DE3629758A1

DE3629758A1 - Verbundvorrichtung aus faserverstaerkter kunstharzmatrix und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3629758A1
Application number: DE19863629758
Authority: DE
Inventors: David G Matuska
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1986-09-01
Publication date: 1987-04-09
Anticipated expiration: 2006-09-02
Also published as: FR2587938B1; GB2181107A; IT1197288B; FR2587938A1; JPS6292834A; GB2181107B; US4629644A; GB8621191D0; IT8621827A1; DE3629758C2; IT8621827A0; JPH0655456B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbundmaterialien aus faser verstärkter Kunstharzmatrix und betrifft insbesondere Vor richtungen mit einer Membran oder Wand aus Verbundmaterial.

Zum Übertragen von Energie von einem Turbinentriebwerk, ei nem herkömmlichen Verbrennungsmotor, einem Elektromotor oder irgendeiner Energieerzeugungsvorrichtung auf eine Maschine zum Antreiben derselben ist es üblicherweise notwendig, die Energieerzeugungsvorrichtung mit der Maschine durch eine Art von Kupplung zu verbinden. Diese Vorrichtungen übertragen Energie üblicherweise über eine drehbare Welle, und diese Ausgangsenergie wird üblicherweise als Drehmoment bezeichnet. Die Kupplung ist ein kritisches Teil der Anordnung, weil ihr Versagen üblicherweise die Energieversorgung der Maschine unterbricht.

Wenn eine Energieerzeugungsvorrichtung, die eine hohe Aus gangsleistung hat (z.B. ein Elektromotor von 735 kW), mit einer Maschine gekuppelt wird, die eine Welle hoher Winkel geschwindigkeit hat (z.B. eine Kreiselpumpe), ist es kri tisch, daß die Wellen der Vorrichtungen so gut wie möglich aufeinander ausgerichtet sind. Eine Fehlausrichtung wird eine Anzahl von Problemen ergeben, zu denen nachteilige Schwingungen, vorzeitiger Lagerausfall, bauliche Beschädi gung, Überhitzung, übermäßiges Geräusch, hoher Verschleiß und eine hohe Ausfallrate der Kupplung gehören. Es ist zwar theoretisch möglich, die Wellen der Energieerzeugungsvor richtung und der Maschine perfekt aufeinander auszurichten, es gibt aber praktische Grenzen, und zwar aufgrund der Meß ausrüstung, des Ausrüstungsortes, nachteiliger Umgebungsfak toren, unterschiedlicher Wärmeausdehnungsgeschwindigkeiten während des Betriebes usw. Darüber hinaus kann der Entwurf eine bestimmte Gelenkigkeit verlangen. Es gibt im Stand der Technik Kupplungen, die eine geringfügige Wellenfehlausrich tung bei hohem Drehmoment und hoher Drehzahl gestatten, das Ausmaß an Fehlausrichtung beträgt jedoch typisch etwa 1/2° oder weniger, und diese Kupplungen haben typisch einen Aufbau aus Metall und sind sehr schwer. Die Hauptbeschränkung der Kupplungen im Stand der Technik besteht darin, daß die Kon struktionsmaterialien kein hohes Drehmoment und keine hohe Winkelgeschwindigkeit bei großer Wellenfehlausrichtung von bis zu etwa 10° in einem breiten Temperaturbereich gestat ten. Eine solche Kupplung muß als Drehmomentübertragungsein richtung und außerdem als Biegeteil dienen, um eine elasti sche Verformung zum Kompensieren der Fehlausrichtung zu ge statten.

Die Kupplung ist besonders wichtig bei Drehflügelflugzeugen oder Hubschraubern. Die Kupplung, die bei Hubschraubern be nutzt wird, um das Drehmoment von der Antriebswelle auf die Rotorblätter zu übertragen, wird typisch als Drehnabe be zeichnet. Die bekannten Drehnaben sind komplizierte metal lische Vorrichtungen. Zu den Nachteilen dieser metallischen Drehnaben gehören hohes Gewicht, Ermüdungsbruchneigung, War tungsaufwendigkeit und hohe Wartungskosten.

Auf diesem Gebiet der Technik wird ständig danach getrach tet, metallische Flugzeugteile durch leichte, hochfeste, er müdungsbeständige Verbundteile zu ersetzen. Ein Beispiel ei ner kardanischen Hubschrauberrotornabe, bei der Verbundmate rialien benutzt werden, ist in der US-PS 43 23 332 beschrie ben, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird.

Die Beseitigung von herkömmlichen Rollenlagern und Kugella gern in der Rotornabe eines Hubschraubers wird durch eine kardanische Verbundrotornabe erreicht, indem Verbundmateria lien in dem Blatt und der Nabe benutzt werden, die in der Lage sind, sich zu biegen und zu drehen, um die Blattver stell-, -schlag- und -schwenkbewegung zuzulassen. Die Rotor nabe nimmt die Blattzentrifugalkraft auf und überträgt die Auftriebskraft von den Blättern auf die Welle und die Zelle des Hubschraubers. Da sich die Drehnabe um die zentrale Achse der Welle bei einer kardanischen Nabenkonstruktion nei gen sollte, ist es notwendig, eine neigbare oder gelenkige Einrichtung zum Übertragen des Drehmoments von der Welle auf die Rotorblätter vorzusehen. Die Drehmomentübertragungs vorrichtung muß starr genug sein, um das Drehmoment direkt von der Welle auf den Hubschrauber zu übertragen, ohne daß die Blätter knicken oder beulen, und muß trotzdem ausreichend flexibel und biegbar sein, um sich bis zu unge fähr 10° gegen die Horizontale zu neigen, während sie die Drehmomentbelastung überträgt.

Das Knicken oder Beulen einer Drehmomentübertragungsvor richtung wird als eine Welle oder als eine Reihe von Wellen beobachtet, die in der Vorrichtung als Reaktion auf eine auf die Vorrichtung ausgeübte Drehmomentbelastung hervorge rufen werden. Knicken tritt üblicherweise bei einer flexib len Drehmomentübertragungsvorrichtung auf und ist uner wünscht, weil es in direkter Beziehung zu reduzierter Zeit schwingfestigkeit, reduzierter Drehmomentbelastbarkeit und dynamischer Instabilität der Drehmomentübertragungsvorrich tung steht. Die typische Leistungsabgabe an eine Hubschrau bernabenbaugruppe beträgt mehr als 735 kW (1000 PS). Her kömmliche metallische Materialien haben nicht die Eigen schaften, die erforderlich sind, um gleichzeitig die Drehmo mentübertragungsfunktion und die Biegefunktion ohne Knicken und/oder bauliches Versagen zu erfüllen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine flexible Verbunddrehmo mentübertragungsvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen derselben zu schaffen, durch die die vorgenannten Probleme des Standes der Technik überwunden werden.

