DE69304689T2

DE69304689T2 - Verbinden von thermoplastischen und wärmehärtenden verbundstrukturen mit metallischen strukturen

Info

Publication number: DE69304689T2
Application number: DE69304689T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Davis; Allen Mcintyre
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1992-04-24
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2013-04-24
Also published as: EP0637280A1; EP0637280B1; DE69304689D1; CA2131386A1; JPH07505839A; WO1993022127A1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Verbinden von Bauteilen aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff und Bauteilen aus einem wärmehärtbaren Verbundwerkstoff mit metallischen Bauteilen und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Verbundwerkstoff- Metall-Verbindung, welche Axial- und Torsionsiasten zwischen dem metallischen Bauteil und dem Bauteil aus Verbundwerkstoff übertragen wird.

Allgemeiner Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht

Thermoplastische und wärmehärtbare Verbundwerkstoffe haben eine weit verbreitete Anwendung als Bauelemente gefunden. Derartige Verbundwerkstoffe ergeben leichtgewichtige Bauteile mit verhältnismäßig hohen Festigkeitseigenschaften. Hinzu kommt, daß thermoplastische Verbundwerkstoffe die Eigenschaft aufweisen, daß sie erneut formbar sind, weil sie wiederholt auf die Schmelztemperatur des Werkstoffes erwärmt werden können. Im Bereich der Flugzeugindustrie kann die Anwendung von thermoplastischen und wärmehärtbaren Verbundwerkstoffen zu einer bedeutenden Gewichtseinsparung und zu einer Erleichterung von Austausch und Reparatur führen.
Während die Anwendungen von Bauelementen, die aus thermoplastischen und wärmehärtbaren Verbundwerkstoffen hergestellt sind, expansiv sind, erfordern manche Anwendungen auch noch metallische Bauelemente. Eine derartige Anwendung besteht in der verzahnten Verbindung einer Rotorwelle mit einem Gasturbinentriebwerk eines Hubschraubers. Die verzahnte Verbindung paßt in eine komplementär geformte Ausnehmung und übertragt Rotationskrafte von dem Gasturbinentriebwerk auf die Welle. Metallische verzahnte Verbinder werden aufgrund der Tatsache bevorzugt, daß Schwierigkeiten bei der Ausbildung eines verzahnten Wellenverbinders aus Verbundwerkstoff auftreten, der eine ausreichende Festigkeit aufweist, um den Triebwerksbelastungen standzuhalten. Bei solchen Anwendungen könnte jedoch die Welle selbst aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff oder aus einem wärmehärtbaren Verbundwerkstoff hergestellt sein, der ein mit ihm befestigtes, metallisches Anschlußteil aufweist. Das metallische Anschlußteil würde die Welle mit dem Triebwerk verbinden.
Eine Schwierigkeit beim Zusammenpassen von Wellen aus thermoplastischem oder aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff mit metallischen Anschlußteilen liegt in der Befestigung zwischen dem Anschlußteil und der Welle. Diese Befestigung ist erforderlich, um Betriebslasten - sowohl Torsions- als auch Axiallasten - zwischen den zwei Elementen zu übertragen. Thermoplastische und wärmehärtbare Verbundwerkstoffe verschmelzen nicht mit metallischen Werkstoffen mit ausreichender Festigkeit, um Betriebslasten zu widerstehen. Hinzu kommt, daß ausgehärtete wärmehärtbare Verbundwerkstoffe nicht wieder erwärmt werden können, um die Verbindung zwischen dem Anschlußteil und der Welle umzukehren. Standard-Klebstoffe ergeben nicht eine Verbindung von ausreichender Festigkeit, um den Torsions- und Axiallasten zu widerstehen, die von dem Anschlußteil auf die Welle übertragen werden.
Eine Lösung gemäß dem Stand der Technik besteht darin, das metallische Anschlußteil mit der Welle aus Verbundwerkstoff mechanisch zu verbinden. Eine Verbindung dieser Art kann Stifte und/oder Flansche verwenden, die miteinander verschraubt werden können. Die verstifteten Verbindungen und/oder die geflanschten Bereiche tragen zu der Kompliziertheit und der Schwierigkeit bei der Herstellung des Bauteils aus Verbundwerkstoff bei. Hinzu kommt, daß die mechanischen Verbinder das Gewicht und die Größe von Welle und Anschlußteil im Verhältnis zu einer einfachen Verbindung zwischen Welle und Anschlußteil vergrößern.
Ungeachtet des obigen Standes der Technik haben Forscher und Ingenieure unter der Leitung des Eigentümers der vorliegenden Erfindung daran gearbeitet, Verfahren zu entwickeln, um metallische Werkstoffe und thermoplastische und wärmehärtbare Verbundwerkstoffe in einer solchen Art zu verbinden, welche die Übertragung von Axial- und Torsionslasten durch die Verbindung erlauben wird.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhalten Verfahren zum Verbinden eines metallischen Bauteils mit einem Bauteil aus einem thermoplastischen oder einem wärmehärtbaren Verbundwerkstoff die Schritte des Rändelns der Gegenfläche des metallischen Bauteils und des Formens eines thermoplastischen Verbundwerkstoffes auf die gerändelte Gegenfläche, um eine Verbindungsfläche zu erzeugen. Für Bauteile aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff weist das Verbindungsverfahren ferner die Schritte des Auflegens von Leminaten aus thermoplastischem Verbundwerkstoff auf die Verbindungsfläche und des Verschmelzens der Verbindungsfläche mit den Laminaten auf.
