DE3020024A1

DE3020024A1 - Verfahren zur herstellung einer rohrfoermigen, faserverstaerkten zusammengesetzten welle oder verbundwelle - iv

Info

Publication number: DE3020024A1
Application number: DE19803020024
Authority: DE
Inventors: John C Presta; Derek N Yates
Original assignee: Celanese Corp
Current assignee: Celanese Corp
Priority date: 1979-05-29
Filing date: 1980-05-24
Publication date: 1980-12-11
Also published as: FR2458000A1; GB2051304A; JPS55159310A; GB2051304B

Description

Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen, faserverstärkten zusammengesetzten Welle oder Verbundwelle - IV

Die Erfindung betrifft faserverstärkte zusammengesetzte Wellen oder Verbundwellen, insbesondere Antriebswellen j für Fahrzeuge, die einen aus faserverstärktem Harz be- r stehenden Wellenkörper mit an seinen Enden befestigten metallischen Kupplungshülsen aufweisen. ':

Rohrförmige faserverstärkte Verbundteile wurden bereits vorgeschlagen, beispielsweise in den üS-PSen 2 882 072 und 3 661 670 und in der GB-PS 1 356 393. In der US-PS 3 661 670 wird beispielsweise vorgeschlagen, derartige Verbundteile aus einem Harzmaterial·, das mit Glas-; fasern verstärkt ist, herZUste^en. Im einzeinen werden Filamente, auf die ein nicht gehärtetes Harzmaterial (d.h. ein ungehärtetes hitzehärtbares Harz) aufgebracht ist, um einen Dorn gewickelt, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Die verstärkenden■Fasern können in der Wandung des rohrförmigen Verbundteils in verschiedenen Winkelbeziehungen zueinander angeordnet sein. Anschlie- , ßend wird das Harzmaterial· ausgehärtet (d.h. gehärtet ! oder vernetzt). Ein vorgeformtes, mit Gewinde versehenes _: Endteil· kann an den Enden des rohrförmigen Verbundteiis beispieisweise durch unmitteibares Umwickein des End- , teiis mit den Fiiamenten während des Wickelprozesses befestigt werden. . . ι

Neuerdings wurde die HersteMung von Fahrzeugantriebswellen aus rohrförmigen faserverstärkten Verbundteilen vorgeschlagen, beispielsweise in der US-PS 4 041 59 9

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INSPECTED

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und in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung 52-127542 (entsprechend der US-PS 4 089 190). Gemäß der japanischen Patentanmeldung werden Filamente, die ein nicht-ausgehärtetes Harzmaterial (z.B. ein ungehärtetes hitzehärtbares Harz) tragen, um einen Dorn gewickelt, bis die gewünschte Dicke erreicht ist, worauf das Harzmaterial gehärtet wird. Zonen oder Schichten sind um- |

fangsmäßig innerhalb der Wandung der Welle in bestimmten, j dort beschriebenen Winkelbeziehungen angeordnet. ;

Die vorstehend genannte US-PS 4 041 599 schlägt die Befestigung einer Antriebswelle aus mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Epoxyharz unmittelbar an einem Universal-Gelenkansatz mittels einer bestimmten Verbindungsmethode vor.

Faserverstärkte Verbundwellen weisen Vorteile gegenüber metallischen Wellen auf, da sie leichter im Gewicht, beständiger gegen Korrosion, stärker, haltbarer und indifferenter sind.

In der DE-PS (Patentanmeldung P 29 11 167.9)

2Ό (j_er Anmelderin wird eine faserverstärkte zusammengesetzte Antriebswelle beschrieben, die verbesserte Gebrauchseigenschaften sowie die notwendige Festigkeit und Haltbarkeit aufweist, um den unterschiedlichen Belastungen und Beanspruchungen, die während des Betriebs des Fahr- ' zeugs auftreten, gewachsen zu sein. '

Da das direkte Schweißen oder Kleben einer aus Harz bestehenden Welle an Metall normalerweise keine ausreichend feste und dauerhafte Verbindung auf beständiger und zuverlässiger Basis hervorbringt, wird durch die Verwendung metallischer Anschlußhülsen, die an den Enden der Welle gemäß der Erfindung befestigt sind, ein Mittel verfügbar gemacht, um eine sichere Schweißverbindung ähnlich der , bei üblichen metallischen Wellen verwendeten zu erreichen.