Beschrieben ist im folgenden eine Verbundvorrichtung aus faserverstärkter Kunstharzmatrix, die insbesondere zur Ver wendung als Drehmomentübertragungsmembran- oder -wand in ei ner Drehflügelflugzeugnabe geeignet ist. Die Vorrichtung enthält eine kreisförmige Membran oder Wand, die einen Rand hat, wobei der Rand eine Befestigungseinrichtung hat und wobei die Wand wenigstens einen Verstärkungsring und eine zentrale Befestigungseinrichtung hat. Die Vorrichtung weist eine Kunstharzmatrix auf, Verstärkungsfasern, die im wesent lichen tangential zu der zentralen Befestigungseinrichtung in einem mehrkreisigen Muster gewickelt sind, um einen Wand abschnitt der Vorrichtung sowie einen Rand und eine Randbe festigungseinrichtung zu bilden, und Verstärkungsfasern, die im wesentlichen in Umfangsrichtung gewickelt sind, um den Rand der Vorrichtung zu verstärken, sowie Verstärkungsfa sern, die im wesentlichen kreisförmig gewickelt sind, um zu dem Mittelpunkt der Wand konzentrische Ringe zu bilden. Die Vorrichtung wird mit ausreichender Faserzugspannung gebildet und durch Formen mit ausreichender Wärme und ausreichendem Druck ausgehärtet. Der Wandabschnitt der Vorrichtung bleibt im wesentlichen uniplanar, wenn er Spannungen ausgesetzt ist, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden, und die Vorrichtung ist beständig gegen Knicken unter Dreh momentbelastungen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Her stellen einer Verbundvorrichtung aus faserverstärkter Kunst harzmatrix mit einer Membran oder Wand, die einen Rand hat, mit einer Randbefestigungseinrichtung, mit Verstärkungsrin gen und mit einer zentralen Befestigungseinrichtung, welche insbesondere zur Verwendung als Drehmomentübertragungswand in einer Drehflügelflugzeugnabe geeignet ist, wobei das Ver fahren die Schritte aufweist, Fasern, die mit in Wärme aus härtendem Kunstharz imprägniert sind, mit ausreichender Fa serzugspannung auf eine Wickelform im wesentlichen tangen tial zu der zentralen Befestigungseinrichtung in einem mehr kreisigen oder -gängigen Muster zu wickeln und so die Wand, den Rand und die Randbefestigungseinrichtung herzustellen, Verstärkungsfasern, die mit Kunstharz imprägniert sind, mit ausreichender Faserzugspannung im wesentlichen in Umfangs richtung zu wickeln, um den Rand der Vorrichtung zu verstär ken, wobei die Verstärkungsfasern wahlweise mit den tangen tialen Fasern verschachtelt werden, um die Vorrichtung zu bilden, und Verstärkungsfasern, die mit Kunstharz impräg niert sind, im wesentlichen auf kreisförmige Weise zu wickeln, um wenigstens einen Verstärkungsring herzustellen, der konzentrisch an der Wand oder in der Wand angeordnet ist. Die Vorrichtung wird dann durch Formen mit ausreichender Wärme und ausreichendem Druck ausgehärtet. Der Wandabschnitt der Vorrichtung bleibt im wesentlichen uniplanar, wenn er Spannungen ausgesetzt ist, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden, und die Vorrichtung ist beständig ge gen Knicken unter Drehmomentbelastungen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Verbundvorrich tung aus faserverstärkter Harzmatrix, die insbesondere zur Verwendung als flexible Drehmomentübertragungskupplung ge eignet ist. Die Vorrichtung weist eine hohle Scheibe auf, die eine erste, im wesentlichen ebene Membran- oder Wand seite und eine zweite, im wesentlichen ebene Membran- oder Wandseite hat, wobei jede Wandseite eine zentrale Befesti gungseinrichtung und außerdem jede Wandseite wenigstens ei nen Verstärkungsring konzentrisch zu den Wandseiten hat. Die Scheibe hat einen Umfangsrand, der die Wandseiten verbindet. Die Vorrichtung weist Fasern in einer Kunstharzmatrix auf, die mit ausreichender Zugspannung im wesentlichen tangential zu der zentralen Befestigungseinrichtung in einem mehrkrei sigen Muster gewickelt worden sind, um die Scheibe herzu stellen, Fasern, die mit ausreichender Zugspannung im we sentlichen in Umfangsrichtung gewickelt worden sind, um den Umfangsrand der Vorrichtung zu verstärken, und Fasern, die mit ausreichender Zugspannung auf im wesentlichen kreisför mige Weise gewickelt worden sind, um Verstärkungsringe auf oder in den Wandseiten und konzentrisch zu diesen herzustel len. Die Vorrichtung wird durch Formen mit ausreichender Wärme und ausreichendem Druck ausgehärtet, so daß die Wand abschnitte im wesentlichen uniplanar bleiben, wenn sie Spannungen ausgesetzt sind, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden, und die Vorrichtung beständig gegen Knicken unter Drehmomentbelastungen ist.

Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundvorrichtung aus einer faserverstärk ten Harzmatrix, die insbesondere zur Verwendung als flexible Drehmomentübertragungskupplung geeignet ist. Das Verfahren beinhaltet die Schritte, mit Kunstharz imprägnierte Fasern auf einer Wickelform im wesentlichen tangential zu wenigstens einer zentralen Befestigungseinrichtung mit ausreichender Faserzugspannung unter Verwendung eines mehrkreisigen Musters zu wickeln, um eine Scheibe herzustellen, die eine erste im wesentlichen ebene Membran- oder Wandseite und eine zweite im wesentlichen ebene Membran- oder Wandseite hat, wobei die Scheibe einen Umfangsrand hat, der die Membran oder Wandseiten miteinander verbindet, wobei jede Membran oder Wandseite die zentrale Befestigungseinrichtung hat, mit Kunstharz imprägnierte Verstärkungsfasern mit ausreichender Zugspannung auf im wesentlichen kreisförmige Weise zu wickeln, um den Rand der Vorrichtung zu verstärken, wobei die Verstärkungsfasern wahlweise mit den tangentialen Fasern verschachtelt werden, um die Vorrichtung herzustellen, und wenigstens einen Verstärkungsring für jede Membran- oder Wandseite herzustellen, indem mit Kunstharz imprägnierte Fasern auf im wesentlichen kreisförmige Weise gewickelt werden, wobei die Ringe konzentrisch auf jeder Membran- oder Wandseite angeordnet oder wahlweise mit den tangentialen Fa sern verschachtelt werden. Die Vorrichtung wird dann durch Formen mit ausreichender Wärme und ausreichendem Druck aus gehärtet, wodurch eine Vorrichtung hergestellt wird, bei der die Membran- oder Wandseiten der Scheibe im wesentlichen uni planar bleiben, wenn sie Spannungen ausgesetzt sind, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden, und die beständig gegen Knicken unter Drehmomentbelastungen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der aus Fasern gewickelten Dreh momentübertragungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2A in Draufsicht eine typische Ver bundhubschrauberrotornabenbaugruppe mit einer Drehmomentübertragungs vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2B in Seitenansicht und im Querschnitt die Rotornabenbaugruppe,

Fig. 3 einen Teilquerschnitt der aus Fasern gewickelten Drehmomentübertragungs vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 4 ein typisches Wickelmuster für eine aus Fasern gewickelte Drehmomentüber tragungsvorrichtung nach der Erfin dung,

Fig. 5 ein wahlweise verwendbares drei kreisiges Wickelmuster zur Randver stärkung,

Fig. 6 ein wahlweise verwendbares vier kreisiges Wickelmuster zur Randver stärkung,

Fig. 7 wahlweise verwendbare Verstärkungs muster für die Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 8 eine Kupplung mit der Drehmomentüber tragungsvorrichtung nach der Erfin dung,

Fig. 9 eine Querschnittansicht einer Kupp lung mit der Drehmomentübertragungs vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 10A - 10C Verstärkungsringe, die in der Dreh momentübertragungsvorrichtung nach der Erfindung benutzt werden, und

Fig. 11 eine Wickelform, die benutzt werden kann, um die Verstärkungsringe der Vorrichtung nach der Erfindung zu wickeln.

Zu den Fasern, die zum Herstellen der Drehmomentübertragungs vorrichtung nach der Erfindung benutzt werden, gehören bekannte Fasern zum Herstellen von Verbundvorrichtungen. Einige Beispie le dieser Fasern sind Polyaramidfasern, Graphitfasern, Glasfa sern und Kombinationen derselben. Die Fasern werden typisch eine Zugfestigkeit von etwa 483 MPa (70 000 psi) bis etwa 3792 MPa (550 000 psi) und vorzugsweise von etwa 2758 MPa (400 000 psi) haben. Eine bei der Ausführung der Erfindung be sonders bevorzugte Kunstfaser ist die Polyaramidfaser Kevlar 29®, hergestellt von der DuPont Company, Wilmington, Delaware. Die Polyaramidfaser Kevlar 29® hat eine Zugfestig keit von etwa 2758 MPa (400 000 psi) und einen Zugmodul von 62 052 MPa (9 000 000 psi). Die Faser wird typisch in Form von im Handel erhältlichem vorgefertigten Roving oder Band ge kauft. Das Band wird typisch aus 8 Rovings bestehen. Das Band, das zum Wickeln der Vorrichtung nach der Erfindung be nutzt wird, ist typisch etwa 12,7 mm (0,5 Zoll) bis etwa 305 mm (12 Zoll) und typischer etwa 12,7 mm (0,5 Zoll) bis etwa 152 mm (6 Zoll) breit, obgleich jede herkömmliche Brei te benutzt werden kann. Die bevorzugte Breite des Bandes, das beim Wickeln einer Vorrichtung benutzt wird, wird von der Größe der Vorrichtung abhängen und sich mit der Größe der Vorrichtung ändern. Die Dicke des Bandes beträgt typisch et wa 1,27 mm (0,050 Zoll) bis etwa 0,051 mm (0,002 Zoll) und typischer etwa 0,30 mm (0,012 Zoll) bis etwa 0,15 mm (0,006 Zoll) und vorzugsweise etwa 0,15 mm (0,006 Zoll).

