DE102011109887A1

DE102011109887A1 - Wellenkupplung

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Publication number: DE102011109887A1
Application number: DE102011109887A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Fink Axel; Dr. Hühne Christian
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2013-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellenkupplung mit: einer Antriebs-Befestigungsgabel (12) zur Befestigung an einer Antriebswelle (18), einer Abtriebs-Befestigungsgabel (14) zur Befestigung an einer Abtriebswelle (20) und einer Verbindungsvorrichtung (16), die die Antriebs-Befestigungsgabel (12) mit der Abtriebs-Befestigungsgabel (14) drehfest verbindet und zumindest ein Kupplungselement (22) aufweist, wobei das Kupplungselement (22) ein Verbundwerkstoffelement (24) zur Lastaufnahme umfasst, in zwei Antriebs-Befestigungspunkten (26) mit der Antriebs-Befestigungsgabel (12) und in zwei Abtriebs-Befestigungspunkten (30) mit der Abtriebs-Befestigungsgabel (14) verbunden ist und wobei das eine Verbundwerkstoffelement (24) zumindest zwei Faserlagen (52) an Fasern aufweist, die sich jeweils entlang einer Faserrichtung (R) erstrecken. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Antriebs-Befestigungspunkte (26) und die Abtriebs-Befestigungspunkte (30) auf Ecken eines gedachten Quadrats angeordnet sind und die Faserrichtungen (R) unter einem Faserwinkel von zumindest im Wesentlichen +45° oder von zumindest im Wesentlichen –45° bezüglich einer gedachten Verbindungslinie durch die zwei Antriebs-Befestigungspunkte (26) verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenkupplung mit (a) einer Antriebs-Befestigungsgabel zur Befestigung an einer Antriebswelle, (b) einer Abtriebs-Befestigungsgabel zur Befestigung an einer Abtriebswelle und (c) einer Verbindungsvorrichtung, die die Antriebs-Befestigungsgabel mit der Abtriebs-Befestigungsgabel drehfest verbindet und zumindest ein Kupplungselement aufweist, wobei das Kupplungselement ein Verbundwerkstoffelement zur Lastaufnahme umfasst, in zwei Antriebs-Befestigungspunkten mit der Antriebs-Befestigungsgabel und in zwei Abtriebs-Befestigungspunkten mit der Abtriebs-Befestigungsgabel verbunden ist und wobei das Verbundwerkstoffelement zumindest zwei Faserlagen an Fasern aufweist, die sich jeweils entlang einer Faserrichtung erstrecken.
Wellenkupplungen verbinden im Allgemeinen einen treibenden Teil mit einem angetriebenen Teil und gleichen einen Axialversatz und/oder einen Winkelversatz beider Teile aus. Die Größe des realisierbaren Versatzausgleichs erfordert eine angepasste Konstruktion, die einen drehfreien, sicheren, dauerfesten und komfortablen Betrieb ermöglicht. Wellenkupplungen sind unter anderem im Antriebsstrang von Fahrzeugen eingebaut.
Für den Ausgleich von einem kleinen Axial- oder Winkelversatz haben sich Kupplungselemente etabliert, die fest mit der Antriebs- und Abtriebswelle verbunden sind und keine kinematischen Freiheiten haben, wie beispielsweise bei einer Kardanwelle. Derartige Wellenkupplungen ermöglichen den Ausgleich durch Nachgiebigkeiten. Diese Funktionsweise ruft in der Antriebswelle, der Abtriebswelle und der Verbindungsvorrichtung Sekundärkräfte und mit diesen einhergehende Bauteilbeanspruchungen hervor, die die Größe des ausgleichbaren Versatzes limitieren.
