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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelements mit einer Nabenöffnung aus mehreren Lagen eines Faserkunststoffverbundmaterials, wobei in jeder Lage geradlinig in einer Faserhauptrichtung verlaufende Fasern in ein Matrixmaterial eingebettet sind.
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Maschinenelemente aus einem Faserkunststoffverbundmaterial können im Vergleich zu Maschinenelementen aus Metall ein erheblich geringeres Eigengewicht bei vergleichbaren oder vorteilhafteren mechanischen Eigenschaften wie beispielsweise Festigkeit, Haltbarkeit und Verschleiß aufweisen. Auch aus diesem Grund werden zunehmend Maschinenelemente aus einem für die betreffende Anwendung geeigneten Faserkunststoffverbundmaterial hergestellt.
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Rotationssymmetrische Maschinenelemente wie beispielsweise Wellen, Hohlwellen oder Spannringe können aus einer mit einem Kunststoffmaterial imprägnierten Endlosfaser hergestellt werden, mit der ein Dorn oder ein Kern umwickelt wird. Nicht rotationssymmetrische und insbesondere eine komplexe Formgebung aufweisende Maschinenelemente können aus mehreren Lagen eines vorgefertigten Faserkunststoffverbundmaterials hergestellt werden, die entweder vor oder nach einem Verpressen der einzelnen Lagen miteinander zugeschnitten, bzw. in ein Werkzeug eingebracht werden, um die gewünschte Formgebung des Maschinenelements zu erzeugen.
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Beispielsweise aus
US 4,404,156 ist es bekannt, ein zahnradförmiges Maschinenelement aus einem Stapel übereinander angeordneter, jeweils gesondert hergestellter Lagen aus einem Faserkunststoffverbundmaterial herzustellen, die anschließend in einem Werkzeug erhitzt und verpresst werden. Das aus mehreren miteinander verpressten Lagen bestehende Gebilde wird anschließend mit einer zentralen Bohrung sowie mit einer zahnradförmigen Außenkontur versehen.
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Es hat sich gezeigt, dass ein derart aus mehreren Lagen aus einem Faserkunststoffmaterial hergestelltes Zahnrad für viele Anwendungen eine ausreichende Festigkeit und Haltbarkeit der entlang der äußeren Umfangskontur ausgebildeten Zähne aufweist, jedoch nur bedingt dazu geeignet ist, große Momente auf eine in der zentralen Bohrung angeordnete Welle zu übertragen. Die Verwendung eines derart hergestellten Zahnrads ist demzufolge auf Anwendungsfälle beschränkt, bei denen keine großen Drehmomente von dem Zahnrad aufgenommen und auf eine Welle übertragen werden müssen, die in der zentralen Bohrung angeordnet und festgelegt ist.
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Aus
DE 199 09 191 A1 ist es bekannt, ein Zahnrad aus mehreren Fasergelegen herzustellen, wobei einzelne Faserstränge unterschiedlich ausgerichtet sind und das Zahnrad sowohl senkrecht als auch parallel zu den Wandungen der Zahnradflanken ausgerichtete Faserstränge aufweist. Die Herstellung eines derart ausgestalteten Zahnrads aus Faserkunststoffverbundmaterialien ist aufwendig und kostenintensiv. Eine möglicherweise erhöhte mechanische Festigkeit einzelner Zahnradflanken wirkt sich nicht ohne weiteres auf eine verbesserte drehfeste Verbindung des derart hergestellten Zahnrads mit einer Welle aus, die durch eine zentrale Bohrung in dem Zahnrad geführt wird.
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Um eine möglichst haltbare und große Drehmomente übertragende Anbindung eines Zahnradrings aus einem Faserkunststoffverbundmaterial mit einer durch eine zentrale Ausnehmung verlaufenden Welle zu ermöglichen, ist es beispielsweise aus
US 2013139630 A bekannt, an einer Innenseite eines Zahnradrings aus einem Faserkunststoffverbundmaterial einen Verbindungsring aus Metall stoffschlüssig, bzw. formschlüssig mit dem Zahnradring zu verbinden. Der Verbindungsring aus Metall ermöglicht die Übertragung großer Drehmomente zwischen einer innenliegend angeordneten Welle und dem um den Verbindungsring anliegenden Zahnring. Die Herstellung mehrerer Einzelteile aus unterschiedlichen Materialien und deren Montage ist kosten- und zeitaufwendig. Einige Vorteile eines Zahnrads aus einem Faserkunststoffverbundmaterial wie beispielsweise ein geringes Eigengewicht und eine hohe Laufruhe können bei einer derartigen Kombination mit Metallkomponenten nur teilweise erreicht werden.
