DE19909191A1

DE19909191A1 - Zahnrad aus faserverstärkten Kunststoffen und Verfahren zur Herstellung solcher Zahnräder

Info

Publication number: DE19909191A1
Application number: DE1999109191
Authority: DE
Inventors: Axel Herrmann; Lars Herbeck; Joerg Nickel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: DE19909191C2

Abstract

Ein Zahnrad aus faserverstärkten Kunststoffen zeichnet sich dadurch aus, daß erste Langfasern 3 vorgesehen sind, die innerhalb des Zahnradkörpers 1 im wesentlichen senkrecht zu den Zahnflanken ausgerichtet sind und zweite Langfasern 2, die innerhalb des Zahnradkörpers 1 im wesentlichen parallel zu den Zahnflanken 6 ausgerichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad aus faserverstärkten Kunststoffen sowie Verfahren zur Herstellung solcher Zahnräder.

Zahnräder aus faserverstärkten Kunststoffen sind bekannt (Kunststoffe 83 Heft 3, Seiten 221 bis 226, München, Carl Hanser Verlag 1993). Es besteht ein erheblicher Bedarf an leichten und hoch beanspruchbaren Zahnrädern in Leistungsgetrieben. Wenn sich auch Zahnräder aus Kunststoff für viele andere Anwendungen weitgehend durchgesetzt haben, konnten sie sich trotz erheblicher Bemühungen bisher für Leistungsgetriebe noch nicht durchsetzen. Bei einem wesentlichen Anwendungsbereich, nämlich dem Automobilbau, würden sich zwar leichte Zahnräder aus faserverstärkten Kunststoffen besonders nützlich erweisen, weil sie eine Verbrauchseinsparung und damit einhergehende Schadstoffreduzierung zur Folge haben würden, doch dürfen gerade bei diesem Anwendungszweck keine Einschränkungen hinsichtlich Funktion und Ausfallsicherheit hingenommen werden. Derzeit besteht also für Leistungsgetriebe keine echte Alternative zum Werkstoff Stahl. Dennoch dringen faserverstärkte Kunststoffe immer mehr in Festigkeits- und Lebensdauerbereiche vor, die zukünftig eine Verwendung als Zahnradwerkstoff in Leistungsgetrieben um etwa 5 Kilowatt möglich erscheinen lassen. Für den Einsatz in PKW-Getrieben von Klein- und Mittelklassewagen werden jedoch in der Regel übertragbare Leistungen von mindestens 30 kW und mehr gefordert. Zahnräder aus Kunststoffen, auch aus faserverstärkten Kunststoffen mit einer derart hohen Tragfähigkeit existieren derzeit nicht. Erfolgversprechende Konzepte wurden bisher auch nicht in Aussicht gestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zahnrad aus faserverstärkten Kunststoffen zu schaffen, welches hinsichtlich seiner Tragfähigkeit (Zahnfußtragfähigkeit, Flankentragfähigkeit, Gleitverschleißtragfähigkeit, Freßverschleißtragfähigkeit) verbessert ist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sowie Verfahren zur Herstellung solcher Zahnräder sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert. Dadurch wird erreicht, daß ein Zahnrad aus faserverstärkten Kunststoffen herkömmlichen Stahlzahnrädern annähernd gleichkommt, dafür aber erheblich weniger Gewicht aufweist.

Im Prinzip besteht die Erfindung bei einem Zahnrad aus faserverstärkten Kunststoffen darin, daß erste Langfasern vorgesehen sind, die innerhalb des Kunststoffes senkrecht zu den Zahnflanken ausgerichtet sind und zweite Langfasern, die parallel zu den Zahnflanken ausgerichtet sind. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die Fasern aus Kohlenstoffasern, bei denen die für die Verschleißfestigkeit erforderlichen hohen mechanischen Kennwerte jeweils in Faserlängsrichtung vorliegen, während das Verhalten senkrecht dazu vorwiegend von der vergleichsweise geringen Matrixfestigkeit dominiert wird. Die ersten und zweiten Fasern sind daher zur Ausnutzung der Faserfestigkeiten für die jeweilige Beanspruchung orientiert. Ein solches System von ersten und zweiten Fasern kann beispielsweise durch ein Verfahren nach DE 196 29 044 C2 hergestellt werden.

