DE4005771C1 - Cpd. fibre coupling mfg. - uses tubular wound section flanked by conical wound sections to be compressed into flanges - Google Patents
Cpd. fibre coupling mfg. - uses tubular wound section flanked by conical wound sections to be compressed into flangesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von
Bauelementen aus Faserverbundwerkstoffen, die an einen rohrförmigen
Bereich anschließend wenigstens einen planen Flansch aufweisen,
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und Vorrichtungen
zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art ist zur Herstellung von
Kupplungselementen mit einem balgenförmigen Ausgleichselement bekannt
(DE-PS 29 27 955). Das Ausgleichselement weist dabei zwei
Flanschscheiben auf, die an ihrem äußeren Umfang durch den Faserverbundwerkstoff
verbunden sind. Auf einem Teil eines Wickeldorns
wird dabei ein in Form und Abmaßen dem Mittelteil entsprechender
Kern und daran anschließend eine verschiebbare Hülse positioniert.
Die Wicklung wird dabei beidseitig konisch um den Kern gewickelt.
Nach Fertigstellung der Wicklung wird mittels eines Preßwerkzeuges
die Wicklung und/oder das Laminat samt der Hülse und dem Kern in
Achsrichtung zusammengeschoben und ausgehärtet. Bei diesem Verfahren
ist keine geordnete Spreizung der Fasern aus dem Wickelkonus
in die Ebene der Flansche möglich, ohne die eine ausreichende
Lebensdauer nicht erreichbar ist.
Aufgabe der Erfindung sind ein Verfahren und zur Durchführung
dieses Verfahrens zweckmäßige Vorrichtungen, mit denen Ausgleichselemente
herstellbar sind, bei denen im Flanschbereich ein geordneter
Faserverlauf sichergestellt wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im
Patentanspruch 1 herausgestellten Merkmale.
Zweckmäßige Ausgestaltungen des Verfahrens und für die Durchführung
des Verfahrens zweckmäßige Vorrichtungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht
und nachstehend im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Herstellung von Ausgleichskupplungen;
Fig. 2 bis 9 die Vorrichtung in verschiedenen Verfahrensschritten
des Herstellungsverfahrens, wobei Fig. 9 einen
vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 8 wiedergibt;
Fig. 10 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Herstellung von Ausgleichskupplungen;
Fig. 11 bis 15 verschiedene Stadien des Herstellungsverfahrens;
Fig. 16 eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Herstellung von Ausgleichskupplungen;
Fig. 17 die Vorrichtung nach Fig. 16 beim abschließenden
Verfahrensschritt;
Fig. 18 eine Ansicht der konischen Abschnitte des Wickelkerns
von der Spitze des Konus gesehen;
Fig. 19 den Verlauf der Faserstränge im fertigen Flansch;
Fig. 20 eine spezielle Wickeltechnik, die für die Herstellung
Anwendung finden kann.
Die in den Zeichnungen dargestellten Vorrichtungen sind Vorrichtungen
zum Herstellen von Ausgleichskupplungen aus Faserverbundwerkstoffen.
Die Fasern können hierbei Glasfasern, Kohlefasern
oder sonstige Fasern sein, wie sie üblicherweise zur Herstellung
von Faserverbundwerkstoffen angewendet werden, wobei die Matrix
aus einem Kunstharz oder auch aus einem thermoplastischen Kunststoff
bestehen kann. Die Wahl des Werkstoffes richtet sich hierbei
nach den Anforderungen, die an das Bauelement gestellt werden.
Für das Herstellungsverfahren ist die Art der Fasern und des Werkstoffes
für die Matrix von sekundärer Bedeutung. Auf sie wird daher
im einzelnen nicht eingegangen. Im Nachstehenden ist das Verfahren
unter Verwendung von Kunstharz beschrieben.
Das in Fig. 1 dargestellte Werkzeug weist einen Kernträger 2 auf,
der drehbar gelagert ist, wie hier durch ein schematisch dargestelltes
Spannfutter 4 veranschaulicht ist, in das der Kernträger
2 eingespannt ist. Das gegenüberliegende Ende des Kernträgers 2
ist in einer mitlaufenden Spitze 6 abgestützt. Der Wickelkern ist
durch einen Gummischlauch 8 gebildet, der an seinen Enden über
ringförmige Befestigungselemente 10 abdichtend in Anlage an dem
Kernträger 2 gehalten wird. Der dazwischen liegende Bereich des
Gummischlauches 8 ist über eine luftführende Zwischenschicht 12
auf dem Kernrohr abgestützt. In diesem Bereich ist in dem rohrförmigen
Kernträger 2 eine Anschlußbohrung vorgesehen. Der rohrförmige
Kernträger 2 ist an den Enden geschlossen und an einem
Ende mit einem Anschluß 14 versehen, über den der Kernträger 2
einerseits mit einer Vakuumquelle und andererseits mit einer
Druckluftquelle verbindbar ist. Auf den Befestigungselementen 10
sind Spreizscheiben 16 lösbar befestigt, die außen mit Fixierstiften
versehen sein können. Die Vorrichtung ist weiter mit einer
Fadenführung versehen, die hier schematisch durch ein Fadenauge
18 veranschaulicht ist. Zum Wickeln wird der Kernträger 2 unter
Vakuum gesetzt, so daß der Gummischlauch 8 gleichmäßig über die
Zwischenschicht 12 auf dem Kernträger 2 aufliegt.
