DE4005772A1

DE4005772A1 - Stabfoermiger koerper und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE4005772A1
Application number: DE19904005772
Authority: DE
Inventors: Arno Dipl Ing Pabsch
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1990-02-23
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1991-09-05

Description

Die Erfindung bezieht sich auf stabförmige Körper nach dem Ober begriff der Patentansprüche 1 und 2 und Verfahren zur Herstellung derartiger Körper.

Zur Herstellung von Rohren aus faserverstärkten Kunststoffen ist es bekannt, auf einem Kern, der aus dem fertigen Rohr herauszieh bar ist, die Wicklung aus mit Kunstharz getränkten abgeplatteten Fasersträngen jeweils so auszubilden und aufzubringen, daß die Faserstränge einer Schicht aneinander angrenzen bzw. sich gering fügig überlappen (US-PS 35 22 122).

Es sind weiter mehrlagige Wickelkörper aus Faserverbundwerkstoff mit mehreren Faserlagen mit von Faserlage zu Faserlage wechselndem Wickelsinn bekannt (DE-OS 28 55 638), bei denen in den einzelnen Faserlagen ein gleichförmig dichte, lückenlose Bewicklung vorge sehen ist. Die Faserlagen können dabei auch jeweils ein- oder mehrlagig ausgebildet sein.

Bei derartig ausgebildeten Stäben oder Rohren werden die Schub kräfte, die insbesondere bei Torsionsbeanspruchungen auftreten, zwischen den Fasern der beiden Schichten nahezu ausschließlich über die Kunstharzmatrix übertragen. Bei hohen Belastungen besteht damit die Gefahr der Delaminierung.

Günstige Übertragungseigenschaften für die bei Torsionsbewegungen auftretenden Schubkräfte werden erreicht, wenn die auf Torsion beanspruchte Schicht ein kunstharzgebundenes Fasergeflecht ist. Hierfür kann ein Fasergeflechtschlauch auf den Kern oder darauf aufgebrachte Grundschichten aufgezogen werden. Die Verwendung von Geflechtschläuchen ist möglich, wenn die Stäbe oder Rohre jeweils mit begrenzten Längen hergestellt werden. Für die kontinuierliche Herstellung von Rohren oder stabförmigen Körpern mit kunstharz gebundenen Fasergeflechten ist es bekannt, dieses Fasergeflecht mittels Flechtmaschinen auf dem kontinuierlich durchlaufenden Kern aufzubringen. Derartige Flechtmaschinen sind aufwendig und ledig lich für die Massenfabrikation geeignet (DE-OS 34 00 043).

Aufgabe der Erfindung ist ein stab- oder rohrförmiger Körper nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei dem hoch torsionsfeste Wicklungen kontinuierlich aufgebracht werden können, bei dem aber für die Herstellung ein wesentlich geringerer maschineller Aufwand getrieben zu werden braucht als bei bekannten Flechtmaschinen, bzw. ein Verfahren zur Herstellung derartiger stab- oder rohrför miger Körper.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch stab- oder rohr förmige Körper gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 2 bzw. Verfahren gemäß den Ansprüchen 6 bzw. 7.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der stab- oder rohrförmigen Körper bzw. der Verfahren zu deren Herstellung sind Gegenstand der abhän gigen Ansprüche.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in Ausführungsbeispielen ver anschaulicht und nachstehend im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Wicklung gemäß der Erfin dung;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Faserstrang;

Fig. 3 schematisch eine Wicklung mit vier Wicklungslagen;

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 schematisch eine Wicklung mit sechs Wicklungslagen;

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5;

Fig. 7 schematisch einen gitterartigen Rohrkörper mit einer Mehrzahl von Wicklungen mit jeweils übereinander ge wickelten Wicklungssträngen;

Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 7;

Fig. 9 in schematischer Ansicht einen Teil eines Rohrkörpers nach Fig. 7 und 8 mit einem Wickelformkörper.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der mehrschichtigen Wicklung eines stab- oder rohrförmigen Körpers, wobei die Mantelfläche des Körpers oder Rohres, in der die Wicklungen angeordnet sind, zur Erzielung einer größeren Klarheit in ebener Darstellung wiederge geben ist. Diese Mantelfläche 2 ist hier mit ihren beiden einer achsparallelen Schnittlinie entsprechenden Randlinien 4 und 6 als Begrenzung wiedergegeben.

