DE4033596C1

DE4033596C1 -

Info

Publication number: DE4033596C1
Application number: DE4033596A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 6000 Frankfurt De Loebel
Original assignee: Loehr & Bromkamp 6050 Offenbach De GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 1990-10-23
Filing date: 1990-10-23
Publication date: 1992-02-27
Anticipated expiration: 2010-10-24
Also published as: US5338259A; GB9122519D0; FR2668223A1; FR2668223B1; JPH04351323A; GB2249157B; GB2249157A; JPH0737815B2

Description

Die Erfindung betrifft ein elastisches, Axial- und Win kelversatz zulassendes Wellenkupplungselement aus Faser verbundwerkstoff, in Form eines Polygonzuges mit Be festigungslöchern zum wechelseitigen Anbringen von zwei axial anschließenden Flansch- oder Wellenteilen, bei dem ein einfacher Polygonzug in im wesentlichen ebener Aus bildung vorgesehen ist, der aus dünneren geraden Steg bereichen und verstärkten Augenbereichen besteht, wobei die verstärkten Augenbereiche rechtwinklig zur Steglängs richtung begrenzt an die Stegbereiche anschließen. Der artige Elemente dienen zur Aufnahme kleiner Winkel- und Axialänderungen in Antriebssträngen und müssen zur Auf nahme hoher Drehmomente bei guter Flexibilität geeignet sein.

Ein Wellenkupplungselement der genannten Art ist aus der DE 37 25 957 C1 bekannt. In mittleren Schichten der Steg elemente beträgt die Faserorientierung vorzugsweise 0° zur Stegmittelachse, während äußere Faserlagen bevorzugt ab wechselnd +/- 45° aufweisen können. Es hat sich erwiesen, daß bei hoher Drehmomentbelastung, durch die jeweils die Hälfte der Stegbereiche auf Zug, die jeweils andere Hälfte auf Druck belastet wird, insbesondere wenn andere Belastungsformen durch Axialverschiebung und Ge lenkbeugung überlagert werden, an den Elementen von den Außenkanten auf die Befestigungslöcher zulaufende Materialrisse auftreten können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine Meidung solcher Schäden sicherzustellen, wodurch eine größere Haltbarkeit und Lebensdauer des Kupplungselementes erzielt werden soll.

Die Lösung hierfür zeichnet sich dadurch aus, daß die Befestigungslöcher bezogen auf die Schnittpunkte S der Längsmittellinien M der Stegbereiche miteinander in den Augenbereichen radial zum Gelenkscheibenmittelpunkt Z versetzt sind. Die Wirkung besteht darin, daß in den er findungsgemäß aufgebauten Stegbereichen bei Drehmomentbe lastung am Element den auf Zugbelastung beanspruchten Stegbereichen eine Biegebelastung überlagert wird, die in der anrißgefährdeten radial äußeren Faser die Zugspannung herabsetzt und in der ungefährdeten radial inneren Faser eine unkritische Erhöhung der Zugspannung bewirkt.

Als günstig hat es sich erwiesen, wenn die Be festigungslöcher in Schnittpunkten S′ von zu den Längs mittellinien M parallelen Linien M′ liegen, deren Abstand voneinander weniger als 10%, insbesondere etwa 7% der Breite der Stegbereiche beträgt. Hierdurch ist bei üb lichen Stegkonfigurationen sichergestellt, daß einerseits die gewünschte Wirkung in der radial äußeren Faser sicher erzielt wird, andererseits die infolge der Biegebelastung zunehmenden Zugkräfte in der radial inneren Faser keine kritischen Werte erreichen.

Eine andere günstige Bemessung besteht darin, daß die Befestigungslöcher in Schnittpunkten S′ von zu den Längs mittellinien M parallelen Linien M′ liegen, wobei sich der Abstand der Linien M′ zur Innenkante einerseits und zur Außenkante andererseits wie 0,75 : 1 verhält. Auch hiermit können bei üblichen Konfigurationen die zuvor ange sprochenen Kriterien, d. h. einerseits Schutz der radial äußeren Faser andererseits Vermeidung von Gefährdungen für die radial innere Faser, sichergestellt werden.

Soweit vorher von Elementen üblicher Konfiguration die Rede ist, ist ein bevorzugter Wert dadurch bezeichnet, daß die Dicke der Stegelemente etwa 4% bis 5% der Steg breite beträgt. Demgegenüber sind die Augenbereiche we sentlich stärker und haben zwei- bis vierfache Dicke der Stegbereiche. Die in jedem Fall rechtwinklig zur Steglängsachse verlaufende Übergänge zu den Augenbereichen sind ausgerundet. Die genannten Dickenunterschiede zwi schen Stegbereich und Augenbereichen können zum einen durch die unterschiedliche Zahl der verwendeten Prepregs, die sich in den Augenbereichen doppelt überlappen, zum anderen durch ein verstärktes Verpressen der Prepregs in den Stegbereichen erzielt werden.