Die aufzubringende Wicklung besteht beim Ausführungsbeispiel aus
einem im wesentlichen zylindrischen Abschnitt A und zwei kegelförmigen
oder konischen Abschnitten B, die sich beidseitig an den
zylindrischen Abschnitt A anschließen. Der Abschnitt kann auch
ein- oder zweiseitig kegelig mit einer geringen Kegelsteigung ausgebildet
sein. Die Spreizscheiben 16 sind in einem solchen Abstand
von den Enden des zylindrischen Abschnittes A angeordnet, daß die
Faserstränge optimal aus der Wicklung im zylindrischen Bereich A
in den konischen Bereich übergehen. Die Wicklung wird bei der Ausführungsform
nach Fig. 1 ausgehend von zwei zylindrischen Wicklungsköpfen
20 an den Außenseiten der Spreizscheiben 16 gewickelt,
wobei auch auf der Außenseite ein kegelförmiger Anstieg der Faserstränge
zum Umfang der Spreizscheiben 16 erfolgt. Die Faserstränge
werden mit dem Kunstharz getränkt gewickelt.
Nach Fertigstellung der Wicklung, die mehrlagig ausgeführt sein
kann und vorzugsweise ist, wird auf den Wickelkörper ein Formwerkzeug
21 aufgesetzt. Dieses Formwerkzeug hat eine Breite b, die der
Breite des zylindrischen Abschnittes A entspricht. Das Formwerkzeug
21, das hier zweiteilig mit den beiden Formhälften 22, 24
ausgebildet ist, weist im zusammengesetzten Zustand eine zylindrische
Öffnung 26 entsprechend dem gewünschten Außendurchmesser
des zylindrischen Abschnittes A des herzustellenden Bauteiles auf,
die hier in den beiden Teilen 22 und 24 des Formwerkzeuges 21 jeweils
in Form von zwei Halbschalen ausgebildet ist.
Senkrecht zur Achse der Öffnung 26 an den beiden Enden des Formwerkzeuges
21 angeordnete Flächen 30 bilden Formflächen für die
Flansche des Bauteiles, das aus dem Wickelkörper 28 nach Fig. 1
bzw. Fig. 2 zu formen ist. An den Enden der Öffnung 26 sind am
Übergang zu Flächen 30 Übergangsradien 32 ausgebildet.
Nach dem Schließen des Formwerkzeuges 21 wird in den Kernträger 2
Druckluft eingelassen bis sich der Gummischlauch 8 im Bereich der
konischen Aufweitung der Wicklung etwas aufweitet, wie in Fig. 5
dargestellt. Dabei werden die Faserstränge im Bereich des Übergangsradius
32 gegen das Formwerkzeug angedrückt und gehaltert.
Dabei kommt es gleichzeitig zu einer ersten Verdrängung überschüssigen
Harzes aus der Wicklung im Bereich der Übergänge. Gleichzeitig
wird damit die Wicklung relativ zum Formwerkzeug 21 fixiert.
Es kann jetzt zunächst an einem Ende der konusförmige Teil der
Wicklung außerhalb der Spreizscheibe 16 abgetrennt werden, wie in
Fig. 4 angedeutet. Die Wicklung wird dann unter Aufweitung des
Konus an die angrenzende Stirnfläche 30 des Formwerkzeuges 21 angelegt.
Vorher kann auf diese Stirnfläche 30 ein Fasergelege 36
in Form eines Fasergewebes aufgelegt werden, das zur Erhöhung der
Schubfestigkeit des zu bildenden Flansches dient (Fig. 5).
Nach dem Auflegen der zu einer Flanschscheibe aufgeweiteten Wicklung
auf die Stirnfläche des Formwerkzeuges 21 wird die Spreizscheibe 16 abgenommen,
und auf das zylindrische Befestigungselement 10 für den Gummischlauch
8 wird ein Stützwerkzeug 38 aufgesetzt. Dieses Stützwerkzeug
ist auf dem Befestigungselement 10 mit einem zylindrischen Abschnitt
34 geführt. Es weist einen glockenartigen Abschnitt 37
auf, an den sich ein Flansch 40 anschließt. Darunter befindet sich
ein weiterer Flansch 42, der hier als gesondertes Bauelement mit
einer Ringnut 46 ausgebildet ist. In diese Nut 46 greift ein ringförmiger
Vorsprung 44 am Stützwerkzeug ein, über das der Flansch
42 axial verschiebbar radial zum Stützwerkzeug 38 geführt ist, wie
im einzelnen aus Fig. 9 ersichtlich. Der Flansch 42 hat einen inneren
Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Öffnung
des Formwerkzeuges 21 über die Übergangsradien gemessen, und ist
an der dem Formwerkzeug zugewandten Seite mit einem vorzugsweise
zylindrisch ausgebildeten Bohrung 50 versehen.
Beim Aufweiten der konischen Abschnitte der Wicklung kommt es zu
einer Ausdünnung der Faserschicht und damit zu einer Verringerung
der Faserschichtdicke. Die radialen Frontflächen des Formwerkzeuges
und die Flanschen 42 sind daher mit einer entsprechenden
Konizität auszubilden. Es sind weiter im Bereich der im Randbereich
des Flansches vorzusehenden Anschlußbohrung Vertiefungen zur
Erhöhung der Flanschdicke im Bereich des Lochkranzes vorzusehen,
die die Lochleibungsdrücke aufnehmen können. Hier können falls erforderlich
auch zusätzlich ringförmige Gewebelagen als Verstärkung
vorgesehen werden.
