DE4442268C1 - Composite shaft with integral angle compensating end flange - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Welle mit integrierten Winkelausgleichselementen aus faserverstärkten Kunstharzen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a shaft with integrated angle compensation elements made of fiber-reinforced synthetic resins according to the preamble of claim 1.
Eine Welle der gattungsgemäßen Art ist zusammen mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zu ihrer Herstellung in der EP 0 443 470 A2 beschrieben.A shaft of the generic type is together with a device and a Processes for their preparation are described in EP 0 443 470 A2.
Bei dieser bekannten Welle ist ein Radialflansch vorgesehen, der im Bereich seines äußeren Umfangs mit Anschlußbohrungen versehen ist. Da in jedem Querschnitt des Rohrabschnittes und des Flansches der Gesamtquerschnitt aller Fasern gleich ist, ist dies mit einer Ausdünnung des Faseranteils zum äußeren Umfang des Flansches hin verbunden. Diese Ausdünnung hat den erwünschten Effekt, daß dadurch die Flanschdicke über den Radius kontinuierlich herabgesetzt werden kann, ohne daß damit eine Verringerung der übertragbaren Schubspannungen verbunden wäre. Dies führt in dem für die Winkelausgleichswirkung der Welle wesentlichen äußeren Flanschbereich zu einer geringeren Verformungsarbeit und damit zu einer geringeren Wärmeentwicklung. Weiter nimmt der Momentenverlauf nach außen ab und dadurch kommt es zu einer gleichmäßigen Beanspruchung über die Flanschfläche. Der Außendurchmesser des Flansches ist dabei von den zulässigen Biegespannungen abhängig. Dies führt zu Flanschdurchmessern, die in Fällen, in denen eine metallische Kardanwelle mit Kardangelenken zu substituieren ist, zu Abmessungen führt, die in den vorhandenen Konstruktionsräumen nicht mehr untergebracht werden können.In this known shaft, a radial flange is provided, which is in the area of its outer circumference is provided with connection holes. Because in every cross section of the Pipe section and the flange of the total cross section of all fibers is the same this with a thinning of the fiber portion towards the outer circumference of the flange connected. This thinning has the desired effect that the Flange thickness can be continuously reduced over the radius without this would involve a reduction in the transferable shear stresses. This leads in the outer essential for the angular compensation effect of the shaft Flange area to a lower deformation work and thus to a lower Heat development. The torque curve further decreases towards the outside and as a result there is an even load on the flange surface. Of the The outer diameter of the flange is from the permissible bending stresses dependent. This leads to flange diameters in cases where a metallic Cardan shaft to be replaced with universal joints, leads to dimensions that in the existing construction rooms can no longer be accommodated.
Aus der US-PS 4,173,128 ist eine rohrförmige Welle mit integrierten Ausgleichselementen bekannt, die aus faserverstärktem Kunstharz besteht und an deren Enden metallische Abschlußflansche angeordnet sind, die mit einem rohrförmigen Ansatz in die Enden der Welle eingreifen. Auf den Enden der Welle ist außen ein Metallring angeordnet, und die Verbindung in den Flanschen mit der Welle erfolgt durch radiale Niete, die durch den Außenring, die Welle und den rohrförmigen Ansatz des Flansches hindurchgreifen. Die Ausgleichselemente sind als Paare radial nach außen gewölbter ringförmiger Balgen mit teilkreisförmigem Querschnitt ausgebil det. Die Faserverstärkung weist ± 45° Fasern und Unidirektionalfasern auf, die sich in Längsrichtung der Welle erstrecken. Durch die balgenförmigen Ausgleichselemente wird zwar eine für den Winkelausgleich gewünschte örtliche Verringerung der Biege steifigkeit erreicht. Die Welle erhält aber auch insgesamt eine geringe Biegesteifigkeit und ist damit schwingungsempfindlich.From US-PS 4,173,128 is a tubular shaft with integrated Compensating elements known, which consists of fiber-reinforced synthetic resin and the ends of which are arranged metallic end flanges, which with a engage tubular neck in the ends of the shaft. On the ends of the shaft is a metal ring is arranged on the outside, and the connection in the flanges with the shaft done by radial rivets through the outer ring, the shaft and the tubular Reach through the shoulder of the flange. The compensating elements are radial as pairs annular bellows with a partially circular cross-section formed outwards det. The fiber reinforcement has ± 45 ° fibers and unidirectional fibers, which are in Extend the longitudinal direction of the shaft. Through the bellows-shaped compensating elements becomes a local reduction in the bending required for the angle compensation stiffness achieved. The shaft also has a low bending stiffness overall and is therefore sensitive to vibrations.