Für Bauteile aus einem wärmehärtbaren Verbundwerkstoff beinhaltet das Verbindungsverfahren ferner Schritte, um das Bauteil aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff mit einer thermoplastischen Verbindungsfläche auszubilden. Die Herstellung des Bauteils aus dem wärmehärtbaren Verbundwerkstoff beinhaltet die Schritte des teilweisen Einbettens einer Schicht aus Trockenfaserverstärkung in eine Schicht aus thermoplastischem Werkstoff, des Beschichtens der freiliegenden Trockenfaser mit einem wärmehärtbaren Harz und des gemeinsamen Härtens der imprägnierten, freiliegenden Trockenfaser des thermoplastischen Materials mit dem Bauteil aus dem wärmehärtbaren Verbundwerkstoff, wobei der thermoplastische Werkstoff die Verbindungsfläche für das Bauteil aus wärmehärtbarern Verbundwerkstoff bildet. Die Verbindungsflächen des metallischen Bauteils und des Bauteils aus wärmehärtbarern Verbundwerkstoff werden durch Anwendung von Wärme und Druck, um ein Schmelzen und Zusammenkommen des die Verbindungsflächen des Bauteils aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff und des metallischen Bauteils bildenden thermoplastischen Materials zu verursachen, vereinigt.
Ein prinzipielles Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der gerändelten Gegenfläche des metallischen Bauteils Ein weiteres Merkmal besteht in der Schicht aus thermoplastischem Werkstoff, welche auf die geiündelte Fläche geformt ist, um eine Verbindungsfläche zu bilden. Ein spezielles Merkmal einer Ausführungsform des thermoplastischen Verbindungsverfahrens besteht in dem umlaufend vertieften Bereich der gerändelten Fläche. Ein anderes Merkmal dieser Ausführungsform besteht in der Umhüllung hoher Zugfestigkeit. Ein spezielles Merkmal des wärmehärtbaren Verbindungsverfahrens besteht in dem harzimprägnierten, freiliegenden Bereich der teilweise eingebetteten Trockenfaserverstärkungsschicht, die sowohl auf das Bauteil aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff als auch auf den thermoplastischen Werkstoff geschmolzen ist. Ein anderes Merkmal des wärmehärtbaren Verbindungsverfahrens besteht in der Anwendung eines Widerstandserhitzungselements, das zwischen den Verbindungsflächen des Bauteils aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff und des metallischen Bauteils angeordnet ist.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die vorangehenden und weiteren Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung von beispielgebenden Ausführungsformen noch offensichtlicher, wie in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A stellt eine perspektivische Ansicht einer Antriebsanordnung dar, die ein metallisches Anschlußteil aufweist, das eine mit diesem verbundene Welle aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff aufweist.
Fig. 1A ist eine perspektivische Teil-Schnittansicht einer Antriebsanordnung mit einem metallischen Anschlußteil, das eine mit diesem verbundene Welle aus einem wärmehärtbaren Verbundwerkstoff aufweist.
Fig. 2A ist eine perspektivische Ansicht des metallischen Anschlußteils gemäß Fig. 1A, wobei dessen geründelte Gegenfläche veranschaulicht ist.
Fig. 3A ist eine gemäß der Lime 3A-3A nach Fig. 1A genommene Schnittansicht zur Veranschaulichung des metallischen Anschlußteils mit einer Verbindungsfläche, die durch Formen einer Schicht aus thermoplastischem Werkstoff auf die gerändelte Gegenfläche gebildet ist.
Fig. 3B ist eine gemäß der Linie 3B-3B nach Fig. 1B genommene Schnittansicht zur Veranschaulichung des metallischen Anschlußteils mit einer Verbindungsfläche, die durch Formen einer Schicht aus thermoplastischem Werkstoff auf die gerändelte Gegenfläche gebildet ist.
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht des metallischen Anschlußteils gemäß Fig. 2B mit einer Schicht aus thermoplastischem Werkstoff, welche auf die gerändelte Gegenfläche des Anschlußteils geformt ist.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht des vorbereiteten metallischen Anschlußteils gemäß Fig. 2A mit einem an diesem angebrachten Dorn.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht des metallischen Anschlußteils gemäß Fig. 5 im Anschluß an das Auflegen von Laminaten aus thermoplastischem Verbundwerkstoff auf die Verbindungsfläche des Anschlußteils und den Dorn.
Fig. 7 ist eine Teil-Schnittansicht eines Bauteils aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff zur Veranschaulichung einer Verbindungsfläche, welche aus therrnoplastischem Werkstoff und einer Trockenfaserverstärkung gebildet ist.
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines thermoplastischen Konus mit einer teilweise hierin eingebetteten Schicht aus Trockenfaserverstärkung.
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht eines Widerstandserhitzungselements.
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht des vorbereiteten metallischen Anschlußteils gemäß Fig. 4, wobei das Widerstandserhitzungselement gemäß Fig. 9 auf der Verbindungsfläche des Anschlußteils angeordnet ist.
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht einer Antriebsanordnung mit einem metallischen Anschlußteil, welches mit einer Welle aus thermoplastischem Verbundwerkstoff verbunden ist, wobei die Antriebsanordnung eine Umhüllung hoher Zugfestigkeit aufweist, welche die Welle aus thermoplastischem Verbundwerkstoff an der Gegenfläche befestigt.
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht des metallischen Anschlußteils gemäß Fig. 11, welches eine gerändelte Gegenfläche aufweist, die einen umlaufend vertieften Bereich aufweist.
Fig. 13 ist eine gemäß der Linie 13-13 nach Fig. 11 genommene Schnittansicht zur Veranschaulichung des metallischen Anschlußteils, wobei eine Schicht aus thermoplastischem Material auf die Gegenfläche und die Umhüllung hoher Zugfestigkeit geformt ist.

Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf Verfahren zum Verbinden von Bauteilen aus thermoplastischen und wärmehärtbaren Verbundwerkstoffen mit metallischen Bauteilen oder Anschlußteilen gerichtet. Fig. 1A, 1B veranschaulichen eine Antriebsanordnung 12, bei welcher ein metallisches Anschlußteil 14 mit einer hohlen, aus Verbundwerkstoff bestehenden Welle 16 verbunden ist. Das metallische Anschlußteil 14 weist einen verzahnten Bereich 18 und eine Gegenfläche 22 auf, wie in Fig. 2A, 2B veranschaulicht. Der verzahnte Bereich 18 ist in der Weise ausgestaltet, daß er mit einem (nicht gezeigten) Kraftübertragungselement in Eingriff gelangt, beispielsweise einem Gasturbinentriebwerk. Während des Betriebes wird das Gasturbinentriebwerk Rotationslasten auf den verzahnten Bereich 18 des Anschlußteils 14 übertragen. Die Rotationslasten werden sodann auf die Welle 16 aus Verbundwerkstoff durch den Eingriff in Form einer Verbindung zwischen der Gegenfläche 22 des Anschlußteils 14 und der Welle 16 aus Verbundwerkstoff übertragen, wie in weiteren Einzelheiten im nachfolgenden beschrieben. Zusätzlich können Lasten in Längsrichtung ebenfalls zwischen der Welle 16 und dem Anschlußteil 14 übertragen werden. Die Verbindung zwischen dem metallischen Anschlußteil 14 und der Welle 16 aus Verbundwerkstoff muß von ausreichender Festigkeit sein, um sowohl die Rotationslasten als auch die Lasten in Längsrichtung zu übertragen.
Die einleitenden Schritte des Verbindungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung beinhalten die Vorbereitung des metallischen Bauteils, z.B. des metallischen Anschlußteils 14. Die Gegenfläche 22 des metallischen Anschlußteils 14 wird mittels herkömmlicher Methoden gerändelt, wie in Fig. 2A, 2B durch die Bezugsziffer 24 bezeichnet ist, um das metallische Anschlußtell 14 für die Verbindung vorzubereiten. Die Rändelungen 24 können unregelmäßig, spiralförmig oder eine Kombination aus axialen und umlaufend gerichteten Rändelungen sein. Das genaue Muster und die Tiefe d (vgl. Fig. 3A, 3B) der Rändelungen 24 hängen von den Kräften ab, die zwischen dem metallischen Anschlußteil 14 und der Welle 16 aus Verbundwerkstoff zu übertragen smd, und von dem Bereich der Gegenfläche 22. Im allgemeinen kann, je größer der Bereich der Gegenfläche 22 ist, desto kleiner die Tiefe d der Rändelungen 24 sein.
Ein unregelmäßiges Muster der Rändelung ist im allgemeinen für typische Betriebslasten akzeptabel. Obwohl eine unregelmäßig orientierte Rändelung erörtert wird, kann eine orientierte Konfiguration von Rändelungen verwendet werden, um die Lastübertragung bei speziellen Anwendungen zu optimieren.
Als nächstes wird eine Schicht aus thermoplastischem Material 26 auf die gerändelte Gegenfläche 22/24 geformt, wie in Fig. 4 veranschaulicht (vgl. ebenfalls Fig. 3A, 3B), wobei die freiliegende Fläche der thermoplastischen Materialschicht 26 eine Verbindungsfläche 28 auf der gerändelten Gegenfläche 22/24 des metallischen Anschlußteils 14 bildet. Das verwendete thermoplastische Material kann ein mittels Kurzfaser verstärktes, thermoplastisches Material oder ein unverstärktes thermoplastisches Material sein. Verstärktes thermoplastisches Material kann bei Hochlast-Anwendungen erforderlich sein. Während des Formungsschrittes dringt das thermoplastische Material 26 in die Rändelungen 24 der Gegenfläche 22 und um die Rändelungen 24 herum ein. Die Schicht aus thermoplastischem Material 26 sollte von ausreichender Dicke t sein (vgl. Fig. 3A, 3B), um in die Rändelungen 24 der Gegenfläche 22 einzudringen und die Rändelungen 24 vollständig zu bedecken. Dies gewahrleistet, daß eine mechanische Verriegelung zwischen der Schicht des thermoplastischen Materials 26 und der geründelten Gegenfläche 22/24 vorhanden ist.
Um ein Bauteil aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff, wie die Welle 16 aus thermoplastischem Verbundwerkstoff gemäß Fig. 1A, mit dem metallischen Anschlußteil 14 unter Verwendung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zu verbinden, wird ein Dorn 32 mit dem vorbereiteten metallischen Anschlußteil 14 zusammengefügt, wie in Fig. 5 gezeigt. Der Dorn 32 weist eine tragende Fläche 34 für das Auflegen von Laminaten aus thermoplastischem Verbundwerkstoff auf. Obwohl in Fig. 5 ein Dorn gezeigt ist, kann eine andere Einrichtung zum Tragen der Laminate während des Auflegens verwendet werden. Bei einigen Anwendungen, etwa beim Verbinden eines festen (nicht hohlen) Bauteils aus thermoplastischem Verbundwerkstoff mit einem metallischen Bauteil, kann eine Einrichtung zum Tragen der Laminatauflagen nicht notwendig sein.
