DE29708324U1 - Power transmission shaft made of fiber-reinforced plastic - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftübertragungswelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a power transmission shaft according to the preamble of claim 1.
Durch druckschriftlich nicht näher belegbare offenkundige Benutzung ist eine derartige Kraftübertragungswelle als Antriebswelle für Schiffsantriebe bekannt. Zur Drehmomentübertragung zwischen der Hohlwelle und den an ihren Enden angebrachten Anschlußstücken dient eine Vielzahl von radial sowie mit gleichmäßigen Umfangsabständen angeordneten Paßbolzen, deren Schäfte jeweils das Rohrende sowie den zugeordneten Hülsenabschnitt des Anschlußstücks durchgreifen und in Segmente eingeschraubt sind, die innen im Hülsenabschnitt angeordnet sind.Due to obvious use, which cannot be documented in detail in printed documents, such a power transmission shaft is known as a drive shaft for ship propulsion systems. A large number of radially arranged fitting bolts with even circumferential spacing serve to transmit torque between the hollow shaft and the connecting pieces attached to its ends. The shafts of these bolts each pass through the pipe end and the associated sleeve section of the connecting piece and are screwed into segments that are arranged inside the sleeve section.
Diese recht aufwendige Bauweise setzt paßgenau zusammenwirkende zylindrische Bohrungen und Bolzen voraus, um die Verbindung spielfrei zu halten, was für den einwandfreien Betrieb einer Antriebswelle eine unab-This rather complex design requires precisely fitting cylindrical bores and bolts to keep the connection free of play, which is an essential requirement for the smooth operation of a drive shaft.
Centa-Antriebe Kirschev**GmüH ·· Centa drives Kirschev**GmüH ··
dingbare Voraussetzung ist. Die aufgrund der Schraubverspannung der jeweiligen Paßbolzen über deren Köpfe auf den Außenmantel der Hohlwelle einwirkenden erheblichen Kräfte können zu lokalen Beeinträchtigungen und Beschädigungen des Rohrmantels führen, sofern nicht besondere und aufwendige Gegenmaßnahmen ergriffen werden, beispielsweise durch Anordnung von radialen Paßhülsen, an deren nach außen weisenden Stirnflächen sich die Köpfe der Paßbolzen abstützen könnten.is a prerequisite. The considerable forces acting on the outer casing of the hollow shaft due to the screw tension of the respective fitting bolts via their heads can lead to local impairments and damage to the pipe casing unless special and complex countermeasures are taken, for example by arranging radial fitting sleeves on whose outward-facing faces the heads of the fitting bolts could rest.
Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Kraftübertragungswelle der vorausgesetzten Art vorzuschlagen, die mit einfacheren als den bekannten Mitteln eine spielfreie Verbindung zwisehen Hohlwelle und Anschlußkörper garantiert, die in die Struktur des faserverstärkten Rohres nur minimal eingreift und deshalb dessen Festigkeit praktisch nicht beeinträchtigt.The present invention is based in particular on the object of proposing a power transmission shaft of the type specified which, using simpler means than those known, guarantees a play-free connection between the hollow shaft and the connecting body, which only minimally intervenes in the structure of the fiber-reinforced pipe and therefore practically does not impair its strength.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ist dementsprechend dadurch gekennzeichnet, daß die Bolzen aus Konusstiften bestehen, die radial von außen her in die zuvor entsprechend konisch ausgearbeiteten Bohrungen von Hülsenabschnitt und Rohr eingetrieben und in ihrer Endlage durch wenigstens ein Sicherungsmittel festgehalten sind.The invention solves this problem with the features of claim 1 and is accordingly characterized in that the bolts consist of conical pins which are driven radially from the outside into the previously correspondingly conical bores of the sleeve section and tube and are held in their final position by at least one locking means.
