DE102008028337A1

DE102008028337A1 - Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit mindestens einem integralen Flansch aus Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102008028337A1
Application number: DE102008028337A
Authority: DE
Inventors: Matthias Geislinger; Cornelius Geislinger; Christof Dr.-Ing. Sigle
Original assignee: Geislinger GmbH
Current assignee: Geislinger Group GmbH
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-14
Also published as: US20090308477A1; JP2010042662A; AU2009202283A1; KR101165373B1; DE102008028337B4; US8813335B2; JP5704739B2; KR20090129969A; AU2009202283B2; CN101618605B; CN101618605A

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit mindestens einem integralen Flansch aus Faserverbundwerkstoff werden eine Vielzahl von einander kreuzenden Wicklungen (13) aus Fasermaterial auf einen Kern (20) aufgebracht, der die Innenkontur eines Wellenabschnitts (11) abbildet. Der Kern (20) weist ferner für jeden Flansch (12) einen radialen Spreizring (20) mit einer axialen Anlagefläche (24) zur Vorgabe der Form einer Stirnwand eines Flansches (12) auf. Die Wicklungen (13) werden über einen Außenumfangsabschnitt (23) des jeweiligen Spreizrings (22) gelegt und fixiert. Im Bereich des Spreizrings (22) werden ein oder mehrere Einleger (15; 15'; 15") aus Fasermaterial zwischen die Wicklungen (13) eingelegt. Nach Fertigstellung der Wicklungen (13) wird die Fixierung des gewickelten Fasermaterials gelöst. Dies wird jedoch zunächst weiterhin am Spreizring (22) gehalten. Mittels eines Abstreifers (30) werden dann die Abschnitte der Wicklungen (13) vom Außenumfangsabschnitt (23) des Spreizrings (22) über eine Kante (25) abgezogen und gegen die axiale Anlagefläche (24) desselben in Anlage gebracht, um einen Teilabschnitt eines Flansches (12) zu bilden. Die Erfindung ermöglicht eine einfache und kostengünstige Fertigung von Faserverbundwellen mit integrierten Flanschen (12), eine einheitliche und definierte Faserstruktur im Bereich des bzw. der Flansche (12) und eine flexible Gestaltung der Wanddicke der Flansche (12). Weiterhin werden eine Faserverbundwelle und eine ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit mindestens einem integralen Flansch aus Faserverbundwerkstoff, bei dem eine Vielzahl von einander kreuzenden Wicklungen aus Fasermaterial auf einen Kern aufgebracht werden. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Hohlwelle aus Faserverbundwerkstoff.
Derartige Faserverbundwellen kommen beispielsweise in Ausgleichskupplungen zum Einsatz, wie sie in der DE 10 2006 042 301 A1 beschrieben sind. Die Einleitung eines Drehmoments in die Faserverbundwelle erfolgt dabei über die Lochlaibungen von an den Flanschen ausgebildeten Befestigungsöffnungen. Jedoch können Faserverbundwellen auch zu anderen Zwecken eingesetzt werden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit integralen Flanschen aus Faserverbundwerkstoff ist aus der EP 0 443 470 A1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren werden ein Wellenabschnitt sowie die Flansche durch Wicklungen aus Fasermaterial hergestellt, wobei lediglich die Innenkontur des Wellenabschnitts durch einen Kern vorgegeben wird. Zur Ausformung der Flansche sind an dem Wellenabschnitt verfahrbare Spreizscheiben in Form von schmalen Tellern vorgesehen. Beim Aufbringen der Wicklungen wird das Fasermaterial über die Spreizscheiben gelegt und jenseits derselben fixiert. Eine zusätzliche Fixierung erfolgt am Umfang der Spreizscheiben. Beim Legen der Wicklungen bildet sich zwischen dem Umfang der Spreizscheiben und dem Wellenabschnitt ein in etwa konischer Abschnitt. Nach Fertigstellung der Wicklungen wird das Fasermaterial im Bereich des Wellenabschnitts mittels eines Formwerkzeugs fixiert und außerhalb der Spreizscheiben durchtrennt. Anschließend wird der konische Abschnitt an das Formwerkzeug angelegt, um einen sich im wesentlichen in Radialrichtung erstreckenden Flansch zu bilden, beispielsweise durch ein Verschieben der