Der nächste Schritt besteht darin, Laminate 36 aus thermoplastischem Verbundwerkstoff auf die Verbindungsfläche 28 des metallischen Anschlußteils 14 (vgl. Fig. 3A) und die tragende Fläche 34 des Domes 32 aufzulegen. Das Auflegen von Laminaten 36 wird wiederholt, bis die erwünschte Dicke des thermoplastischen Verbundwerkstoffs erreicht ist, wie in Fig. 6 gezeigt. Die erwünschte Dicke wird von der Anwendung und den speziellen Eigenschaften des verwendeten thermoplastischen Verbundwerkstoffes abhängen.
Der abschließende Schritt besteht darin, die Laminatauflagen 36 in einer Art, welche für den thermoplastischen Verbundwerkstoff geeignet ist, mit der an das metallische Anschlußteil 14 geformten, thermoplastischen Materialschicht 26 zu vereinigen. Wie wohl bekannt ist, steht die Vereinigung in typischer Weise in Zusammenhang mit der Anwendung von Wärme und Druck auf die Laminatauflagen 36, um die Welle 16 aus dem thermoplastischen Verbundwerkstoff zu bilden und um die Laminatauflagen 36 mit der thermoplastischen Materialschicht 26 zu verbinden. Nach der Vereinigung kann der Dorn 32 entfernt werden und die hohle Welle 16 aus thermoplastischem Verbundwerkstoff wird mit der thermoplastischen Schicht 26 des metallischen Anschlußteils 14 verbunden, um die Antriebsanordnung 12 zu bilden, die in Fig. 1A veranschaulicht ist.
Um ein Bauteil aus einem wärmehärtbaren Verbundwerkstoff, wie die Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff gemäß Fig. 1B, mit dem metallischen Anschlußteil 14 unter Verwendung eines anderen Verbindungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zu verbinden, muß die Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff zunächst mit einer geeigneten Verbindungsfläche versehen werden. Wie in Fig. 2B veranschaulicht, weist die Gegenfläche 22 des metallischen Anschlußteils 14 eine kegelstumpfförmige Gestalt auf. Eine Überprüfung der Fig. 1B ergibt, daß das Ende der Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff, welches mit dem metallischen Anschlußteil 14 zu verbinden ist, eine Gegenfläche aufweist, welche zu der Gestalt der Gegenfläche 22 komplementär ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 7 wird erläutert, daß die Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff eine Gegenfläche 40 aufweist, welche einen kurzen zylindrischen Bereich 42 und einen verhältnismäßig längeren, kegelstumpfförmigen Bereich 44 aufweist.
Der erste Schritt beim Herstellen der Verbindungsfläche für die Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff erfordert, daß eine Schicht aus einer Trockenfaserverstärkung 48 teilweise in einen thermoplastischen Konus 50 (vgl. Fig. 3B, 8) eingebettet wird. Der thermoplastische Konus 50 weist eine Ausgestaltung auf, welche zu der Gegenfläche 40 der Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff komplementär ist. Die Trockenfaserverstärkungsschicht 48 wird in die Außenseite des thermoplastischen Konus 50 in einer solchen Art eingebettet, daß ein eingebetteter Bereich und ein freiliegender Bereich erzeugt werden, wie beispielsweise in Fig. 8 veranschaulicht ist.
Die Herstellung des thermoplastischen Konus 50 mit der Trockenfaserverstärkungsschicht 48, welche teilweise in den thermoplastischen Konus 50 eingebettet ist, kann durch verschiedene Verfahren erreicht werden. Ein Verfahren involviert ein Weben von Mischsträngen aus thermoplastischem Material und Trockenfaserverstärkung mit Strängen aus Trockenfaserverstärkung. Die Mischstränge werden ihrerseits durch inniges Vereinigen von Strängen aus Trockenfaserverstärkung mit gesponnenen thermoplastischen Filamenten erzeugt. Stränge aus Trockenfaserverstärkung werden sodann zusammen mit den Mischsträngen gewebt, um ein gewebtes Material zu erzeugen, welches vorwiegend Trockenfaserverstärkung auf der einen Seite und Mischstränge auf der anderen Seite aufweist. Ein alternatives Verfahren besteht darin, Stränge aus Trockenfaserverstärkung mit gesponnenen thermo-plastischen Filamenten zu weben, um ein gewebtes Material zu erzeugen, welches vorwiegend Trockenfaserverstärkung auf der einen Seite und thermoplastische Filamente auf der anderen Seite aufweist.