Aufgrund der Konizität der Konusstifte und derDue to the conicity of the conical pins and the
entsprechenden Konizität der die Stifte aufnehmenden Bohrungen von Hülsenabschnitt und Rohr ergibt sich zum einen der Vorteil, daß die Verbindung beschädigungsfrei zu montieren ist. Eine spielfreie Verbindung ergibtThe corresponding conicity of the holes in the sleeve section and the tube that accommodate the pins results in the advantage that the connection can be installed without damage. A play-free connection results in
Centa-Antriebe Kirsche^'GeftJHCenta drives Cherry^'GeftJH
sich dabei durch das Eintreiben der Konusstifte von selbst, wohingegen eine zylindrische spielfreie Verbindung nur mit Hilfe aufwendiger Paßsitze erreichbar ist. Demgegenüber können die konischen Bohrungen im Hülsenabschnitt und im Rohrende leicht durch konisches Aufreiben einer zylindrischen Bohrung hergestellt werden.This occurs automatically by driving in the conical pins, whereas a cylindrical, play-free connection can only be achieved with the help of complex fitting seats. In contrast, the conical holes in the sleeve section and in the pipe end can easily be produced by conical reaming of a cylindrical hole.
Beim Eintreiben der Konusstifte in die entsprechend konischen Bohrungen ist es ausgeschlossen, daß die Lochlaibung beschädigt werden könnte. Die axial gerichteten Eintreibkräfte wirken vorteilhaft in Radialrichtung auf die Lochlaibung, also als Druckkräfte ein, die die Struktur insbesondere des faserverstärkten Rohres nicht verletzen können.When driving the conical pins into the corresponding conical holes, it is impossible for the hole reveal to be damaged. The axially directed driving forces act advantageously in the radial direction on the hole reveal, i.e. as compressive forces that cannot damage the structure of the fiber-reinforced pipe in particular.
Eine besondere Sicherung der Konusstifte in ihrer Endlage soll unter allen Umständen vermeiden, daß die Konusstifte unter Einfluß der betriebsmäßigen Zentrifugalkräfte aus ihrer bestimmungsgemäßen Montageposition gerissen werden könnten.A special securing of the conical pins in their end position should under all circumstances prevent the conical pins from being torn from their intended mounting position under the influence of operational centrifugal forces.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie zweckmäßige Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Sie verstehen sich im übrigen am besten aus der nachfolgenden Beschreibung anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen zeigen:Further embodiments of the invention and useful further developments are the subject of the subclaims. They are best understood from the following description based on two exemplary embodiments shown in the drawings. In the drawings:
Fig. 1 einen schematischen Halb-Längsschnitt durch den Verbindungsbereich zwischen einer Hohlwelle undFig. 1 shows a schematic half-longitudinal section through the connection area between a hollow shaft and
einem Anschlußstück entsprechend einer ersten Aus führungs form,a connecting piece according to a first embodiment,
Centa-Antriebe Kirschey**GraMl ·· ·.«. ..Centa drives Kirschey**GraMl ·· ·.«. ..
Fig. 2 die einzelnen Elemente aus Fig. 1 in einer Explosionsdarstellung undFig. 2 the individual elements from Fig. 1 in an exploded view and
Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform.Fig. 3 is a sectional view of a second embodiment corresponding to Fig. 1.
Eine in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnete Kraftübertragungswelle umfaßt ein aus faserverstärktem, insbesondere kohlefaserverstärktem Kunststoff - CFK bestehendes Rohr 11 und jeweils ein an jedem Rohrende 11a befestigtes Anschlußstück 12. In den Figuren ist nur jeweils ein Rohrende 11a mit einem Anschlußstück 12 bezeichnet. Am anderen Rohrende kann ein gleichgestaltetes oder in der Form auch abweichendes zweites Anschlußstück vorgesehen sein.A power transmission shaft, designated as a whole by 10, comprises a tube 11 made of fiber-reinforced plastic, in particular carbon fiber-reinforced plastic - CFRP, and a connecting piece 12 attached to each tube end 11a. In the figures, only one tube end 11a is designated with a connecting piece 12. A second connecting piece of the same design or a different shape can be provided at the other tube end.
