DE3936999A1 - Verfahren zum herstellen einer wellenanordnung, insbesondere einer kardanwellenanordnung, aus einem rohr aus faser-kunststoff-material und einer aussenhuelse aus starrem material - Google Patents
Verfahren zum herstellen einer wellenanordnung, insbesondere einer kardanwellenanordnung, aus einem rohr aus faser-kunststoff-material und einer aussenhuelse aus starrem materialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE-PS 30 07 896, F16C
3/02, in der Weise bekannt, daß die Mitnehmer als Schneidzähne
ausgebildet werden und beim Ineinanderschieben von Rohr und Außen
hülse durch Einschneiden in das Material des Rohres gleichsam
formschlüssige Gegenprofile erzeugen, wodurch eine in Umfangsrichtung
feste Verbindung zwischen Rohr und Außenhülse erzeugt wird. Zur
Unterstützung dieser Wirkung der Schneidzähne der Außenhülse ist
auf der der Außenhülse abgekehrten Wand, also der Innenwand, des
Rohres aus Faser-Kunststoff-Material ein Stützring vorgesehen.
Wellenanordnungen der beschriebenen Art dienen bei Verwendung
als Antriebs- oder Kardanwellenanordnung in Kraftfahrzeugen der
Übertragung relativ hoher Drehmomente. Daher ist die beim Stand
der Technik verwendete Herstellungsmethode für die formschlüssige
Verbindung zwischen Rohr und Außenhülse, nämlich durch spanabhebende
Schneidvorgänge durch an der Außenhülse vorgesehene Schneidzähne,
für die Betriebseigenschaften derartiger Wellenanordnungen außer
ordentlich nachteilig, da dadurch die Festigkeit der Rohre im
Verbindungsbereich erheblich gemindert wird. Dies gilt insbesondere
dann, wenn durch den beschriebenen Schneidvorgang Fasern des Rohres
beschädigt oder gar durchtrennt werden.
Die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung P 38 28 018
beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundes aus einer
metallenen Innenhülse und einem Rohr aus Faser-Kunststoff-Material.
Bei diesem älteren Verfahren, bei dem also Hülse und Rohr im Verbin
dungsbereich in radialen Richtungen gegenüber der Erfindung ver
tauscht sind, trägt die dort vorgesehene Innenhülse auf ihrem
Außenmantel eine Rändelung und besitzt das Rohr im Aufnahmebereich
für die Innenhülse eine im wesentlichen in Umfangsrichtung verlau
fende Faserrichtung; Innenhülse und Rohr werden in axialer Richtung
unter elastischem Aufweiten des Rohres (also ohne spanenden Formvor
gang für die Erzeugung eines Gegenprofils für die Rändelung) inein
andergepreßt.
Für die Beanspruchbarkeit des Rohres im Eingriffsbereich für die
Mitnehmer der Hülse, d. h. im Bereich der Verbindung des Rohres
mit der beispielsweise einen Bestandteil eines Gelenks darstellenden
Hülse, und zwar insbesondere für die Torsionswechselfestigkeit
in diesem Krafteinleitungsbereich, wirkt sich aber, wie anhand
von Versuchen erwiesen, eine möglichst allseitig einwirkende Druck
vorspannung sehr günstig aus.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge
mäßes Verfahren zu schaffen, d. h. ein solches, bei dem im Verbin
dungsbereich das Rohr von der Außenhülse umschlossen ist, das
im Verbindungsbereich zwischen den beiden Teilen eine hohe Bean
spruchbarkeit auch des Rohres aus Faser-Kunststoff-Material garan
tiert.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeich
nenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausbildungen
der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
Bei der Erfindung erfolgt also in Abweichung von dem durch die
deutsche Patentschrift gegebenen Stand der Technik die Herstellung
der drehfesten Verbindung zwischen Außenhülse und Rohr nicht durch
Einschneiden von Gegenprofilen in das Rohr durch als Schneidzähne
ausgebildete Mitnehmer des Außenrohres, sondern durch viskoelastische
Verformungen des Faserkunststoffs im Bereich der Mitnehmer. Die
örtlich auftretenden, durch das Einpressen des Rohres in die Außen
hülse erzeugten sehr hohen Druckspannungen führen dazu, daß sich
die beispielsweise als Rändelung ausgebildeten Mitnehmer in die
äußere Mantelfläche des Rohres eindrücken und somit Mikroform
schlüsse bilden. Selbst wenn diese örtlichen Verformungen des
Außenmantels des Rohres im gewissen Rahmen bleibender Art sind,
bewirken sie in keinem Fall ein Absinken der radialen Druckvorspan
nung zwischen den beiden zu verbindenden Teilen unter ein für
die Funktionssicherheit der Wellenanordnung erforderliches Mindest
maß.