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Die hohen Drehmomentbelastungen, die durch die Fahrzeugantriebswelle übertragen werden, erfordern, daß eine extrem starke und dauerhafte drehmomentübertragende Verbindung zwischen den Hülsen und dem Wellenkörper hergestellt wird. Frühere Vorschläge zur Befestigung der Hülsen unter Verwendung von Klebstoffen oder durch Wickeln der Filamentbündel um umfangsmäßig angeordnete Nuten an der Hülsenaußenfläche können nicht herangezogen werden, um eine Verbindung mit der erforderlichen Festigkeit und Dauerhaftigkeit zu gewährleisten. i

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgäbe zugrunde, eine neue, aus faserverstärktem Harz bestehende Welle verfüg- j bar zu machen, die die Probleme der vorstehend genannten Art auf ein Mindestmaß verringert oder verhütet und zur f Verwendung als Antriebswelle in Kraftübertragungssystemen von Fahrzeugen geeignet ist. Außerdem sollen neue Verfahren und Vorrichtungen geschaffen werden, mit denen metallische Verbindungshülsen an den Enden von aus faserverstärktem Harz bestehenden Wellen so befestigt werden können, daß die Wellen hohe Drehkräfte zu übertragen ver- [ mögen. j

Die Lösung dieser Aufgaben wird gemäß der Erfindung erreicht durch eine rohrförmige, faserverstärkte Verbundwel-: Ie und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, wobei der WeI-lenkörper aus mehreren zu einem zusammenhängenden Stück ^! vereinigten, in Umfangsrichtung verlaufenden Lagen aus erstarrtem faserverstärktem Harzmaterial besteht. Eine Metallhülse ist in wenigstens einem Ende des Wellenkörpers befestigt. Eine Vielzahl von im wesentlichen spitzen Stiften ragt von der Hülse radial nach außen. Die Stifte wer- ; den durch faserverstärktes Harzmaterial umgeben, wobei ' eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem WeI- j lenkörper und der Hülse gebildet wird. Die Welle wird gebildet, indem die Stifte in der Hülse verankert werden, i die Hülse auf einen Abschnitt eines Doms geschoben und j

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Fasemrafceriai um den Dorn und die Hülsen so gewickelt wird, daß die Stifte davon umschlossen sind. Anschließend wird : das Harzmaterial ausgehärtet und der Dorn entfernt.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Be-, zugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. In j diesen Abbildungen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs-j ziffern bezeichnet.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine gemäß der Erfindung gebildete Antriebswelle»

Fig. 2 1st ein Querschnitt durch die Antriebswelle längs der Linie 2-2 von Fig. 1.

Fig. 3 ist ein fragmentarischer Längsschnitt durch einen Hülsenteil der auf einen Dorn geschobenen Antriebswelle.

Eine Antriebswelle 10 gemäß der Erfindung weist einen Wellenkörper 12 aus verstärktem Harz mit zylindrischem Quer- . schnitt und eine vorzugsweise an jedem Ende des Wellenkörpers befestigte metallische Verbindungshülse 14 auf* Die Änschlüßhülse 14 ist allgemein zylindrisch- und aus einem geeigneten Metall, beispielsweise aus Stahl oder « Aluminium, geformt. Die Hülse weist eine innere ringförmige Oberfläche 16 mit gleichbleibendem Durchmesser auf, die im wesentlichen eng an einer innenfläche 18 des in Längsrichtung einwärts davon angeordneten Wellenkörpers anliegt, wie Fig. 1 zeigt.

Das innere Ende 20 verjüngt sich in Längsrichtung und ra dial einwärts (Fig. 3), wobei eine zugeschärfte Kante 24 für die,Aufnahme von Windungen des verstärkten Harzmaterials gebildet wird. Hierauf wird später näher eingegangen.

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Die Hülse 14 ist mit einer Vielzahl von radial nach außen ragenden Stiften 26 besetzt. Die Stifte 26 sind mit dem zylindrischen Körper der Hülse in einem Stück gearbeitet und bestehen somit aus dem gleichen Metall. Die Herstellung der Hülse und Stifte kann nach beliebigen geeigneten Verfahren, beispielsweise durch Pressen, maschinelle Bearbeitung oder Schweißen, erfolgen.