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Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelements mit einer Nabenöffnung so auszugestalten, dass mit möglichst geringem Aufwand die Vorteile einer Herstellung des Maschinenelements aus einem Faserkunststoffverbundmaterial kombiniert werden können mit einer möglichst drehfesten bzw. hohe Drehmomente übertragenden Anbindung des Maschinenelements an eine in der Nabenöffnung angeordnete Welle.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei der Herstellung des aus mehreren Lagen eines Faserkunststoffverbundmaterials zusammengesetzten Maschinenelements in jede Lage aus Faserkunststoffverbundmaterial ein Langloch eingebracht wird, dessen Längsachse parallel zu der Faserhauptrichtung verläuft, dass die mehreren Lagen so übereinander angeordnet werden, dass die Faserhauptrichtung von benachbarten Lagen jeweils einen Winkel zwischen 0° und 180° zueinander aufweisen und dass die Mittelpunkte der Langlöcher übereinander angeordnet sind, und dass die übereinanderliegenden Langlöcher mit einem Dorn aufgeweitet werden, so dass eine kreisförmige Nabenöffnung gebildet wird, wenn die mehreren Lagen miteinander verbunden werden. Die mit ihrer Längsachse parallel zu der Faserhauptrichtung ausgerichteten Langlöcher ermöglichen es auf Grund der geringen Breite, nur eine geringe Anzahl von Fasern zu durchtrennen und dennoch eine vergleichweise großflächige Aussparung aus der Lage aus Faserkunststoffverbundmaterial herauszutrennen. Bei dem anschließenden Aufweiten der Langlöcher werden die Langlöcher nahezu ausschließlich quer zu ihrer Längsachse aufgeweitet, so dass die zunächst parallel zu der Faserhauptrichtung ausgerichteten Fasern nicht primär einer Zugbelastung unterworfen werden, sondern im Wesentlichen seitlich ausgelenkt und bei der Verformung des Langlochs seitlich verlagert und zu dem gekrümmten Verlauf verformt werden. Diese durch die Aufweitung der Langlöcher quer zu deren Längsrichtung erzwungene Verformung der einzelnen Lagen und der darin eingebetteten Fasern ist mit einer erheblich geringeren mechanischen Beanspruch der einzelnen Lagen während des Verformungsvorgangs verbunden, als es beispielsweise bei einer vergleichbar großen Aufweitung einer ursprünglich kreisförmigen Aussparung mit einem geringeren Durchmesser der Fall wäre.
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Ein derartig hergestelltes Maschinenelement kann beispielsweise mit einem reibkraftschlüssigen Längspressverband kostengünstig und ausreichend fest an einer Welle oder an einem Stab, bzw. Bolzen festgelegt werden, der durch die Nabenöffnung hindurch angeordnet wird. Die Welle, bzw. der Stab oder der Bolzen können in vorteilhafter Weise ebenfalls aus einem Faserkunststoffverbundmaterial hergestellt sein. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nicht nur einzelne Maschinenelemente, sondern auch aus diesen Maschinenelementen zusammengesetzte komplexe Baugruppen wie beispielsweise Getriebe oder Antriebsstränge vollständig aus Faserkunststoffverbundmaterialien hergestellt werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Breite der Langlöcher einem Radius der Nabenöffnung entspricht. Es hat sich gezeigt, dass durch den anschließenden Vorgang des Aufweitens der Langlöcher eine besonders vorteilhafte Festigkeit des Maschinenelements in einem Umgebungsbereich um die Nabenöffnung ermöglicht wird und gleichzeitig eine zuverlässige Festlegung des Maschinenelements an einer durch die Nabenöffnung verlaufenden Welle erleichtert wird. Durch die Ausbildung von Langlöchern mit einer derartigen Breite in den einzelnen Lagen kann zudem das Risiko erheblich reduziert und gegebenenfalls vollständig ausgeschlossen werden, dass sich bei dem anschließenden Aufweiten der Langlöcher die einzelnen Lagen auf Grund einer übermäßigen Verformung und mechanischen Beanspruchung aufspalten und einzelne Fasern reißen oder beschädigt werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass ein auf diese Weise hergestelltes Maschinenelement besonders vorteilhafte Eigenschaften aufweist, wenn ein Umfang der Langlöcher einem Umfang der Nabenöffnung entspricht.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eignet sich in besonders vorteilhafter Weise für die Herstellung von Maschinenelementen mit einer Nabenöffnung, die einen Durchmesser von mehr als 15 mm aufweist. Es ist besonders vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren so auszugestalten, dass die Breite der in die einzelnen Lagen eingebrachten Langlöcher mehr als 8 mm, vorzugsweise mehr als 10 mm beträgt.