Spreizscheibe. Die Spreizscheibe wird dann entfernt und durch ein Stützwerkzeug ersetzt. Beim Aufweiten des konischen Abschnitts der Wicklung kommt es in Radialrichtung zu einer Ausdünnung der Faserschicht und damit zu einer Verringerung der Faserschichtdicke. Dies wird bei der Gestaltung der Anlageflächen am Formwerkzeug durch entsprechende Schrägen berücksichtigt. Solche Schrägen sind für die oben beschriebenen Einsatzzwecke jedoch im Hinblick auf die Anbringung von Befestigungselementen an den Flanschen problematisch, da dann zumindest eine Seite eines Flansches nicht unmittelbar als Anlagefläche genutzt werden kann. Gegebenenfalls kann vorher auf die Anlagefläche des Formwerkzeugs ein Fasergewebe aufgebracht sein, das so an der Außenseite eines Flansches appliziert wird. Zudem macht die Notwendigkeit, die Spreizscheiben während der Herstellung eines Bauteils zu Verschieben, das Verfahren kompliziert. Da die Fasern des Fasermaterials beim Anlegen der konischen Abschnitte an das Formwerkzeug entlastet werden, ist die Faserstruktur im Bereich der Flansche nicht optimal.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit integralen Flanschen ist aus der DE 195 44 008 A1 bekannt. Auch hierbei ergeben sich Flansche mit nach außen abnehmender Wanddicke. Diese integralen Flansche sind in separaten Haltern aufgenommen, welche letztlich eine axiale Ankoppelbarkeit ermöglichen.
Weiterhin ist aus der WO 98/20263 A1 eine Hohlwelle mit integral gewickelten Flanschabschnitten bekannt, wobei die Wanddickenabnahme in Radialrichtung durch metallische Abschlussplatten kompensiert wird.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit mindestens einem integralen Flansch aus Faserverbundwerkstoff anzugeben, welches eine einfache und kostengünstige Fertigung ermöglicht, eine einheitliche und definierte Faserstruktur im Bereich des bzw. der Flansche ermöglicht und im Hinblick auf die Gestaltung der Wanddicke der Flansche flexibel ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit mindestens einem integralen Flansch aus Faserverbundwerkstoff werden eine Vielzahl von einander kreuzenden Wicklungen aus Fasermaterial auf einen Kern aufgebracht. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Kern die Innenkontur der Welle einschließlich der Stirnwand eines Flansches abbildet, wozu der Kern für jeden Flansch einen radialen Spreizring mit einer axialen Anlagefläche zur Vorgabe der Form einer Stirnwand eines Flansches aufweist, sowie weiterhin dadurch, dass die Wicklungen über einen Außenumfangsbereich des jeweiligen Spreizrings gelegt und fixiert werden, im Bereich des Spreizrings ein oder mehrere Einleger aus Fasermaterial zwischen die Wicklungen eingelegt werden, nach Fertigstellung der Wicklungen die Fixierung des Fasermaterials am Spreizrings gelöst und mittels eines Abstreifers Abschnitte der Wicklungen vom Außenumfangsbereich des Spreizrings über eine Kante abgezogen und gegen die axiale Anlagefläche desselben in Anlage gebracht werden, um einen Teilabschnitt eines Flansches zu bilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt einen stationären Kern, wodurch sich der apparative Aufwand bei der Fertigung verringert. Zudem lässt sich die Länge der Hohlwelle im Voraus sehr exakt einstellen.
Da beim Anlegen des Fasermaterials an die Anlagefläche des stationären Spreizrings am Umfang desselben befindliche Abschnitte des Fasermaterials über den Spreizrings abgezogen werden, erfolgt das Anlegen für alle Faserwicklungen unter Zug, wodurch Falten oder teilentlastete Wicklungsabschnitte, welche sich negativ auf die Festigkeitseigenschaften eines Flansches auswirken könnten, ausgeschlossen werden. Hierdurch wird die Faserstruktur im Bereich der Flansche verbessert.
Zu beachten ist ferner, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren je nach Konfiguration der Abmessungen Abschnitte der Wicklungen, welche sich zunächst am Außenumfang des in Axialrichtung länglichen Spreizrings befanden, Teil des späteren Flansches werden können.