Die Stifte sind vorzugsweise in Reihen, die sich in Längs-j richtung und umfangsmäßig mit Abstand zueinander erstrek- ι ken, angeordnet, wobei jedoch jede beliebige geeignete Anordnung verwendet werden kann. Jeder Stift verjüngt sich; radial auswärts und ist an seiner äußeren Spitze im we- ; sentlichen zugespitzt. Die Stifte sind nicht scharf züge- .

spitzt, sondern leicht abgerundet, so daß sie stumpf sind und dadurch verhindern, daß Fasern während des Wickeins durchgeschnitten werden. Die Spitzen der Stifte sind somit klein genug, um zu verhindern, daß sich eine Faser daran ; aufhängt. Während die Fasern, die den Körper 12 bilden, um die Hülse gewickelt werden, werden vielmehr die mit den Stiften 26 in Berührung kommenden Fasern zu einer Seite I der Stifte und radial einwärts längs der Seite des Stifts ; verschoben, bis sie die Oberfläche der Hülse oder vorher um die Hülse gewundene Fasern berühren. Hierdurch wird !

sichergestellt, daß die Fasern straff gewunden* werden/ ^: ohne daß sie sich an den Stiften selbst aufhängen, wie es im Falle von Stiften mit flachen Außenflächen geschehen ;

könnte. _t

Während der Herstellung einer bevorzugten Ausführungsform j

der Welle wird ein Paar Anschlußhülsen 14 in Längsrichtung ι

hintereinander mit Abstand zueinander auf einen zylindri— ''

sehen Dorn 41 geschoben (Fig. 3), wie in den DE-PSen j

(Patentanmeldung P 29 11 238.7) und ^r

(Patentanmeldung P 29 11 213.8) der Anmelderin '.

beschrieben. Die Hülsen liegen im wesentlichen satt, aber |

im wesentlichen genügend lose am Dorn an, um davon abge-

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streift werden zu können. Eine geeignete Klemmanordnung hält die Hülsen 14 in ihrer Lage. Der Dorn wird mit einem Trennmittel umhüllt, damit kein Harz oder Klebstoff daran haften bleibt. Anschließend wird der Wellenkörper 12 um den Dorn und die Hülsen geformt.

Die Herstellung des Wellenkörpers 12 erfolgt vorzugsweise in einer Weise, die ausführlicher in den bereits genannten ; DE-Patentschriften beschrieben wird. Kurz gesagt werden Schichten eines faserverstärkten, harzimprägnierten Materials vorzugsweise in Form von Bündeln aus im wesentlichen parallelen Endlosfilamenten aufgebracht, die ein nicht-erstarrtes (d.h. flüssiges, weiches und klebriges oder geschmolzenes) Harzmaterial tragen. Die Bündel können in ein ungehärtetes flüssiges hitzehärtbares Harz, beispielsweise ein Epoxyharz, getaucht und dann in mehreren Windungen um den Dorn gewickelt werden, bis eine Schicht der gewünschten Dicke ausgebildet ist. Bezüglich weiterer Einzelheiten über mögliche Vorrichtungen zum Anklemmen der Hülsen und Aufwickeln der Filamentbündel wird auf die US-PSen 3 661 670, 3 202 560 und 3 231 442, auf die hier Bezug genommen wird, verwiesen.

Der hier gebrauchte Ausdruck "Schicht" kennzeichnet einen Umfangsbereich in der Wand der rohrförmigen Antriebswelle, in dem die Faserverstärkung in einer ganz bestimmten Gestalt angeordnet ist und der sich von den benachbarten Zonen oder Bereichen hinsichtlich der Gestalt und/oder Zusammensetzung der Faserverstärkung unterscheidet. Eine Einzelschicht kann eine Mehrfachausrichtung oder einen Mehrfaehaufbau der FaserverStärkung in einer gegebenen Konfiguration aufweisen. Der Ausdruck "Schicht" umfaßt ^! eine Ausrichtung, bei der die FaserverStärkung in einem gegebenen Winkel und im gleichen, jedoch entgegengesetzt dazu verlaufenden Winkel angeordnet ist, wobei die Schicht beliebig in mehreren Schritten aufgebaut sein kann. |

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- 10 Die Fasern verstärken die hitzegehärtete Harzmatrix und ' ,

verleihen der Welle die erforderlichen Eigenschaften in bezug auf Festigkeit und Haltbarkeit. In dieser Beziehung : werden Glasfasern (z.B. Ε-Glas oder S-Glas) und Kohlen- ; stoff-Fasern (d.h. amorphe oder graphitische Fasern) bevorzugt. Die Kohlenstoff-Fasern enthalten im allgemeinen ^; wenigstens 90 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 95 Gew.-% i Kohlenstoff. Darüber hinaus haben bevorzugte Kohlenstoff- '

