DE8222839U1 - Anschlußverbindung für treibende oder angetriebene Hohlwellen aus Faserverbundwerkstoff - Google Patents

Description

Anschlußverbindung für treibende oder angetriebene Hohlwellen aus Faserverbundwerkstoff

Die Erfindung betrifft eine Anschlußverbindung für treibende oder angetriebene Hohlwellen aus Faserverbundwerkstoff, insbesondere aus mit Kohlefasern verstärktem Kunstharz, nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1

Eine solche Anschlußverbindung ist z.B. durch die DE-OS 3007896 bekannt geworden. Diese bekannte Verbindung besteht aus einem Faserkunststoffrohr mit kreisförmigem Querschnitt, in dessen Ende der zylindrische, mit einer ümfangsverzahnung versehene Ansatz des Anschlußstückes so eingepreßt ist, daß die spitze Verzahnung in die Innenwand des als Hohlwelle dienenden Faserkunststoffrohres einschneidet und mit diesem eine in ümfangsrichtung formschlüssige Verbindung bildet. Ein Aufweiten des Rohrendes wird durch ein außen darüber geschobenes Hülsenteil ver-

15 hindert.

Die in dieser Druckschrift beschriebene Anschlußverbindung weist, insbesondere bei ihrer Verwendung an mit Kohlefasern verstärkten Kunststoffrohren, einige Nachteile auf, die besonders durch die Sprödigkeit der Kohlefasern bedingt sind. Diese Fasereigenschaft schließt eine plastische Verformbarkeit des Verbundwerkstoffes weitgehend aus, so daß die Verzahnung im wesentlichen nur in die innerste Schicht der Kunststoffmatrix eindringt und nur mit dieser einen echten Formschluß bildet, während die Krafteinlei-

TO tung in die Fasern des Verbundrohres eher nach Art einer kräftschlüssigen bzw. Kiebe-Verbindung zwischen dieser Matrixschicht und den Faserschichten erfolgt, überdies bedingt diese Anschlußverbindung einen relativ geringen Faservolumenanteil in der Hohlwelle, damit genügend Matrixmaterial als Bettungsmasse vorhanden ist und beim Eingriff der Verzahnung in die Innenwand des Rohres keine Fasern beschädigt oder zerstört werden. Im Interesse der Gewichtsersparnis und der optimalen Werkstoffausnutzung sind jedoch möglichst hohe Faservolumenanteile wünschenswert.

Bei einer aus der DE-OS 2851292 bekannten Kardanwelle aus Faserverbundwerkstoff ist die Hohlwelle durch Aufwickeln von mit Kunstharz getränkten Fasersträngen auf ein dünnwandiges, leichtes Kernrohr gebildet. Die Verbindung der Hohlwelle mit den in das Kernrohr drehfest eingesteckten Kardanköpfen erfolgt dadurch, daß die Faserstränge auch über einen Ansatz jedes Kardankopfes gewickelt werden, der gegenüber dem Außendurchmesser des Kernrohres ringförmig nach innen eingezogen ist und zui: Gewährleistung eines Formschlusses in Omfangsrichtung mit Vorsprüngen und Vertiefungen versehen ist.

Diese Kardanwelle ist bezüglich der Herstellung der Kardanköpfe aufwendig und erlaubt auch nicht die Herstellung einer über die gesamte Länge zylindrischen Hohlwelle cils Halbzeug, von der Teilstücke in jeweils erforderlicher Länge abgetrennt werden können.

Eira Wellenkörper mit zumindest innen polygonförmigem Profil, in das ein entsprechend geformtes Anschlußstück zur Drehmomeittibertragung eingesteckt werden kann, ist in der DS-OS 2747Ö10 beschrieben. Das Polygonprofil ist dort als Mehreck mit scharfen Ecken ausgebildet, an denen bei Drehbelastung durch das Anschlußstück unerwünschte Spannungsspitzen im Wellenkörper auftreten.