Ein weiteres alternatives Verfahren zum Herstellen des thermoplastischen Konus 50 mit der Trockenfaserverstärkungsschicht 48, welche teilweise in den thermoplastischen Konus 50 eingebettet ist, ist das folgende. Zuerst werden eine Schicht aus halbkristallinem thermoplastischen Material und eine Schicht aus amorphem thermoplastischen Material innig miteinander verschmolzen. Das halbkristalline thermoplastische Material weist eine höhere Schmelztemperatur als das amorphe thermoplastische Material auf. Die Schicht aus amorphem thermoplastischen Material ist dünner als die Schicht aus Trockenfaserverstärkung. Als nächstes wird die Schicht aus Trockenfaserverstärkung auf die Schicht aus amorphem thermoplastischen Material gepreßt und die verschmolzenen Schichten aus thermoplastischem Material werden erwärmt, um das amorphe thermoplastische Material zu schmelzen, jedoch nicht das halbkristalline thermoplastische Material. Auf diesem Wege wird die Faserverstärkungsschicht in die amorphe thermoplastische Schicht eingebettet, wobei die Schicht aus halbkristallinem Material eine Schranke ergibt, um eine vollständige Einbettung der Schicht aus Trockenfaserverstärkung zu verhindern. Obwohl die drei oben beschriebenen Verfahren als mögliche Wege zum teilweisen Einbetten der Trockenfaserverstärkungsschicht 48 in den thermoplastischen Konus 50 empfohlen werden, so versteht es sich, daß verschiedene andere Verfahren ebenfalls verwendet werden können.
Der nächste Schritt bei der Vorbereitung der Verbindungsfläche besteht darin, den freiliegenden Bereich der Trockenfaserverstärkungsschicht 48 mit einem wärmehärtbaren Harz zu beschichten, welches mit der Welle 16 aus dem wärmehärtbaren Verbundwerkstoff kompatibel ist. Der beschichtete, freiliegende Bereich der Trockenfaserverstärkungsschicht 48 wird sodann mit der Gegenfläche 40 der Welle 16 aus dem ungehärteten wärmehärtbaren Verbundwerkstoff zusammengefügt. Im Anschluß an die Zusammenfügung werden die Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff und der thermoplastische Konus 50 mit der Trockenfaserverstärkungsschicht 48, die teilweise in den thermoplastischen Konus 50 eingebettet ist, zusammen gehärtet.
Als ein Ergebnis des Härtens wird der beschichtete, freiliegende Bereich der Trockenfaserverstärkungsschicht 48 mit der Welle 16 aus dem gehärteten wärmehärtbaren Verbundwerkstoff verbunden. Weil die Trockenfaserverstärkungsschicht 48 teilweise in den thermoplastischen Konus 50 eingebettet ist, bildet der Konus 50 ein einstückiges Teil der Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff nach dem gemeinsamen Härten, wie in Fig. 7 veranschaulicht (vgl. ebenfalls Fig. 3B). Die Innenfläche des thermoplastischen Konus 50 weist die Verbindungsfläche 52 der Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff auf, wie in Fig. 7 veranschaulicht.
Wenn einmal die Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff mit der Verbindungsfläche 52 versehen worden ist, wird ein Widerstandserhitzungselement 54, wie dies beispielsweise in Fig. 9 veranschaulicht ist, auf der Verbindungsfläche 28 des metallischen Anschlußteils 14 plaziert, wie in Fig. 10 veranschaulicht. Das Widerstandserhitzungselement 54 weist elektrische Zuleitungen 56 auf, die sich aus der Verbindungsschicht heraus erstrecken. Die elektrischen Zuleitungen 56 sind in der Weise ausgebildet, um mit einer (nicht gezeigten) elektrischen Energiequelle verbunden zu werden.
Die Verbindungsfläche 52 der Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff wird sodann mit dem metallischen Anschlußteil 14 in der Weise zusammengefügt, daß das Widerstandserhitzungselement 54 zwischen der thermoplastischen Verbindungsfläche 52 der Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff und der thermoplastischen Verbindungsfläche 28 des metallischen Anschlußteils 14 angeordnet ist. Ein elektrischer Strom von ausreichender Stärke, um das Widerstandserhitzungselement 54 bis oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Werkstoffes zu erwärmen, wird durch das Erhitzungselement 54 gleichzeitig mit der Anwendung von Druck auf den Verbindungsbereich geschickt.
Ein empfohlenes Verfahren zum Aufbringen von Druck auf Bauteile, wie diejenigen, die in Fig. 1B gezeigt sind, besteht in dem Aufbringen einer axialen Last auf die Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff und das metallische Anschlußteil 14. Die konische Gestalt der Verbindungsflächen 28, 52 wird eine Umfangskraftkomponente ergeben, welche ausreichend ist, um einen angemessenen Druck zur Vereinigung zu liefern. Es kann eine andere Einrichtung zum Aufbringen von Druck für Bauteile mit unterschiedlich gestalteten Verbindungsflächen verwendet werden.