Aus der EP 0 064 151 A1 ist bekannt, einen Faserverbundwerkstoff zu verwenden, um dessen geringen Formwiderstand gegenüber Biegung und die relativ geringen möglichen Biegesteifigkeiten dazu zu nutzen, eine elastische Ankopplung in Achsrichtung bei einer hohen Radial- und Torsionssteifigkeit zu erreichen. Dies wird durch den Einsatz eines hutförmigen Faserverbundelements realisiert, dessen zylindrischer Ansatz koaxial zur Antriebswelle realisiert und dessen Flansch im Außenbereich zur Abtriebswelle verschraubt ist. Nachteilig hieran ist eine recht aufwändige Herstellungsweise, die eine Vielzahl an unterschiedlichen Arbeitsschritten erfordert.
Aus der US 5,286,231 und der DE 22 57 903 sind Gelenkscheiben auf Basis von Elastomerwerkstoffen bekannt, wobei Scheiben in Hexaederform mit sechs Verbindungspunkten verwendet werden, bei denen jeder Verbindungspunkt alternierend mit der Antriebs- bzw. der Abtriebswelle verschraubt ist. Die Verbindung zur Antriebswelle einerseits und zur Abtriebswelle andererseits erfolgt mittels zweier versetzt angeordneter Dreibeine. Ungünstig ist hierbei die geringe Torsionssteifigkeit, die zur sicheren Übertragung hoher Drehmomente wichtig ist.
Aus der DE 10 2004 029 989 A1 ist bekannt, versteifende Fasern in das Elastomer einzubetten, um eine höhere Torsionssteifigkeit zu erzielen.
Aus der DE 40 33 594 C1 ist ein Konzept basierend auf einer formschlüssigen Kraftübertragung in der Scheibe bekannt, deren Realisierung lediglich auf den Einsatz von spritzbaren, unverstärkten oder kurzfaserverstärkten Kunststoffen beschränkt ist.
Aus der DE 197 12 302 C2 ist ein flexibles, scheibenförmiges Wellenkupplungselement bekannt, welches aus sechs radial vorstehenden, über den Umfang gleich verteilten Nasen besteht, die jeweils abwechselnd mit der Antriebswelle und der Abtriebswelle verbunden sind. Nachteilig an der dort beschriebenen Ausführungsform ist, dass in der Scheibenebene keine definierte Lastübertragung und daher beträchtliche Lastumlagerungen stattfinden, was der Lebenserwartung abträglich ist. Zudem bedingt der quasi isotrope Aufbau der Scheibe eine große Biegesteifigkeit, die zu hohen Verstellkräften und einer geringen realisierbaren Ausgleichsbewegung führt.
Aus der DE 31 08 007 C2 ist ein Wellenkupplungselement mit einer sechseckigen Polygonalausführung bekannt. Dieses ist durch eine polygonzugförmige Konzeption mit geraden Verbindungsstegen zwischen den Befestigungsbolzen der treibenden und der angetriebenen Welle charakterisiert, so dass die Drehmomentkräfte zwischen den Befestigungsaugen direkt, ohne Lastumlagerungen weitergeleitet werden. Die Stege sind lamellar ausgeführt und weisen Freiräume zwischen den einzelnen Steglamellen auf zwecks Abminderung der Biegesteifigkeit und einhergehender Verbesserung des Ausgleichsverhaltens.
Ein weiteres Konzept auf Basis der sechseckigen Polygonform mit geraden Stegelementen ist in DE 37 25 957 C1 und DE 40 33 596 C1 beschrieben. Diese Ausführung ist durch den Einsatz dünner Stegbereiche und verstärkter Befestigungsbereiche charakterisiert. Der Aufbau der Scheibe erfolgt durch alternierende Laminierung von Schichtabschnitten in den Stegbereichen; durch Überlappung der Schichtabschnitten in den Verbindungsbereichen wird die lokale Aufdickung zur Aufnahme der Bolzen generiert. Die Laminatkonfiguration ist durch den Einsatz von 0°-Lagen – orientiert in Steglängsrichtung und platziert in Laminatmitte – und ±45°-Schichten gekennzeichnet. Das Konzept zeigt eine recht hohe Komplexität auf, die hohe zeitliche Anforderungen an den Fertigungsprozess setzen und einen Einsatz für hohe Produktionsraten nicht möglich macht. Eine Abwandlung mit optimierter Stegquerschnittsform ist in der DE 197 07 138 C2 beschrieben.
