EP2707608A1 - Wellenanordnung und verfahren zur herstellung einer wellenanordnung sowie verbindungselement als vorprodukt - Google Patents

Wellenanordnung und verfahren zur herstellung einer wellenanordnung sowie verbindungselement als vorprodukt

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Publication number
EP2707608A1
EP2707608A1 EP12721501.0A EP12721501A EP2707608A1 EP 2707608 A1 EP2707608 A1 EP 2707608A1 EP 12721501 A EP12721501 A EP 12721501A EP 2707608 A1 EP2707608 A1 EP 2707608A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
connecting element
fiber bundles
retaining pins
shaft
retaining
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12721501.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Sohl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schafer MWN GmbH
Original Assignee
Schafer MWN GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schafer MWN GmbH filed Critical Schafer MWN GmbH
Publication of EP2707608A1 publication Critical patent/EP2707608A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C3/00—Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics
    • F16C3/02—Shafts; Axles
    • F16C3/026—Shafts made of fibre reinforced resin
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C3/00—Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics
    • F16C3/02—Shafts; Axles
    • F16C3/023—Shafts; Axles made of several parts, e.g. by welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D1/00—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
    • F16D1/02—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for connecting two abutting shafts or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/31—Wind motors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T403/00—Joints and connections
    • Y10T403/70—Interfitted members
    • Y10T403/7075—Interfitted members including discrete retainer

Definitions

  • the invention relates to a shaft assembly for transmitting torques and a method for producing such a shaft assembly and a connecting element as a precursor for the production of a shaft assembly.
  • a shaft assembly for transmitting torques and a method for producing such a shaft assembly and a connecting element as a precursor for the production of a shaft assembly.
  • Particularly preferred such a shaft assembly is used in wind turbines to connect a rotor hub with a generator.
  • the invention is based on the object to provide an aforementioned shaft assembly and a method for their preparation, can be achieved with the problems of the prior art and in particular very stable and durable in continuous use shaft assembly can be created, which can transmit high torques on the one hand and on the other hand, in particular for capturing torque peaks has a certain twistability or torsional ability.
  • connecting elements are provided at both ends of the shaft assembly. With these, a mechanical coupling or connection can be made to the outside, namely at a wind power tan would be on the one hand to the hub of the rotor and on the other hand to the generator.
  • the connecting elements are each overlapped by end regions of a central connecting shaft tube.
  • This shaft tube consists of a fiber composite material with a plurality of fiber bundles or the like with a resin. have been glued in a known manner.
  • the connecting elements in the region overlapped by the shaft tube have a multiplicity of projecting holding pins.
  • the fiber bundles are placed around these holding pins or between these holding pins or extend accordingly. This allows a very good mechanical coupling of the shaft tube made of fiber composite material to the connecting elements. A pure bond would not be sufficient due to the insufficient strength for the transmission of very high torque.
  • the connecting elements are tube-like, in particular relatively short compared to the total length of the shaft assembly.
  • At least one connecting element at its free end has a flange-like extension in the manner of a disc. This can then be coupled with a larger diameter than in the shaft assembly itself either to a hub or a generator. Alternatively, another even larger disc can be screwed or provided just to the rotor hub out, which in turn is bolted to the hub. It is also possible that both connecting elements have a flange-like extension.
  • a conical course can be provided at least on one side of the shaft arrangement or the shaft tube can widen conically towards its free end.
  • the connecting element may have a corresponding conical shape with either decreasing wall thickness into the conically widened end of the shaft tube or else by a likewise conical course. In any case, it should be correspondingly conical on its outside in the connection area.
  • a better transition to a middle area with a smaller diameter can thus be achieved.
  • the torsional stiffness and the bending stiffness can be reduced slightly. This can be compensated on the one hand torque peaks and on the other hand with respect to the bending stiffness slight deviations of the alignment of the hub and the generator axis can be compensated without complex and prone universal joints or other compensating joints with moving parts.
  • An outer diameter reduction of the corrugated pipe between the largest portions at the ends of the corrugated pipe and the constant center portion may be at least 20%, preferably 30% to 40%. This means that the corrugated tube in the middle region is significantly slimmer than at the ends.
  • such a central region can be at least 50% of the length of the corrugated tube, preferably 60% to 80%.
  • the aforementioned reduction in torsional rigidity and flexural rigidity can be better achieved.
  • the connecting elements in particular also the shaft tube, are rotationally symmetrical about a longitudinal central axis. So a uniform stability and a round run can be achieved.
  • the retaining pins can basically be fastened or produced in a variety of ways.
  • they are inserted into holes in the connecting elements, in particular in the prescribed conically tapered areas of connecting element and shaft tube.
  • This is particularly advantageous with interference fit, advantageously by the holding pins have a press fit with, for example, 5 ⁇ to 50 ⁇ or about 0.05% to 0.2% of the diameter of the retaining pin.
  • Such a press fit has the advantage of easier to manufacture compared to a screw and is sufficiently stable, since mainly shear forces act on the retaining pins and no pull-out forces in their longitudinal direction.
  • the alternative possibility of blunt welding of retaining pins is considered to be detrimental to alternating loads with respect to torsion of the shaft assembly.
  • the retaining pins are advantageous cylindrical and elongated and are a few inches above the fasteners on. - -
  • the retaining pins are arranged or extend at right angles to the surface or outer side or outer surface of the connecting elements. Then the holes into which they are pressed, provided with appropriate orientation, but this is also easily possible.
  • the retaining pins are then claimed by the adjacent fiber bundles and the forces exerted by these forces exactly perpendicular to their longitudinal direction.
  • the retaining pins are distributed uniformly on the connecting element. Particularly advantageous they each have the same distances to each other on the one hand in the circumferential direction and on the other hand in the longitudinal direction of the shaft tube. Under certain circumstances, this can also be varied, in particular in order to achieve as optimized as possible progressions of the fiber bundles in the connection region. In particular, a distance in both directions may be similar.
  • the retaining pins can be provided along 4 to 1 1 circumferential circular rings. It is particularly advantageous seven or eight such rings. Their distance may be in the range of the thickness of the shaft tube in the connection area.
  • retaining pins may be provided in the circumferential direction around the connecting element 10 to 50 retaining pins, advantageously 25 to 40.
  • the number of retaining pins with a smaller circumference can decrease, but this need not be so.
  • the fiber bundles advantageously undergo a course change behind several holding pins or even each holding pin. It may even be provided that they are applied in such a way that they have such a course change virtually in the region of each retaining pin on which they pass.
  • An overall direction of the fiber bundle may be oblique to the longitudinal center axis of the corrugated tube, which is true anyway when winding such tubes and is also advantageous for the connection region. Furthermore, the above-described wraps of the retaining pins can be better achieved by the fiber bundles.
  • a change in the profile of a fiber bundle on a retaining pin can be small. Although it may be up to 90 °, but preferably it has a rotation angle or arc angle of 20 ° to 60 °, more preferably from 25 ° to 45 °.
  • a good support of the fiber bundles on the retaining pins and thus a good power transmission.
  • the special power transmission properties of the fiber bundles are still well taken into account, which are rather worsened by too frequent and too strong changes in direction.
  • a fiber bundle runs at each change in the same direction or with the same direction of rotation about a retaining pin around or wraps around this. So that a fiber bundle in the overall direction then does not deviate too much from a favorable course direction, the prescribed angles of the loop can be closer to the lower limit mentioned or even lower.
  • the course changes per fiber bundle essentially each time a different sense of rotation. This means that although the fiber bundles do not have to change their course with every retaining pin, at least some or most of the retaining pins have to change their course. Ultimately, however, the entire direction of the fiber bundles is less strongly changed for the highest possible stability of the fiber composite material itself and the connection with - - the connecting element.
  • fiber bundles can also be mixed gradients are provided with different rotation so that per retaining pin, the fiber bundles sometimes rotate in one direction of rotation and sometimes in the other direction of rotation.
  • These fiber bundles can also each run exactly opposite obliquely to the longitudinal center axis of the shaft assembly, which is both for the stability properties of the shaft tube of advantage and causes a resultant force on the retaining pins approximately in the longitudinal direction of the shaft assembly.
  • the thickness of the layer formed by the fibers, which overlap on the connecting element remains below the length of the retaining pins. Then, the retaining pins can project beyond the layer of fiber bundles or the end portions of the shaft tube a small piece. This ensures that even the uppermost fiber bundles do not slip off the retaining pins, so to speak.
  • a cover layer runs as a kind of cuff above the retaining pins, advantageously circumferentially. This just prevents fiber bundles from slipping off the retaining pins, for example because they loosen slightly.
  • a sleeve can in turn advantageously consist of a fiber composite material and be wound in the circumferential direction. Alternatively, it can also be made of metal.
  • the fiber bundles which yield the shaft tube are wound directly onto the connecting elements with the retaining pins or inserted between the retaining pins. It is therefore not made the shaft tube separately from the connection areas and then connected these parts together. Thus, a maximum solid bond between connecting elements and shaft tube can be created. Due to the special shape of the shaft tube with the above-described thinner middle region, the above-described desired torsional properties and bending properties can be achieved.
  • the fiber bundles are first applied to the connecting element, even on its expanded end portions, for example, with an auxiliary structure for winding.
  • the retaining pins are guided or pressed through the fiber bundles, thereby displacing the fibers of the fiber bundle. Preferably, this is done with still completely wet fibers.
  • the retaining pins are then fastened in bores in the widened connecting element and penetrate substantially, in particular completely, the fiber bundles.
  • the fiber bundles can be compressed even more for a higher strength. Above all, however, the winding up of the fiber bundles can be considerably simplified and at the same time more uniform and firm.
  • the holes for the retaining pins are introduced into the connecting element before the winding of the fiber bundles, preferably by drilling from the outside inwards.
  • the retaining pins are in principle introduced from inside to outside through the holes in the fiber bundle applied to the connecting element or pressed.
  • the retaining pins may advantageously be tapered or tapered towards the outside, in particular with removable tapers or points, for example by means of a thread.
  • the tips can be removed after pressing the retaining pins and, as described above, the retaining pins are covered.