Die Erfindung erschöpft sich aber nicht in dem Verfahrensschritt
der Erzeugung dieser Mikroformschlüsse, sondern verlangt aus Festig
keitsgründen auch eine bestimmte Faserorientierung im Bereich
der Verbindungsstelle, nämlich so, daß die Fasern überwiegend
in Umfangsrichtung verlaufen, also der Wickelwinkel größer als
45° ist; bevorzugt liegt er im Bereich zwischen 60 und 80°.
Betrachtet man den bevorzugten Einsatzfall der Erfindung, nämlich
die Herstellung einer Kardanwellenanordnung für ein Kraftfahrzeug,
so bietet Patentanspruch 3 die vorteilhafte Möglichkeit der Anpas
sung der Faserorientierung an die in verschiedenen Längenbereichen
des Rohres unterschiedlichen Anforderungen an dieses. Während
im Verbindungsbereich aus Festigkeitsgründen die Faserorientierung
im wesentlichen in Umfangsrichtung liegt, muß im eigentlichen
Rohrbereich sichergestellt sein, daß das Rohr das zu übertragende
Torsionsmoment möglichst schwingungsfrei von einem Verbindungselement
zu dem anderen überleitet. Im Hinblick auf die meist relativ große
Länge des Rohres und die zu erwartenden Betriebsdrehzahlen müssen
die Fasern im eigentlichen Rohrbereich, d. h. außerhalb der Verbin
dungsbereiche, stärker in Axialrichtung orientiert werden, um
die erforderliche hohe Biegesteifigkeit des Rohres bzw. der durch
dieses gebildeten Welle zu gewährleisten. Dabei muß dafür gesorgt
werden, daß die vorgegebene Betriebsdrehzahl deutlich unterhalb
der kritischen Drehzahl (erste Biegeeigenfrequenz) liegt. Diese
kritische Drehzahl von gattungsgemäß aufgebauten Kardanwellen
kann einerseits durch die Geometrie (Innen- und Außenradius) und
andererseits durch den Werkstoff beeinflußt werden. Da die geometri
schen Einflußmöglichkeiten meist durch den vorgegebenen Einbauraum
beschränkt sind (beispielsweise kann der Außendurchmesser des
Rohres nicht beliebig groß gemacht werden), ist es zweckmäßig,
gemäß Anspruch 3 die Biegesteifigkeit der Wellenanordnung dadurch
relativ hoch zu legen, daß die Fasern des Rohres überwiegend in
axialer Richtung orientiert werden, also der Wickelwinkel kleiner
als 45° ist. Diese Möglichkeit der Erhöhung der Biegesteifigkeit
des Rohres zwischen seinen Verbindungsbereichen, also im Falle
einer Kardanwellenanordnung zwischen den Anschlußstellen der Gelenke,
ist kostengünstiger als die Wahl einer anderen, steiferen Verstär
kungsfaser, z. B. aus Kohlenstoff (die aber im Rahmen der Erfindung
grundsätzlich auch verwendet werden kann).
Die beschriebene Auslegung des Rohres mit in Richtung seiner Achse
unterschiedlichen Orientierungen der Fasern so, daß infolge überwie
gender Orientierung in Umfangsrichtung im Eingriffsbereich der
Mitnehmer die von der Außenhülse in Umfangsrichtung erzeugten
hohen Druckspannungen im wesentlichen von den Fasern des Faser-Kunst
stoff-Verbundes aufgenommen werden, dagegen durch Faserorientierung
im wesentlichen in Axialrichtung in den übrigen Längenbereichen
des Rohres eine hohe Biegefestigkeit erzielt wird, bedingt besondere
Maßnahmen bei der Rohrherstellung. Betrachtet man das übliche
Naß-Wickelverfahren auf einem zylindrischen Dorn, so gilt für
Ablagekurven auf rotationssymmetrischen Körpern die Clairaut′sche
Bedingung, gemäß der das Produkt aus Radius und Sinus eines Faser
richtungswinkels konstant sein muß, damit selbst bei reibungsfreien
Verhältnissen die Fasern nicht verrutschen. Bei einem zylindrischen
Wickeldorn mit konstantem Radius führt das zu einem konstanten
Faserrichtungswinkel über die Länge (geodätische Faserablage).