Über Einleger aus Fasermaterial, die während der Aufbringung der Wicklungen eingelegt werden, lässt sich die Wanddicke der Flansche je nach Bedarf einstellen. Die Einbettung zwischen Lagen von Wicklungen verbessert überdies die Faserstruktur im Flansch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
Vorzugsweise wird der Abstreifer in Richtung der Anlagefläche des stationären Spreizrings verschoben, wobei dieser einen zwischen dem Spreizring und dem verjüngten Abschnitt des Fasermaterials gebildeten Zwickel beaufschlagt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Spreizring Bestandteil eines mehrteiligen Kerns, welcher die Innenkontur der Hohlwelle einschließlich der entsprechenden Stirnseiten vorgibt. Zur Längenverstellung des Kerns kann der Spreizring gegenüber einem zylindrischen Anschnitt, der die Innenkontur eines Wellenabschnitts der Hohlwelle vorgibt, verfahrbar ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Spreizring verwendet, dessen Außendurchmesser in Richtung des verjüngten Abschnitts des Fasermaterials bzw. der späteren Welle zunimmt. Wie oben angedeutet, wird das Fasermaterial beim Aufbringen der Wicklungen an seinen axialen Enden fixiert, beispielsweise durch Haken oder dergleichen unmittelbar am Spreizring oder aber jenseits des Spreizrings. Letzteres führt jedoch zu einem größeren Materialverbrauch, so dass eine Fixierung unmittelbar am Spreizring zu bevorzugen ist. Vor einem Anlegen des Zwickels an die Anlagefläche des Spreizrings muss das Fasermaterial von seiner Fixierung getrennt werden, beispielsweise indem der Randbereich des Fasermaterials abgeschnitten wird. Durch die Ausgestaltung des Außenumfangs des Spreizrings mit zunehmendem Durchmesser, beispielsweise in konischer Form, bleibt das Fasermaterial zunächst am Spreizring gehalten. Hierdurch wird eine unerwünschte Entlastung vermieden und gewährleistet, dass die Fasern im Flansch stets gestreckt vorliegen.
Vorzugsweise wird nach Fertigstellung der Wicklungen und vor dem Lösen der Fixierung des gewickelten Fasermaterials zumindest im Bereich des Außenumfangsabschnitts des Spreizrings eine Umfangslage auf die Wicklungen aufgebracht. Diese dient zum Verdichten und zum Stabilisieren des gewickelten Fasermaterials. Insbesondere wird der Sitz auf dem Außenumfangsabschnitts verbessert. Dies ist für das nachfolgende Abziehen der Wicklungen über die Kante desselben von Vorteil.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zur Ausbildung der Flansche Einleger verwendet, deren Gesamtdicke in Richtung eines Fasermaterialendes am Spreizring zunimmt. Diese werden während des Wickelns vorzugsweise auf den konischen Abschnitt und den Bereich der Wicklungen am Außenumfang des Spreizrings aufgelegt. Jedoch ist auch eine lokale Ablage lediglich am konischen Abschnitt oder am Außenumfang des Spreizrings möglich. Prinzipiell ist es jedoch auch denkbar, ohne Einleger zu arbeiten, wobei sich Flansche ergeben, deren Wanddicke in Radialrichtung abnimmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Dicke des bzw. der Einleger derart abgestimmt, dass der zugehörige Flansch eine konstante Wanddicke aufweist. Hierdurch kann eine der Stirnseite eines Flansches gegenüberliegende Rückseite ohne weitere Bearbeitung unmittelbar als Anlagefläche für ein in Axialrichtung wirkendes Befestigungsorgan verwendet werden.
Die verwendeten Einleger können beispielsweise in Form von Ringscheibensegmenten ausgebildet sein, die aus einer Fasermaterialmatte ausgeschnitten werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein gestickter Einleger in Form einer Ringscheibe verwendet. Gestickte Einleger bieten die Möglichkeit einer weiteren Optimierung der Faserstruktur im Bereich der Flansche, da im Unterschied zu den vorgenannten Ringscheibensegmenten der Faserverlauf über den gesamten Umfang eines Flansches gleichartig gestaltet werden kann. Hierdurch lassen sich Festigkeitsinhomogenitäten im Bereich der Flansche weiter verringern.
Vorzugsweise werden eine oder mehrere gestickte Ringscheiben verwendet, die eine nach außen zunehmende Materialdicke aufweisen. Diese lassen sich mit bekannten Verfahren einfach herstellen und gut Handhaben. Durch die nach außen zunehmende Materialdicke wird der radialen Ausdünnung der Fasern der gelegten Wicklungen entgegengewirkt. Alternativ oder ergänzend können auch ein oder mehrere gestickte Ringscheiben verwendet werden, die von innen nach außen einen zunehmenden Ablegewinkel aufweisen, wobei der Ablegewinkel als Winkel zwischen dem Faserverlauf an der Ringscheibe und deren Radialrichtung definiert ist. Auch dies ermöglicht eine Kompensation der radialen Ausdünnung, welche aus dem Legen der Wicklungen resultiert.
