DE19707138C2

DE19707138C2 - Gelenkscheibe aus Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE19707138C2
Application number: DE19707138A
Authority: DE
Inventors: Andrew Pollard; Wolfgang Loebel; Russel Osborn; Ludger Schachtrup
Original assignee: GKN Automotive GmbH
Current assignee: GKN Driveline International GmbH
Priority date: 1997-02-22
Filing date: 1997-02-22
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2017-02-23
Also published as: DK172676B1; GB2322428B; GB9803479D0; GB2322428A; DK24298A; US5976662A; DE19707138A1

Abstract

Gelenkscheibe aus Faserverbundwerkstoff in Form eines gleichmäßigen geradzahligen Polygons mit einer Mehrzahl von geraden flexiblen Blattelementen und einer Mehrzahl von winkligen Befestigungselementen, die aus Lamellen aus Faserverbundwerkstoff aufgebaut sind, wobei die Blattelemente an jedem ihrer Enden zumindest über 10% ihrer Länge zunehmende Dicke aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkscheibe aus Faserverbundwerk stoff in Form eines gleichmäßigen geradzahligen Polygons mit einer Mehrzahl von geraden flexiblen Blattelementen und einer Mehrzahl von winkligen Befestigungselementen, die aus Lamellen aus Faserverbundwerkstoff aufgebaut sind. Gemäß dem grundlegen den Aufbau der Gelenkscheiben der genannten Art bestehen diese aus aufeinandergeschichteten Lamellen, die jeweils ein Blatt element und zwei anschließende Befestigungselemente im Umriß abdecken. Ein Aufeinanderschichten einer Mehrzahl dieser Blatt elemente in der genannten Polygonform führt somit zu Befesti gungselementen von doppelter Dicke gegenüber den Blattelementen, da in ersteren die doppelte Anzahl von Lamellen gegenüber letz teren aufeinandergeschichtet sind. Die aus harzgetränktem Gewebe bestehenden einzelnen Lamellen haben hierbei eine Hauptrichtung des Faserverlaufs, der zwischen den einzelnen Lamellen unter schiedlich sein kann. In mittleren Lamellenlagen innerhalb der Blattelemente ist die Hauptfaserrichtung übereinstimmend mit der Längsrichtung der Lamellen, während die äußeren Lagen wechsel weise entgegengesetzte Kreuzungswinkel der Hauptfaserrichtung gegenüber der Längsrichtung des Blattelementes aufweisen.

Gelenkscheiben bzw. Wellenkupplungselemente dieser Art zur Ver bindung von zwei über die Gelenkscheibe zu koppelnden Wellen, die für relativ begrenzte Winkel geeignet sind, sind aus der DE 37 25 957 C1 und der DE 40 33 596 C1 bekannt. Hierbei werden an den mit Schraubenlöchern versehenen Befestigungselementen über dem Umfang wechselweise Flanschteile der einen oder anderen der zu koppelnden Wellen angeschraubt. Während die Befestigungs elemente bzw. verstärkten Augenbereiche im wesentlichen als starr angesehen werden können, unterliegen die Blattelemente bzw. Stegbereiche bei gegeneinander abgewinkelten Wellen einem "S"-Schlag, der von einer Verdrillung überlagert ist. Um Bela stungsspitzen abzubauen, ist bei der erstgenannten DE 37 25 957 C1 bereits vorgeschlagen worden, den Übergang zwischen Steg bereichen und Augenbereichen mit Radien zu versehen; in der DE 40 33 596 C1 ist vorgeschlagen worden, wiederum um Be lastungsspitzen abzubauen, die Befestigungslöcher bezogen auf die Längsmittellinien der Stegbereiche radial nach innen zu versetzen. Die zuvor genannten Wellenkupplungselemente sind weiterhin auf relativ geringe Arbeitswinkel begrenzt. Ausschlag gebend hierfür sind nach wie vor Belastungsspitzen bei gegenein ander abgewinkelten Wellen im Bereich der Übergänge zwischen Blattelementen und Befestigungselementen.