  • the retaining pins are already arranged in the holes before the application of the fiber bundles without thereby overhanging the outer surface or outside of the connecting element. For this they have been previously preferably introduced from the inside into the holes. In particular, the retaining pins should approach until just before the outer surface of the connecting element, so do not survive. After the application of the fiber bundles, the retaining pins are then pressed from inside to outside into the fiber bundles.
  • the retaining pins into the fiber bundle applied to the connecting element from outside to inside or to press in with lateral displacement of the fiber bundles.
  • the bores have preferably been introduced into the connecting element before the fiber bundles are applied. Your position is thus known. After winding then the retaining pins are pressed from outside to inside through the fiber bundle into the holes with interference fit.
  • the retaining pins can be tapered or sharpened on the inwardly facing areas.
  • the fibers or fiber bundles can first be displaced laterally from the outside in order to provide an access channel to the connecting element, for example by means of a tube. Then, through this access - - Channel through the connecting element drilled, and then a holding pin is inserted into the bore thus produced in the connecting element from the outside to the inside with a press fit through the additional channel.
  • the method of prior drilling is preferred.
  • the free retaining pin ends are covered, preferably by a further layer of applied fiber bundles. This is possible with each of the variants of embodiments described here.
  • a connecting element as a precursor for the production of a shaft assembly with a previously described second method is hollow or has an inner space with an inner surface and a plurality of holes, in which retaining pins are pressed from the inside.
  • the retaining pins do not project beyond the outer surface of the connecting element and are in particular tapered or tapered in their end regions.
  • the retaining pins are inwardly over the inner surface of the connecting element, in particular more than half their length or even more than 75%, so clearly.
  • FIG. 1 A simple sectional view through a wind turbine with shaft arrangement between the rotor hub and generator, a shaft arrangement according to FIG. 1 enlarged in a sectional view,
  • a wind turbine 1 1 is very simplified in side section shown.
  • a rotor hub 12 is mounted as usual at the front end of a nacelle 13, which also contains a generator 14.
  • Rotor hub 12 and generator 14 are rotatably connected to each other via a shaft assembly 1 6, wherein no joints or other compensation devices are advantageously provided.
  • the shaft arrangement 1 6 is shown enlarged in side view in FIG. 2 and in an oblique view in FIG. 3 and has a shaft tube 17 which is formed over a major part of its length by a central region 18 of constant thickness and constant thickness.
  • the shaft tube 17 goes to the left via a left transition region 19a in a left conical expansion 21 a over.
  • At the right end is a mirror symmetry same education provided with a right transition region 19b and a right conical expansion 21b.
  • the shaft tube 17 consists of a fiber composite material, as is well known to those skilled in the art, ie on fiber bundles and a matrix material or epoxy resin odgl ..
  • the left-hand connection element 24a which is also shown enlarged in FIGS. 4 and 5, has a straight tube section 25a, which has a left-hand conical taper 26a to the right, that is, toward the shaft tube 17.
  • the angle of the conical taper 26a is about 10 °.
  • the wall thickness of the connecting element 24a decreases here to the right free end, but this does not have to be so.
  • the holes 27a described above are arranged in the circumferential direction along seven circular rings with the same distance from each other.
  • holes 27a are drilled perpendicular to the longitudinal central axis L, ie at an angle of 80 ° to the outer surface of the conical taper 26a. However, this need not be so, they can also be drilled at right angles into the outer surface and then stand at an angle of 80 ° to the longitudinal central axis L. In the circumferential direction 34 holes are provided on the conical taper 26a.
  • the pipe section 25a merges into a left flange 28a, where it is still a single part here.
  • a large flange plate 30 is then fastened via a plurality of screws, which can be seen from FIG. This in turn is bolted to outer holes with the rotor hub 12 or other arrangement.
  • the diameter of the Rohabitess 25 can then be about 75cm and the taper 26a at the thin end only a little over 50cm.
  • the entire shaft arrangement can be several meters long, for example - -
  • the corrugated tube 17 itself can be for example about 8m long with a central region 18 of almost 6m and an inner diameter of 40cm with a wall thickness of several cm, for example 5cm to 15cm.
  • the wall thickness of the corrugated pipe 17 decreases in the conical widenings 21 to the outside something, which is of course also due to the expanded there diameter.
  • the holes 27 may have a diameter of 1 cm to 2cm. From Fig. 5 is also good to see that at generally possible constant thickness of the conical taper 26 a there provided holes 27 a everywhere the same length.
  • a cylindrical long holding pins 32 a are used with a press fit or are taken.
  • the retaining pins 32a should be made of solid steel. According to the aforementioned diameter of the holes 27a, their diameter may be 1 cm to 2 cm and their length is 8 cm to 12 cm.
  • the shaft tube 17 is constructed by the intended fiber bundles are introduced into or between the retaining pins 32 and thus produce a layer, which then ultimately results in the conical expansion 21 a.
  • the application of the matrix material is not a problem for the expert.
  • a sleeve-like cover 34a is provided which covers the ends of the retaining pins 32a.
  • the cover 34a may be a correspondingly conically shaped metal ring, alternatively it is likewise formed from a fiber composite material and firmly fixed to the outside of the conical structure. - - Widening 21 a wound. Thus, a detachment of the fiber composite material of the shaft tube 17 can be avoided in this area.
  • the structure of the connecting elements is identical except for the right slightly smaller flange 28b.
  • Figs. 6 to 1 Different types of winding for the fiber bundles 22 on the retaining pins 32, which are represented here only by their holes 27, on the connecting element 24 and the conical taper 26 are shown in Figs. 6 to 1 1.
  • a plurality of fiber bundles 22 are wound from the outermost retaining pins 32 left to the shaft tube 17 out obliquely to the right next to it and one underlying retaining pin, then again to the right next to it and one overlying retaining pin, etc ..
  • the fiber bundles 22 are quasi from the right coming through the retaining pins 32 to the very left and then again going to the right endlessly performed, so have no free ends.
  • a winding pattern for the fiber bundles 22 is shown in which there is a deflection of the fiber bundle around each of the retaining pins 32. While the wrap angle in the upper illustration is still about 90 °, it is only about 20 ° in the lower one.
  • a winding pattern is shown, in which, starting from a retaining pin 32, two are moved to the right and one up or down to the fiber bundle 22, and again in total mirror symmetry with two fiber bundles 22.
  • a winding pattern is shown in which this is done in parallel with two fiber bundles 22.
  • the wrap angle about 50 ° to 60 °. - -
  • a winding pattern is shown, which goes from a retaining pin 32 to the right and an upward. From this starting, two retaining pins go to the right and one down, etc ..
  • the fiber bundles 22 are inclined away from the conical taper 26 or the holding pins 32, but run overall along a quasi-averaged direction parallel to the longitudinal center axis L.
  • FIG. 9 shows a winding pattern for the fiber bundles 22, in which the direction of rotation of the loop does not change starting from the very left-hand holding pin. However, per retaining pin 32 is only a relatively small wrap of 20 ° to 30 ° before.
  • a winding pattern for the fiber bundles 22 is shown, in which the Umschlingungssinn changes more often. Furthermore, the wrap angles decrease from left to right or become smaller. - -
  • FIG. 1 another winding pattern is shown, in which the fiber bundles point to the left with open ends. Furthermore, a winding pattern is shown at the top in FIG. 11, in which, as in FIG. 8 below, depending on the sense of wrap, the wrap angle is variable. In Fig. 1 1 below is a pattern as shown in Fig. 6, but in turn with fiber bundles open to the left 22nd
  • the fiber composite material with the fiber bundles 22 of the corrugated tube 17 can be connected to the connecting elements 24 or their conical sections 26 in a manifold manner and very advantageously.
  • different winding patterns can also be combined, in particular in layers or layers one above the other.
  • the conical courses are provided so that the shaft tube 17 in the central region 18 significantly reduced the above Diameter.
  • the conical shape creates a good transition between the areas of different diameters. Although this increases the wall thickness something.
  • the smaller diameter is crucial positive for a slightly lower flexural rigidity of the shaft assembly 1 6 in the central region 18 and a slightly reduced torsional stiffness.
  • torque peaks occurring suddenly between the rotor hub 12 and the generator 14 can be absorbed somewhat. As a result, the life of the parts is considerably increased and very disruptive maintenance costs are reduced.
  • Connecting elements 124a and 124b are provided, which each have identically formed conical tapers 126a and 126b and differently formed, adjoining pipe sections 125a and 125b. They are basically similar to those of the previous figures. However, these pipe sections are not of interest.
  • the holes 127a and 127b are provided, as described in principle already to the first embodiment, see there in particular also Fig 4. Unlike in the first embodiment is also additionally provided here that the wall thickness decreases significantly less sharply in the region of the conical tapering edges 126a and 126b. But this is only to illustrate the basic variations.
  • the advantage of the wall thickness variation in conical taper 126a and 126b is that it somewhat relieves the outermost end retaining pins 132 which are loaded the most, since the retaining pins yield slightly more inwardly due to the somewhat thinner wall thickness can.
  • the total thickness of the covering of fiber bundles and the wall thickness of the connecting element can generally remain approximately constant in the longitudinal direction. The covering can increase its thickness from outside to inside, for example by 20% to 40%.
  • Retaining pins for the fiber bundles are not yet shown in FIG. 12, but should in principle already be present in the bores 127a and 127b. This will be explained in more detail on the enlarged section of FIG.
  • auxiliary winding stars 136a and 136b are respectively provided on the outside of the conical tapers 126a and 126b. These are known to those skilled in the art and have a lot of protruding teeth or pins, similar to the outermost ring of retaining pins in Fig. 5 leftmost. These auxiliary winding stars 136a and 136b serve to wind up the fiber bundles according to the method described above, or they serve as reversal points, since there are still no holding pins protruding from the connecting elements 124a and 124b, to which the winding - - could be made. The winding angles can vary, and advantageously winding angles of about + -45 ° can dominate.
  • pressing devices 140a and 140b are provided on removable central support tubes 138a and 138b, respectively. They are each movable on the central support tube 138 in the longitudinal direction and in the direction of rotation. They will be explained in more detail to the enlarged view of FIG. 13.
