EP1494254B1

EP1494254B1 - Kraftübertragungselement, Verfahren zu dessen Herstellung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: EP1494254B1
Application number: EP03405489A
Authority: EP
Inventors: Guido Meier; Leopold Ritzer; Stéphane Page; Sanel Pidro; Markus Keller; Olaf Hunger; Marc Mollenkopf
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB RESEARCH Ltd
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2023-07-02
Also published as: CN100358071C; DE50303036D1; EP1494254A1; US7514635B2; RU2004120075A; RU2339112C2; ATE323943T1; JP2005024095A; CN1577681A; US20050000722A1; JP4549756B2

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Welle gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 oder 2. Diese Welle ist axialsymmetrisch ausgebildet und enthält zwei auf unterschiedliche elektrische Potentiale führbare Anschlussstücke aus elektrisch leitendem Material sowie ein auf Torsion belastbares Rohr aus einem elektrisch isolierenden Material auf der Basis eines faserverstärkten Polymers. Die beiden Anschlussstücke sind jeweils an einem beider Enden des Isolierrohrs befestigt. Von einem Antrieb in eines beider Anschlussstücke eingeleitete Kraft wird über das Isolierrohr auf das zweite Anschlussstück übertragen und von dort an eine Betätigungsvorrichtung geführt. Wegen des zwischen den beiden Anschlussstücken angeordneten Isolierrohrs können beide Anschlussstücke auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen gehalten werden, so dass eine solche Welle vor allem in hochspannungsführenden elektrischen Apparaten, insbesondere Schaltern, als Drehwelle verwendet werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Welle sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

Mit dem Oberbegriff nirnmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Wellen Bezug, wie er etwa in DE 101 18 473 A beschrieben ist. Die beschriebene Welle überträgt eine Drehbewegung zwischen zwei auf unterschiedlich elektrischen Potential befindlichen Maschinenteilen. Um Funkenschlag zu vermeiden, trägt die Welle eine als Isolierscheibe ausgebildete Verbreiterung.
In DE 36 41 632 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Druck- oder Zugstange beschrieben. Diese Stange weist mehrere Lagen Kunststofffasern auf, die in einer gehärteten Kunststoffmasse fixiert sind. Die Fasern sind formschlüssig gehalten in ringförmig um die Stangenachse geführten Ausnehmungen, welche in konische Aussenflächen zweier Armaturen der Stange eingeformt sind. Zur Verbesserung des Formschlusses ist ein die Faserlagen überdeckender Ring vorgesehen. Dieser Ring verstärkt den Formschluss zwischen den in den Ausnehmungen gelagerten Faserlagen und den Armaturen. Es können so besonders hohe Druck- oder Zugkräfte übertragen werden.
Ein als Schubstange verwendetes Kraftübertragungselement ist in DE 33 22 132 A1 beschrieben ist. Dieses Kraftübertragungselement weist eine elektrisch isolierende, faserarmierte Kunststoffstange auf. In mindestens einem beider Enden der Kunststoffstange eingeformt sind Verjüngungen, in welche Vorsprünge eines als Hülse ausgeführten Endabschnitts einer stählernen Anschlussarmatur hineinragen. Die Vorsprünge werden nach dem Aufstecken der Hülse auf das Ende der Stange durch Einrollen der Hülse erzeugt. Hierdurch wird bei einer Schubbewegung Formschluss zwischen der Kunststoffstange und der Anschlussarmatur erreicht. Ferner wird durch Klebstoff, welcher in einem zwischen Hülse und Stangenende gebildeten Spalt vorgesehen ist, Spiel zwischen Stange und Armatur aufgehoben und so der Kraftschluss verbessert.
Ein Kraftübertragungselement, bei dem zwei metallene Anschlusssarmaturen durch ein Isolierrohr auf der Basis von LCP-Material voneinander beabstandet sind, ist beschrieben in EP 899 764 A1. Kraftschluss zwischen den Armaturen und dem Isolierrohr wird durch Presssitz und/oder durch Verklebung erreicht.
Ferner ist es aus dem Lehrbuch "Feinmechanische Bauelemente" von S.Hildebrand, VEB Verlag Technik, Berlin, 4. Auflage (1980), insbesondere S.167 ff., bekannt, dass Einbettungen wohldefinierte starre, unlösbare und formschlüssige Verbindungen sind von festen meist metallischen Teilen mit Teilen, die aus plastisch verformbaren (giessbaren, pressbaren) und oft nachträglich aushärtenden Werkstoffen bestehen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 bis 17 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Welle der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sich durch ein gutes Übertragungsverhalten vor allem auch beim Auftreten grosser Drehmomente auszeichnet, und ein Verfahren, mit dem eine solche Welle in besonders schonender Weise hergestellt werden kann, anzugeben wie auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein gutes Übertragungsverhalten der Welle durch eine Klebverbindung erreicht, welche gebildet ist von einem in ein Ende des Isolierrohrs eingeformten Konus, der von der Mantelfläche auf die Innenfläche des Isolierrohrs geführt ist sowie von einem in eines der beiden Anschlussstücke eingeformten Gegenkonus und von einem von Konus und Gegenkonus gebildeten und mit Klebstoff gefüllten Spalt. Dadurch, dass der Klebspalt sich von der Innenfläche des Isolierrohrs auf dessen Mantelfläche erstreckt, wird beim Drehen Kraft von der Klebverbindung unmittelbar in alle im Rohrquerschnitt vorhandenen Fasern eingeleitet. Dadurch werden starke Scherkräfte vermieden, welche bei Wellen nach dem Stand der Technik auftreten, bei denen ein Klebspalt lediglich zwischen Armatur und Mantelfläche vorgesehen ist.