Im übrigen handelt es sich hierbei nicht um eine Hohlwelle, da der Wellenkörper einan verlorenen Kern aus Schaumstoff aufweist, auf den der Faserverbundkörper in Form eines Kunstharz getränkten Schlauches aufgebracht ist, der vor dem Einsetzen eines AnSchlußStückes in den Endbereich der Welle entfernt werden muß. Die bei dieser Konstruktion zu verwirklichende Anschlußverbindung ist zur Übertragung großer Drehmomente nicht geeignet, da die an den scharfen Ecken entstehenden Spannungsspitzen keine gute Materialausmutzung zulassen, überdies ist durch das Fehlen einer radialen Pressung an den ebenen Flächen des Profils während des Aufziehens des Faserschlauches nur ein vergleichsweise niedriger Faser-Volumenanteil zu realisieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden und eine Anschlußverbindung der eingangs genannten Art zu schaffen,die bei einfachem Aufbau eine formschlüssige Verbindung zwischen einer Hohlwelle aus Faserverbundwerkstoff und einem in

diese eingesteckten Zapfen ermöglicht, bei der keine Kerb= wirkung und keine Spannungsspitzen auftreten und die es erlaubt, relativ hohe Drehmomente zu übertragen. Außerdem soll es möglich sein, die Hohlwelle als Halbzeug zu fertigen, so daß gewünschte Teillängen abgeschnitten und mit den

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Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Schutzanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen An-

TO schlußverbindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Durch d?s im Anspruch 1 definierte Polygonprofil ohne scharfe Ecken und mit stetigem übergang der Krümmungen wird zwischen dem Zapfen des Anschlußelements und der Hohlwelle ein hoch beanspruchbarer Formschluß erreicht,

T5 bei dem keine Kerbwirkungen und Spannungsspitzen auftreten und Beschädigungen in den Fasern vermieden werden.

Die Konstanz dieses Profiles über die Länge eines z.B. durch Wickeln über einen entsprechend profilierten -Kern hergestellten Wellenhalbzeuges ermöglicht es, Hohlwellen der jeweils benötigten Länge abzutrennen, in deren Enden die Zapfen der Anschlußelemente passen.

Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Polygonprofiles als von einem Vieleck, insbesondere einem gleichseitigen Dreieck abgeleitetes Gleichdickenprofil, wie es z.B. als Polygonprofil P 3 G durch DIN 32711 definiert ist.

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Die bei der Erfindung verwendete Hohlwelle wird in an sich bekannter Weise durch. Aufwickeln von kunstharzgetränkten Fasersträngen ( Rovings ) auf einen das gewünschte Polygonprofil aufweisenden Dorn hergestellt, der über Einspannzapfen an kuppelartigen Endstücken in eine drehbankähnliche Wickelmaschine eingespannt ist. Zwischen den abwechselnd unter stwa ^ 45* verlaufenden Wickellagen aas des Fasersträngen können axial gerichtete Faserstoffbahnen zur Erhöhung der Biegesteifigkeit eingelegt werden* Der Aufbau to und die Dicke des Wickelkörpers bestimmen dessen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften*

Nötigenfalls können die Enden der Hohlwelle im Bereich der Anschlußzapfen durch Aufbringen weiterer Wickellagen oder durch eine Metallhülse außen verstärkt werden; werden die

Ϊ5 zusätzlichen Wickellagen in ümfangsrichtung mit definierter Vorspannung auf die ausgehärtete und zugeschnittene/ bereits mit Endstücken versehene Hohlwelle aufgebracht und bleibt diese Vorspannung nach Aushärten und Tempern der Zusatzlagen erhalten, so ergibt sich eine Druckvorspannung der Hohlwelle in Ümfangsrichtung im Anschlußbereich, die auf die inneren Lagen entlastend bezüglich der Drehmomenteinleitung wirkt.