Die Zahnfußtragfähigkeit wird dabei durch einen Anteil von vorzugsweise parallel zur Zahnflanke orientierten zweiten Langfasern gewährleistet, die stets der Zahnkontur folgen, also quer zur Längsrichtung belastet werden. Um die Flankentragfähigkeit sicherzustellen, werden dagegen erste Langfasern senkrecht zur Zahnflanke angeordnet. Für die Flankentragfähigkeit wird das Kriterium der Hertzschen Pressung bei metallischen Werkstoffen zugrunde gelegt.

Bei einem Verfahren zur Herstellung solcher faserorientierter Teile hat sich die Verwendung vorfabrizierter Halbzeuge bewährt, das sind sogenannte Vorformlinge oder Preforms, die stets reproduzierbar und damit qualitätsgesichert vorgefertigt werden können. Sie werden in Formen eingelegt oder eingepaßt und beispielsweise mittels eines durch die DE 195 36 675 C1 bekannten Harzinjektionsverfahrens zu Zahnrädern vervollständigt.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden mehrere Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in

Fig. 1 ein Konstruktionsbeispiel für die Orientierung erster und zweiter Fasern mittels eines RTM (Resin Transfer Moulding)-Verfahrens.

Fig. 2 die Herstellung bzw. die Anordnung eines Zahnradkörpers mit einem Halbzeug, das mit Hilfe einer speziellen Technik erzeugt wird.

Fig. 3 ein Verfahrensbeispiel mit der Zahnform angeschmiegtem vernähten Faserstrang.

Fig. 4 ein Verfahrensbeispiel mit geschichteten Halbzeugen.

In Fig. 1 ist ein Zahnradkörper 1 dargestellt, der aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff besteht. In der Oberfläche dieses Zahnradkörpers verläuft ein unidirektionaler Strang zweiter Fasern 2 von der Breite des Zahnradkörpers 1 und rechteckigen Querschnitts, der der Flankenkontur des Zahnradkörpers 1 folgt. Dieser unidirektionale Faserstrang 2 weist eine lotrecht zur Längsrichtung orientierte erste Faser 3 auf. Der Zahnradkörper 1 unterhalb der Schicht aus unidirektionalen zweiten Fasern 2 und lotrecht zur Oberseite angeordneten ersten Fasern 3 ist beispielsweise aus einem geschichteten Multiaxialgelege 4 und/oder weiteren Fasern aufgebaut, welches beispielsweise selbst speziell geformt bzw. gestanzt ist. Die ersten und zweiten Fasern 3, 2 sind miteinander und ggf. auch mit dem Multiaxialgelege 4 vernetzt. Dadurch wird erreicht, daß die Schichten des Multiaxialgeleges auch bei starken Kräften oder Schlägen nicht oder nur schwer voneinander getrennt werden können.

Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zur Vernähung eines Faserstranges unidirektionaler zweiter Fasern 2 mit senkrecht zu diesen zweiten Fasern 2 angeordneten ersten Fasern 3, mit denen der Faserstrang 2 vernäht wird. Zur vorläufigen Fixierung kann dieser zweite Faserstrang 2 mit einem Binder fixiert sein. Dieser zweite Faserstrang 2 ist vorzugsweise von der Breite des späteren Zahnrades und weist einen rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung und auch bezüglich seiner Oberfläche auf. Die Vernähung des Faserstranges zweiter Fasern 2 erfolgt mit Hilfe der Einseitennähtechnik gem. DE 196 29 044 C2. Damit die ersten Fasern 3 jeweils bis zur Oberseite des Faserstranges zweiter Fasern 2 reichen, ist wenigstens an der Seite, an der später die ersten Fasern 3 der Oberfläche des Zahnrades 1 zugewandt sein oder enden sollen, mit einer Abstandsschicht 5 vor der Stützfläche versehen. Der so durch vorläufige Fixierung und durch die Vernähung verstärkte Faserstrang 2 wird als Bauteil in eine entsprechende Zahnradform eingelegt, so daß der Strang 2 der Flankenkontur folgt. Aufgrund des soweit beschriebenen Aufbaus des Faserstranges sind die zweiten Fasern 2 des Stranges parallel zur Zahnflanke und die die Nähfaden realisierenden ersten Fasern 3 entsprechend senkrecht zur Zahnflanke ausgerichtet. Dadurch wird die gewünschte Orientierung der Fasern 2, 3 zur Sicherstellung einer maximalen Tragfähigkeit erreicht. Der unter dieser im Oberflächenbereich angeordnete Faserstrang 2 liegende Teil des Kunststoffradkörpers 1 wird beispielsweise aus geschichtetem Multiaxialgelege aufgebaut, welches entsprechend dem nach dem Einlegen des Faserstranges verbleibendem Restvolumen geformt bzw. gestanzt ist. Nach dem Einbringen des Faserstranges 2 und des Multiaxialgeleges wird zur vollständigen Herstellung des Zahnradkörpers 1 ein Harzinjektionsverfahren, insbesondere ein Verfahren gemäß der DE 195 36 675 C1 verwendet.

