DE3616491A1 - Faserverstaerktes harzmatrix-verbundbauteil und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
Faserverstaerktes harzmatrix-verbundbauteil und verfahren zu dessen herstellungInfo
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Description
dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Harzmatrix-Verbundbauteil
insbesondere ein Verbundmembranbauteil, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Um Energie von einem Turbinenmotor, einem konventionellen Brennkraftmotor, einem Elektromotor oder irgendeiner krafterzeugenden
Vorrichtung auf eine Maschine zu deren Antrieb zu übertragen, ist es üblicherweise notwendig, die krafterzeugende
Vorrichtung mit der Maschine durch irgendeine Art von Kupplung zu verbinden. Diese Vorrichtungen übertragen
die Kraft üblicherweise durch eine sich drehende Welle, wobei diese Kraftabgabe normalerweise als Drehmoment bezeichnet.
Die Kraftkupplungseinrichtung ist ein kritisches Bauteil, weil ihr Ausfall normalerweise zur Abschaltung der
Maschine führt.
Wenn eine krafterzeugende Vorrichtung, die eine hohe Leistung hat (z.B. ein Elektromotor mit 746 KW (1 000 H.P.)) mit
einer Maschine gekuppelt ist, die eine Welle mit einer hohen Drehgeschwindigkeit hat (z.B. eine Zentrifugalpumpe),
ist es wesentlich, daß die Wellen der Vorrichtungen so nah wie möglich zueinander ausgerichtet sind. Ein Nicht-Fluchten
führt zu einer Anzahl von Problemen, wie ungünstige Schwingungspegel, vorzeitiger Lagerausfall, struktureller Schaden,
Überhitzung, übermäßiger Lärm und eine hohe Abnutzungs- und Ausfallrate der Kupplung. Obgleich es theoretisch möglich
ist, die Wellen der krafterzeugenden-Vorrichtung und der Maschine perfekt zueinander auszurichten, gibt es praktische
Beschränkungen, die in der Meßausrüstung, der Ausrüstungsanordnung,
ungünstigen ümgebungsfaktoren unterschiedlichen War-
medehngeschwindigkeiten während des Betriebes usw. liegen. Außerdem kann die Konstruktion ein bestimmtes Maß an Gelenkigkeit
fordern. Es gibt vorbekannte Kupplungen, die eine leichte Wellenversetzung für Fälle mit hohem Drehmoment und
hoher Geschwindigkeit zulassen, die Größe der Versetzung oder des Nicht-Fluchtens beträgt normalerweise ungefähr 1/2° oder
auch weniger, und diese Kupplungen haben dann typischerweise eine Metallkonstruktion und sind sehr schwer. Die Hauptbeschränkung
der vorbekannten Kraftkupplungen besteht darin, daß die Konstruktionswerkstoffe kein hohes Drehmoment und
keine hohe Drehgeschwindigkeit bei einer großen Wellenversetzung bis zu ungefähr 10° über ein breites Temperaturspektrum
zulassen. Eine solche Kraftkupplung muß als Drehmoment übertragendes oder treibendes Mittel wirken, und sie muß
auch biegsam sein, um eine elastische Verformung zur Kompensation der Versetzung oder des Nichtfluchtens zu gestatten.
Die Kraftkupplungseinrichtung ist besonders bei Drehflügelflugzeugen
oder Hubschraubern kritisch. Die Kraftkupplungseinrichtung, die bei Hubschraubern dazu verwendet wird, das
Drehmoment von der Kraftwelle zu den Hubschrauberblättern zu übertragen, wird üblicherweise als Drehnabe bezeichnet.
Die vorbekannten Drehnaben sind komplizierte Metallvorrichtungen. Die Nachteile dieser Drehnaben aus Metall sind verschiedene
wie Gewicht, Ermüdungsbruch, sehr hoher Wartungsaufwand und hohe Kosten.
Auf diesem Gebiet wird laufend danach gesucht, Flugzeugteile aus Metall durch im Gewicht leichte, hochfeste, gegen Ermüdung
widerstandsfähige Verbundbauteile zu ersetzen. Ein Beispiel für eine kardanische Rotornabe eines Hubschraubers,
bei der Verbundwerkstoffe verwendet werden, ist in der US-PS 4 323 332 enthalten.
Die Ausschaltung von konventionellen Rollenlagern und Kugellagern in der Rotornabe eines Hubschraubers wird bei einer
kardanischen Verbund-Rotornabe durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen im Blatt und in der Nabe erzielt, die sich
Biegen und Drehen können, um Blattanstellungs-, Schlag- und Schwenkbewegungen aufzunehmen. Die Rotornabe hält die Blätter
gegen die Wirkung der Zentrifugalkraft fest und überträgt die Auftriebskraft von den Blättern auf die Welle und die
Zelle des Hubschraubers. Da die Rotornabe um die Zentralachse der Welle bei einer Verbundnabenkonstruktion kippen sollte,
muß eine kippbare Einrichtung zum Übertragen des Drehmoments von der Welle auf die Rotorblätter bereitgestellt werden. Der
Drehmomentantriebsaufbau muß steif genug sein, um das Drehmoment direkt von der Welle auf die Hubschrauberblätter zu
übertragen, muß aber auch genügend flexibel und biegbar sein, um als Feder zu wirken und sich um ungefähr 10° aus der Horizontalen
während der Übertragung der Drehmomentenlast zu neigen. Die typische Kraftausgabe an einem Nabenaufbau beträgt
über 746 KW (1 00.0 H.P.). Herkömmliche Werkstoffe haben nicht die erforderlichen Eigenschaften um gleichzeitig
die Drehmomentantriebsfunktion und die Federfunktion ohne
Materialbruch auszuführen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine flexible Verbund-Drehmomentübertragungseinrichtung und ein Verfahren
zum Herstellen einer solchen Drehmomentübertragungseinrichtung zu schaffen, welche die Schwierigkeiten der vorbekannten
Einrichtungen überwindet.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden
Teiles der Hauptansprüche gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein faserverstärktes Harzmatrix-Verbundbauteil
insbesondere zur Verwendung als Drehmo-
mentantriebsmembran in einer Drehflügelflugzeugnabe. Das Bauteil
umfaßt eine kreisförmige Membran, die einen Rand hat, der einen nach innen gebogenen Flansch zur Befestigung aufweist,
und die ein zentrales Loch zur Aufnahme einer Welle hat. Das Bauteil beinhaltet eine Harzmatrix, Verstärkungsfasern, die im
wesentlichen tangential zu dem zentralen Loch in einem Mehrkreismuster gewickelt sind, um einen Membranabschnitt des
Bauteiles und einen Rand mit einem nach innen gebogenen Flansch zu bilden, und Verstärkungsfasern, die im wesentlichen in Umfangsrichtung
gewickelt sind, um den Randabschnitt des Bauteiles zu verstärken und die gesamten Wärmeeigenschaften des
Bauteiles auszugleichen. Das Bauteil wird mit ausreichender Faserspannung gewickelt und durch Formen mit ausreichender
Wärme und ausreichendem Druck ausgehärtet. Der Membranabschnitt des Bauteiles bleibt im wesentlichen gleichmäßig eben, wenn
er durch Temperaturänderungen eingeführten Spannungen ausgesetzt wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzmatrix-Verbundbauteiles insbesondere