Nach Anbringen des Stützwerkzeuges 38 auf der einen Seite wird ein
weiteres Stützwerkzeug 38 auf der anderen Seite aufgebracht. Die
beiden Stützwerkzeuge 38 werden dann, wie in Fig. 7 dargestellt,
über Spannbolzen 49 gegeneinander verspannt. Die Spannbolzen 49
greifen hierbei an den Flanschen 40 der Stützwerkzeuge 38 an.
Nach dem Verspannen der Stützwerkzeuge 38 wird der Luftdruck innerhalb
des Gummischlauches 8 erhöht, so daß sich dieser soweit ausdehnt,
daß der glockenförmige Teil 37 des Stützwerkzeuges 38 vollständig
ausgefüllt ist. Dabei wird über den Gummischlauch 8 auf die Wicklung
im Bereich des Übergangsradius 32 und radial darüber hinaus fortschreitender
Druck ausgeübt. Da sich der Gummischlauch 8 hierbei
ausgehend von der Situation nach Fig. 5 über die Wicklung im Übergangsradius
radial nach auswärts abwälzt, wird die Wicklung in
diesem Bereich durch den Gummischlauch fortschreitend unter Druck
gesetzt. Somit wird überschüssiges Harz und etwa eingeschlossene
Luft radial nach außen verdrängt. Durch die Beweglichkeit des
Flansches 42, der über seine Schrägschulter 48 über den Gummischlauch
8 in Achsrichtung druckbelastet ist, wird auch im Bereich
des Flansches des Werkstückes Druck erzeugt, durch den überschüssiges
Harz und etwa eingeschlossene Luft ausgetrieben werden.
In Fig. 9 ist das oben erwähnte Fasergelege 36 klar erkenntlich.
Ein weiteres Fasergelege 52 ist hier auf der Außenseite des Flansches
angeordnet. Dieses wird nach dem Anlegen des aufgeweiteten
Wicklungskonus gegen die Formflächen 30 auf die Wicklung aufgelegt,
bevor das Stützwerkzeug 38 aufgesetzt wird. Für den Drucklufteinlaß
14 ist ein Rückschlagventil vorgesehen, so daß während der
anschließenden Aushärtung des Werkstückes der Überdruck im Gummischlauch
8, der die erwähnte Anpressung bewirkt, aufrechterhalten
bleibt. Das Werkzeug kann dann in der Form, in der es in Fig. 8 dargestellt
ist, zur Aushärtung des Kunstharzes in einen Ofen eingebracht
werden. Das Werkstück ist mit seiner Kontur in Fig. 8 klar
erkennbar.
Nach dem Aushärten und der Entnahme aus dem Werkzeug wird der
äußere Umfang der beiden Flanschen beschnitten und mit den notwendigen
Anschlußbohrungen versehen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 ist wiederum ein rohrförmiger
Kernträger 2 vorgesehen, der in der oben unter Bezug auf Fig. 1
beschriebenen Weise drehbar und mit einem Druckluftauslaß 14 versehen
ist. Der auf dem Kernträger 2 angeordnete Wickelkern 54 besteht
wiederum, aus einem Elastomer. Er ist als dünnwandiger Rotationskörper
ausgebildet mit einem zylindrischen Abschnitt 56 und
daran anschließenden konischen Abschnitten 58, die über eine
Spreizscheibe 60 geführt und hinter dieser Spreizscheibe mit einem
Wulstrand 62 in eine flanschartige Halterung 64 eingehängt sind.
Die Spreizscheibe 60 ist hierbei über einen zylindrischen Ansatz
66 auf dem Kernträger 2 gelagert und vorzugsweise axial verschiebbar.
Der zylindrische Ansatz 66 ist zwischen dem Außenumfang des
Kernträgers 2 und einem axialen Ansatz 68 der Halterung 64 gelagert.
Der Zwischenraum 70 ist an den Enden geschlossen und bildet
einen ringförmigen Zylinderraum, der mit einem gesonderten, nicht
dargestellten Druckluftanschluß versehen ist. Auf den zylindrischen
Ansätzen 66 sind hier weiter beidseitig glockenförmige
Stützwerkzeuge 72 axial verschiebbar gelagert, die, wie weiter
unten beschrieben, mit dem Formwerkzeug zusammenwirken.
Zur Herstellung eines Bauelementes mit beidseitig angeformten
Flanschen wird auf die Oberfläche der konischen Abschnitte 58 mit
Hilfe einer üblichen Faserspritzanlage 71 eine Faserschicht aufgebracht,
die der Erhöhung der Schubfestigkeit des fertigen Flansches
dient und die damit in ihrer Wirkung dem Fasergelege 52 bei
der ersten Ausführungsform entspricht. Auf den so vorbereiteten
Wickelkern wird dann, wie in Fig. 11 schematisch dargestellt, in
gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform die Wicklung
aufgebracht, die hier bis hinter die Halterung 64 geführt ist. Der
Faserstrang wird wiederum mittels Wickelvorrichtung mit einer
Fadenführung gelegt, die hier wiederum durch das Fadenauge 74 angedeutet
ist.