Bekannte, scheibenartig ausgebildete Gelenkelemente aus Faserverbundwerkstoff in Form eines gleichmäßigen, geradzahligen Polygons weisen somit eine viel zu große Komplexität im Aufbau auf, die den Anforderungen der Serienproduktion mit hohen Fertigungsraten nicht gerecht werden können.
Aktuelle Gelenkscheiben aus Faserverbundwerkstoff in Polygonalausführung weisen geschlossene polygonale Ringkonturen auf, bei denen an jedem Eckpunkt eine Verbindung zu den Wellen (wechselweise Antriebswelle und Abtriebswelle) vorgesehen ist. Bei der Drehmomentübertragung ist an jedem Verbindungspunkt somit ein Schenkel der Scheibe auf Zug der anderen auf Druck belastet. Angesichts der dünnen Ausführung der Schenkel ist eine Übertragung von Druckkräften nicht effektiv, so dass das Drehmoment hauptsächlich von dem zugbelasteten Schenkel übertragen wird. Der druckbelastete Schenkel trägt also effektiv nicht mit, erhöht jedoch die Biege- und Drillsteifigkeit des Scheibenelementes, was die Ausgleichfähigkeit des Elementes herabsetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach aufgebautes Wellengelenk anzugeben, das eine hohe Verformbarkeit besitzt.
Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Wellenkupplung, bei der die Antriebs-Befestigungspunkte und die Abtriebs-Befestigungspunkte auf Ecken eines gedachten Quadrats angeordnet sind und die Faserrichtungen unter einem Faserwinkel von zumindest im Wesentlichen +45° oder von zumindest im Wesentlichen –45° bezüglich einer gedachten Verbindungslinie durch die zwei Antriebs-Befestigungspunkte verlaufen.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass sie die Anisotropie von faserverstärkten Kunststoffen nutzt, um eine geringe Platten-Biegesteifigkeit bei hoher Scheibensteifigkeit einzustellen. In anderen Worten wird eine bestimmte Faserorientierung gewählt, bei der das Kupplungselement, das auch als Kupplungsscheibe bezeichnet werden kann, eine geringe Biegesteifigkeit aufweist und gleichzeitig eine hohe Steifigkeit in ihrer Ebene besitzt. Damit kann das Kupplungselement durch elastische Biegedeformation einen Axial- und Beugeversatz ausgleichen, die Lasten aber sicher in ihrer Ebene aufnehmen und weiterleiten. Durch eine besondere quadratische Formgebung der Scheibe kann der Effekt geringer Biegesteifigkeit und höherer Scheibensteifigkeiten erst ausgenutzt werden, und zwar derart, dass über dem gesamten Scheibenbereich ein und dieselbe Faserorientierung vorliegt. In anderen Worten ist es möglich, dass nur ein Faserhalbzeug über dem gesamten Scheibenbereich vorgesehen werden muss. Die Platzierung anders orientierter Lagenabschnitte, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, entfällt, so dass eine schnelle und unkomplizierte Fertigung gewährleistet ist.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Verbundwerkstoffelement insbesondere ein Bauelement aus Faserverbundwerkstoff verstanden, wobei es sich bei dem Faserverbundwerkstoff beispielsweise um glasfaserverstärkten Kunststoff, aramidfaserverstärkten Kunststoff oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff handeln kann.
Unter dem Merkmal, dass die Faserrichtungen unter einem Faserwinkel von zumindest im Wesentlichen 45° angeordnet sind, wird insbesondere verstanden, dass es zwar möglich ist, dass die Faserrichtungen im strengen mathematischen Sinne unter 45° verlaufen, dass aber gewisse Abweichungen tolerierbar sind, beispielsweise von ±5°. Es ist möglich, dass der Laminataufbau des Kupplungselements ausschließlich aus ±45°-Lagen besteht.