Aus der DE-OS 22 57 903 ist eine Wellenkupplung aus Kunststoff bekannt, bei der stegartige Verdickungen als Befestigungselemen te und laschenartige Teile in Form von Blattelementen vorgesehen sind, deren jeweilige Mittelebenen Winkel miteinander bilden. Die laschenartigen Teile sind von gleichmäßiger Dicke und gehen mit kleinen Übergangsradien in die Verdickungen über.

In der US 5 286 231 wird eine ringförmige Wellenkupplung be schrieben, bei der Befestigungselemente über Segmente verbunden sind, die von den Befestigungselementen ausgehend bis zur Mitte ihrer Länge jeweils abnehmende Dicke und abnehmende Breite ha ben, wobei die Segmente an ihren innenliegenden und außenliegen den Kanten jeweils durch konkave Bogenlinien begrenzt sind.

Die DE-OS 20 01 376 offenbart eine elastische Gelenkscheibe aus gewebeverstärktem Gummi, bei der die zwischen Befestigungsele menten gerade verlaufenden Gewebeeinlagen eine Krümmung in Bezug auf die Mittelebene der Gelenkscheibe haben. Der Gummikörper der Gelenkscheibe ist kreisringförmig.

In der US 1 409 611 ist eine Gelenkscheibe beschrieben, die aus gewebeverstärktem Gummi besteht und aus einzelnen Lagen aufge baut ist. Die einzelnen Lagen ebenso wie die fertige Gelenk scheibe sind vollkommen kreisringförmig und von gleichbleibendem Querschnitt über dem gesamten Umfang.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkscheibe der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß größere Betriebswinkel bei einer vorgegebenen Größe, d. h. einem bestimmten Durchmesser der Gelenkscheibe, schadensfrei gefahren werden können.

Die Lösung hierfür besteht darin, daß die Blattelemente an jedem ihrer Enden zumindest über 10% ihrer Länge zunehmende Dicke und abnehmende Breite aufweisen. In günstiger Ausführung ist vor gesehen, daß die Blattelemente an jedem ihrer Enden über bis zu 30% ihrer Länge zunehmende Dicke aufweisen. In weiterhin vor teilhafter Ausführung wird vorgeschlagen, daß die Blattelemente an jedem ihrer Enden über bis zu 30% ihrer Länge abnehmende Breite aufweisen.

Mit den hiermit beschriebenen Mitteln können die genannten Bela stungsspitzen, die bei Überschreiten eines bestimmten Betriebs winkels zu Beschädigungen führen, abgebaut werden, so daß nun mehr höhere Betriebswinkel zulässig werden. Die zur Abwinkelung der Gelenkscheibe erforderlichen Kräfte nehmen hierbei nur ge ringfügig zu und können in der Regel ohne besondere Maßnahmen an der Wellenlagerung aufgefangen werden.

Durch die abnehmende Breite der Endbereiche wird ein Korrektiv für die zunehmende Dicke der Endbereiche gegeben. Es wird hier durch ein wirksamer Abbau der Belastungsspitzen bewirkt, ohne daß die Blattelemente wesentlich versteift werden. Im Hinblick auf die durch die Blattelemente zu übertragenden Schub- und Zugkräfte werden in dieser Ausgestaltung quasi-isotrope Bela stungszustände eingestellt. Das Material wird hiermit gleich mäßig bis an die zulässigen Belastungsgrenzen beansprucht.

Die abnehmende Breite der Endbereiche der Blattelemente, die sich geradlinig in die Befestigungselemente hin fortsetzen kann, hat weiterhin den Vorteil einer Durchmesserreduzierung des Ge lenkscheibenelementes insgesamt, indem die äußeren Ecken des Polygons beschnitten werden.