Nach Fertigstellung der Wicklung wird, wie in Fig. 12 dargestellt,
das Formwerkzeug 21 über dem zylindrischen Abschnitt der Wicklung
geschlossen. Das Formwerkzeug 21 ist hierbei in ähnlicher Weise
ausgebildet wie oben unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Auf die
beiden Stirnseiten 30 des Formwerkzeuges 21 wird dann eine weitere
Faserschicht über die Faserspritzanlage 71 aufgebracht, die eine
Verstärkungsschicht auf der Innenseite der Flansche des Werkstückes
bildet ähnlich der Verstärkungsschicht 36, die oben unter Bezug
auf Fig. 9 beschrieben ist.
Anschließend werden die beiden glockenförmigen Stützelemente 72, die
in Fig. 11 bis 15 in einer etwas abgewandelten Ausführung dargestellt
sind, mit ihrem Glockenmantel 78 über den konischen Abschnitt
des Wickelkörpers geschoben, wobei das Formwerkzeug 21
von den Mantelenden übergriffen wird. Der Innendurchmesser des
glockenförmigen Abschnittes 78 entspricht im wesentlichen dem
Durchmesser des Wickelkörpers über der Spreizscheibe 60. In den
Wickelkernträger 2 wird dann Druckluft eingelassen, die über Bohrungen
80 in den Raum 76 zwischen der Spreizscheibe 60 und den
konischen Abschnitten 58 des Wickelkerns 54 eintritt. Durch
die Druckluft wird der elastische dünnwandige Konus 58 mit dem
darauf liegenden konischen Wicklungsabschnitt verformt und in
Anlage an den stirnseitigen Formflächen 30 des Formwerkzeuges 21
gedrückt. Dabei erfolgt eine fortlaufende Pressung beginnend mit
dem Abschnitt an den Übergangsradien 32 an den beiden Enden der Öffnung
des Formwerkzeuges, die sich dann fortsetzt bis zum äußeren
Umfang der Formflächen 30. Auf diese Weise erfolgt eine von der
Öffnung im Formwerkzeug aus fortschreitende Auspressung des überschüssigen
Harzes sowie etwaiger Lufteinschlüsse.
Durch die axiale Verschiebbarkeit der Spreizscheiben 60 können
diese durch Einlaß von Druckluft in den ringförmigen Zylinderraum
70 gegen das Formwerkzeug 21 verschoben werden, bis sie zur Anlage
an der Außenseite der Flansche gelangen und hier eine Nachverdichtung
der Flanschflächen bewirken. Es kann aber unter Umständen
auch auf eine Verschiebbarkeit der Spreizscheiben verzichtet
werden. Die Spreizscheiben 60 können dann mit der Halterung 64
ein Bauteil bilden.
Das Werkzeug kann nach Fertigstellung der Wicklung aus der Wickelmaschine
herausgenommen und für die weiteren Bearbeitungsschritte,
die in Fig. 12 bis 15 dargestellt sind, in eine gesonderte Tragvorrichtung
eingehängt werden, die in Fig. 14 und 15 wiedergegeben
ist. Diese Tragvorrichtung weist zwei Widerlager 82 auf, gegen die
hier der zylindrische Aufsatz 68 der Halterung 64 abgestützt ist
und von dem die Reaktionskraft beim Einführen der Druckluft in den
Raum 76 aufgenommen wird ebenso wie die Reaktionskraft beim Verschieben
der Spreizscheibe 60 durch Einführen von Druckluft in den
Ringzylinderraum 70. Die beiden Widerlager 82 können gleichzeitig
Stützen eines Trägers sein, mit dem das Werkzeug mit dem Werkstück
in den Ofen eingeführt wird.
Die in Fig. 14 bzw. 15 dargestellte Anordnung
wird dann in einen Ofen gegeben, in dem die Aushärtung des Kunstharzes
erfolgt.
Bei der dritten Ausführungsform , die in Fig. 16 dargestellt ist,
besteht der auf den Kernträger 2 aufgebrachte Wickelkern aus zwei
konischen Abschnitten 84 mit anschließenden zylindrischen Abschnitten
86, die hier in der Mitte des zylindrischen Abschnittes
gegeneinanderstoßen. Die konischen Abschnitte 84 liegen an Flanschen
88 an, die auf ihrem äußeren Umfang die Funktion der Spreizscheiben
haben. Die Wicklung ist hier wiederum über den Umfang der
Flansche 88 gewickelt. Die Flansche 88 sind über zylindrische Abschnitte
90 auf dem Kernträger 2 axial verschiebbar gelagert. Es
kann dabei zur axialen Verschiebung wiederum ein Zylinderraum vorgesehen
werden. Es kann aber auch eine äußere Preßvorrichtung vorgesehen
werden, in die das Werkzeug nach Fertigstellung der Wicklung
mit dem Kernträger 2 eingesetzt wird.