Die Erfindung ermöglicht ferner eine Hohlwelle aus Faserverbundwerkstoff gemäß Patentanspruch 12, umfassend einen Wellenabschnitt und ein oder zwei integrale Flansche an den Enden des Wellenabschnitts. Eine erfindungsgemäße Hohlwelle zeichnet sich dadurch aus, dass die Wellenabschnitte und der bzw. die Flansche fortgesetzte Wicklungen aus Fasermaterial aufweisen und im Bereich des bzw. der Flansche ein oder mehrere Einleger aus Fasermaterial zwischen den Wicklungen eingebettet sind, derart, dass der bzw. die Flansche eine konstante Wanddicke aufweisen. Die Wanddicke an den Flanschen kann dabei gegebenenfalls gegenüber der Wanddicke im Bereich der Hohlwelle erhöht sein. Über die Einleger kann somit nicht nur eine Kompensation der abnehmenden Wanddicke erzielt werden, sondern auch eine generelle Aufdickung des Flansches vorgenommen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jeder Flansch eine Stirnseite und eine dieser gegenüberliegende Rückseite auf. Dabei liegen die Stirnseite und die Rückseite jeweils in einer Ebene, die mit der Längsmittelachse des Wellenabschnitts einen Winkel von 90 Grad einschließt. Für ein axiales Anflanschen an eine Gegenfläche ist eine weitere Bearbeitung der Stirnseite und Rückseite der Flansche prinzipiell nicht erforderlich. Es sind allenfalls noch entsprechende Befestigungsbohrungen in die Flansche einzubringen und gegebenenfalls der Außenrand zu glätten.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung sind die Fasern der Wicklungen im Bereich des bzw. der Flansche gestreckt. Dies ist für die Festigkeit von Vorteil. Vorzugsweise weisen der bzw. die Flansche in Umfangsrichtung zudem eine homogene Faserstruktur auf.
Eine konstante Wanddicke wird durch Einleger erzielt, welche in Radialrichtung eine zunehmende Dicke bzw. bei Vorhandensein mehrerer Einleger eine zunehmende Gesamtdicke aufweisen. Im Hinblick auf eine homogene Faserstruktur liegen der bzw. die Einleger bevorzugt in Form von Ringscheiben vor.
Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Herstellung einer Faserverbundwelle mit integrierten Flaschen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Welle mit integriertem Flansch aus Faserverbundwerkstoff,
2 eine Darstellung der Faserstruktur von Einlegern in Form von Ringsegmenten in Blickrichtung auf einen Flansch,
3 eine Darstellung der Faserstruktur eines Einlegers in Form einer gestickten Ringscheibe in Blickrichtung auf einen Flansch,
4 eine Detailansicht des Einlegers aus 3, und in
5 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Einlegers in Form einer gestickten Ringscheibe.
Die Teilabschnitte (a) bis (f) von 1 zeigen den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer Hohlwelle 10 aus Faserverbundwerkstoff in Wickeltechnik. Die fertige Hohlwelle 10 umfasst einen Wellenabschnitt 11 und mindestens einen integralen Flansch 12 an einem Ende des Wellenabschnitts 11. Das andere Ende des Wellenabschnitts 11 kann prinzipiell beliebig ausgebildet sein. Beispielsweise kann dort ebenfalls ein integraler Flansch vorgesehen werden. Sowohl der Wellenabschnitt 11 als auch der integrale Flansch 12 bestehen aus Faserverbundwerkstoff, wobei der Wellenabschnitte 11 und der bzw. die Flansche 12 fortgesetzte Wicklungen aus Fasermaterial aufweisen, d. h. in einem Vorgang gewickelt worden sind.
Als Fasermaterial kommen insbesondere Einzelfasern oder Faserbündel bzw. Filamentgarne oder Rovings aus Glasfasern, Kohlefasern und sonstigen Fasern, wie sie zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen gebräuchlich sind, zum Einsatz. Als Matrix dienen aushärtbare Kunstharze und Elastomere, die bereits unmittelbar am Fasermaterial anhaften und so beim Legen der Wicklungen aufgebracht werden oder aber erst nachträglich in das fertiggewickelte Fasermaterial eingebracht werden.