zur Verwendung als Drehmomentantriebsmembran in einer Drehflügelflugzeugnabe, wobei eine mit einem aushärtbaren
Harz imprägnierte Faser unter ausreichender Faserspannung auf einen Kern im wesentlichen tangential zu einem zentralen
Loch in einem Mehrkreismuster gewickelt wird, um eine Membran mit einem Rand und einen nach innen gebogenen Flansch zu
bilden, und wobei mit Harz imprägnierte Fasern unter ausreichender Faserspannung im wesentlichen in ümfangsrichtung gewickelt
werden, um den Randabschnitt des Bauteiles zu verstärken, wobei die Verstärkungsfasern mit den Tangentialfasern verschachtelt
sein können, um das Bauteil zu bilden. Das Bauteil wird dann durch Formen bei ausreichender Wärme und ausreichendem
Druck ausgehärtet. Der Membranabschnitt des Bauteiles bleibt im wesentlichen gleichmäßig eben, wenn sie durch
Temperaturänderungen eingeleiteten Spannungen ausgesetzt wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein faserverstärktes Harzmatrix-Verbundbauteil
insbesondere zur Verwendung als flexible Drehmomentantriebskupplung. Das Bauteil weist eine hohle
Scheibe auf, die eine erste im wesentlichen ebene Membranseite und eine zweite im wesentlichen ebene Membranseite hat,
wobei jede Membranseite ein zentrales Loch hat, das konzentrisch zu der Zentralachse der Scheibe für die Aufnahme einer
Welle angeordnet ist. Jede Membranseite hat auch eine Befestigungseinrichtung, die zentral um das zentrale Loch herum
angeordnet ist. Die Scheibe hat einen äußeren Rand, der die Membranseiten miteinander verbindet. Das Bauteil umfaßt eine
Harzmatrix, eine Faser, die mit ausreichender Spannung im wesentlichen tangential zu den zentralen Löchern in einem
Mehrkreismuster gewickelt ist, um die Scheibe zu bilden, und eine Faser, die mit ausreichender Spannung im wesentlichen
in ümfangsrichtung gewickelt ist, um den äußeren Rand des Bauteiles zu verstärken und die gesamten Wärmeeigenschaften
des Bauteiles auszugleichen. Das Bauteil wird durch Formen mit ausreichender Wärme.und ausreichendem Druck ausgehärtet,
so daß die Membranabschnitte im wesentlichen gleichmäßig eben bleiben, wenn es durch Temperaturänderungen eingeleiteten
Spannungen ausgesetzt wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzmatrix-Verbundbauteiles
insbesondere zur Verwendung als flexible Drehmomentantriebskupplung. Bei dem Verfahren wird eine mit Harz imprägnierte
Faser auf einen Kern im wesentlichen tangential zu einem zentralen Loch mit ausreichender Faserspannung in einem Mehrkreismuster
gewickelt, um eine Scheibe zu bilden, die eine erste im wesentlichen ebene Membranseite und eine zweite
im wesentlichen ebene Membranseite hat, wobei die Seheibe einen äußeren Rand hat, der die Membranseiten miteinander
verbindet, wobei jede Membranseite ein zentrales Loch hat,
das konzentrisch zu der Zentralachse der Scheibe zum Aufnehmen einer Welle angeordnet ist, und eine Befestigungseinrichtung
hat, die zentral um das zentrale Loch herum angeordnet ist, und werden mit Harz imprägnierte Verstärkungsfasern mit ausreichender Spannung im wesentlichen in Umfangsrichtung
gewickelt, um den Randabschnitt des Bauteiles zu verstärken, wobei die Verstärkungsfasern mit den Tahgentialfasern
verschachtelt sein können, um das Bauteil zu bilden, wobei das Bauteil dann durch Formen bei ausreichender
Wärme und ausreichendem Druck so ausgehärtet wird, daß die Membranseiten der Scheibe im wesentlichen gleichmäßig eben
bleiben, wenn es durch Temperaturänderungen eingeleiteten Spannungen ausgesetzt wird.
Die kombinierten Wirkungen der Umfangsrandeigensöhaften und der
Faservorspannung führen zu einem Membranteil mit wesentlich verbesserten Wärmeeigenschaften, wodurch die Neigung zur
"ölkarinenerscheinuhg" ausgeschaltet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen W gezeigt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform des fasergewickelten
Drehmomentübertragungsbauteiles nach der Erfindung,
Fig. 2a eine Draufsicht auf eine Teilübersicht einer typischen Verbundhubschrauberrotornabenanordnung,
die das Drehmomentantriebsbauteil nach der Erfindung beinhaltet,
Fig. 2b eine Seitenansicht eines Querschnittes der
Rotornabenanordnung,
Pig. 3 einen Teilquerschnitt des fasergewickelten
Drehmomentübertragungsbauteiles nach der Erfindung,
Fig. 4 ein typisches Wickelmuster für ein fasergewickeltes Drehmomentübertragungsbauteil nach
der Erfindung,
Fig. 5 ein fakultatives 3-Kreiswickelmuster zur
Rian:dver Stärkung,
Fig. 6 ein fakultatives 4-Kreiswickelmuster zur
Randverstärkung,
Fig. 7 ein fakultatives Verstärkungsmuster für das
Bauteil nach der Erfindung,
Fig. 8 eine Kupplung welche das Drehmomentantriebsbauteil,
nach der Erfindung benutzt, und
Fig. 9 eine Schnittansicht einer Kupplung, welche
das Drehmomentantriebsbauteil nach der Erfindung benutzt.
Die Fasern, die zur Herstellung der Drehmomentübertragungsbauteile
nach der Erfindung verwendet werden, sind Fasern, die auf dem Gebiet der Herstellung von Verbundbauteilen bekannt
sind. Beispiele dieser Fasern sind Polyaramidfasern, Graphitfasern,
Glasfasern und Kombinationen daraus. Die Fasern haben typischerweise eine Zugfestigkeit von ungefähr 483 bis
ungefähr 3 792 MPa (ungefähr 70 000 bis ungefähr 550 000 psi), vorzugsweise ungefähr 2 758 MPa (ungefähr 400 000 psi). Eine
besonders bevorzugte synthetische Faser zur Ausführung der Erfindung ist eine Polyaramidfaser der Marke Kevlar 29 (eingetragenes
Warenzeichen), die von DuPont Company, Wilmington,
Delaware hergestellt wird. Die Polyaramidfaser der Marke
Kevlar 29 hat eine Zugfestigkeit von ungefähr 2 758 MPa {ungefähr 400 000 psi) und einen Elastizitätsmodul aus Zugversuch
von 62 055 MPa (9 000 000 psi). Die Faser wird typischerweise
in Form des im Handel erhältlichen vorgefertigten Stranges (roving) oder Bandes gekauft. Das Band weist typischerweise
ungefähr 8 Stränge auf. Das zum Wickeln der Bauteile nach der Erfindung verwendete Band ist typischerweise
ungefähr 1,27 cm (0,5 Zoll) bis ungefähr 30,5 cm (12 Zoll), besser ungefähr 1,27 cm (0,5 Zoll) bis ungefähr
15,24 cm (6 Zoll) und vorzugsweise ungefähr 1,27 cm (0,5 Zoll) breit. Die bevorzugte Breite des beim Wickeln eines
Bauteiles verwendeten Bandes hängt von der Größe des Bauteiles
ab und ändert sich mit dieser. Die Dicke des Bandes beträgt typischerweise ungefähr 1,27 mm (0,050 Zoll) bis
ungefähr 0,05 mm (0,002 Zoll), besser ungefähr 0,30 mm (0,012 Zoll) bis 0,15 mm (0,006 Zoll) und vorzugsweise
ungefähr 0,15 mm (0,006 Zoll).