Die Wicklung wird in gleicher Weise aufgebracht wie sie oben insbesondere
unter Bezug auf die Ausführungsform nach Fig. 10 bis 15
beschrieben ist. Nach Aufbringen der Faserschicht auf den Stirnseiten
30 des Formwerkzeuges 21, die als Verfahrensgang in Fig. 16
dargestellt ist, wird das Formwerkzeug eingesetzt. Anschließend
werden die Flansche mit den zylindrischen Ansätzen 90 gegen die
stirnseitigen Formflächen 30 des Formwerkzeuges 21 bewegt. Dabei
werden die konusförmigen Abschnitte 84 des Wickelkerns verformt
bis im Endstadium dieser Verformung die konischen Wicklungsabschnitte
entsprechend radial aufgeweitet sind und gegen die axialen
Formflächen 30 des Formwerkzeuges 21 anliegen. Auch hierbei
erfolgt bei der Verformung der elastischen Konen 84 eine fortschreitende
Verdichtung der Wicklung ausgehend vom inneren Umfang
der Flansche zum Außenumfang hin, wodurch wiederum überschüssiges
Harz ausgepreßt und vorhandene Luft ausgetrieben wird. Durch die
elastischen Konen wird eine gleichmäßige Anpressung gegen das
Werkzeug bewirkt und dabei Wicklung im Flanschbereich verdichtet.
Bei der Form nach Fig. 16 und 17 handelt es sich um eine offene
Form. Um ein Auslaufen des Kunstharzes zu vermeiden, muß das Werkzeug
mit dem Wickelkörper bei der Axialpressung um die Achse des
Kernträgers 2 gedreht werden. Die Drehung ist auch anschließend
während des Aushärtens fortzusetzen. Zu diesem Zweck können auf die
Enden des Wicklungsträgers 2 Rollscheiben 92 aufgesteckt werden,
die darauf arretierbar sind und mit denen das Werkzeug dann auf
einem Rollgang durch einen Wärmeofen hindurchgeführt werden kann.
Das Werkzeug in der Ausführungsform nach Fig. 16 und 17 zeichnet
sich durch die Einfachheit seines Aufbaus aus und ist insbesondere
für die Serienfertigung geeignet.
Der axiale Abstand der Flanschscheiben des Werkstückes, das ist
die axiale Länge der zylindrischen Abschnitte, kann je nach den
Anforderungen unterschiedlich sein. Bei größeren axialen Längen
kann zwischen den Enden der zylindrischen Ansätze 86 der Elastomerkegel
84 ein gesonderter rohrförmiger Wickelabschnitt vorgesehen
sein, der gleichfalls vorzugsweise aus einem Elastomer besteht.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 16 und 17 kann auf einem Kernträger
auch eine Mehrzahl von Wickelkernen in Achsrichtung hintereinander
vorgesehen werden. Es können dabei für mittlere Wickelkerne
an einem Flansch geringer Dicke beidseitig konische Wickelkernabschnitte
mit ihrer Basis anliegen, während die außen liegenden
Flansche in der dargestellten Weise ausgebildet sein können.
Mit einem derartigen Mehrfachwickelkern können die Wicklungen für
alle Werkstücke in einem Durchgang aufgebracht werden. Die Verformung
gemäß Fig. 17 kann mit einem Preßvorgang durchgeführt
werden. Ein zusätzlicher Vorteil liegt in der Verringerung des
anfallenden Abfalls.
Werkstücke, die in der beschriebenen Weise mit zwei Flanschen
dargestellt sind, können auch in der Mitte des zylindrischen Abschnittes
getrennt werden und dann als Anschlußflansche mit einem
Verbindungsrohr entsprechender Länge verklebt werden.
In der beschriebenen Weise hergestellte Werkstücke zeichnen sich
durch einen definierten Faserverlauf im Flanschbereich aus und
weiter dadurch, daß der Übergang vom zylindrischen Abschnitt in
den Flansch ohne Aufdickung möglich ist. Die Werkstücke haben eine
hohe Standzeit bei Biegewechselbelastungen, wie sie insbesondere
bei Ausgleichskupplungen auftreten, und sind dabei insbesondere
auch für Wellen mit Kardangelenken einsetzbar.
Der Faserverlauf beim Wickeln und dessen Verlagerung beim Aufweiten
des Wickelkegels ist in Fig. 18 schematisch dargestellt.
Das Ende des zylindrischen Abschnittes A ist in Fig. 18 gestrichelt
dargestellt. Dieses ist gleichzeitig die Spitze des Wickelkegels
28, das ist des kegelförmigen Abschnittes der Wicklung, der
über den Spreizscheiben 16 einen größten Durchmesser hat, der hier
durch die Umfangslinie U wiedergegeben ist.
Die Faser bzw. der Faserstrang S wird beim Wickeln vom zylindrischen
Abschnitt A der Wicklung tangential in den konischen Abschnitt
der Wicklung übergeführt, und zwar mit einem Steigungswinkel
ß in der Projektion von ≈ 5° gegen den Radius gemessen. Die
Faser erreicht damit den Konusumfang U am Konusfuß an dem Punkt
u′. Die Faser verläuft zwischen dem Fußpunkt u′′ und dem Punkt u′
am Umfang U des Kegels geradlinig. Der Kupplungsflansch F ist mit
seinem Umfang dargestellt. Beim Aufweiten des konischen Teils der
Wicklung und deren Ablegen in der Flanschebene bewegt sich das
Faserende u′ radial zum Punkt u′′′ auf dem Umfang des Flansches.
Der Faserstrang wird dabei in Form eines Bogens S′ abgelegt.