  • the support tubes 138a and 138b respectively put on support discs 141 a and 141 b, which carry a thin support core 142, advantageously as a thin metal tube, which connects the connecting elements 124 a and 124 b through. It also carries cone adapters 143a and 143b, which provide the transition from the rectilinear extent in the central region of the shaft assembly to the tapered constrictions 126a and 126b. At the end, while the support tubes 138a and 138b including the support discs 141 and pressing devices 140 are removed, the support core 142 and the cone adapters 143a and 143b may remain therein.
  • the shaft tube 1 17, including its right-hand conical widening 121 b is already shown.
  • the fiber bundles (not shown here in detail) form the aforementioned coating on the connecting element 124b or, in particular, on the conical taper 126b.
  • the holes 127b retaining pins 132b are introduced, but from the inside and only so far that they do not protrude beyond the outer surface, so they do not break through.
  • the pressing device 140b arranged on the central support tube 138b is put into operation.
  • a pneumatically, hydraulically or mechanically operable plunger which is placed in each case exactly radially inside of the retaining pins 132b, they are pushed slowly outwards through the holes 127b.
  • these retaining pins 132b drill, as it were, through the applied covering of fiber bundles, which are pressed to the side.
  • considerable forces are necessary for this, but they can be applied by appropriate design of the pressing device 140b.
  • This displacement of the fiber bundles has the further advantage that they are here, so to speak, still compressed and an even higher strength can be achieved.
  • the fiber content can generally be at least 55% to 70%.
  • some resin or binder may leak from the top, which can be easily removed.
  • the retaining pins 132b are pressed into this as directly as possible after the application of the fiber bundles.
  • Such a retaining pin 132b is shown in an enlarged oblique view in FIG. At its end it has a tip 133 which is threaded for screwing into the pin 132, the tip being simply unscrewed at the bottom as shown in FIG - - can be.
  • a retaining pin can have an exemplary diameter of 10mm to 20mm, advantageously 18mm.
  • the tip 133 may be about 10mm to 30mm long, preferably about 20mm.
  • the entire retaining pin can be 100mm long, for example.
  • the tip 133 is rounded slightly, so that when pressed through the fiber bundles are moved as possible only to the side, but not severed or damaged.
  • a cover can be applied as shown in FIG. 5, advantageously in turn from wound fiber bundles.

Abstract

Eine Wellenanordnung zum Übertragen von Drehmomenten von einer Nabe einer Windkraftanlage zu einem Generator weist an beiden Enden Verbindungselemente auf für eine mechanische Verbindung. Die Verbindungselemente werden jeweils von Endbereichen eines verbindenden Wellenrohres überlappt, wobei das Wellenrohr aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Vielzahl von Faserbündeln besteht. Die Verbindungselemente weisen im vom Wellenrohr überlappten Bereich eine Vielzahl von abstehenden Haltestiften auf, um die bzw. zwischen die die Faserbündel gelegt sind bzw. verlaufen.

Description

. .
Wellenanordnunq und Verfahren zur Herstellung einer Wellenanordnunq sowie
Verbindunqselement als Vorprodukt
Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Wellenanordnung zum Übertragen von Drehmomenten sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Wellenanordnung und ein Verbindungselement als Vorprodukt für die Herstellung einer Wellenanordnung. Besonders bevorzugt wird eine solche Wellenanordnung bei Windkraftanlagen eingesetzt um eine Rotornabe mit einem Generator zu verbinden.
Bei dem vorgenannten Verwendungszweck werden an die Wellenanordnung sehr hohe Anforderungen gestellt. Einerseits sind die zu übertragenden Drehmomente sehr groß angesichts von Windkraftanlagen mit immer größeren Rotordurchmessern. Gleichzeitig sollte eine Wellenanordnung möglichst haltbar sein bzw. der Wartungsaufwand für die Wellenanordnung sowie ihre Lagerung und dergleichen möglichst gering sein, da bei Windkraftanlagen die Wartung naturgemäß sehr aufwendig ist. Da immer mehr Windkraftanlagen in küstennahen Meeresgebieten installiert werden, wird deren Wartung nochmals erheblich schwieriger.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine eingangs genannte Wellenanordnung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, mit der Probleme des Standes der Technik gelöst werden können und insbesondere sehr stabile und im Dauereinsatz robuste Wellenanordnung geschaffen werden kann, die einerseits hohe Drehmomente übertragen kann und andererseits insbesondere zum Auffangen von Drehmomentspitzen eine gewisse Verdrehbarkeit bzw. Torsionsfähigkeit aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Wellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 oder 17 und ein Verbindungselement als Vorprodukt für die Herstel- - - lung einer Wellenanordnung mit einem solchen Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 23. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für die Wellenanordnung oder nur für eines der Verfahren zu ihrer Herstellung oder das Verbindungselement als Vorprodukt beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für die Wellenanordnung als auch für das Herstellungsverfahren gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Es ist vorgesehen, dass an beiden Enden der Wellenanordnung Verbindungselemente vorgesehen sind. Mit diesen kann eine mechanische Ankopplung bzw. Verbindung nach außen erfolgen, und zwar bei einer Windkraf tan läge einerseits zur Nabe des Rotors und andererseits zum Generator.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verbindungselemente jeweils von Endbereichen eines mittleren verbindenden Wellenrohrs überlappt werden. Dieses Wellenrohr besteht aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Vielzahl von Faserbündeln, die mit einem Harz odgl. auf bekannte Art und Weise verklebt worden sind. Dabei weisen die Verbindungselemente im vom Wellenrohr überlappten Bereich eine Vielzahl von abstehenden Haltestiften auf. Die Faserbündel sind um diese Haltestifte bzw. zwischen diese Haltestifte gelegt bzw. verlaufen entsprechend. Dadurch kann eine sehr gute mechanische Ankopplung des Wellenrohrs aus Faserverbundwerkstoff an die Verbindungselemente erfolgen. Eine reine Klebung würde aufgrund der für die Übertragung von sehr hohen Drehmomenten nicht ausreichenden Festigkeit nicht genügen. Ein nachträgliches Durchbohren eines Wellenrohrs aus Faserverbundwerkstoff zum Verschrauben bzw. sichereren Verbinden mit dem Verbindungselement würde eine Vielzahl von Faserbündeln durchtrennt und somit eine signifikante Schwächung des Wellenrohrs gerade in dem Verbindungsbereich bewirkt. Das Vorsehen der Vielzahl von Haltestiften, an die sehr viele bzw. vorteilhaft nahezu alle Faserbündel direkt oder indirekt über zwischenliegende Faserbündel angebunden sind, weist den großen Vorteil auf, dass über die gesamte Dicke des Wellenrohrs im Verbindungsbereich hinweg - - eine stabile Verbindung geschaffen werden kann. Bei einer reinen Verklebung würden nur die untersten Schichten von Fasernbündeln, die mehr oder weniger direkt mit dem Verbindungselement verklebt sind, die Kräfte halten, während die weiter außen liegenden Faserbündel nur durch die Verklebung mit den innenliegenden Faserbündeln Kraft aufnehmen und übertragen könnten.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Verbindungselemente rohrartig ausgebildet, insbesondere relativ kurz im Vergleich zur Gesamtlänge der Wellenanordnung.
In nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass mindestens ein Verbindungselement an seinem freien Ende eine flanschartige Erweiterung aufweist nach Art einer Scheibe. Diese kann dann mit größerem Durchmesser als bei der Wellenanordnung selbst entweder an eine Nabe oder einen Generator angekoppelt werden. Alternativ kann gerade zur Rotornabe hin eine weitere nochmals größere Scheibe angeschraubt bzw. vorgesehen sein, welche dann wiederum mit der Nabe verschraubt wird. Es ist auch möglich, dass beide Verbindungselemente eine flanschartige Erweitung aufweisen.
Zumindest im Überlappungsbereich von Verbindungselement und Wellenrohr kann mindestens auf einer Seite der Wellenanordnung ein konischer Verlauf vorgesehen sein bzw. sich das Wellenrohr zu seinem freien Ende hin konisch aufweiten. Das Verbindungselement kann eine entsprechende Konusform aufweisen mit entweder abnehmender Wandstärke in das konisch aufgeweitete Ende des Wellenrohrs hinein oder aber durch einen ebenfalls konischen Verlauf. Jedenfalls sollte es an seiner Außenseite im Verbindungsbereich entsprechend konisch sein. Durch diese Konizität kann erreicht werden, dass im Verbindungsbereich mit großen Durchmessern eine sehr gute und dauerhafte stabile Krafteinleitung von den Verbindungselementen in das Wellenrohr hinein erfolgt. Ein größerer Durchmesser bewirkt hier eine größere Verbindungsfläche für eine bessere Verbindung.
Des Weiteren kann so eine bessere Überleitung zu einem Mittelbereich mit geringerem Durchmesser erreicht werden. Durch diesen im Mittelbereich des Wellen- - - rohrs vorgesehenen geringeren Durchmesser kann die Torsionssteifigkeit und auch die Biegesteifigkeit etwas verringert werden. Damit können zum einen Drehmomentspitzen ausgeglichen werden und zum anderen hinsichtlich der Biegesteifigkeit geringfügige Abweichungen der Flucht von Nabe und Generatorachse ausgeglichen werden ohne aufwendige und anfällige Kardangelenke oder sonstige Ausgleichsgelenke mit bewegten Teilen. Eine Außendurchmesserverrin- gerung des Wellenrohrs zwischen dem größten Bereichen an den Enden des Wellenrohrs und dem konstant bleibenden Mittelbereich kann mindestens 20% betragen, vorzugsweise 30% bis 40%. Dies bedeutet, dass das Wellenrohr im Mittelbereich deutlich schlanker ist als an den Enden.
Des Weiteren kann ein solcher Mittelbereich mindestens 50% der Länge des Wellenrohrs aufweisen, vorzugsweise 60% bis 80%. So kann die vorgenannte Verringerung der Torsionssteifigkeit sowie der Biegesteifigkeit besser erreicht werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Verbindungselemente, insbesondere auch das Wellenrohr, rotationssymmetrisch um eine Längsmittelachse. So kann eine gleichmäßige Stabilität sowie ein runder Lauf erreicht werden.
