DE8019441U1

DE8019441U1 - Drive shaft made of fiber-reinforced plastic, with tightly wound end pieces

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Publication number: DE8019441U1
Application number: DE8019441U
Authority: DE
Original assignee: Felten and Guilleaume Energietechnik AG
Current assignee: Felten and Guilleaume Energietechnik AG
Priority date: 1980-07-19
Publication date: 1984-10-04

Description

Fl 4573 1 04.07.84Fl 4573 1 07/04/84

Antriebswelle aus faserverstärktem Kunststoff, mit festgewickelten EndstückenDrive shaft made of fiber-reinforced plastic, with tightly wound End pieces

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebswelle aus faserverstärktem Kunststoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie findet besonders Anwendung bei Gelenkwellen für Motorfahrzeuge, wie Kardanwellen oder dergleichen.The invention relates to a fiber-reinforced drive shaft Plastic according to the preamble of claim 1. It is particularly used in cardan shafts for motor vehicles, such as cardan shafts or the like.

Die Erfindung geht von einer bekannten Kardanwellenkonstruktion aus, die in der DE-OS 28 51 292 nebst einem Verfahren zu deren Herstellung gezeigt und beschrieben ist. Gegenüber den üblichen Kardanwellen aus Stahl besitzt diese Konstruktion neben einem besseren Schwingungsverhalten den Vorteil eines geringeren Gewichtes.The invention is based on a known cardan shaft construction, which is described in DE-OS 28 51 292 along with a method the manufacture of which is shown and described. Compared to the usual cardan shafts made of steel, this construction has in addition to better vibration behavior, the advantage of a lower weight.

Es ist ferner eine Antriebswelle der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen worden, bei deren Rohr die in der Kunststoff-Matrix eingekapselten hochfetsen Fasern oder Faserverbände in den innersten und äußersten Lagen wendelförmig mit eng aufeinanderfolgenden Windungen möglichst geringer Steigung, hingegen in den Zwischenlagen mit einem Steigungswinkel zwischen 30° und 60° und einander gegenläufig kreuzenden Windungen der Fasern oder -Verbände aufeinanderfolgender Lagen angeordnet sind. Bei dieser Antriebswelle ist der vorragende AbschnittA drive shaft of the type mentioned at the beginning has also been proposed, in the case of which the tube is in the plastic matrix encapsulated high-strength fibers or fiber assemblies in the innermost and outermost layers in a helical manner with closely spaced one another Windings with the lowest possible pitch, but in the intermediate layers with a pitch angle between 30 ° and 60 ° and oppositely crossing turns of the fibers or associations of successive layers arranged are. In this drive shaft is the protruding portion

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,jedes Endstückes als mit dem HuT senf ort sat ζ einstückiger Ringteil, mit größerem Außendurchmesser jedoch gleicher lichter Weite wie dieser, und mit etwa gleichem Außendurchmesser wie das Rohr ausgebildet; wobei an dessen innerer Stirnfläche die in der Kunststoff-Matrix eingekapselten Fasern oder -Verbände fest verhaftet sind, so daß jedes Ringteil zugleich als Begrenzung, endseitiger Abschluß und Schutz der empfindlichen Stirnflächen des Rohres vor äußeren Einflüssen dient., each end piece as one-piece with the hat mustard place sat ζ Ring part, with a larger outer diameter but the same clear width as this one, and with approximately the same outer diameter how the tube is formed; the fibers encapsulated in the plastic matrix on its inner end face or bandages are firmly attached, so that each part of the ring serves as a boundary, end closure and protection serves to protect the sensitive end faces of the pipe from external influences.