Vorzugsweise wird ein Polyaramidband verwendet, das mit Harz vorimprägniert wurde. Es kann jedoch auch'ein nicht-imprägniertes
Band verwendet werden und das Harz anschließend während der Weiterverarbeitung einimprägniert werden.
Ein Bauteil nach der Erfindung, das Polyaramidfasern der Marke Kevlar und eine Harzmatrix aufweist hat einen durch
Zugversuch in einer Richtung ermittelten Elastizitätsmodul von ungefähr 68 950 MPa (10 000 000 psi) bis ungefähr 82
MPa (12 000 000 psi) bei Raumtemperatur. Das Faser-Zug-Harz-Verhältnis
eines Bauteiles nach der Erfindung, das aus Polyaramidfasern und einer Harzmatrix hergestellt wurde,
beträgt ungefähr 55 bis ungefähr 65 Vo1.-%.
Graphitfasern können auch bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden. Graphitfasern haben im allgemeinen eine
Zugfestigkeit von ungefähr 2 785 MPa (400 000 psi) bis ungefähr 4 137 MPa (600 000 psi). Der Durchmesser von typischerweise
verwendeten Graphitfasern liegt in einem Bereich von ungefähr 0,0063 mm (0,00025") bis ungefähr 0,0076 mm
(0,00030"). Graphitfasern werden wie Polyaramidfasern typischerweise in Form eines Stranges oder Bandes verwendet.
Ein Strang (roving) umfaßt typischerweise ungefähr 12 000 Fasern. Es wird bevorzugt, einen Strang von Graphitfasern
zu verwenden, die mit einem wärmeaushärtbaren Harz vorimprägniert
sind, obwohl es möglich ist, nicht-imprägnierte Fasern zu kaufen und die Fasern mit der Harzmatrix vor den Wickelvorgängen
zu imprägnieren. Eine bevorzugte Graphitfaser ist die Graphitfaser der Marke Celion (eingetragenes Warenzeichen)
die von der Celanese Chemical Company, New York, NY hergestellt wird. Weitere Beispiele von Graphitfasern, die bei
der Ausführung der Erfindung verwendet werden können, sind die von der Union Carbide Corporation, New York, NY erhältliche
Graphitfaser der Marke T-300 (eingetragenes Warenzeichen) und die von Hercules, Inc., Wilmington, Delaware
erhältliche Graphitfaser der Marke AS-4 (eingetragenes Warenzeichen). Der Graphitfaserstrang oder das Graphitfaserband
hat gewöhnlich eine Dicke von ungefähr 0,30 mm (0,012"), obgleich Dicken wie 0,152 mm (0,006") auch erhältlich
sind. Das ausgehärtete Graphit- und Harzmatrixverbundbauteil sollte ungefähr 50 bis ungefähr 65 Vol.-%
an Fasern enthalten. Ein Bauteil nach der Erfindung, das Graphitfasern und eine Harzmatrix aufweist, hat einen in
einer Richtung durch Zugversuch ermittelten Elastizitätsmodul von ungefähr 124 110 MPa (18 000 000 psi) bis ungefähr
172 375 MPa (25 000 000 psi) bei Raumtemperatur.
Es kann auch ein Glasfaserwerkstoff bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden. Die bevorzugte Glasfaser ist
ein S-Typ oder Ε-Typ, der im Handel vorimprägniert mit Epoxyharz oder nichtimprägniert erhältlich ist. Vorimprägnierte
Glasfasern sind in Form eines Faserstranges oder -bandes erhältlich, das Breiten von ungefähr 2,54 mm (0,1")
bis ungefähr 25,4 mm (1,0") und Dicken von zwischen 1,52 mm (0,06") und ungefähr 0,31 mm (0,0125") hat. Die mögliche
Dicke und Breite ist jeweils von der Größe und Belastung des Bauteiles abhängig. Das Bauteil nach der Erfindung hat,
wenn es aus Glasfaser und einer Harzmatrix gebildet ist, einen Fasergehalt von ungefähr 45 bis 60 Vol.-%. Ein Bauteil nach
der Erfindung, das Glasfasern und eine Harzmatrix aufweist, hat einen durch Zugversuch in einer Richtung ermittelten
Elastizitätsmodul von ungefähr 34 475 MPa (5 000 000 psi) bis ungefähr 48 265 MPa (7 000 000 psi) bei Raumtemperatur.
Die Harzmatrix besteht aus einem wärmeaushärtbaren oder thermoplastischen
Harz, das die synthetischen Fasern miteinander verkleben kann. Das Harz kann organisch oder anorganisch
sein. Typische Harze, die zur Ausführung der Erfindung verwendet werden können, sind Epoxy, Polyester, Polyimid und
andere bei hoher Temperatur vernetzte Polymerisate. Ein besonders bevorzugtes Harz ist das American Cyanamid-Epoxyharz
Nr. 1806, von der American Cyanamid Co.,Wayne, NJ. Dieses Harz ist hochbeanspruchbar. Beispiele von im Handel
erhältlichen Harzen sind das Epoxyharz Nr. 35101-B der
Hercules, Inc., Wilmington, Delaware, das Epoxyharz Nr. 5143 und das Epoxyharz Nr. 1806 der American Cyanamid Co., Wayne,
N.J., das Polyimidharz Nr. E-7178 der U.S. Polyimide Co. und das Harz Nr. E-746 der U.S. Prolam Corporation. Das
Band oder der Strang kann, wie zuvor erwähnt, entweder vorimprägniert mit Harz verwendet werden,oder das Band oder
der Strang kann mit Harz während des Wickelvorganges durch bekannte Verfahren wie z.B. durch Führen des Bandes durch
einen Vorrat von Harzlösung vor dem Wickeln imprägniert werden. Ein anderes Verfahren ist ein Harzübertragungs-Form-
verfahren, bei dem Harz in die Form eingespritzt und dadurch in den Faseraufbau eingespritzt wird. Zur Ausführung der Erfindung
ist es bevorzugt, ein Band oder einen Strang zu verwenden, der mit Harz vorimprägniert wurde.
