DE3822417A1 - Welle zur uebertragung von torsionskraeften - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Welle zur Übertragung von Torsionskräften und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Welle, die einen vorbestimmten Verdrehwinkel zu­ läßt und aus Wellenkomponenten gebildet ist, die aus einer Kernwelle, einer hohlen Außenwelle und mindestes einer hohlen Zwischenwelle besteht, die koaxial zueinander ange­ ordnet und paarweise mit ihrem einen Ende miteinander ver­ bunden sind, derart, daß die Verbindungsstellen abwechselnd am einen oder am anderen Ende der Welle liegen, und wobei die Außenwelle ein erstes Kupplungsteil und die Kernwelle ein zweites Kupplungsteil trägt.

Wellen dieser Art werden beispielsweise zur Übertragung des Drehmomentes eines Motors auf die Räder eines Fahrzeugs, insbesondere eines Motorrads, verwendet. Eine derartige Welle ist aus der DE-PS 1 57 486 bekannt. Die Welle ist mit mehreren koaxial ineinanderliegenden Hohlwellen gebildet, die so miteinander verbunden sind, daß sie im Längsschnitt gesehen, zickzackartig verlaufen, so daß sie in der Gesamt­ heit die Wirkung einer entsprechend vielfach längeren Welle haben, indem sich die Verdrehwinkel der einzelnen Wellen­ komponenten in der Gesamtwirkung der Welle addieren. Mit einer derartigen torsionselastischen Welle lassen sich harte Stöße bei Belastungswechsel, z. B. beim Anfahren oder Bremsen des Motorrads, vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle der eingangs genannten Art zu entwickeln, die fertigungstech­ nisch einfach herzustellen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.

Dadurch ist eine gegenüber den bekannten Ausführungen aus Metall gewichtsmäßig leichtere Welle geschaffen, bei der einerseits eine ausreichende Festigung auch mit geringen Wellendurchmessern erreichbar und andererseits die ge­ wünschte Elastizität in Torsionsrichtung genau einstellbar ist. Durch Wahl des Verbundmaterials, der Wandstärke der Wellenkomponenten, der Komponentenzahl läßt sich die Festigkeit der Welle und die Torsionssteifigkeit dem je­ weiligen Anwendungsfall anpassen.

Die Wellenkomponenten bestehen vorzugsweise aus faserver­ stärktem Verbundwerkstoff, womit durch die Möglichkeit der Wahl der Faserorientierung und des Fasermaterials weitere Parameter gegeben sind, mit denen eine genaue und reprodu­ zierbare Auslegung der Welle möglich ist.

Als Fasern eignen sich Glasfasern aufgrund ihrer für diesen Belastungsfall günstigen Werkstoffeigenschaften, insbe­ sondere in den Fällen, in denen die Welle keinen zu hohen Drehzahlen ausgesetzt wird. In diesem Fall ist die Anwendung eines Materials mit höherer spezifischer Steifigkeit not­ wendig, wie z. B. Kohlenstoffasern.

Zwischen den einzelnen Wellenkomponenten sind vorzugsweise nur sehr schmale, zylindrische Zwischenräume vorgesehen, um Durchbiegungen der Wellenkomponenten bzw. der Welle zu vermeiden. Mit Graphit oder anderen Stoffen mit hohen Gleiteigenschaften, die in die Zwischenräume gebracht werden, wird eine ungehinderte Torsionsbeweglichkeit der Einzelkomponenten sichergestellt. Zur Unterstützung bzw. gezielter Beeinflussung der Torsionselastizität der Welle kann in den Zwischenräumen elastisches Material, d. h. ein Elastomer vorgesehen werden, das bei der Herstellung der Welle gleichzeitig als Trennmittel zwischen den verschie­ denen Wellenkomponenten dient. Diese Ausgestaltung hat den weiteren Vorteil, daß das elastische Material eine Schwingungsdämpfwirkung hat und außerdem eine Stütze gegen Ausbeulen oder Verbiegen der Wellenkomponenten bietet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine faserverstärkte Welle in einem Arbeitsgang hergestellt, indem nach Fertigstellung der inneren Kernwelle diese mit einer leicht schmelzbaren Folie überzogen und darauf gleich die nächste Zwischenwelle aufgewickelt wird, usw. Auf diese Weise sind Torsionswellen fertigungstechnisch sehr einfach, rasch und gewichtsmäßig leicht herstellbar.

