DE4009031A1

DE4009031A1 - Fibre reinforced plastics hollow shaft - has tubular connections made of straddling dowels and coiled fibre layers

Info

Publication number: DE4009031A1
Application number: DE19904009031
Authority: DE
Inventors: Helmut Schuermann
Original assignee: Elastogran Kunststoff Technik GmbH
Current assignee: BASF Polyurethanes GmbH
Priority date: 1990-03-21
Filing date: 1990-03-21
Publication date: 1991-09-26

Abstract

The fibre-reinforced plastics hollow shaft has a part (1) formed of coiled fibre-layers, and pre-fabricated connections permanently fixed to the ends of the shaft-part (1). The connections each consists of pipes (2) containing a straddling-dowel (5) and attached at even distances round the ends of the shaft-part by coiled fibre layers (3). The pipes are embedded in a fibre-reinforced plastics support (4). USE/ADVANTAGE - The hollow shaft is easily produced and has connections transmitting tensional and compressive forces.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hohlwelle aus faserverstärktem Kunststoff entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a hollow shaft made of fiber-reinforced plastic according to the preamble of claim 1.

Antriebswellen aus Faserkunststoffverbunden sind für die Automobilindu strie in vielerlei Hinsicht interessant. Sie besitzen alle Eigenschaften, um sie als Ersatz von Stahl- oder Aluminiumwellen sinnvoll erscheinen zu lassen. Ihre besondere Vorteile liegen in der Gewichtsersparnis, der Korrosionsfreiheit und den gegenüber Metallwellen besseren akustischen Eigenschaften. Problematisch ist jedoch die Drehmomenteinleitung in das durch die Faserstruktur stark anisotrope Material der Wellen. Die be kannten Anschlußmittel sind sehr komplex und können nur mit erheblichem Aufwand an den Wellen befestigt werden.Drive shafts made of fiber plastic are connected for the automotive indu streaked in many ways. They have all the properties in order to make sense as a replacement for steel or aluminum shafts to let. Their particular advantages lie in the weight saving that Corrosion free and the acoustic better than metal waves Properties. However, the introduction of torque into the is problematic strong anisotropic material of the waves due to the fiber structure. The be Known connection means are very complex and can only be done with considerable Effort to be attached to the shafts.

So erfordert beispielsweise die Herstellung der Anschlußverbindung für Faserkunststoffrohre gemäß der DE-A 30 07 896 die Einhaltung extrem enger Toleranzen. Zudem ist die Anschlußverbindung in Metallausführung ge staltet, so daß der Leichtbauvorteil des Faserkunststoffrohres teilweise wieder zunichte gemacht wird. Das Rohr und die Anschlußverbindung können auch nicht in einem einzigen Fertigungsschritt erstellt werden, sondern es ist ein separater Montagevorgang erforderlich.For example, requires the establishment of the connection for Fiber plastic pipes according to DE-A 30 07 896 compliance extremely tight Tolerances. In addition, the connection is made of metal stalten, so that the lightweight advantage of the fiber plastic tube partially is nullified again. The pipe and the connection can also not be created in a single production step, but it a separate assembly process is required.

Mit der Erfindung soll eine Hohlwelle ohne Metallteile geschaffen werden, bei der die Anschlußmittel für die Krafteinleitung im Zuge der Wellen fertigung entstehen.The invention aims to create a hollow shaft without metal parts, in which the connection means for the introduction of force in the course of the waves manufacturing arise.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die Maßnahmen nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.To solve this task, the measures according to the indicator of Claim 1 proposed.

Bei der erfindungsgemäßen Hohlwelle werden Verbindungselemente, beispiels weise Kreuzgelenke oder Gelenkscheiben, mittels Verschraubung an der Welle befestigt. Hierzu sind endseitig auf dem Wellenteil mehrere vorgefertigte Rohre umfänglich gleichmäßig verteilt. Die Rohre bestehen vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff und enthalten jeweils einen Spreizdübel.In the hollow shaft according to the invention, connecting elements, for example wise universal joints or joint washers, by means of screwing on the shaft attached. For this purpose, there are several prefabricated ends on the shaft part Pipes evenly distributed over the circumference. The tubes are preferably made of fiber-reinforced plastic and each contain an expansion anchor.

Bei der Fertigung der Hohlwelle werden zunächst Faserlagen entsprechend ca. 2/3 der Wanddicke des Wellenteils auf einen Dorn gewickelt und die Rohre auf dem noch nicht ausgehärteten Material exakt plaziert. Mit dem weiteren Wickelvorgang werden die Rohre dann überwickelt und damit befestigt. When manufacturing the hollow shaft, fiber layers are first made accordingly about 2/3 of the wall thickness of the shaft part is wound on a mandrel and the Pipes placed exactly on the not yet hardened material. With the further winding process, the tubes are then overwrapped and thus attached.