Die Drehmomentantriebsbauteile nach der Erfindung werden unter Verwendung eines Kernes und einer im Händel erhältlichen
automatischen Faserwickelvorrichtung hergestellt. Der Kern besteht aus einer äußeren Beschichtung aus Silikonkautschuk
und einem inneren tragenden Ring, der aus lösbaren Metallabschnitten oder -Segmenten besteht. Der Kern wird in einer Befestigungsvorrichtung
der Wickelvorrichtung angeordnet, und ein vorprogrammiertes Wickelmuster wird dazu verwendet, den
Kern mit dem Faserband oder dem Faserstrang zu umwickeln, um eine Faserschicht oder -lage von ausreichender Dicke mit
ausreichender Faserausrichtung zu erzeugen. Obwohl die meisten Wickelmuster, die eine symmetrische und passende
Schicht aus Fasern erzeugen, die eine im wesentlichen radiale Ausrichtung haben., zur Ausführung der Erfindung verwendet
werden können, wird vorzugsweise ein 11-Kreis-Wickelmuster
verwendet. Fig. 4 zeigt ein grundlegendes 11-Kreis-Wickelmuster für das Drehmomentantriebsbauteil. Der Winkel
zwischen jedem Band 55 beträgt ungefähr 33,2308°. Nachdem die 11 Kreise fertig sind, wird das Muster automatisch um
5.5385° verschoben, bis das Muster fertig ist und eine strukturelle Faserschicht auf dem Kern 50 gewickelt wurde.
Das Band oder der Strang 55 wird auf den Kern 50 im wesentlichen tangential zu dem zentralen Loch in dem Bauteil gewickelt.
Verbundbauteile, die eine aus Fasern gewickelte, mit Harz imprägnierte Harz-Fasermatrizen aufweisen, scheinen die
Festigkeit für die Verwendung als Drehmomentantriebe oder Kupplungen für Fälle mit hoher Leistung, hoher Drehgeschwindigkeit,
Wellenversetzung oder Wellengelenkigkeit und Kipp-
bewegungen zu haben. Typischerweise hat ein Drehmomentantrieb für eine Rotornabe oder eine Kraftkupplung mindestens
einen Nabenbereich, mindestens einen im wesentlichen ebenen Membranbereich, einen Randbereich und eine Befestigungseinrichtung. Die Verbundbauteile werden typischerweise radial
mit Harz imprägnierten Fasern auf einen Kern gewickelt, so daß die Faserrichtung am Rand im wesentlichen radial und an
einem zentralen Loch tangential ist. Eine Schwierigkeit bei einem Verbundwickelbauteil, das einen ebenen Membranabschnitt
hat, besteht darin, daß der Membranabschnitt die Neigung zu einer "Ölkannenerscheinung" oder zum Abweichen von der gewünschten
gleichmäßigen ebenen Ausführung hat. Diese Schwierigkeit ist einem unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen der synthetischen Faser und dem Harz zurechenbar.
Im einzelnen haben einseitig gerichtete Verbundbauteile zwei Hauptwärmeausdehnungskoeffizienten, den Längsausdehnungskoeffizienten
tj._ in der .Richtung, in welcher die Fasern verlaufen,
und den Querausdehnungskoeffizienten <&„. quer zu den
Fasern. Bei einem Verbundwerkstoff ist gewöhnlich der Längskoeffizient ^LL viel kleiner als der Querkoeffizient ^. , weil
die Fasern, die gewöhnlich einen kleineren Koeffizienten als die Harzmatrix haben, dazu neigen, einen mechanischen
Zwang auf das Harzmatrixmaterial auszuüben.
Bei dem fasergewickelten Membrandrehmomentantrieb ändert sich die Mischung von Faserwinkeln in dem gewickelten Bauteil erheblich
von dem Zentrumsbereich bis zu dem äußeren Radius des Membranabschnittes. Der Zentrumsbereich hat eine Mischung
von hohen Faserwinkeln, die sich hauptsächlich zu einer radialen Ausrichtung am Rand ändern. Daher wird im zentralen
Bereich die Wärmeausdehnung durch die Fasern dominiert (die
einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten haben), während im Randbereich die Harzmatrix (die einen hohen Ausdehnungs-
koeffizienten hat) besonders in der Tangentialrichtung dominierend
ist.
Wenn das Teil eine Temperaturänderung irgendeiner Art durchmacht, erweitert sich oder schrumpft der zentrale Abschnitt
der Membran viel langsamer als der äußere Radius oder Randabschnitt. Ein solches Verbundfaserwickelbauteil schrumpft
ungleichmäßig, wenn es nach einer typischen Hochtemperaturaushärtung auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Außerdem
wird das Bauteil in Gebrauch Temperaturänderungen seiner
Umgebung ausgesetzt, die das Problem verstärken. Der äußere Radius oder Randbereich schrumpft viel schneller als der
zentrale Abschnitt der Membran als Folge des Faserwinkelunterschieds. Infolgedessen wird der zentrale Abschnitt des
Membranteiles zusammengedrückt, wobei die Neigung entsteht, sich aus der gewünschten gleichmäßig ebenen Ausführung wie
eine "Ölkanne" zu verwerfen. Dies ist eine typische Erscheinung bei gewickelten Verbundmembranen. Es ist daher erwünscht,
die Faserausrichtung des Verbundbauteiles so zu wählen, daß Wärmebeanspruchungseigenschaften des Bauteiles ausgeglichen
werden.
Da ein Faserwickelbauteil, das als Drehmomentantrieb oder Kraftkupplung verwendet wird, nicht nur ein Drehmoment übertragen
sondern auch flexibel sein muß, ist es wesentlich, daß die "Ölkannenerscheinung" ausgeschaltet oder vermindert
wird. Die "Ölkannenerscheinung" ist aus mehreren Gründen nicht erwünscht. Zu allererst ist die Fähigkeit eines Bauteiles
ein Drehmoment zu übertragen, stark von der Festigkeit des Bauteiles abhängig. Ein Bauteil, bei welchem sich
die "Ölkannenerscheinung" zeigt, hat eine verminderte Torsionsfestigkeit. Zweitens ist die Heftigkeit der "Ölkannenerscheinung"
eine Funktion der Temperatur. Die Temperaturänderungen, denen ein Hubschrauberdrehmomentantrieb oder
eine Kraftkupplung typischerweise ausgesetzt ist, liegen
zwischen -53,9°C und mehr als 1100C (-650F bis mehr als
1500F) und verursachen unerwünschte Änderungen in der Torsionsfestigkeit aufgrund der TemperaturSchwankungen.
Schließlich führt die "Ölkannenerscheinung" oder die Verwerfung des Membranabschnittes zu nicht-linearen Federeigenschaften
beim Kippen. Wenn der Drehmomentantrieb oder die Kupplung an Ort und Stelle befestigt ist, ist festgestellt
worden, daß der "Ölkannen"-Effekt bewirkt, daß der Membranabschnitt
sich ausbeult und auf eine stark nicht-lineare Art und Weise durchschnappt. Dies führt zu einer dynamischen
Instabilität und zu einem möglichen Fehlbetrieb. Dieses Verhalten ist bei einem Hubschrauberrotor unannehmbar, da es
die Steuereigenschaften nachteilig beeinflußt.
Die Randverstärkung wird in das Drehmomentantriebsbauteil nach der Erfindung eingebaut, um die "Ölkannen"-Erscheinung
auszuschalten. Die Randverstarkung besteht aus einer Faserwicklung
in Umfangsrichtung (Band oder Strang), die in einem Mehrkreismuster aufgebracht wird, bis eine vollständige Lage
oder Schicht aus Fasern gewickelt ist. Vorzugsweise werden Fasern wie Polyaramid oder Graphit, die einen negativen
Wärmeausdehnungskoeffizienten dU haben, für die Randverstärkung
verwendet, um die Wärmeeigenschaften des Bauteiles auszugleichen. Die Randverstärkung kann gewickelt werden,
bevor die erste Lage des Bauteiles auf den Kern gewickelt wurde oder nachdem die erste Lage oder die ersten Lagen gewickelt
wurden. Die Randverstärkungsumwicklung in Umfangsrichtung ist in Fig. 3, Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt.