Der Faserverlauf ist in Fig. 19 noch einmal für die gesamte
Flanschfläche dargestellt. Wie aus Fig. 19 ersichtlich, kommt es
bei der Aufweitung des konusförmigen Abschnitts der Wicklung zu
einer Ausdünnung des Faseranteils zum äußeren Umfang des Flansches
F hin. Diese Ausdünnung ist ein erwünschter Effekt, da dadurch die
Flanschdicke über den Radius kontinuierlich herabgesetzt werden
kann, ohne daß damit eine Verringerung der übertragbaren Schubspannungen
verbunden wäre. So kommt es in dem für die Ausgleichswirkung
des beschriebenen Bauelementes wesentlichen äußeren
Flanschbereich zu einer geringeren Verformungsarbeit und damit zu
einer geringeren Wärmeentwicklung, die von der Verformungsarbeit
abhängig ist. Weiter nimmt der Momentenverlauf nach außen ab,
dadurch kommt es zu einer gleichmäßigen Beanspruchung über die
Flanschfläche.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung einer mehrschichtigen Wicklung ist
in Fig. 20 wiedergegeben. Sie ist hier veranschaulicht für den
zylindrischen Abschnitt A des Formkörpers, dessen Mantelfläche zur
Erzielung einer größeren Klarheit in ebener Darstellung wiedergegeben
ist. Diese Mantelfläche 102 ist hier mit ihren beiden einer
achsparallelen Schnittlinie entsprechenden Randlinien 104 und 106
als Begrenzung wiedergegeben.
Auf dem Wickelkern sind bei der in Fig. 20 dargestellten Wickelstruktur
sechs Wicklungen aufgebracht, die jeweils wechselweise
unter einem Winkel α gegen die Achse gewickelt sind. Der Winkel α
liegt zwischen 15° und 60° und beträgt für die optimale Übertragung
von Torsionskräften 45°. Er kann weiter, wie oben erwähnt,
bis auf 15° reduziert werden, wenn eine hohe Biegesteifigkeit gefordert
wird.
Die einzelnen Wicklungen bestehen aus einer Mehrzahl von parallel
geführten Fasersträngen. Zum Wickeln kann eine Ringfadenaugen-
Wickelanlage mit einem sich axial über den sich drehenden Wickelkern
hin- und herbewegenden Wickelkopf benutzt werden. In den
Ringfadenaugen werden die Faserstränge so geführt, daß sie stark
gespreizt auf den Wickelkern auflaufen, und zwar vorzugsweise mit
einem Abflachungsverhältnis, d. h. Breite b des Faserstranges zu
dessen Dicke a, größer als 25 : 1.
Die einzelnen Wicklungen werden so aufgebracht, daß die einzelnen
Faserstränge 8 einer Wicklung in einem Abstand c gewickelt werden,
der einem Mehrfachen der Strangbreite b entspricht. Bei dem Ausführungsbeispiel
ist für den Abstand c die doppelte Faserbreite,
also ein Abstand 2b vorgesehen. Dieser entspricht einem Mittenabstand
der Faserstränge der einzelnen Wicklungen von 3b. Dabei kann
c auch geringfügig größer als 2b sein, damit ein Überlappen der
Faserstränge in Wicklungen mit gleichem Wicklungssinn vermieden
wird, wie weiter unten beschrieben. Durch die extreme und geordnete
Spreizung der Faserstränge, die beim Wickeln möglich ist,
wird im Flanschbereich eine geringe Dicke der Faserlage erreicht,
die zu der gewünschten minimalen Flanschdicke führt. Gleichzeitig
werden Harznester vermieden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 werden parallel zueinander
sechs Faserstränge 108 mit gleichem Wickelsinn bei einem 1. Durchlauf
aufgebracht. Beim 2. Durchlauf wird beim Rücklauf des Wickelkopfes
eine Wicklung mit entgegengesetzter Steigung und wiederum
sechs Fasersträngen 100 aufgebracht. Die 1. und 2. Wicklung ergeben
ein Gittermuster mit Gitteröffnungen 109 mit den Abmessungen
≈ 2b · 2b.
Beim 3. Durchlauf wird mit gleichem Wickelsinn wie die 1. Wicklung
eine 3. Wicklung in sechs Fasersträngen aufgebracht. Die Faserstränge
12 dieser 3. Wicklung werden gegenüber den Fasersträngen
der 1. Wicklung um die Strangbreite b versetzt gewickelt. Es verbleibt
dann zwischen den Strängen 108 und 112 der 1. und 3. Wicklung
ein Abstand c′ = b. Dies führt zu rechteckigen Gitteröffnungen
111 mit den Abmessungen 2b · b.
Beim 4. Durchlauf wird die 4. Wicklung mit sechs parallelen Wicklungssträngen
114 im gleichen Wickelsinn wie die 2. Wicklung 110
aufgebracht, und zwar wiederum gegen die Faserstränge 110 der 2.
Wicklung um eine Strangbreite b versetzt. Die 1. bis 4. Wicklung
ergeben damit eine gitterförmige Wickellage mit Gitteröffnungen
113 mit den Abmessungen ≈ b · b.
Beim 5. Durchlauf wird eine weitere Wicklung mit sechs parallelen
Fasersträngen 115 wiederum mit gleichem Wickelsinn wie die 1. und
3. Wicklung aufgebracht, und zwar derart, daß die Faserstränge
dieser 5. Wicklung in die Zwischenräume c gewickelt werden, die
zwischen den Fasersträngen 108, 112 der 1. und 3. Wicklung beim
3. Durchlauf verblieben sind. Durch diese 5. Wicklung werden die
Gitteröffnungen 113, die nach der 4. Wicklung verblieben sind,
abgedeckt.
