementen 3, 3, den Hilfshülsen 4, 4 und der inneren Schicht 6 stärker gemacht worden sind, können größere Drehmomente übertra­ gen werden, ohne daß sich das Gesamtgewicht der Antriebswelle 1 erhöht.

Die äußere Schicht 7 wird nur über den Anschlußelementen 3, 3 und in ihrer Nähe ausgebildet. Eine Antriebswelle mit dieser Struk­ tur hat eine maximale Dämpfung, ohne daß Probleme mit nur wenig beanspruchbaren Grenzflächen zwischen den Anschlußelementen 3, 3 und der inneren Schicht 6 auftreten können, weil der Wellenkör­ per 5 nur aus der inneren Schicht 6 aufgebaut ist, die wendelför­ mig in Winkeln von 45 bis 75°, insbesondere 60°, gewickelte Kohlen­ stoff-Fasern enthält, während die beiden Anschlußelement-Bereiche durch die äußeren Schichten 7 verstärkt werden.

Die äußere Schicht 7 kann auch durch andere, kontinuierliche Fa­ sern als Kohlenstoff-Fasern gebildet werden. Diese Fasern sollten, wenn sie wendelförmig in einem Winkel von 5 bis 40° gewickelt werden, einen größeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Umfangsrichtung haben als die Kohlenstoff-Fasern, die wendelför­ mig im Winkel von 45 bis 75° in der inneren Schicht 6 gewickelt werden.

Die äußere Schicht 7 hat im wesentlichen den gleichen Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten in radialer Richtung wie die metallischen An­ schlußelemente 3. Wenn beispielsweise Glasfasern verwendet werden, so sollten sie wendelförmig in einem Winkel von ungefähr 30° zur Achse der Antriebswelle 1 gewickelt werden, wie man aus Fig. 3 ableiten kann. Wenn Aramid-Fasern eingesetzt werden, sollte dieser Winkel ungefähr 40° betragen. Werden solche Fasern wendelförmig in geeigneten Winkeln gewickelt, so übt die äußere Schicht 7 immer einen Radialdruck auf die innere Schicht 6 aus, um damit die Bean­ spruchung zu kompensieren, die sonst an der Grenzfläche zwischen den metallischen Anschlußelementen 3 und der inneren Schicht 6 auftreten könnte.

Die Herstellung dieser Antriebswelle 1 erfolgt auf folgende Weise:

Wie man aus Fig. 2(a) erkennt, werden die Anschlußelemente 3, 3 auf einem Dorn 11 in einem geeigneten Abstand voneinander ange­ bracht, wobei die Hilfshülsen 4, 4 jeweils an dem inneren Ende jedes Anschlußelementes 3 befestigt werden. Die Anschlußelemente 3, 3 und die Hilfshülsen 4, 4 werden mit einem Klebstoff bestri­ chen.

Bei der anschließenden Drehung des Dorns 11 wird eine Vorrichtung für die Zuführung von harzbeschichteten, kontinuierlichen Kohlen­ stoff-Fasern 12 längs des Dorns 11 hin- und herbewegt, so daß die Kohlenstoff-Fasern 12 wendelförmig kontinuierlich um die An­ schlußelemente 3, 3 die Hilfshülsen 4, 4 und den sich zwischen ihnen erstreckenden Dorn 11 gewickelt werden, und zwar in einem Winkel von 45 bis 75°, insbesondere in einem Winkel von 60° zur Achse 13 des Dorns 11. Die wendelförmig gewickelten Kohlenstoff- Fasern werden zu einer Gesamtstruktur gewickelt, bei der sie ent­ sprechend einem Gewebe angeordnet, also miteinander verwebt sind. Auf diese Weise wird die innere Schicht 6 mit der gewünschten Dicke hergestellt.

Als nächstes werden harzbeschichtete, kontinuierliche Fasern 14 wendelförmig um die innere Schicht 6 in einem Winkel von 5 bis 40° gewickelt, wie man in Fig. 2(b) erkennt; zu diesem Zweck wird die Vorrichtung für die Zuführung der Fasern 14 längs des Dorns 11 hin- und herbewegt, während der Dorn 11 in einer entsprechenden Drehzahlbeziehung zu der Vorrichtung für die Zuführung der Fasern 14 gedreht wird. Wie bereits oben erwähnt wurde, kann es sich bei den Fasern 14 um Kohlenstoff-Fasern oder andere Fasern han­ deln, wie beispielsweise Glasfasern, Polyester-Fasern oder Aramid- Fasern. Werden Kohlenstoff-Fasern verwendet, werden sie wendelför­ mig in einem Winkel von ungefähr 30° gewickelt; bei diesem Winkel hat die äußere Schicht 7 im wesentlichen die gleiche Wärmeausdeh­ nung wie die metallischen Anschlußelemente 3, die im allgemeinen aus Stahl hergestellt werden (siehe auch Fig. 3).

Wenn andere Fasern eingesetzt werden, muß darauf geachtet werden, daß sich der Winkel der Faserwicklungen in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Fasern ändert. Der optimale Winkel liegt für Glasfasern bei ungefähr 30° und für Kevlar bei ungefähr 40°; bei Kevlar handelt es sich um ein eingetragenes Warenzeichen von Du Pont, unter dem eine Type von Aramid-Fasern vertrieben wird. Die kontinuierlichen Fasern in der äußeren Schicht 7 werden ebenfalls zweckmäßigerweise zu einer einheitlichen Gesamtstruktur verwebt.

Als Harze für die Beschichtung der kontinuierlichen Fasern 12 und 14 kommen durch Wärme aushärtbare Polyester, Epoxidharze, Acryl-Harze und ähnliche Materialien in Frage.