Um ein Trennen des Wickelkörpers vom Wickeldorn leicht zu ermöglichen, kann auf den Dorn mittels einer profilierten Schablone eine dünne ( z.B. 0,3 miri ) Trennschicht aus einem leicht schmelzenden Material, z.B. Paraffin, aufgetragen werden, die beim Tempern des aufgewickelten Faserverbundkörpers ausgeschmolzen wird«

Eine andere Trennmöglichkeit besteht darin, daß der außen mit einem Antihaftbelag versehene/ hohle Wickeldorn nach Aushärtung des Faserverbundkörpers z.B. durch Einleiten von flüssigem Stickstoff/ so stark abgekühlt wird, daß durch sein Schrumpfen die Trennung erfolgt. Bei ξ>^τ. Verwendung heiß aushärtender Matrixwerkstoffe ergibt sich eine weitere Trennmöglichkeit, falls der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kerns größer ist, als der des Faserverbundkörpers: Beim Abkühlen nach der heiß erfolgten Aushärtung to schrumpft der mit einem Antihaftbelag versehene Kern mehr als der Faserverbundkörper, so daß sich auf diesem Hege die Trennung ergibt.

Obwohl ein Wickeldorn mit einem Polygonprofil P 3 G nach DIN 32711 auf bekannten Werkzeugmaschinen verhältnismäßig

T 5 einfach und mit großer Genauigkeit herstellbar ist, kann es insbesondere zur Verwirklichung anderer Polygonprofile zweckmäßig sein, für den Dorn ein kreiszylindrisches Kernrohr zu verwenden, auf das eine dickere, außen profilierte Trennschicht mit Hilfe einer zum Kern koaxial winkellagentreu geführten Schablone aufgetragen wird. Das Material muß unter Berücksichtigung der Ausschmelzbarkeit bei einer für eine werkstoffgerechte Temperung üblichen Temperatur bei Raumtemperatur so druckfest sein, daß es durch die beim Bewickeln auftretenden Druckkräfte nicht unzulässig verformt wird.

Zur Lagesicherung, insbesondere gegen etwaige Axialkräfte, kann es zweckmäßig sein, den Zapfen des Anschlußelementes in an sich bekannter Weise in die Hohlwelle einzukleben .

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Der zur Definition der Querschnittsform bei der Erfindung verwendete Ausdruck ⁿ Polygonprofil " ist in Anlehnung an DIN 32711 gebildet worden, obwohl dieser Querschnitt kein echtes Polygon ( Vieleck } mit scharfen Ecken ist, sondern entsprechend dem Hauptanspruch auf

seinem umfang stets endliche Krümmung aufweist. Im Sinne der Erfindung ist ein Polygonprofil somit ein aus einem Vieleck/ insbesondere einem gleichseitigen Dreieck entwickeltes Profil ohne scharfe Ecken, mit stetigem to Krümmungsverlauf»

Im Folgenden sind ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie zugehörige Verfahren und eine Vorrichtung zur Wickelkern-Herstellung anhand der Zeichnungen beschrieben» Es zeigen:

Figur t einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Anschlußverbindung längs der Linie I-I in der Figur 2,

Figur 2 eine Stirnansicht der AnSchlußverbindung

Figur 3 einen Querschnitt durch die Anschlußverbindung im Bereich des Zapfens längs der Linie III-III in

der Figur 1 in doppeltem Maßstab,

Figur 4 einen auf den Maßstab 10:1 vergrößerten Ausschnitt IV aus der Figur 3,

Figur 5 einen profilierten massiven Wickeldorn mit aufgebrachter dünner Trennschicht im Querschnitt,

Figur 6 einen Wickeldorn mit kreiszylindrischem Kern und profilierter Trennschicht im Querschnitt/

Figur 7 eine Vorrichtung zum Aufbringen der profilierten Trennschicht.