Es wird bevorzugt, ein Polyaramidband zu benutzen, das mit Kunstharz vorimprägniert worden ist, obgleich nichtimprägnier tes Band benutzt und mit dem Kunstharz während der Verarbei tung imprägniert werden kann.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung, die Kevlar®-Polyaramid fasern und eine Kunstharzmatrix aufweist, wird einen unidi rektionalen Zugmodul von etwa 68 947 MPa (10 000 000 psi) bis etwa 82 736 Mpa (12 000 000 psi) bei Raumtemperatur haben. Das Verhältnis von Fasern zu Harz einer Vorrichtung nach der Er findung, die aus Polyaramidfasern und Kunstharzmatrix herge stellt ist, wird etwa 55 Vol.% bis etwa 65 Vol.% betragen.

Graphitfasern können bei der Ausführung der Erfindung eben falls benutzt werden. Graphitfasern haben im allgemeinen eine Zugfestigkeit von etwa 2758 MPa (400 000 psi) bis etwa 4137 MPa (600 000 psi). Der Durchmesser von üblicherweise benutzten Graphitfasern reicht von etwa 6,35 µm (0,00025 Zoll) bis etwa 7,62 µm (0,00030 Zoll). Graphitfasern wie Polyaramid fasern werden typisch in Form von Roving oder Band benutzt, das im Handel in verschiedenen herkömmlichen Breiten erhält lich ist. Roving enthält typisch etwa 12 000 Fasern. Es wird bevorzugt, Roving oder Graphitfasern zu benutzen, die mit in Wärme aushärtendem Kunstharz vorimprägniert sind, obgleich es möglich ist, nichtimprägnierte Fasern zu kaufen und die Fasern vor den Wickelvorgängen mit der Kunstharzmatrix zu imprägnieren. Eine bevorzugte Graphitfaser ist die Graphit faser Celion®, die von der Celanese Chemical Company, New York, N.Y, hergestellt wird. Weitere Beispiele von Graphitfasern, die bei der Ausführung der Erfindung benutzt werden können, sind die Graphitfasern T-300®, die von der Union Carbide Corporation, New York, NY, erhältlich sind, und die Graphit fasern AS-4®, die von der Hercules, Inc., Wilmington, Dela ware, erhältlich sind. Das Graphitfaserroving oder -band, das üblicherweise benutzt wird, hat eine Dicke von etwa 0,30 mm (0,012 Zoll), obgleich Dicken von 0,15 mm (0,006 Zoll) ebenfalls verfügbar sind. Die ausgehärtete Graphit- und Kunst harzmatrixvorrichtung sollte etwa 50 Vol.% bis etwa 65 Vol.% an Fasern enthalten. Eine Vorrichtung nach der Erfindung, die Graphitfasern und eine Kunstharzmatrix aufweist, wird einen unidirektionalen Zugmodul von etwa 124 105 MPa (18 000 000 psi) bis etwa 172 368 MPa (25 000 000 psi) bei Raumtemperatur haben.

Glasfasermaterial kann bei der Ausführung der Erfindung eben falls benutzt werden. Die bevorzugte Glasfaser ist ein S-Typ oder ein E-Typ, der im Handel vorimprägniert mit Epoxyharz oder nichtimprägniert erhältlich ist. Vorimprägnierte Glas fasern sind im Handel erhältlich in Form von Faserroving oder -band, das herkömmliche Breiten hat, beispielsweise von etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) bis etwa 25,4 mm (1,0 Zoll), und Dicken von beispielsweise zwischen 1,52 mm (0,06 Zoll) und etwa 0,32 mm (0,0125 Zoll). Die wahlweise Dicke und Breite steht in Beziehung zu der Größe und der Belastung der Vor richtung. Die Vorrichtung nach der Erfindung wird, wenn sie aus einer Glasfaser- und Kunstharzmatrix hergestellt ist, einen Fasergehalt von etwa 45 Vol.% bis etwa 60 Vol.% ha ben. Eine Vorrichtung nach der Erfindung, die Glasfasern und eine Kunstharzmatrix aufweist, wird einen unidirektionalen Zugmodul von etwa 34 474 MPa (5 000 000 psi) bis etwa 48 263 MPa (7 000 000 psi) bei Raumtemperatur haben.

Die Kunstharzmatrix wird ein in Wärme aushärtendes oder thermo plastisches Kunstharz aufweisen, das in der Lage ist, sich mit der Kunstfaser zu verkleben. Das Kunstharz kann ein organi sches oder ein anorganisches Kunstharz sein. Typische Harze, die bei der Ausführung der Erfindung benutzt werden können, sind Epoxy, Polyester, Polyimid und andere hochwarmfeste vernetzte Polymerstrukturen. Ein besonders bevorzugtes Kunst harz ist das Epoxyharz Nr. 1806 von der American Cyanamid Co., Wayne, NJ. Dieses Kunstharz ist ein hochbelastbares Kunstharz. Beispiele von im Handel erhältlichen Kunstharzen sind Epoxyharz Nr. 35 101-B, das von der Hercules, Inc., Wilmington, Delaware, hergestellt wird; Epoxyharz Nr. 5143 und Epoxyharz Nr. 1806, die von der American Cyanamid Co., Wayne, NJ, hergestellt werden; Polyimidharz Nr. E-7178, das von der U. S. Polyimide Co., hergestellt wird; und das Kunstharz Nr. E-746, das von der U. S. Prolam Corporation hergestellt wird. Das Band oder Roving kann wie oben er wähnt entweder vorimprägniert mit Kunstharz benutzt wer den oder während des Wickelvorganges durch be kannte Verfahren mit Kunstharz imprägniert werden, beispiels weise durch Hindurchleiten des Bandes durch ein Reservoir von Kunstharzlösung vor dem Wickeln. Ein weiteres Verfahren ist ein Kunstharzspritzpreßprozeß, bei dem Kunstharz in die Form eingespritzt und dadurch in die Faserstruktur aufgenom men wird. Bei der Ausführung der Erfindung wird vorgezogen, Band oder Roving zu benutzen, das mit Kunstharz vorimpräg niert worden ist.

Die Drehmomentsübertragungsvorrichtung nach der Erfindung wird hergestellt, indem eine Wickelform und eine im Handel erhältliche automatische Fadenwickelvorrichtung benutzt wird. Die Wickelform weist einen äußeren Überzug aus Sili kongummi und einen inneren Tragring auf, der aus lösbaren Metallabschnitten oder -segmenten besteht. Die Wickelform wird in eine Spannvorrichtung auf der Wickelvorrichtung eingesetzt, und ein vorprogrammiertes Wickelmuster wird be nutzt, um die Wickelform mit dem Faserband oder -roving zu umwickeln und so eine Faserschicht oder -lage ausreichender Dicke mit geeigneter Faserausrichtung herzustellen. Obgleich die meisten Wickelmuster, die eine symmetrische und maßge schneiderte Faserschicht ergeben, eine im wesentlichen radi ale Ausrichtung haben, bei der Ausführung der Erfindung be nutzt werden können, wird vorgezogen, ein elfkreisiges fort schreitendes Wickelmuster zu benutzen. Fig. 4 zeigt ein grundlegendes elfkreisiges Wickelmuster für die Drehmoment übertragungsvorrichtung. Der Winkel zwischen jedem Band 55 beträgt ungefähr 33,2308°. Nachdem die elf Kreise fertigge stellt worden sind, wird das Muster automatisch um ungefähr 5,5385° vorverlegt. Nachdem insgesamt 65 Kreise gewickelt worden sind, ist das Muster fertig und eine Konstruktions faserschicht ist auf die Wickelform 50 gewickelt worden. Das Band oder Roving 55 wird auf die Wickelform 50 hauptsächlich oder im wesentlichen tangential zu dem zentralen Loch in der Vorrichtung gewickelt.

Verbundvorrichtungen, die fadengewickelte, harzimprägnierte Kunstharz-Faser-Matrizen aufweisen, haben die Festigkeit für die Verwendung als Drehmomentübertragungsvorrichtung oder Kupplung für hohe Leistung, hohe Winkelgeschwindigkeit, Wel lenfehlausrichtung oder Wellengelenkigkeit und -neigung. Typisch wird eine Drehmomentübertragungsvorrichtung für eine Rotornabe oder eine Kupplung wenigstens eine im wesentlichen ebene Membran oder Wand aufweisen, die einen Rand, eine zen trale Befestigungseinrichtung, eine Randbefestigungseinrich tung und Verstärkungsringe hat. Die Verbundvorrichtung wird mit kunstharzimprägnierter Faser auf einer Wickelform ty pisch radial gewickelt, so daß die Faserausrichtung am Umfang im wesentlichen radial und an einem zentralen Loch tangential ist. Ein Problem bei einer gewickelten Verbundvorrichtung, die einen ebenen Membran- oder Wandabschnitt hat, besteht darin, daß der Wandabschnitt dazu neigt, sich aus dem gewünschten uni planaren Zustand heraus "ölkannenartig" zu verformen (to "oil can") oder zu verlagern. Dieses Problem ist einem unterschied lichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Kunstfaser und dem Kunstharz zuzuschreiben. Ein weiteres Problem, das bei einer solchen Vorrichtung auftritt, ist das Knicken oder Beulen (buckling) der Vorrichtung unter Drehmomentbelastung. Das Knicken reduziert bekanntlich die Zeitschwingfestigkeit und die Drehmomentbelastbarkeit und trägt zu dynamischer In stabilität bei.