Die Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zur Her­ stellung von vorstehend beschriebenen Wellen, die durch die in den Ansprüchen 8 und 13 angegebenen Maßnahmen gekenn­ zeichnet sind.

Besonders vorteilhaft ist das Wickelverfahren, bei dem die gesamten Wellenkomponenten mit ihren Verbindungs­ stellen, d. h. die gesamte Welle in einem einzigen Wickel­ prozeß herstellbar ist.

Die Wellenkomponenten werden nacheinander ohne Trennung der Faser gewickelt, wobei individuelle Auslegungen, wie Faserorientierung, Lagenzahl für jede Wellenkomponente möglich ist. Die Faserorientierung wird sich im Bereich um 45° bewegen, je nach erwünschter Torsionssteifigkeit. Der Winkel nimmt mit zunehmendem erwünschten Verdrehwinkel ab. Im Wickelprozeß wird die Anhäufung von Fasern am Ende einer Wellenkomponente durch den Umkehrvorgang der Faser zur Bildung des Distanzringes zwischen zwei benachbarten Wellenkomponenten genützt. Wenn eine größere Distanz zwischen Wellenkomponenten gewünscht wird, können zusätz­ liche Umfangslagen an diesen Stellen vorgesehen werden. Auch hierbei ist keine Trennung der Faser erforderlich.

Eine andere Möglichkeit zur Herstellung der Welle ist die Verwendung von imprägnierten Fasermatten, sogenannten Prepregs. Dabei wird zur Bildung einer Wellenkomponente eine entsprechend dimensionierte Fasermatte spiralförmig aufge­ rollt. Nach Aufwickeln eines Verstärkungsstreifens aus Pre­ preg an einem Ende der aufgerollten Fasermatte und einer Trennschicht über den übrigen Teil der aufgerollten Faser­ matte wird die nächste Matte darübergewickelt. Über den Verstärkungsstreifen und dem Matrixmaterial sind benachbarte Wellenkomponenten miteinander verbunden. Der Verstärkungs­ streifen bildet gleichzeitig den Distanzring zwischen zwei benachbarten Wellenkomponenten.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestel­ ten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Mehrfachwelle,

Fig. 2 eine im Wickelverfahren hergestellte Welle nach Fig. 1 und

Fig. 3 die Herstellung einer Welle nach Fig. 1 mit Prepregs.

In Fig. 1 ist eine Welle 10 teilweise im Längsschnitt dar­ gestellt. Die Welle 10 besteht aus drei koaxial ineinander­ liegenden Wellenkomponenten 11 bis 13, wobei die Außen­ welle 11 an einem Ende mit einem Kupplungsteil 14 verbunden ist, während die innenliegende Kernwelle 13 mit einem zweiten Kupplungsteil 15 in Verbindung steht. Die Zwischen­ welle 12 ist mit dem einen Ende mit der Außenwelle 11 und mit dem anderen Ende mit der Kernwelle 13 verbunden. Die Verbindungsstellen, die mit Ziffern 16 und 17 gekennzeichnet sind, sind relativ schmale Ringe, die gleichzeitig Distanz­ stücke zwischen benachbarten Wellenkomponenten 11 dar­ stellen.

Die Herstellung einer Welle 10 aus faserverstärktem Kunst­ stoff im Wickelverfahren wird im folgenden anhand der Fig. 2 beschrieben. Zunächst wird die Kernwelle 131 auf einem nicht dargestellten Dorn gewickelt, wobei das Kupplungs­ teil 15 (in Fig. 2 nicht dargestellt) im gleichen Wicklungs­ vorgang mit umwickelt werden kann. Dargestellt ist eine Kreuzwicklung von 45°. Bei der Umkehrung des Wickelpro­ zesses muß die Faser 251 am Ende 30 der Welle 131 in die 90°-Richtung gebracht werden. Dabei häuft sich der Faden am Ende 30 der Welle an und bildet dort eine Verdickung, die direkt als Distanzring 171 zwischen Wellenkomponenten genutzt werden kann. Nach Erreichen der gewünschten Wand­ stärke 20 (Fig. 1) wird über die gewickelte Wellenkompo­ nente 131 unter Ausschluß des verdickten Ringes 171 eine Trennschicht 31 aufgebracht und der Wickelprozeß, ohne die Faser 251 zu trennen, fortgesetzt, bis in ähnlicher Weise die nächste Wellenkomponente hergestellt ist. In Fig. 2 sind von dieser Wellenkomponente nur die ersten Wick­ lungen 33 gezeigt.