Die Fasern sind damit so angeordnet, dass die entsprechenden Faserrichtungen senkrecht und parallel zu fiktiven Verbindungslinien benachbarter Befestigungspunkte verlaufen. Durch diesen Lagenaufbau und die quadratische Grundform resultiert ein und dieselbe Laminatkonfiguration an jedem der Befestigungspunkte sowie entlang einer Wirkungslinie zwischen einem Befestigungspunkt und den jeweils benachbarten Befestigungspunkten.
Im Hinblick auf die in Umfangsrichtung wirkende Kraftkomponente des Drehmoments beim Betrieb der Wellenkupplung liegt bei jedem Befestigungspunkt ein ±45°-Aufbau vor, der optimale Schereigenschaften und Lochleibungseigenschaften und somit optimale Eigenschaften zur Aufnahme von Befestigungsbolzen aufweist, die zur Verbindung des Kupplungselements mit den Befestigungsgabeln eingesetzt werden können. Im Hinblick auf die Lastübertragung in der Scheibe liegt entlang der Wirkungslinie zwischen einem Antriebs-Befestigungspunkt und den beiden benachbarten Abtriebs-Befestigungspunkten ein wirkender 0°/90°-Aufbau vor. Der Faseranteil entlang der fiktiven Verbindungslinie zwischen den Befestigungspunkten leitet die Zug- bzw. die Druckkomponenten des Drehmoments wirksam weiter.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das zumindest ein Kupplungselement in jeder Umgebung der Befestigungspunkte jeweils eine Aufdickung auf. Diese Aufdickung führt zu einer besseren Aufnahme der Last von den Befestigungsgabeln, die beispielsweise über Befestigungsbolzen übertragen werden. Die Materialstärke wird in der Umgebung der Befestigungspunkte so gewählt, dass die Lochleibungsspannung und die Scherspannung im Bereich zulässiger Spannungen liegen. Vorzugsweise nimmt die Dicke des Kupplungselements in Richtung auf die Drehachse des Kupplungselements stetig ab, um die Biegenachgiebigkeit der Scheibe hochzuhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Laminataufbau des Kupplungselements aufeinander gestapelte, rechteckige ±45°-Lagen. Hierbei sind über der Scheibenfläche kontinuierliche Lagen angeordnet, die beispielsweise als Innenlagen und als Decklagen ausgebildet sein können. Weitere Lagen mit einem beispielsweise rechteckigen, insbesondere quadratischen, Ausschnitt in Scheibenmitte können eingebettet sein, die die Aufdickung in den Befestigungsbereichen generieren. Durch eine stufige Ausführung dieser Ausschnitte ist eine progressive Dickenänderung in radialem Abstand von der Drehachse erzeugbar.
Vorteilhaft ist, dass das Verbundwerkstoffelement durch Presstechnik hergestellt sein kann. Zur Herstellung können entsprechend gestaltete Stempelwerkzeuge eingesetzt werden, was hohe Fertigungsraten und eine endkonturnahe Fertigung der Scheiben ermöglicht.
Günstig ist, dass die Verbindungsvorrichtung aus mehreren gleich aufgebauten, aneinander gereihten und in gleicher Anordnung miteinander verbunden Kupplungselementen aufgebaut sein kann. Da bei Kupplungselementen mit dünnen Wandstärken die Fähigkeit jedes einzelnen Kupplungselements abnimmt, Drucklasten aufzunehmen, so dass die entsprechende Komponente der Last an den Befestigungspunkten anliegt, sind die Befestigungsgabeln in diesem Fall so ausgelegt, dass sie die entsprechend höheren Kräfte aufnehmen können.