Auf der Grundstruktur, die ein permanenter Kern oder aber ein ent fernbarer Kern sein kann, bei dem sich die Mantelfläche 2 ggf. auf einer Unterstruktur befindet, sind bei dem in Fig. 1 dargestellten Körper sechs Wicklungen aufgebracht, die jeweils wechselweise unter einem Winkel α gegen die Achse gewickelt sind. Der Winkel α liegt zwischen 30° und 60° und beträgt vorzugsweise 45°. Der Winkel α entspricht damit dem Winkel, unter dem bei einem Geflechtschlauch die einzelnen Fasern dieses Geflechtschlauches gegen die Achse des Körpers geneigt sind, auf den der Geflechtschlauch aufgebracht ist.

Die einzelnen Wicklungen bestehen aus Fasersträngen (Rovings), vorzugsweise Kohlefasersträngen. Zum Wickeln werden gegenläufig arbeitende Ringfadenaugen-Wickelanlagen benutzt. In diesen Anlagen werden die Faserstränge so geführt, daß sie stark gespreizt auf den Wickelkörper aufgewickelt werden, und zwar vorzugsweise mit einem Abflachungsverhältnis, d. h. Breite D des Faserstranges zu dessen Dicke a, größer als 25 : 1, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt.

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 Aus führungsbeispiel ist für den Abstand c die doppelte Faserbreite, also ein Abstand 2b vorgesehen. Dieser entspricht einem Mittenab stand der Faserstränge der einzelnen Wicklungen von 3b. Dabei kann c auch geringfügig größer als 2b sein, damit ein Überlappen der Wicklungen mit gleichem Wicklungssinn vermieden wird, wie weiter unten beschrieben. Durch die extreme und geordnete Spreizung der Faserstränge, die beim Wickeln möglich ist, werden Harznester ver mieden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 werden parallel zueinander sechs Faserstränge 8 mit gleichem Wickelsinn in der 1. Station auf gebracht. In der 2. Wickelstation wird eine Wicklung mit entgegen gesetzter Steigung und hier wiederum sechs Fasersträngen 10 aufge bracht. Die 1. und 2. Wicklung ergeben ein Gittermuster mit Gitter öffnungen 9 mit den Abmessungen ≈ 2b · 2b.

In der 3. Station wird mit gleichem Wickelsinn wie die 1. Wicklung eine 3. Wicklung in sechs Fasersträngen aufgebracht. Die Faser stränge 12 dieser 3. Wicklung werden gegenüber den Fasersträngen der 1. Wicklung um die Strangbreite b versetzt gewickelt. Es ver bleibt dann zwischen den Strängen 8 und 12 der 1. und 3. Wicklung ein Abstand c′ = b. Dies führt zu rechteckigen Gitteröffnungen 11 mit den Abmessungen 2b · b.

In der 4. Station wird die 4. Wicklung mit sechs parallelen Wick lungssträngen 14 im gleichen Wickelsinn wie die 2. Wicklung 10 auf gebracht, und zwar wiederum gegen die Faserstränge 10 der 2. Wick lung um eine Strangbreite b versetzt. Die 1. bis 4. Wicklung er geben damit eine gitterförmige Wickellage mit Gitteröffnungen 13 mit den Abmessungen ≈ b · b.

In der 5. Station wird eine weitere Wicklung mit sechs parallelen Fasersträngen 15 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 8, 12 der 1. und 3. Wicklung in der 3. Station verblieben sind. Durch diese 5. Wicklung werden die Gitteröffnungen 13, die nach der 4. Wicklung verblieben sind, abgedeckt.

In der 6. Station wird schließlich die 6. Wicklung aufgebracht, de ren Wicklungsstränge die gleiche Steigung haben wie die Wicklungs stränge der 2. und 4. Wicklung. Diese Wicklungsstränge werden je weils in die Zwischenräume c′′ zwischen den Wicklungssträngen 10, 12 der 2. und 4. Wicklung gewickelt.

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 Faser stränge 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 Faser stränge, die gekreuzt werden, gegen den Kern oder Grundkörper ge drückt werden. Bei dieser Flechtstruktur wird eine durchgehende Kunstharzschicht vermieden, wie sie beim aufeinanderfolgenden Wickeln geschlossener Wicklungen unvermeidbar ist, und welche bei hohen Belastungen Ausgang für Delaminationen sein kann.