Die Haltestifte können grundsätzlich auf vielfältige Art und Weise befestigt bzw. erzeugt werden. Vorteilhaft werden sie in Bohrungen in den Verbindungselementen eingesteckt, insbesondere in den vorgeschriebenen konisch zulaufenden Bereichen von Verbindungselement und Wellenrohr. Dies erfolgt besonders vorteilhaft mit Presssitz, vorteilhaft indem die Haltestifte einen Presssitz mit beispielsweise 5μηπ bis 50μηπ aufweisen bzw. etwa 0,05% bis 0,2% des Durchmessers des Haltestifts. Ein solcher Presssitz weist gegenüber einem Verschrauben den Vorteil des leichteren Herstellens auf und ist ausreichend stabil, da hauptsächlich Scherkräfte auf die Haltestifte wirken und keine Auszugskräfte in ihrer Längsrichtung. Die alternative Möglichkeit des stumpfen Aufschweißens von Haltestiften wird bezüglich Wechselbelastungen hinsichtlich Torsion der Wellenanordnung als nachteilig angesehen. Die Haltestifte sind vorteilhaft zylindrisch und länglich und stehen einige Zentimeter über die Verbindungselemente über. - -
Einerseits ist es möglich, die Haltestifte so an den Verbindungselementen zu befestigen, dass ihre Längsrichtung senkrecht zur Längsmittelachse des Wellenrohrs verläuft. Dann können insbesondere bei einer vorbeschriebenen Befestigung der Haltestifte durch Einpressen in einfache Bohrungen diese Bohrungen möglichst einfach hergestellt werden.
Andererseits ist es möglich, dass die Haltestifte rechtwinklig zur Oberfläche bzw. Außenseite oder Außenfläche der Verbindungselemente angeordnet sind bzw. verlaufen. Dann sind die Bohrungen, in die sie eingepresst sind, mit entsprechender Ausrichtung vorzusehen, was aber ebenfalls leicht möglich ist. Hier werden die Haltestifte dann durch die anliegenden Faserbündel und die von diesen ausgeübten Kräften genau senkrecht zu ihrer Längsrichtung beansprucht.
Vorteilhaft sind die Haltestifte gleichmäßig an dem Verbindungselement verteilt. Besonders vorteilhaft weisen sie jeweils gleich bleibende Abstände zueinander einerseits in Umfangsrichtung und andererseits in Längsrichtung des Wellenrohrs auf. Dies kann unter Umständen auch variiert werden, insbesondere um möglichst optimierte Verläufe der Faserbündel im Verbindungsbereich zu erreichen. Insbesondere kann ein Abstand in beiden Richtungen ähnlich groß sein.
In Längsrichtung der Wellenanordnung können die Haltestifte entlang von 4 bis 1 1 umlaufenden Kreisringen vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft sind es sieben oder acht solcher Ringe. Ihr Abstand kann im Bereich der Dicke des Wellenrohrs im Verbindungsbereich liegen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können in Umfangsrichtung um das Verbindungselement 10 bis 50 Haltestifte vorgesehen sein, vorteilhaft 25 bis 40. Bei einem vorgeschriebenen konisch ausgebildeten Verbindungselement kann die Zahl der Haltestifte mit geringerem Umfang abnehmen, was aber nicht so sein muss.
Ein weiterer gravierender Vorteil des Vorgehens der Haltestifte zur Befestigung der Faserbündel daran oder darum liegt darin, dass die Faserbündel bzw. ihre - -
Enden vom freien Ende des Wellenrohrs her gesehen hinter mindestens einem Haltestift, an dem sie vorbeigeführt sind, eine Verlaufsänderung zum Haltestift hin durchmachen als Teilumschlingung. Vorteilhaft erfahren die Faserbündel hinter mehreren Haltestiften oder sogar jedem Haltestift eine Verlaufsänderung. Es kann sogar vorgesehen sein, dass sie derart aufgebracht sind, dass sie quasi im Bereich jedes Haltestifts, an dem sie vorbei kommen, eine solche Verlaufsänderung aufweisen. Eine Gesamtrichtung des Faserbündels kann schräg zur Längsmittelachse des Wellenrohrs sein, was beim Wickeln solcher Rohre ohnehin gilt und auch für den Verbindungsbereich vorteilhaft ist. Des Weiteren können so die vorbeschriebenen Umschlingungen der Haltestifte durch die Faserbündel besser erreicht werden.
Eine genannte Verlaufsänderung eines Faserbündels an einem Haltestift kann klein sein. Sie kann zwar auch bis zu 90° betragen, vorzugsweise weist sie jedoch einen Drehwinkel bzw. Bogenwinkel von 20° bis 60° auf, besonders vorteilhaft von 25° bis 45°. Somit wird einerseits durch die Teilumschlingung eine gute AbStützung der Faserbündel an den Haltestiften erreicht und somit eine gute Kraftübertragung. Anderseits werden die speziellen Kraftübertragungseigenschaften der Faserbündel noch gut berücksichtigt, die durch zu häufige und zu starke Richtungsänderungen eher verschlechtert werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Faserbündel bei jeder Verlaufsänderung in die gleiche Richtung bzw. mit gleichem Drehsinn um einen Haltestift herum verläuft bzw. diesen umschlingt. Damit ein Faserbündel in der Gesamtrichtung dann nicht zu stark von einer günstigen Verlaufsrichtung abweicht können die vorgeschriebenen Winkel der Umschlingung eher an der genannten unteren Grenze oder sogar noch darunter liegen. In alternativer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verlaufsänderungen pro Faserbündel im wesentlichen jedes Mal einen anderen Drehsinn auf. Dies bedeutet, dass die Faserbündel zwar nicht bei jedem Haltestift ihren Verlauf ändern müssen, aber zumindest bei einigen oder den meisten Haltestiften. Letztlich wird aber die gesamte Richtung der Faserbündel weniger stark verändert für eine möglichst hohe Stabilität des Faserverbundwerkstoffs an sich sowie der Verbindung mit - - dem Verbindungselement. Es können auch gemischte Verläufe mit unterschiedlichem Drehsinn vorgesehen sein so dass pro Haltestift die Faserbündel mal im einen Drehsinn und mal im anderen Drehsinn umlaufen. Diese Faserbündel können auch jeweils genau entgegengesetzt schräg zur Längsmittelachse der Wellenanordnung verlaufen, was sowohl für die Stabilitätseigenschaften des Wellenrohrs von Vorteil ist als auch eine resultierende Krafteinwirkung auf die Haltestifte in etwa in Längsrichtung der Wellenanordnung bewirkt.
In bevorzugter Ausbildung der Erfindung bleibt die Dicke der von den Fasern gebildeten Schicht, welche auf das Verbindungselement überlappen, unterhalb der Länge der Haltestifte. Dann können die Haltestifte die Schicht aus Faserbündeln bzw. die Endbereiche des Wellenrohrs ein kleines Stück überragen. So kann sichergestellt werden, dass auch die obersten Faserbündel sozusagen nicht von den Haltestiften abrutschen. Hier kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Deckschicht als eine Art Manschette oberhalb der Haltestifte verläuft, vorteilhaft umlaufend. So wird eben verhindert, dass Faserbündel von den Haltestiften abrutschen, beispielsweise weil sie sich leicht lockern. Eine solche Manschette kann vorteilhaft wiederum aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen und in Umfangsrichtung aufgewickelt sein. Alternativ kann sie auch aus Metall bestehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, wie vorbeschrieben, dass an mindestens einem freien Ende bzw. flanschartigen Ende eines Verbindungselementes eine nochmals größere Flanschscheibe angebracht ist. Diese Verbindung kann vorteilhaft verschraubt werden, da dann höhere Festigkeitsanforderungen erfüllt werden als beim Verschweißen. Durch eine solche Flanschscheibe kann eine Anbindung an beispielsweise Rotornaben von Windkraftanlagen erfolgen, welche diese Durchmesser eben einfach benötigen. Gleichzeitig kann auch der Durchmesser der Wellenanordnung an sich gering gehalten werden, was deren Montage bei einer fertigen Windkraftanlage, die üblicherweise in großer Höhe erfolgt, erheblich erleichtert. - -
Beim Herstellungsverfahren werden also die Faserbündel, welche das Wellenrohr ergeben, direkt auf die Verbindungselemente mit den Haltestiften aufgewickelt bzw. zwischen die Haltestifte eingelegt. Es wird also nicht das Wellenrohr separat von den Verbindungsbereichen hergestellt und diese Teile dann miteinander verbunden. So kann ein maximal fester Verbund zwischen Verbindungselementen und Wellenrohr geschaffen werden. Durch die spezielle Formgebung des Wellenrohrs mit dem vorbeschriebenen dünneren Mittelbereich können die vorbeschriebenen gewünschten Torsionseigenschaften und Biegeeigenschaften erreicht werden.
Das Einbringen der Faserbündel zwischen die Haltestifte ist zwar nicht ganz trivial, aber mit modernen Wickelmaschinen gut möglich. Des Weiteren sollte eine in Umfangsrichtung gleichmäßig vorliegende Wickelart bzw. Verlegung der Faserbündel vorgenommen werden, um eine möglichst gleichmäßige und stabile Wellenanordnung zu schaffen.
Neben dem vorbeschriebenen Verfahren zum Aufbringen der Faserbündel in oder zwischen die Haltestifte ist es in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung möglich, vereinfacht ausgedrückt, zuerst die Faserbündel als Belag auf die Verbindungselemente aufzubringen und danach erst die Haltestifte zwischen die Faserbündel und in die Verbindungselemente hineinzubringen. Dabei werden zuerst die Faserbündel auf das Verbindungselement aufgebracht werden, auch auf dessen aufgeweitete Endbereichen, beispielsweise mit einer Hilfskonstruktion zum Aufwickeln. In einem späteren oder nachfolgenden Schritt werden die Haltestifte durch die Faserbündel geführt bzw. gedrückt und dabei die Fasern des Faserbündels verdrängt. Vorzugsweise erfolgt dies bei noch vollständig feuchten Fasern. Die Haltestifte sind anschließend in Bohrungen in dem aufgeweiteten Verbindungselement befestigt und durchdringen im Wesentlichen, insbesondere vollständig, auch die Faserbündel. Dabei können die Faserbündel noch stärker verdichtet werden für eine höhere Festigkeit. Vor allem aber kann das Aufwickeln der Faserbündel erheblich vereinfacht werden und dabei auch gleichmäßiger und fester erfolgen. - -
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Bohrungen für die Haltestifte in das Verbindungselement vor dem Aufwickeln der Faserbündel eingebracht, vorzugsweise durch Bohren von außen nach innen.