Unidirektionale Verbundstoffe haben zwei Hauptkoeffizienten der Wärmeausdehnung, den Längsausdehnungskoeffizienten c _L in der Richtung, in der die Fasern verlaufen, und den Queraus dehnungskoeffizienten c _t in der Richtung quer zu den Fasern. Bei einem Verbundmaterial ist der Längskoeffizient c _L übli cherweise viel kleiner als der Querkoeffizient c _t, und zwar weil die Fasern, die üblicherweise einen kleineren Koeffi zienten als die Kunstharzmatrix haben, dazu neigen, auf das Kunstharzmatrixmaterial eine mechanische Haltekraft auszuüben.

Bei der Drehmomentübertragungsvorrichtung mit fadengewickel ter Membran oder Wand ändert sich das Gemisch von Faserwin keln in dem gewickelten Verbundteil von dem zentralen Bereich bis zu dem Außenumfang des Wandabschnitts beträchtlich. Der zentrale Bereich hat ein Gemisch von großen Faserwinkeln, die sich am Rand in überwiegend radiale Ausrichtung ändern. Des halb wird in dem zentralen Teil die Wärmeausdehnung durch die Faser dominiert (die einen niedrigen Ausdehnungskoeffi zienten hat), wogegen in dem Randbereich die Kunstharzmatrix (die einen hohen Ausdehnungskoeffizienten hat) in der tan gentialen Richtung dominiert.

Wenn das Teil eine Temperaturänderung irgendeiner Art erfährt, dehnt sich infolgedessen der zentrale Teil der Wand aus oder zieht sich zusammen, und zwar mit einer viel kleineren Ge schwindigkeit als der Außenumfang oder Randteil. Eine solche aus Fasern gewickelte Verbundvorrichtung wird, wenn sie nach einem typischen Aushärten mit hoher Temperatur auf Umgebungs temperatur abgekühlt wird, in ungleichmäßigen Verhältnissen schrumpfen. Darüber hinaus wird die Vorrichtung im Gebrauch Temperaturänderungen ihrer Umgebung ausgesetzt sein, die das Problem verstärken können. Der Außenumfang oder Randbereich schrumpft mit einer viel größeren Geschwindigkeit als der zentrale Teil der Wand, und zwar infolge der Faserwinkelände rung. Der zentrale Teil der Wand wird infolgedessen auf Druck beansprucht, mit der sich daraus ergebenden Tendenz zu knicken oder sich aus dem gewünschten uniplanaren Zustand zu verlagern. Das ist eine typische Erscheinung bei gewickelten Verbundmem branen oder -wänden. Es ist deshalb erwünscht, die Faseraus richtung der Verbundvorrichtung maßzuschneidern, um die Wärme dehnungseigenschaften der Vorrichtung auszugleichen.

Da eine aus Fasern gewickelte Vorrichtung, die als Drehmoment übertragungsvorrichtung oder Kupplung benutzt wird, zusätz lich zur Drehmomentübertragung als Biegeteil dienen muß, ist es kritisch, die erwähnte ölkannenartige Verformung zu eli minieren oder zu minimieren. Diese ölkannenartige Verformung ist aus mehreren Gründen unerwünscht. Erstens, das Drehmoment übertragungsvermögen einer Vorrichtung ist weitgehend von der Steifheit der Vorrichtung abhängig. Eine Vorrichtung, die eine ölkannenartige Verformung zeigt, hat eine reduzierte Torsionssteifheit. Zweitens, das Ausmaß der ölkannenartigen Verformung ist eine Funktion der Temperatur. Die Temperatur veränderung, der eine Hubschrauberdrehmomentübertragungs vorrichtung oder -kupplung typisch ausgesetzt ist, nämlich -54°C (-65°F) bis mehr als 71°C (150°F), wird unerwünschte Veränderungen in der Torsionssteifheit aufgrund der Tempe raturschwankungen verursachen. Schließlich führt die ölkan nenartige Verformung oder Verlagerung des Membran- oder Wand abschnitts zu nichtlinearen Federkennlinien im Neigungszu stand. Es ist zu beobachten, daß die ölkannenartige Verfor mung, wenn die Drehmomentübertragungsvorrichtung oder Kupp lung festgelegt ist, bewirkt, daß der Membran- oder Wandab schnitt knickt und auf äußerst nichtlineare Weise durch schnappt. Das führt zu beschleunigter baulicher Ermüdung und zu anschließendem Bruch. Dieses Verhalten ist bei einem Hubschrauberrotor auch deshalb unerwünscht, weil es die Steuerungseigenschaften nachteilig beeinflussen würde.

Zusätzlich zu der ölkannenartigen Verformung, die zum Knicken beiträgt, wird angenommen, daß das Knicken auf die Aus bildung einer flexiblen, fadengewickelten Drehmomentüber tragungsvorrichtung zurückzuführen ist, bei der ein Grad an Torsionssteifigkeit geopfert wird, um das Biegen der Dreh momentübertragungsvorrichtung zu gestatten. Es läßt sich beobachten, daß das Knicken bei einer flexiblen Drehmoment übertragungsvorrichtung als eine wellenartige Verformung oder Reihe von wellenartigen Verformungen auftritt, die sich in einem speichenartigen Muster von dem Mittelpunkt der Vorrich tung nach außen bewegen.

Die Randverstärkung ist bei der Drehmomentübertragungsvor richtung nach der Erfindung vorgesehen, um die Erscheinung der ölkannenartigen Verformung zu beseitigen. Die Randver stärkung ist eine Umfangsumwicklung aus Fasern (Band oder Roving), die in einem mehrkreisigen Muster aufgebracht wird, bis eine vollständige Schicht oder Lage der Fasern gewickelt worden ist. Vorzugsweise werden Fasern, wie beispielsweise Polyaramid- oder Graphitfasern, benutzt, die einen sehr nie drigen oder negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten c _L für die Randverstärkung haben, um die thermischen Eigenschaften der Vorrichtung auszugleichen. Die Randverstärkung kann ge wickelt werden, bevor die Anfangsschicht der Vorrichtung auf die Wickelform gewickelt wird oder nachdem die Anfangs schicht oder -schichten gewickelt worden sind. Die Randum fangsverstärkungsumwicklung ist in den Fig. 3, 5 und 6 dar gestellt. Fig. 5 zeigt ein dreikreisiges zurücklaufendes Muster, bei dem der Rand um die Wickelform 50 mit Faserband 60 in einem sich wiederholenden Muster in etwas weniger als 120°-Intervallen umwickelt wird, um eine Umfangsschicht her zustellen, und Fig. 6 zeigt ein vierkreisiges, zurücklaufen des Muster, bei dem der Rand um die Wickelform 50 mit Faser band 65 in einem sich wiederholenden Muster in etwas weniger als 90°-Intervallen umwickelt wird, um eine Umfangsschicht herzustellen. Eine wahlweise verwendbare Umwicklung ist in Fig. 7 gezeigt, wobei die Verstärkungsfasern 70 um die Wickelform 50 unter einem Winkel zu und längs deren Radius zwi schen dem zentralen Loch und dem äußeren Rand gewickelt wer den; die Fasern 55 und 65 sind zu Vergleichszwecken ebenfalls dargestellt.

Der Zweck des Verstärkens des Wandabschnitts der Drehmoment übertragungsvorrichtung mit Verstärkungsringen besteht darin, die Torsionssteifigkeit zu erhöhen und gleichzeitig die Zu nahme der Biegesteifigkeit der Wandvorrichtung zu minimie ren. Das ist kritisch, weil die größere Torsionssteifigkeit ohne größere Biegesteifigkeit verlangt wird, damit die bieg same Drehmomentübertragungsvorrichtung richtig arbeiten kann. Die Verstärkungsringe können auf einer speziellen Wickelform, wie sie in Fig. 11 gezeigt ist, separat gewickelt werden oder in den Wandabschnitt selbst gewickelt werden. Die Ringe kön nen entweder an der oberen oder an der unteren Oberfläche der Wand befestigt werden oder verschachtelnd in den Wandabschnitt der Drehmomentübertragungsvorrichtung gemäß der Darstellung in den Fig. 10A, 10B und 10C hineingewickelt werden. Es ist möglich, Verstärkungsringe in jeder Kombination vorzusehen, beispielsweise auf der oberen und auf der unteren Fläche, auf der oberen Fläche und verschachtelt mit der Wand, usw.