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Bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Anschlußverbindung ist eine erfindungsgemäß profilierte Hohlwelle H aus Faserkunststoff mit einem metallischen .Anschlußelement versehen, das im Ganzen mit A bezeichnet ist. Das Anschlußelement A besteht aus einem in das Ende der Hohlwelle H ein~ gesteckten/ entsprechend deren Innenquerschnitt profilierten Zapfen Z mit einem Anschlagbund B und aus ein-^m mit dem Zapfen Z einstückig verbundenen Kupplungsteil K, das hier ebenfalls alsPolygonprofil ausgeführt ist und zur Weiterto leitung des Drehmomentes dient. Der zapfen Z ist zur Masse** verminderung und Abmilderung von Steifigkeits-Sprüngen teilweise ausgehöhlt. Im Bereich des Zapfens Z ist die Hohlwelle H außen mit einer als Umfangsbewicklung ausgebildeten Verstärkung V versehen*

Die Querschnittsform der Hohlwelle H und des Zapfens Z sowie der Aufbau der Wickellagen ist in größerem Maßstab aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich. Die Hohlwelle H weist zumindest innen auf ihrer gesamten Länge ein konstantes Polygonprofil P mit über seinem Umfang stets endlicher Krümmung,, Vorzugsweise ein Gleichdickprofil P 3 G nach DIN 3271? auf.

Dargestellt ist in der Figur 3 das Profil 32711-P3G32 mit 32 mm Nennmaß. Mit diesem Profil ist auch der Zapfen Z als Außenprofil ausgeführt. Der Ausschnitt gemäß Figur 4 aus der Figur 3 läßt den Aufbau das Faserverbundwerkstoffes der Hohlwelle H aus _+ 45"-Wickellagen W und eingelegten Axiallagen L sowie den der Verstärkung V aus Umfangswi.cklungen deutlich erkennen.

Aus der Figur 3 ist auch der Formschluß des Zapfens Z in der Hohlwelle in Drehrichtung durch die Profilic^mig P ersichtlich, der unter Vermeidung von scharfen Ecken und fcii-rbeispfindlichen Verzahnungen erzielt wird.

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Die Herstelliong der Hohlwelle H geschieht auf einem entsprechend profilierten zylindrischen Wickeldorn D, der in eine drehbankähnliche Wicke!maschine einspannbar ist und gemäß der Figur 5 aus einem Kern KD besteht/ der das gewünschte Polygonprofil mit Untermaß aufweist und auf den eine etwa 0,3 mm starke Trennschicht T aus Paraffin aufgetragen ist; diese Trennschicht wird beim Tempern des Wickelkörpers ausgeschmolzen.

Eine andere Form des Wickeldomes D¹ zeigt die Figur 6. Dieser Wickeldorn besteht aus äinem kreiszylindrischen Kern KD¹,auf den eine dickere Trennschicht T¹ aufgetragen ist. Der Trennschicht T¹ wird mittels einer zum Kern KD' koaxial winkellagentreu verschiebbaren Schablone außen das jeweils für die Hohlwelle H vorgesehene Profil gegeben.

Eine Ausführungsfona der für die Profilierung der Trennschichten T bzw. T¹ erforderlichen Vorrichtung ist in der Figur 7 dargestellt.

Der für die Ausführung nach Fig. 6 zu verwendende Kern KD wird durch ein das schmelzflüssige Beschichtungsmaterial BM enthaltendes Gefäß G bewegt. Für die Einhaltung der Winkellage sorgt ein am Ende des Kerns schnell lösbar angebrachtes Führungsstück, das eine zusammen mit dem Gefäß G an dessen Grundplatte GP angeflanschte Schiene S umgreift. Eine in eine Bohrung des Gefäßes G eingesetzte Dichtung Dl verhindert ein unerwünschtes Austreten des Beschichtmaterials BM. Auf der Dichtungsseite des Gefäßes befindet sich ein zylindrischer Führungsansatz FA. Die gegenüberliegende Gefäßwand trägt eine Profilschablone Sch, die austauschbar fluchtend zum Fülarungsansatz FA angebracht ist.