Aus der JP-3-223 516 A - Patent Abstracts of Japan - Sect. M Vol. 15 (1991) N° 509 (M-1195) ist eine zylindrische Welle aus faserverstärktem Kunstharz bekannt, die an ihren Enden über elastische ringförmige Stege mit der zylinderringförmigen Wandung eines metallischen Anschlußflansches verbunden ist, der die Enden der Welle mit radialem Abstand übergreift.From JP-3-223 516 A - Patent Abstracts of Japan - Sect. M Vol. 15 (1991) N ° 509 (M-1195) a cylindrical shaft made of fiber-reinforced synthetic resin is known to the their ends via elastic annular webs with the cylindrical wall a metallic connecting flange is connected to the ends of the shaft radial distance overlaps.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Welle der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß diese für einen vorgegebenen Winkelversatz bei einer vorgegebenen Leistungsübertragung mit einem kleineren Durchmesser ausgeführt werden kann.The object of the invention is to design a shaft of the generic type in such a way that this for a given angular offset at a given Power transmission can be carried out with a smaller diameter.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale.The object is achieved according to the invention by the in the characterizing part of Claim 1 highlighted features.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Welle und einer Vorrichtung zu ihrer Herstellung sind Gegenstand der Unteransprüche.Appropriate configurations of the shaft and a device for its production are the subject of the subclaims.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehen den im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:The invention is illustrated in the drawing, for example, and below described in detail with the aid of the drawing. Show it:
Fig. 1 im Querschnitt ein Ende einer Welle mit einem Flansch, der als Winkel ausgleichselement ausgebildet ist. Fig. 1 in cross section an end of a shaft with a flange which is designed as an angle compensation element.
Fig. 2 schematisch die Herstellung einer Welle zwei daran anzuformenden Flanschen. Fig. 2 schematically shows the manufacture of a shaft two flanges to be molded thereon.
Fig. 3 in größerem Maßstab einen Spreizkörper als ein Formelement einer Vor richtung zur Herstellung von Wellen mit Flanschen, die als Winkelausgleichselemente ausgebildet sind. Fig. 3 on a larger scale an expansion body as a shaped element of an on device for the production of shafts with flanges which are designed as angle compensating elements.
Fig. 4 im Querschnitt den Spreizkörper nach Fig. 3 und einen auf den rohrförmigen Teil der Welle aufgesetzten Formkörper. Fig. 4 in cross section the expansion body according to Fig. 3 and a molded body placed on the tubular part of the shaft.
Fig. 5 die Herstellung des Bördelflansches. Fig. 5 shows the manufacture of the flange.
Fig. 6 einen weiteren Verfahrensschritt zur Streckung der Fasern. Fig. 6 shows a further process step of stretching the fibers.