In einem ersten Verfahrensschritt (a) werden erste Lagen einander kreuzender Wicklungen 13 aus Fasermaterial auf einen Kern 20 aufgebracht, der die Innenkontur der späteren Hohlwelle 10 abbildet. Der Kern 20 weist für den Wellenabschnitt 11 einen zylindrischen Abschnitt 21 und für jeden Flansch 12 der späteren Hohlwelle 10 einen radial abstehenden Spreizring 22 auf, dessen Außendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 21. Der Kern 20 kann im Prinzip einteilig ausgebildet sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kern 20 jedoch mehrteilig. Der Spreizring 22 ist gegenüber dem zylindrischen Abschnitt 21 verfahrbar und hierzu an dem zylindrischen Abschnitt 21 gelagert. Hierdurch kann der Kern 20 sehr einfach in seiner Länge verstellt werden, um Hohlwellen mit unterschiedlicher Länge herzustellen. Beim Wickeln und Anlegen des Fasermaterials an den Kern 20 ist die Spreizscheibe 22 zu dem zylindrischen Abschnitt 21 stationär.
Der Spreizring 22 weist einen Außenumfangsabschnitt 23 auf, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen in Richtung des zylindrischen Abschnitts 21 zunehmenden Durchmesser besitzt. An der zu dem zylindrischen Abschnitt 21 weisenden Seite ist eine axiale Anlagefläche 24 vorgesehen, über welche die Form einer Stirnwand eines Flansches 12 vorgegeben wird. Die Anlagefläche 24 verläuft in einer Ebene senkrecht zur Längsachse A des zylindrischen Abschnitts 21 und bildet mit dem Außenumfangsabschnitt 23 eine Abzugskante 25, deren Funktion nachfolgend noch näher erläutert wird. In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann der Außenumfangsabschnitt 23 auch mit konstantem Durchmesser ausgeführt werden. An dem Spreizring 22 befinden sich weiterhin eine Vielzahl von Haken 26, über die Wicklungen 13 aus Fasermaterial gelegt und somit am Kern 20 bzw. Spreizring 22 fixiert werden. Über den Spreizring 22, welcher Bestandteil des Kerns 20 ist, wird somit die mit der Stirnwand des Flansches 12 fortgesetzte Innenkontur des Wellenabschnitts 11 festgelegt, so dass sich diesbezüglich ein stationäres Formwerkzeug für die Herstellung einer Hohlwelle 10 ergibt.
Wie in 1(a) gezeigt, werden die Wicklungen 13 über den Außenumfangsabschnitt 23 des Spreizrings 22 gelegt und an den Haken 26 fixiert. Die Haken 26 befinden sich an einem Haltering, der sich an einem Absatz 27 des Spreizrings 22 axial abstürzt. Beim Wickeln bildet sich zwischen dem Außenumfangsabschnitt 23 und dem zylindrischen Abschnitt 21 ein in etwa konischer Zwickel 14, an dem die Wicklungen 13 weder an der Anlagefläche 24 des Spreizrings 22 noch an dem zylindrischen Abschnitt 21 anliegen.
Während des Aufbringens der Wicklungen 13 werden, wie in 1(b) gezeigt, im Bereich des Spreizrings 22 ein oder mehrere Einleger 15 aus Fasermaterial zwischen die Wicklungen 13 eingelegt. Über den dargestellten Einleger 15 wird die Wanddicke am späteren Flansch 12 eingestellt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel überlappt der Einleger 15 sowohl den Außenumfangsabschnitt 23 des Spreizrings 22 sowie den konischen Zwickel 14 der Wicklungen, da beide Bereiche nach einem Anlegen des Zwickels 14 an die Anlagefläche 24 Teilabschnitte des Flansches 12 bilden.
Mögliche Einleger sind in den 2 bis 5 näher dargestellt. Grundsätzlich können ein oder mehrere Einleger zum Einsatz kommen, wobei über den bzw. die Einleger ein Aufdicken des Flansches 12 erzielt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist die Dicke des bzw. der Einleger derart abgestimmt, dass der zugehörige Flansch 12 eine konstante Wanddicke aufweist. In diesem Fall ergeben sich am Flansch 12 eine Stirnseite und Rückseite, die jeweils in einer Ebene liegen, welche mit der Längsmittelachse A des zylindrischen Abschnitts 21 bzw. des Wellenabschnitts 11 einen Winkel von 90 Grad einschließt. Dazu werden Einleger verwendet werden, deren Gesamtdicke in Richtung eines Fasermaterialendes am Spreizring 22, d. h. hier in Richtung der Haken 26 zunimmt.