Will man von dieser geodätischen Faserablage abweichen und den
Faserrichtungswinkel über die Länge des Wickeldorns ändern, muß
man die tatsächlichen Reibungsverhältnisse zwischen Dorn und getränk
tem Roving berücksichtigen. In Abhängigkeit von diesen Reibungsver
hältnissen ist es möglich, die Faserorientierung längenabhängig
zu variieren (nichtgeodätische Faserablage).
Diese Maßnahme, das Rohr in seinem Verbindungsbereich, d. h. im
Eingriffsbereich für die Mitnehmer an der Außenhülse, steiler
zu wickeln, kann zugleich zur Erzielung eines weiteren Vorteils
ausgenutzt werden: In der Regel ist es erwünscht, den Krafteinlei
tungsbereich des Rohres, also den mehrfach definierten Eingriffsbe
reich, mit größerer Wandstärke herzustellen als den eigentlichen
Rohrbereich. Zur wirtschaftlichen Herstellung von Rohren aus Faser-
Kunststoff-Material im Naß-Wickelverfahren ist es vorteilhaft,
mittels eines sogenannten Ringfadenauges mehrere Rovings gleichzeitig
auf den rotierenden Wickeldorn aufzuwickeln. Ändert man während
des Wickelvorgangs den Faserrichtungswinkel nichtgeodätisch so,
daß im Krafteinleitungsbereich ein größerer Wickelwinkel vorliegt
als in den übrigen Rohrbereichen, so ergibt sich dadurch automatisch
eine stärkere Wanddicke im Krafteinleitungsbereich gegenüber derje
nigen in den übrigen Längenbereichen des Rohres. Diese vorteilhafte
Wirkung der Änderung der Faserorientierung beruht darauf, daß
für einen größeren Faserrichtungswinkel die bei einem Querschnitt
durchtrennte Fläche eines Rovings größer ist als bei einem flacheren
Winkel. Daher ergeben die in den Patentansprüchen 3, 4 und 5 angege
benen Maßnahmen also sowohl eine optimale Faserorientierung als
auch einen optimalen Wandstärkenverlauf über die gesamte Rohrlänge.
Diese günstigen Eigenschaften des Erzeugnisses des erfindungsgemäßen
Verfahrens wiederum machen es möglich, auf einen starren Stütz-
oder Preßring zu verzichten, der den Eingriffsbereich des Rohres
für die Mitnehmer von außen umschließt.
Die Zeichnung zeigt einen Teil einer Kardanwellenanordnung, die
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Die wesentlichen Bestandteile dieser Kardanwellenanordnung sind
das Rohr 1 aus Faser-Kunststoff-Material und die Außenhülse 2,
die einen Bestandteil des im übrigen nicht dargestellten, da an
sich bekannten Kardangelenks bildet. Wie bei 3 angedeutet, ist
das Rohr 1 aus einer Vielzahl von Rovings auf einem zylindrischen,
also einen konstanten Durchmesser besitzenden Wickeldorn gewickelt,
und zwar mit in Längsrichtung unterschiedlicher Wickelrichtung:
Während nämlich im eigentlichen Rohrbereich, d. h. in der Figur
links von der starren Außenhülse 2, der gegen die Achse 4 des
Rohres 1 gemessene Faserrichtungswinkel α 1 kleiner ist als 45°,
die Fasern also überwiegend in Achsrichtung orientiert sind, ist
in dem innerhalb der Außenhülse 2 verlaufenden Verbindungs- oder
Eingriffsbereich des Rohres 1 der Wickelwinkel erheblich steiler,
so daß der Faserrichtungswinkel α 2 größer als 45° ist; er liegt
vorzugsweise zwischen 60 und 80°. Hier sind die Fasern also überwie
gend in Umfangsrichtung des Rohres 1 orientiert. Dies hat, wie
aus dem oberen Teil der Zeichnung ersichtlich, automatisch zur
Folge, daß die Wandstärke des Rohres 1 in ihrem von der Außenhülse 2
umschlossenen Bereich größer ist als in dem eigentlichen Rohrbereich,
wie es für eine Krafteinleitung erforderlich ist. Diese Wandstärken
vergrößerung ergibt sich ohne Änderung der Anzahl der Rovings.
Die beispielsweise aus Metall bestehende Außenhülse 2 ist an ihrem
inneren Umfang zur Gewinnung von Mitnehmern für das Rohr 1 mit
der Rändelung 5 versehen, die sich achsparallel erstreckt. Außerdem
weist die innere Ausnehmung der Hülse 2 eingangsseitig die Fase 6
auf.