Die Verstärkungsringe werden fadengewickelt, und zwar unter Verwendung eines relativ schmalen Bandes oder Rovings. Das Band oder Roving wird eine Breite haben, die typisch etwa 1,27 mm (0,05 Zoll) bis etwa 25,4 mm (1 Zoll) und typischer etwa 1,27 mm (0,05 Zoll) bis etwa 12,7 mm (0,5 Zoll) beträgt. Das Band oder Roving wird eine Dicke von etwa 0,076 mm (0,003 Zoll) bis etwa 0,30 mm (0,012 Zoll) und typischer von etwa 0,15 mm (0,006 Zoll) bis etwa 0,30 mm (0,012 Zoll) haben. Die Fasern, die benutzt werden, um die Verstärkungs ringe zu wickeln, sind die gleichen Fasern, die oben zur Ver wendung beim Wickeln der Vorrichtung und des Verstärkungs randabschnitts erwähnt worden sind. Es ist vorgesehen, daß wenigstens ein Ring benutzt wird, um einen Wandabschnitt zu verstärken und so die Drehsteifigkeit zu verbessern, typischer werden aber mehrere Ringe benutzt. Die Ringe werden variie rende Durchmesser und variierende Breiten haben, und zwar in Abhängigkeit von der Spannungskonzentration in dem beson deren Punkt in der Drehmomentübertragungsvorrichtung. Da rüber hinaus können die Ringe unterschiedliche Dicken haben, was ebenfalls von der Spannungskonzentration in einem be sonderen Punkt mit Abstand von dem Mittelpunkt der Dreh momentübertragungsvorrichtung abhängig ist. Es ist vorgese hen, daß die Ringe gemeinsam mit der Drehmomentübertragungs vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform ausgehärtet werden, es ist aber auch möglich, die Verstärkungsringe ge trennt von der Drehmomentübertragungsvorrichtung auszuhär ten und dann die Verstärkungsringe an der ausgehärteten Dreh momentübertragungsvorrichtung durch Kleben, usw. zu be festigen.

Wie oben erwähnt zeigen die Fig. 9, 10A, 10B und 10C ver schiedene Ausführungsformen der Drehmomentübertragungsvor richtung nach der Erfindung mit Verstärkungsringen. Der Querschnitt eines Verstärkungsringes kann vielfältige geo metrische Formen haben, was von den Spannungskonzentrationen in einem besonderen Punkt abhängig ist. Die variierenden geo metrischen Konfigurationen werden erzielt, indem die Breite des Rovings verändert wird, während der Ring gewickelt wird. Beispielsweise können Querschnitte hergestellt werden, die rechteckig, quadratisch, dreieckig oder kreisförmig sind. Die Verstärkungsringe werden mit ausreichender Zugspannung unter Verwendung einer herkömmlichen Fadenwickelvorrichtung auf einer Wickelform gewickelt, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist. Die Ringe können auch direkt auf die Wickelform gewickelt werden, die zum Wickeln der Drehmomentübertragungsvor richtung benutzt wird. Die Ringe sind zwar vorzugsweise kreis förmig, sie können jedoch andere Konfigurationen haben, bei spielsweise eine elliptische, dreieckige, quadratische, recht eckige.

Es ist kritisch, die Fasern mit ausreichender Zugspannung zu wickeln, um die Vorrichtung nach der Erfindung herzustellen, die knickbeständig ist und sich nicht ölkannenartig verformt. Typisch wird die Wickelzugspannung etwa 6,89 MPa (1000 psi) bis etwa 68,95 MPa (10 000 psi) und vorzugsweise etwa 34,47 MPa (5000 psi) betragen.

Die Anzahl der baulichen Schichten, die Anzahl der Randver stärkungsschichten und die Größe und die Anzahl der Ver stärkungsringe, die irgendeine besondere Drehmomentübertra gungsvorrichtung aufweist, werden von der Größe der Vorrich tung, der Belastung, der Winkelgeschwindigkeit und dem Nei gungs- oder Gelenkigkeitsgrad während des Neigens abhängig sein. Vorzugsweise sind mehr als eine bauliche Schicht vor gesehen, wenigstens eine Randverstärkungsschicht und wenig stens ein Verstärkungsring. Die Randverstärkungsschichten und die baulichen Schichten sowie die Verstärkungsringe kön nen in jeder Reihenfolge oder Kombination gewickelt werden. In einem Beispiel einer besonderen Ausführungsform sind die Randverstärkungsschichten 10 wahlweise mit den Kon struktions- oder baulichen Schichten 12 verschachtelt, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Nachdem das Wickeln abgeschlos sen ist, kann eine zusätzliche Gewebeverstärkung 11 wahlweise auf die äußere Oberfläche der Vorrichtung aufgebracht werden, um die Vorrichtung für die Befestigung gemäß der Darstel lung in Fig. 3 zu verstärken.

Das Gewebe wird typisch ein Gewebe aus Glasfaser, Kevlar® und Graphitfaser sein. Ein bevorzugtes Gewebe ist das Gewebe Kevlar® 49, das eine Dicke von etwa 0,30 mm (0,012 Zoll) hat. Das Gewebe ist vorzugsweise mit Kunstharz vorimprägniert, obgleich das Gewebe mit Kunstharz während der Verarbeitung im prägniert werden kann, wie es oben mit Bezug auf die Fasern erläutert worden ist.

Die in Segmente unterteilte Wickelform, die mit Fasern und Kunstharzmatrix umwickelt ist, wird dann in einer Formma schine unter ausreichender Wärme und ausreichendem Druck und für eine ausreichende Zeitspanne ausgehärtet, um die Kunstharzmatrix auszuhärten und der Vorrichtung die gewünsch te Form zu geben. Nach dem Abkühlen wird der hintere Teil der Vorrichtung wahlweise ausgeschnitten, um eine Randbe festigungseinrichtung zu schaffen, so daß ein Befestigungs flansch verbleibt, wenn die Vorrichtung als Hubschrauberna bendrehmomentübertragungsvorrichtung benutzt wird. Wenn sie als Drehmomentübertragungskupplung benutzt wird, wird die Rückseite nicht ausgeschnitten, um den Flansch herzustellen, und beide Seiten der sich ergebenden Vorrichtung werden sich gleichen oder identisch sein. Die in Segmente unterteilte metallische Wickelform wird zerlegt und entfernt, und der Gummiüberzug wird herausgezogen. Die Vorrichtung wird dann wahlweise um die zentrale Befestigungseinrichtung, bei der es sich um eine zentrale Nabe oder um Naben handeln kann, und/oder um den Flansch des Randes oder an anderer Stelle an der Vorrichtung durchbohrt, um Befestigungselemente auf zunehmen. Mit Durchbohren ist jedes Materialabtragungsver fahren wie beispielsweise Bohren, Stanzen, Brennen, usw. ge meint. Darüber hinaus können die Löcher in die Vorrichtung gewickelt werden, indem Vorsprünge auf der Wickelforoberfläche an geordnet werden. Typisch ist der Aushärtezyklus, der für die Vorrichtungen benutzt wird, ein stufenweiser Zyklus, in wel chem die Temperatur schrittweise um 1°C (2°F) pro Minute bis auf 177°C (350°F) erhöht wird. Die Vorrichtung wird dann für etwa 2 h auf 177°C (350°F) gehalten und dann mit einer Ge schwindigkeit von 1°C (2°F) pro Minute auf Raumtemperatur abgekühlt. Es ist auch wahlweise möglich, bei einer Tempe ratur von etwa 121°C (250°F) auszuhärten. Der Druck, mit dem das Teil während des Aushärtezyklus beaufschlagt wird, be trägt typisch etwa 3,5-20,7 bar (5-300 psi) und vorzugs weise etwa 5,2 bar (75 psi). Die Formvorrichtung, die be nutzt werden kann, um die Vorrichtung nach der Erfindung auszuhärten und zu formen, ist typisch für Wärme- und Druck formmaschinen bekannter Art und weist einen erhitzten Hohl raum auf, der in seiner Form den Oberflächen der Vorrichtung angepaßt ist, und eine Einrichtung zur Druckbeaufschlagung.

Der Faservolumenanteil der geformten Vorrichtung nach dem Abkühlen wird etwa 55 Vol.% bis etwa 65 Vol.% betragen.