Die Anschlußstücke dienen zum mittelbaren oder unmittelbaren Anschluß der Kraftübertragungswelle an antreibende und angetriebene Aggregate, wie z.B. Motorschwungrad, Getriebeflansch, Schiffsschraube od.dgl. Das Rohr 11 stellt dabei eine um die Längsmittel- oder Systemachse A rotierende Hohlwelle dar, deren Wandstärke in an sich bekannter Art und Weise im Bereich des Rohrendes 11a gegenüber dem sonstigen Rohr verstärkt ist.The connecting pieces are used for the indirect or direct connection of the power transmission shaft to driving and driven units, such as engine flywheel, gearbox flange, ship's propeller or the like. The tube 11 represents a hollow shaft rotating around the longitudinal center or system axis A, the wall thickness of which is reinforced in a known manner in the area of the tube end 11a compared to the rest of the tube.
Das Anschlußstück 12 nach Fig. 1 weist einen zur Rotationsachse A konzentrischen Hülsenabschnitt 12a auf, der in das Rohrende 11a eingepaßt ist. Der Fügespalt 13 zwischen dem Rohrende 11a und dem Hülsenabschnitt 12a ist zweckmäßig so gestaltet, daß ein gut zentriertes Ineinandergreifen der miteinander zu kuppelnden Teile gewährleistet wird. Ein Preßsitz istThe connecting piece 12 according to Fig. 1 has a sleeve section 12a that is concentric with the axis of rotation A and is fitted into the pipe end 11a. The joint gap 13 between the pipe end 11a and the sleeve section 12a is expediently designed in such a way that a well-centered interlocking of the parts to be coupled together is ensured. A press fit is
Centa-Antriebe Kirschey**€m!5HCenta drives Kirschey**€m!5H
weder erforderlich noch in der Regel erwünscht. Der Fügespalt 13 kann, insbesondere zum Rohr hin, also bezüglich der Zeichnung nach rechts, geringfügig erweitert sein, um einen Klebstoff, z.B. ein flüssiges, aushärtbares Epoxydharz, aufzunehmen. Mit einer solchen Klebung kann eine zusätzliche Stabilität der drehfesten Verbindung erreicht werden.neither necessary nor generally desired. The joint gap 13 can be slightly widened, particularly towards the pipe, i.e. to the right in the drawing, in order to accommodate an adhesive, e.g. a liquid, hardenable epoxy resin. With such an adhesive, additional stability of the rotationally fixed connection can be achieved.
Als wesentliche Elemente zur drehfesten Verbindung zwischen dem Rohr 11 und dem jeweiligen Anschlußstück 12 dienen radial angeordnete Bolzen 14, die entsprechend der Erfindung als Konusstifte 15 ausgebildet sind, die in vorzugsweise gleichmäßigen Abständen über den Umfang des Verbindungsbereichs an den Rohrenden 11a verteilt in einer Reihe oder auch mehreren Reihen angebracht sind.The essential elements for the rotationally fixed connection between the pipe 11 and the respective connecting piece 12 are radially arranged bolts 14, which according to the invention are designed as conical pins 15, which are attached to the pipe ends 11a in a row or several rows, preferably at uniform intervals over the circumference of the connection area.