Fig. 5 zeigt ein 3-Kreis-Rückzugsmuster, bei dem der
Rand um den Kern 50 mit einem Faserband 55 in einem sich wiederholenden Muster in ungefähr 120"-Abständen herumgewickelt
wird, um eine ümfangsschicht zu erzeugen, und
Fig. 6 zeigt ein 4-Kreis-Rückzugsmuster, bei dem der Rand um den Kern 50 mit einem Faserband 60 in einem sich
wiederholenden Muster in ungefähr 90"-Abständen herumgewickelt
wird, um eine Umfangsschicht zu erzeugen. Eine fakultative
Wicklung ist in Fig. 7 dargestellt, wobei die Verstärkungsfasern 70 um den Kern 50 unter einem Winkel zu und entlang
seinem Radius zwischen dem zentralen Loch und dem äußeren Rand herumgewickelt wurden, wobei die Paser 55 und Faser
zum Vergleich gezeigt sind.
Es ist wesentlich, daß die Fasern mit ausreichender Spannung
gewickelt werden, um Bauteile nach der Erfindung, die keine "ölkannen"-Erscheinung aufweisen, zu erzeugen. Typischerweise
beträgt die Wickelspannung ungefähr 6,9 MPa (1 000 psi) bis ungefähr 68,95 MPa (10 000 psi), vorzugsweise aber ungefähr
34,5 MPa (5 000 psi).
Die Anzahl der tragenden Schichten und die Anzahl der Randverstärkungsschichten,
die in irgendeinem speziellen Drehmomentantriebsbauteil enthalten sind, hängen von der Größe
des Bauteiles, der Belastung, der Winkelgeschwindigkeit und der Größe der Kippbewegung oder Neigung während des Kippens
ab. Vorzugsweise sind mehr als eine tragende Schicht vorgesehen, und ist mindestens eine Randverstärkungsschicht
vorgesehen. Die Randverstärkungsschichten und die tragenden Schichten können in jeder Reihenfolge oder Kombination gewickelt
werden. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Randverstärkungsschichten 10 mit den tragenden Schichten
wie in Fig. 3 dargestellt, verschachtelt sein. Nachdem das Wickeln fertig ist, kann eine zusätzliche Stoffverstärkung
11 fakultativ auf die äußere Oberfläche des Bauteiles aufgebracht werden, um das Bauteil zur Befestigung, wie in
Fig. 3 gezeigt, zu verstärken.
Der Stoff besteht typischerweise aus gewebten Glasfasern, Kevlar- oder Graphitfasern. Ein bevorzugter Stoff ist das
gewebte Tuch der Marke Kevlar 49, das eine Dicke von ungefähr 0,30 mm (0,012") hat. Der Stoff wird vorzugsweise mit
Harz vorimprägniert, obwohl der Stoff während der Weiterverarbeitung,
wie zuvor in bezug auf die Fasern erörtert, mit Harz imprägniert werden kann.
Der aus Segmenten bestehende Kern, der mit Pasern und der
Harzmatrix umwickelt ist, wird dann in einer Formmaschine unter ausreichender Wärme und ausreichendem Druck genügend
lang ausgehärtet, um die Harzmatrix zu härten und dem Bauteil die gewünschte Form zu geben. Nach der Abkühlung kann
der rückwärtige Teil des Bauteiles ausgeschnitten werden, so daß ein Befestigungsflansch übrigbleibt, wenn es als
Drehmomentantrieb bei einer Hubschraubernabe verwendet wird. Wenn es als Drehmomentantriebskupplung verwendet wird,
wird die Rückseite nicht ausgeschnitten, um den- Flansch zu bilden, und beide Seiten des sich ergebenden Bauteiles sind
identisch. Der aus Segmenten bestehende Metallkern wird zerlegt und entfernt, und die Gummiumhüllung wird herausgezogen.
Das Bauteil wird dann um die zentrale Nabe, Naben und/oder um den Flansch des Randes oder sonstwo in dem
Bauteil durchbohrt, um Befestigungsmittel oder -teile aufzunehmen. Unter Bohren wird jedes Material-Entfernungsverfahren
wie Bohren, Stanzen, Brennen usw. verstanden. Außerdem können die Löcher in das Bauteil durch Anordnen.
von VorSprüngen auf der Kernoberfläche gewickelt werden. Typischerweise ist der Aushärtezyklus für das Bauteil ein
Stufenzyklus, bei dem die Temperatur um I0C pro Min. (20F
pro Min.) bis zu 1770C (3500F) erhöht wird. Das Bauteil
wird dann auf 1770C (3500F) für ungefähr 2 h gehalten und
dann mit einer Geschwindigkeit von 1°C pro Min. (20F pro
Min.) auf Raumtemperatur abgekühlt. Es kann auch bei einer Temperatur von ungefähr 1210C (2500F) ausgehärtet werden.
Der auf das Teil während des Aushärtezyklus aufgebrachte
Druck beträgt typischerweise ungefähr 0,34-2,068 MPa (50-300 psi) und vorzugsweise ungefähr 0,517 MPa
(75 psi). Die Formvorrichtung, die die zum Aushärten und
Formen der Bauteile nach der Erfindung verwendet wird, ist typischerweise eine an sich bekannte Wärme- und Druckformmaschine,
die einen erhitzten Hohlraum, der eine der Oberfläche, des Bauteiles entsprechende Form hat, und eine
Einrichtung zum Aufbringen von Druck hat.
Das Faser-zu-Harz-Verhältnis des geformten Bauteiles nach
der Abkühlung beträgt ungefähr 55 bis ungefähr 65 Vol.-%.
Die Dickenverteilung des gewickelten und geformten Bauteiles ist ausreichend, um die Spannungen annähernd in dem ganzen
Teil ungefähr gleichmäßig zu machen. Typischerweise ist die Dicke des Bauteiles in der Nähe des zentralen Loches
am größten, in der Membran niedriger und im Rand höher.
Eine Ausführungsform des Drehmomentantriebsbauteiles nach
der Erfindung zur Verwendung beii einer Hubschraubernabenanordnung
ist in Fig. 1 dargestellt. Das Bauteil weist einen Membranabschnitt 8 auf, der einen Rand 2 und einen
nach innen gebogenen Flansch 3 hat. Das Bauteil hat ein zentrales Loch 4 zur Aufnahme einer Welle. Das Bauteil
hat Löcher 6 zum Aufnehmen von Steuerstangen und Löcher 5 zum Befestigen des Bauteiles an einer Welle. Das Bauteil
hat Löcher 7 im Flansch 3 zur Befestigung.
Die tragende Schicht 12 ist mit der Verstärkungsschicht und der Tuchverstärkung 11 gezeigt.