Fig. 3 zeigt einen zur Verdeutlichung bereits vorgefertigten gezeichneten Zahnradkörper 1, dem der Faserstrang 2 mit Vernähung 3 angeschmiegt ist und erst danach vergossen wird. Bei diesem Beispiel sind die ersten Fasern 3 schlaufenförmig ausgebildet, nähern sich der späteren Oberfläche daher nicht exakt senkrecht, sondern in Form von Schlaufen. Die ersten Fasern 3 sind dicht nebeneinander angeordnet, so daß die Schlaufen keine wesentliche Abweichung darstellen. Die runden Verbindungsteile jeweils zweier benachbarter Fasern können vorteilhaft wirken, beispielsweise als Lastverteilung. Wo dies nicht erwünscht ist, können die Kuppen oder Schlaufen durch Stanzen beseitigt werden.

Fig. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Halbzeuges, mit dem eine Form für den Zahnradkörper gefüllt wird. Auf einem Trägergewebe, das in Fig. 4 nicht dargestellt ist, werden Faserstränge 2 schlaufenförmig mit vollständiger Bedeckung des Trägergewebes abgelegt und mittels Sticktechnik oder einem anderen Verfahren fixiert. Die Schlaufen sind dabei so bemessen und so angeordnet, daß jeweils ein Ende an der Nabe des Zahnradkörpers 1 und das andere Ende im Zahnkopf zu Liegen kommt. Die Form der Schlaufen ist dabei so gewählt, daß sie der späteren Zahnflankenkontur entspricht und/oder sich dieser anschmiegt. Auf diese Weise wird eine zahnflankenparallele Faserorientierung zur Sicherstellung der Zahnfußtragfähigkeit erreicht. Ein weiterer Faserstrang 3 wird im Nabenbereich beginnend bis zum Kopfkreisdurchmesser (das ist der Außendurchmesser des Zahnradkörpers) spiralförmig abgelegt und ebenfalls vorzugsweise in Sticktechnik auf der Unterlage fixiert. Im Bereich der späteren Zahnlücken 7 wird das Fasermaterial entfernt, zum Beispiel durch einen Stanzvorgang, so daß im Zahnbereich vorwiegend senkrecht zu den Zahnflanken ausgerichtete erste Fasern enden, die für eine hinreichende Flankentragfähigkeit sorgen. Durch Übereinanderschichten derartiger Halbzeuge lassen sich Zahnradvorformlinge in nahezu beliebiger Breite herstellen, die mittels der oben erwähnten Nähtechnik zusätzlich in Dickenrichtung verstärkt werden können. Dieses Halbzeug bzw. diese Halbzeuge werden wiederum in eine Form eingebracht und unter Verwendung von Harzinjektionsverfahren zu einem vollständigen Zahnrad vervollständigt. Als Form kann das Stanzwerkzeug verwendet werden.

Bei allen vorstehend beschriebenen Varianten kann eine weitere Verbesserung von Flankentragfähigkeit, Gleitverschleißtragfähigkeit und Freßverschleißtrag fähigkeit mit einer geeigneten metallisch, nichtmetallischen oder oxydkeramischen Beschichtung erzielt werden. Mit den soweit beschriebenen faserverstärkten Kunststoffzahnrädern lassen sich für Leistungsgetriebe aufgrund der damit verbundenen Gewichtseinsparungen erhebliche ökonomische und ökologische Vorteile erzielen. Das betrifft vor allem solche Getriebe, die im Fahrzeugbau sowie in der Verkehrstechnik bereits heute allgemein eingesetzt werden. Darüber hinaus lassen sich solche Zahnradkörper für vielfältige Anwendungszwecke realisieren. Als Fasern für die vorstehend genannten Anwendungszwecke haben sich Kohlenstoffasern besonders bewährt.

