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Dokumentenidentifikation DE3804901A1 31.08.1989
Titel Antriebswelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
Anmelder A.O. Smith Corp., Milwaukee, Wis., US
Erfinder Coursin, Benjamin E., Milwaukee, Wis., US
Vertreter Popp, E., Dipl.-Ing.Dipl.-Wirtsch.-Ing.Dr.rer.pol.; Sajda, W., Dipl.-Phys.; Reinländer, C., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Bohnenberger, J., Dipl.-Ing.Dr.phil.nat., 8000 München; Bolte, E., Dipl.-Ing.; Möller, F., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 2800 Bremen
DE-Anmeldedatum 17.02.1988
DE-Aktenzeichen 3804901
Offenlegungstag 31.08.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.08.1989
IPC-Hauptklasse F16C 3/02
IPC-Nebenklasse B29C 67/14   
IPC additional class // (B60K 17/22,B29L 31:00)  
Zusammenfassung Es wird eine Antriebswelle aus faserverstärktem Harz angegeben, die insbesondere für Fahrzeuge geeignet ist und einen verbesserten Widerstand gegen Torsionsknicken besitzt. Die Antriebswelle (1) weist ein Rohrteil auf, das aus aushärtbarem Harz besteht, das mit Fasermaterial verstärkt ist, welches aus einer Mischung aus im wesentlichen durchgehenden Glas- und Graphitfasern besteht. Eine Rippe (3) ist mit dem Rohrteil integral verbunden und erstreckt sich von dem Rohrteil in radialer Richtung. Die Rippe erstreckt sich nur über einen Bereich der Länge des Rohrteiles und hat eine ausreichende Dicke, um den Widerstand des Rohrteiles gegen Torsionsknicken wesentlich zu reduzieren.

Beschreibung[de]

Antriebsweilen für Kraftfahrzeuge werden beispielsweise verwendet, um daran die vorderen und hinteren Kreuzgelenke des Fahrzeugs anzuschließen.

In der Vergangenheit hat man Antriebswellen üblicherweise aus einem Stahlrohr hergestellt, das Joche oder Gabeln an seinen Enden aufweist. In jüngerer Zeit hat man zur Reduzierung des Gesamtgewichtes des Fahrzeugs Antriebswellen aus faserverstärktem Kunstharz hergestellt, wobei das Fasermaterial im wesentlichen aus Glas- und Graphitfasern besteht. Graphitfasern haben den Vorteil, daß sie für Steifigkeit in Längsrichtung sorgen, aber sie sind teurer als Glas.

Bei der Konzeption einer Antriebswelle ist es erforderlich, daß der Längsbiegemode über einer bestimmten Frequenz liegt. Wenn er nicht über dieser Frequenz liegt, können Schwingungen auftreten und zu einem möglichen Ausfall der Antriebswelle führen.

Gemäß einem weiteren Erfordernis muß die Antriebswelle in der Lage sein, das Drehmoment der Antriebsmaschine ohne Scher- oder Torsionsausfall auszuhalten und zu übertragen. Wenn die Antriebswelle nicht in der Lage ist, das Motorendrehmoment zu übertragen, kann ein Torsionsknicken auftreten, was zu einer Deformation des Querschnitts der Antriebswelle und dann zu einem Knicken und Ausfall der Antriebswelle bei einem vorgegebenen maximalen Drehmoment führt.

Das Torsionsknicken ist vorherrschender bei Antriebswellen größerer Länge, die in einigen Fällen in der Größenordnung von 230 bis 255 cm liegen können. Das Torsionsknicken kann verhindert werden, indem man zusätzliche Mengen von Graphitfasern einbaut, um die Längssteifigkeit zu erhöhen, aber dies erhöht die Gesamtkosten der Antriebswelle erheblich. Eine zweite Art und Weise, das Torsionsknicken zu verhindern, besteht darin, die Antriebswelle mit kürzeren Längen auszubilden, die von Zwischenlagern abgestützt werden. Wiederum trägt die Verwendung von solchen Lagern zur Erhöhung der Gesamtkosten der Antriebswelle bei.

Somit besteht ein Bedarf an preiswerten Antriebswellen aus faserverstärktem Kunststoffharz, die einen erhöhten Widerstand gegenüber Torsionsknicken haben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Antriebswelle sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, wobei die Antriebswelle aus faserverstärktem Kunstharz besteht und einen erhöhten Widerstand gegenüber Torsionsknicken besitzt.