Ist bei der ersten Ausführungsform der Erfindung die Faserverstärkung des Isolierrohrs durch Wickeln lageweise abgelegter Fasern gebildet, so sollte der Konus die Lagen unter einem Winkel von ca. 10 bis 30°, bezogen auf die Achse des Isolierrohrs, schneiden. Es hat sich gezeigt, dass dann die Klebeschicht die zu übertragende Kraft besonders gleichmässig in praktisch alle Faserlagen einleitet, wodurch insbesondere die Übertragung grosser Drehmomente in besonders wirkungsvoller Weise begünstigt wird.
Da bei der Ausführung der Befestigungsmittel als Klebverbindung ein von der Innenfläche des Isolierrohrs und den Anschlussstücken begrenzter Hohlraum in der Welle vorhanden ist, empfiehlt es sich, unerwünscht hohen Druck im Hohlraum durch einen von aussen in den Hohlraum geführten Druckausgleichskanal abzubauen.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein gutes Übertragungsverhalten der Welle durch eine Einbettung erreicht, welche als einzubettendes Teil einen in Richtung der Achse des Isolierrohrs erstreckten Abschnitt eines der beiden Anschlussstücke aufweist und als Einbettkörper den Endabschnitt des in einem Giessverfahren gefertigten Isolierrohrs. Durch die Einbettung werden Formschluss und Spielfreiheit zwischen dem eingebetteten Anschlussstück und dem Isolierrohr erzielt und können so grosse Drehmomente unabhängig von einer Klebverbindung übertragen werden. Da diese Welle giesstechnisch hergestellt wird, entfallen ein spanabhebendes Bearbeiten des Isolierrohres sowie ein Einkleben der Anschlussstücke und es kann durch sehr präzise Kontrolle des Giessverfahrens eine gute Qualität des Isolierrohrs und damit auch der Welle, vor allem hinsichtlich ihrer dielektrischen und mechanischen Eigenschaften, erreicht werden.
Um einen zur Lösung einer speziellen Übertragungsaufgabe besonders günstigen Formschluss zu erreichen, wird bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung der eingebettete Abschnitt des Anschlussstücks als Formschlussetement ausgeführt. Weist das Formschlusselement in Umfangsrichtung um die Achse des Isolierrohrs ein von einem Kreis abweichendes Profil auf, ist es beispielsweise nach Art eines Polygons ausgebildet, so wird ein besonders gutes Übertragungsverhalten beim Auftreten grosser Drehmomente erreicht, wie dies beispielsweise von einer Antriebswelle für ein Kontaktsystem eines Hochstromgerätes gefordert wird.
Zweckmässigerweise weist bei der zweiten Ausführungsform der Welle nach der Erfindung mindestens eines der Anschlussstücke einen in Richtung der Achse des Isolierrohrs geführten Längskanal auf. Ein bei der Fertigung des Isolierrohrs zur Stützung der Innenwand verwendeter elastischer Formkörper kann nach dem Fertigungsprozess durch diesen Kanal entfernt werden.
Ist die Faserverstärkung des Isolierrohrs durch Wickeln lageweise abgelegter Fasern gebildet ist, so empfiehlt es sich, zusätzlich radial durch die Faserlagen geführte Verstärkungsfasern vorzusehen. Mit einem Anteil an vorwiegend radial geführten Verstärkungsfasem von ca. 0,5 bis 5 %, vorzugsweise 1 bis 3 %, der Faserverstärkung wird so eine besonders hohe Torsionsfestigkeit des Isolierrohrs und damit auch der Welle erreicht.
Ein Verfahren, mit dem die zweite Ausführungsform der Erfindung besonders einfach hergestellt werden kann, ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

(1) aus den Anschlussstücken und einem rohrförmigen Faserkörper wird ein der zu fertigen Welle hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen weitgehend entsprechender Vorläuferkörper gebildet,
(2) der Faserkörper und ein Abschnitt des Vorläuferkörpers, welcher vom Faserkörper umhüllte Teile der beiden Anschlussstücke umfasst, wird in eine Giessform gebracht,
(3) der Faserkörper wird in der Giessform mit flüssigem Polymer getränkt, und
(4) der polymergetränkte Faserkörper wird unter Bildung des die Anschlussstücke festsetzenden Isolierrohrs gehärtet.

