DE2852033C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Welle zur Übertragung von Dreh momenten und Biegekräften nach dem Oberbegriff des Patentan spruches 1.The invention relates to a shaft for transmitting rotation moments and bending forces according to the generic term of the patent saying 1.
Bei einer Welle zur Übertragung von Drehmomenten und Biege kräften nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wie sie aus der DE-OS 20 58 016 bekannt ist, sind auf einen Dorn, der mit einer Schutzschicht umwickelt ist, eine erste Zwischen schicht aus Fasern mit hohem Modul, die unter einem Winkel von etwa 45° zur Dornachse verlaufen, und eine zweite Zwischen schicht aus Fasern mit hohem Modul, die unter einem gleichgro ßen, jedoch entgegengesetzten Winkel zur Dornachse verlaufen, gewickelt. Dieser Aufbau wird mit einer äußeren Schutzschicht umwickelt und dann in einer Form ausgehärtet. Die bekannte Welle ist zwar leichtbauend, ist zur Übertragung hoher Kräfte und Drehmomente jedoch nur bedingt geeignet und läßt keine hohen Rotationsgeschwindigkeiten zu.For a shaft for the transmission of torques and bending forces according to the preamble of claim 1 as they is known from DE-OS 20 58 016, are on a thorn that is wrapped with a protective layer, a first intermediate layer of high modulus fibers at an angle of about 45 ° to the mandrel axis, and a second intermediate layer of fibers with high modulus, which are under an equal size a small but opposite angle to the mandrel axis, wrapped. This structure comes with an outer protective layer wrapped and then cured in a mold. The well-known Although the shaft is lightweight, it is used to transmit high forces and torques, however, only suitable to a limited extent and leaves none high rotational speeds.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leichtbauende Welle der Art nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so auszubilden, daß sie trotz unterschiedlicher thermischer physikalischer Eigenschaften, z. B. unterschiedlicher thermischer Ausdehnungs koeffizienten, für den Metallkern einerseits und die faserver stärkte Kunststoffumhüllung andererseits, geeignet ist, hohe Kräfte bzw. Momente aufzunehmen und hohe Rotationsgeschwindig keiten zuzulassen.The invention has for its object a lightweight Wave of the type according to the preamble of claim 1 so train that despite different thermal physical Properties, e.g. B. different thermal expansion coefficients, for the metal core on the one hand and the fiber strong plastic coating on the other hand, is suitable, high Take up forces or moments and high rotational speed permit.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 gelöst. This object is achieved by the features of characterizing part of claim 1 solved.
Der größte Teil des Drehmomentes wird von dem Metallkern auf genommen. Der Metallkern und die faserverstärkte Kunststoff umhüllung bilden einen Verbund, bei dem die Verstärkungsfasern infolge ihrer Ausrichtung unter einem bestimmten Winkel zur Längsachse die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften der Kunststoffumhüllung und des Metallkerns kompensieren, ins besondere den Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffi zienten. Durch den größeren Durchmesser der Welle in ihrem mittleren Bereich ist sie insbesondere zur Übertragung hoher Torsions- und Biegekräfte geeignet.Most of the torque is from the metal core taken. The metal core and the fiber-reinforced plastic sheathing form a composite, in which the reinforcing fibers due to their orientation at a certain angle to the Longitudinal axis the differences in the physical properties compensate for the plastic coating and the metal core, ins special the difference in the thermal expansion coefficient targeted. Due to the larger diameter of the shaft in her middle range is particularly high for transmission Suitable for torsion and bending forces.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred embodiments of the invention are the subject of Subclaims.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigtExemplary embodiments of the invention are described below the drawing explained. It shows
Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene, perspektivische Dar stellung der Zuordnung der abwechselnd aufgebrachten Schichten zu dem Metallkern; Figure 1 is a partially cut, perspective Dar position of the assignment of the alternately applied layers to the metal core.