Des weiteren ist es möglich, dass die Haltestifte grundsätzlich von innen nach außen durch die Bohrungen in die auf das Verbindungselement aufgebrachten Faserbündel eingebracht bzw. hineingedrückt werden. Um dies zu erleichtern können die Haltestifte vorteilhaft nach außen hin verjüngt bzw. zugespitzt sein, insbesondere mit abnehmbaren Verjüngungen bzw. Spitzen, beispielsweise mittels Gewinde. So können die Spitzen nach dem Eindrücken der Haltestifte entfernt werden und, wie zuvor beschrieben, die Haltestifte abgedeckt werden.
Vorteilhaft sind die Haltestifte vor dem Aufbringen der Faserbündel bereits in den Bohrungen angeordnet ohne dabei über die Außenfläche bzw. Außenseite des Verbindungselements überzustehen. Dazu sind sie zuvor vorzugsweise von innen in die Bohrungen eingebracht worden. Insbesondere sollten die Haltestifte dabei bis kurz vor die Außenfläche des Verbindungselements heranreichen, also nicht überstehen. Nach dem Aufbringen der Faserbündel werden die Haltestifte dann von innen nach außen in die Faserbündel hineingedrückt.
Weiters ist es möglich, die Haltestifte in die auf das Verbindungselement aufgebrachten Faserbündel von außen nach innen einzubringen bzw. einzudrücken unter seitlicher Verdrängung der Faserbündel. Dabei sind die Bohrungen vorzugsweise vor dem Aufbringen der Faserbündel in das Verbindungselement eingebracht worden. Ihre Position ist somit bekannt. Nach dem Aufwickeln werden dann die Haltestifte von außen nach innen durch die Faserbündel in die Bohrungen mit Presssitz eingedrückt. Vorteilhaft können dabei die Haltestifte an den nach innen weisenden Bereichen verjüngt bzw. angespitzt sein.
Sind die Bohrungen in dem Verbindungselement noch nicht vor dem Aufwickeln erzeugt worden, so können von außen zuerst die Fasern bzw. Faserbündel seitlich verdrängt werden um einen Zugangskanal zum Verbindungselement zu schaffen, beispielsweise mittels eines Rohrs. Dann wird durch diesen Zugangs- - - kanal hindurch das Verbindungselement angebohrt, und anschließend wird durch den Zusatzkanal ein Haltestift in die so erzeugte Bohrung im Verbindungselement von außen nach innen mit Presssitz eingesteckt. Die Methode des vorherigen Bohrens wird aber bevorzugt.
Des weiteren kann zumindest im Bereich der Haltestifte eine Abdeckung der freien Haltestiftenden erfolgt, vorzugsweise durch eine weitere Schicht von aufgebrachten Faserbündeln. Dies ist bei jeder der hier beschriebenen Varianten von Ausführungen möglich.
Ein Verbindungselement als Vorprodukt für die Herstellung einer Wellenanordnung mit einem vorbeschriebenen zweiten Verfahren ist hohl bzw. weist einen Innenraum mit einer Innenfläche sowie eine Vielzahl von Bohrungen auf, in welche Haltestifte von innen eingedrückt sind. Die Haltestifte stehen nicht über die Außenfläche des Verbindungselements über und sind insbesondere in ihren Endbereichen verjüngt bzw. zugespitzt ausgebildet. Vorzugsweise stehen die Haltestifte nach innen über die Innenfläche des Verbindungselements über, insbesondere mit mehr als der Hälfte ihrer Länge oder sogar mehr als 75%, also deutlich.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: - -
Eine einfache Schnittdarstellung durch eine Windkraftanlage mit Wellenanordnung zwischen Rotornabe und Generator, eine Wellenanordnung entsprechend Fig. 1 vergrößert in Schnittdarstellung,
die Wellenanordnung entsprechend Fig. 2 in Schrägdarstellung, eine Vergrößerung eines linken Verbindungselements mit konischer Verjüngung und Bohrungen darin,
eine vergrößerte Darstellung des linken Bereichs der Wellenanordnung aus Fig. 2,
verschiedene Wicklungsverläufe der Faserbündel des Wellenrohrs um Haltestifte in den Bohrungen am Verbindungselement, einen Schnitt durch zwei Verbindungselemente zum Aufbringen von Fasernbündeln zum Herstellen einer Wellenanordnung gemäß eines alternativen Verfahrens,
eine starke Vergrößerung des rechten Bereichs der Anordnung aus Fig. 12 mit aufgebrachten Faserbündeln als Belag und teilweise durchgedrückten Haltestiften und
eine Schrägansicht eines Haltestifts mit abschraubbarer Spitze.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist im Seitenschnitt sehr vereinfacht eine Windkraftanlage 1 1 dargestellt. Eine Rotornabe 12 ist wie üblich am vorderen Ende einer Gondel 13 gelagert, welche auch noch einen Generator 14 enthält. Rotornabe 12 und Generator 14 sind über eine Wellenanordnung 1 6 drehfest miteinander verbunden, wobei keinerlei Gelenke oder sonstige Ausgleichseinrichtungen vorteilhaft vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße Wellenanordnung 1 6 ist in den Fig. 2 im Seitenschnitt und Fig. 3 in Schrägansicht vergrößert dargestellt und weist ein Wellenrohr 17 auf, welches über einen Großteil seiner Länge von einem Mittelbereich 18 mit konstanter Bandstärke und konstanter Dicke gebildet wird. Das Wellenrohr 17 geht nach links über einen linken Übergangsbereich 19a in eine linke konische Aufweitung 21 a über. Am rechten Ende ist eine spiegelsymmetrisch gleiche Ausbildung - - vorgesehen mit einem rechten Übergangsbereich 19b und einer rechten konischen Aufweitung 21 b. Das Wellenrohr 17 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff, wie er dem Fachmann allgemein bekannt ist, also auf Faserbündeln und einem Matrixmaterial bzw. Epoxydharz odgl..
Zusammen mit den Fig. 4 und 5 werden im folgenden die Verbindungselemente 24a und 24b näher erläutert. Das in Fig. 4 und 5 auch vergrößert dargestellte linke Verbindungselement 24a weist einen geraden Rohrabschnitt 25a auf, der nach rechts, also zum Wellenrohr 17 hin, eine linke konische Verjüngung 26a aufweist. Der Winkel der konischen Verjüngung 26a beträgt etwa 10°. Des Weiteren nimmt die Wandstärke des Verbindungselements 24a hier zum rechten freien Ende hin ab, was jedoch nicht so sein muss. In der konischen Verjüngung 26a befinden sich die eingangs beschriebenen Bohrungen 27a. Sie sind in Umfangsrichtung entlang von sieben Kreisringen angeordnet mit jeweils gleichem Abstand zueinander. Ebenso verlaufen sie in Richtung der Längsmittelachse L der Wellenanordnung 1 6 parallel dazu und weisen auch hier den gleichen Abstand zueinander auf. Die Bohrungen 27a sind senkrecht zur Längsmittelachse L gebohrt, also in einem Winkel von 80° zur Außenfläche der konischen Verjüngung 26a. Dies muss jedoch nicht so sein, sie können auch rechtwinklig in die Außenfläche hineingebohrt sein und dann in einem Winkel von 80° zu Längsmittelachse L stehen. In Umfangsrichtung sind 34 Bohrungen an der konischen Verjüngung 26a vorgesehen.
Nach links geht der Rohrabschnitt 25a in einen linken Flansch 28a über, wobei er hier immer noch ein einziges Teil ist. An dem linken Flansch 28a ist dann über eine Vielzahl von Schrauben, was aus Fig. 3 zu ersehen ist, eine große Flanschscheibe 30 befestigt. Diese wiederum wird an äußeren Bohrungen mit der Rotornabe 12 oder einer sonstigen Anordnung verschraubt. Über den sehr großen Durchmesser der Flanschscheibe 30, der in der Praxis bis zu 2 Meter oder sogar noch mehr betragen kann, ist eine sehr gute drehfeste Anbindung der Wellenanordnung 1 6 möglich. Der Durchmesser des Rohabschnitts 25 kann dann etwa 75cm betragen und die Verjüngung 26a am dünnen Ende nur noch etwas über 50cm. Die gesamte Wellenanordnung kann einige Meter lang sein, beispielsweise - -
7m bis 10m. Das Wellenrohr 17 selbst kann dabei beispielsweise etwa 8m lang sein mit einem Mittelbereich 18 von knapp 6m und einem Innendurchmesser von 40cm bei einer Wandstärke von mehreren cm, beispielsweise 5cm bis 15cm. Die Wandstärke des Wellenrohrs 17 nimmt in den konischen Aufweitungen 21 nach außen hin etwas ab, was ja auch selbstverständlich ist aufgrund des dort erweiterten Durchmessers. Die Bohrungen 27 können einen Durchmesser von 1 cm bis 2cm aufweisen. Aus Fig. 5 ist auch gut zu ersehen, dass bei allgemein möglicher konstanter Dicke der konischen Verjüngung 26a die dort vorgesehenen Bohrungen 27a überall gleiche Länge hätten.
Aus der Vergrößerung in Fig. 5 ist zu ersehen, wie in die Bohrungen 27a zylindrische Lange Haltestifte 32a eingesetzt sind mit Presssitz bzw. eingeschlagen sind. Die Haltestifte 32a sollten aus festem Stahl sein. Entsprechend dem vorgenannten Durchmesser der Bohrungen 27a kann ihr Durchmesser bei 1 cm bis 2cm liegen und ihre Länge bei 8cm bis 12cm.
Wenn das gesamte Verbindungselement 24 mit den Haltestiften 32a versehen ist, liegt eine Anordnung ähnlich einem Igel vor. Dann wird das Wellenrohr 17 aufgebaut, indem die dafür vorgesehenen Faserbündel in bzw. zwischen die Haltestifte 32 eingebracht werden und so eine Schicht erzeugen, die dann letztlich die konische Aufweitung 21 a ergibt. Auch das Aufbringen des Matrixmaterials dabei ist für den Fachmann kein Problem.