Ein Ausschnitt einer Flechtstruktur aus sechs Wicklungen, wie sie vorstehend beschrieben wurde, ist in Fig. 5 und 6 dargestellt. Die Wicklungen I bis VI sind hierbei in der Reihenfolge ihrer Numerie rung aufgebracht. Der Abstand c zwischen den Wicklungssträngen der einzelnen Wicklungslagen ist hier etwas größer dargestellt als die doppelte Breite b der einzelnen Wicklungsstränge, so daß die Wick lungsstränge der Wicklungen III und V jeweils zwischen den Wick lungssträngen I mit einem solchen Abstand voneinander und den Wick lungssträngen der Wicklung I aufgebracht werden können, daß seit liche Überlappungen vermieden werden. Im Schnitt nach Fig. 6 sind die einzelnen Faserstränge der Wicklungslagen I bis VI in ihrer Dicke a übertrieben dargestellt. Es soll hier der höhenmäßige Ver satz der sich kreuzenden Faserstränge schematisch veranschaulicht werden, der oben erwähnt ist.

In Fig. 3 ist eine Ausbildung beschrieben, bei der insgesamt vier Wicklungslagen I bis IV vorgesehen sind. Die Wicklungsstränge der einzelnen Wicklungslagen I bis IV sind hierbei in einem Abstand c voneinander angeordnet, der etwas größer ist als die Breite b der Wicklungsstränge, so daß auch durch die vier Wicklungslagen eine vollständige Überdeckung erreicht wird. In ähnlicher Weise können auch mehr als sechs Wicklungslagen vorgesehen werden.

Grundsätzlich gilt für den Abstand c der Faserstränge der einzelnen Wicklungen

c = (n/2 - 1)

wobei n die Anzahl der Wicklungen und eine gerade Zahl ist.

Mit den geflechtähnlichen Wickelstrukturen, die in der beschriebe nen Weise ausgebildet sind, sind bei geringer Dicke hohe Torsions kräfte übertragbar. Die hoch torisionsfeste Bewicklung läßt sich dabei aber mit einfachen umlaufenden Wickelvorrichtungen herstel len. Es ist also nicht der komplizierte Flechtvorgang erforderlich, der bei der Herstellung eines Geflechtschlauches mittels einer Flechtmaschine vorliegt.

Die Faserstränge können vor dem Wickeln mit Kunstharz dosiert ge tränkt werden, so daß eine nachträgliche Tränkung der fertigen Flechtstruktur entfallen kann, wie sie normalerweise bei Geflecht schläuchen erforderlich ist.

Der Querschnitt des Wickelkerns, auf dem die Flechtstruktur auf gebracht wird, kann rund, aber auch oval, polygonal oder ähnlich sein. Der Kern kann zur Erzielung hoher Biegesteifigkeit und axialer Steifigkeit in der Wicklung verbleiben. Dabei kann die Biegesteifigkeit noch durch örtliche oder über den Umfang gleich mäßig verteilte unidirektionale Fasern erhöht werden, die vor dem Wickeln auf den Wickelkern aufgebracht werden.

Es gibt Anwendungsfälle, bei denen hohe Torsionsfestigkeit in Ver bindung mit geringer axialer Steifigkeit gefordert wird, so bei spielsweise bei Sicherheitslenksäulen für Kraftfahrzeuge. Ein bei spielsweise für eine Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge ver wendbares Rohr mit hoher Torsionsfestigkeit und geringer axialer Steifigkeit kann in ähnlicher Weise hergestellt werden wie die vor stehend beschriebene Quasi-Flechtstruktur.

Zur Herstellung eines Rohres für hohe Torsionsbelastungen, aber mit geringer axialer Steifigkeit wird die Herstellung in ähnlicher Weise begonnen wie in Fig. 1 beschrieben. Es wird hierbei in einer 1. Station eine 1. Wicklung I mit Fasersträngen gewickelt, die hier mit einem Abflachungsverhältnis b : a kleiner als 25 : 1 gewickelt werden können. Diese Faserstränge werden in einem vorbestimmten Abstand c gewickelt. Die 2. Wicklung II wird mit entgegengesetztem Wickelsinn mit gleichen Faserstrangabständen c gewickelt. Die 3. und alle weiteren Wicklungen III bis VI werden dann ohne seitlichen Versatz zu den Fasersträngen 1 und 2 der Wicklungen auf diese Fa serstränge gewickelt. Diese weiteren Wicklungen III bis VI liegen also deckungsgleich über der 1. bzw. 2. Wicklung I bzw. II, wie aus Fig. 7 ersichtlich, die einen abgewickelten quadratischen Aus schnitt aus einer solchen Gitterstruktur zeigt. Die Rohrachse 20 verläuft hier diagonal durch diesen Abschnitt. Dadurch wird eine rohrförmige Gitterstruktur 22 erzeugt, bei der viereckige offene Zwichenräume 16 zwischen den Wicklungen I, III, V bzw. II, IV, VI verbleiben. Bei einem Wickelwinkel α = 45° gegen die Rohrachse 20 gemessen können diese quadratisch sein und ein Seitenverhältnis von c · c haben.