2 zeigt einen Einleger 15' in Form von Ringscheibensegmenten 15a, 15b. Dabei ist die Faserstruktur der Ringscheibensegmente 15a, 15b durch Schraffuren angedeutet. Die Ringscheibensegmente 15a, 15b sind so angeordnet, dass diese bezogen auf die Radialrichtung eine gleichartige Ausrichtung der Faserstruktur aufweisen. Hierdurch ergibt sich in Umfangsrichtung eine gewisse Homogenisierung der Faserstruktur am Flansch.
Eine in Umfangsrichtung noch homogenere Faserstruktur lässt sich mittels eines gestickten Einlegers 15 in Form einer Ringscheibe gemäß 3 erzielen. Die Faserstruktur ist dabei wiederum durch eine Schraffur angedeutet. Über eine gestickte Ringscheibe kann gegebenenfalls mittels eines einzigen Einlegers 15 eine nach außen zunehmende Materialdicke erzielt werden.
4 zeigt einen Ausschnitt des Einlegers 15 aus 3 in einer Draufsicht, wie er nach dem Sticken, das in einer Ebene erfolgt, erhalten wird. Hierbei nimmt der Ablegewinkel α₁ der Fasern beim Sticken von innen nach außen zu. Der Ablegewinkel α, welcher als Winkel zwischen dem Verlauf der Fasern und der Radialrichtung der Ringscheibe 15 definiert ist, weist am Innenrand einen kleineren Winkel α₁ und am Außenrad einen größeren Winkel α₂ auf. Wird die Ringscheibe 15 im Bereich des konischen Abschnitts 14 und des Außenumfangsabschnitt 23 appliziert, ergibt aufgrund des zunehmenden Ablegewinkels am späteren Flansch 12 eine nach außen zunehmende Materialaufdickung.
5 zeigt einen weiteren gestickten Einleger 15'' in Ringscheibenform, bei dem wie durch Schraffur angedeutet, im Bereich des Außenrandes eine größere Anzahl von Fasern je Flächeneinhalt als am Innenrand vorgesehen wird, wodurch eine nach außen zunehmende Materialdichte und -dicke vorliegt.
Nach Aufbringung der letzten Wicklungen in Schritt (c) wird in einem weiteren Schritt (d) unmittelbar neben der Fixierung des Fasermaterials an den Haken 26 eine Umfangslage 16 aus Faser- und/oder Elastomermaterial aufgewickelt und damit der Wickelprozess abgeschlossen. Die Umfangslage 16 dient zum Verdichten und zum Stabilisieren des gewickelten Fasermaterials im Bereich des Außenumfangsabschnitts 23 des Spreizrings 22. Hernach wird der Randbereich mit den Haken 26 abgeschnitten, wie dies in Schritt (e) gezeigt ist. Dabei wird ein Teil der Umfangslage 16 mitabgetrennt. Aufgrund des in Richtung der Abzugskante 25 bzw. zylindrischen Abschnitts 21 zunehmenden Außendurchmessers des Spreizrings 22 und der Umfangslage 16 und bleibt das Fasermaterial in seiner Position gehalten.
Anschließend werden in einem weiteren Schritt (f) die am Außenumfangsbereich 23 des Spreizrings 22 befindlichen Abschnitte der Wicklungen über die Kante 25 abgezogen und gegen die axiale Anlagefläche 24 des Spreizrings 22 angelegt, um einen Teilabschnitt eines Flansches 12 zu bilden. Dabei bleibt jedoch der Bereich unter der Umfangslage 26 auf dem Außenumfangsabschnitt 23. Durch das Abziehen über die Kante 25 wird gewährleistet, dass hierbei sämtliche Fasern gestreckt bleiben. Dies ist für eine homogene Faserstruktur von Vorteil. Wie in 1(f) gezeigt, erfolgt das Abziehen vom Außenumfangsabschnitt 23 mittels eines Abstreifers 30, der in Richtung der Anlagefläche 24 des dabei stationären Spreizrings 22 verschoben wird. Der Abstreifer 30 wird durch einen geteilten Block mit einer Mittenöffnung gebildet, deren Durchmesser dem Außendurchmesser des gewickelten Wellenabschnitts 11 entspricht. Beim Verschieben in Richtung der Anlagefläche 24 beaufschlagt der Abstreifer 30 den Zwickel 14 und legt diesen zunächst noch an den zylindrischen Abschnitt 21 des Kerns 20 sowie schließlich an die Anlagefläche 24 des Kerns 20 an. Zum Verschieben des Abstreifers 30 in Richtung des Spreizrings 22 wird an letzterem einem Gegenhalter 31 montiert, welcher über Spindeln 32 mit dem Abstreifer 30 gekoppelt ist. Durch Drehen der Spindeln 32, das manuell oder maschinell erfolgen kann, wird der Abstreifer 30 in Richtung der Anlagefläche 24 gezogen, bis eine vollständige Anlage des gewickelten Fasermaterials am Kern 20 erreicht ist. Der so hergestellte Rohling wird anschließend zum Beispiel durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet und vom Kern 20 getrennt. In die Flansche 12 werden abschließend Befestigungsöffnungen gebohrt. Zudem kann der Außenumfang des Flansches 12 geglättet werden. Eine Bearbeitung der axialen Anlageflächen im Flanschbereich ist hingegen nicht erforderlich