Gemäß der Erfindung wird eine derartige Antriebswelle aus faserverstärktem Kunstharz angegeben, bei der eine ringförmige Rippe integral mit der Antriebswelle verbunden ist und sich von der Welle in radialer Richtung erstreckt. Die Rippe oder der Steg erstreckt sich nur über einen Bereich der Länge der Welle und hat eine ausreichende Dicke, um das Torsionsknicken der Welle wesentlich zu reduzieren.

Bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung kann die Rippe die Form eines separaten Ringes aus Metall oder Fasermaterial haben, das mit einem aushärtbaren Harz imprägniert und mit der Außenoberfläche der Antriebswelle verbunden ist.

Bei einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung kann die Rippe die Form eines Ringes haben, der sich an der Innenoberfläche der Antriebswelle befindet, während bei einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung das Fasermaterial der Antriebswelle über eine vorstehende Rippe auf einem Dorn gewickelt sein kann, um eine entsprechende, sich nach außen erstreckende Rippe auf der Welle auszubilden.

Gemäß der Erfindung wird eine wesentliche Steigerung des Widerstandes gegenüber Torsionsknicken erzielt, ohne daß es erforderlich ist, zusätzliche Graphitfasern einzubauen, die sonst die Gesamtkosten der Welle wesentlich vergrößern.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Antriebswelle gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Antriebswelle gemäß Fig. 1 teilweise im Schnitt;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei der Fasermaterial zur Bildung einer äußeren Rippe verwendet wird;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung; und in

Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine weitere, abgewandelte Ausführungsform gemäß der Erfindung.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Antriebswelle 1 für ein Fahrzeug dargestellt, wobei die Antriebswelle an ihren beiden Enden Endanschlüsse oder Gabeln 2 aufweist, von denen in Fig. 1 nur eine dargestellt ist. Die Antriebswelle 1 besteht aus faserverstärktem, aushärtbaren Kunstharz, während die Gabeln oder Anschlußstücke 2 im allgemeinen aus Stahl oder Aluminium bestehen und die Enden der Antriebswelle 1 in geeigneter Weise mit dem Buchsenbereich der Anschlußstücke 2 verbunden sein können.

Es können eine Vielzahl von Fasermaterialien verwendet werden, um die Antriebswelle 1 herzustellen, und man hat festgestellt, daß eine Kombination aus Glas- und Graphitfasern besonders geeignet ist. Wenn man eine Kombination aus Glas- und Graphitfasern verwendet, sollten die Graphitfasern vorzugsweise etwa 20 Gew.-% bis 60 Gew.-% des Fasermaterials ausmachen.

Das aushärtbare Kunstharz kann jedes in der Wickeltechnik verwendete Kunstharz sein, wie z. B. Epoxi- oder Polyesterharz.

Die Fasern liegen in Form von im wesentlichen kontinuierlichen Faserbündeln oder Strängen vor, die schraubenförmig in einer Vielzahl von sich überlagernden Schichten oder Durchgängen gewickelt werden, um für die gewünschte Dicke der Antriebswelle 1 zu sorgen. Die Fasern können in einer Vielzahl von verschiedenen Mustern oder Schraubenwinkeln gewickelt werden, und zwar in Abhängigkeit von der Art des Fasermaterials und den gewünschten physikalischen Eigenschaften der Antriebswelle 1.

Man hat festgestellt, daß ein Steigungswinkel oder Schraubenwinkel von etwa 15° zu bevorzugen ist, um eine optimale Längssteifigkeit der Antriebswelle 1 zu erzielen.

Gemäß der Erfindung wird der Widerstand gegen Torsionsknicken wesentlich verbessert, indem man eine oder mehrere ringförmige Rippen oder Ringe 3 auf der Antriebswelle 1 einbaut. Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, ist die Rippe bzw. der Ring 3 im wesentlichen durchgehend und kann aus Metall, wie z. B. Aluminium, bestehen oder alternativ aus faserverstärktem Kunstharz hergestellt werden. Der Ring 3 kann mit der Außenoberfläche der Antriebswelle 1 durch die Verwendung eines geeigneten Klebemittels verbunden werden. Alternativ dazu können zusätzliche Schichten von Fasermaterial, die mit einem aushärtbaren Harz imprägniert werden, über den Ring 3 gewickelt werden, um den Ring 3 mit der Außenoberfläche der Antriebswelle 1 zu verbinden.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei der eine Reihe von Schraubenwindungen 4 aus Fasermaterial, das mit einem aushärtbaren Harz imprägniert ist, um die Außenoberfläche der Antriebswelle 1 gewickelt sind, um eine außerhalb verlaufende Rippe zu bilden. Das Fasermaterial kann aus Glas oder jedem anderen geeigneten Fasermaterial bestehen, das üblicherweise in der Wickeltechnik verwendet wird. Das Fasermaterial wird in einer Anzahl von sich überlagernden Schichten herumgewickelt, um eine Rippe oder einen Ring zu bilden, der im allgemeinen eine größere Dicke hat als die Wandstärke der Antriebswelle 1 ausmacht. Beim Aushärten des Harzes werden die Windungen 4 integral mit der Antriebswelle 1 verbunden.