Die Trennschicht 31 kann eine niedrigschmelzende Folie, z. B. eine Wachsfolie, sein, deren Wandstärke dem Ring­ spalt 23 zwischen zwei Wellenkomponenten 13, 12 bzw. 12, 11 entspricht. Wenn bei einem gewünschten breiteren Spalt 23 die Verdickung 171 am Ende 30 der Wellenkomponente nicht ausreicht, um die Breite des Spaltes zu überbrücken, können vor Beginn des Wickelns der nächsten Komponente zusätzliche Wickellagen zur Bildung eines dickeren Distanzringes 171, ebenfalls ohne die Faser 251 trennen zu müssen, aufgebracht werden. Der Wickelwinkel wird sich nach der gewünschten Torsionssteifigkeit richten, und der kann innerhalb einer Wellenkomponente wie auch von Wellenkomponente zu Wellen­ komponente geändert werden, wenn das zur genauen Bestim­ mung der Torsionselastizität zweckmäßig ist. Die Kernwelle kann sowohl hohl als auch voll ausgebildet werden.

Fig. 3 zeigt ein Stadium einer Welle, die aus mit einem Matrixmaterial imprägnierten Fasermatten oder Prepregs 35, 36 hergestellt wird. Eine erste Fasermatte 35 wird zur Bildung der Kernwelle 132 spiralförmig aufgewickelt, wobei die bei­ den Enden 37 bzw. 38 an derselben Mantellinie enden, um eine möglichst gleiche Wandstärke zu erhalten. Als Distanzstück wird ein schmales Prepregband an einem Ende der Wellen­ komponente 132 umwickelt. Mit diesem Distanzring 172 ver­ bindet sich die die nächste Wellenkomponente bildende Fasermatte 36. Der übrige Bereich an der Oberfläche der vorhergehenden Komponente 132 wird mit einer Trennschicht bzw. einem Trennschlauch 311 zur Bildung des Ringspaltes überzogen.

Für die Trennmittel 31 bzw. 311 kann ein niedrigschmelzendes Material verwendet werden, wie z. B. ein Wachs, das im Härtungsprozeß der fertiggestellten Welle herausgeschmolzen wird. Dieses Trennmittel kann bei sehr schmalen Spalten aufgetragen werden, aber im allgemeinen wird es zweckmäßiger sein, diese in Form von Folien auf die jeweilige Wellen­ komponente zu wickeln. Die Erzeugung eines Spaltes 23 mit konstanter Breite wird durch einen Trennmittelschlauch er­ reicht, der direkt aufgezogen oder durch Vakuum erweitert, über die Wellenkomponente aufgelegt wird. Das verwendete Material für das Trennmittel 31 bzw. 311 richtet sich da­ nach, ob dieses Trennmittel nach Fertigstellung der Welle entfernt werden oder als Gleitmittel oder elastisches Material innerhalb der Spalte 23 verbleiben soll. Bei der Wahl von sehr schmalen Spalten 23 empfiehlt sich die Ver­ wendung eines Gleitmittels, wie z. B. Graphit. Das Ausfüllen der Spalte 23 mit einem elastischen Material, wie z. B. Silicon, das als schlauchförmiges Trennmittel bei der Herstellung der Welle aufgebracht wird, hat den Vorteil, daß dadurch eine zusätzliche Stütze gegen Durchbiegungen bzw. Verbeulen der einzelnen Wellenkomponenten 11 bis 13 dient. Außerdem können damit etwaige Schwingungen der Wellenkomponenten 11 bis 13 gedämpft werden.