Die durch das Widerstandserhitzungselement 54 erzeugte Wärme und der aufgebrachte Druck vereinigen den thermoplastischen Werkstoff, welcher die Verbindungsfläche 28 bzw. 52 aufweist, wodurch eine thermoplastische Verbindungsschicht zwischen dem metallischen Anschlußteil 14 und der Welle 16 aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff gebildet wird, um den Verbindungsprozeß gemäß der vorliegenden Erfindung zu vervollständigen. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die durch das Widerstandserhitzungselement erzeugte Wärme ausreichend sein sollte, um den thermoplastischen Werkstoff zu schmelzen, jedoch nicht ausreichend, um einen mechanischen Abbau der Welle aus dem gehärteten wärmehärtbaren Verbundwerkstoff zu verursachen.
Das Widerstandserhitzungselement kann wältrend der Anwendung an Ort und Stelle gelassen und darauffolgend dazu verwendet werden, um den Verbindungsprozeß umzukehren. Eine Umkehrung des Verbindungsprozesses wird es erfordern, daß ein elektrischer Strom durch das Widerstandserhitzungselement geschickt wird, um den thermoplastischen Werkstoff innerhalb der Verbindungsschicht aufzuschmelzen. Wenn emmal geschmolzen, kann das metallische Anschlußteil von der Welle aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff getrennt werden. Eine Umkehrung des Verbindungsprozesses erlaubt einen Austausch entweder des metallischen Anschlußteils oder der Welle aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff, falls erforderlich.
Das Widerstandserhitzungselement bildet eine Eimichtung zum Erwärmen der Verbindungsschicht, um die Vereinigung der Schichten aus thermoplastischem Werkstoff zu bewirken und um die Vereirügung umzukehren. Das Widerstandserhitzungselement kann aus einer Vielzahl von elektrisch leitenden Elementen ausgebildet werden, einschließlich gelochten und gereckten Folien, geätzten Folien, gestanzten Elementen und gewundenen Drahtserpentinen. Das gewählte Widerstandserhitzungselement sollte so funktionieren, daß die Verbindungsflächen in einer im wesentlichen gleichförmigen Art erwärmt werden. Ein gleichförmiges Erwärmen wird das Auftreten von heißen Stellen und/oder kalten Stellen wahrend des Verbindungsprozesses minimieren, welche die Qualität der Verbindung verschlechtern können. Obwohl ein eingebettetes Widerstandserhitzungselement gezeigt und als eine zweckmäßige Einrichtung empfohlen wird, um die Verbindungsflächen zu erwärmen, kann eine andere Erwärmungseinrichtung, z.B. eine Induktionserwärmung, verwendet werden.
Fig. 11 veranschaulicht eine Antriebsanordnung 12, bei welcher ein metallisches Anschlußtell 14 von einer alternativen Ausgestaltung mit einer Welle 16 aus Verbundwerkstoff unter Verwendung einer anderen Ausführung der Verbindungsmethode gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden ist. Das metallische Anschlußteil 14 ist in näheren Einzelheiten in Fig. 12 veranschaulicht und weist den verzahnten Bereich 18 und die Gegenfläche 22 mit Rändelungen 24 auf, die in dieser ausgebildet sind, wie oben erläutert. Hinzu kommt, daß die Gegenfläche 22 des Anschlußteils 14 gemäß Fig. 12 einen umlaufend vertieften Bereich 62 aufweist, welcher radial versetzt ist, um eine zusätzliche mechanische Verriegelung zwischen dem metallischen Anschlußteil 14 und der Welle 16 aus Verbundwerkstoff zu ergeben.
Das metallische Anschlußteil 14 mit dem umlaufend vertieften Bereich 62 kann mit der Welle 16 aus thermoplastischem Verbundwerkstoff unter Anwendung der oben beschriebenen Verbindungsmethode verbunden werden. Im Anschluß an den Vereinigungsschritt, welcher die Welle 16 aus thermoplastischem Verbundwerkstoff mit der Schicht aus thermoplastischem Material 26 verbindet, welche auf die gerändelte Gegenfläche 22/24 des metallischen Anschlußteils 14 geformt ist, wird eine Umhüllung 64 hoher Zugfestigkeit um die Welle 16 aus thermoplastischem Verbundwerkstoff in der Nähe des vertieften Bereiches 62 des metallischen Anschlußteils plaziert. Die Umhüllung 64 hoher Zugfestigkeit ist wirksam, um den thermoplastischen Verbundwerkstoff in dem vertieften Bereich 62 und nach unten in der gerändelten Gegenfläche 22/24 zu befestigen. Die Umhüllung hoher Zugfestigkeit kann aus einer Vielzahl von Materialien hoher Zugfestigkeit ausgebildet sein. Ein empfohlenes Material ist Glasfaser.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben worden ist, so versteht es sich für den Fachmann, daß bei der Erfindung zahlreiche Änderungen, Weglassungen und/oder Zusätze vorgenommen werden können, ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Ein Verfahren zum Verbinden eines eine Gegenfläche (22) aufweisenden metallischen Bauteils (14) mit einem Bauteil (16) aus einem Verbundwerkstoff,