Der Aufbau der Blattelemente kann in Aufsicht bevorzugt einen gewissen Versatz nach außen zur jeweiligen Verbindungslinie zwischen den benachbarten Durchgangslöchern haben. Der Aufbau in Bezug auf eine Mittelebene ist bevorzugt symmetrisch.

Für die technische Darstellung der zunehmenden Dicke der End bereiche werden nachstehend verschiedene Konstruktionen vor geschlagen.

Um den gewünschten Verlauf der Dicke der Blattelemente zu erzie len, ist nach einer ersten Ausgestaltung vorgesehen, daß Lamel len abgestufter Länge vorgesehen sind, die in die Befestigungs elemente eingearbeitet sind und sich unterschiedlich weit in die anschließenden Blattelemente erstrecken, um die Endabschnitte zunehmender Dicke zu erzeugen. Nach einer zweiten konstruktiven Ausgestaltung ist vorgesehen, daß Lamellen abgestufter Länge vorgesehen sind, die in die Blattelemente eingearbeitet sind und sich unterschiedlich weit über die anschließenden Befestigungs elemente hinaus erstrecken, um die Endbereiche zunehmender Dicke zu erzeugen. Die Lamellen unterschiedlicher Größe werden hierbei insbesondere symmetrisch zur Mittelebene der Gelenkscheibe ver arbeitet.

Gemäß der erstgenannten Ausführung werden somit zusätzliche Lamellen verwendet, die in Kombination mit Lamellen an sich bekannter Art zur Anwendung kommen. Diese zusätzlichen gegenein ander abgestuften Lamellen können hierbei insbesondere in einem Zwischenschritt zu Keilelementen verpreßt werden, die im Bereich der Befestigungselemente zwischen die Lamellen von überein stimmendem Umriß eingelegt werden. Gemäß der zweiten Ausgestal tungsform werden gegeneinander abgestufte Lamellen verwendet, die wesentlich an der Bildung der Blattelemente selber beteiligt sind und die jeweils über die angrenzenden Befestigungselemente hinaus in die Endbereiche der benachbarten Blattelemente hinein laufen. Vorteilhaft ist hierbei die mögliche Reduzierung der Gesamtzahl der zu verarbeitenden Einzelteile.

Eine bevorzugte Anzahl der Lamellen in den Blattelementen liegt bei 10 Lamellen. Hierbei sollte etwa die Hälfte, also vorzugs weise die inneren sechs Lamellen, einen Hauptfaserverlauf in Richtung der Blattelemente haben, während die insbesondere vier äußeren Lamellen unterschiedliche Kreuzungswinkel gegenüber der Längsrichtung aufweisen können.

Die Einlegekeile, sofern solche verwendet werden, können in geeigneter Ausführung aus sechs unterschiedlich großen Einzella mellen aufgebaut sein. Hierbei sind zwei oder vier derartige Einlegekeile innerhalb der Befestigungselemente in symmetrischer Anordnung zwischen die auch die Blattelemente bildenden Lamellen einzulegen.

Die Unterschiede der einzelnen Lamellen bezüglich ihrer Länge im Verhältnis zur Dicke soll so gewählt werden, daß insgesamt die Dickenzunahme der Endbereiche durch einen Winkel von 1° bis 6° beidseitig zur Mittelebene der Blattelemente beschrieben ist.

Auf die Befestigungselemente werden konzentrisch zu den Schrau benlöchern beidseitig Verstärkungsringe aufgelegt und gemeinsam mit den Lamellen verpreßt, um Verstärkungsaugen zum Schutz gegen Beschädigungen der Gelenkscheibe beim Anschrauben an die wech selseitigen Flansche zu bilden.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkscheibe
a) in Axialaufsicht
b) im Querschnitt
c) in einer Einzelheit aus Fig. 1b in vergrößerter Darstellung;

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkscheibe nach Fig. 1a mit Einzelteilen ihres Aufbaus in einer ersten Aus führung;