Aus Fig. 5 ist deutlich zu erkenne, dass die oberen Enden der Haltestifte 32a noch ein Stück über die linke konische Aufweitung 21 a bzw. über den Faserverbundwerkstoff überstehen, und zwar jeweils gleich viel. Dadurch soll verhindert werden, dass die Faserbündel während des Aufwickeins sowie auch nachher über die Haltestifte 32a rutschen bzw. an diesen vorbeirutschen können. Als zusätzliche Sicherung ist eine manschettenartige Abdeckung 34a vorgesehen, die die Enden der Haltestifte 32a überdeckt. Die Abdeckung 34a kann ein entsprechend konisch geformter Metallring sein, alternativ ist sie ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet und fest auf die Außenseite der konischen Auf- - - weitung 21 a gewickelt. So kann in diesem Bereich ein Ablösen des Faserverbundwerkstoffs des Wellenrohrs 17 vermieden werden.
Der Aufbau der Verbindungselemente ist identisch bis auf den rechts etwas kleineren Flansch 28b.
Verschiedene Wicklungsarten für die Faserbündel 22 auf die Haltestifte 32, die hier nur durch ihre Bohrungen 27 repräsentiert werden, am Verbindungselement 24 bzw. der konischen Verjüngung 26 sind in den Fig. 6 bis 1 1 dargestellt. In Fig. 6 oben sind mehrere Faserbündel 22 von den äußersten Haltestiften 32 links zum Wellenrohr 17 hin so gewickelt, dass sie schräg versetzt zum rechts daneben und eins darunter liegenden Haltestift gehen, dann wieder zum rechts daneben und eins darüber liegenden Haltestift usw.. Des Weiteren sind die Faserbündel 22 quasi von rechts kommend durch die Haltestifte 32 bis ganz nach links und dann wieder nach rechts gehend endlos durchgeführt, weisen also keine freien Enden auf. Des Weiteren ist hier auch noch eine jeweils spiegelsymmetrische Wicklung der Faserbündel 22 nach dem vorgenannten Verlegermuster dargestellt, wodurch erreicht werden kann, dass die Belastung der Haltestifte 32 quasi als Resultierende nur noch nach rechts entlang der Längsmittelachse L verläuft.
In Fig. 6 unten ist ein Wicklungsmuster für die Faserbündel 22 dargestellt, bei welchem um jeden der Haltestifte 32 eine Umlenkung des Faserbündels erfolgt. Während der Umschlingungswinkel in der oberen Darstellung noch etwa 90° beträgt, beträgt er bei der unteren nur noch etwa 20°.
In Fig. 7 ganz oben ist ein Wicklungsmuster dargestellt, bei dem von einem Haltestift 32 ausgehend zwei nach rechts und eins nach oben oder unten gegangen wird mit dem Faserbündel 22, und das wieder insgesamt spiegelsymmetrisch mit zwei Faserbündeln 22. In Fig. 7 in der Mitte ist ein Wicklungsmuster dargestellt, bei dem dies mit zwei Faserbündeln 22 parallel so gemacht wird. Hier betragen die Umschlingungswinkel etwa 50° bis 60°. - -
In Fig. 7 ganz unten ist mit einem einzelnen Faserbündel 22 ein Wicklungsmuster dargestellt, welches von einem Haltestift 32 einen nach rechts und einen nach oben geht. Von diesem ausgehend wird zwei Haltestifte nach rechts und einen nach unten gegangen, usw..
Bei den in den Fig. 6 und 7 dargestellten Wicklungsmustern kommen die Faserbündel 22 zwar schräg weg von der konischen Verjüngung 26 bzw. den Haltestiften 32, verlaufen aber insgesamt entlang einer quasi gemittelten Richtung parallel zur Längsmittelachse L.
Bei dem Wicklungsmuster gemäß Fig. 8 oben ist leicht zu erkennen, dass hier von einem Haltestift 32 ganz links ausgehend zwei Haltestifte nach rechts und dann einen nach unten gegangen wird. Dann wird einen Haltestift nach rechts, dann zwei Haltestifte nach rechts und zwei nach unten und dann wieder nur einen nach rechts gegangen. Hier nimmt also der Umschlingungswinkel zu.
Bei dem Wicklungsmuster in Fig. 8 unten wird von einem linken Haltestift 32 ausgehend einen Haltestift nach rechts und einen nach unten gegangen, dann einen Haltestift nach rechts, dann wieder einen nach rechts und nach unten usw.. Hier ergibt sich bei beiden Wicklungsmustern gemäß Fig. 8 ein gemittelter schräger Verlauf. Des Weiteren ist beim unteren Wicklungsmuster an jedem Haltestift 32, den das Faserbündel 22 passiert, eine Umschlingung vorgesehen. Sie wechselt aber an jedem Haltestift 32 ihren Drehsinn.
In Fig. 9 ist ein Wicklungsmuster für die Faserbündel 22 dargestellt, bei welchem sich der Drehsinn der Umschlingung vom ganz linken Haltestift ausgehend nicht ändert. Allerdings liegt pro Haltestift 32 nur eine relativ geringe Umschlingung von 20° bis 30° vor.
In Fig. 10 ist ein Wicklungsmuster für die Faserbündel 22 dargestellt, bei welchem sich häufiger der Umschlingungssinn ändert. Des Weiteren nehmen die Umschlingungswinkel von links nach recht ab bzw. werden geringer. - -
In Fig. 1 1 ist ein weiteres Wicklungsmuster dargestellt, bei dem die Faserbündel nach links mit offenen Enden weisen. Des Weiteren ist in Fig. 1 1 oben ein Wicklungsmuster dargestellt, bei welchem ähnlich wie in Fig.8 unten abhängig vom Umschlingungssinn der Umschlingungswinkel veränderlich ist. In Fig. 1 1 unten ist ein Muster wie in Fig. 6 dargestellt, allerdings wiederum mit nach links offenen Faserbündeln 22.
Aus den zahlreichen möglichen Wicklungsmustern der Fig. 6 bis 1 1 ist zu ersehen, dass hier auf vielfältiger Art und Weise und sehr vorteilhaft der Faserverbundwerkstoff mit den Faserbündeln 22 des Wellenrohrs 17 an die Verbindungselemente 24 bzw. deren konische Abschnitte 26 angebunden werden kann. Es können ganz allgemein auch verschiedene Wicklungsmuster kombiniert werden, insbesondere in Schichten bzw. Lagen übereinander abwechseln.
Während die Haltestifte 32 mit den verschiedenen Wicklungsmustern den Sinn haben, eine möglichst gute, dauerhafte und drehmomentstabile Anbindung des Faserverbundswerkstoffs des Wellenrohrs 17 an das Verbindungselement 24 zu erreichen, sind die konischen Verläufe dazu vorgesehen, dass das Wellenrohr 17 im Mittelbereich 18 den vorgenannten deutlich verringerten Durchmesser aufweist. Der konische Verlauf schafft einen guten Übergang zwischen den Bereichen unterschiedlicher Durchmesser. Zwar steigt dadurch die Wandstärke etwas an. Allerdings ist der geringere Durchmesser entscheidend positiv für eine etwas geringere Biegesteifigkeit der Wellenanordnung 1 6 im Mittelbereich 18 sowie ein etwas verringerte Torsionssteifigkeit. So können neben möglicherweise dauerhafter Abweichung von der Flucht der Verbindungselemente 24 zueinander plötzlich auftretende Drehmomentspitzen zwischen Rotornabe 12 und Generator 14 etwas aufgefangen werden. Dadurch wird die Lebensdauer der Teile erheblich vergrößert und sehr störender Wartungsaufwand verringert.
In der Fig. 12 ist gemäß dem alternativen zweiten Herstellungsverfahren, bei dem die Faserbündel auf die Verbindungselemente 124a für den Rotor und 124b für den Generator aufgebracht werden noch bevor die Haltestifte vorstehen, also nicht in bzw. zwischen die Haltestifte aufgebracht werden. Dazu sind die beiden - -
Verbindungselemente 124a und 124b vorgesehen, welche jeweils gleichartig ausgebildete konischen Verjüngungen 126a und 126b sowie unterschiedlich ausgebildete, daran anschließende Rohrabschnitte 125a und 125b aufweisen. Sie sind grundsätzlich ähnlich wie diejenigen der vorherigen Figuren ausgebildet. Diese Rohrabschnitte sind jedoch nicht von Interesse.
In den konischen Verjüngungen 126a und 126b sind die Bohrungen 127a und 127b vorgesehen, wie im Prinzip auch schon zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, siehe dort insbesondere auch die Fig 4. Anders als in dem ersten Ausführungsbeispiel ist hier zusätzlich auch noch vorgesehen, dass die Wandstärke im Bereich der konischen Verjüngengen 126a und 126b deutlich weniger stark abnimmt. Dies soll aber nur die grundsätzlichen Variationsmöglichkeiten veranschaulichen. Der Vorteil der Wandstärkenvariation bei der konischen Verjüngung 126a und 126b liegt darin, dass so die ganz außen an den Enden liegenden Haltestifte 132, welche am stärksten belastet sind, etwas entlastet werden, da die Haltestifte nach innen zu aufgrund der etwas dünneren Wandstärke etwas mehr nachgeben können. Die Gesamtdicke des Belags aus Faserbündeln und der Wandstärke des Verbindungselements kann allgemein in etwa konstant bleiben in Längsrichtung. Der Belag kann seine Dicke von außen nach innen beispielsweise um 20% bis 40% vergößern.
Haltestifte für die Faserbündel sind in der Fig. 12 noch nicht dargestellt, sollen aber grundsätzlich schon in den Bohrungen 127a und 127b vorhanden sein. Dies wird zu dem vergrößerten Ausschnitt aus Figur 13 noch näher erläutert.
Des Weiteren ist in der Figur 12 zu erkennen, dass jeweils außenseitig an den konischen Verjüngungen 126a und 126b sogenannte Hilfswickelsterne 136a und 136b vorgesehen sind. Diese sind dem Fachmann an sich bekannt und weisen eine Menge von abstehenden Zacken oder Stiften auf, ähnlich dem äußersten Ring von Haltestiften in der Fig. 5 ganz links. Diese Hilfswickelsterne 136a und 136b dienen dazu, die Faserbündel gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren aufzuwickeln bzw. sie dienen als Umkehrpunkte, da ja noch keine Haltestifte aus den Verbindungselementen 124a und 124b herausstehen, auf die die Wicklung - - vorgenommen werden könnte. Die Wickelwinkel können dabei variieren, wobei vorteilhaft Wickelwinkel von etwa +-45° dominieren können.