gekennzeichnet durch die Schritte:

Rändeln der Gegenfläche (22) des metallischen Bauteils (14);

Formen einer Schicht aus thermoplastischem Material (26) auf die gerändelte Gegenfläche (22/24), um eine Verbindungsfläche (28) zu erzeugen; und

Vereinigen des Bauteils (16) aus Verbundwerkstoff mit der Verbindungsfläche (28) des metallischen Bauteils (14).

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Bauteil (14) aus Verbundwerkstoff ein Bauteil (14) aus einem thermoplastischen Verbundwerkstoff ist und daß der Schritt des Vereinigens die Schritte aufweist:

Ineingriffbringen eines Dornes (32), der eine Tragfläche (34) aufweist, mit dem metallischen Bauteil (14);

Auflegen von Laminaten (36), welche das Bauteil (16) aus thermoplastischem Verbundwerkstoff bilden, auf die Verbindungsfläche (28) des metallischen Bauteils (14) und die Tragfläche (34) des Domes (32); und

Anwenden von Wärme und Druck zum Verschmelzen der aufgelegten Laminate (36) mit der auf die gerändelte Gegenfläche (22/24) des metallischen Anschlußteils (14) geformten Schicht aus thermoplastischem Material (26), um das Bauteil (16) aus thermoplastischem Verbundwerkstoff zu bilden.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch

den Schritt des Umhüllens des vereinigten Bauteils (16) aus Verbundwerkstoff mit einer Umhüllung (64) hoher Zugfestigkeit, um das Bauteil (16) aus Verbundwerkstoff an dem metallischen Anschlußteil (14) zu befestigen.

4. Das Verfahren gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Bauteil (16) aus Verbundwerkstoff ein Bauteil (16) aus einem ungehärteten wärmehärtbaren Verbundwerkstoff ist und daß der Vereinigungsschritt die Schritte aufweist:

Teilweises Einbetten einer Schicht aus einer Trockenfaserverstärkung (48) in ein thermoplastisches Bauteil (50) mit einer zu der gerändelten Gegenfiäche (22/24) des metallischen Bauteils (14) komplementären Konfiguration, um einen eingebetteten Bereich und einen freiliegenden Bereich der Trockenfaserverstärkung (48) in dem thermoplastischen Bauteil (50) zu erzeugen;

Beschichten des freiliegenden Bereichs der Trockenfaserverstärkung (48) mit einem wärmehärtbaren Verbundharz;

