DE3725957C1 - Shaft coupling element - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein elastisches Axial- und Winkel
versatz zulassendes Wellenkupplungselement aus Faserver
bundwerkstoff mit Schichten unterschiedlicher Faserorien
tierung in Form eines Polygonzuges mit Schraubenlöchern
zum wechselseitigen Anbringen von zwei axial anschlie
ßenden Flansch- oder Wellenteilen, bei dem ein einfacher
Polygonzug in symmetrischer Ausbildung zur Mittelebene
vorgesehen ist, der aus dünneren geraden Stegbereichen und
verstärkten Augenbereichen besteht, und bei dem daß die
Stegbereiche mittlere Faserlagen mit Faserorientierung in
Steglängsrichtung und äußere Faserlagen mit
Faserorientierung von ±30° bis 60°, insbesondere
±45° zur Steglängsrichtung aufweisen. Derartige
Elemente dienen zur Aufnahme kleiner Winkel- und
Axialänderungen in Antriebssträngen und müssen zur
Aufnahme hoher Drehmomente bei guter Flexibilität geeignet
sein.
Ein Wellenkupplungselement der genannten Art ist aus der
DE-OS 23 53 303 bekannt, bei dem eine Mehrzahl von Kaut
schukschichten mit Faserverstärkungen in wechselnder Orien
tierung in einer Form zu einem Polygonzug zusammenvulka
nisiert werden. Die Fasern dienen bereits der Erhöhung der
Verdrehsteifigkeit bei Wahrung der Axialbeweglichkeit.
Gleichwohl ist vorgesehen, insbesondere im Bereich der
Kragen von in den Ring eingesetzten Buchsen weiche Auf
lageflächen anzuordnen, damit Anschlußelemente Winkel
bewegungen im Verhältnis zum Ring ausführen können. Die
Einbindung der Bolzen oder Buchsen ist also nachgiebig und
unexakt und läßt Winkelfehler in der Drehmomentübertragung
zu. Bei modernen Faserverbundwerkstoffen ist eine derartig
nachgiebige Ausbildung der Bereiche für die Einbindung von
Befestigungselementen nicht denkbar. Daneben wären die im
wesentlichen mit den Augenbereichen gleichdicken Stegbe
reiche bei Verwendung von solchen Werkstoffen zu steif, da
in den jeweils außenliegenden Schichten bei Biegung hohe
Zugspannungen aufgebaut würden.
Ein Wellenkupplungselement ähnlicher Art ist aus der
DE 31 08 007 C2 bekannt, nach der ein Polygonzug in den
Stegbereichen aus einer Vielzahl von Blattelementen mit
dazwischenliegenden parallelwandigen Freiräumen aufgebaut
ist, wobei sich die Blattelemente in den Endbereichen
überdecken und kompakte Verbindungsbereiche bilden. In
einzelnen Schichten der Blattelemente beträgt die Faser
orientierung abwechselnd ±45° und 0/90°, wodurch
eine große Festigkeit und Steifigkeit des Kupplungsele
mentes erzielt werden soll.
Das Kupplungselement mit dem angegebenen Aufbau wird hier
bei zu einem räumlichen Gebilde größerer axialer Ausdehnung,
das übermäßige Steifigkeit aufweist. Besondere Nachteile
ergeben sich daraus, daß durch die gewählte Anordnung und
den vorgegebenen Aufbau der einzelnen Schichten bei jeder
Art Verformung jeweils Fasern vorzufinden sind, die mit
großem Abstand von einer mittleren Biegelinie in Zugrich
tung belastet werden und der Verformung somit hohen Wider
stand entgegensetzen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Element der eingangs genannten Art
zu schaffen, daß bei guter, unbeeinträchtigter Drehmoment
kapazität eine gute Flexibilität aufweist und in der
innere Faserdehnungen auf ein geringes Maß reduziert sind.
Die Lösung hierfür zeichnet sich dadurch aus, daß die
verstärkten Augenbereiche rechtwinklig zur Steg
längsrichtung begrenzt an die Stegbereiche anschließen,
daß die äußeren Faserlagen der Stegbereiche jeweils in die
anschließenden Augenbereiche hineinlaufen, und daß die
Faserlagen in den Stegbereichen stärker verpreßt sind und
enger aneinanderliegen als in den Augenbereichen. Die
Wirkung besteht darin, daß in den erfindungsgemäß aufge
bauten Stegbereichen, sowohl bei Zugbelastung als auch
Biegebelastung die Faserdehnung aufgrund der gewählten
Orientierung
begrenzt ist. Durch die einfache Ausbildung des Polygon
zuges in der Mittelebene wird eine hohe Flexibilität bei
hoher Torsionsbelastbarkeit erreicht. Wesentlich ist auch
die rechtwinklige Begrenzung der Augenbereiche in Bezug
zur Steglängsrichtung, die saubere Biegelinien in den
Stegbereichen entstehen läßt, ohne daß durch Längenunter
schiede Torsionskräfte eingeleitet werden, wie dies bei
bekannten Elementen der Fall ist. Daneben ergibt die
insgesamt größere Länge der flexiblen Bereiche eine ge
ringere Werkstoffbeanspruchung bei Biegung im Vergleich
mit den bekannten Elementen, bezogen auf die Gesamtgröße
des Elements. Da die Faserlagen in den Stegen in die
benachbarten Augenbereiche hineinlaufen, entstehen keine
Schwachstellen im Bereich der Übergänge von Stegen zu
Augen. Der Dickenunterschied zwischen den steifen
Augenbereichen und den zugfesten Stegbereichen wird noch
dadurch verstärkt, daß die Stegbereiche stärker verpreßt
sind und die Faserlagen hier enger aneinanderliegen.