Der sich ergebende rohrförmige Hauptteil 2 wird dann zusammen mit dem Klebstoff bei hohen Temperaturen ausgehärtet, wodurch sich eine Antriebswelle 1 ergibt, bei der die Anschlußelemente 3, 3 die Hilfshülsen 4, 4 und der Hauptteil 2 einstückig mit­ einander verbunden sind. Von der sich ergebenden Antriebswelle 1 wird anschließend der Dorn 11 abgezogen.

Wenn der Hauptteil 2 für die Aushärtung erwärmt wird, wird die innere Schicht 6, die wendelförmig in einem Winkel von 60° zur Achse 13 gewickelte Kohlenstoff-Fasern enthält, thermisch in radia­ ler Richtung minimal gedehnt, weil Kohlenstoff-Fasern die aus Fig. 3 ableitbaren, anisotropen Eigenschaften haben. Andererseits wird die äußere Schicht 7, die wendelförmig in einem Winkel von 30° gewickelte Kohlenstof-Fasern enthält, thermisch so stark wie die Anschlußelemente 3, 3 gedehnt.

Nach der Beendigung der Aushärtung bei hohen Temperaturen wird die Antriebswelle 1 auf Raumtemperatur abgekühlt. Wegen ihrer größeren Wärmeausdehnung schrumpfen bei der Abkühlung die metalli­ schen Anschlußelemente 3, 3, die Hilfshülsen 4, 4 und die äußere Schicht 7 stärker als die innere Schicht 6. Ohne äußere Schicht 7 mit den angegebenen Eigenschaften würde also die Klebstoff-Grenz­ schicht zwischen den Anschlußelementen 3 und der inneren Schicht 6 so stark beansprucht, daß es hier zu einer Trennung kommen könn­ te. Die äußere Schicht 7 drückt jedoch die innere Schicht 6 radial zusammen, so daß diese Beanspruchung kompensiert wird. Wenn trotz­ dem noch eine Beanspruchung zurückbleiben sollte, ist sie vernach­ lässigbar klein. Deshalb ist die Widerstandsfähigkeit der Grenz­ fläche gegenüber der Einwirkung von Torsionskräften stark ver­ bessert, wodurch sich wiederum eine merkliche Erhöhung der Tor­ sionsfestigkeit der Antriebswelle 1 ergibt.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird eine Antriebswelle mit einer äußeren Schicht 7 hergestellt, die sich über die gesam­ te Länge der Antriebswelle 1 erstreckt. Wenn jedoch eine maximale Dämpfung angestrebt wird, sollte die äußere Schicht 7 nur auf die Anschlußelemente 3, 3 wirken, also nur in diesen Bereichen ausgebildet sein.

Außerdem könnten statt der erläuterten, rohrförmigen Anschlußele­ mente auch massive Anschlußelemente eingesetzt werden. Jedes massi­ ve Anschlußelement muß dann einen Vorsprung enthalten, der mittels einer Keilverbindung mit einer antreibenden oder angetriebenen Welle gekuppelt werden kann.

Claims (4)

1. Antriebswelle aus faserverstärktem Kunststoff, mit einem rohrför­ migen Hauptteil, bestehend aus wendelförmig gewickelten, in einer Matrix aus gehärtetem Kunststoff eingebetteten Kohlenstoffasern und mit an die Enden des Hauptteils angeschlossenen metallischen Anschlußele­ menten, die von der Matrix und den Faserwickellagen fest umschlossen sind, wobei die zunächst in ungehärtetem Zustand die Anschlußelemente umgebende Kunststoffmatrix des Hauptteils durch Wärmeeinwirkung ausge­ härtet ist, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale, daß

• a) die Kohlenstoffasern in einem Winkel von 45 bis 75° zur Achse der Antriebswelle (1) gewickelt sind,
• b) wenigstens auf den Bereichen des Hauptteils, die die Anschlußelemen­ te (3, 3) umgeben, eine äußere Schicht (7) aus faserverstärktem Kunst­ stoff ausgebildet ist, welche kontinuierliche, in einer Matrix aus ge­ härtetem Knststoff eingebettete Fasern aufweist, die wendelförmig in einem solchen Winkel zur Achse der Antriebswelle (1) gewickelt sind, daß die äußere Schicht (7) einen größeren radialen Wärmeausdehnungsko­ effizienten als der Hauptteil aufweist, und daß
• c) die äußere Schicht (7), deren Kunststoffmatrix zusammen mit der Matrix des Hauptteils durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet ist, einen Radialdruck auf den Hauptteil ausübt.

2. Antriebswelle aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Fasern in der äußeren Schicht (7) aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt sind, die Kohlenstoff-Fasern, Glas-Fasern, Polyester-Fasern und Aramid-Fasern enthält.

3. Antriebswelle aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wicklungswinkel der kontinuierlichen Fasern in der äußeren Schicht (7) 5 bis 40° zur Achse der Antriebs­ welle (1) beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle mit den Merkmalen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) in an sich bekannter Weise die metallischen Anschlußelemente in einem geeigneten Abstand voneinander auf einem drehbaren Dorn angeordnet wer­ den und die mit Harz beschichteten Fasern des Hauptteils um die metal­ lischen Anschlußelemente und den sich zwischen ihnen erstreckenden Dorn gewickelt werden.
• b) die mit Harz beschichteten Fasern der äußeren Schicht wenigstens um die Bereiche des Hauptteils, die über den Anschlußelementen liegen, ge­ wickelt werden,
• c) die Harze unter der Einwirkung ausgehärtet werden, und daß
• d) anschließend der Dorn entfernt wird.