Die mit dem vorstehend erläuterten Verfahren hergestellte Hohlwelle aus Faserverbundwerkstoff zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Faserverbundwellen durch eine verbesserte Faserstruktur im Bereich der Flansche aus. So besitzen die Flansche eine sehr homogene Faserstruktur. Zudem sind die Fasern der Wicklungen im Bereich der Flansche ondulationsfrei gestreckt. Eine Faltenbildung beim Anlegen wird vermieden. Da sich die Wicklungen des Wellenabschnitts 11 in die Flansche 12 fortsetzten ergibt sich eine gute Anbindung der Flansche 12 an den Wellenabschnitt 11. Durch ein oder mehrere Einleger 15, 15' bzw. 15'' aus Fasermaterial, die vorzugsweise gestickt sind, kann die Wanddicke an den Flanschen 12 sehr flexibel eingestellt werden. Insbesondere ist eine konstante Wanddicke möglich. Die Einbettung zwischen den Wicklungen sorgt für einen stabilen Faserverbund.
Das Verfahren zeichnet sich ferner durch einen geringen apparativen Aufwand aus. Eine axiale Verstellmöglichkeit der Spreizringe 22 auf dem zylindrischen Abschnitt 21 ermöglicht eine einfache Anpassung an unterschiedliche Axiallängen. Da jedoch beim Wickeln einer Welle alle für die Innenabmessungen sowie den Axialabstand der Stirnseiten der Welle relevanten Komponenten des Kerns stationär bleiben, kann die Länge der Wellen zwischen den Stirnseiten der Flansche im Voraus sehr exakt eingestellt werden.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Ansprüche definierten Ausgestaltungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006042301 A1 [0002]
- EP 0443470 A1 [0003]
- DE 19544008 A1 [0004]
- WO 98/20263 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit mindestens einem integralen Flansch aus Faserverbundwerkstoff, bei dem – eine Vielzahl von einander kreuzenden Wicklungen (13) aus Fasermaterial auf einen Kern (20) aufgebracht werden, der die Innenkontur eines Wellenabschnitts (11) abbildet, wobei der Kern (20) für jeden Flansch (12) einen radialen Spreizring (20) mit einer axialen Anlagefläche (24) zur Vorgabe der Form einer Stirnwand eines Flansches (12) aufweist, – die Wicklungen (13) über einen Außenumfangsabschnitt (23) des jeweiligen Spreizrings (22) gelegt und fixiert werden, – im Bereich des Spreizrings (22) ein oder mehrere Einleger (15; 15'; 15'') aus Fasermaterial zwischen die Wicklungen (13) eingelegt werden, und – nach Fertigstellung der Wicklungen (13) die Fixierung des gewickelten Fasermaterials gelöst und mittels eines Abstreifers (30) Abschnitte der Wicklungen (13) vom Außenumfangsabschnitt (23) des Spreizrings (22) über eine Kante (25) abgezogen und gegen die axiale Anlagefläche (24) desselben in Anlage gebracht werden, um einen Teilabschnitt eines Flansches (12) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Fertigstellung der Wicklungen (13) und vor dem Lösen der Fixierung des gewickelten Fasermaterials eine Umfangslage (16) auf Abschnitte der Wicklungen (13) am Außenumfangsabschnitt (23) des Spreizrings (22) zum Verdichten und zum Stabilisieren des gewickelten Fasermaterials aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstreifer (30) in Richtung der Anlagefläche (24) des stationären Spreizrings (22) verschoben wird und dabei einen zwischen dem Spreizring (22) und dem Wellenabschnitt (11) des gewickelten Fasermaterials gebildeten Zwickel (14) der Wicklungen (13) beaufschlagt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spreizring (22) verwendet wird, dessen Außendurchmesser in Richtung des Wellenabschnitts (11) des gewickelten Fasermaterials bzw. der späteren Welle zunimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Einleger (15; 15'; 15'') verwendet werden, deren Gesamtdicke in Richtung eines