Vor dem Zusammenbau der Teile 1 und 2 besitzt das Rohr 1 im späteren
Eingriffsbereich der Rändelung 5 leichtes Übermaß bezüglich des
Spitzenmaßes der Rändelung 5, so daß beim Einpressen des Rohres 1
in die Außenhülse 2 die Rändelung 5 sich in das Material des Rohres 1
einpreßt und dabei durch elastische Verformung Gegenprofile im
Rohr 1 erzeugt. Dadurch ergibt sich eine drehfeste Verbindung zwischen Rohr 1
und Außenhülse 2. Eine Beschädigung des Rohres durch spanende Formgebung seitens
der Rändelung 5 beim Einpreßvorgang ist bewußt vermieden; durch die Fase 6 wird
bei Beginn des Einpreßvorgangs das Material des Rohres 1 gleichsam so in radialer
Richtung zusammengestaucht, daß die Stirnseite der Rändelung 5 nicht als Schneid
werkzeug wirkt.
Betrachtet man nochmals die Faserorientierungen in den beiden dargestellten
Längenbereichen des Rohres 1, so ist die jeweilige Faserausrichtung an die speziel
len Erfordernisse des jeweiligen Längenbereichs angepaßt: Außerhalb des Eingriffs
bereichs für die Rändelung 5 muß das Rohr 1 auf schwingungsfreie Übertragung
des eingeleiteten Torsionsmoments ausgelegt sein. Durch die Faserorientierung
überwiegend in Achsrichtung (Faserrichtungswinkel α 1) wird eine hohe Biegesteifig
keit des Rohres 1 gewährleistet. Im Eingriffsbereich des Rohres 1 für die Rände
lung 5 dagegen muß das Rohr hohe Druckspannungen in Umfangsrichtung, erzeugt
durch von der Außenhülse 2 ausgeübte Preßkräfte in Richtung radial nach innen,
aufnehmen; dies muß über die Fasern geschehen. Infolge Orientierung der Fasern
überwiegend in Umfangsrichtung (Faserrichtungswinkel α 2) in diesem Bereich
können die Fasern die erforderlichen Stützkräfte aufbringen. Demgemäß erübrigt
sich das Vorsehen eines inneren Stützringes.
Mit der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zum Herstellen insbesondere einer
Kardanwellenanordnung geschaffen, das mit einfachen Mitteln ohne Beeinträchtigung
der Betriebseigenschaften der einzelnen Bestandteile der Wellenanordnung eine
sichere Verbindung zwischen ihnen herzustellen gestattet.
Claims (6)
1. Verfahren zum Herstellen einer Wellenanordnung, insbesondere
einer Kardanwellenanordnung für ein Kraftfahrzeug, aus einem
Rohr aus Faser-Kunststoff-Material und einer Außenhülse aus
starrem Material, wie Metall, die mit innen vorspringenden,
axial verlaufenden Mitnehmern für das Rohr versehen ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Rohr (1) in einem axialen Eingriffs
bereich für die Mitnehmer (5) mit überwiegend in Umfangsrichtung
verlaufender Faserorientierung (Faserrichtungswinkel α 2 größer
als 45°) und mit leichtem Übermaß gegenüber dem Spitzenmaß
der Mitnehmer (5) hergestellt wird sowie Außenhülse (2) und
Rohr (1) praktisch nur unter elastischem Stauchen seines Ein
griffsbereichs ineinandergepreßt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Außenhülse (2) vor dem Ineinanderpressen stirnseitig mit einer
Innenfase (6) versehen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohr (1) mit über seine Länge derart unterschiedlichen
Faserorientierungen ( α 1, α 2) hergestellt wird, daß außerhalb
des Eingriffsbereichs für die Mitnehmer (5) die Fasern überwie
gend in axialer Richtung orientiert sind (Faserrichtungswin
kel α 1 kleiner als 45°).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß das Rohr (1) bei konstantem Innendurchmesser mit
im Eingriffsbereich größerer Wandstärke als in seinen anderen
Längenbereichen hergestellt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Herstellen des Rohres (1) mehrere Rovings (3) gleichzei
tig auf einen rotierenden Dorn gewickelt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Mitnehmer als Rändelung (5) hergestellt
werden.
Priority Applications (1)
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DE3936999A1 true DE3936999A1 (de) | 1990-05-23 |
DE3936999C2 DE3936999C2 (de) | 2000-06-21 |
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