Im Inneren der Verbindungselemente 124a und 124b sind auf herausnehmbaren zentralen Stützrohren 138a bzw. 138b Pressvorrichtungen 140a und 140b vorgesehen. Sie sind jeweils auf dem zentralen Stützrohr 138 in Längsrichtung und in Drehrichtung bewegbar. Sie werden zu der vergrößerten Darstellung gemäß Fig. 13 näher erläutert.
Nach innen zu weisen die Stützrohre 138a und 138b jeweils aufgesteckte Stützscheiben 141 a und 141 b auf, welche einen dünnen Stützkern 142 tragen, vorteilhaft als dünnes Metallrohr, der die Verbindungselemente 124a und 124b durchgehend verbindet. Er trägt auch Konusadapter 143a und 143b, die den Übergang von der geradlinigen Erstreckung im Mittelbereich der Wellenanordnung zu den konischen Verjüngungen 126a und 126b schaffen. Während am Schluss die Stützrohre 138a und 138b samt den Stützscheiben 141 und Pressvorrichtungen 140 entfernt werden, können der Stützkern 142 und die Konusadapter 143a und 143b darin verbleiben.
In der vergrößerten Darstellung des rechten Verbindungselements 124b gemäß der Fig. 13 für die Wellenanordnung 1 1 6 ist auch bereits das Wellenrohr 1 17 samt seiner rechten konischen Aufweitung 121 b dargestellt. Im Bereich der konischen Aufweitung 121 b bilden die hier im Einzelnen nicht dargestellten Faserbündel den vorgenannten Belag auf dem Verbindungselement 124b bzw. vor allem auf der konischen Verjüngung 126b. Im oberen Bereich ist in der Vergrößerung zu erkennen, wie in den Bohrungen 127b Haltestifte 132b eingebracht sind, allerdings von innen und nur so weit, dass sie nicht über die Außenfläche überstehen, diese also nicht durchbrechen.
Die Haltestifte 132b ragen also mit dem größten Teil ihrer Länge nach innen. In diesem Zustand des Verbindungselements 124b, welches so auch ein eigenständiges Teil und Bestandteil der beanspruchten Erfindung ist, insbesondere mit den bereits teilweise von innen eingedrückten Haltestiften, wird dann mittels des - - rechts dargestellten Hilfswickelstern 136b der Belag mit den Faserbündeln für das Wellenrohr 1 17 und die konische Aufweitung 121 b hergestellt durch Aufwickeln, wie dies für den Fachmann an sich bekannt ist und wie es vorstehend grundsätzlich ja auch beschrieben ist.
Nach dem Aufwickeln der Faserbündel wird die auf dem zentralen Stützrohr 138b angeordnete Pressvorrichtung 140b in Betrieb genommen. Auf hier nicht näher dargestellte Art und Weise, vorteilhaft aber mittels eines pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch betätigbaren Stößels, der jeweils genau radial innerhalb von den Haltestiften 132b platziert wird, werden diese langsam nach außen gedrückt durch die Bohrungen 127b hindurch. Dabei bohren sich diese Haltestifte 132b sozusagen durch den aufgebrachten Belag aus Faserbündeln, welche zur Seite gedrückt werden. Dafür sind zwar erhebliche Kräfte notwendig, diese können aber durch entsprechende Ausgestaltung der Pressvorrichtung 140b aufgebracht werden. Dieses Verdrängen der Faserbündel hat den weiteren Vorteil, dass sie hier sozusagen noch verdichtet werden und eine noch höhere Festigkeit erreicht werden kann. Der Faseranteil kann ganz allgemein bei mindestens 55% bis 70% liegen. Beim Eindrücken tritt möglicherweise etwas Harz bzw. Bindemittel an der Oberseite aus, welches jedoch problemlos entfernt werden kann. Selbstverständlich werden die Haltestifte 132b möglichst direkt nach dem Aufbringen der Faserbündel in diese hineingedrückt.
Im unteren Bereich der Fig. 13 ist zu erkennen, wie bis auf den ganz links dargestellten Haltestift alle sonstigen Haltestifte 132b bereits vollständig hinausgedrückt sind. Sie sitzen noch voll in den Bohrungen 127b, überragen jedoch mit ihren spitzen Enden die konische Aufweitung 121 b bzw. deren Außenseite etwas. Der ganz links dargestellte Haltestift 132b wird gerade mittels der Pressvorrichtung 140b herausgedrückt und hat die Endstellung noch nicht ganz erreicht.
In der Fig. 14 ist in vergrößerter Schrägdarstellung ein solcher Haltestift 132b dargestellt. An seinem Ende weist er eine Spitze 133 auf, die mit einem Gewinde versehen ist zum Einschrauben in den Stift 132, wobei die Spitze nach dem vollständigen Hindurchdrücken entsprechend Fig. 13 unten einfach abgeschraubt - - werden kann. Ein Haltestift kann einen beispielhaften Durchmesser von 10mm bis 20mm aufweisen, vorteilhaft 18mm. Die Spitze 133 kann etwa 10mm bis 30mm lang sein, vorteilhaft etwa 20mm. Der gesamte Haltestift kann beispielsweise 100mm lang sein. Die Spitze 133 ist ganz leicht abgerundet, so dass beim Hindurchdrücken die Faserbündel möglichst nur zur Seite verschoben werden, aber nicht durchtrennt oder beschädigt werden.
Nach dem Abschrauben der Spitzen 133 von den Haltestiften 132 kann entsprechend Fig. 5 eine Abdeckung aufgebracht werden, vorteilhaft wiederum aus aufgewickelten Faserbündeln.
Zum Drücken der Haltestifte 132 können auch zwei am Stützrohr 138b jeweils genau gegenüber angeordnete Pressvorrichtungen 140b verwendet werden. So wird eine bessere Kraftverteilung und Krafteinleitung in das Verbindungselement 124 und das Stützrohr 138 erreicht.
Die zuvor beschriebene, hier nicht dargestellte Variante des Einbringens der Haltestifte in die entsprechend Fig. 13 rechts oben bereits aufgebrachten Faserbündel kann so aussehen, dass, da ja die Position der Bohrungen 127 grundsätzlich bekannt ist, jeweils von außen die Haltestifte mit Spitzen ähnlich der Fig. 14 angesetzt werden und durch die Faserbündel hindurch gedrückt werden. Die Spitzen helfen dabei sowohl bei der Verdrängung der Faserbündel als auch beim Zentrieren in die Bohrung hinein. Da aber das entsprechende Ansetzen der Haltestifte an der Außenseite des aufgewickelten Belags als eher schwierig angesehen wird, ist diese Möglichkeit zwar durchaus gegeben und vorstellbar und auch technisch realisierbar, die in den Fig. 12 bis 14 dargestellte Variante wird jedoch bevorzugt.

Claims

Patentansprüche
1 . Wellenanordnung zum Übertragen von Drehmomenten von einer Nabe einer Windkraftanlage zu einem Generator, wobei an beiden Enden der Wellenanordnung Verbindungselemente vorgesehen sind für eine mechanische Ankopplung bzw. Verbindung nach außen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente jeweils von Endbereichen eines mittleren verbindenden Wellenrohres überlappt werden, wobei das Wellenrohr aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Vielzahl von Faserbündeln besteht, und wobei die Verbindungselemente im vom Wellenrohr überlappten Bereich eine Vielzahl von abstehenden Haltestiften aufweisen, um die bzw. zwischen die die Faserbündel gelegt sind bzw. verlaufen.
2. Wellenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente rohrartig ausgebildet sind.
3. Wellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verbindungselement an seinem freien Ende eine flanschartige Erweiterung aufweist.
4. Wellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Überlappungsbereich die Verbindungselemente und das Wellenrohr sich zu den freien Enden hin konisch aufweitend ausgebildet sind wobei vorzugsweise das Wellenrohr an seinen Enden konisch aufgeweitet ist zum Übergreifen der Verbindungselemente und in einem wesentlichen Mittelbereich konstanten Außendurchmesser und/oder konstante Wandstärke aufweist, wobei vorzugsweise dieser konstante Mittelbereich mindestens 50 % der Länge des Wellenrohrs aufweist, wobei insbesondere eine Außendurchmesservernngerung des Wellenrohrs zwischen den größten Bereichen an den Enden des Wellenrohrs und dem konstant bleibenden Mittelbereich mindestens 20 % beträgt.
5. Wellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente, insbesondere auch das Wellenrohr, rotationssymmetrisch um eine Längsmittelachse sind.
6. Wellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestifte in Bohrungen in den Verbindungselementen, insbesondere in den konisch zulaufenden Bereichen gemäß Anspruch 4, eingesteckt sind, vorzugsweise eingepresst sind mit Presssitz.
7. Wellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestifte mit Längsrichtung senkrecht zur Längsmittelachse des Wellenrohrs verlaufen bzw. angeordnet sind.
8. Wellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestifte gleichmäßig verteilt an dem Verbindungselement angeordnet sind, insbesondere mit gleichbleibendem Abstand zueinander in Umfangsrichtung und/oder Längsrichtung des Wellenrohrs.
9. Wellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung der Wellenanordnung die Haltestifte entlang von 4 bis 10 umlaufenden Ringen vorgesehen sind und/oder dass in Umfangsrichtung um das Verbindungselement 10 bis 50 Haltestifte vorgesehen sind.
10. Wellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Faserbündel vom freien Ende her gesehen hinter mindestens einem Haltestift, an dem sie vorbeigeführt sind, eine Verlaufsänderung zum Haltestift hin durchmachen als Teilumschlin- gung, insbesondere hinter jedem Haltestift, wobei vorzugsweise die Faserbündel eine Gesamt-Richtung schräg zur Längsmittelachse des Wellenrohrs aufweisen, wobei insbesondere die Verlaufsänderung klein ist, vorzugsweise mit einem Drehwinkel von 20° bis 60°.
1 1 . Wellenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlaufsänderungen pro Faserbündel jedes Mal gleich bzw. gleichartig in die gleiche Richtung sind.
12. Wellenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlaufsänderungen pro Faserbündel im Wesentlichen jedes Mal einen anderen Drehsinn aufweisen.
13. Wellenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Haltestift Faserbündel sowohl im einen Drehsinn teilumschlingen als auch im anderen Drehsinn teilumschlingen, wobei vorzugsweise die Anzahl von unterschiedlich teilumschlingenden Faserbündeln in etwa gleich ist.
14. Wellenanordnung nach Anspruch 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Haltestift mehrere Faserbündel mit unterschiedlichen Teil- umschlingungen bzw. Drehwinkeln vorgesehen sind, wobei insbesondere die daraus resultierende Zugkraft, die auf den Haltestift wirkt, in etwa parallel zur Längsmittelachse der Wellenanordnung zeigt.
15. Verfahren zur Herstellung einer Wellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Verbindungselemente mit den Haltestiften darin Faserbündel aufgelegt bzw. aufgewickelt werden derart, dass die Faserbündel in die Haltestifte bzw. zwischen die Haltestifte gelegt werden.
1 6. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Verbindungselement ein Faserbündel, welches von dem anderen Verbindungselement kommt, in bzw. zwischen die Haltestifte gelegt wird und um einen äußersten Haltestift herum geführt wird mit einer Umschlingung von mehr als 90° und dann kontinuierlich wieder unter Teilumschlingung mehrerer Haltestifte zum anderen Verbindungselement geführt wird.
17. Verfahren zur Herstellung einer Wellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst die Faserbündel auf das Verbindungselement aufgebracht werden, auch auf dessen aufgeweiteten Endbereichen, und in einem späteren Schritt die Haltestifte durch die Faserbündel geführt bzw. gedrückt werden mit Verdrängung der Fasern des Faserbündels, vorzugsweise bei noch vollständig feuchten Fasern, und die Haltestifte anschließend in Bohrungen in dem aufgeweiteten Verbindungselement befestigt sind und im Wesentlichen, insbesondere vollständig, auch die Faserbündel durchdringen.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen in das Verbindungselement vor dem Aufwickeln der Faserbündel eingebracht werden, vorzugsweise durch Bohren von außen nach innen.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestifte von innen nach außen durch die Bohrungen in die auf das Verbindungselement aufgebrachten Faserbündel eingebracht bzw. hineingedrückt werden, wobei vorzugsweise die Haltestifte nach außen hin verjüngt bzw. zugespitzt ausgebildet sind, insbesondere mit abnehmbaren Verjüngungen bzw. Spitzen.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Faserbündel die Haltestifte bereits in den Bohrungen angeordnet sind ohne über die Außenfläche des Verbindungselements überzustehen, wobei sie vorzugsweise zuvor von innen in die Bohrungen eingebracht worden sind, wobei insbesondere die Haltestifte dabei bis kurz vor die Außenfläche des Verbindungselements heranreichen, und nach dem Aufbringen der Faserbündel die Haltestifte von innen nach außen in die Faserbündel hineingedrückt werden.
21 . Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestifte in die auf das Verbindungselement aufgebrachten Faserbündel von außen nach innen eingebracht bzw. eingedrückt werden unter seitli- eher Verdrängung der Faserbündel, wobei vorzugsweise vor dem Aufbringen der Faserbündel die Bohrungen in das Verbindungselement eingebracht worden sind und die Haltestifte von außen nach innen durch die Faserbündel in die Bohrungen mit Presssitz eingedrückt werden, wobei vorzugsweise die Haltestifte an den nach innen weisenden Bereichen verjüngt bzw. angespitzt ausgebildet sind.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Bohrungen in dem Verbindungselement von außen zuerst die Fasern bzw. Faserbündel seitlich verdrängt werden um einen Zugangskanal zum Verbindungselement zu schaffen, dann durch diesen Zugangskanal das Verbindungselement angebohrt wird und anschließend durch den Zusatzkanal ein Haltestift in die Bohrung im Verbindungselement von außen nach innen mit Presssitz eingesteckt wird.
23. Verbindungselement als Vorprodukt für die Herstellung einer Wellenanordnung mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement hohl ist bzw. einen Innenraum mit einer Innenfläche sowie eine Vielzahl von Bohrungen aufweist, in welche Haltestifte von innen eingedrückt sind, wobei die Haltestifte nicht über die Außenfläche des Verbindungselements überstehen und insbesondere in ihren Endbereichen verjüngt bzw. zugespitzt ausgebildet sind, wobei vorzugsweise die Haltestifte nach innen über die Innenfläche des Verbindungselements überstehen, insbesondere mit mehr als der Hälfte ihrer Länge.
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Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2743058B1 (de) * 2012-12-13 2015-09-02 Enrichment Technology Company Ltd. Zweigniederlassung Deutschland Strukturintegrierte Verstärkung in gewickelten Bauteilen aus Verbundwerkstoffen
CN103115064A (zh) * 2013-02-28 2013-05-22 无锡市通用机械厂有限公司 回转式格栅传动系统中的主驱动轴结构
DE102013219820A1 (de) * 2013-09-30 2015-04-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Faserverbundwerkstoffbauteil, Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils sowie Verwendung von Faserbündeln und Verstrebungsmitteln zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils
DE102013021167A1 (de) * 2013-12-14 2015-06-18 Mac Panther Gmbh Stange für Verbindungsstützen
CN104279239A (zh) * 2014-07-11 2015-01-14 重庆理工清研凌创测控科技有限公司 用于nvh试验台的新型长轴联轴器
DE102014109886A1 (de) * 2014-07-15 2016-01-21 Institut Für Verbundwerkstoffe Gmbh Faserverbundwerkstoff-Verbindungsabschnitt und Herstellverfahren
DE102014222933B4 (de) 2014-11-11 2021-09-09 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Faserverbundwerkstoffbauteil sowie Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils
KR101586961B1 (ko) * 2014-12-12 2016-01-19 한국항공우주연구원 Z-핀을 이용하는 결합 구조물
FR3036643A1 (fr) * 2015-06-01 2016-12-02 Epsilon Composite Embout surmoule
EP3141743A1 (de) * 2015-09-09 2017-03-15 Siemens Aktiengesellschaft Windturbinennabenanordnung
GB2548825A (en) * 2016-03-24 2017-10-04 Magma Global Ltd Pinned composite pipe end-fitting
CN105773003A (zh) * 2016-04-12 2016-07-20 赵士立 一种自动点焊机扭杆连接轴
US10514626B2 (en) * 2016-09-30 2019-12-24 Hp Indigo B.V. Electrostatic ink compositions and scratch-off structures
DE102016221978A1 (de) 2016-11-09 2018-05-09 Enrichment Technology Company Ltd. Zweigniederlassung Deutschland Hybridbauteil umfassend ein Faserverbundbauteil
US10344794B2 (en) * 2016-11-18 2019-07-09 Dana Automotive Systems Group, Llc Open composite shaft
EP3381668B1 (de) * 2017-03-31 2020-12-09 Crompton Technology Group Limited Welle aus faserverbundwerkstoff
EP3480479A1 (de) * 2017-11-01 2019-05-08 Crompton Technology Group Limited Antriebswelle
CN108626237A (zh) * 2018-07-16 2018-10-09 淄博朗达复合材料有限公司 一种碳纤维复合传动轴及其加工方法
CN112253606A (zh) * 2020-10-15 2021-01-22 东风越野车有限公司 轻量化碳纤维传动轴及其连接结构与整车
US11371549B2 (en) * 2020-10-16 2022-06-28 Hamilton Sundstrand Corporation Fastener joints with enhanced strength for composite components
US11892035B2 (en) * 2021-04-23 2024-02-06 Hamilton Sundstrand Corporation Composite/metal joints
CN114593133B (zh) * 2022-02-14 2023-05-02 江苏集萃碳纤维及复合材料应用技术研究院有限公司 与金属接头连接的复合材料轴管

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2911238A1 (de) * 1978-03-27 1979-10-11 Celanese Corp Faserverstaerkte, zusammengesetzte hohlwelle mit metallischen anschlusshuelsen und verfahren zu ihrer herstellung (ii)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3027432A1 (de) 1980-07-19 1982-02-18 Felten & Guilleaume Carlswerk AG, 5000 Köln Antriebswelle aus faserverstaerktem kunststoff, mit kunstgewickelten endstuecken
US4380443A (en) * 1979-11-17 1983-04-19 Felten & Guilleaume Carlswerk Aktiengesellschaft Fiber-reinforced drive shaft
JPS63166519A (ja) 1986-12-27 1988-07-09 Hitachi Constr Mach Co Ltd 繊維強化樹脂製棒状体
DE4234083A1 (de) * 1992-10-09 1994-04-14 Olbo Textilwerke Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Legen von Fäden
JP3398455B2 (ja) * 1993-04-26 2003-04-21 トヨタ自動車株式会社 駆動軸の製造方法および駆動軸の結合装置
JP3453832B2 (ja) * 1994-02-17 2003-10-06 株式会社豊田自動織機 繊維強化複合材料製駆動シャフト及びその製造方法
GB2424464B (en) * 2005-03-22 2007-02-14 Crompton Technology Group Ltd Composite transmission shaft joint
DE102008056002A1 (de) * 2008-11-05 2010-05-06 Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg Triebwerkswelle aus einem Faserverbundkunststoffrohr mit metallischen Antriebs-und Abtriebszapfen
EP2397309A1 (de) 2010-06-21 2011-12-21 Envision Energy (Denmark) ApS Windturbine und Schaft für eine Windturbine
KR101775373B1 (ko) 2010-06-21 2017-09-06 엔비전 에너지 (덴마크) 에이피에스 가요성 샤프트 풍력 터빈

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2911238A1 (de) * 1978-03-27 1979-10-11 Celanese Corp Faserverstaerkte, zusammengesetzte hohlwelle mit metallischen anschlusshuelsen und verfahren zu ihrer herstellung (ii)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of WO2012152891A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN103748371A (zh) 2014-04-23
WO2012152891A1 (de) 2012-11-15
US9303682B2 (en) 2016-04-05
DE102011075688A1 (de) 2012-11-15
US20140079482A1 (en) 2014-03-20
CN103748371B (zh) 2016-05-04

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