Bei diesem Verfahren entfallen eine vom Fertigungsverfahren der Welle abgekoppelte Herstellung des Isolierrohrs, eine spanabhebendes Bearbeiten des Isolierrohres wie auch das Einkleben der Anschlussstücke. Da der Fertigungsprozess des Isolierstoffrohrs unmittelbar Teil des Fertigungsprozesses der Welle ist, können die Fertigungsparameter sehr präzise kontrolliert werden, wodurch eine gute Qualität der Welle, insbesondere hinsichtlich ihrer dielektrischen und mechanischen Eigenschaften, erreicht wird.
In diesem Verfahren, werden vor dem Einbringen in eine Giessform die Innenfläche und die Mantelfläche des rohrförmigen Faserkörpers mit elastischen, gas- und flüssigkeitsdichten Formkörpern abgestützt. Bei der Durchführung des Verfahrens kann dann der Formgebungsprozess des Isolierrohrs kontrolliert beeinflusst werden. Zugleich können nach dem Härten die Formkörper nach elastischer Verformung zerstörungsfrei entfernt werden.
Es ist vorteilhaft, den die Mantelfläche abstützenden elastischen Formkörper vor dem Aufbringen auf den Faserkörper in radialer Richtung zu dehnen. Diese Massnahme erleichtert das Aufbringen des Formkörpers auf den Faserkörper und ermöglicht es sogar, den Faserkörper mit einer die Formgebung des Isolierrohrs und damit auch der Welle günstig beeinflussenden Vorspannung zu beaufschlagen.
Formgebung und vor allem Qualität des Isolierrohrs und damit auch der Welle lassen sich in besonders günstiger Weise beeinflussen, wenn die Formkörper beim Aushärten mit Druck beaufschlagt werden. Je nach Höhe des Drucks werden hierbei nicht zu vermeidende Gasbläschen im flüssigen Polymer, im Faserkörper oder an den einzubettenden Abschnitten der Anschlussstücke durch Kompression weitgehend unterdrückt und so die dielektrischen Eigenschaften der Welle ganz wesentlich verbessert.
Um mit einfachen Mitteln eine mechanisch besonders stabile Welle zu erreichen, sollte der Faserkörper durch Wickeln mehrerer Faserlagen auf einen Wickelkern gefertigt werden und sollte der Wickelkern von den Anschlussstücken und dem die Innenfläche des Faserkörpers stützenden elastischen Formkörper gebildet sein.
Werden bei der Fertigung des Faserkörpers durch die Faserlagen zusätzlich vorwiegend radial ausgerichtete Verstärkungsfasern geführt, so wird die Torsionsfestigkeit der Welle mit vergleichsweise einfachen Mitteln erheblich verbessert.
Um den die Innenfläche des Faserkörpers abstützenden elastischen Formkörper wiederverwenden zu können, empfiehlt es sich, eines der beiden Anschlusstücke hohl auszubilden. Der Formkörper kann dann nach dem Härten des im allgemeinen duromeren oder thermoplastischen Polymers elastisch verformt und durch den Hohlraum zerstörungsfrei nach aussen entfernt werden. Ein Eindringen von flüssigem Polymer in den Hohlraum beim Tränken des Faserkörpers wird vermieden, wenn der die Innenfläche des Faserkörpers abstützende elastische Formkörper vor dem Tränken mit Druckgas beaufschlagt wird.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens weist eine Giessform mit mindestens fünf Öffnungen auf, von denen eine erste und eine zweite der Durchführung der beiden Anschlussstücke dienen, eine dritte der Zufuhr des flüssigen Polymers dient, eine vierte der Entlüftung der Giessform und eine fünfte der Zufuhr von Druckgas, welches Druckgas beim Härten des flüssigen Polymers formgebend auf den getränkten Faserkörper einwirkt.
Vorzugsweise enthält die Vorrichtung auch ein Wickelwerkzeug mit einem Wickelkern, welcher von den beiden Anschlussstücken und einem zwischen den beiden Anschlussstücken angeordneten elastischen Formkörper gebildet ist und der Aufnahme des Faserkörpers dient. Die Vorrichtung weist ferner mit Vorteil auch ein Aufschrumpfwerkzeug auf mit einer hohlzylinderförmig ausgeführten Vakuumkammer, deren zwei Stirnseiten jeweils eine Öffnung zur Durchführung des mit dem Faserkörper bewickelten Wickelkerns enthalten sowie eine im Inneren der Kammer angeordnete, radial verlaufende und die Öffnung umfassende Dichtfläche, auf welcher der ringförmige Rand eines hohlzylinderförmig ausgeführten, elastischen Formkörpers vakuumdicht abgestützt ist.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig.1: eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Welle nach der Erfindung, bei der ein Isolierrohr axial geschnitten dargestellt ist,
Fig.2: eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Welle nach der Erfindung, bei der ein Isolierrohr ebenfalls geschnitten dargestellt ist,
Fig.3: eine Aufsicht in Pfeilrichtung auf einen längs III - III geführten Schnitt durch die (vergrössert dargestellte) Welle nach Fig.2,
Fig.4: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung der Welle nach Fig.2,
Fig.5: eine Aufsicht auf einen axial und parallel zur Zeichnungsebene geführten Schnitt durch eine Giessform der Vorrichtung nach Fig.4, und