Diese Ausbildung von Gelenkwellen, bei welcher der Hülsenfortsatz jedes Endstückes, bei gleichbleibender lichter Weite seiner Bohrung, mit einem vom Ringteil gegen sein in das Innere des Hauptteiles ragendes Ende abnehmenden Querschnitt des Profiles seiner Oberfläche, und im Bereich des Überganges vom Hülsenfortsatz zum Ringteil dieser Endstücke mit einer umfänglichen Ringnut ausgebildet ist, hat sich in der Praxis gut bewährt. Es ergaben sich jedoch gewisse Schwierigkeiten beim Aufbringen der einander gegenläufig kreuzenden Windungen der Fasern oder -Verbände auf die Oberfläche der einzubindenden, in der beschriebenen Weise ausgebildeten, Endstücke aus Metall. Beim kontinuierlichen Wickeln des, das Wellenhauptteil bildenden, Rohres ist nämlich eine Umkehrung der Wickelrichtung in den Endbereichen desselben erforderlich, wenn mit kontinuierlichen Fasern oder -Verbänden gewickelt werden soll, wie dies zur optimalen Festigkeit der Enden dieses Verbundrohrteiles und zur Vereinfachung des Wickelvorganges wünschenswert ist. Hierbei war jedoch bislang ein gegenseitiges Verschieben der Umkehrschleife jeder Faserwicklung beim WickelVorgang kaum vermeidbar. Die so mehr zufällige Lage der Umkehrpunkte der Fasern oder -Verbände kann jedoch zu einer unerwünschten Faserstruktur an den Enden des Verbundrohres führen, welche die an sich optimale mechanische Festigkeit der Welle in diesen Bereichen zu beeinträchtigen vermag.This formation of cardan shafts, in which the sleeve extension of each end piece, with the same clear width of its Bore with a cross-section of the profile decreasing from the ring part towards its end protruding into the interior of the main part its surface, and in the area of the transition from the sleeve extension to the ring part of these end pieces with a circumferential Ring groove is formed, has proven itself well in practice. However, there were certain difficulties in application the oppositely crossing turns of the fibers or bandages on the surface of the to be tied in formed in the manner described, end pieces made of metal. When continuously winding the main shaft part, Tube is namely a reversal of the winding direction in the end areas of the same required, if with continuous Fibers or bandages are to be wound, as is the case for the optimum strength of the ends of this composite pipe part and is desirable to simplify the winding process. Up to now, however, there has been a mutual shifting of the There is hardly any reverse loop of each fiber winding during the winding process avoidable. The more random position of the turning points of the fibers or bandages can, however, lead to an undesirable fiber structure lead at the ends of the composite pipe, which in itself optimal mechanical strength of the shaft in this Able to affect areas.

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Pl 4573 3 16.07.80Pl 4573 3 July 16, 1980

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer solchen Antriebswelle die Verankerung und Einbindung der metallenen Endstücke in den Endabschnitten des Hauptteiles der Welle mit vorgegebener Faserstruktur desselben optimal zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird durch die mit dem Anspruch 1 umrissene Erfindung gelöst.The invention is based on the object in such Drive shaft with the anchoring and integration of the metal end pieces in the end sections of the main part of the shaft to optimally ensure the same predetermined fiber structure. This object is achieved by the invention outlined in claim 1 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Aufgabenlösung sind mit den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben, von welchen sich die Ansprüche 2 bis 4 auf die Anordnung der Verankerungsstifte beziehen, während der Anspruch 5 ein für die Drehmomentenübertragung besonders günstiges Querschnittsprofil des Hülsenfortsatzes jedes der Endstücke angibt.Advantageous further developments of this object solution are given with the dependent claims 2 to 5, of which the Claims 2 to 4 on the arrangement of the anchoring pins refer, while claim 5 is a particularly favorable cross-sectional profile of the sleeve extension for the torque transmission each of the end pieces.