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkscheibe nach Fig. 1a mit Einzelteilen ihres Aufbaus in einer zweiten Aus führung;

Fig. 4 zeigt ein Keilelement nach Fig. 2 als Einzelteil in vergrößerter Darstellung
a) in Axialaufsicht
b) im Querschnitt;

Fig. 5 zeigt ein Anflanschelement nach Fig. 2 als Ausschnitt in vergrößerter Darstellung
a) in Axialaufsicht
b) in einem Längsschnitt durch das fertige Erzeug nis
c) in einem Längsschnitt vor dem Verpressen der Einzelteile.

Die Fig. 1a, 1b, 1c werden nachfolgend gemeinsam beschrieben. Eine erfindungsgemäße Gelenkscheibe bildet in Axialaufsicht einen Hexagonzug, der sich zusammensetzt aus rechtwinklig zu ihrer Längsrichtung begrenzten Blattelementen 11 und verstärkten winklig begrenzten Befestigungselementen 12. Die Blattelemente weisen Mittelabschnitte 13 von im wesentlichen konstanter Dicke auf, an die sich beidendig Endabschnitte 14, 15 von zum Ende hin zunehmender Dicke anschließen. In der dargestellten Ausführung haben die Endabschnitte 14, 15 zu den Befestigungselementen hin abnehmende Breite. Der Aufbau der Blattelemente 13 ist leicht nach außen versetzt im Verhältnis zu einer Verbindungslinie 16 zwischen benachbarten Durchgangslöchern 18, wie in Axialaufsicht erkennbar, jedoch im wesentlichen symmetrisch in Bezug auf eine Mittelebene 17, wie in der vergrößerten Einzelheit in Seiten ansicht erkennbar. Die Befestigungselemente 12 weisen gegenüber den Blattelementen 11 größere und im wesentlichen gleichbleiben de Dicke auf, so daß sie als weitgehend starr betrachtet werden können. In den Befestigungselementen 12 sind die Durchgangs löcher 18 angeordnet, mit denen die Befestigungselemente im Umfangssinn abwechselnd an Flanschteilen zu koppelnder Wellen angeschlagen werden können. Um die Durchgangslöcher 18 herum sind verstärkte Augenbereiche 19 ausgebildet. Die Endabschnitte 14, 15 nehmen jeweils etwa 20% der Gesamtlänge eines Blatt elementes 11 ein. Die Zunahme der Dicke ist ausgehend vom Mit telabschnitt 13 stufenlos und im wesentlichen konstant, wobei die Dickenzunahme durch einen Winkel von beidseitig jeweils zwischen 1° und 6° zur Mittelebene 17 eingeschlossen wird. Im Bereich des Anschlusses der Endabschnitte 14, 15 an die Befesti gungselemente 12 sind Übergangsradien 20 vorgesehen.