Fig.6: eine vergrösserte Darstellung eines Teils der Giessform nach Fig.5.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleichwirkende Teile. Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen einer Welle 1 nach der Erfindung enthalten jeweils zwei auf unterschiedliche elektrische Potentiale führbare Anschlussstücke 2, 3 aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise aus Aluminium, sowie ein auf Torsion belastbares Rohr 4 aus einem elektrisch isolierenden Material auf der Basis eines faserverstärkten Polymers mit guten mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften. Als Verstärkungsfasem kommen vor allem Kunststofffasern, etwa auf der Basis Aramid oder Polyester, aber auch anorganische Fasern, etwa Glasfasern, in Betracht. Aus fertigungstechnischen Gründen und aus Gründen einer guten mechanischen Festigkeit bei der Übertragung von Drehmomenten ist es günstig, Fasern zu verwenden, die in Gelegen angeordnet sind, in denen die Fasern unter einem Winkel von ca. 30° bis 60°, typischerweise ca. 45,° zur Achse der Welle angeordnet sind. Anstelle von Gelegen können als Faserverstärkung grundsätzlich aber auch Gewebe oder Matten verwendet werden oder können die Fasern mit Hilfe eines Wickelverfahrens strangweise abgelegt sein. Als Polymer kommen vor allem Harze auf der Basis Epoxy oder Polyester in Betracht. Zur Verbesserung der Haftung des polymeren Harzes ist es gegebenenfalls vorteilhaft, die von Fasern umgebenen Abschnitte der Anschlussstücke 2, 3 mit einem Primer zu beschichten. Die beiden Anschlussstücke 2, 3 sind an je einem beider Enden des Isolierrohrs 4 befestigt. Eine solche Welle 1 kann beispielsweise mit dem Anschlussstück 2 auf Erdpotential gehalten und mit dem Anschlussstücke 3 an Hochspannungspotential geführt werden. Von einem auf Erdpotential angeordneten, nicht dargestellten Antrieb kann dann Kraft über die Welle 1 an ein anzutreibendes Element, beispielsweise eine Kontaktanordnung eines Hochspannungsschaltgerätes, übertragen werden. Durch geeignete Befestigung der Anschlussstücke 2, 3 an den Endes des Isolierrohrs 4 kann selbst bei kleinen Abmessungen der Welle 1 ein grosses Drehmoment übertragen und damit eine hohe Beschleunigung des anzutreibenden Elements erreicht werden.
Bei der Ausführungsform der Welle nach Fig.1 wird die Befestigung erreicht durch zwei Klebverbindungen 5, welche jeweils gebildet sind von einem in ein Ende des Isolierrohrs eingeformten Konus 6, der von der Mantelfläche 7 auf die Innenfläche 8 des Isolierrohrs 4 geführt ist sowie von einem in das Anschlussstück 2 bzw. 3 eingeformten Gegenkonus 9 und von einem von Konus 6 und Gegenkonus 9 gebildeten und mit Klebstoff gefüllten Spalt 10. Die Klebverbindungen 5 erstrecken sich von der der Innenfläche 8 des Isolierrohrs 4 auf dessen Mantelfläche 7. Dadurch wird Kraft von der Klebverbindung 5 unmittelbar in alle im Rohrquerschnitt vorhandenen Fasern der Faserverstärkung eingeleitet. Es werden so Scherkräfte zwischen den einzelnen Fasern minimiert, welche bei Wellen nach dem Stand der Technik auftreten, bei denen eine Klebverbindung lediglich zwischen Mantelfläche 7 und Anschlussstück 2 bzw. 3 vorhanden ist. Da die Kraft über alle Faserlagen des Rohrquerschnitts eingeleitet wird, kann die Welle nicht nur grosse Drehmomente, sondern auch grosse Zugkräfte aufnehmen. Es ist daher nicht nur als Welle, sondern auch als Zugstange geeignet. Bei der Verwendung als Zugstange empfiehlt es sich jedoch, zur Erhöhung der Zugfestigkeit die Fasern vorwiegend in Zugrichtung anzuordnen.
Ist entsprechend der Darstellung in Fig.1 die Faserverstärkung des Isolierrohrs 4 durch Wickeln lageweise abgelegter Fasern 11 gebildet, so sollte der Konus 6 die Faserlagen 11 unter einem Winkel von ca. 10 bis 30°, bezogen auf die Achse des Isolierrohrs, schneiden. Es hat sich gezeigt, dass bei Belastung der Welle 1 mit Drehmoment die Klebverbindung 5 dann die zu übertragende Kraft in praktisch alle Faserlagen 11 gleichzeitig und gleichmässig einleitet. Diese Weiterbildung der Welle 1 kann daher besonders grosse Drehmomente übertragen.
Die gemäss Fig.1 ausgeführte Welle 1 kann wie nachfolgend angegeben gefertigt werden:

Ablängen eines Vorläuferkörpers des Isolierrohrs 4 aus einem durch Nasswickeln vorgefertigten Isolierrohr grosser Länge,
Einformen der Konusse 6 in den Vorläuferkörper durch Drehen und/oder Schleifen,
Einformen der Gegenkonusse 9 in die beiden Anschlussstücke 2 und 3,
Vorbehandeln der Konusse 6 und der Gegenkonusse 9 mit einem geeigneten Klebstoff, etwa auf der Basis Epoxy,
Zusammenfügen von Isolierrohr 4 und Anschlussstücken 2, 3 unter Bildung der schmalen Klebstoffspalte 10, und
Aushärten des Klebstoffs unter Bildung der Welle 1.