Die Dickenverteilung der gewickelten und geformten Vorrich tung reicht aus, um eine akzeptable gleichmäßige Spannung ungefähr in der gesamten Vorrichtung zu erzielen. Typisch ist die Dicke der Vorrichtung nahe der zentralen Befestigungs einrichtung am größten, in der Wand geringer und im Rand größer.

Eine Ausführungsform der Drehmomentübertragungsvorrichtung nach der Erfindung zur Verwendung in einer Hubschraubernaben baugruppe ist in Fig. 1 dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Membran- oder Wandabschnitt 8 auf, der einen Rand 2 und einen nach innen gedrehten Flansch 3 hat. Die Vorrich tung hat ein zentrales Durchgangsloch 4 zum Aufnehmen einer Welle. Die Vorrichtung hat Löcher 6 zum Aufnehmen von Steuer stangen, und Löcher 5 zum Befestigen der Vorrichtung an einer Welle. Die Vorrichtung hat Löcher 7 in dem Flansch 3 zur Be festigung. Die Vorrichtung hat den an der Wand befestigten Verstärkungsring 15.

Die Konstruktionsschicht 12 ist mit der Verstärkungsschicht 10 und der Gewebeverstärkung 11 dargestellt. Die Verstärkungs ringe 15 und 16 sind an der oberen und unteren Oberfläche der Wand 8 befestigt dargestellt.

Die Verwendung der Vorrichtung als Drehmomentübertragungswand in dem Rotor eines Drehflügelflugzeuges, beispielsweise eines Hubschraubers, ist in den Fig. 2A und 2B gezeigt. Ein Rotor wellenverbinder 24 ist mit der Drehmomentübertragungswand 21 verbunden und treibt diese an. Die Drehmomentübertragungswand 21 ist durch eine Klammer 30 mit dem Rotorblatt 22 verbun den. An dem Rotorblatt 22 sind ein biegsamer Holm 31 und ein Torsionsrohr 29 angeformt. Der Blatteinstellwinkel wird durch eine Stoßstange 32 gesteuert, die auf einen Blattver stellarm 33 einwirkt, um das Torsionsrohr 29 zu drehen. Der biegsame Träger 31 verdreht sich, um dem Blatt zu gestatten, wahrend des normalen Betriebes des Rotors seinen Einstell winkel zu verändern. Ein Kardanlager 23 gestattet der Rotor nabe, sich um die Rotorwelle 24 infolge der verschiedenen Ein stellwinkel, die dem Blatt 22 gegeben werden, zu neigen. Ein Deckel 27 schützt den Rotor und gibt ihm ein aerodynamisches Profil. Aus den Fig. 2A und 2B ist zu erkennen, daß die Dreh momentübertragungswand 21 die Welle mit den Blättern ver bindet und dadurch das Drehmoment auf die Blätter überträgt, wogegen die Rotornabe 25 und das Kardanlager 23 die Zentri fugalkraft der Blätter aufnehmen und der Nabe gestatten sich zu neigen. Wenn sich die Rotornabe 25 neigt, muß sich die Drehmomentübertragungswand 21 ebenfalls neigen. Ein Neigungs anschlag 26 steuert den maximalen Neigungsgrad. An der Dreh momentübertragungswand 21 sind die Verstärkungsringe 36, 37 und 38 befestigt.

Eine Ausführungsform der Erfindung zur Verwendung als Kraft kupplung (z.B. zum Kuppeln der Ausgangswelle eines Getriebes mit der Welle einer Maschine oder der Abtriebswelle eines Elektromotors mit einer Kreiselpumpe) ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt.

Die Vorrichtung 40 bildet eine hohle Scheibe, die eine erste im wesentlichen ebene Seite 41 und eine zweite, parallele, im wesentlichen ebene Seite 42 hat. Ein angeformter Rand 43 verbindet die ebene Seite 41 mit der ebenen Seite 42. Die ebene Seite 41 hat ein zentrales Durchgangsloch 43 a zum Auf nehmen einer ersten Welle. Die ebene Seite 42 hat ein zentra les Durchgangsloch 44 zum Aufnehmen einer zweiten Welle. Die ebene Seite 41 hat einen im wesentlichen ebenen Membran- oder Wandabschnitt 45, der sich von dem Nabenabschnitt 46 zu dem Rand 43 erstreckt. Ebenso hat die ebene Seite 42 einen Mem bran- oder Wandabschnitt 47, der sich von dem Nabenabschnitt 48 zu dem Rand 43 erstreckt. Die Nabenabschnitt 46 und 48 haben wahlweise Durchgangslöcher 49 für die Befestigung. An der im wesentlichen ebenen Seite 41 ist ein Verstärkungsring 52 befestigt, und an der im wesentlichen ebenen Seite 42 ist ein Verstärkungsring 53 befestigt.

Die Vorrichtung 40 kann wahlweise einen Rand 43 haben, der in Längsrichtung verlängert ist, so daß er eine zylindrische oder konische Form bildet. Das wird erreicht durch Ändern der Gestalt der Wickelform.

Das wahlweise Verschachteln der Verstärkungsfasern und der tangential gewickelten Fasern in dem Randabschnitt der Vor richtung ist in Fig. 3 gezeigt. Die Membran- oder Konstruk tionsschichten 12 sind wie dargestellt mit den Randverstär kungsfasern 10 verschachtelt. Die wahlweise vorhandene Ge webeverstärkung 11 ist ebenfalls dargestellt.

Fig. 10A zeigt die Wand 8, an der die Verstärkungsringe 36 a und 38 a an der Innenoberfläche befestigt sind, wobei die Ver stärkungsringe 36 a und 38 a befestigt an der unteren und an der oberen Oberfläche der Wand 8 in Fig. 10C gezeigt sind. Fig. 10B zeigt die Ringe 36 a und 38 a verschachtelt mit der Wand 8. Eine Fadenwickelform 80 zum Wickeln eines Verstär kungsringes 98 ist in Fig. 11 gezeigt. Die Wickelform 80 weist eine drehbare Welle 86, ein erstes abnehmbares Seiten teil 88 und ein zweites abnehmbares Seitenteil 90 sowie ein inneres Teil 94 auf. Die Wickelform 80 wird zum Entnehmen des Ringes 98 zerlegt.

Die Drehmomentübertragungsvorrichtung nach der Erfindung kann Löcher oder Hohlräume zur Aufnahme von Befestigungselementen, Steuerstangen usw. aufweisen. Die Löcher können durch her kömmliche Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch Bohren, Stanzen, Brennen usw. Die Löcher können auch beim Wickeln hergestellt werden, indem Vorsprünge an der Wickel formoberfläche vorgesehen werden, um die die Fasern gewickelt werden, wodurch sich Bereiche der Vorrichtung ergeben, die frei von Fasern sind.

Die Drehmomentübertragungsvorrichtung nach der Erfindung ist allgemein zum Kuppeln einer mit hoher Drehzahl laufenden, ein hohes Drehmoment liefernden Welle mit einer sich drehenden Welle, einem sich drehenden Teil oder einer sich drehenden Baugruppe zum Antreiben dieser Welle, dieses Teils oder die ser Baugruppe verwendbar. Eine Welle kann ihre Längsmittel achse bis zu etwa 10° in bezug auf die Längsmittelachse der anderen Welle oder Baugruppe schräggestellt haben. Bei Ver wendung der Vorrichtung als Kupplung statt als Drehmoment übertragungsvorrichtung in einer Hubschrauberrotorbaugruppe wird die Drehmomentübertragungsvorrichtung so angepaßt, daß sie eine Welle sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rück seite aufnimmt. Das Herstellungsverfahren wird dem oben be schriebenen gleichen, mit der Ausnahme, daß die Rückseite nicht aufgeschnitten wird, um einen Flansch zu bilden, son dern gewickelt und ausgehärtet wird, um einen Nabenabschnitt mit einem zentralen Durchgangsloch zum Aufnehmen einer Wel le zu bilden, so daß die Vorrichtung auf jeder Seite an ei ner Welle befestigbar ist, um als flexible Drehmomentüber tragungskupplung zu dienen, wobei jede Seite einen Nabenab schnitt und ein Durchgangsloch haben wird.

Beispiel

Eine aus Fasern gewickelte Drehmomentübertragungsvorrich tung im Maßstab von ungefähr eins zu sechs zur Verwendung In einer Verbundhubschraubernabe wurde hergestellt durch Wickeln der Polyaramidfaser Kevlar 29® um eine Wickelform. Die Wickelform bestand aus einem inneren zerlegbaren und in Segmente unterteilten Metallring und einem äußeren Sili kongummiüberzug.