Es ist günstig, wenn jedes Kupplungselement durch Passbolzen mit der jeweiligen Befestigungsgabel verbunden ist. Es ergibt sich so ein besonders robuster Aufbau.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Verbindungsvorrichtung zumindest zwei Kupplungselemente auf, die in einer zueinander verdrehten versetzten Anordnung miteinander geschaltet sind, wobei die Antriebs-Befestigungsgabel und die Abtriebs-Befestigungsgabel mit den zumindest zwei Kupplungselementen verbunden sind. Hierdurch liegen dann je vier Befestigungspunkte für die Antriebs-Befestigungsgabel vor. Die Lasten an den Befestigungspunkten halbieren sich, so dass eine etwaig vorhandene lokale Aufdickung im Befestigungsbereich reduziert werden kann. Hieraus folgen eine vorteilhafte Reduktion der Biegelasten im Befestigungsbereich und eine Zunahme der Nachgiebigkeit des Verbundwerkstoffelements. Die strukturelle Gesamtsteifigkeit der Wellenkupplung nimmt jeden aufgrund der Parallelschaltung der Kupplungselemente zu, so dass sich beide Effekte unter Umständen gegenseitig aufheben. Vorteilhaft an der Parallelschaltung ist zudem, dass sie zu einem regelmäßig kinematisch Verhalten und damit zu einem ruhigen dynamischen Verhalten der Bewegungsübertragung führt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine erfindungsgemäße Wellenkupplung mit einem scheibenförmigen Kupplungselement,
2 zwei Ansichten des scheibenförmigen Kupplungselements gemäß 1,
3 eine Schnittansicht des scheibenförmigen Kupplungselements senkrecht zur Scheibenebene,
4 eine modifizierte Ausführungsform eines Kupplungselements für eine erfindungsgemäße Wellenkupplung,
5 den Belastungszustand des Kupplungselements beim Betrieb der Wellenkupplung,
6 die Deformation im Laschenbereich des Kupplungselements bei Belastung,
7 den halben Schichtaufbau des Kupplungselements,
8 eine Draufsicht auf das Kupplungselement mit einigen versetzt angeordneten Faserlagen sowie kontinuierlichen Lagen,
9 eine erfindungsgemäße Wellenkupplung gemäß einer zweiten Ausführungsform, bei der zwei Kupplungselemente parallel geschaltet sind,
10 eine Explosionszeichnung der Wellenkupplung nach 9 und
11 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenkupplung, bei der die Verbindungsvorrichtung zumindest zwei, im vorliegenden Fall nämlich drei Kupplungselemente aufweist.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Wellenkupplung 10 mit einer Antriebs-Befestigungsgabel 12, einer Abtriebs-Befestigungsgabel 14 und einer Verbindungsvorrichtung 16, die die Antriebs-Befestigungsgabel 12 mit der Abtriebs-Befestigungsgabel 14 drehfest verbindet. Die Antriebs-Befestigungsgabel 12 ist an einer Antriebswelle 18 befestigt, die Abtriebs-Befestigungsgabel 14 an einer Abtriebswelle 20.
Die Verbindungsvorrichtung 16 besitzt ein Kupplungselement 22, das im vorliegenden Fall durch ein Verbundwerkstoffelement 24 gebildet ist. Es ist auch möglich, dass das Kupplungselement neben dem Verbundwerkstoffelement 24 weitere Elemente umfasst, beispielsweise Hülsen für die weiter beschriebenen Löcher des Verbundwerkstoffelements 24. Das Kupplungselement 22 ist in einem ersten Antriebs-Befestigungspunkt 26.1 und in einem zweiten Antriebs-Befestigungspunkt 26.2 mit der Antriebs-Befestigungsgabel 12 verbunden. Zur Verbindung dienen zwei Bolzen 28.1, 28.2. Das Kupplungselement 22 ist zudem in zwei Abtriebs-Befestigungspunkten 30.1, 30.2 mittels Bolzen 28.3, 28.4 mit der Abtriebs-Befestigungsgabel 14 verbunden. Die Befestigungspunkte 28, 30 (Bezugszeichen ohne Zählsuffix bezeichnen das Objekt als solches) bilden ein Quadrat.