Es werden dabei etwa C-förmige Einzelelemente verwendet,
die jeweils einen Steganteil und zwei anschließende
Augenbereiche umfassen. In besonders günstiger Ausbildung
sind die Übergänge von den Stegen zu den Augenbereichen im
Längsschnitt mit Rundungen versehen, um jegliche
Kerbwirkungen zu vermeiden. Zur Erhöhung der Materialdicke
weisen die Augenbereiche zwischengelegte Zusatzschichten
auf, deren Faserorientierung beliebig ist. Das Verhältnis
der Dicken liegt im Bereich von 1 : 3 bis 1 : 5, wobei
ungeachtet der Schraubenlöcher durch die Faserübergänge
zwischen Augenbereichen und Stegbereichen keine
Schwachstellen zu erkennen sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen
dargestellt.
Fig. 1 zeigt ein Kupplungselement in axialer Ansicht.
Fig. 2 zeigt ein Kupplungselement in seitlicher Ansicht.
Fig. 3 zeigt einen Stegbereich als vergrößerte Einzelheit.
Fig. 4 zeigt verschiedene Belastungszustände an einem
Stegbereich und in den Fasern.
Fig. 5 zeigt ein Einzelelement vor der Verarbeitung.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Polygonzug mit Stegbe
reichen 1 geringerer Dicke und Augenbereichen 2 größerer
Dicke zu erkennen, die jeweils rechtwinkelig zur Längs
richtung der Stege gegeneinander abgegrenzt sind. Der
Übergang ist durch eine Ausrundung 3 gekennzeichnet. Die
etwa dreieckigen, außen gerundeten Augenbereiche 2 weisen
Schraubenlöcher 4 auf, die wechselseitig mit Kupp
lungssternen oder Kupplungsflanschen zur Verbindung
gebracht werden können. Ausschnittsweise ist dargestellt,
daß die Außenlagen 6 eines Steges eine Faserorientierung
von ±45° haben, während die Mittellagen 5 eine rein
längsgerichtete Faserorientierung aufweisen. Beide Faser
arten gehen jeweils in die anschließenden Augenbereiche
über. Im Bereich der Augen 2 sind Zusatz- oder Füllagen 7
eingefügt.
In Fig. 3 ist ein einzelner Steg 1 nochmals mit einer
mittleren Schicht 5 mit längsorientierten Fasern und mit
Außenschichten 6 mit Fasern unter ±45° gezeigt.
In Fig. 4 sind an einem ausschnittsweise im Längsschnitt
dargestellten Stegbereich links jeweils die Dehnungszu
stände und rechts die entsprechenden Faserdehnungen im
Gesamtsteg systematisch für Zugbelastung (a), Biegungsbe
lastung (b) und Überlagerung von Zug und Biegung (c) dar
gestellt. Durch die gewählte Schichtung sind die Faser
dehnungen begrenzt und können im zulässigen Bereich blei
ben.
In Fig. 5 ist die Form eines Einzelelementes gezeigt, das
in bezug auf die Längsrichtung des Steges einen der mög
lichen Faserwinkel aufweisen kann. Bei etwa C-förmiger Ge
stalt umfaßt das Element einen Steg mit den beiden an
schließenden Augenbereichen.
Claims (4)
1. Elastisches Axial- und Winkelversatz zulassendes Wel
lenkupplungselement aus Faserverbundwerkstoff mit
Schichten unterschiedlicher Faserorientierung, in Form
eines Polygonzuges mit Schraubenlöchern zum wechsel
seitigen Anbringen von zwei axial anschließenden
Flansch- oder Wellenteilen, bei dem ein einfacher
Polygonzug in symmetrischer Ausbildung zur Mittelebene
vorgesehen ist, der aus dünneren geraden Stegbereichen
(1) und verstärkten Augenbereichen (2) besteht, und
bei dem die Stegbereiche mittlere Faserlagen (5) mit
Faserorientierung in Steglängsrichtung und äußere
Faserlagen (6) mit Faserorientierung von ±30° bis
60°, insbesondere ±45° zur Steglängsrichtung
aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die verstärkten Augenbereiche (2) rechtwinklig zur Steglängsrichtung begrenzt an die Stegbereiche (1) anschließen,
daß die äußeren Faserlagen (5, 6) der Steuerbereiche (1) jeweils in die anschließenden Augenbereiche (2) hin einlaufen, und
daß die Faserlagen (5, 6) in den Stegbereichen (1) stär ker verpreßt sind und enger aneinanderliegen als in den Augenbereichen (2).
daß die verstärkten Augenbereiche (2) rechtwinklig zur Steglängsrichtung begrenzt an die Stegbereiche (1) anschließen,
daß die äußeren Faserlagen (5, 6) der Steuerbereiche (1) jeweils in die anschließenden Augenbereiche (2) hin einlaufen, und
daß die Faserlagen (5, 6) in den Stegbereichen (1) stär ker verpreßt sind und enger aneinanderliegen als in den Augenbereichen (2).
2. Element nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Stegbereich (1) die mittleren Faserlagen
(5) ca. 50% und die äußeren Faserlagen (6) jeweils
ca. 25% der Gesamtdicke einnehmen, wobei diese insbe
sondere ca. 1,5 mm beträgt.
3. Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stegbereiche (1) im Längsschnitt mit Radius
übergang (3) in die Augenbereiche (2) übergehen.
4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß in den Augenbereichen (2) zusätzliche Faserlagen
(7) vorgesehen sind.
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