Für eine reine Torsionsbelastung am Element kann es sinn voll sein, ausschließlich Prepregs mit einer Faser orientierung in Richtung der Stegmittelachse zu verwenden. Da diese reine Drehmomentbelastung jedoch nicht den üb lichen Belastungsfall darstellt, sondern zusätzlich Axial versätze und Biegebelastungen eingeleitet werden, liegt eine üblichere und günstigere Ausführung darin, zusätz liche Prepregs mit Faser-Winkeln von +/- 45° zur je weiligen Steglängsachse zu verwenden, die dann insbeson dere die beidseitig äußeren Lagen bilden.

Für die in Steglängsrichtung verlaufenden Faserver stärkungen kann anstelle der Verwendung entsprechend vor bereiten Prepregs auch eine Wickeltechnik zur Anwendung kommen, wobei dann die Befestigungslöcher nicht als Boh rungen ausgeführt werden müssen, sondern ohne Unter brechung der Faserverläufe umwickelt werden können.

Durch die einfache Ausbildung des Polygonzuges, vorzugs weise symmetrisch zu einer Mittelebene, wird eine hohe Flexibilität bei hoher Torsionsbelastbarkeit erreicht. Wesentlich ist auch die rechtwinklige Begrenzung der Au genbereiche in Bezug zur Steglängsrichtung, die saubere Biegelinien in den Stegbereichen entstehen läßt, ohne daß durch Längenunterschiede der Fasern der Stegbereiche Tor sionskräfte eingeleitet werden.

Als besonders günstig wird angesehen, daß die Faserlagen in den Stegen in die benachbarten Augenbereiche hinein laufen und somit keine Schwachstellen im Bereich der Über gängen von Stegen zu Augen entstehen lassen. Es werden dabei bevorzugt etwa C-förmige Einzelelemente verwendet, die jeweils einen Steganteil und zwei anschließende Augenbereiche umfassen. In besonders günstiger Ausbildung sind die Übergänge von den Stegen zu den Augenbereichen im Längsschnitt mit Rundungen versehen, um jegliche Kerb wirkungen zu vermeiden. Zur Erhöhung der Materialdicke können die Augenbereiche zwischengelegte Zusatzschichten aufweisen, deren Faserorientierung beliebig ist.

Üblicherweise sind die Befestigungslöcher vorgesehen, um mit wechselseitigen Flansch- oder Anschlußelementen mit durchgesteckten Schrauben verbunden zu werden, wobei die Anschlußelemente jeweils eine Mehrzahl von Flanschfingern aufweisen können, die umfangsverteilt abwechselnd an bei den Seiten des Elements angreifen.

In besonders günstiger Ausgestaltung kann die vorliegende Erfindung dahingehend weitergeführt werden, daß zumindest eines der Anschlußelemente aus einem formbaren Material besteht, in das das Element mit der Hälfte seiner Augen bereiche eingeformt wird.

In weitergehender Ausgestaltung können derartige Anschluß elemente, wenn das Kupplungselement nicht zugleich Trenn stelle in einem Antriebsstrang sein muß, beidseitig mit derartigen Anschlußelementen in gleicher Weise verbunden werden, wobei die Flanschfinger gegeneinander umfangsver setzt an Augenbereichen des Elementes angreifen. Durch die Befestigungslöcher entsteht hierbei eine formschlüssige Verbindung.

Die Anschlußelemente können beispielsweise mit Gegen flanschen versehen sein, bevorzugt jedoch in Rohrstutzen übergehen, die mit anschließenden Wellen durch Preß- oder Klebeverbindung zusammengefügt werden können. Als Material für derartige Anschlußelemente kommt jedes formbare, d. h. gieß- , spritz- oder knetbare Material in Betracht, das beim Umformen das Wellenkupplungselement unbeschädigt läßt. Dies können insbesondere auch mit Kurzfasern ver setzte Kunststoffe, wie zum Beipiel Thermoplaste oder sinterbare Granulate mit Kunststoff- oder Metallanteilen sein.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Kupplungselement in axialer Ansicht.

Fig. 2 zeigt ein Kupplungselement in seitlicher Ansicht.

Fig. 3 zeigt einen Stegbereich als vergrößerte Einzelheit.