Für die Auslegung der Wellenkomponenten 11 bis 13 gibt es eine Vielzahl von Parametern, die unter Beachtung der ge­ wünschten Randbedingungen optimiert werden können. Darin gehen die Wandstärken 20 bis 22 der Wellenkomponenten 11 bis 13, das Faser- und Harzmaterial sowie die Faserorien­ tierung ein. Die Wandstärken 20 bis 22 sollten umgekehrt proportional zum Wellendurchmesser ansteigen, um die bei Übertragung von Drehmomenten auf die einzelnen Wellen­ komponenten 11 bis 13 auferlegten Spannungen gleichzu­ halten, so daß Schwachstellen oder Überdimensionierungen vermieden werden können. Der gewünschte Verdrehwinkel der Welle 10 wird bei vorgegebenem Fasermaterial durch die Zahl der Wellenkomponenten, die drei oder mehr betragen kann, der Wandstärken der Wellenkomponenten sowie der Faserorientierungen bestimmt.

Claims (13)

1. Welle zur Übertragung von Torsionskräften, die einen vorbestimmten Verdrehwinkel zuläßt und aus Wellen­ komponenten gebildet ist, die aus einer Kernwelle, einer hohlen Außenwelle und mindestens einer Zwischen­ welle bestehen, die koaxial zueinander angeordnet und paarweise mit ihrem einen Ende miteinander verbunden sind, derart, daß die Verbindungsstellen abwechselnd an einem und am anderen Ende der Welle liegen, wobei die Außenwelle ein erstes Kupplungsteil und die Kern­ welle ein zweites Kupplungsteil trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenkomponenten (11 bis 13) aus Verbund­ werkstoff bestehen.

2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenkomponenten (11 bis 13) aus faserverstärktem Verbundwerkstoff bestehen.

3. Welle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (10) im Wickelverfahren in einem Arbeitsgang hergestellt sind.

4. Welle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten Wellenkomponenten (11 bis 13) jeweils ein sehr schmaler, zylindrischer Zwischenraum (23) vorzugs­ weise im Millimeterbereich vorgesehen ist.

5. Welle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Zwischenräume (23) zwischen zwei benachbarten Wellenkomponenten mit einem Gleitmittel, z. B. Graphit, gefüllt sind.

6. Welle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Zwischenräume (23) zwischen zwei benachbarten Wellenkomponenten mit einem elastischen Material, z. B. einem Elastomer, gefüllt sind.

7. Welle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gezeichnet, daß die Welle (10) aus in einem Thermo­ plast eingebetteten Glasfasern (251) besteht.

8. Verfahren zur Herstellung einer Welle nach Anspruch 1 aus faserverstärktem Verbundmaterial unter Anwendung der Wickeltechnik, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Kernwelle (131) mit einer Ringverdickung (171) an dem einen Ende (30) gewickelt wird, mit dem die benach­ barte Zwischenwelle verbunden wird, daß diese Zwischen­ welle sowie die weiteren und schließlich die Außen­ welle im selben Wickelprozeß nacheinander auf die jeweils bereits bestehende Wellenkomponente gewickelt wird, wobei jeweils zuvor ein Trennmittel (31) auf die gerade hergestellte Komponente aufgebracht wurde.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringverdickungen (171) an dem Ende (30) der Wellen­ komponenten bei der Richtungsänderung der Faser (251) erzeugt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Trennmittel (31) ein Wachs aufge­ tragen bzw. überzogen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Trennmittel (31) ein elastischer Schlauch, z. B. Siliconschlauch, verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliconschlauch (31) mittels Vakuum erweitert und auf die Wellenkomponente (131) aufgebracht wird.

13. Verfahren zur Herstellung einer Welle nach Anspruch 1 aus faserverstärktem Verbundmaterial unter Verwendung von Fasermatten, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenkomponenten jeweils durch Aufwickeln von Faser­ matten (35, 36) hergestellt werden, wobei nach Her­ stellung der Kernwelle (132) am einen Ende zusätzlich ein Streifen (172) und auf dem übrigen Bereich ein Trennmittel (311) aufgebracht und daß darauf die Fasermatten in gleicher Weise nacheinander für die übrigen Komponenten mit den zugehörigen Streifen und Trennmitteln aufgewickelt werden.