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Um zu vermeiden, dass während der Aufweitung der Langlöcher in einem angrenzenden Nabenrandbereich ein übermäßig großes Volumen von aus benachbarten Schichten verdrängten Masseanteilen ansammelt, ist gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens vorgesehen, dass ein Umfang der Langlöcher so vorgegeben ist, dass bei einem anschließenden Verbinden der einzelnen Lagen der Nabenrandbereich über alle Lagen hinweg vollständig mit Faserkunststoffverbundmaterial ausgefüllt wird. Der Umfang der Langlöcher kann dabei für ein vorgegebenes Maschinenelement entweder experimentell oder durch numerische Simulation bzw. theoretische Abschätzungen ermittelt werden. In vielen Fällen wird der Umfang der Langlöcher größer als der Umfang und kleiner als ein 1,2-facher Umfang der Nabenöffnung sein.
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In Abhängigkeit von den jeweiligen Verwendungszwecken kann auch ein abweichendes Umfangsverhältnis vorteilhaft sein. Das für ein vorgegebenes Maschinenelement bzw. für verschiedene Anwendungsfälle jeweils vorteilhafte Verhältnis des Umfangs der Langlöcher zu dem Umfang der Nabenöffnung kann ebenfalls vorab entweder experimentell oder durch geeignete Simulationen und Berechnungen theoretisch ermittelt werden.
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Für die erfindungsgemäße Herstellung eines derartigen Maschinenelements können je nach Anwendungsfall unterschiedliche geeignete Materialien verwendet werden. So kann das Maschinenelement beispielsweise aus mehreren Lagen mit einem duroplastischen Matrixmaterial hergestellt werden, in welches Glasfasern eingebettet sind.
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Es hat sich gezeigt, dass insbesondere Zahnräder mit einer zentral angeordneten Nabenöffnung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einfach und kostengünstig hergestellt werden können. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass jede Lage mit einer zahnradförmigen äußeren Umfangskontur versehen wird und dass die mehreren Lagen in einer geeigneten Werkzeugform zu einem Zahnrad verbunden werden. Die Anordnung und Ausrichtung der zahnradförmigen äußeren Umfangskontur kann für jede Lage an die Anordnung des Langlochs und die Faserhauptrichtung in der betreffenden Lage angepasst sein, so dass bei einer Anordnung der einzelnen Lagen übereinander, die durch die jeweilige Faserhauptrichtung und die Ausrichtung desbetreffenden Langlochs vorgegeben wird, die äußere Umfangskonturen in axialer Richtung fluchtend und deckungsgleich übereinander angeordnet sind. Auf diese Weise werden eine umfangreiche Nachbearbeitung der Umfangskontur des Zahnrads und eine damit einhergehende Schwächung der mechanischen Stabilität und Abriebfestigkeit der Umfangskontur vermieden
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Im Hinblick auf eine vorteilhafte Verwendung eines derart hergestellten Maschinenelements als Zahnrad oder Getrieberad ist vorgesehen, dass jede Lage Kohlefasern aufweist, die in eine Matrix aus thermoplastischem Kunststoffmaterial eingebettet sind. Durch die Verwendung von Kohlefasern als eingebettete Fasern ergeben sich besonders vorteilhafte Reib- bzw. Gleiteigenschaften der äußeren zahnradförmigen Umfangskontur. Die Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffmaterials und insbesondere eines geeigneten Polyamid-Kunststoffmaterials ermöglicht vorteilhafte Schmierungseigenschaften während einer Nutzung des Zahnrads.