Beim 6. Durchlauf wird schließlich die 6. Wicklung aufgebracht,
deren Wicklungsstränge die gleiche Steigung haben wie die Wicklungsstränge
der 2. und 4. Wicklung. Diese Wicklungsstränge werden
jeweils in die Zwischenräume c′′ zwischen den Wicklungssträngen
110, 112 der 2. und 4. Wicklung gewickelt.
Zur Veranschaulichung sind die sechs Durchläufe in Fig. 20 in
Achsrichtung versetzt dargestellt. Sie beginnen jedoch alle an der
gleichen Stelle in Achsrichtung des Werkstückes. Der 2., 4. und 6.
Durchlauf sind jeweils in Achsrichtung dem 1., 3. und 5. Durchlauf
entgegengesetzt.
Bei einer in der beschriebenen Weise hergestellten Wicklung wird
mit insgesamt sechs Wicklungen eine Quasi-Flechtstruktur erzeugt,
bei der an definierten Kreuzungspunkten jeweils nur zwei Faserstränge
übereinanderliegen und in der nur eine geringe Ondulation
auftritt. Diese führt dabei zu einem großen Steifigkeits- und
Festigkeitsprozentsatz bezogen auf eine vollständig gestreckte
Faser. Durch entsprechende Vorspannung der Faserstränge beim
Wickeln wird erreicht, daß die jeweils darunter liegenden Faserstränge,
die gekreuzt werden, gegen den Wickelkern gedrückt
werden.
Mit sechs Durchläufen wird jeweils eine geschlossene Wickelstruktur
erreicht. Weitere geschlossene Wickelstrukturen können darüber
in gleicher Weise aufgebracht werden. Der Wickelkopf kann so gesteuert
werden, daß jeweils eine geschlossene Gitterstruktur mit
vier, acht oder auch mehr Durchläufen aufgebracht wird.
Die Faserstränge werden vom Ende des zylindrischen Abschnittes in
der oben beschriebenen Weise über die Spreizscheiben des Wickelkerns
geführt, wobei auch im konischen Bereich eine große Spreizung
der Faserstränge und die geringe Zahl der Faserstranglagen
an den Kreuzungspunkten erhalten bleibt. Hierdurch wird eine sehr
geringe Dicke der Faserlagen im Flanschbereich erreicht, die sich
zudem wie oben angegeben zum äußeren Umfang des Flansches hin kontinuierlich
verringert.
Der Verlauf der Fasern im aufgeweiteten Zustand, d. h. im fertigen
Flansch kann bei den Ausführungsformen nach Fig. 10 bis 15 bzw. 16
bis 18 dadurch beeinflußt werden, daß die Kerne in ihrem konischen
Bereich, in dem die Fasern auf dem Kern aufliegen, nicht mit einer
Kegelfläche ausgebildet sind, wie in den Zeichnungen dargestellt,
sondern diese Mantelflächen gebaucht ausgeführt sind, wodurch es
dann zu einer gekrümmten Ablage der Fasern über den bauchigen Konusbereich
kommt, die ihrerseits wiederum den Faserverlauf im aufgeweiteten
Bereich beeinflußt dahingehend, daß die Fasern nach dem
Aufweiten des konischen Wicklungsbereiches einen weniger gekrümmten
Verlauf erhalten.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung von Bauelementen aus Faserverbundwerkstoffen,
die einen rohrförmigen Bereich und daran anschließend
wenigstens einen planen Flansch aufweisen, wobei
auf einem die Innenkontur des rohrförmigen Bereichs bestimmenden Kern eine Wicklung mit sich unter einem Winkel zur Achse des Kerns kreuzenden Fasersträngen aufgebracht wird, die an den Enden des rohrförmigen Bereiches unter konischer Erweiterung über einen davon im Abstand liegenden Spreizkörper mit einem mit der Achse des Bauelementes koaxialen Rand geführt werden,
auf die fertige Wicklung ein Formwerkzeug aufgesetzt wird, das mit einer die Innenseite des Flansches bestimmenden Stirnseite versehen ist, und
der konische Bereich der Wicklung unter Aufweitung gegen die Stirnseite des Formwerkzeuges angelegt und angepreßt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklung beidseitig des rohrförmigen Bereichs (A) jeweils über einen Spreizkörper (16) gewickelt wird,
daß nach Fertigstellung der Wicklung auf den rohrförmigen Bereich der Wicklung ein Formwerkzeug (21) aufgesetzt wird, das den rohrförmigen Bereich (A) umfaßt und beidseitig mit einer die Innenseite der Flanschen bestimmenden Stirnseite (30) mit einer gerundeten Kante (32) zwischen der zylindrischen Öffnung (26) und den Stirnseiten (30) versehen ist, und
daß die konischen Bereiche (B) der Wicklung vor dem Anlegen an die Stirnseite (30) der Form wenigstens im Bereich der gerundeten Kante (32) unter Druck durch ein elastisches Medium (8) zur Anlage an den Stirnseiten (30) des Formwerkzeuges (21) gebracht wird.