Wird der etwa Raumtemperatur aufweisende Kern KD in Pfeilrichtung mit einer zum Erreichen einer bestimmten Schichtstärke geeigneten Geschwindigkeit durch das Gefäß G bewegt/ erstarrt an seiner Oberfläche das Beschichtungsmaterial BM; diese erstarrte/ am Kern haftende Schicht wird durch die Schablone Sch auf das gewünschte Profil ge-

stück F am Führungsansatz FA anschlägt/ so wird das Führungsstück am Kern gelöst und dieser vollends durch das TO Gefäß gezogen. Dabei werden möglichst gleichzeitig die öffnungen des Gefäßes G geschlossen, um das Auslaufen des Beschichtungsmaterials BM zu vermeiden.

Wird ein Kern KD gemäß Figur 5 verwendet, der bereits das Sollprofil mit Untermaß aufweist, so kann auf die Schiene T5 5 und das Führungsstück F verzichtet werden, wenn der Führungsansatz FA ein entsprechendes Innenprofil aufweist,

das die Winkellagentreue sicherstellt. ]

In beiden Fällen kann es erforderlich sein, lange Kerne KD |

bzw. KD¹ auf der beschichteten Seite zu stützen, um die f

durch das Eigengewicht auftretende, die Konzentrizität der |

Beschichtung störende Durchbiegung zu vermeiden. I

Claims (5)

Prof. Franz Joseph Arendts Stuttgart, 6.12.1982 Hertlingstr. 8 München 90 Schutzansprüche

1. itnschluSverbindung für treibende oder angetriebene Hohlwellen aus Faserverbundwerkstoff/ insbesondere aus mit Kohlefasern verstärktem Kunstharz/ bestehend aus der rohrförmigen Hohlwelle und aus einem das Drehmoment übertragenden Anschlußelement mit einem in ein Ende der Hohl welle eingesteckten, durch Umfangsprofilierung mit der Hohlwelle in Drehrichtung formschlüssig verbundenen Zapfen, wobei das Anschlußelement an seinem dem Zapfen abgewandten Teil Kupplungsmittel für die Zu- oder Ableitung des Drehmoments aufweist/ dadurch gekennzeichnet/ daß

J a) die rohrförmige Hohlwelle (H) zumindest innen auf

ihrer gesamten Länge ein konstantes Polygonprofil ohne scharfe Kanten mit über seinem Umfang stets endlicher Krümmung/ z.B. ein Gleichdickprofil P 3 G nach DIN T5 32711/ aufweist,

b) der Zapfen (Z) des Anschlußelements (A) mit einem

Außenprofil versehen ist/ das mit dem Innenprofil der Hohlwelle (H) übereinstimmt und in dieses passend einsteckbar ist.

2. Anschlußverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (Z) des Anschlußelementes (A) in das Ende der Hohlwelle (H) eingeklebt ist.

3. Anschlußverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daB die Hohlwelle {H) ein über einen zylindrischen, entsprechend dem Innenprofil (P) außenprofilierten Dorn (D) gewickelter Faserverbundkörper mit hohem Faservolumengehalt ist, der abwechselnd entgegengesetzt unter etwa _+ 45° geneigte Wickellagen und dazwischen axial gerichtete Einlagen aus dem Fasermaterial, insbesondere aus Kohlefasern aufweist, wobei der Lagenaufbau in Achsrichtung konstant ist.

4. Anschlußverbindung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet/ daB die Enden der Hohlwelle (H) im Bereich der eingesteckten Zapfen (Z) an Umfang, insbesondere durch weitere, in ümfangsrichtung orientierte Wickellagen (V), verstärkt sind.

5. Anschluüverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Wickellagen (V) unter definierter, nach Aushärten und Tempern erhalten bleibender Vorspannung aufgebracht sind.