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Die Erfindung betrifft auch ein Maschinenelement mit einer Nabenöffnung, wobei das Maschinenelement mehrere übereinander angeordnete Lagen eines Faserkunststoffverbundmaterials mit in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern aufweist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Fasern in einem Abstand zu der Nabenöffnung jeweils geradlinig in einer Faserhauptrichtung verlaufen, dass Fasern in einem an die Nabenöffnung angrenzenden Nabenrandbereich einen an den Nabenöffnungsrand angepassten gekrümmten Verlauf aufweisen, und dass die Faserhauptrichtungen benachbart angeordneter Lagen einen Winkel zwischen 0° und 180° zueinander aufweisen. Ein derartiges Maschinenelement kann aus mehreren vorgefertigten Lagen einfach und kostengünstig hergestellt werden. Durch die gekrümmte Anordnung von Fasern in dem Nabenrandbereich werden sowohl vorteilhafte mechanische Eigenschaften und insbesondere eine durch die gekrümmt verlaufenden Fasern erhöhte Festigkeit des Zahnrads in dem Nabenrandbereich ermöglicht, als auch eine zuverlässige und große Drehmomente übertragende Verbindung des Zahnrads mit einer durch die Nabenöffnung verlaufenden Welle ermöglicht.
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Die Eigenschaften und Vorteile eines erfindungsgemäßen Maschinenelements werden besonders deutlich, bzw. führen zu besonders günstigen Ergebnissen, wenn das Maschinenelement ein Zahnrad ist. Die einzelnen Lagen können eine zahnradförmige äußere Umfangskontur aufweisen und in geeigneter Weise übereinander angeordnet und miteinander verbunden werden, so dass nach dem Verbinden der Lagen und dem Aufweiten der zentralen Nabenöffnung keine nennenswerte Nachbearbeitung der äußeren Umfangskontur erforderlich wird, um das Zahnrad fertigzustellen.
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Ein Maschinenelement und insbesondere ein Zahnrad mit den vorangehend genannten Merkmalen kann in vorteilhafterweise mit einem vorangehend näher beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens näher erläutert, das in der Zeichnung exemplarisch dargestellt ist. Es zeigt:
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1 eine exemplarische Darstellung von vier vorgefertigten Lagen aus einem Faserkunststoffverbundmaterial, wobei in jeder Lage geradlinig in einer Faserhauptrichtung verlaufende Fasern angeordnet sind und die Faserhauptrichtungen der vier exemplarisch dargestellten Lagen jeweils einen Winkel von 45° zueinander aufweisen,
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2 eine schematische Darstellung der in eine Abbildungsebene projizierten Faserverläufe und der Anordnungen der Langlöcher der übereinander angeordneten Lagen,
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3 eine schematische Darstellung einer Projektion in eine Abbildungsebene von einzelnen exemplarisch herausgegriffenen Fasern aus den verschiedenen Lagen nach dem Aufweiten der Langlöcher und
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4 eine perspektivische Ansicht eines Zahnrads, das aus einem Stapel übereinander angeordneter Lagen gemäß 1 hergestellt ist.
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In 1 sind exemplarisch vier Lagen 1 aus einem Faserkunststoffverbundmaterial dargestellt, die jeweils eine zahnradförmige äußere Umfangskontur 2 aufweisen. In jeder Lage 1 sind Kohlefasern 3 in ein Matrixmaterial 4 aus Polyamid eingebettet, wobei zur Veranschaulichung in jeder Lage 1 lediglich einige wenige Kohlefasern 3 abgebildet sind. Die einzelnen Kohlefasern 3 weisen jeweils einen geradlinigen Verlauf auf und sind parallel zu einer Faserhauptrichtung 5 ausgerichtet, die mit einem Pfeil dargestellt ist. Die einzelnen Lagen 1 können jeweils aus einem handelsüblichen Prepreg mit einer Dicke von üblicherweise weniger als 1 mm hergestellt bzw. ausgestanzt sein.