Bezugszeichenliste

1

Zahnradkörper

2

zweiter Faserstrang mit zweiten Fasern

3

erster Faserstrang mit ersten Fasern

4

weitere Fasern, beispielsweise Multiaxialgelege

5

Abstandsschicht

6

Zahnflanken

7

Zahnlücken

8

Ende der Schlaufe (innen)

9

Ende der Schlaufe (außen)

10

Zahnkopf

Claims

1. Zahnrad aus faserverstärkten Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, daß erste Langfasern (3) vorgesehen sind, die innerhalb des Zahnradkörpers (1) im wesentlichen senkrecht zu den Zahnflanken (6) ausgerichtet sind und zweite Langfasern (2), die innerhalb des Zahnradkörpers (1) im wesentlichen parallel zu den Zahnflanken (6) ausgerichtet sind.

2. Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Langfasern (2, 3) Kohlenstoffasern sind.

3. Zahnrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Langfasern (2, 3) aus einem in Längsrichtung stabilen und in Querrichtung flexiblen Material bestehen.

4. Zahnrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Restvolumen des Zahnradkörpers (1) unterhalb des Zahnflankenbereiches weitere Fasern (4) aufweist.

5. Zahnrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Fasern (4) in Form eines geformten oder gestanzten Multiaxialgeleges geschichtet sind.

6. Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß erste Langfasern (3) und zweite Langfasern (2) miteinander und/oder mit weiteren Fasern (4) vernetzt sind.

7. Zahnrad nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Langfasern (2) einen Faserstrang einer Breite bilden, der gleich oder kleiner ist als die Breite des Zahnrades (1), daß der Faserstrang der Flankenkurve folgt, und daß die ersten Langfasern (3) eine Vernähung des Faserstranges senkrecht zur Oberseite und zur Längsrichtung des Stranges bilden.

8. Zahnrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vernähung eine Einseitennähtechnik ist.

9. Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein von Strängen aus zweiten Fasern (2) schlaufenförmig und flächig bedecktes Trägergewebe vorgesehen ist, daß die Stränge mit dem Trägergewebe durch Sticktechnik verbunden sind, daß Trägergewebe, Faserstränge (2) und Stickereielemente so im Zahnradkörper (1) angeordnet sind, daß die Zahnlücken (7) im wesentlichen radial verlaufen und jeweils ein Ende (8) an der Nabe und das jeweils andere Ende (9) im Zahnkopf (10) liegt, wobei sich die Zahnlücken (7) an die Zahnform anschmiegen.

10. Zahnrad nach Anspruch 7, 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Faserstrang erster Fasern (3) im Zahnradkörper (1) spiralförmig im Nabenbereich beginnend bis zum Kopfkreisdurchmesser angeordnet und sticktechnisch auf der Unterlage befestigt ist, wobei die Fasern (3) im Bereich der Zahnlücken (7) unterbrochen sind und die unterbrochenen Fasern (3) im wesentlichen senkrecht an der Zahnflanke (6) enden.

11. Zahnrad nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fasergewebe im Zahnradkörper benachbart angeordnet sind, bis die vorbestimmte Breite des Zahnradkörpers (1) erreicht ist und zusammen vergossen sind.

12. Zahnrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbart angeordneten Fasergewebe miteinander vernetzt sind.

13. Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Langfasern (2, 3) Endlosfasern sind.

14. Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasergewebe in eine Form für das Eingießen oder Einspritzen des Kunststoffes gelegt werden, daß ein Faserstrang parallel zu den Wandungen der Zahnradflanken orientiert wird und ein anderer Faserstrang senkrecht zu den Zahnflanken.

15. Verfahren zur Herstellung eines Zahnrades nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Form mittels Harzinjektion gefüllt wird.

16. Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein RTM (Resin Transfer Moulding)-Verfahren verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Form, mit der das Gewebe in Zahnradform gebracht wird, zugleich als Gußform dient.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Stirnseiten der Gußform durch eine nachgiebige Schicht abgeschlossen ist, daß innerhalb der Gußform Luft evakuiert wird, Kunststoff mit Druck in die Gußform injiziert wird und von außen Druck auf die nachgiebige Schicht ausgeübt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanken (6) mit abriebfestem Material insbesondere Zirkonoxid, Titanoxid oder dergleichen beschichtet sind.