Fig. 4 zeigt ein Einzelelement vor der Verarbeitung.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Polygonzug mit Steg bereichen 1 geringerer Dicke und Augenbereichen 2 größerer Dicke zu erkennen, die jeweils rechtwinkelig zur Längs richtung der Stege gegeneinander abgegrenzt sind. Der Übergang ist durch eine Ausrundung 3 gekennzeichnet. Die etwa dreieckigen, außen gerundeten Augenbereiche 2 weisen Schraubenlöcher 4 auf, die wechselseitig mit Kupplungs sternen oder Kupplungsflanschen zur Verbindung gebracht werden können. Ausschnittsweise ist dargestellt, daß die Außenlagen 6 eines Steges eine Faserorientierung von +/- 45° haben, während die Mittellagen 5 eine rein längs gerichtete Faserorientierung aufweisen. Beide Faserarten gehen jeweils in die anschließenden Augenbereiche über. Im Bereich der Augen 2 können Zusatz- oder Füllagen eingefügt sein.

Erfindungsgemäß liegen die Mittelpunkte S′ der Be festigungslöcher 7 in den Schnittpunkten von Geraden M′, die nach innen zum Zentrum Z versetzt parallel zu den Stegmittellinien M verlaufen.

In Fig. 3 ist ein einzelner Steg 1 nochmals mit einer mittleren Schicht 5 mit längsorientierten Fasern und mit Außenschichten 6 mit Fasern unter +/- 45° gezeigt.

In Fig. 4 ist die Form eines Einzelelementes 8 gezeigt, das in Bezug auf die Längsrichtung des Steges einen der möglichen Faserwinkel aufweisen kann. Bei etwa C-förmiger Gestalt umfaßt das Element einen Stegbereich 1 mit den beiden anschließenden Augenbereichen 2.

Bezugszeichenliste

1 Stegbereich
2 Augenbereich
3 Radiusübergang
4 Befestigungsloch
5 Faserlage
6 Faserlage
7 Faserlage

Claims

1. Elastisches, Axial- und Winkelversatz zulassendes Wellenkupplungselement aus Faserverbundwerkstoff, in Form eines Polygonzuges mit Befestigungslöchern zum wechselseitigen Anbringen von zwei axial an schließenden Flansch- oder Wellenteilen, bei dem ein einfacher Polygonzug in im wesentlichen ebener Aus bildung vorgesehen ist, der aus dünneren geraden Steg bereichen (1) und verstärkten Augenbereichen (2) be steht, wobei die verstärkten Augenbereiche (2) recht winklig zur Steglängsrichtung begrenzt an die Stegbe reiche (1) anschließen, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungslöcher (4) bezogen auf die Schnittpunkte S der Längsmittellinien M der Steg bereiche (1) miteinander in den Augenbereichen (2) radial zum Gelenkscheibenmittelpunkt Z versetzt sind.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungslöcher (4) in Schnittpunkten S′ von zu den Längsmittellinien M parallelen Linien M′ liegen, wobei der Abstand der Linien voneinander < 10%, insbesondere ≈7% der Stegbreite beträgt.

3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungslöcher (4) in Schnittpunkten S′ von zu den Längsmittellinien M parallelen Linien M′ liegen, wobei sich der Abstand der Linien M′ von den Längskanten wie 0,75 : 1 verhält.

4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Stegelemente etwa 4% der Steg breite entspricht.

5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegbereiche (1) mittlere Faserlagen (5) mit Faserorientierung in Steglängsrichtung aufweisen.

6. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß äußere Faserlagen (6) mit Faserorientierung von +/- 30° bis 60°, insbesondere +/- 45° zur Steglängs richtung vorgesehen sind.

7. Element nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stegbereichen (1) die mittleren Faserlagen (5) ca. 50% und die äußeren Faserlagen (6) jeweils ca. 25% der Gesamtdicke einnehmen, wobei diese insbe sondere ca. 1,5 mm beträgt.

8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlagen der Stegbereiche (1) jeweils in die anschließenden Augenbereiche (2) hineinlaufen.

9. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlagen in den Stegbereichen (1) stärker verpreßt sind und enger aneinanderliegen als in den Augenbereichen (2).

10. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegbereiche (1) im Längsschnitt mit Radius übergang (3) in die Augenbereiche (2) übergehen.

11. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Augenbereichen (2) zusätzliche Faserlagen (7) vorgesehen sind.

12. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Buchsen in die Befestigungslöcher eingesetzt sind.

13. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Polygonzug ein Sechseck darstellt.

14. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Hälfte der Augenbereiche mit den Befestigungslöchern in einem anschließenden, Anschluß bereiche in Form von Flanschfingern aufweisenden Flansch- oder Wellenteil aus einem formbaren Material eingeformt ist.

15. Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils umfangsversetzt je die Hälfte der Augen bereiche mit den Befestigungslöchern in einem von zwei entgegengesetzt anschließenden, Anschlußbereiche im Form von Flanschfingern aufweisenden Flanschen oder Wellenteilen aus einem formbaren Material eingeformt ist.