Zusammenbringen des harzbeschichteten, freiliegenden Bereichs der Trockenfaserverstärkung (48) mit einer Gegenfläche (40) des Bauteils (16) aus ungehärtetem wärmehärtbaren Verbundwerkstoff;

Härten des Bauteils (16) aus ungehärtetem wärmehärtbaren Verbundwerkstoff und des damit zusammengebrachten, harzbeschichteten, freiliegenden Bereichs der Trockenfaserverstärkung (48), wobei das thermoplastische Bauteil (50) eine Verbindungsfläche (52) für das Bauteil (16/50) aus dem gehärteten wärmehärtbaren Verbundwerkstoff ergibt;

Zusammenbringen der Verbindungsfläche (52) des Bauteils (16/50) aus dem gehärteten wärmehärtbaren Verbundwerkstoff mit der Verbindungsfläche (28) des metallischen Bauteils (16); und

Anwenden von Wärme und Druck, um die zusammengebrachten Verbindungsflächen (28, 52) des metallischen Bauteils (14) und des Bauteils (16/50) aus dem gehärteten wärmehärtbaren Verbundwerkstoff zu verschmelzen.

5. Das Verfahren gemäß Anspruch 4, ferner dadurch gekennzeichnet,

daß der Schritt des Zusammenbringens den Schritt des Anordnens eines Widerstandserhitzungselements (54) zwischen die Verbindungsfläche (52) des Bauteils (16/50) aus dem gehärteten wärmehärtbaren Verbundwerkstoff und die Verbindungsfläche (28) des metallischen Bauteils (14) aufweist und der Schritt des Anwendens den Schritt des Leitens eines elektrischen Stromes durch das Widerstandserhitzungselement (54) aufweist, um Wärme zu erzeugen, um das thermoplastische Material (26, 50) zu schmelzen, welches die Verbindungsflächen (28, 52) des metallischen Bauteils (14) und des Bauteils (16/50) aus dem gehärteten wärmehärtbaren Verbundwerkstoff bildet, wobei die Verbindungsflächen (28, 52) miteinander verschmolzen werden.

6. Eine Antriebsanordnung (12) zum Übertragen von Kräften von einem Kraftübertragungselement zu einem angetriebenen Element, wobei die Antriebsanordnung (12) aufweist:

ein metallisches Anschlußteil (14) mit einer Einrichtung (18) zum meingriffbringen mit dem Kraftübertragungselement;

eine Welle (16) aus Verbundwerkstoff;

dadurch gekennzeichnet,

daß das metallische Anschlußtell (24) eine gerändelte Gegenfläche (22/24) aufweist;

die Welle (16) aus Verbundwerkstoff eine Verbindungsfläche aufweist; und

eine Schicht aus thermoplastischem Material (26) an die gerändelte Gegenfläche (22/24) des metallischen Anschlußtells (14) geformt ist, wobei die geformte Schicht aus thermoplastischem Material (26) eine Verbindungsfläche (28) für das metallische Anschlußteil (14) definiert;

wobei die Verbindungsfläche der Welle (16) aus Verbundwerkstoff mit der Verbindungsfläche (28) des metallischen Anschlußteils (14) durch Anwendung von Wärme und Druck vereinigt ist.

7. Die Antriebsanordnung (12) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die gerändelte Gegenfläche (22/24) des metallischen Anschlußteils (14) einen umlaufend vertieften Bereich (62) aufweist.

8. Die Antriebsanordnung (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Umhüllung (64) hoher Zugfestigkeit um die Welle (16) aus Verbundwerkstoff herum angeordnet ist, wobei die Umhüllung (64) auf dem umlaufend vertieften Bereich (62) des metallischen Anschlußteils (14) liegt, um die Welle (16) aus Verbundwerkstoff an der gerändelten Gegenfläche (22/24) des metallischen Anschlußteils (14) zu befestigen.

9. Die Antriebsanordnung (12) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Welle (16) aus Verbundwerkstoff eine Welle (16) aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff ist und die Verbindungsfläche (52) der Welle (16) aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff ein thermoplastisches Bauteil (50) aufweist, das eine zum Teil hierin eingebettete Schicht aus Trockenfaserverstärkung (48) aufweist, wobei ein freiliegender Bereich der Trockenfaserverstärkung (48) mit einem wärmehärtbaren Verbundharz beschichtet und gemeinsam mit der Welle (16) aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff in der Weise gehärtet ist, daß das thermoplastische Bauteil (50), das an die Welle (16) aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff gehärtet ist, deren Verbindungsfläche (52) definiert.

10. Die Antriebsanordnung (12) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch

ein Widerstandserhitzungselement (54), das zwischen der Verbindungsfläche (52) der Welle (16) aus wärmehärtbarem Verbundwerkstoff und der Verbindungsfläche (28) des metallischen Anschlußteils (14) angeordnet ist.