Fasermaterialendes am Spreizring (22) zunimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des bzw. der Einleger (15; 15'; 15'') derart abgestimmt ist, dass der zugehörige Flansch (12) eine konstante Wanddicke aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Einleger (15') in Form von Ringscheibensegmenten (15a, 15b) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein gestickter Einleger (15; 15'') in Form einer Ringscheibe verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere gestickte Ringscheiben als Einleger (15; 15'') verwendet werden, die eine nach außen zunehmende Materialdicke aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere gestickte Ringscheiben als Einleger (15; 15'') verwendet werden, die von innen nach außen einen zunehmenden Ablegewinkel (α) aufweisen, wobei der Ablegewinkel (α) als Winkel zwischen dem Faserverlauf an der Ringscheibe und deren Radialrichtung definiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Hohlwelle (10) durch einen mehrteiligen Kern (20) vorgebbar ist, welcher einen zylindrischen Abschnitt (21) zur Vorgabe der Innenkontur eines Wellenabschnitts (11) und einen hierzu verfahrbaren Spreizring (22) zur Vorgabe der Form der Stirnwand eines Flansches (12) aufweist.
Hohlwelle aus Faserverbundwerkstoff, umfassend einen Wellenabschnitt (11) und ein oder zwei integrale Flansche (12) an den axialen Enden des Wellenabschnitts (11), wobei der Wellenabschnitt (11) und der bzw. die Flansche (12) fortgesetzte Wicklungen (13) aus Fasermaterial aufweisen und im Bereich des bzw. der Flansche (12) ein oder mehrere Einleger (15; 15'; 15'') aus Fasermaterial zwischen den Wicklungen (13) eingebettet sind, derart, dass der bzw. die Flansche eine konstante Wanddicke aufweisen.
Hohlwelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Flansch (12) eine Stirnseite und eine dieser gegenüberliegende Rückseite aufweist und die Stirnseite und die Rückseite jeweils in einer Ebene liegen, die mit der Längsmittelachse (A) des Wellenabschnitts (11) einen Winkel von 90 Grad einschließt.
Hohlwelle nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der Wicklungen (13) im Bereich des bzw. der Flansche (12) gestreckt sind.
Hohlwelle nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Einleger (15; 15'; 15'') eine in Radialrichtung zunehmende Dicke aufweisen.
Hohlwelle nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Flansche (12) in Umfangsrichtung eine homogene Faserstruktur aufweisen.
Hohlwelle nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Einleger (15; 15'') in Form von Ringscheiben vorliegen.
Vorrichtung zur Herstellung einer Hohlwelle aus Faserverbundwerkstoff mit einem Wellenabschnitt (11) und ein oder zwei integralen Flanschen (12) an den axialen Enden des Wellenabschnitts (11), umfassend: – einen Kern (20) mit einem zylindrischen Abschnitt (21), zur Vorgabe der Innenkontur des Wellenabschnitts (11), und mindestens einem radial vom zylindrischen Anschnitt (21) abstehenden Spreizring (22) mit einer axialen Anlagefläche (24) zur Vorgabe der Form einer Stirnwand eines Flansches (12), einem Außenumfangsabschnitt (23) und einer zwischen dem Außenumfangsabschnitt (23) und der Anlagefläche (24) gebildeten Abzugskante (25), – Mittel zur Aufbringung von Wicklungen (13) aus Fasermaterial auf den zylindrischen Abschnitt (21) und einen Außenumfangsabschnitt (23) des Spreizrings (22), und – einen Abstreifer (30) zum Umgreifen des Wellenabschnitts (11), der in Richtung der axialen Anlagefläche (24) des Spreizrings (22) verschiebbar ist, um Abschnitte der Wicklungen (13) vom Außenumfangsabschnitt (23) des Spreizrings (22) über die Kante (25) abzuziehen und gegen die axiale Anlagefläche (24) des Spreizrings (22) anzulegen.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfangsabschnitt (23) des Spreizrings (22) einen in Richtung der Abzugskante (25) zunehmenden Außendurchmesser aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Spreizring (22) gegenüber dem zylindrischen Abschnitt (21) zur Einstellung der Länge des Kerns (20) verfahrbar ist.