Fig. 4 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei der eine Antriebswelle 5, ähnlich wie die Antriebswelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform, mit einer außerhalb verlaufenden Umfangsrippe 6 versehen ist. Zur Herstellung der Rippe 6 wird ein Ring 7 aus Metall, Kunststoff oder einem anderen Material auf einen zylindrischen Dorn 8 gesetzt, und dann werden Faserbündel oder Faserstränge, die mit aushärtbarem Harz imprägniert werden, in einer Vielzahl von sich überlagernden Schichten über den Ring 7 gewickelt, um die Welle 5 mit einer nach außen vorstehenden Rippe 6 zu bilden. Nach Beendigung des Wickelvorganges wird der Dorn 8 entfernt, um eine Struktur übrigzulassen, bei der der Ring 7 integral mit der Innenoberfläche der Antriebswelle 5 verbunden ist.

Eine weitere, modifizierte Ausführungsform gemäß der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Antriebswelle 9, mit ähnlicher Struktur wie die Antriebswelle 1, mit einer Innenrippe versehen, die sich von der Innenoberfläche der Antriebswelle 9 nach innen erstreckt.

Um die Struktur gemäß Fig. 5 herzustellen, wird eine zweiteilige Dornanordnung verwendet, die Dornabschnitte 10 und 11 aufweist. Das Ende des Dornabschnitts 11 ist mit einer Verlängerung 12 mit kleinem Durchmesser versehen, die gegen das Ende des Dornabschnittes 10 anstößt. Ein Ring 13 aus Metall, Kunststoff oder faserverstärktem Kunstharz ist auf die Verlängerung 12 aufgesetzt und die Dornabschnitte 10 und 11 werden dann, gegeneinander anstoßend, positioniert, wie es Fig. 5 zeigt. Dann wird Fasermaterial, das mit einem aushärtbaren Kunstharz imprägniert wird, in einer geeigneten Anzahl von sich überlagernden Schichten um die Dornabschnitte 10 und 11 sowie über den Ring 13 gewickelt, um die Konstruktion der Antriebswelle zu ergeben, die in Fig. 5 dargestellt ist. Nach dem Entfernen der Dornabschnitte 10 und 11 aus der Welle 9 ist der Ring 13 integral mit der Innenoberfläche der Antriebswelle 9 verbunden und bildet die gewünschte Rippe.

Fig. 6 zeigt eine weitere modifizierte Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei es sich um eine Antriebswelle 14 mit ähnlichem Aufbau wie die Antriebswelle 1 handelt, die mit einer außerhalb verlaufenden Umfangsrippe versehen ist. Zur Herstellung der Konstruktion gemäß Fig. 6 wird ein Rohr 16, vorzugsweise aus thermoplastischem Material und mit einer ringförmigen Rippe oder einem ringförmigen Vorsprung 17, als Dorn verwendet, und Faserbündel oder Faserstränge, die mit Harz imprägniert werden, werden in einer gewünschten Anzahl von sich überlagernden Schichten um das Rohr 16 und den Vorsprung bzw. die ringförmige Rippe 17 gewickelt, um die Antriebswelle 14 herzustellen.

Die Rippe, die entweder an der Außenoberfläche oder der Innenoberfläche der Antriebswelle aus faserverstärktem Kunstharz ausgebildet ist, erhöht den Widerstand gegenüber Torsionsknicken. Die Rippe kann an jedem gewünschten Ort über die Länge der Welle vorgesehen sein, und in Abhängigkeit von der Länge der Welle können eine oder mehrere solche Rippen verwendet werden. Vorzugsweise wird die Rippe in einer solchen Position angeordnet, wo sie die Frequenz der Längsbiegemode nicht beeinflußt, so daß sich keine übermäßigen Schwingungen ergeben.