Die drehfeste Verbindung von Rohr 11 und Anschlußstück 12 mit Hilfe der Konusstifte 15 wird auf folgende Weise vorgenommen:The rotationally fixed connection of pipe 11 and connector 12 using the conical pins 15 is made as follows:
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 werden zunächst das Rohrende 11a und das zugehörige Anschlußstück 12 durch Ineinanderstecken verbunden. Ist eine Klebung im Fügespalt 13 vorgesehen, werden die Teile zunächst miteinander verklebt und abgewartet, bis der Klebstoff ausgehärtet ist. Sodann werden das Rohrende 11a und der betreffende Hülsenabschnitt 12a des Anschlußstücks 12 radial durchbohrt, so daß sich fluchtende Bohrungsabschnitte 16 und 17 (Fig. 2) ergeben. Anschließend werden die Bohrungsabschnitte 16 und 17 gemeinsam konisch aufgerieben. Dabei weist die äußere Mündung der Bohrung 16 im Rohrende 11 a den größten und die innere Mündung der Bohrung 17 den kleinsten Durchmesser auf. Die Koni-With reference to Fig. 1 and 2, the pipe end 11a and the associated connector 12 are first connected by inserting them into one another. If an adhesive is provided in the joint gap 13, the parts are first glued together and it is waited until the adhesive has hardened. The pipe end 11a and the relevant sleeve section 12a of the connector 12 are then drilled radially so that aligned bore sections 16 and 17 (Fig. 2) are produced. The bore sections 16 and 17 are then reamed conically together. The outer opening of the bore 16 in the pipe end 11a has the largest diameter and the inner opening of the bore 17 has the smallest diameter. The cone-
Centa-Antriebe Kirsche2**(jraSiiCenta drives Cherry2**(jraSii
zität der Bohrungen entspricht der Konizität des Konusstiftes 15 und kann vorteilhafterweise z.B. etwa 1:50 betragen. In jede konische Bohrung 16, 17 wird nunmehr von außen ein vorzugsweise aus Stahl bestehender Konusstift 15 mit geschliffenem Konusmantel eingepreßt.The taper of the bores corresponds to the taper of the taper pin 15 and can advantageously be, for example, about 1:50. A taper pin 15, preferably made of steel, with a ground taper casing is now pressed into each conical bore 16, 17 from the outside.
Da Kraftübertragungswellen insbesondere bei hohen Drehzahlen beachtlichen Fliehkräften unterworfen sind, sieht die Erfindung eine besondere Sicherung der Konusstifte 15 gegen radiales Herausschleudern vor. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist hierzu der Konusstift 15 an seinem im Durchmesser kleineren Ende mit einer Gewindebohrung 18 versehen, in die ein Gewindeschaft 19 einer Sicherungsschraube 20 von der Innen-Seite des Systems her eingreift. Da aufgrund der unvermeidlichen Toleranzen die innere Stirn 21 des Konusstiftes 15 unterschiedlich weit in den Innenraum eingreifen wird, ist zur Gewährleistung einer sicheren Verspannung des Konusstiftes 15 gegenüber dem Hülsenabschnitt 12a des Anschlußstücks 12 zwischen dem Kopf der Schraube 20 und der Innenfläche 12b des Hülsenabschnitts 12 ein Distanzstück 22 eingespannt.Since power transmission shafts are subject to considerable centrifugal forces, especially at high speeds, the invention provides a special safeguard for the conical pins 15 against radial ejection. In the illustrated embodiment, the conical pin 15 is provided with a threaded hole 18 at its smaller diameter end, into which a threaded shaft 19 of a locking screw 20 engages from the inside of the system. Since the inner face 21 of the conical pin 15 will engage into the interior to different extents due to the unavoidable tolerances, a spacer 22 is clamped between the head of the screw 20 and the inner surface 12b of the sleeve section 12 to ensure secure bracing of the conical pin 15 relative to the sleeve section 12a of the connecting piece 12.
Das Distanzstück 22 hat eine etwa topfartige Form mit einer Durchgriffsöffnung 22a für den Schaft 19 der Schraube 20 und einem Topfrand 22b. Dessen Innendurchmesser ist größer als der Außendurchmesser des verjüngten inneren Endes des Konusstiftes 15, das deshalb in das Innere des Topfes eintreten kann, wie es beispielsweise in Fig. 1 gezeigt ist. Auf diese Weise gestattet das besonders gestaltete Distanzstück 22 unabhängig von den auftretenden unvermeidlichen Toleranzen die feste Sicherung des Konusstiftes 15.The spacer 22 has an approximately pot-like shape with a through opening 22a for the shaft 19 of the screw 20 and a pot rim 22b. Its inner diameter is larger than the outer diameter of the tapered inner end of the conical pin 15, which can therefore enter the interior of the pot, as shown for example in Fig. 1. In this way, the specially designed spacer 22 allows the conical pin 15 to be firmly secured regardless of the inevitable tolerances that occur.