In 1 verläuft eine Drehachse A₁₈ der Antriebswelle 18 kollinear zu einer Drehachse A₂₀ der Abtriebswelle 20. Ein axialer Versatz oder ein Winkelversatz von Antriebwelle A₁₈ zur Abtriebswelle A₂₀ ruft eine Verformung des Kupplungselements 22 hervor.
2 zeigt zwei Ansichten des Kupplungselements 22 in Form des Verbundwerkstoffelements 24. Im rechten Teilbild ist zu erkennen, dass Verbundwerkstoffelement 24 in jeder Umgebung der Befestigungspunkte 26.1, 26.2, 30.1, 30.2 jeweils eine Aufdickung 32.1, 32.2, 32.3, 32.4 aufweist.
3 zeigt eine Schnittansicht des Verbundwerkstoffelements 24, das das Kupplungselement 22 bildet. Es ist zu erkennen, dass eine Dicke d in Abhängigkeit von einem Abstand r von einer Drehachse A₂₂ mit zunehmendem Abstand zunimmt. 3 zeigt zudem Löcher 38.1, 38.3 an den Befestigungspunkten, durch die in 3 nicht gezeigte Bolzen greifen, um das Kupplungselement 22 an den Befestigungsgabeln zu befestigen.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Kupplungselements 22, das in der Mitte eine Ausnehmung 34 aufweist. Die Ausnehmung 34 ist zentrisch in einer Umgebung der Drehachse A₂₂ ausgebildet und verringert die Masse des Kupplungselements 22.
5 zeigt schematisch den Belastungszustand des Kupplungselements 22. Ein Drehmoment M → bewirkt eine erste Kraft F →₁ (40.1), die im ersten Antriebs-Befestigungspunkt 26.1 am Bolzen 28.1 angreift, sowie eine zweite Kraft F₂ (40.2), die am Bolzen 28.2 angreift. Es ist ersichtlich, dass eine erste Faserrichtung R1 und eine zweite Faserrichtung R2 unter jeweils +45° bzw. –45° zu den Wirkungslinien der Kräfte 40.1, 40.2 verlaufen. Die Wirkungslinien der Kräfte können auch als Richtungen der Kräfte bezeichnet werden. In anderen Worten verlaufen die Faserrichtungen R1, R2 unter einem Winkel von 0° oder 90° zu gedachten Verbindungslinien 42.1, 42.2, 42.3, 42.4, die benachbarte Befestigungspunkte miteinander verbinden.
Dieser Laminataufbau des Verbundwerkstoffelements 24 besitzt eine hohe Lochleibungsfestigkeit und eine hohe Scherfestigkeit, die für die Bolzenverbindungsfestigkeit von ausschlaggebender Bedeutung sind. Die Wechselwirkung zwischen der Aktionslast an einem der Befestigungspunkte 26.1, 26.2 und der Reaktionslast an den beiden benachbarten Befestigungspunkten 30.1, 30.2, erfolgt entsprechend eines Fachwerkschemas, wie anhand der Verbindungslinien 40 angedeutet ist.
Die Verbindungslinien 42 stellen die Wirkungslinien der Kraftkomponenten im Verbundwerkstoffelement dar. Es ist ersichtlich, dass ein Bereich der Scheibe auf Druck, ein anderer auf Zug beansprucht wird. Entlang der Wirkungslinie 42 liegt, wie oben bereits ausgeführt, ein 0°/90°-Aufbau vor, dessen 0°-Lagen die Lastaufnahme übernehmen. Bei dünnen Wandstärken, von beispielsweise unter 3 mm und großen elastischen Deformationen des Kupplungselements ist die Aufnahme von Druckkräften in der Scheibe jedoch eingeschränkt. Insbesondere in diesem Fall und im verformten Zustand der Scheibe übernimmt die entsprechende Befestigungsgabel die stützende Funktion des auf Zug beanspruchten Bereichs des Kupplungselements und trägt eine Komponente der Last in radialer Richtung. Die Deformation des Kupplungselements als Ausgleich des axialen oder winkligen Versatzes erfolgt aus der Ebene heraus durch Biegung eines Laschenbereichs 44, der für den ersten Antriebs-Befestigungspunkt 26.1 in 5 eingezeichnet ist.