Nach dem Aushärten des Wellenteils und dem Abziehen vom Wickeldorn werden in die Rohre Spreizdübel eingesetzt, in die Schrauben zum Befestigen von Verbindungselementen (Kreuzgelenke, Flansche u. ä.) eingeschraubt werden können. Die Rohre sind so ausgelegt, daß sie den hohen Innendruck, der beim Einbringen der Schrauben vom Spreizdübel erzeugt wird, aufnehmen können. Die Kraftübertragung von der Hohlwelle auf die Verbindungselemente erfolgt primär über Reibschluß und nicht über eine Scherbeanspruchung der Schrauben. Hierzu müssen die Schrauben mit einem hohen Drehmoment angezogen werden.After the shaft part has hardened and removed from the mandrel inserted in the pipes expansion dowels, in the screws for fastening Connection elements (universal joints, flanges, etc.) are screwed in can. The tubes are designed to withstand the high internal pressure generated by the expansion plug when inserting the screws can. Power transmission from the hollow shaft to the connecting elements takes place primarily by friction and not by shear stress Screws. To do this, the screws must have a high torque be attracted.

Weiterhin läßt sich die Befestigung der Rohre auf dem Wellenteil ver bessern, wenn sie in einem Stützkörper, insbesondere in einem Stützkörper aus faserverstärktem Kunststoff eingebettet werden, da hierdurch das Hohlliegen der Rohre zwischen den gewickelten Faserlagen ausgeschlossen ist. Nach günstiger wirkt es sich aus, wenn um die Rohre Rovingschlaufen gelegt werden, die mit den Faserlagen verkleben.Furthermore, the attachment of the tubes on the shaft part can be ver improve when in a support body, especially in a support body be embedded from fiber-reinforced plastic, as this Hollow tubes are excluded between the wound fiber layers is. It is more beneficial if roving loops are around the pipes be placed that glue to the fiber layers.

Die erfindungsgemäße Hohlwelle ist einfach aufgebaut und in einem Arbeits schritt kostengünstig zu fertigen. Wuchtprobleme treten praktisch nicht auf. Durch die besondere Ausgestaltung und Anordnung der Anschlußmittel lassen sich auch Zug- und Druckkräfte übertragen.The hollow shaft according to the invention is simple and in one work manufacturing step by step. Balancing problems practically do not occur on. Due to the special design and arrangement of the connection means tensile and compressive forces can also be transmitted.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing explained.

Die Hohlwelle gemäß den Fig. 1 und 2 besteht aus einem rohrförmigen Wellenteil (1) aus faserverstärktem Kunststoff, welches nach an sich bekannten Verfahren hergestellt ist, indem mit durch Strahlung oder Temperaturerhöhung härtbaren Kunststoffen oder mit thermoplastischen Kunststoffen getränktes Fasermaterial auf einen Dorn aufgewickelt wird.The hollow shaft according exists FIGS. 1 and 2 consists of a tubular shaft portion (1) of fiber reinforced plastic which is prepared by methods known per se by impregnated fiber material is wound on a mandrel having curable by radiation or temperature increase plastics or thermoplastics.

Als durch Strahlung oder Temperaturerhöhung härtbare Kunststoffe können alle Kunstharze verwendet werden, die durch freie Radikale vernetzt werden können, wie z. B. ungesättigte Polyesterharze, Vinylesterharze, modifizierte Epoxyharze, modifizierte Polyurethanharze oder Mischungen dieser Harze. Außerdem können mit Erfolg auch Gemische dieser Harze mit damit mischpolymerisierbaren ungesättigten Monomeren verwendet werden.As plastics curable by radiation or temperature increase all synthetic resins are used that are crosslinked by free radicals can, such as B. unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, modified epoxy resins, modified polyurethane resins or mixtures these resins. Mixtures of these resins can also be used successfully so that copolymerizable unsaturated monomers can be used.

Geeignete thermoplastische Kunststoffe sind beispielsweise Polyether und Polythioether, z. B. Polyphenylenether, Polysulfon, Polyethersulfon, Poly etherimid, Polyetherketon sowie Mischungen dieser Thermoplaste. Suitable thermoplastics are, for example, polyethers and Polythioethers, e.g. B. polyphenylene ether, polysulfone, polyether sulfone, poly etherimide, polyether ketone and mixtures of these thermoplastics.

Als Fasermaterialien kommen strang- oder bandförmige Gebilde aus natürlichen und synthetischen organischen Fasern, wie z. B. Aramid, Poly amid-, Polyesterfasern und dergleichen sowie aus anorganischen Fasern, z. B. Glasfasern, Kohlenstoffasern usw. in Betracht. Unter diesen sind Glasfasern und Kohlenstoffasern besonders bevorzugt. Glasfasern sind mit üblichen Schlichten behandelt, die z. B. einen Haftvermittler auf Silan- oder Chrombasis enthalten.Strand or ribbon-shaped structures are used as fiber materials natural and synthetic organic fibers such. B. aramid, poly amide, polyester fibers and the like and from inorganic fibers, e.g. B. glass fibers, carbon fibers, etc. into consideration. Among these are Glass fibers and carbon fibers are particularly preferred. Glass fibers are included treated usual sizes, z. B. an adhesion promoter Silane or chrome base included.