Centa-AntriebeCenta drives
Kirschey GmHH .··. · Kirschey GmbH .··. ·
Was das Sicherungsmittel für den Konusstift 15 betrifft, könnte man es auch unmittelbar am Konusstift selbst ausbilden, etwa indem das verjüngte Ende des Konusstiftes 15 nietfähig ausgebildet ist. Dies könnte mittels einer bezüglich des Stiftes axialen Aufbohrung erreicht werden, die einen durch Umbördeln vernietbaren Stiftrand schafft.As far as the securing means for the conical pin 15 are concerned, it could also be formed directly on the conical pin itself, for example by making the tapered end of the conical pin 15 capable of being riveted. This could be achieved by means of an axial bore with respect to the pin, which creates a pin edge that can be riveted by flanging.
Auch kann der Konusstift 15 an seinem im Durchmesser verjüngten Ende mit einem Gewindeschaft versehen sein, und das Sicherungsmittel kann aus einem damit verschraubbaren und sich mindestens mittelbar an der Innenseite des Hülsenabschnitts abstützenden Mutterkörper bestehen.The conical pin 15 can also be provided with a threaded shaft at its end with a reduced diameter, and the securing means can consist of a nut body which can be screwed to it and which is supported at least indirectly on the inside of the sleeve section.
Es ist grundsätzlich möglich, in den Fügebereich zwischen Konusstift 15 und den Bohrungsabschnitten 16 und 17 einen Klebstoff, z.B. ein aushärtbares Epoxydharz, einzugeben. Einerseits erleichtert dies das Gleiten des Konusstiftes 15 beim Eintreiben in die Bohrungsanordnung 16, 17 und hat andererseits den Vorteil, daß der Klebstoff Poren oder andere Unebenheiten perfekt nivellieren kann, die im Fügebereich insbesondere im Bohrungsabschnitt 16 des Rohrendes 11a vorhanden sein könnten. Zudem trägt der Klebstoff zusätzlich zur festhaftenden Verbindung des konusstiftes 15 bei.It is basically possible to add an adhesive, e.g. a hardenable epoxy resin, to the joining area between the conical pin 15 and the bore sections 16 and 17. On the one hand, this makes it easier for the conical pin 15 to slide when it is driven into the bore arrangement 16, 17 and, on the other hand, it has the advantage that the adhesive can perfectly level out pores or other unevenness that could be present in the joining area, particularly in the bore section 16 of the pipe end 11a. In addition, the adhesive also contributes to the firmly bonding of the conical pin 15.
Beim Ausführungsbeispiel, welches in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, liegt eine sogenannte "einschnittige" Verbindung zwischen Rohrende 11a und einem einzigen Hülsenabschnitt 12a des Anschlußstücks 12 vor. Um dabei ein Verkippen oder eine sonstige unzu-In the embodiment shown in Fig. 1 and 2, there is a so-called "single-cut" connection between the pipe end 11a and a single sleeve section 12a of the connector 12. In order to prevent tilting or other undesirable
Centa-Antriebe Kirschej^njbliCenta drives Kirschej^njbli
lässige Querverlagerung oder Schrägstellung des Konusstiftes
15 zu verhindern, weist der Hülsenabschnitt 12a eine Verstärkung 12b in Form einer nach innen erhabenen
umlaufenden Ringrippe 23 auf.
5In order to prevent accidental transverse displacement or inclination of the conical pin 15, the sleeve portion 12a has a reinforcement 12b in the form of an inwardly raised circumferential annular rib 23.