6 zeigt die Deformation am Laschenbereich 44 aus 5, die um eine Biegeachse 46 erfolgt. Die Plattenbiegesteifigkeit ist angesichts des bezüglich dieser Biegeachse 46 wirkenden ±45°-Aufbaus gering. Die Befestigung am Befestigungspunkt 26.1 ruft Querkäfte 48 und Biegemomente 50 hervor.
7 zeigt den halben Schichtaufbau des Verbundwerkstoffelements 24. Es ist zu erkennen, dass das Verbundwerkstoffelement 24 mehrere Faserlagen 52.1, 52.2, ... aufweist. Jede Faserlage 52 besitzt eine ±45°-Ausrichtung, die durch das jeweilige Kreuz dargestellt ist. Zwischen zwei Decklagen, im vorliegenden Fall 52.1 und 52.7, werden Lagen 52.2, ..., 52.6 angeordnet, die je eine quadratische Ausnehmung 34 aufweisen. Durch stufige Ausführung der Ausnehmung 34 kann eine progressive Abnahme der Wandstärke in Richtung auf den Mittelpunkt der Ausnehmung, dass heißt in Richtung auf die spätere Drehachse zu erzeugt werden.
8 zeigt eine Draufsicht auf das Verbundwerkstoffelement 24 mit einigen versetzt angeordneten Lagenabschnitten 54.1, 54.2, 54.3 sowie kontinuierlichen Faserlagen 56.
9 zeigt eine erfindungsgemäße Wellenkupplung 10 mit einem ersten Kupplungselement 22.A und einem zweiten Kupplungselement 22.B. Im Folgenden sind alle Objekte, die zum ersten Kupplungselement gehören, mit dem Suffix „.A” bezeichnet, alle zum zweiten Kupplungselement gehörenden Objekte mit dem Suffix „.B”. So tragen die Antriebs-Befestigungspunkte des ersten Kupplungselements 22.A die Bezugszeichen 26.1.A und 26.2.A. Die Abtriebs-Befestigungspunkte des ersten Kupplungselements 22.A tragen die Bezugszeichen 30.1.A und 30.2.A. Entsprechendes gilt für die Befestigungspunkte des zweiten Kupplungselements 22.B. Es ist zu erkennen, dass die Antriebs-Befestigungspunkte 26.1.A und 26.1.B einerseits sowie 26.2.A und 26.2.B andererseits jeweils um einen kleinen Azimut-Winkelversatz bezüglich der Ebene des Kupplungselements von 45° voneinander beabstandet liegen.
10 ist eine Explosionsdarstellung der Konfiguration aus 9 mit den parallel geschalteten und zueinander verdreht und versetzt angeordneten Kupplungselementen 22.A und 22.B. Der Winkelabstand zwischen beiden Kupplungselementen ist so gewählt, dass sie bei elastischen Deformationen nicht miteinander kollidieren.
In anderen Worten zeigt 10 eine Verbindungsvorrichtung, bei der zumindest zwei Kupplungselemente in einer zueinander verdrehten und versetzten Anordnung miteinander parallel geschaltet sind, wobei die Antriebs-Befestigungsgabel und die Abtriebs-Befestigungsgabel mit zumindest zwei Kupplungselementen verbunden sind.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenkupplung 10, wobei die Verbindungsvorrichtung 16 aus mehreren gleich aufgebauten, aneinander gereihten und in identischer Anordnung miteinander verbundenen Kupplungselementen 22.A, 22.B und 22.C aufgebaut ist. Dieser Aufbau erhöht die Flexibilität der Verbindungsvorrichtung und verringert die Biegespannungen an den Befestigungsbereichen. Die aus dem Drehmoment sich ergebende Last an jedem Befestigungspunkt wird auf alle Kupplungselemente verteilt.