Die in Fig. 1 mit ihrem Endteil dargestellte Welle 2 weist einen vorzugsweise zylindrischen, rohrförmigen Abschnitt 4 auf, der sich bis zu der gestrichelten Linie 6 er streckt. Daran schließt sich der Flanschteil 8 an, der als Bördelflansch mit einer Umlen kung der Fasern um 180° mit einem inneren Radius R₁ ausgebildet ist. An den Bördelflansch schließt sich ein zylinder- oder rohrförmiger Abschnitt 10 an, der sich über das Ende des rohrförmigen Abschnittes 4 der Welle 2 erstreckt. Der so ausgebil dete Bördelflansch ist mit einem schalen- oder topfförmigen Anschlußelement 12 verbunden, das mit einer zylinderring- oder rohrförmigen Wandung 14 den rohrförmigen Flanschabschnitt 10 des Flansches außen übergreift und bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über radial angeordnete formschlüssige Verbindungselemente 16 - hier als Niet dargestellt - mit dem Flanschabschnitt 10 verbunden ist. Vorzugsweise ist auf der Innenseite ein ringförmiger Stützkörper 18 angeordnet, der innen gegen den zylinderringförmigen Abschnitt 10 des Kupplungsflansches anliegt und den die Verbindungselemente 16 durchgreifen. The shaft 2 shown in FIG. 1 with its end part has a preferably cylindrical, tubular section 4 which extends to the dashed line 6. This is followed by the flange part 8 , which is formed as a flanged flange with a deflection of the fibers by 180 ° with an inner radius R 1. A cylindrical or tubular section 10 adjoins the flanged flange and extends over the end of the tubular section 4 of the shaft 2 . The flanged flange thus configured is connected to a shell-shaped or pot-shaped connecting element 12 which overlaps the tubular flange section 10 of the flange with a cylindrical or tubular wall 14 and, in the exemplary embodiment shown, has radially arranged positive-locking connecting elements 16 - shown here as a rivet - is connected to the flange portion 10 . An annular support body 18 is preferably arranged on the inside, which rests on the inside against the cylindrical section 10 of the coupling flange and through which the connecting elements 16 pass.
In dem quer zur Achse 20 liegenden Boden 21 des Anschlußelementes 12 sind Bohrungen 24 für die Aufnahme von Verbindungselementen vorgesehen. Gegebenenfalls können hier auf der Innenseite Muttern 25 für Anschlußschrauben befestigt sein, wie in Fig. 1 oben veranschaulicht. Mit dem Anschlußelement 12 kann die Welle starr mit einem Flansch der Antriebs- bzw. Abtriebswelle verbunden werden. Mittig ist das Anschlußelement mit einer Durchgangsöffnung 26 versehen, die zur Aufnahme eines Zentrierzapfens am Anschlußflansch ausgebildet sein kann.In the bottom 21 of the connecting element 12 lying transversely to the axis 20 , bores 24 are provided for receiving connecting elements. If necessary, nuts 25 for connection screws can be fastened here on the inside, as illustrated in FIG. 1 above. With the connecting element 12 , the shaft can be rigidly connected to a flange of the input or output shaft. In the middle, the connection element is provided with a through opening 26 which can be designed to receive a centering pin on the connection flange.
Anstelle einer formschlüssigen Verbindung zwischen dem Flanschabschnitt 10 und der Wandung des Anschlußkörpers kann auch eine kraftschlüssige Verbindung vorgesehen werden. So kann der Anschlußkörper über ein Elastomer im Überdeckungsbereich an den Flanschabschnitt 10 anvulkanisiert werden. Damit ist zu gleich eine zusätzlich Elastizität erreichbar. Der Stützring kann dabei auch entfallen.Instead of a positive connection between the flange section 10 and the wall of the connecting body, a non-positive connection can also be provided. Thus, the connecting body can be vulcanized to the flange section 10 via an elastomer in the overlap area. Additional elasticity can thus be achieved at the same time. The support ring can also be omitted.
Die Welle besteht aus einem Faserverbundwerkstoff. Die Fasern sind zur Übertragung der Torsionskräfte unter einem Winkel zur Achse 20 kreuzweise gewickelt, und vorzugsweise mit einem Winkel von +/- 45°.The shaft consists of a fiber composite material. The fibers are wound crosswise to transmit the torsional forces at an angle to the axis 20 , and preferably at an angle of +/- 45 °.