Fasern einen Young-Elastizitätsmodul von wenigstens |

ο ■

172.375 N/mm , beispielsweise von etwa 206.850 bis ; 413.700 N/mm².

Die Lagen der Filamentbündel sind in verschiedener Richtung relativ zur Längsachse der Antriebswelle gewickelt und können bis zu verschiedenen Dicken aufgebaut werden. ; Vorzugsweise wird eine Anfangsschicht aus Glasfasern in '■ einem Winkel von t 30 bis t 50° relativ zu einer Linie parallel zur Längsachse der Welle aufgebracht. Als nächstes wird eine Glasfaserlage in einem Winkel von 0 bis - 15° aufgebracht und anschließend eine Kohlenstoff-Faserschicht in einem Winkel von 0 bis ± 15°. Dann wird j eine Glasfaserschicht in einem Winkel von etwa ± 60 bis | 90 aufgebracht. Natürlich können die Zahl und die Zusammensetzung der Schichten sowie ihre Ausrichtung und ! Dicke in Abhängigkeit von den Eigenschaften, die der r Welle verliehen werden sollen, variieren.

Anstelle des Fadenwickeins (z.B. Naßwickeln oder Prepreg- i Wickeln) können auch andere Rohrformungsverfahren beispielsweise Rollen des Rohres, Bandwickeln oder | Pultrusion, zur Anwendung kommen. In der erstgenannten Stufe werden verhältnismäßig breite Abschnitte eines harzimprägnierten Bandes zu Mustern vorgeschnitten, nach- ■ einander geschichtet und auf den Dorn gerollt. Nachdem ; die Schichten aufgebracht worden sind, wird das nicht- ■ erstarrte Harz gehärtet. In dieser Hinsicht kann das Harz < selbsthärtend oder aber ein Harz von der Art sein, das j

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unter der Einwirkung von Wärme und/oder eines Härtemittels) aushärtet bzw. vernetzt wird.

Beim Verfahren gemäß der Erfindung schiebt man die Hülse bzw. Hülsen 14 auf den Dorn, worauf man eine Anfangslage 32 aus Glasfasern um den Dorn und die Hülsen in einem Win-

kel von etwa ± 45 wickelt. Während die Fasern gewickelt i werden, kommen sie mit den Stiften 26 in Berührung. Durch j die konische Form der Stifte gleiten die Fasern jedoch j längs der Seiten der Stifte zum radial inneren Ende des TO freiliegenden Teils des Stifts nach unten. Die Fasern umschließen demgemäß gegenüberliegende Seiten der Stifte in ^: einer solchen Weise, daß eine relative Drehbewegung und j Längsbewegung zwischen den Fasern und der Hülse verhindert werden.

Anschließend wird eine Schicht 40 aus Glasfasern um die Schicht 32 in einem Winkel von etwa 0 gewickelt. Diese Fasern umschließen die Stifte 26 in einer Weise, die zusätzlich einer relativen Drehbewegung zwischen Hülse und Fasern widersteht.

Als nächstes wird eine Schicht 42 aus Graphitfasern um die ι Schicht 40 im Winkel von etwa 0° gewickelt. Diese Fasern ' umschließen die Stifte und bewirken hierdurch "eine weitere: drehungsübertragende oder drehfeste Verbindung zwischen Hülse und Fasern. Diese Schicht 42 bedeckt im wesentlichen die radial außenliegenden Spitzen der Stifte 26.

Abschließend wird eine Schicht 44 aus Glasfasern im Winkel j von etwa 90° um die Schicht 42 gewickelt. Diese Schicht : 44 gewährleistet, daß die Stifte 26 vollständig bedeckt ! sind. ι

.30 Es leuchtet ein, daß jede beliebige Zahl von Schichten

"- oder Lagen in verschiedenen Winkeln und Dicken in Abhängig·? keit von den gewünschten Eigenschaften der Welle aufge- [

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- 12 bracht werden kann.

Anschließend wird das nicht-erstarrte Harz gehärtet, um die Schichten miteinander zu vereinigen und ein aus einem Stück bestehendes, zusammenhängendes Verbundmaterial zu bilden, worauf die Welle vom Dorn genommen wird.

Die Welle 10 eignet sich in idealer Weise für die Verwen- ■ dung als Antriebswelle von Fahrzeugen. Hierbei dienen die ·■ Stifte 26 zur mechanischen Verriegelung oder Verzahnung des Wellenkörpers mit der Hülse, und sie verhindern eine relative Drehbewegung und Längsbewegung zwischen ihnen. ; Die_s Stifte 26 weisen in hohem Maße Scherfestigkeit auf und vermögen den hohen Drehmomentbelastungen, die während der Übertragung von Antriebskraft in einem Fahrzeug auf- ; treten, zu widerstehen.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird ein axial äußerer Teil 36 der Hülse 14 freigelegt, vorzugsweise durch Entfernung von Teilen der Schichten.