Die Verwendung des Bauteiles als Drehmomentantriebsmembran bei dem Rotor eines Drehflügelflugzeuges wie z.B. einem
Hubschrauber, ist in Fig. 2a und Fig. 2b gezeigt. Das Rotorwellenverbindungsstück
24 ist mit der Drehmomentantriebsmembran 21 verbunden und treibt sie an. Die Drehmomentantriebsmembran
21 ist durch eine Klemme 30 mit dem Rotorblatt
" 25 " ' '' ' 36Ί6491
22 verbunden. Das Rotorblatt 22 hat einstückig mit ihm ausgeführt einen Biegeträger 31 und ein Drehmomentrohr 29.
Die Blattwinkelverstellung wird durch die Stoßstange 32, die auf dem Verstellarm 33 wirkt, um das Drehmomentrohr 29
zu drehen, gesteuert. Der Biegeträger 31 ermöglicht dem Blatt eine Biegeschwingung während des normalen Betriebes
des Rotors. Ein Kardangelenk 23 läßt die Rotornabe um die Rotorwelle 24 infolge von verschiedenen Blatteinstellwinkeln,
die dem Blatt 22 zugeführt werden, kippen. Ein Deckel 27 schützt den Rotor und gibt ein aerodynamisches
Profil. In Fig. 2a und 2b ist ersichtlich, daß die Drehmomentantriebsmembran 21 die Welle mit den Blättern verbindet,
um den Blättern ein Drehmoment zuzuführen, wogegen die Rotornabe 25 und das Kardanlager 23 die Blätter
gegen die Wirkung der Zentrifugalkraft halten und die Nabe kippen lassen. Wenn die Rotornabe 23 kippt, muß auch
der Drehmomentantrieb 21 kippen. Ein Kippanschlag 26 bestimmt die maximale Neigung.
Eine Ausführungsform der Erfindung zur Verwendung als
Kraftkupplung (z.B. die Ausgangswelle eines Getriebes, das die Welle einer Maschine antreibt, oder die Ausgangswelle
eines Elektromotors, der eine Zentrifugalpumpe antreibt) , ist in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigt.
Das Bauteil 40 weist eine hohle Scheibe auf, die eine erste im wesentlichen ebene Seite 41 und eine zweite
parallele im wesentlichen ebene Seite 42 hat. Ein einstückiger Rand 43 verbindet die ebene Seite 41 mit der
ebenen Seite 42. Die ebene Seite 41 hat ein zentrales Loch 43a zur Aufnahme einer ersten Welle. Die ebene Seite
42 hat ein zentrales Loch 44 zur Aufnahme einer zweiten Welle. Die ebene Seite 41 hat einen im wesentlichen ebenen
Membranabschnitt 45, der von dem Nabenabschnitt 46 aus bis zu dem Rand 43 verläuft. Ebenso hat die ebene Seite 42
einen Membranabschnitt 47, der von dem Nabenabschnitt 48 aus bis zu dem Rand 43 verläuft. Die Nabenabschnitte 46
und 48 haben Löcher 49 zur Befestigung.
Das Bauteil 40 kann einen Rand 43 haben, der in Längsrichtung verlängert ist, um eine zylindrische oder konische Form
anzunehmen. Dies wird durch Ändern der Form des Kernes erzielt.
Die fakultative Verschachtelung der Verstärkungsfasern mit
den tangential gewickelten Fasern im Randabschnitt des Bauteiles ist in Fig. 3 dargestellt. Membran- oder tragende
Schichten 12 sind mit den Randverstärkungsfasern 10 verschachtelt
dargestellt. Die fakultative Stoffverstärkung 11 ist auch dargestellt.
Die Drehmomentantriebsbauteile nach der Erfindung enthalten Löcher oder Leerräume zur Aufnahme von Befestigungsmitteln,
Steuerstangen usw. Die Löcher können durch herkömmliche
Verfahren wie Bohren, Stanzen, Brennen usw. eingebracht werden. Die Löcher können auch "eingewickelt" werden, indem
Vorsprünge auf der Kernoberfläche vorgesehen werden, um die die Fasern herumgewickelt werden, wodurch sich Bereiche
des Bauteiles ergeben, die frei von Fasern sind.
Die Drehmomentantriebsbauteile nach der Erfindung dienen
allgemein zum Verbinden einer sich schnell drehenden und ein hohes Drehmoment übertragenden Welle mit einer zweiten
sich drehenden Welle, eines Teiles oder Teilen oder für den Zusammenbau zum Antreiben dieser Welle oder zum
Antreiben des Teiles oder der Teile oder des Zusammenbaus. Eine Welle kann ihre zentrale Längsachse gegenüber der
zentralen Längsachse der anderen Welle oder des Zusammenbaus' um ungefähr 10° geneigt haben. Wenn das Drehmomentantriebsbauteil
als Kupplung und nicht als Drehmomentan-
trieb bei einer Hubschrauberrotoranordnung verwendet wird, ist es dafür ausgebildet, eine Welle auf der Vorder- und
der Rückseite aufzunehmen. Das Verfahren zur Herstellung
ist dann zudem ähnlich, das zuvor beschrieben wurde, außer daß die Rückseite nicht ausgeschnitten wird, um einen
Flansch zu bilden, sondern gewickelt und ausgehärtet wird, um einen Nabenabschnitt mit einem zentralen Loch zur Aufnahme einer Welle zu bilden. Das Bauteil würde dann an jeder Seite an einer Welle -befestigt werden, um als flexible Drehmomentantriebskupplung zu arbeiten, und jede Seite würde einen Nabenabschnitt und ein Loch darin haben.
der Rückseite aufzunehmen. Das Verfahren zur Herstellung
ist dann zudem ähnlich, das zuvor beschrieben wurde, außer daß die Rückseite nicht ausgeschnitten wird, um einen
Flansch zu bilden, sondern gewickelt und ausgehärtet wird, um einen Nabenabschnitt mit einem zentralen Loch zur Aufnahme einer Welle zu bilden. Das Bauteil würde dann an jeder Seite an einer Welle -befestigt werden, um als flexible Drehmomentantriebskupplung zu arbeiten, und jede Seite würde einen Nabenabschnitt und ein Loch darin haben.
Ein fasergewickeltes Drehmomentantriebsbautexl wurde im
Maßstab von ungefähr 1:6 zur Verwendung in einer Verbundnabe eines Hubschraubers dadurch hergestellt, daß Polyaramidfasern der Marke Kevlar 29 um einen Kern herumgewickelt wurden. Der Kern bestand aus einem inneren zerlegbaren
segmentierten Metallring und einer äußeren Silikonkautschukumhüllung .
Maßstab von ungefähr 1:6 zur Verwendung in einer Verbundnabe eines Hubschraubers dadurch hergestellt, daß Polyaramidfasern der Marke Kevlar 29 um einen Kern herumgewickelt wurden. Der Kern bestand aus einem inneren zerlegbaren
segmentierten Metallring und einer äußeren Silikonkautschukumhüllung .