Bezugszeichenliste

10: Wellenkupplung
12: Antriebs-Befestigungsgabel
14: Abtriebs-Befestigungsgabel
16: Verbindungsvorrichtung
18: Antriebswelle
20: Abtriebswelle
22: Kupplungselement
24: Verbundwerkstoffelement
26: Antriebs-Befestigungspunkt
28: Bolzen
30: Abtriebs-Befestigungspunkt
32: Aufdickung
34: Ausnehmung
38: Loch
40: Kraft
42: Verbindungslinien
44: Laschenbereich
46: Biegeachse
48: Querkraft
50: Biegemoment
52: Faserlage
54: Lagenabschnitt
56: kontinuierliche Faserlage
d: Dicke
r: Abstand von der Drehachse
A: Drehachse
M →: Drehmoment
R1, R2: Faserrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0064151 A1 [0004]
US 5286231 [0005]
DE 2257903 [0005]
DE 102004029989 A1 [0006]
DE 4033594 C1 [0007]
DE 19712302 C2 [0008]
DE 3108007 C2 [0009]
DE 3725957 C1 [0010]
DE 4033596 C1 [0010]
DE 19707138 C2 [0010]

Claims

Wellenkupplung mit: (a) einer Antriebs-Befestigungsgabel (12) zur Befestigung an einer Antriebswelle (18), (b) einer Abtriebs-Befestigungsgabel (14) zur Befestigung an einer Abtriebswelle (20) und (c) einer Verbindungsvorrichtung (16), die – die Antriebs-Befestigungsgabel (12) mit der Abtriebs-Befestigungsgabel (14) drehfest verbindet und – zumindest ein Kupplungselement (22) aufweist, (d) wobei das Kupplungselement (22) – ein Verbundwerkstoffelement (24) zur Lastaufnahme umfasst, – in zwei Antriebs-Befestigungspunkten (26) mit der Antriebs-Befestigungsgabel (12) und – in zwei Abtriebs-Befestigungspunkten (30) mit der Abtriebs-Befestigungsgabel (14) verbunden ist und (e) wobei das eine Verbundwerkstoffelement (24) zumindest zwei Faserlagen (52) an Fasern aufweist, die sich jeweils entlang einer Faserrichtung (R) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass (f) die Antriebs-Befestigungspunkte (26) und die Abtriebs-Befestigungspunkte (30) auf Ecken eines gedachten Quadrats angeordnet sind und (g) die Faserrichtungen (R) unter einem Faserwinkel von zumindest im Wesentlichen +45° oder von zumindest im Wesentlichen –45° bezüglich einer gedachten Verbindungslinie durch die zwei Antriebs-Befestigungspunkte (26) verlaufen.
Wellenkupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (22) in jeder Umgebung der Befestigungspunkte jeweils eine Aufdickung (32) aufweist.
Wellenkupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsvorrichtung (16) aus mehreren identischen, aneinander gereihten und in identischer Anordnung miteinander verbundenen Kupplungselementen (22) aufgebaut ist.
Wellenkupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsvorrichtung (16) zumindest zwei Kupplungselemente (22) aufweist, die in einer zueinander verdrehten und versetzten Anordnung miteinander parallel geschaltet sind, wobei die Antriebs-Befestigungsgabel (12) und die Abtriebs-Befestigungsgabel (14) mit den zumindest zwei Kupplungselementen (22) verbunden sind.
Wellenkupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (18) und die Abtriebswelle (20) einen Winkelversatz und/oder einen Axialversatz haben.
Wellenkupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (22) eine zentrische Ausnehmung (34) hat.
Wellenkupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das zumindest eine Verbundwerkstoffelement (24) mehrere Faserlagen (52) an Fasern aufweist, – wobei die Faserlagen Ausnehmungen (34) verschiedener Größe aufweisen, so dass eine Dicke des Verbundwerkstoffelements (24) mit zunehmendem Abstand von einem Schwerpunkt zunimmt.
Fahrzeug, insbesondere Landfahrzeug, mit einer Wellenkupplung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.