Der Gesamtquerschnitt aller Fasern ist im Bereich des rohrförmigen Abschnittes 4, im Bereich des Bördelflansches 8 und im Bereich des zylinderringförmigen Endab schnittes 10 gleich. Im Bereich des Bördelflansches sind die Faserlagen entsprechend dem sich vergrößernden Durchmesser des Bördels ausgedünnt verbunden mit einer entsprechenden Reduzierung der Wandstärke. Der Innenradius R₁ des Flansches geht daher von einem Durchmesser D₁ aus, der um die Differenz der Wandstärken des Bördelflansches am inneren bzw. äußeren Durchmesser größer ist als der Durch messer D₂, von dem der Außenradius R₂ des Bördelflansches ausgeht.The total cross section of all fibers is the same in the area of the tubular section 4 , in the area of the flanged flange 8 and in the area of the cylindrical end section 10 . In the area of the flange flange, the fiber layers are thinned out in accordance with the increasing diameter of the flange, with a corresponding reduction in the wall thickness. The inner radius R₁ of the flange is therefore based on a diameter D₁, which is greater by the difference in the wall thicknesses of the flange on the inner or outer diameter than the diameter D₂, from which the outer radius R₂ of the flange is based.
Fig. 2 zeigt schematisch einen ersten Schritt der Herstellung einer Welle mit beidseitig angeformten Bördelflanschen. Die für die Herstellung verwendete Vorrichtung weist einen Wickeldorn 30 mit einem Außendurchmesser entsprechend dem Innendurchmesser des Rotorabschnittes der Welle auf, der an seinen beiden Enden in drehbaren Spannfuttern 32 eingespannt ist, die entsprechend dem gewünschten Wickelmuster programmgesteuert antreibbar sind. Die Fasern 34 werden über die in Achsrichtung verschiebbare Fadenzuführung 36 abgelegt. Fig. 2 shows schematically a first step in the production of a shaft with flanged flanges formed on both sides. The device used for the production has a winding mandrel 30 with an outer diameter corresponding to the inner diameter of the rotor section of the shaft, which is clamped at both ends in rotatable chucks 32 which can be driven in a program-controlled manner in accordance with the desired winding pattern. The fibers 34 are deposited over the thread feed 36 which is displaceable in the axial direction.
Im Bereich der beiden Enden der zu wickelnden Welle ist jeweils ein Spreizkörper 38 angeordnet. Die Spreizkörper sind in Achsrichtung des Wickeldorns 30 verstellbar.In the area of the two ends of the shaft to be wound, an expansion body 38 is arranged in each case. The spreading bodies are adjustable in the axial direction of the winding mandrel 30 .
Ein Spreizkörper 38 ist in Fig. 3 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Die Spreizkörper 38 sind in ihren einander zugewandten Stirnseiten mit einer ringförmigen mit einer im Querschnitt halbkreisförmig mit einem Radius R₂ konkav gerundeten Profilausnehmung versehen, die zur Stirnfläche 44 des Spreizkörpers in einen hohlzylindrischen Abschnitt 42 übergeht. Das Profil, bestehend aus dem äußeren Umfang des Wickeldorns der Profilausnehmung 40 und dem daran anschließenden zylindrischen Abschnitt 42 bilden die Außenfläche des Bördelflansches ab.An expansion body 38 is shown in FIG. 3 on an enlarged scale. The expansion body 38 are provided in their mutually facing end faces with an annular profile recess with a semi-circular cross-section with a radius R₂ concavely rounded, which merges with the end face 44 of the expansion body in a hollow cylindrical portion 42 . The profile, consisting of the outer circumference of the winding mandrel of the profile recess 40 and the adjoining cylindrical section 42, form the outer surface of the flanged flange.
Auf der Außenseite des Spreizkörpers sind mit Abstand von der gerundet ausgebildeten Stirnfläche 44 radial nach außen hervorstehende Wickeldorne 46 angebracht, über die die Fasern beim Wickeln umgelenkt werden. Der Übergang der Wicklung von dem zylindrischen Abschnitt 48 in den konischen Abschnitt 50 erfolgt vorzugsweise in der in der EP 0 443 470 A2 unter bezug auf die dortigen Fig. 18 und 19 beschriebenen Weise.On the outside of the expansion body, radially outwardly projecting mandrels 46 are attached at a distance from the rounded end face 44 , via which the fibers are deflected during winding. The transition of the winding from the cylindrical section 48 into the conical section 50 is preferably carried out in the manner described in EP 0 443 470 A2 with reference to FIGS. 18 and 19 there.