Bei einem so ausgebildeten Rohr werden wie bei den Flechtstrukturen nach Fig. 1 bis 3 ohne Delaminationsgefahren hohe Torsionskräfte übertragen. Die Zahl der Wicklungen richtet sich nach den zu über tragenden Drehmomenten. Es brauchen also nicht die beschriebenen sechs Wicklungen vorgesehen werden. Die Zahl kann auch größer oder kleiner sein. Bei einseitiger Torsionsbeanspruchung kann auch in der Hauptbelastungsrichtung die Zahl der Wicklungen größer sein als in der entgegengesetzten Richtung.

Die zu übertragenden Drehmomente und damit die Torsionskräfte bestimmen den gesamten Faserquerschnitt der jeweils übereinander gewickelten Faserstränge in den Wicklungen I, III, V bzw. II, IV, VI. Für die Axialkräfte, unter denen eine axiale Verformung der Gitterstruktur beginnt, ist dagegen im wesentlichen das Wider standsmoment der Wicklungsabschnitte maßgebend, das mit dem Quadrat der Breite x der Faserstränge in Achsrichtung der Säule gemessen in die Berechnung eingeht. Das jeweils gewünschte Widerstandsmoment kann dabei dadurch erreicht werden, daß die Breite x der Faser stränge jeweils zwischen den Kreuzungsbereichen K der Faserstränge verringert wird, wie in Fig. 7 bis 9 veranschaulicht. Dabei wird, wie aus Fig. 7 und 8 ersichtlich, das Abplattungsverhältnis b′ : a′ in diesen Bereichen verringert.

Durch den unidirektionalen Verlauf der Fasern ist eine geringe Schubsteifigkeit gegeben, die die axiale Verformung begünstigt und die zusätzlich durch die Einstellung der Matrix beeinflußbar ist.

Zur Herstellung einer rohrförmigen Gitterstruktur, wie sie in Fig. 7 und 8 dargestellt ist, kann ein Wickelkörper 24 verwendet werden, wie er in Fig. 9 dargestellt ist. Dieser Wickelkörper 24 trägt Formkörper 26, deren Querschnitt dem Querschnitt der in der Wickel struktur herzustellenden offenen Zwischenräume 16 der Gitterstruk tur entspricht. In Fig. 7 und 9 sind diese Zwischenräume im wesent lichen als Polygone, und zwar als Achtecke, dargestellt. Zweckmäßig sind jedoch die Ecken dieser Zwischenräume 16 gerundet ausgeführt. Wesentlich ist, daß über einen bestimmten Bereich die das Wider standsmoment bedingende Faserstrangbreite x eingehalten wird.

Die Formelemente 26 können durch ein Vakuumtiefziehverfahren oder ein Blasverfahren in einer entsprechenden Form aus einem rohr förmigen Grundkörper 28 gebildet werden, der als dünnwandiges Rohr aus einem Thermoplasten ausgebildet ist. Ein so mit den Formkörpern 26 auf der Außenseite verformtes Kunststoffrohr dient dann als Wickelkern und kann auf einen beispielsweise rohrförmigen Kern träger aufgebracht werden.

Die Wickelkerne können dabei jeweils in Abschnitten mit metal lischen Anschlußelementen auf den Wickelkernträger aufgebracht werden, wobei die metallischen Anschlußelemente dann auf der Außen seite mit entsprechenden Formkörpern zu versehen sind. Metallische Anschlußelemente können dann über Abstandselemente miteinander ver bunden sein, so daß ein kontinuierlicher Wickelkern entsteht, in dem die Anschlußelemente einen Teil bilden. Ein solcher kontinuier licher oder quasi kontinuierlicher Wickelkern kann dann durch die Wickelstation mit entsprechender Vorschubsgeschwindigkeit hindurch geschoben werden. Der Kernträger ist dabei entsprechend der vor gegebenen Länge der einzelnen Gitterstrukturabschnitte mit ihren Anschlußelementen oder einem Mehrfachen dieser Länge trennbar zu machen. Der Strang wird dann zwischen den angrenzenden Anschluß elementen an den Trennstellen des Wickelkernträgers durchtrennt und Behandlungsofen zur Aushärtung eingebracht werden. In ähnlicher Weise kann selbstverständlich auch ein kontinuierlicher Strang eines Gitterrohrkörpers hergestellt werden.