Alternativ kann das Isolierrohr 4 aber auch durch Pultrusion gefertigt werden oder durch irgendein anderes Verfahren, welches zur Herstellung von faserverstärkten Polymerrohren geeignet ist.
Bei der Fertigung der Welle 1 bildet sich ein von der Innenfläche 8 des Isolierrohrs 4 und den Anschlussstücken 2, 3 begrenzter Hohlraum 71. Dieser Hohlraum ist praktisch gasdicht. Um zu verhindern, dass sich beim Verkleben während des Fertigungsvorgangs oder später infolge erhöhter Temperaturen beim Betrieb der Welle 1 unerwünschter Druck im Hohlraum aufbaut, mündet der Hohlraum 71 in einen nach aussen geführten Druckausgleichskanal 72. Dieser Kanal verbindet den Hohlraum 71 mit dem die Welle 1 umgebenden Aussenraum und baut so einen möglicherweise im Hohlraum entstehenden Überdruck ab. Aus Gründen eines günstigen elektrischen Verhaltens der Welle ist dieser Kanal mit Vorteil in dielektrisch schwach belasteten Bereichen der Welle vorgesehen und ist - wie Fig.1 entnommen werden kann - mit Vorteil radial durch die Wand des Isolierrohrs 4 geführt und in der Mitte zwischen den beiden Anschlussstücke 2, 3 angeordnet und/oder axial durch eines der Anschlussstücke 2, 3 geführt. Typischerweise ist der Druckausgleichskanal als Bohrung mit einem Durchmesser von einigen mm Durchmesser, beispielsweise 2 bis 4 mm, ausgeführt.
Bei der Ausführungsform der Welle nach Fig.2 wird die Befestigung erreicht durch zwei Einbettungen 12, welche als einzubettendes Teil 13 jeweils einen in Richtung der Achse des Isolierrohrs 4 erstreckten Abschnitt des Anschlussstücks 2, 3 aufweisen und als Einbettkörper 14 einen Endabschnitt des Isolierrohrs 4. Die Einbettungen 12 werden in einem Giessverfahren gebildet, in dem ein vorgefertigter, die Anschlussstücke 2, 3 und einen Faserkörper enthaltender Vorläuferkörper der Welle 1 mit Polymer umgossen wird.
Durch die Einbettung werden Formschluss und Spielfreiheit zwischen dem eingebetteten Anschlussstück 2 bzw. 3 und dem Isolierrohr 4 erzielt und können so grosse Zugkräfte und Drehmomente unabhängig von einer Klebverbindung übertragen werden. Da diese Welle giesstechnisch hergestellt wird, entfallen Nachbearbeiten des Isolierrohres und Einkleben der Anschlussstücke. Durch präzise Kontrolle des Giessverfahrens lassen sich zudem eine gute Qualität des Isolierrohrs 4 und damit auch der Welle 1 erreichen, insbesondere in Hinblick auf ein vorteilhaftes dielektrisches Verhalten und gute mechanische Eigenschaften.
Fig.3 zeigt, dass der eingebettete Abschnitt 13 des Anschlussstücks 2 als Formschlusselement ausgeführt ist und in Umfangsrichtung um die Achse des Isolierrohrs 4 ein von einem Kreis abweichendes, Profil 15, beispielsweise nach Art eines Polygons, aufweist. Es wird so Formschluss zwischen dem Isolierrohr 4 und dem Anschlussstück 2 erreicht. Entsprechend kann Formschluss auch zwischen dem Isolierrohr 4 und dem Anschlussstück 3 erreicht werden. Anstelle eines Polygons kann das Profil auch Ellipsenstruktur oder andere rotationsabhängige Struktur aufweisen. Es wird so ein besonders gutes Übertragungsverhalten beim Auftreten grosser Drehmomente erreicht, wie dies beispielsweise von einer Antriebswelle für ein Kontaktsystem eines Hochstromgeräts gefordert wird. In das Profil können gegebenenfalls auch in Umfangsrichtung erstreckte Vertiefungen oder Aufweitungen eingeformt sein. Hierdurch wird zusätzlich Formschluss bei Zugbelastung erreicht.
Aus den Figuren 2 und 3 kann entnommen werden, dass das Anschlussstück 2 einen in Richtung der Achse des Isolierrohrs 4 geführten Längskanal 16 enthält. Ein bei der Fertigung des Isolierrohrs 4 im Giessprozess zur Stützung der Innenwand des Faserkörpers verwendeter, in den Figuren 5 und 6 dargestellter elastischer Formkörper 22 aus einem elastomeren Material, wie Silikon, kann nach der Fertigung der Welle 1 durch diesen Kanal entfernt werden. Der Formkörper 22 weist eine an das Profil 15 angepasste Mantelfläche auf und ist mit Vorteil hohl ausgebildet. Er kann dann nämlich von innen mit Druck beaufschlagt werden und sich infolge seiner elastischen Ausbildung radial nach aussen erweitern.