Das Fasermaterial ist mehr oder weniger stark zur Achse des rohrförmigen Wellenteils geneigt orientiert. Im allgemeinen beträgt der Wickelwinkel etwa ±12° bis etwa ±45°. Bei diesen Wickelwinkeln ergeben sich genügend hohe Torsionsfestigkeiten und genügend hohe Längsbiegesteifigkeiten.The fiber material is more or less strong to the axis of the tubular Part of the shaft inclined. Generally the wrap angle is about ± 12 ° to about ± 45 °. With these winding angles there are enough high torsional strength and sufficiently high longitudinal bending stiffness.

Es werden zunächst Faserlagen entsprechend ca. 2/3 der Wanddicke des Wellenteils (1) auf einen Dorn gewickelt und dann die Anschlußmittel an wenigstens einem Ende des Wellenteils angebracht. Diese bestehen aus Rohren (2) und werden in umfänglich gleichmäßiger Verteilung in das noch nicht ausgehärtete Wickelaminat eingedrückt. Das dargestellte Ausführungs beispiel enthält drei Rohre, die jeweils in einem Stützkörper (4) einge bettet sind. Um eine gute Haftung zwischen Rohr und Stützkörper bzw. den anschließend aufgewickelten Faserlagen (3) zu gewährleisten wird die Ober fläche der Rohre aufgerauht, z. B. durch Entfernen eines Abreißgewebes, oder es können Schlaufen (9) um die Rohre gewickelt werden (Fig. 3a + 3b). Für eine kraft- und formschlüssige Verbindung ist die Rohroberfläche derart gewickelt, daß ein schraubenförmiges Profil entsteht. Auf diese Weise wird Verdrehung und axiale Verschiebung gesichert. Vor dem Aufwickeln der Faserlagen (3) wird neben jedem Rohr ein Stützkörper (4) ausgebildet und damit die Entstehung von Hohlräumen zwischen den Faserlagen vermieden. Nach dem Aushärten und Abziehen der Hohlwelle vom Wickeldorn und ggf. der Durchführung von Trennschnitten an den Wellenenden werden in die Rohre (2) Spreizdübel (5) eingesetzt.First, fiber layers corresponding to approximately 2/3 of the wall thickness of the shaft part ( 1 ) are wound on a mandrel and then the connection means are attached to at least one end of the shaft part. These consist of tubes ( 2 ) and are pressed into the not yet hardened winding laminate in a uniformly distributed manner. The illustrated embodiment example contains three tubes, each of which is embedded in a support body ( 4 ). To ensure good adhesion between the tube and support body or the subsequently wound fiber layers ( 3 ), the upper surface of the tubes is roughened, for. B. by removing a tear-off fabric, or loops ( 9 ) can be wrapped around the tubes ( Fig. 3a + 3b). For a positive and positive connection, the pipe surface is wound in such a way that a helical profile is created. In this way, torsion and axial displacement are ensured. Before the fiber layers ( 3 ) are wound up, a support body ( 4 ) is formed next to each tube and thus the formation of voids between the fiber layers is avoided. After the hollow shaft has hardened and removed from the mandrel and, if necessary, separating cuts have been made at the shaft ends, expansion anchors ( 5 ) are inserted into the pipes ( 2 ).

Die Hohlwelle wird in einen Antriebsstrang montiert, indem sie an den anschließenden Flansch (6) angeschraubt wird. Die Zentrierung erfolgt über Paßschrauben (7), einen Bund (8) an den Spreizdübeln (5) oder über eine Innenzentrierung in dem Wellenteil (1).The hollow shaft is installed in a drive train by screwing it onto the adjoining flange ( 6 ). The centering takes place via fitting screws ( 7 ), a collar ( 8 ) on the expansion dowels ( 5 ) or via an inner centering in the shaft part ( 1 ).

Claims

1. Hollow shaft made of fiber-reinforced plastic with a tubular shaft part constructed from wound fiber layers and prefabricated connection means permanently fixed to the ends of the shaft part, characterized in that the connection means each consist of an expansion plug ( 5 ) containing tubes ( 2 ) and are uniform in the circumference Distribution at the ends of the shaft part ( 1 ) by means of wound fiber layers ( 3 ) are attached.

2. Hollow shaft according to claim 1, characterized in that the tubes ( 2 ) consist of fiber-reinforced plastic.

3. Hollow shaft according to claim 1, characterized in that the tubes ( 2 ) are embedded in a support body ( 4 ) made of fiber-reinforced plastic.