Claims

1. Stabförmiger Körper, bei dem auf einem Kern eine Mehrzahl (n) schraubenförmiger Wicklungen aus mit Kunstharz getränkten ab geplatteten Fasersträngen in Wicklungspaaren derart aufge bracht sind, daß aufeinanderfolgende Wicklungen mit entgegen gesetzter Steigung mit einem Steigungswinkel zwischen 30° und 60° verlaufen, dadurch gekennzeichnet,
daß jede der Wicklungen eine für alle Wicklungen iden tische Steigung hat,
daß die Mitten der Faserstränge in einer Wicklung einen axialen Abstand haben, der der Anzahl (n) der Wicklungen mit gleichem Wickelsinn multipliziert mit der Breite (b) der Faserstränge entspricht,
und daß die Faserstränge aufeinanderfolgender Wicklungen mit gleichem Wickelsinn gegenüber dem Faserstrang der darunter liegenden Wicklung mit gleichem Wickelsinn um die Breite des Faserstranges versetzt liegen.

2. Stabförmiger Körper, bei dem eine Mehrzahl (n) schrauben förmiger Wicklungen aus mit Kunstharz getränkten abgeplatte ten Fasersträngen in Wicklungspaaren derart aufgebracht sind, daß aufeinanderfolgende Wicklungen mit entgegengesetzter Steigung mit einem Steigungswinkel zwischen 30° und 60° ver laufen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Faserstränge der einzelnen Wicklungen eine für alle Wicklungen identische Steigung haben,
daß die Mitten der Faserstränge einer Wicklung einen axialen Abstand haben, der wenigstens der Strangbreite ent spricht
und daß in allen Wicklungen mit gleichem Wickelsinn die Faserstränge übereinander liegen.

3. Stabförmiger Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstränge einen Mittenabstand haben, der größer ist als die doppelte Faserstrangbreite.

4. Stabförmiger Körper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstränge jeweils einen axialen Abstand haben, der im wesentlichen der doppelten Strangbreite entspricht.

5. Stabförmiger Körper nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Breite der Faserstränge zwischen den Kreuzungsflächen der Wicklung kleiner ist als an den Kreu zungsflächen.

6. Verfahren zur Herstellung stabförmiger Körper, bei dem auf einem Kern eine Mehrzahl (n) schraubenförmiger Wicklungen aus mit Kunstharz getränkten abgeplatteten Fasersträngen in Wick lungen derart aufgebracht wird, daß aufeinanderfolgende Wick lungen mit entgegengesetzter Steigung mit einem Steigungs winkel zwischen 30° und 60° gewickelt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß jede der Wicklungen mit einer für alle Wicklungen identischen Steigung derart gewickelt wird, daß die Mitten der Faserstränge in einer Wicklung einen axialen Abstand haben, der der Anzahl (n) der Wicklungen mit gleichem Wickel sinn multipliziert mit der Breite (b) der Faserstränge ent spricht,
und daß die Faserstränge aufeinanderfolgender Wicklungen mit gleichem Wickelsinn gegenüber dem Faserstrang der jeweils vorangegangenen Wicklung mit gleichem Wickelsinn um die Brei te des Faserstranges versetzt liegen.

7. Verfahren zur Herstellung stabförmiger Körper, bei dem auf einem Kern eine Mehrzahl (n) schraubenförmiger Wicklungen aus mit in Kunstharz getränkten abgeplatteten Fasersträngen in Wicklungspaaren derart aufgebracht sind, daß aufeinander folgende Wicklungen mit entgegengesetzter Steigung mit einem Steigungswinkel zwischen 30° und 60° gewickelt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Faserstränge der einzelnen Wicklungen mit einer für alle Wicklungen identischen Steigung derart gewickelt werden, daß die Mitten der Faserstränge einer Wicklung einen axialen Abstand haben, der größter ist als die Strangbreite,
und daß in allen Wicklungen mit gleichem Wickelsinn die Faserstränge übereinandergewickelt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstränge mit einem Mittenabstand gewickelt werden, der wenigstens der Faserstrangbreite entspricht.