5
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 unterscheidet sich hiervon im wesentlichen durch eine sogenannte "zweischnittige" Verbindung dergestalt, daß das verdickte Ende 11a des Rohres 11 sowohl innen als auch außen von jeweils einem Hülsenabschnitt 12a, 12d tangiert ist. Da hier der Konusstift 15 sowohl im Innern des Rohrendes 11a als auch auf dessen Außenseite jeweils einen Bohrungsabschnitt des Anschlußstücks 12 durchgreift, sind besondere Stabilitätserhöhende Maßnahmen nicht erforderlich. Entsprechend kann auch der Konusstift 15 kürzer ausgeführt sein.The embodiment of Fig. 3 differs from this essentially by a so-called "two-cut" connection in such a way that the thickened end 11a of the pipe 11 is touched both inside and outside by a sleeve section 12a, 12d. Since the conical pin 15 here passes through a bore section of the connecting piece 12 both inside the pipe end 11a and on its outside, special measures to increase stability are not necessary. Accordingly, the conical pin 15 can also be made shorter.
Auch bei dieser zweiten Ausführungsform können die Fügespalte 13 (innen) und 13a (außen) jeweils zumindest in einem axialen Bereich zur Klebespalten erweitert sein. Eine zweckmäßige Spaltweite liegt z.B. bei 0,1 mm, wobei es aus Festigkeitsgründen vorteilhaft ist, wenn sich der Klebespalt zum freien Ende des jeweiligen Hülsenabschnitts 12a, 12d hin geringfügig erweitert.In this second embodiment, the joining gaps 13 (inside) and 13a (outside) can also be expanded to form adhesive gaps in at least one axial region. A suitable gap width is, for example, 0.1 mm, whereby it is advantageous for reasons of strength if the adhesive gap expands slightly towards the free end of the respective sleeve section 12a, 12d.
Die Konusstifte 15 weisen, wie die FigurenThe conical pins 15 have, as the figures
deutlich zeigen, vorzugsweise keinen über den Konusschaft radial vorstehenden Kopf auf, um in jedem Fall auszuschließen, daß ein solcher die Rohroberfläche in Mitleidenschaft ziehen könnte.clearly show, preferably no head protruding radially beyond the cone shaft, in order to exclude in any case the possibility of such a head damaging the pipe surface.
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Dargestellt und bislang beschrieben wurden die als besonders vorteilhaft erkannten Merkmale der Erfindung. Gleichwohl sind Abwandlungen im Rahmen der Erfindung möglich. Dies betrifft beispielsweise die Sicherungsmittel für die Konusstifte 15. Hier könnte man auch daran denken, auf der Außenseite des Verbindungsbereichs eine Manschette anzubringen. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 würde diese Manschette also auf der Außenseite des Rohrendes 11a und bei der Ausführung nach Fig. 3 auf der Außenfläche des Hülsenabschnitts 12d des Anschlußstücks 12 liegen und die Konusstifte gegen einen möglichen Austritt sichern.The features of the invention recognized as particularly advantageous have been shown and described so far. Nevertheless, modifications are possible within the scope of the invention. This concerns, for example, the securing means for the conical pins 15. Here, one could also think of attaching a sleeve to the outside of the connection area. In the embodiment according to Fig. 1, this sleeve would therefore lie on the outside of the pipe end 11a and in the design according to Fig. 3 on the outer surface of the sleeve section 12d of the connecting piece 12 and secure the conical pins against possible escape.
Claims (11)
5Spacer (22) is clamped in, which rests on the sleeve section (12a) with an approximately cup-shaped section (22b) whose inner diameter is larger than the outer diameter of the taper pin face (21).
5
5res (11) immersed sleeve portion (12a) which has a material reinforcement (12c) in particular in the form of a circumferential inner rib (23) in the arrangement region of the conical pins (15).
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