DE3936999C2 - Verfahren zum Herstellen einer Wellenanordnung, insbesondere einer Kardanwellenanordnung, aus einem Rohr aus Faser-Kunststoff-Material und einer Außenhülse aus starrem Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 30 07 896 A1 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 Schneidvor­ gang Fasern des Rohres beschädigt oder gar durchtrennt werden.

Die nicht vorveröffentlichte DE 38 28 018 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundes aus einer metallenen Innenhülse und einem Rohr aus Fa­ ser-Kunststoff-Material. Bei diesem älteren Verfahren, bei dem also Hülse und Rohr im Ver­ bindungsbereich in radialen Richtungen gegenüber der Erfindung vertauscht 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 verlaufen­ de Faserrichtung; Innenhülse und Rohr werden in axialer Richtung unter elastischem Auf­ weiten des Rohres (also ohne spanenden Formvorgang für die Erzeugung eines Gegenpro­ fils für die Rändelung) ineinandergepreßt.

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 Ge­ lenks darstellenden Hülse, und zwar insbesondere für die Torsionswechselfestigkeit in die­ sem Krafteinleitungsbereich, wirkt sich aber, wie anhand von Versuchen erwiesen, eine möglichst allseitig einwirkende Druckvorspannung sehr günstig aus.

Außerdem ist aus der DE 79 32 590 U1 eine Antriebswelle aus faserverstärkten Kunststoff bekannt geworden, bei der die metallischen Endstücke der Antriebswelle mit dem Faserver­ bundwerkstoff fest verwickelt sind. Das Faserverbundrohr weist im Querschnitt gesehen ins­ gesamt drei Schichten auf, wobei die Innenschicht und die Außenschicht eine möglichst ge­ ringe Fasersteigung aufweisen, während eine dazwischen liegende Mittellage Steigungen im Bereich zwischen 30 bis 60° haben soll. Die Verbindung mit den stirnseitigen metallischen Ringteilen 3 mit dem Faserverbundmaterial erfolgt so, daß diese vor dem eigentlichen Wic­ kelvorgang auf einen Wickeldorn aufgeschoben und mit diesem drehfest verbunden werden. Durch anschließendes Aufbringen des Fasermaterials beim Wickeln wird auch der jeweilige Hülsenfortsatz 4 der metallischen Ringteile 3 mit umwickelt und so eine feste Verbindung zwischen dem Faserverbundrohr und diesen Ringteilen geschaffen.

Schließlich ist hinsichtlich der Faserorientierung in den unterschiedlichen Rohrabschnitten die DE 36 16 791 A1 von Interesse, bei der im Verbindungsbereich zu Wellenanschlußteilen ein Faserwinkel von etwa 45° vorgeschlagen wird.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zu schaffen, d. h. ein solches, bei dem im Verbindungsbereich 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 garantiert.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den 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 Durchmeser 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 α1 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 α2 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 α1) 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 α2) 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 α2 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 (α1, α2) hergestellt wird, daß außerhalb des Eingriffsbereichs für die Mitnehmer (5) die Fasern überwie­ gend in axialer Richtung orientiert sind (Faserrichtungswin­ kel α1 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.