Als Fasern werden vorzugsweise hochfeste Fasern wie Kohlenstoffasern verwendet, die vorzugsweise mit dem Kunstharz getränkt gewickelt werden.High-strength fibers such as carbon fibers are preferably used as fibers, which are preferably wrapped soaked with the synthetic resin.
Weitere Elemente der Vorrichtung sind Formkörper 52, die nach Fertigstellung der Wicklung auf die Enden des rohrförmigen Abschnittes 48 der Wicklung aufgesetzt werden. Im nachstehenden wird die Vorrichtung unter Bezug auf eine der beiden Paarungen aus Spreizkörper 38 und Formkörper 52 beschrieben. Der Formkörper 52 ist in einer durch die Achse des Wickeldorns 30 hindurchgehenden Ebene so geteilt, daß er radial auf die Wicklung aufsetzbar ist und in seiner Endlage mit beiden Teilen 54, 56 die Wicklung vollständig umschließt. Der Formkörper 52 ist an seiner dem Spreizkörper zugewandten Stirnseite mit einer im Querschnitt mit dem Innenradius R₁ des halbkreisförmig konvex gerundeten Schulter 58 ausgebildet, die auf der Außenseite des Formkörpers 52 in einen zylindrischen Abschnitt 60 übergeht. Die Schulter 58 entspricht der konkaven Innenkontur des Bördelflansches 8. Der Formkörper übergreift das Ende des zylindrischen Wicklungsabschnittes mit der Schul ter 58 also über eine Länge, die dem Radius R₁ entspricht.Further elements of the device are shaped bodies 52 which are placed on the ends of the tubular section 48 of the winding after completion of the winding. The device is described below with reference to one of the two pairings of expansion body 38 and molded body 52 . The molded body 52 is divided in a plane passing through the axis of the winding mandrel 30 such that it can be placed radially on the winding and in its end position completely surrounds the winding with both parts 54 , 56 . The shaped body 52 is formed on its end face facing the expansion body with a shoulder 58 which is rounded in cross section with the inner radius R 1 of the semicircularly convex shoulder and which merges into a cylindrical section 60 on the outside of the shaped body 52 . The shoulder 58 corresponds to the concave inner contour of the flange 8 . The molded body overlaps the end of the cylindrical winding section with the school ter 58 so over a length that corresponds to the radius R₁.
Zur Herstellung der Wicklung werden die Spreizkörper fest mit dem Wickeldorn ver bunden. Zwischen dem nach dem Aussetzen axial relativ zum Wickeldorn festgehalterten Formkörper 52 und dem nach Fertigstellung der Wicklung axial auf dem Wickeldorn 18 verschiebbar gemachten Spreizkörper 38 sind Antriebsmittel - hier schematisch dargestellt durch Zugbolzen 62 und Spannscheiben oder -flansche 64, 66 - vorgesehen, mit denen der Spreizkörper auf den Formkörper 52 zu verschiebbar ist. Bei der Verschiebung wird der konusförmige Abschnitt 50 der Wicklung um die Schulter 58 des Formkörpers herumgelegt. Dabei bleibt das Wickelschema der Fasern im wesentlichen reproduzierbar erhalten.To produce the winding, the expansion bodies are firmly connected to the mandrel. Between the shaped body 52 , which is held axially relative to the winding mandrel after the exposure, and the expansion body 38 , which is made axially displaceable on the winding mandrel 18 after completion of the winding, drive means are provided - shown here schematically by tension bolts 62 and tensioning disks or flanges 64, 66 - with which the Spreading body to the molded body 52 is displaceable. During the displacement, the conical section 50 of the winding is placed around the shoulder 58 of the shaped body. The winding pattern of the fibers remains essentially reproducible.
