DE3725957C1 - Shaft coupling element - Google Patents

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).

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.