Aus Fig.2 ist ersichtlich, dass die Faserverstärkung des Isolierrohrs 4 durch Wickeln lageweise abgelegter Fasern 11 gebildet ist. In Fig.2 symbolisch angedeutet sind auch vorwiegend radial durch die Faserlagen 11 geführte Verstärkungsfasem 17. Mit einem Anteil von ca. 0,5 bis 5 %, vorzugsweise 1 bis 3 %, bewirken diese Fasern eine besonders hohe Torsionsfestigkeit des Isolierrohrs 4 und damit auch der Welle 1.
Die Welle 1 gemäss den Figuren 2 und 3 kann mit der aus Fig. 4 ersichtlichen Vorrichtung gefertigt werden. Diese Vorrichtung enthält ein Wickelwerkzeug 20 mit einem drehbar gelagerten Wickelkern 21. Der Wickelkern 21 ist von den beiden Anschlussstücken 2, 3 und dem zwischen den beiden Anschlussstücken angeordneten elastischen Formkörper 22 gebildet und dient der Aufnahme eines Faserkörpers 23. Der Faserkörper 23 ist durch Wickeln eines vorgespannten Kunstfasergeleges 24, vorzugsweise auf der Basis Aramid mit einem Flächengewicht von einigen Hundert Gramm pro m², beispielsweise 300 g/m², entstanden. Der Faserkörper 23 weist daher die in Fig.2 dargestellten Faserlagen 11 auf. Zusätzlich kann der Faserkörper 23 durch die in Fig.2 dargestellten, radial geführten Fasern 17 verstärkt sein. Im Wickelwerkzeug 20 wird nun ein der zu fertigenden Welle 1 hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen weitgehend entsprechender Vorläuferkörper 31 gebildet. Dieser Vorläuferkörper umfasst die in Fg.2 dargestellten und in das Isolierrohr 4 einzubettenden Abschnitte 13 der Anschlussstücke 2, 3.
Der Vorläuferkörper 31 wird in ein Aufschrumpfwerkzeug 30 gebracht. Das Aufschrumpfwerkzeug weist eine hohlzylinderförmig ausgeführte Vakuumkammer 32 auf, deren zwei Stirnseiten jeweils eine Öffnung 33 bzw. und 34 zum Einbringen des Vorläuferkörpers 31 enthalten. Im Inneren der Kammer 32 ist ein den Faserkörper 23 mit Abstand umgebender, elastischer Formkörper 35 vorgesehen, der wie der Formkörper 22 aus einem elastomeren Material, vorzugsweise Silikon, besteht. Der Formkörper 35 ist hohlzylindrisch ausgebildet und weist wie der Formkörper 22 in Umfangsrichtung polygonales Profil auf. Seine beiden Enden werden jeweils von als Dichtungskörper wirkenden ringförmigen Rändern 36 und 37 gebildet. Diese Ränder sind vakuumfest abgestützt auf radial verlaufenden und die Öffnungen 33, 34 umfassenden Dichtungsflächen 38, 39. Vor dem Einbringen des Vorläuferkörpers 31 wird an die Vakuumkammer 32 Unterdruck gelegt und so der Formkörper 35 unter Bildung von Vorspannung radial nach aussen geführt (Darstellung gemäss Fig.4). Im vergrösserten. Durchmesser des Formkörpers 35 findet nun der Vorläuferkörper beim Einbringen in das Aufschrumpfwerkzeug ausreichend Platz. Durch Füllen der Vakuumkammer mit Luft wird der Formkörper 35 nach innen verschoben (Richtungspfeile gemäss Fig. 4) und mit einer vorbestimmten Vorspannung auf den Faserkörper 23 des Vorläuferkörpers 31 aufgeschrumpft.
Der Vortäuferkörper 31 und die seinen Faserkörper 23 stützenden elastischen Formkörper 22 und 35 werden in eine zweiteilige vakuum- und druckfeste Giessform 40 mit einer Unterform 41 und einer Oberform 42 gebracht. Diese Giessform ist in den Figuren 5 und 6 in Schnitt dargestellt. Nach dem Entfernen der Oberform 42 wird der von den Formkörpern 22, 35 und zwei Ringen 43, 44 gestützte Vorläuferkörper 31 in die Unterform 42 gebracht. Die beiden Ringe 43, 44 sind aus Metall, vorzugsweise einem harzresistenten Stahl, und stützen die beiden Ränder 36, 37 des Formkörpers 35 weitgehend vakuum- und flüssigkeitsdicht ab. Nach dem Einbringen des Vorläuferkörpers 31 in die Unterform 41 wird die Oberform 42 aufgebracht und mit Hilfe von Befestigungsmitteln gegen die Unterform 41 gepresst. Dichtungsringe 45 und 46 dichten dann das Innere der Giessform 40 weitgehend vakuum-, druck- und flüssigkeitsdicht nach aussen ab. Durch Öffnungen 47 und 48 der Giessform 40 sind die Anschlussstücke 2, 3 nach aussen geführt. Eine weitere Öffnung ins Forminnere stellt der Längskanal 16 dar, durch den ein offenes und mit einer Druckgasquelle verbindbares Ende des ballonartig ausgeführten Formkörpers 22 geführt ist. Durch eine Öffnung 49 kann flüssiges Polymer, beispielsweise Epoxidharz, ins Forminnere geführt werden. Eine weitere Öffnung 50 dient dem Entlüften des Forminneren und ist mit einer Vakuumanlage verbindbar.