In Fig. 2 ist oben eine Gelenkscheibe, wie in Fig. 1a dar gestellt, gezeigt, wobei entsprechende Einzelheiten mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Auf die Beschreibung von Fig. 1 wird insoweit Bezug genommen. Unterhalb der Gelenkscheibe sind zwei Lamellen 21, 22 untereinander gleicher Form in Zuordnung zu zwei benachbarten Blattelementen dargestellt. Diese haben je weils eine Form, die den Umriß eines Blattelementes und zweier benachbarter Befestigungselemente abdeckt. Durch ein wechsel weises Aufeinanderschichten dieser Lamellen 21, 22 in der durch Pfeile angedeuteten Zuordnung entstehen Blattelemente 11, die eine erste Anzahl von Lamellen und damit eine erste Dicke, und Befestigungselemente 12, die eine doppelte Anzahl von Lamellen und damit eine doppelte Dicke umfassen. Unterhalb des unteren mittleren Befestigungselementes 12 ist weiterhin ein Keilelement 23 dargestellt, das seinerseits, wie durch zwei Kantenscharen erkennbar, aus einer Mehrzahl von unterschiedlich großen aufein anderliegenden Einzellamellen aufgebaut ist. Diese Einzellamel len, die von unten nach oben zunehmend kleiner werden, führen zu einem Keilelement 23 von zur Mitte hin zunehmender Dicke. Die größte Einzellamelle umfaßt hierbei im Umriß einen Befestigungs bereich 12 und zwei anschließende Endabschnitte 14, 15, die kleinste oben liegende Lamelle im Umriß nur ein Befestigungs element selber. Ein Einfügen von zumindest einem Keilelement 23 zwischen einzelne der Lamellen 21, 22 führt zur Ausbildung der Endabschnitte 14, 15 zunehmender Dicke. In den Lamellen 21, 22 und dem Keilelement 23 sind Stanzlöcher 27-31 vorgesehen, die später die Schraubenlöcher 18 bilden. Als Einzelheit ist weiter hin ein Verstärkungsring 24 dargestellt, der Verstärkungsaugen 19 für die Schraubenlöcher 18 bildet. Nach dem Aufeinander schichten der genannten Einzelteile, die sinngemäß den gesamten Polygonzug bilden, werden die aufeinandergeschichteten Lamellen unter Wärmeeinfluß verpreßt.

In Fig. 3 ist oben eine Gelenkscheibe gemäß der Darstellung in Fig. 1a gezeigt, wobei entsprechende Einzelheiten mit gleichen Bezugsziffern belegt sind. Auf die Beschreibung wird insoweit Bezug genommen. Unterhalb der Gelenkscheibe sind zwei Lamellen pakete 25, 26 dargestellt, die im Umriß jeweils ein Blattelement 11 und zwei anschließende Befestigungselemente 12 überdecken. Wie durch Kantenscharen an ihren Enden gezeigt, sind die Lamel lenpakete aus Lamellen unterschiedlicher Länge aufgebaut, wobei die unterste Lamelle zwei anschließende Befestigungsbereiche und die Endabschnitte der anschließenden Blattelemente abdeckt, während die oberste Lamelle nur ein Blattelement und zwei an schließende Befestigungselement abdeckt. Bei einem Aufeinander legen mehrerer derartiger Lamellenpakete 25, 26 in der durch Pfeile angedeuteten Zuordnung entstehen ähnlich wie beim Aufbau der Gelenkscheibe nach Fig. 2 Blattelemente 11 mit Endabschnit ten 14, 15 zunehmender Dicke.

In den Lamellenpaketen 25, 26 sind Stanzlöcher 32-35 vorgese hen, die später die Schraubenlöcher 18 bilden. Es ist weiterhin ein Verstärkungsring 24 dargestellt, der Verstärkungsaugen 19 für die Schraubenlöcher 18 bildet. Während die Lamellenpakete 25, 26 in der vorstehenden Beschreibung als Einheiten beschrie ben worden sind, ist es auch möglich, die einzelnen Lamellen beider Lamellenpakete abwechselnd aufeinander zu legen, so daß ein zargenartiger Eingriff zwischen den einzelnen Lamellen im Bereich der Befestigungselemente 12 entsteht.

In Fig. 4 ist ein Keilelement 23 gemäß Fig. 2 als Einzelheit in Fig. 4a in axialer Ansicht und in Fig. 4b im Schnitt gemäß der in Fig. 4a eingezeichneten Schnittlinie gezeigt. Es ist erkennbar, daß das Keilelement aus sechs von unten nach oben kleiner werdenden Lamellen 36, 37, 38, 39, 40, 41 besteht, die jeweils so gelocht sind, daß sie gemeinsam das Schraubenloch 31 bilden. Um einen symmetrischen Aufbau der Endabschnitte 14, 15 sicherzustellen, sind zumindest zwei Keilelemente 23 in einem Befestigungselement 12 zu integrieren. Die Dicke der gezeigten Lamellen im Verhältnis zu ihrer Größe ist in Fig. 4b vor dem Verpressen zu einem fertigen Keilelement dargestellt.