In der in Fig. 5 dargestellten Endlage wird zwischen den formgebenden Abschnitten des Wickeldorns 30, des Spreizkörpers 38 und des Formkörpers der Endabschnitt der Welle 2 mit dem Bördelflansch 10 abgebildet. Durch die dabei aufgebrachte Vorspannung wird die Wickelstruktur im Bereich des Bördelflansches verdichtet und der Kunstharzanteil eingestellt.In the end position shown in FIG. 5, the end section of the shaft 2 with the flanged flange 10 is depicted between the shaping sections of the winding mandrel 30 , the expansion body 38 and the shaped body. As a result of the preload applied, the winding structure in the region of the flanged flange is compressed and the proportion of synthetic resin is adjusted.
Zur Erzeugung einer axialen Spannung in der Wicklung, die verbunden ist mit einer Streckung der Fasern, sind Antriebsmittel vorgesehen, mit denen die beiden fest verbundenen Einheiten aus Spreizscheibe und Formkörper relativ zueinander verschiebbar sind - hier dargestellt durch einen auf dem Wickeldornende arretierten Spannflansch 68. Durch die Axialverschiebung wird auf die Fasern eine Zugkraft aus geübt und dadurch die Fasern gestreckt. Gleichzeitig kann durch die Reaktionskraft auf den für die Streckung in Achsrichtung verschiebbar gemachten Formkörper 52 die Druckkraft, die auf den Bereich des Bördels der Wicklung aufgebracht wird, erhöht werden. Die Streckkraft braucht nur an einem Ende aufgebracht zu werden. Es muß dann der Formkörper am gegenüberliegenden Ende in Achsrichtung festgehalten bleiben.In order to generate an axial tension in the winding, which is connected to an extension of the fibers, drive means are provided with which the two firmly connected units consisting of the spreading disc and the shaped body can be displaced relative to one another - represented here by a clamping flange 68 locked on the end of the winding mandrel. The axial displacement exerts a tensile force on the fibers, thereby stretching the fibers. At the same time, the reaction force on the shaped body 52, which is made displaceable in the axial direction for stretching, increases the compressive force which is applied to the region of the flare of the winding. The stretching force need only be applied at one end. The molded body must then remain held in the axial direction at the opposite end.
Nach Erreichen der Endspannung wird das Kunstharz unter Rotation und Temperatur einwirkung ausgehärtet. Nach dem Aushärten wird der so hergestellte Rohling der Welle mit dem Anschlußelement konfektioniert. After the final tension is reached, the synthetic resin is subjected to rotation and temperature action hardened. After curing, the blank thus produced is the Assembled shaft with the connecting element.
Die Antriebs- und Arretierungsmittel für die Formelemente können in unterschiedlicher Weise für die Durchführung der beschriebenen Funktionen ausgebildet sein, insbesondere auch im Hinblick auf eine weitgehende Automatisierung der einzelnen Fertigungsschritte.The drive and locking means for the shaped elements can be in different Be trained to perform the functions described especially with regard to extensive automation of the individual Manufacturing steps.
Claims (8)
- - einem zylindrischen Wickeldorn (30),
- - wenigstens einem auf dem Wickeldorn angeordneten und relativ zum Wickeldorn axial verschiebbaren und arretierbaren Spreizkörper (38) mit Mitteln zur Faser umlenkung (46),
- - einem im Abstand vom Spreizkörper von außen auf den Wickeldorn aufsetzbaren, radial geteilten Formkörper (52), dessen dem Spreizkörper zugewandte Stirnseite mit einem Profil ausgebildet ist, das dem Profil des Flansches entspricht, das dem rohrförmigen Abschnitt der Ausgleichskupplung zugewandt ist,
- - a cylindrical winding mandrel ( 30 ),
- - At least one spreading body ( 38 ) arranged on the winding mandrel and axially displaceable and lockable relative to the winding mandrel with means for fiber deflection ( 46 ),
- a radially divided molded body ( 52 ) that can be placed on the winding mandrel from the outside at a distance from the expanding body, the end face of which facing the expanding body is designed with a profile that corresponds to the profile of the flange that faces the tubular section of the compensating coupling,
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