Eine einzelne Lage oder Schicht aus einem Strang der Marke Kevlar 29 wurde zu Beginn um den Rand des Kerns in einem
7-Kreis-Rückzugsmuster gewickelt, um die Randverstärkung zu bilden. Dann wurde eine einzelne Lage oder Schicht des Bandes um den Kern in einem 11-Kreis-Muster gewickelt, um das Bauteil zu bilden. Das Band war ein Polyaramidfaserband der Marke Kevlar 29, mit einer Dicke von ungefähr 0,15 mm (0,006"). Das Band war ungefähr 12,7 mm (0,5")
breit und bestand aus neun einzelnen Fasersträngen. Das
Band wurde mit einer Epoxyharzmatrix (zur Erprobung)
Nr. 18 06 der American Cyanamid imprägniert, das ein hohes Verformungsvermögen hat. Das Band wurde von der American
Cyanamid Co., Wayne, NJ. gekauft. Die Faserspannung wurde
7-Kreis-Rückzugsmuster gewickelt, um die Randverstärkung zu bilden. Dann wurde eine einzelne Lage oder Schicht des Bandes um den Kern in einem 11-Kreis-Muster gewickelt, um das Bauteil zu bilden. Das Band war ein Polyaramidfaserband der Marke Kevlar 29, mit einer Dicke von ungefähr 0,15 mm (0,006"). Das Band war ungefähr 12,7 mm (0,5")
breit und bestand aus neun einzelnen Fasersträngen. Das
Band wurde mit einer Epoxyharzmatrix (zur Erprobung)
Nr. 18 06 der American Cyanamid imprägniert, das ein hohes Verformungsvermögen hat. Das Band wurde von der American
Cyanamid Co., Wayne, NJ. gekauft. Die Faserspannung wurde
während des Wickeins auf ungefähr 34,47 MPa (5 000 psi)
eingestellt. Ein gewebter Stoff aus Polyaramidfasern der Marke Kevlar 29 wurde dann um den Randabschnitt herumgeschlagen.
Der Stoff war mit derselben Harzmatrix vorimprägniert. Der Stoff hatte eine Dicke von 0,228 mm
(0,009 Zoll). Der Kern und das Wickelbauteil wurden in eine Formmaschine gelegt und das Bauteil wurde durch Formen
bei einem Druck von ungefähr 0,51 MPa (75 psi) mit einem Stufentemperaturzyklus ausgehärtet, bei dem die
Temperatur um ungefähr 1°C pro Min. (20F pro Min.) bis ungefähr 1770C (3500F) stufenweise erhöht, auf 1770C
(35O0F) 2 h lang gehalten und um 1°C pro Min. (20F pro
Min.) auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Das Bauteil wurde dann um die zentrale Nabe und den Flansch herum
gebohrt, um Befestigungsmittel aufzunehmen. Die Rückseite des Bauteiles wurde ausgeschnitten, um einen Flansch zu
bilden, und der Kern und die Umhüllung wurden entfernt. Das Bauteil hatte einen Radius von 12,9 cm (5,08") und
ein zentrales inneres. Loch hatte einen Durchmesser von 2,66 cm (1,05"). Das Bauteil hatte eine Dicke an der
Nabe von ungefähr 3,81 mm (0,15") und eine Dicke am Rand von 0,30 mm (0,012"). Die Gesamttiefe des Bauteiles betrug
ungefähr 2,03 cm (0,80").
Das Bauteil wurde in eine Simulationsvorrichtung im Maßstab 1:6 für die Nabenanordnung eines Hubschraubers eingebaut
und mit einer Winkelgeschwindigkeit von ungefähr 1 500 Umdrehungen pro Min. 21 Millionen Zyklen lang bei
Winkeln von bis zu 8° ohne Materialversagen gedreht. Eine "Ölkannen"-Erscheinung wurde nicht beobachtet.
Die Verbund-Drehmomentantriebsanordnungen nach der Erfindung ergeben eine Einrichtung zum Verbinden einer sich
drehenden Antriebswelle, die eine Leistung mit einem hohen Drehmoment und einer hohen Winkelgeschwindigkeit ab-
gibt, mit einer zweiten angetriebenen Welle oder Anordnung, wobei die zentralen Längsachsen der Wellen oder der Welle
und der Anordnung um bis zu ungefähr 10° gegeneinander geneigt werden können. Die Drehmomentantrxebsanordnungen sind
aus gewickelten synthetischen Fasern und einer Harzmatrix hergestellt. Die Mehrwinkelwickelmuster, die typischerweise
verwendet werden, ergeben eine überwiegend radiale Faserrichtung in den Randabschnitten eines solchen Bauteiles.
Die sich ändernden Temperaturen, denen diese Bauteile bei einer typischen Anwendung ausgesetzt sind, führen zu unterschiedlichen
Wärmeausdehngeschwindigkexten insbesondere am Rand, wo die Epoxymatrix in der Tangentialrichtung vorherrscht.
Das Ergebnis ist eine "Ölkannen"-Erscheinung, wobei die normalerweise ebene Membran eine konkave oder konvexe
Form im nicht zusammengedrückten Zustand annimmt. Wenn sie zusammengedrückt ist, verwirft sich die Membran, was
zu nicht-linearen Federeigenschaften und einem verfrühten Ausfall führt. Es wurde erfindungsgemäß herausgefunden,
daß durch den Einbau von im wesentlichen tangentialen Verstärkungsfasern in den Rand oder fakultativ im ganzen Bauteil,
die "Ölkannen"-Erscheinung ausgeschaltet werden kann, wodurch ein wärmestabiles Bauteil geschaffen wird, das als
flexibler Drehmomentantrieb für ein hohes Drehmoment und eine hohe Winkelgeschwindigkeit verwendet werden kann.
Claims (29)
1. Faserverstärktes Harzmatrix-Verbundbauteil insbesondere zur Verwendung als Drehmomentantriebsmembran bei einer Drehflügelflugzeugnabe,
mit einer kreisförmigen Membran, die einen Rand hat, der einen nach innen gebogenen Flansch zur Befestigung
hat, und die ein zentrales Loch zur Aufnahme einer Welle hat, dadurch gekennzeichnet , daß das
Bauteil eine Harzmatrix, Fasern, die mit ausreichender Spannung im wesentlichen tangential zu dem zentralen Loch in einem
Mehrkreismuster gewickelt sind, um eine Membran zu bilden, die einen Rand und einen nach innen gebogenen Flansch hat, und
Verstärkungsfasern aufweist, die mit ausreichender Spannung im wesentlichen in Umfangsrichtung gewickelt sind, um den
Randabschnitt des Bauteiles zu verstärken, wobei das Bauteil durch Formen bei ausreichender Wärme und bei ausreichendem
Druck so ausgehärtet wird, daß der Membranabschnitt des Bauteiles im wesentlichen gleichmäßig eben bleibt, wenn es durch
Temperaturänderungen eingeleiteten Spannungen ausgesetzt wird.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser aus der Gruppe bestehend aus Glasfaser, Graphitfaser,
Polyaramidfaser und Kombinationen daraus ausgewählt ist.
3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein harzimprägniertes gewebtes synthetisches Stofftuch um
das ganze oder einen Teil des gewickelten Bauteiles vor dem Aushärten herumgeschlagen wird.
4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gewebte synthetische Stofftuch eine Faser aufweist, die
aus der Gruppe bestehend aus Glasfaser, Graphitfaser, Polyaramidfaser
und einer Kombination daraus ausgewählt ist.
5. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Vielzahl von Löchern radial außerhalb des
äußeren Randes des zentralen Loches zur Aufnahme von Stangen und Befestigungsmitteln vorgesehen ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser mit einer Spannung von ungefähr 34,47 MPa (5 000 psi)
gewickelt ist.
7. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich eine Befestigungseinrichtung, die zentral um das zentrale Loch herum angeordnet ist, vorgesehen ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzverbundbauteiles
insbesondere zur Verwendung als Drehmomentantriebsmembran bei einer Drehflügelflugzeugnabe, dadurch
gekennzeichnet, daß eine mit Harz imprägnierte Faser auf einen Kern mit ausreichender Spannung im wesentlichen tangential
zu einem zentralen Loch in einem Mehrkreismuster gewickelt wird, um eine Membran zu bilden, die einen Rand und
einen nach innen gebogenen Flansch hat, und eine mit Harz
imprägnierte Verstärkungsfaser im wesentlichen in Umfangsrichtung
mit ausreichender Spannung gewickelt wird, um den Rand des Bauteiles zu verstärken, wobei die Verstärkungsfasern
mit den Tangentialfasern verschachtelt sein können und wobei das Bauteil dann durch Formen bei ausreichender Wärme und
ausreichendem Druck ausgehärtet wird, um dadurch ein Bauteil zu erzeugen, bei dem die Membran im wesentlichen gleichmäßig
eben bleibt, wenn es durch Temperaturänderungen eingeleiteten Spannungen ausgesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil zusätzlich eine Vielzahl von Löchern radial außerhalb
des äußeren Randes des zentralen Loches zur Aufnahme von Teilen und Befestigungsmitteln enthält, wobei die Löcher
entweder in das Bauteil während des Wicklungsvorgangs gewickelt wurden oder nach dem Formvorgang oder einer Kombination
daraus gemacht werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein gewebter Stoff aus einer harzimprägnierten Faser um das
ganze Bauteil oder um einen Teil davon nach dem Wickeln und vor dem Aushärten herumgeschlagen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser aus der Gruppe bestehend aus Glasfaser,
Graphitfaser, Polyaramidfaser und einer Kombination daraus, ausgewählt ist.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil mit einer Faserspannung von ungefähr 34,47
MPa (5 000 psi) gewickelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran des Bauteiles zusätzlich eine Befestigungseinrichtung
aufweist, die zentral um das zentrale Loch herum
angeordnet ist.
14. Faserverstärktes Harzmatrix-Verbundbauteil insbesondere zur Verwendung als flexible Drehmomentantriebskupplung,
mit einer hohlen Scheibe, die eine erste im wesentlichen ebene Membranseite und eine zweite im wesentlichen ebene Membranseite
hat, wobei jede Membranseite ein zentrales Loch aufweist, das konzentrisch zu der Zentralachse der Scheibe zur Aufnahme
einer Welle angeordnet ist, und einer Befestigungseinrichtung, die zentral um das zentrale Loch herum angeordnet ist, wobei
die Scheibe einen äußeren Rand hat, der die beiden Membranseiten miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß das
Bauteil eine Harzmatrix, eine Faser, die mit ausreichender Spannung im wesentlichen tangential zu dem zentralen Loch in
einem Mehrkreismuster gewickelt ist, um die Scheibe zu bilden, und eine Faser, die mit ausreichender Spannung im wesentlichen
in Umfangsrichtung gewickelt ist, um den äußeren Rand des Bauteiles zu verstärken, aufweist, wobei das Bauteil durch
Formen mit ausreichender Wärme und ausreichendem Druck so ausgehärtet wird, daß die Membranseiten des Bauteiles im wesentlichen
gleichmäßig eben bleiben, wenn es durch Temperaturspannungen eingeleiteten Spannungen ausgesetzt wird.
15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Befestigungseinrichtung eine Nabe aufweist, die durch Formen während des Aushärtungsvorganges gebildet wird.
16. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus der Gruppe bestehend aus Glasfaser,
Graphitfaser, Polyaramidfaser und einer Kombination daraus ausgewählt sind.
17. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein gewebtes Fasertuch vorgesehen ist, das zumindest
um einen Teil der äußeren Oberfläche vor dem Aus-
härten herumgeschlagen wird.
18. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß das Pasertuch aus der Gruppe bestehend aus Glasfaser, Graphitfaser und Polyaramidfaser ausgewählt ist.
19. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem eine Vielzahl von Löchern radial außerhalb
des äußeren Randes des zentralen Loches zur Aufnahme von Teilen und Befestigungsmitteln aufweist.
20. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung ungefähr 34,47 MPa (5 000 psi) beträgt.
21. Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzmatrix-Verbundbauteiles
insbesondere zur Verwendung als flexible Drehmomentantriebskupplung, dadurch gekennzeichnet,
daß eine mit Harz imprägnierte Faser auf einen Kern im wesentlichen tangential zu einem zentralen Loch mit ausreichender
Faserspannung in einem Mehrkreismuster gewickelt wird, um
eine Scheibe zu bilden, die eine erste im wesentlichen ebene Membranseite mit einem zentralen Loch zur Aufnahme einer
Welle und eine zweite im wesentlichen ebene Membranseite mit einem zentralen Loch zur Aufnahme einer Welle hat, wobei
die zentralen Löcher konzentrisch zu der Zentralachse der Scheibe sind, wobei die Scheibe einen äußeren Rand hat, der
die Membranseiten miteinander verbindet, und eine Befestigungseinrichtung aufweist, die zentral um die zentralen Löcher
herum angeordnet ist, und daß eine mit einer Harzmatrix imprägnierte Faser mit ausreichender Spannung im wesentlichen
in Umfangsrichtung gewickelt wird, wobei die Verstärkungsfasern mit den Tangentialfasern verschachteIn sein können,
wobei das Bauteil durch Formen mit ausreichender Wärme und ausreichendem Druck dann ausgehärtet wird, um dadurch ein
Bauteil zu erzeugen, dessen Membranseiten im wesentlichen
gleichmäßig eben bleiben, wenn es durch Temperaturänderungen eingeleiteten Spannungen ausgesetzt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß die Befestigungseinrichtung eine Nabe aufweist, die durch Formen während des Aushärtungsvorganges gebildet wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus der Gruppe bestehend aus Glasfaser,
Graphitfaser, Polyaramidfaser und einer Kombination daraus ausgewählt werden.
24. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein gewebtes Fasertuch um mindestens einen Teil der
äußeren Oberfläche des Bauteiles vor der Aushärtung herumgeschlagen wird.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Faser, aus der Gruppe bestehend aus Glasfaser, Graphitfaser, Polyaramidfaser und einer Kombination
daraus ausgewählt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil zusätzlich eine Vielzahl von Löchern radial
außerhalb des äußeren Randes der zentralen Löcher zur Aufnahme von Teilen und Befestigungsmitteln aufweist, wobei
die Löcher entweder in das Bauteil während des Wickelvorganges gewickelt oder nach dem Aushärtungsvorgang oder einer
Kombination daraus eingebracht werden.
27. Bauteil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die,Faserspannung ungefähr 34,47 MPa (5 000 psi) beträgt.
28. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rand in Längsrichtung verlängert ist, um einen hohlen Zylinder zu bilden.
29. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des Bauteiles in Längsrichtung verlängert wird,
um einen Zylinder zu bilden.
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