Eine einzelne Schicht aus dem Roving Kevlar 29® mit einer Breite von 13,97 mm (0,55 Zoll) wurde am Anfang um den Rand der Wickelform in einem siebenkreisigen, zurückweichenden Muster gewickelt, um die Randverstärkung herzustellen. Dann wurde eine einzelne Schicht Band um die Wickelform in einem elfkreisigen Muster gewickelt, um die Vorrichtung herzu stellen. Das Band war das Polyaramidfaserband Kevlar 29® mit einer Dicke von etwa 0,15 mm (0,006 Zoll). Das Band war etwa 12,7 mm (0,5 Zoll) breit und bestand aus neun einzel nen Faserrovings. Das Band war mit der experimentellen Epoxyharzmatrix Nr. 1806 der American Cyanamid Co. impräg niert, das ein hohes Dehnvermögen hat. Das Band wurde von der American Cyanamid Co., Wayne, NJ. erworben. Die Faser zugspannung während des Wickelns wurde auf etwa 34,5 MPa (5000 psi) eingestellt. Die Faserverstärkungsringe wurden durch die Sikorsky Aircraft (Stratford, CT) hergestellt. Die Ringe hatten Durchmesser von 196,9 mm (7,75 Zoll), 133,4 mm (5,25 Zoll). Die Faser war ein Graphitfaserroving, vorimpräg niert mit der Kunstharzmatrix 5225, die von der American Cyanamid Co. (Wayne, N.J.) hergestellt wird. Das Roving war 1,4 mm (0,055 Zoll) breit und 0,15 mm (0,006 Zoll) dick. Die Ringe waren 6,35 mm (0,25 Zoll) breit und 1,4 mm (0,055 Zoll) dick. Die Ringe wurden in die Vorrichtung durch Nach härtung mit FM-300-Klebstoff eingebaut, der von der American Cyanamid Co. (Wayne, N.J.). erhältlich ist. Polyaramidge webe aus Kevlar® 29 wurde dann um den Randabschnitt gewickelt. Das Gewebe war mit der gleichen Kunstharzmatrix vor imprägniert. Das Gewebe hatte eine Dicke von 0,23 mm (0,009 Zoll). Die Wickelform und die darauf gewickelte Vorrichtung wurden in eine Formmaschine eingesetzt, und die Vorrichtung wurde ausgehärtet durch Formen bei einem Druck von etwa 5,2 bar (75 psi) in einem stufenweisen Temperaturzyklus, in welchem die Temperatur schrittweise um etwa 1°C (2°F) pro Minute auf etwa 177°C (350°F) erhöht, auf 177°C (350°F) für etwa 2 h gehalten und um 1°C (2°F) pro Minute auf Raumtempe ratur abgekühlt wurde. Die Vorrichtung wurde um die zentrale Nabe und den Flansch durchbohrt, um Befestigungselemente aufzu nehmen. Die Rückseite der Vorrichtung wurde ausgeschnitten, um einen Flansch zu bilden, und die Wickelform und der Über zug wurden entfernt. Die Vorrichtung hatte einen Radius von 129 mm (5,08 Zoll) und ein zentrales inneres Loch mit einem Durchmesser von 26,7 mm (1,05 Zoll). Die Vorrichtung hatte eine Dicke an der Nabe von etwa 3,8 mm (0,15 Zoll) und eine Dicke am Rand von 0,30 mm (0,012 Zoll). Die Gesamttiefe der Vorrichtung betrug etwa 20,3 mm (0,80 Zoll).

Die Vorrichtung wurde in einer im Maßstab 1/6 simulierten Hubschraubernabenbaugruppentestvorrichtung befestigt und mit einer Winkelgeschwindigkeit von etwa 1500 U/min in etwa 21 Millionen Zyklen unter Winkeln bis zu 8° ohne bauliches Versagen gedreht. Es wurde keine ölkannenartige Verformung beobachtet. Es wurde auch kein Knicken beobachtet.

Die Verbunddrehmomentübertragungsvorrichtung nach der Er findung bildet eine Vorrichtung zum Kuppeln einer umlau fenden Antriebswelle, die Energie mit hohem Drehmoment und hoher Winkelgeschwindigkeit liefert, mit einer zweiten, an getriebenen Welle oder Baugruppe, wobei die Längsmittelachse der Wellen, der Welle oder der Baugruppe um bis zu etwa 10° gegen die andere Längsmittelachse schräggestellt sein kann. Die Drehmomentübertragungsvorrichtung wird aus gewickel ten Kunstfasern und aus Kunstharzmatrix aufgebaut. Die mehr winkeligen Wickelmuster, die typisch benutzt werden, ergeben eine überwiegend radiale Faserausrichtung in den Umfangsab schnitten einer solchen Vorrichtung. Die variierenden Tem peraturen, denen diese Vorrichtungen in einem typischen An wendungsfall ausgesetzt sind, führen zu unterschiedlicher Wärmeausdehnung, insbesondere am Rand, wo das Epoxymaterial in der tangentialen Richtung dominiert. Das Ergebnis ist die Erscheinung der ölkannenartigen Verformung, bei der die nor malerweise ebene Wand eine konkave oder konvexe Form an nimmt, wenn sie nicht eingespannt ist. Wenn die Wand einge spannt ist, knickt oder beult sie sich, was nichtlineare Federkennlinien und vorzeitigen Ausfall ergibt. Bei der Vor richtung nach der Erfindung hat es sich gezeigt, daß durch Vorsehen der im wesentlichen tangentialen Verstärkungsfasern in dem Rand oder, wahlweise, in der gesamten Vorrichtung die Erscheinung der ölkannenartigen Verformung beseitigt wird, wodurch eine thermisch stabile Vorrichtung geschaffen wird, die biegsam ist und ein großes Drehmoment bei hoher Winkel geschwindigkeit übertragen kann.

Darüber hinaus können die Biegeerfordernisse einer flexiblen Drehmomentübertragungsvorrichtung zum Knicken oder Beulen der Vorrichtung bei Belastung mit hohem Drehmoment führen, das Vorsehen von aus Fasern gewickelten Verstärkungsringen führt aber zur Beseitigung oder zur wesentlichen Reduzierung des Knickens oder Beulens, wodurch die Lebensdauer, die Er müdungsbeständigkeit und die dynamische Stabilität verbessert werden.

Claims

1. Verbundvorrichtung aus faserverstärkter Kunstharzmatrix, insbesondere zur Verwendung als Drehmomentübertragungswand in einer Drehflügelflugzeugnabe, mit einer kreisförmigen Wand (8), die einen Rand (2) mit einer Befestigungseinrich tung (3) und wenigstens einen Verstärkungsring (15) sowie eine zentrale Befestigungseinrichtung (4) aufweist, gekenn zeichnet durch:
eine Kunstharzmatrix;
Fasern (12, 55), die mit ausreichender Zugspannung im wesent lichen tangential zu der zentralen Befestigungseinrichtung (4) in einem mehrkreisigen Muster zur Bildung der Wand (8) mit dem Rand (2) und dessen Befestigungseinrichtung (3) ge wickelt sind;
Verstärkungsfasern (10, 60), die mit ausreichender Zugspan nung im wesentlichen in Umfangsrichtung gewickelt sind, um den Randabschnitt (2) der Vorrichtung zu verstärken; und wenigstens einen Verstärkungsring (15), der aus gewickelten Fasern gebildet ist und dessen Mittelpunkt zu der Wand (8) konzentrisch ist;
wobei die Vorrichtung durch Formen bei ausreichender Wärme und ausreichendem Druck ausgehärtet ist, so daß der Wandabschnitt (8) der Vorrichtung im wesentlichen uniplanar bleibt, wenn er Spannungen ausgesetzt ist, die durch Tem peraturänderungen verursacht werden, und die Vorrichtung bei Drehmomentbelastung beständig gegen Knicken oder Beulen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (10, 12, 55, 60) Glasfasern, Graphitfasern, Poly aramidfasern oder Kombinationen derselben sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß ein mit Kunstharz imprägniertes synthetisches Ge webe (11) vor dem Aushärten um die gesamte Vorrichtung oder um einen Teil derselben gewickelt worden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das synthetische Gewebe (11) Glasfasern, Graphitfasern, Poly aramidfasern oder eine Kombination derselben enthält.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeich net durch mehrere Durchgangslöcher (5, 6) radial außerhalb des äußeren Umfangs der zentralen Befestigungseinrichtung (4) zum Aufnehmen von Stangen und Befestigungselementen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Fasern (10, 12, 55, 60) mit einer Zug spannung von etwa 34,5 MPa (5000 psi) gewickelt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die zentrale Befestigungseinrichtung (4) ein Durchgangsloch zum Aufnehmen einer Welle aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Randbefestigungseinrich tung (3) ein nach innen gedrehter Flansch ist.