auf einem die Innenkontur des rohrförmigen Bereichs bestimmenden Kern eine Wicklung mit sich unter einem Winkel zur Achse des Kerns kreuzenden Fasersträngen aufgebracht wird, die an den Enden des rohrförmigen Bereiches unter konischer Erweiterung über einen davon im Abstand liegenden Spreizkörper mit einem mit der Achse des Bauelementes koaxialen Rand geführt werden,
auf die fertige Wicklung ein Formwerkzeug aufgesetzt wird, das mit einer die Innenseite des Flansches bestimmenden Stirnseite versehen ist, und
der konische Bereich der Wicklung unter Aufweitung gegen die Stirnseite des Formwerkzeuges angelegt und angepreßt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklung beidseitig des rohrförmigen Bereichs (A) jeweils über einen Spreizkörper (16) gewickelt wird,
daß nach Fertigstellung der Wicklung auf den rohrförmigen Bereich der Wicklung ein Formwerkzeug (21) aufgesetzt wird, das den rohrförmigen Bereich (A) umfaßt und beidseitig mit einer die Innenseite der Flanschen bestimmenden Stirnseite (30) mit einer gerundeten Kante (32) zwischen der zylindrischen Öffnung (26) und den Stirnseiten (30) versehen ist, und
daß die konischen Bereiche (B) der Wicklung vor dem Anlegen an die Stirnseite (30) der Form wenigstens im Bereich der gerundeten Kante (32) unter Druck durch ein elastisches Medium (8) zur Anlage an den Stirnseiten (30) des Formwerkzeuges (21) gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im
Bereich der Flanschen des Bauelementes beidseitig Fasergelege
(36, 52) zur Erhöhung der Schubfestigkeit aufgelegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als
Fasergelege (36, 52) Fasergewebe verwendet werden, von denen
das eine vor dem Aufweiten des konischen Wicklungsteils (B)
auf die Stirnseite (30) des Formwerkzeuges (21) und das andere
nach dem Aufweiten des Wicklungskonus auf diese Faserwicklung
aufgelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fasergelege (36, 52) in Form von aufgespritzten Stapelfasern aufgebracht
werden.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch einen Wickelkernträger (2), auf dem im
Wickelbereich ein aufblasbarer, aus einem Elastomer bestehender
Schlauch (8) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein den
aufblasbaren Abschnitt des Schlauches (8) glockenartig übergreifendes
Stützwerkzeug (38), das gegen das Formwerkzeug
(21) verspannbar ist und einen axial verschiebbar am Stützwerkzeug
(38) geführten flanschförmigen Teil (42) aufweist, der
einen Innendurchmesser hat, der größer ist als der Innendurchmesser
des Formwerkzeuges (21) der Wicklung zuzüglich dem
doppelten Radius der gerundeten Kante (32) des Formwerkzeuges,
aber kleiner als der Innendurchmesser des Stützwerkzeuges
(38) an seinem dem flanschförmigen Teil zugewandten Ende.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkern (54) als ein auf
einem Wickelkernträger (2) angeordneter, dünnwandiger, elastischer
Körper ausgebildet ist, der einen rohrförmigen Teil
(56) und daran anschließend beidseitig je einen konischen Abschnitt
(58) aufweist, daß für die Befestigung des freien
Randes des konischen Abschnittes (58) des Wickelkerns jeweils eine
feststehende flanschartige Halterung (64) für
den Rand (62) des Wickelkerns (58) an seinem Umfang vorgesehen ist, daß
vor den einander zugewandten Stirnseiten dieser Körper je eine
gesonderte Spreizscheibe (60) vorgesehen ist, die in Richtung
auf die Stirnseite (30) des Formwerkzeuges (21) verschiebbar
ist, daß die Räume zwischen dem Wickelkernträger (2) und den
konischen Abschnitten (58) des Wickelkerns (54) mit einer Druckluftquelle
(14) verbindbar sind, und daß ein mit dem Formwerkzeug
(21) zusammenwirkendes Stützwerkzeug (72) vorgesehen
ist, mit welchem nach Fertigstellung der Wicklung jeweils der
Raum zwischen der äußeren Oberfläche der konischen Teile des
elastischen Wickelkerns und dem äußeren Umfang der Stirnseiten
(30) des Formwerkzeuges (21) abdeckbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
Stützwerkzeug (72) glockenartig ausgebildet und auf dem
Wickelkernträger (2) in Achsrichtung verschiebbar angeordnet
ist.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkern zwei konusförmige
Abschnitte (84) aus einem elastischen Material aufweist, die
mit rohrförmigen Ansätzen (86) versehen sind, die sich in den
Wickelbereich für den rohrförmigen Abschnitt des Bauelementes
hinein erstrecken, daß die konusförmigen Abschnitte (84) an ihren
voneinander abgewandten Enden an Stützkörpern (88) anliegen,
die in Achsrichtung auf das aufzusetzende Formwerkzeug (21)
verschiebbar sind, und daß Arretierungen (92) vorgesehen
sind, mit denen die Stützkörper in der Stellung arretierbar
sind, die von ihnen nach dem Verformen der konusförmigen Abschnitte
(84) des Wickelkerns bis zur flächigen Anlage an den
Stirnseiten (30) des Formwerkzeuges (21) erreicht ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf
die Enden des Wickelkernträgers (2 aufsetzbare Räder (92)
als Arretierungen vorgesehen sind.
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