Die Hülsen 14 erleichtern die Verbindung der Welle mit Metallteilen, z.B. Metalljochen oder Kreuzköpfen in einem Kraftübertragungssystem von Fahrzeugen, da ein direkter. : Kontakt von Metall zu Metall möglich ist. Obwohl dies nicht notwendig ist, kann es zweckmäßig sein, einen Klebstoff zwischen der Hülse 14 und der Anfangslage 32 des Fasermaterials aufzubringen, um die Verbindung zwischen ihnen zu verstärken.

j Obwohl der Erfindungsgedanke der mechanischen Verblockung ^; und Verzahnung im Zusammenhang mit einem speziellen Wellenkörper beschrieben worden ist,- kann dieser Vorschlag na- j türlich auch bei Verbundwellen im allgemeinen, bei denen ; eine Faserverstärkung in einem Harzmatrixmaterial vorhanden js-t, verwirklicht werden. !

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Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen, faserverstärkten zusammengesetzten Welle oder Verbundwelle, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) auf ein Segment eines Doms eine Metallhülse schiebt, die mit einer Vielzahl von im wesentlichen spitzen, radial nach außen ragenden Stiften besetzt ist,

b) Fasermaterial, das ein nicht-erstarrtes Harzmaterial trägt, auf den Dorn und die Hülse so aufbringt, daß es die Stifte umfaßt und eine drehkraftübertragende Verbindung zwischen Hülse und Fasermaterial gebildet wird,

c) das Harzmaterial zum Erstarren bringt und hierdurch eine drehkraftübertragende Verbindung mit der Metallhülse bildet und

d) den Dorn entfernt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mit dem Aufbringen des Fasermaterials kurz vor dem in Längsrichtung äußeren Ende der Hülse aufhört und hier die Hülse unbedeckt läßt.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Fasermaterials darin besteht, daß man eine Vielzahl von Schichten von Fasern aufbringt, wobei die Fasern wenigstens einiger Schichten in gegenseitig verschiedenen Winkeln relativ zur Längsrichtung der Welle ausgerichtet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man beim Aufbringen des Fasermaterials die Stifte mit den Fasern vollständig bedeckt.

5. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen, faserverstärkten zusammengesetzten Antriebswelle oder Verbundwelle, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) auf ein Segment eines Dorns eine Metallhülse schiebt, die mit einer Vielzahl von konisch geformten, im wesentlichen zugespitzten Stiften besetzt ist, die an die Hülse angeformt sind und von dieser in Umfangsrichtung und Längsrichtung mit Abstand zueinander radial nach außen ragen,

b) Fasermaterial·, das ein nicht-erstarrtes Harzmaterial trägt, auf den Dorn und die Hülse so aufbringt, daß es die Stifte umfaßt und eine drehkraftübertragende Verbindung zwischen Hülse und Fasermateriäl· biidet,

c) das Harzmaterial· zum Erstarren bringt und

d) den Dorn entfernt.

6. Rohrförmige, faserverstärkte zusammengesetzte Weile, gekennzeichnet durch einen Welienkörper (12) mit einer Vieizahl von zu einem zusammenhängenden Stück verbundenen Lagen (30, 40, 42, 44) aus erstarrtem faserverstärktem Harzmaterial·, eine in wenigstens ein Ende des We^enkörpers (12) eingesetzte Meta^tu^se (14) und eine Viel·- zahl· von im wesentiichen spitzen Stiften (26) , die mit der Hüise (14) verbunden sind und von dieser nach außen

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. ragen, wobei die Stifte (26) vom faserverstärkten Harz- · material des Wellenkörpers (12) so umfaßt sind, daß eine drehkraftubertragende Verbindung zwischen der Hülse (14) · und dem Wellenkörper (12) entstanden ist.

7. Welle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (26) an ihren Außenenden zugespitzt sind.

8. Welle nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (26) konisch geformt sind.

9. Welle nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Längsrichtung äußerer Teil der Hülse (14) aus dem Wellenkörper (12) naqh außen ragt.

10. Welle nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Vielzahl von Faserschichten (32, 40, 42, 44) besteht, wobei wenigstens einige Schichten in gegenseitig verschiedenen Winkeln relativ zur Längsrichtung der : Welle (10) ausgerichtet sind.

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