Zufolge der Anordnung der Verankerungsstifte im Bereich des als Ringnut ausgebildeten Überganges vom Hülsenfortsatz 4 jedes Endstückes zu dessen Ringteil ist die drehmomentenfeste Verankerung der Endstücke im Endbereich des Hauptteiles der Welle und zugleich die gewünschte Faserstzruktur in dessen Endabschnitten mit absoluter Sicherheit gewährleistet, da jeder der Faeerverbände oder Rovings beim Aufwickeln im endnahen Umkehrpunkt rutschfest fixiert ist, ehe die die Faserstruktur dauerhaft festlegende Härtung des Kunststoffes erfolgt. Hierbei legt sich zufolge der Schrägstellung der Verankerungsstifte jeder der aufgewickelten Faserverbände dicht an die Oberfläche des Endstückes und bewirkt so eine enge Verklasssserung desselben in jedem dsr so festgewickelten Wellenhauptteil-Endabschnitte. As a result of the arrangement of the anchoring pins in the area of the transition from the sleeve extension 4, which is designed as an annular groove each end piece to its ring part is the torque-proof Anchoring the end pieces in the end area of the main part of the shaft and at the same time the desired fiber structure in it End sections guaranteed with absolute security, since each of the fiber bandages or rovings is wound in the near-end The reversal point is fixed in a non-slip manner before the hardening of the plastic, which permanently fixes the fiber structure, takes place. This is due to the inclination of the anchoring pins each of the wound fiber structures close to the surface of the end piece and thus causes a tight classification the same in each dsr so tightly wound shaft main part end portions.

Die Verankerungsatifte sind an der inneren Stirn- oder Flankenfläche der im Bereich des Überganges vom Ringteil zum Hülsenfortsatz ausgebildeten Ringnut in die Endstücke eingesetzt, z.B. in Sackbohrungen eingesteckt bzw. in dort vorgesehene Gewindebohrungen eingedreht, und bilden somit lagebestimmende Umkehrpunkte für die kunststoffgetränkten Faserver-The anchoring pins are on the inner face or flank surface the annular groove formed in the area of the transition from the ring part to the sleeve extension is inserted into the end pieces, e.g. inserted into blind bores or screwed into threaded bores provided there, and thus form position-defining Reversal points for the plastic-impregnated fiber

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bände bzw. Rovings. Wegen der Vielzahl derselben ist eine möglichst große Anzahl von Verankerungsstiften erwünscht. Bei einem Bohrungsdurchmesaer jedes der Endstücke zwischen 60 und 80 mm sind wenigstens 24, vorzugsweise 32 Verankerungsstifte vorgesehen, welche Anzahl der Stifte bei ausreichendem gegenseitigen Abstand zum Hindurchführen der aufzuwickelnden Pasern genügend Verankerungs-Umkehrpunkte ergibt. Hierbei wird ferner durch das nachstehend anhand der Zeichnung näher beschriebene Querschnittsprofil des Hülsenfortsatzes eine besonders gute kraft- und formschlüssige Einbindung des Hülsenfortsatzes jedes der Endstücke im betreffenden Endabschnitt des Wellen-Hauptteils gewährleistet.tapes or rovings. Because of the multitude of these, one is possible large number of anchor pins desired. With a bore diameter each of the end pieces between 60 and 80 mm, at least 24, preferably 32, anchoring pins are provided, which number of pins if there is sufficient mutual Clearance for passing through the pasers to be wound results in sufficient anchoring reversal points. Here is also by the cross-sectional profile of the sleeve extension described in more detail below with reference to the drawing, a particularly good one non-positive and positive integration of the sleeve extension of each of the end pieces in the relevant end section of the main shaft part guaranteed.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich daraus, daß die Endstücke auf einen hochpräzisen Stahldorn aufgeschoben und mit vorgegebenem Abstand festgewickelt werden können, wobei der Durchmesser der Welle durch deren äußere Kontur nur geringfügig vergrößert wird. Aufgrund des präzisen Stahldornes besitzen diese Wellen enge Abmessungstoleranzen und somit nur sehr geringe Unwuchten, zu deren Ausgleich das Ringteil jedes der Endstücke mit einem hiervon auswärts vorragenden Zylinder-abschnitt geringeren Durchmessers ausgebildet sein kann, zum Pestspannen der 7/elle an einer Auswuchteinrichtung bzw. zur Aufnahme etwaige Unwuchten ausgleichender Gewichte.Further advantages of the invention result from the fact that the End pieces can be pushed onto a high-precision steel mandrel and wrapped tightly at a predetermined distance, whereby the diameter of the shaft is only slightly increased by its outer contour. Due to the precise steel mandrel These shafts have tight dimensional tolerances and therefore only very small imbalances, each of which is balanced by the ring part the end pieces can be designed with an outwardly projecting cylinder section of smaller diameter, for Plague clamping of the 7 / elle on a balancing device or for Absorption of any imbalances in compensating weights.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:The invention is illustrated below with reference to in the drawing Embodiments explained in more detail. In the Drawing show:

Fig. 1 im Längschnitt eine erfindungsgemäß ausgebildete AntriebswelleFig. 1 in longitudinal section a drive shaft designed according to the invention

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Längsschnitt durch ein Wellenende, ohne AnschlußeinrichtungFig. 2 in an enlarged representation a longitudinal section through one shaft end, without connecting device

Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines solchen Wellenendes3 shows another embodiment of such a shaft end

Pig. 4 in Stirnansicht eines der metallenen Endstücke der Antriebswelle gemäß Fig. 3·Pig. 4 in an end view of one of the metal end pieces of Drive shaft according to Fig. 3

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Die in Pig. 1 dargestellte Antriebswelle 1 weist einen rohrförmigen Hauptteil 2 sowie zwei in dessen beiden Endabschnitten verankert festgewickelte metallene Endstücke 5 mit einem Ringteil 3 und einem mit diesem einstückigen, von dem betreffenden Endabschnitt 6 des Hauptteiles 2 fest umschlossenen Hülsenfortsatzes 4 auf. In dem Übergangsbereich zwischen dem vom Endabschnitt 6 des Hauptteiles 2 der Welle 1 stirnseitig vorragenden, erweiterten Ringteil 3 und dem Hülsenfortsatz 4 ist eine Ringnut 14 ausgebildet, in welcher eine Anzahl von Verankerungsstiften 18 in gleichmäßiger Austeilung, vorzugsweise in gegen das Wellenende geneigter Schräglage, angeordnet sindο Diese dienen zur Bestimmung der Umkehrpunkte der zur Bildung des Hauptteiles 2 der Welle aufgewickelten mit härtbarem Kunststoff getränkten Pasern, Faserverbande oder Rovings sowie — nach Erhärtung des Kunststoffes - zur drehfesten Verankerung der metallenen Endstücke 5 in den Endabschnitten des Hauptteiles 2 der Antriebswelle 1.The one in Pig. 1 illustrated drive shaft 1 has a tubular Main part 2 and two anchored in the two end portions of the metal end pieces 5 with a Ring part 3 and a one-piece with this, firmly enclosed by the relevant end section 6 of the main part 2 Sleeve extension 4 on. In the transition area between the from the end section 6 of the main part 2 of the shaft 1, the enlarged ring part 3 protruding at the end and the sleeve extension 4 an annular groove 14 is formed in which a number of anchoring pins 18 in uniform distribution, preferably are arranged in an inclined position towards the shaft end o These are used to determine the reversal points of the to form the main part 2 of the shaft wound with curable plastic soaked fibers, fiber ties or Rovings and - after the plastic has hardened - for anchoring the metal end pieces 5 in the end sections in a non-rotatable manner of the main part 2 of the drive shaft 1.