In Fig. 5 ist ein Befestigungselement 12 gemäß Fig. 2 ver größert dargestellt, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet werden. Auf die Beschreibung wird insoweit Bezug genommen. In Fig. 5c sind die Einzelteile, die ein Be festigungselement 12 und anschließende Endabschnitte 14, 15 eines Blattelementes 11 bilden, vor dem Verpressen dargestellt. Hierbei sind vier als Einzelteile bereits fertig verpreßte Keil elemente 23 ₁, 23 ₂, 23 ₃, 23 ₄ in symmetrischer Anordnung zwischen einer Mehrzahl von Lamellen 21 ₁-21 ₈ und 22 ₁-22 ₈ angeordnet. Auf die äußeren Lamellen sind jeweils Verstärkungsringe 24 ₁, 24 ₂ aufgelegt. Die Lamellen 21 ₁-21 ₈, 22 ₁-22 ₈ entsprechen in ihrer Umrißform der in Fig. 2 dargestellten. Üblicherweise unterscheiden sie sich jedoch voneinander dadurch, daß ihre Faserverstärkung untereinander unterschiedlichen Faserverlauf hat. Insbesondere sind mittig angeordnete Lamellen durch einen Faserverlauf in durch die Mittellinie 16 gekennzeichneter Längs richtung ausgewiesen, während die außenliegenden Lamellen übli cherweise einen Faserverlauf mit wechselnden Winkeln gegenüber der Mittellängslinie 16 haben. Nach einem Verpressen der in Fig. 5c dargestellten Einzelteile ergibt sich ein Befestigungs element 12 mit anschließenden Blattelementen 11 mit Endbereichen 14, 15 zunehmender Dicke gemäß der Darstellung aus Fig. 5b.

Claims

1. Gelenkscheibe aus Faserverbundwerkstoff in Form eines gleichmäßigen geradzahligen Polygons mit einer Mehrzahl von geraden flexiblen Blattelementen und einer Mehrzahl von winkligen Befestigungselementen, die aus Lamellen aus Fa serverbundwerkstoff aufgebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattelemente (11) an jedem ihrer Enden (14, 15) zumindest über 10% ihrer Länge zunehmende Dicke und ab nehmende Breite aufweisen.

2. Gelenkscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattelemente (11) an jedem ihrer Enden (14, 15) über bis zu 30% ihrer Länge zunehmende Dicke aufweisen.

3. Gelenkscheibe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattelemente (11) an jedem ihrer Enden (14, 15) über bis zu 30% ihrer Länge abnehmende Breite aufweisen.

4. Gelenkscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Lamellen (36-41) abgestufter Länge vorgesehen sind, die in die Befestigungselemente (12) eingearbeitet sind und sich unterschiedlich weit in die anschließenden Blattele mente (11) erstrecken, um die Endabschnitte (14, 15) zuneh mender Dicke zu erzeugen.

5. Gelenkscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Lamellen (25, 26) abgestufter Länge vorgesehen sind, die in die Blattelemente (11) eingearbeitet sind und sich unterschiedlich weit über die anschließenden Befestigungs elemente (12) hinaus erstrecken, um die Endabschnitte (14, 15) zunehmender Dicke zu erzeugen.

6. Gelenkscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Blattelementen (11) mittige Lamellen einen Fa serverlauf in Längsrichtung des Blattelementes haben und äußere Lamellen einen solchen mit einem Winkel zur Längs richtung des Blattelementes.

7. Gelenkscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme der Dicke in den Endabschnitten (14, 15) durch einen Öffnungswinkel von beidseits jeweils zwischen 1° und 6° in Bezug auf die Mittelebene (17) der Blattele mente (11) beschrieben wird.