9. Verfahren zum Herstellen einer Verbundvorrichtung aus faserverstärktem Kunstharz, insbesondere zur Verwen dung als Drehmomentübertragungswand in einer Drehflügel flugzeugnabe, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Wickeln von mit Kunstharz imprägnierten Fasern auf eine Wickelform mit ausreichender Zugspannung im wesentlichen tangential zu einer zentralen Befestigungseinrichtung in einem mehrkreisigen Muster, um eine Wand herzustellen, die einen Rand und eine Randbefestigungseinrichtung hat, Wickeln von mit Kunstharz imprägnierten Verstärkungsfasern im wesentlichen in Ümfangsrichtung und mit ausreichender Zugspannung zum Verstärken des Randes der Vorrichtung, wo bei die Verstärkungsfasern wahlweise mit den tangentialen Fasern verschachtelt werden, und
Wickeln von mit Kunstharz imprägnierten Verstärkungsfasern auf im wesentlichen kreisförmige Weise, um wenigstens einen Verstärkungsring herzustellen, der konzentrisch auf der Wand oder in der Wand angeordnet ist, woraufhin die Vorrich tung durch Formen mit ausreichender Wärme und ausreichendem Druck ausgehärtet wird, um dadurch eine derartige Vorrich tung herzustellen, daß die Wand im wesentlichen uniplanar bleibt, wenn sie durch Temperaturänderungen hervorgerufenen Spannungen ausgesetzt wird und unter Drehmomentbelastungen gegen Knicken oder Beulen beständig ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorrichtung mehrere Durchgangslöcher radial außerhalb des äußeren Umfangs der zentralen Befestigungseinrichtung zum Aufnehmen von Teilen und Befestigungselementen gebildet werden, indem die Löcher entweder während des Wickelvorgangs in die Vorrichtung gewickelt werden oder nach dem Form prozeß hergestellt werden oder durch eine Kombination die ser Maßnahmen hergestellt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß nach dem Wickeln und vor dem Aushärten ein mit Kunstharz imprägniertes Gewebe um die gesamte Vorrich tung oder um einen Teil derselben gewickelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Glasfasern, Graphitfasern, Polyaramidfasern oder eine Kombination daraus sind.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit einer Faserzugspan nung von etwa 34,5 MPa (5000 psi) gewickelt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand der Vorrichtung zusätzlich ein zentrales Durchgangsloch zum Aufnehmen einer Welle her gestellt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Randbefestigungseinrichtung mit einem nach innen gedrehten Flansch versehen wird.

16. Verbundvorrichtung aus faserverstärkter Kunstharzmatrix, insbesondere zur Verwendung als flexible Drehmomentübertra gungskupplung, mit einer hohlen Scheibe, die eine erste, im wesentlichen ebene Wandseite (41) und eine zweite, im wesent lichen ebene Wandseite (42) hat, wobei jede Wandseite eine zentrale Befestigungseinrichtung (46, 48) und wenigstens einen Verstärkungsring (52, 53) konzentrisch zu der axialen Mittelachse der Scheibe hat und wobei die Scheibe einen Umfangsrand (43) hat, der die Wandseiten (41, 42) miteinander verbindet, gekennzeichnet durch:
eine Kunstharzmatrix;
Fasern (55), die mit ausreichender Zugspannung im wesent lichen tangential zu der zentralen Befestigungseinrichtung (46, 48) in einem mehrkreisigen Muster zur Herstellung der Scheibe gewickelt sind;
Fasern (60), die mit ausreichender Zugspannung im wesent lichen in Umfangsrichtung gewickelt sind, um den Umfangs rand (43) der Vorrichtung (40) zu verstärken; und Fasern, die mit ausreichender Zugspannung auf im wesent lichen kreisförmige Weise zur Herstellung der Verstärkungs ringe (52, 53) auf oder in den Wandseiten (41, 42) und kon zentrisch zu diesen gewickelt sind;
wobei die Vorrichtung (40) durch Formen mit ausreichender Wärme und ausreichendem Druck ausgehärtet worden ist, so daß die Wandseiten (41, 42) der Vorrichtung (40) im wesentlichen uniplanar bleiben, wenn sie durch Temperaturänderungen her vorgerufenen Spannungen ausgesetzt sind, und die Vorrichtung bei Drehmomentbelastungen knick- oder beulfest ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Befestigungseinrich tung (4, 46, 48) eine Nabe aufweist, die durch Formen während des Aushärtevorgangs gebildet worden ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fasern (55, 60) Glasfasern, Graphitfasern, Polyaramidfasern oder eine Kombination daraus sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekenn zeichnet durch ein Fasergewebe (11), das vor dem Aushärten wenigstens um einen Teil der äußeren Oberfläche gewickelt wor den ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasergewebe (11) Glasfasern, Graphit fasern oder Polyaramidfasern enthält.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, gekenn zeichnet durch mehrere Durchgangslöcher (49) radial außer halb des äußeren Umfangs der zentralen Befestigungseinrich tung (46, 48) zum Aufnehmen von Teilen und Befestigungsele menten.

22. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugspannung etwa 34,5 MPa (5000 psi) beträgt.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, gekenn zeichnet durch ein zentrales Durchgangsloch (44) zum Auf nehmen einer Welle.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, da durch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsringe (52, 53) und die Randverstärkungsfasern (60) wahlweise mit den tangentia len Fasern (55) verschachtelt sind.

25. Verfahren zum Herstellen einer Verbundvorrichtung aus faserverstärkter Kunstharzmatrix, insbesondere zur Verwendung als flexible Drehmomentübertragungskupplung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Wickeln von mit Kunstharz imprägnierten Fasern auf eine Wickelform im wesentlichen tangential zu einer zentralen Befesti gungseinrichtung mit ausreichender Faserzugspannung in einem mehrkreisigen Muster zum Herstellen einer Scheibe, die eine erste im wesentlichen ebene Wandseite mit einer zentralen Be festigungseinrichtung und eine zweite im wesentlichen ebene Wandseite mit einer zentralen Befestigungseinrichtung hat und einen Umfangsrand aufweist, der die Wandseiten miteinander verbindet,
Wickeln von mit Kunstharzmatrix imprägnierten Fasern mit ausreichender Zugspannung in Umfangsrichtung, um den Rand der Vorrichtung zu verstärken, wobei die Verstärkungsfa sern wahlweise mit den tangentialen Fasern verschachtelt werden, und
Herstellen wenigstens eines Verstärkungsringes für jede Wandseite durch Wickeln von mit Kunstharz imprägnierten Fasern auf im wesentlichen kreisförmige Weise, wobei die Ringe konzentrisch auf jeder Wandseite angeordnet oder wahlweise mit den tangentialen Fasern verschachtelt werden, worauf hin die Vorrichtung ausgehärtet wird durch Formen mit aus reichender Wärme und ausreichendem Druck, um dadurch eine derartige Vorrichtung herzustellen, daß die Wandseiten der Vorrichtung im wesentlichen uniplanar bleiben, wenn sie durch Temperaturänderungen hervorgerufenen Spannungen aus gesetzt sind, und daß die Vorrichtung unter Drehmomentbe lastungen knick- oder beulfest ist.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Befestigungseinrichtung mit einer Nabe versehen und durch Formen während des Aushärtevorganges hergestellt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeich net, daß die Fasern Glasfasern, Graphitfasern, Polyaramid fasern oder eine Kombination daraus sind.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aushärten ein Fasergewebe wenig stens um einen Teil der äußeren Oberfläche der Vorrichtung gewickelt wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasergewebe Glasfasern, Graphitfasern, Polyaramidfasern oder eine Kombination daraus enthält.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich mit mehreren Durchgangslöchern radial außerhalb des äußeren Umfangs der zentralen Befestigungseinrichtung zum Aufnehmen von Teilen und Befestigungselementen versehen wird, wobei die Durch gangslöcher entweder während des Wickelvorgangs in die Vor richtung gewickelt werden oder nach dem Aushärtevorgang in der Vorrichtung hergestellt werden oder durch eine Kombina tion dieser Maßnahmen hergestellt werden.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern mit einer Zugspannung von etwa 34,5 MPa (5000 psi) gewickelt werden.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand in Längsrichtung ausgedehnt wird, um einen Hohlzylinder herzustellen.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der Vorrichtung in Längsrich tung ausgedehnt wird, um einen Zylinder herzustellen.