Zur Fertigung der Welle wird zunächst das Forminnere über die Öffnung 50 evakuiert und wird Druckgas über den Längskanal 16 in den Formkörper 22 eingelassen. Durch den sich hierbei dehnenden Formkörper 22 wird der Längskanal 16 nach aussen abgedichtet. Wie aus Fig.6 ersichtlich ist, wird sodann flüssiges Polymer 51 über die Öffnung 49 zugeführt. Das Harz strömt durch einen nicht bezeichneten, zwischen Stützring 43 und Anschlussstück 2 befindlichen Ringspalt in den Faserkörper 23 und tränkt diesen vollständig. Durch den unter Druck stehenden, gedehnten und den Kanal 16 abdichtenden Formkörper 22 wird vermieden, dass Harz durch den Längskanal 16 austreten kann. Die Zufuhr von Polymer 51 wird beendet, sobald der Faserkörper 23 vollständig getränkt ist. Die Öffnungen 49 und 50 werden verschlossen. Der unter Druck stehende elastische Formkörper 22 und der durch die Unter- und Oberform 41, 42 gestützte Formkörper 35 wirken nun formgebend auf den polymergetränkten Faserkörper 23 ein. Gegebenenfalls noch im flüssigen Polymer befindliche Gasbläschen werden zugleich auf dielektrisch unwirksame Grössen komprimiert. Unter Druck stehend wird sodann das Polymer bei erhöhten Temperaturen gehärtet. Hierbei bilden sich das aus Fig. 2 ersichtliche Isolierrohr 4 mit den beiden Einbettungen 12 bzw. die Welle 1. Nach dem Härten des Polymers kann der Formkörper 22 druckentlastet und infolge seiner elastischen Verformbarkeit zerstörungsfrei durch den Längskanal 16 aus dem Inneren der Giessform 40 bzw. der Welle 1 entfernt werden. Die Welle 1 kann nach dem Entfernen der Oberform 42 der Unterform 41 entnommen werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Welle
2, 3: Anschlussstücke
4: Isolierrohr
5: Klebverbindung
6: Konus
7: Mantelfläche
8: Innenfläche
9: Gegenkonus
10: Klebspalt
11: Faserlagen
12: Einbettung
13: einzubettendes Teil
14: Endabschnitt
15: Profil
16: Längskanal
17: Verstärkungsfasem
20: Wickelwerkzeug
21: Wickelkern
22: Formkörper
23: Faserkörper
24: Kunstfasergelege
30: Aufschrumpfwerkzeug
31: Vorläuferkörper
32: Vakuumkammer
33, 34: Öffnungen
35,: Formkörper
36, 37: Ränder
38,39: Dichtflächen
40: Giessform
41: Unterform
42: Oberform
43, 44: Stützringe
45, 46: Dichtungsringe
47, 48, 49, 50: Öffnungen
71: Hohlraum
72: Druckausgleichskanal

Claims

Welle (1) mit zwei auf unterschiedliche elektrische Potentiale führbare Anschlussstücke (2, 3) aus elektrisch leitendem Material sowie ein auf Torsion belastbares Isolierrohr (4) aus einem elektrisch isolierenden Material auf der Basis eines faserverstärkten Polymers, bei der die beiden Anschlussstücke (2, 3) jeweils an einem beider Enden des Isolierrohrs (4) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Befestigen mindestens eines beider Anschlussstücke (2, 3) am Isolierrohr (4) folgende Mittel vorgesehen sind:
eine Klebverbindung (5), welche gebildet ist von einem in ein Ende des Isolierrohrs (4) eingeformten Konus (6), der von der Mantelfläche (7) auf die Innenfläche (8) des Isolierrohrs (4) geführt ist sowie von einem in das mindestens eine Anschlussstück (2, 3) eingeformten Gegenkonus (9) und von einem von Konus (6) und Gegenkonus (9) gebildeten und mit Klebstoff gefüllten Spalt (10).
Welle (1) mit zwei auf unterschiedliche elektrische Potentiale führbare Anschlussstücke (2, 3) aus elektrisch leitendem Material sowie ein auf Torsion belastbares Isolierrohr (4) aus einem elektrisch isolierenden Material auf der Basis eines faserverstärkten Polymers, bei der die beiden Anschlussstücke (2, 3) jeweils an einem beider Enden des Isolierrohrs (4) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Befestigen mindestens eines beider Anschlussstücke (2, 3) am Isolierrohr (4) folgende Mittel vorgesehen sind: eine Einbettung (12), welche als einzubettendes Teil (13) einen in Richtung der Achse des Isolierrohrs (4) erstreckten Abschnitts des mindestens einen Anschlussstücks (2, 3) und als Einbettkörper (14) den Endabschnitt des in einem Giessverfahren gefertigten Isolierrohrs (4) aufweist und wobei das eingebettete Teil (13) des mindestens einen Anschlussstückes (2, 3) als ein Formschlusselement ausgeführt ist und das Formschlusselement ein von einem Kreis abweichendes Profil (15) aufweist.
Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung des Isolierrohrs (4) durch Wickeln lageweise abgelegter Fasern (11) gebildet ist, und dass der Konus (6) die Lagen (11) unter einem Winkel von ca. 10 bis 30°, bezogen auf die Achse des Isolierrohrs (4), schneidet.
Welle nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, ein von der Innenfläche (8) des Isolierrohrs (4) und den Anschlussstücken (2, 3) begrenzter Hohlraum (71) mit einem aus der Welle (1) geführten Druckausgleichskanal (72) verbunden ist.
Welle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Anschlussstücke (2, 3) einen in Richtung der Achse des Isolierrohrs (4) geführten Längskanal (16) aufweist.
Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung des Isolierrohrs (4) durch Wickeln lageweise abgelegter Fasern (11) gebildet ist sowie durch vorwiegend radial durch die Faserlagen (11) geführte Verstärkungsfasem (17).
Welle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an vorwiegend radial geführten Verstärkungsfasern (17) ca. 0,5 bis 5 %, vorzugsweise 1 bis 3 %, der Faserverstärkung ausmacht.
Verfahren zur Herstellung einer Welle gemäss Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
aus den Anschlussstücken (2, 3) und einem rohrförmigen Faserkörper (23) wird ein der zu fertigen Welle (1) hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen weitgehend entsprechender Vorläuferkörper (31) gebildet,

vor dem Einbringen in die Giessform (40) werden die Innenfläche und die Mantelfläche des rohrförmigen Faserkörpers (23) mit elastischen, gas- und flüssigkeitsdichten Formkörpern (22, 35) abgestützt, der Faserkörper (23) und ein Abschnitt des Vorläuferkörpers (31), welcher vom Faserkörper (23) umhüllte Teile der beiden Anschlussstücke (2, 3) umfasst, wird in eine Giessform (40) gebracht,

der Faserkörper wird in der Giessform (40) mit flüssigem Polymer (51) getränkt, und

der polymergetränkte Faserkörper (23) wird unter Bildung des die Anschlussstücke (2, 3) festsetzenden Isolierrohrs (4) gehärtet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der die äussere Mantelfläche abstützende elastische Formkörper (35) vor dem Aufbringen auf den Faserkörper (23) in radialer Richtung gedehnt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (22, 35) beim Aushärten mit einem die Form des Isolierrohrs (4) bestimmenden Druck beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserkörper (23) durch Wickeln mehrerer Faserlagen (11) gefertigt wird, welche Faserlagen (11) auf einem Wickelkern (21) abgelegt werden, der von den Anschlussstücken (2, 3) und dem die Innenfläche des Faserkörpers (23) stützenden elastischen Formkörper (22) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fertigung des Faserkörpers (23) durch die Faserlagen (11) zusätzlich vorwiegend radial ausgerichtete Verstärkungsfasern (17) geführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der die Innenfläche des Faserkörper (23) abstützende elastische Formkörper (22) nach dem Aushärten durch ein hohl ausgebildetes der beiden Anschlusstücke (2) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der die Innenfläche des Faserkörpers (23) abstützende elastische Formkörper (22) vor dem Tränken des Faserkörpers (23) mit Druckgas beaufschlagt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Giessform (40) mindestens fünf Öffnungen (16, 47, 48, 49, 50) aufweist, von denen eine erste und eine zweite (47, 48) der Durchführung der beiden Anschlussstücke (2, 3) dienen, eine dritte (49) der Zufuhr des flüssigen Polymers (51) dient, eine vierte (50) der Entlüftung der Giessform (40) und eine fünfte (16) der Zufuhr von Druckgas, welches Druckgas beim Härten des flüssigen Polymers (51) formgebend auf den getränkten Faserkörper (23) einwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Wickelwerkzeug (20) aufweist mit einem Wickelkern (21), welcher von den beiden Anschlussstücken (2, 3) und einem zwischen den beiden Anschlussstücken (2, 3) angeordneten elastischen Formkörper (22) gebildet ist und der Aufnahme des Faserkörpers (23) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Aufschrumpfwerkzeug (30) aufweist mit einer hohlzylinderförmig ausgeführten Vakuumkammer (32), deren zwei Stirnseiten jeweils eine Öffnung (33, 34) zur Durchführung des mit dem Faserkörper (23) bewickelten Wickelkerns (21) enthalten, sowie eine im Inneren der Kammer (32) angeordnete, radial verlaufende und die Öffnung (33, 34) umfassende Dichtfläche (38, 39), auf welcher ein ringförmiger Rand (36, 37) eines hohlzylinderförmig ausgeführten, elastischen Formkörpers (35) vakuumdicht abgestützt ist.