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In jeder Lage 1 ist jeweils ein mittig angeordnetes Langloch 6 eingebracht bzw. ausgestanzt worden. Das Langloch 6 ist in jeder Lage mit seiner Längsrichtung, der Richtung des größten Abstands von gegenüberliegenden Seitenwänden, parallel zu der Faserhauptrichtung 5 ausgerichtet. Durch die Ausrichtung der Langlöcher 6 in den einzelnen Lagen 1 wird erreicht, dass in jeder Lage 1 nur wenige Kohlefasern 3 durch das Einbringen des Langlochs 6 in die Lage 1 durchtrennt werden müssen. Jedes Langloch 6 weist eine Breite 7 von etwa 20 mm und eine Länge von etwa 50 mm auf. Ein Durchmesser der zahnradförmigen Lage 1 beträgt etwa 100 mm.
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Die einzelnen Lagen 1 werden anschließend übereinander zu einem Stapel angeordnet, wobei Mittelpunkte 8 der Langlöcher 6 entlang einer senkrecht zu der Abbildungsebene gerichteten und in 2 nicht eingezeichneten Mittenachse 9 übereinander angeordnet sind. Die Umfangskonturen 2 der einzelnen Lagen 1 sind dann deckungsgleich übereinander angeordnet. Die Faserhauptrichtungen 5 von zwei benachbarten und übereinander angeordneten Lagen 1 weisen jeweils einen Winkel von 45° oder 90° zueinander auf. In 2 sind die geradlinig verlaufenden Kohlefasern 3 und die Langlöcher 6 der einzelnen Lagen 1 in eine gemeinsame Abbildungsebene projiziert dargestellt.
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In die übereinander angeordneten Langlöcher 6 der Lagen 1 wird ein nicht dargestellter Dorn mit einem in axialer Richtung zunehmenden Durchmesser eingebracht. Mit dem Dorn werden die Langlöcher 6 zu einer in 3 schematisch dargestellten kreisförmigen Nabenöffnung 10 aufgeweitet. Nach dem Aufweiten weist die Nabenöffnung 10 einen Durchmesser von etwa 40 mm auf. Durch den Vorgang des Aufweitens werden die einzelnen Langlöcher 6 jeweils in eine kreisförmige Ausnehmung verformt. Dabei werden die Kohlefasern 3 in einem mit einer gestrichelten Linie angedeuteten Nabenrandbereich 11 leicht verformt, so dass die einzelnen Kohlefasern 3 in dem Nabenrandbereich 11 einen gekrümmten und an einen Nabenöffnungsrand 12 angepassten gekrümmten Verlauf aufweisen. Die durch das Aufweiten der Langlöcher 6 erzwungene Verformung der einzelnen Lagen 1 ist im Wesentlichen auf den Nabenrandbereich 11 beschränkt. Im Abstand zu der Nabenöffnung 10 bzw. dem Nabenrandbereich 11 werden die in dem Matrixmaterial 4 eingebetteten Kohlefasern 3 nicht verformt und behalten ihren geradlinigen Verlauf parallel zu der Faserhauptrichtung 5 bei.
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In 4 ist ein aus mehreren Lagen 1 hergestelltes Zahnrad 13 dargestellt, das an einer durch die Nabenöffnung 10 verlaufenden, in 4 nicht dargestellten Welle festgelegt werden kann. Das aus mehreren Lagen 1 zusammengesetzte Zahnrad 13 ist mit dem vorangehend beschriebenen Verfahren aus Prepregs mit Kohlefasern 3 hergestellt, die in ein Polyamid-Matrixmaterial eingebettet sind. Die Welle kann ebenfalls aus einem geeigneten Faserkunststoffverbundmaterial bestehen. Das in 4 exemplarisch dargestellte Zahnrad 13 weist ein geringes Eigengewicht und damit einhergehend eine geringe träge Masse auf. Das Zahnrad 13 zeichnet sich durch eine hohe Laufruhe und vorteilhafte Gleit- und Schmiereigenschaften während des Betriebs aus. Auf Grund des geringen Eigengewichts können hohe Beschleunigungen des Zahnrads 13 mit einem geringen Energieaufwand erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4404156 [0004]
- DE 19909191 A1 [0006]
- US 2013139630 A [0007]