An der äußeren Endfläche 7 des etwa auf Wellendurchmesser erweiterten Ringteiles 3 jedes der metallenen Endstücke 5 ist mittels einer umfänglichen Lot- oder Schweißnaht 17 eine Verbindungseinrichtung 8, z.B. Jochteil 16 eines Kreuzgenlenkes, dauerhaft befestigt. Es kann jedoch gegebenenfalls zwischen der Verbindungseinrichtung 8 und dem Ringteil 3 auch ein Adapterteil 9 mit einem Zentrierabschnitt 10, einem Übergangsabschnitt 11 und einem Zylinderabschnitt 12 eingeschweißt sein, zur Anpassung an unterschiedliche Abmessungen der Verbindungseinrichtung 8 bzw. des betreffenden Antriebswellenendes. Ferner kann der Ringteil 3 jedes der Endstücke 5 mit einem hiervon endseitig vorragenden Zylinderabschnitt 20 geringeren Durchmessers ausgebildet sein, für den Unwuchtausgleich oder den unmittelbaren Anschluß beispielsweise eines Kupplungateiles oder dergleichen.At the outer end face 7 of the expanded approximately to the shaft diameter Ring part 3 of each of the metal end pieces 5 is a connecting device by means of a circumferential solder or weld seam 17 8, e.g. yoke part 16 of a cross joint, permanently attached. However, if necessary, an adapter part 9 with a centering section 10, a transition section, can also be used between the connecting device 8 and the ring part 3 11 and a cylinder section 12 be welded, for adaptation to different dimensions of the connecting device 8 or the relevant drive shaft end. Further the ring part 3 can reduce each of the end pieces 5 with a cylinder section 20 projecting therefrom at the end Be designed diameter, for unbalance compensation or the direct connection, for example, of a clutch part or similar.

Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, ist der Hülsenfortsatz 4 jedes der Endstücke 5 mit einem sich von einer etwa dem Durchmesser des Ringteiles 3 entsprechenden Ringwölbung 21 erwei-As shown in Figs. 2 and 3, the sleeve extension 4 of each of the end pieces 5 is one of approximately the same diameter of the ring part 3 corresponding ring curvature 21

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ternden und anschließend gegen das Welleninnere bis zu einem Nullwert verjüngenden Querschnittprofil 19 ausgebildet, wobei dessen gesamte Oberfläche sowie zumindest teilweise auch jene des Hingteiles 3, insbesondere dessen die Ringnut 14 begrenzende innere Stirn- oder Plankenfläche 22,.mit einer Riefelung 13 oder dergleichen versehen ist.terning and then against the inside of the shaft up to one Zero-value tapering cross-sectional profile 19 formed, the entire surface and at least partially also those of the hanging part 3, in particular its inner end face or plank surface 22 delimiting the annular groove 14, with a fluting 13 or the like is provided.

Durch diese Ausbildung jedes der Endstücke 5 wird das Drehmoment ohne Spannungsspitzen kontinuierlich von dem aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden rohrförmigen Wellenhauptteil 2 auf die metallenen Endstücke 5 geleitet, wobei die Riefelung 13 von deren Oberfläche die Rutschsicherheit der Faerverbände oder Rovings beim Ablegen erhöht und die Verklammerung zwischen den metallenen Endstücken 5 und dem aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden rohrförmigen Wellenhauptteil 2 verbessert. Die so ausgebildete Antriebswelle 1 hat sich sowohl fertigungstechnisch als auch hinsichtlich ihrer mechanischen Festigkeit und Betriebssicherheit bei deren Einsatz als Antriebswelle, insbesondere Gelenkwelle, im Fahrzeugbau als besonders vorteilhaft erwiesen.With this design of each of the end pieces 5, the torque is continuously passed from the tubular shaft main part 2 made of fiber-reinforced plastic to the metal end pieces 5, with the fluting 13 on the surface increasing the slip resistance of the fiber bandages or rovings when they are deposited and the interlocking between the metal end pieces 5 and the tubular shaft main part 2 made of fiber-reinforced plastic improved. The drive shaft 1 embodied in this way has proven to be particularly advantageous both in terms of production technology and in terms of its mechanical strength and operational reliability when it is used as a drive shaft, in particular a cardan shaft, in vehicle construction.