Vorzugsweise hat die Rippe eine größere Dicke als die Wandstärke der Antriebswelle ausmacht. Bei einer Antriebswelle aus faserverstärktem Epoxiharz, bei der die Faserverstärkung aus 37 Gew.-% Glasfasern und 26 Gew.-% Graphitfasern besteht, wurde beispielsweise bei einer Länge von 180 cm und einer Wandstärke von 0,25 cm mit einer Rippendicke von 0,38 cm gearbeitet. Mit einer derartigen Konstruktion wurde eine Erhöhung des Widerstandes gegenüber Torsionsknicken von ungefähr 25% gegenüber einer in gleicher Weise aufgebauten Welle erzielt, die aber ohne Rippe ausgebildet war.


Anspruch[de]
  1. 1. Antriebswelle, mit einem Paar von endseitigen Anschlußstücken, wobei die Welle aus faserverstärktem, aushärtbaren Harz besteht und mit den Anschlußstücken (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Enden der Antriebswelle (1, 5, 9, 14) in übergreifender Anordnung an den jeweiligen Anschlußstücken (2) befestigt sind und mit diesen überlappende Verbindungen bilden,

    daß eine ringförmige Rippe (3, 4, 6, 7, 13, 15, 17) integral mit der Antriebswelle (1, 5, 9, 14) verbunden ist und sich in radialer Richtung der Antriebswelle erstreckt,

    und daß die Rippe in Längsrichtung von den überlappenden Verbindungen beabstandet ist und eine ausreichend große radiale Dicke hat, um den Widerstand der Antriebswelle gegen Torsionsknicken zu erhöhen.
  2. 2. Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverstärkung eine Kombination aus Glas- und Graphitfasern aufweist.
  3. 3. Antriebswelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Rippe (3, 4, 6, 7, 13, 15, 17) größer ist als die Wandstärke der Antriebswelle (1, 5, 9, 14) .
  4. 4. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe (3, 4, 6, 7, 13, 15, 17) aus Fasermaterial besteht, das mit einem aushärtbaren Harz abgebunden und mit der Antriebswelle verbunden ist.
  5. 5. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe einen Metallring (3, 7, 13) aufweist, der mit der Antriebswelle verbunden ist.
  6. 6. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe sich von der Antriebswelle radial nach außen erstreckt.
  7. 7. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe (13, 15, 17) sich von der Antriebswelle radial nach innen erstreckt.
  8. 8. Antriebswelle, mit einem Paar von endseitigen Anschlußstücken (2), wobei die Antriebswelle (1, 5, 9, 14) mit den Anschlußstücken (2) verbunden ist und aus Fasermaterial besteht, das mit einem aushärtbaren Harz verklebt ist, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Enden der Antriebswelle (1, 5, 9, 14) um die entsprechenden Enden der Anschlußstücke (2) herum angeordnet und mit diesen verbunden sind, so daß eine überlappende Verbindung entsteht,

    daß das Fasermaterial aus einer Mischung besteht, die im wesentlichen Glasfasern und Graphitfasern enthält, daß eine Umfangsrippe (3, 4, 6, 7, 13, 15, 17) integral mit der Antriebswelle (1, 5, 9, 14) ausgebildet ist und sich radial zur Antriebswelle erstreckt,

    daß die Rippe in Längsrichtung von den überlappenden Verbindungen beabstandet ist und sich nur über einen Bereich der Länge der Antriebswelle erstreckt, wobei die Dicke der Rippe größer ist als die Wandstärke der Antriebswelle, um dadurch den Widerstand der Antriebswelle gegen Torsionsknicken zu erhöhen.
  9. 9. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle aus faserverstärktem Kunstharz mit erhöhtem Widerstand gegen Torsionsknicken, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

    Herstellen einer rohrförmigen Antriebswelle aus im wesentlichen durchgehenden Fasersträngen, die mit einem aushärtbaren Harz imprägniert werden,

    Verbinden von Anschlußstücken aus Metall mit den Enden der Antriebswelle, und

    Herstellen einer ringförmigen, radial verlaufenden Rippe auf der Antriebswelle an einem Ort, der in Längsrichtung von den Enden der Antriebswelle beabstandet ist, zur Erhöhung des Widerstandes der Antriebswelle gegen Torsionsknicken im Betrieb.






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