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Zusammenfassung:Summary:

Die Erfindung betrifft eine Antriebswelle mit rohrförmigen^ aus faserverstärktem Kunststoff mit besonderer Anordnung der Pasern der einzelnen Lagen bestehenden Wellen-Hauptteil und mit daran endseitig vorragend festgelegten, für ihre form- und kraftschlüssige Einbindung ausgestalteten Endstücken aus Metall. Mit den als erweiterte Ringteile vorragenden Endstückabschnitten, an deren Innenfläche die in der Kunststoff-Matrix eingekapselten Paserverbände fest verhaftet sind, ist je ein Jochteil eines Kreuzgelenkes oder dergleichen verschweißt. Die Erfindung löst die Aufgabe, durch Vorgabe der ttokehrpunkte der Faserwickel_p den Endabschnitten der Antriebswelle, größere mechanische Festigkeit zu verleihen und die dauerhafte Einbindung der Endstücke ( .) für eine erhöhte Drehmomentübertragung zu verbessern. Die Aufgabenlösung besteht im wesentlichen in der endnahen Anordnung einer Anzahl auswärts vorragender Verankerungsstifte in gleichmäßiger Austeilung am Umfang jedes festgewickelten Endstückabschnitts sowie in dessen spezieller Profilierung.The invention relates to a drive shaft with tubular ^ made of fiber-reinforced plastic with a special arrangement of the strands of the individual layers of existing shaft main part and with end pieces projecting fixed thereon, designed for their positive and non-positive integration made of metal. A yoke part of a universal joint or the like is welded to each of the end piece sections protruding as expanded ring parts, on the inner surface of which the fiber bandages encapsulated in the plastic matrix are firmly adhered. The invention solves the problem of providing the end sections of the drive shaft with greater mechanical strength and improving the permanent integration of the end pieces (.) For increased torque transmission by specifying the tto turning points of the fiber lap _p. The solution to the problem consists essentially in the arrangement of a number of outwardly projecting anchoring pins close to the end in an even distribution on the circumference of each firmly wound end piece section and in its special profiling.

Claims

Pl 4573 1 07/04/84 Protection claims:

1. Drive shaft, especially cardan shaft for motor vehicles, with a tube (2) made of hardened plastic as a matrix of encapsulated therein in several specially arranged winding layers high-strength fibers or fiber associations and permanently fixed end pieces (5) made of metal, each with a sleeve extension (4) enclosed by the relevant pipe end section and a section protruding therefrom in Shape of one with the same outer diameter and the same clear width as the tube and protruding from this alone Ring part (3), on the inner face of which the fibers or bandages encapsulated in the plastic matrix are firmly attached, so that each ring part at the same time as a boundary and the sensitive face of the pipe protective the end of the plastic fiber layers is used, characterized in that in a circumferentially uniform distribution on the sleeve extension (4) each end piece (5) in the vicinity of the transition to the ring part (3) of which a number of outwardly projecting anchoring pins (18) are arranged.

2. Drive shaft according to claim 1, characterized in that the anchoring pins (18) in opposite the shaft end are arranged in an inclined position.

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3. Drive shaft r.aeh claim 1 or 2, characterized in that the anchoring pins (18) on the inner plank surface in the area of the transition from the ring part (3) to the sleeve extension (4) formed ring groove (14) inserted into the end pieces (5), e.g. in Blind holes are inserted or threaded holes are screwed in.

4. Drive shaft according to one of claims 1 to 3, d a marked by nee t that with one the diameter of their bore corresponding to the winding mandrel between 60 and 80 mm prefabricated end pieces (5) at least twenty-four, preferably thirty-two, anchoring pins (18) are provided.

5. Drive shaft according to one of claims 1 to 4, d a characterized in that the sleeve extension (4) with an annular curvature (21) which widens from an annular curvature (21) which corresponds approximately to the diameter of the ring part (3) and then formed towards the inside of the shaft tapering to a zero value cross-sectional profile is, its entire surface and at least partially also that of the ring part (3) is grooved.