Fig. 2 in Draufsicht die Form des Zuschnitts der Schichten für die Kunststoffumhüllung; Fig. 2 in top view, the shape of the blank of the layers for the plastic enclosure;
Fig. 3 die Draufsicht auf eine andere Form der Schichten der Kunststoffumhüllung; Fig. 3 is a plan view of another form of layers of the plastic covering;
Fig. 4 eine weitere Draufsicht auf eine andere Form des Zuschnitts der Schichten für die Kunststoffumhüllung; . Figure 4 is a further plan view of another form of the blank of the layers for the plastic enclosure;
Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch die Schichten entlang der Schnittlinie 5-5 der Fig. 2 und Fig. 5 is a vertical section through the layers along the section line 5-5 of Fig. 2 and
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Welle, die teil weise aufgeschnitten ist, zur Darstellung der Fasern in den Schichten, Figure 6 is a perspective view of the wave, which is partially cutaway., Showing the fibers in the layers,
Die Welle besitzt einen Metallkern 25 in der Form eines zylindrischen, hohlen Rohres, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Damit die Welle bei geringem Gewicht die gewünschte Festigkeit besitzt, wird der Metallkern 25 vorzugsweise aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen hergestellt. Bevorzugt werden für die Herstellung des Metallkernes 25 die folgenden Alu miniumlegierungen verwendet: 2024, 7075, 7078 und 6061, wobei es sich bei diesen Spezifikationen um amerikanische Legierungs zusammensetzungsangaben handelt. Diese Legierungen haben vorzugsweise eine T-6 Aushärtung. Aluminumle gierungen mit den vorgenannten Zusammensetzungen und der vorgenannten Härte sind handelsüblich verfügbar und können mittels herkömmlicher Verfahren zu Rohren geformt werden, die durch Ziehen oder Extrudieren von dickwandigen, zylindri schen Elementen, entsprechend der erforderlichen Dimensionen geformt werden.The shaft has a metal core 25 in the form of a cylindrical, hollow tube, as shown in Fig. 1. So that the shaft has the desired strength with a low weight, the metal core 25 is preferably made of aluminum or magnesium alloys. The following aluminum alloys are preferably used for the production of the metal core 25 : 2024, 7075, 7078 and 6061, these specifications being American alloy composition data. These alloys preferably have a T-6 age hardening. Aluminum alloys with the above-mentioned compositions and the above-mentioned hardness are commercially available and can be formed into tubes by conventional methods, which are formed by drawing or extruding thick-walled, cylindrical elements according to the required dimensions.
Bei der Herstellung der Welle ist es wichtig, daß der Metallkern 25 vollständig sauber ist. Um jede mögliche Ober flächenverschmutzung zu vermeiden, wird die endgültige Reini gung des Metallkernes 25 mit einem Mittel wie Alkohol oder Fluorchlorkohlenstoff durchgeführt, um Spuren von Öl, Fett usw. zu entfernen.When manufacturing the shaft, it is important that the metal core 25 is completely clean. In order to avoid any possible surface contamination, the final cleaning of the metal core 25 is carried out with an agent such as alcohol or chlorofluorocarbon in order to remove traces of oil, grease etc.
Der Metallkern 25 ist mit einer Umhüllung aus mit Harz imprägnierten, gerichteten Graphit- Verstärkungsendlosfasern 20, 22 und aus Glasfasergewebe umgeben, die mit dem Kern 25 verbunden sind, so daß ein im wesentlichen ein stückiges Bauteil gebildet ist. Diese Umhüllung aus faserverstärktem Kunststoff besteht aus einzelnen Schichten. Die beiden Schichten aus faserverstärktem Kunststoff werden schließlich miteinander verbunden, indem man das darin enthaltene Harz aushärten läßt.The metal core 25 is surrounded by a sheath of resin-impregnated, directed graphite reinforcing continuous fibers 20, 22 and of glass fiber fabric, which are connected to the core 25 , so that a substantially one-piece component is formed. This covering made of fiber-reinforced plastic consists of individual layers. The two layers of fiber-reinforced plastic are finally bonded together by allowing the resin contained therein to harden.
Bei der Herstelung der Welle wird zunächst eine Anzahl von Schichten zusammengestellt, die im wesentlichen die gleiche Form be sitzen. Somit wird eine Schicht, wie beispielsweise die Schicht 26 aus einer Fläche aus einem mit gerichteten Fasern verstärkten Material herausgeschnitten. Vorzugsweise bestehen die Verstärkungsfasern aus Kohlen stoff oder Graphit, und der Einfachheit halber werden diese endlosen Fasern nachfolgend als Verstärkungs- oder Graphitfasern bezeichnet. Die Schicht 26 hat eine bestimmte Form, dessen Länge vorzugsweise etwas größer ist als die axiale Länge der faserverstärkten Umhüllung der Welle. Der Grund für diese Übergröße ist eine Erleichterung bei der Herstellung, die nach folgend noch deutlich wird. Wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt, ist die bevorzugte geometrische Form 10 für die Schichten im wesentlichen dreieckförmig, wo bei Endlaschen 30 und 32 vorgesehen sind, die sich von der Basis des Dreieckes nach außen erstrecken. Die Breite der Endlaschen 30 und 32 ist etwa doppelt so groß wie der Umfang des rohrförmigen Kernes 25, so daß die Schichten im wesentlichen zweimal um den Kern 25 herumgeschlagen werden können. Die Breite der imprägnierten Schichten, ge messen von der Spitze des Dreiecks bis zur Grundlinie soll hinreichend sein, damit die Schicht mehrfach um den Umfang des Metallkernes 25 gelegt werden kann. Vorzugsweise be trägt die Breite der imprägnierten Schichten etwa das Sechsfache des Umfanges des Metallkernes 25.In the manufacture of the shaft, a number of layers are initially put together, which are essentially the same shape. Thus, a layer, such as layer 26, is cut from a surface of a material reinforced with directional fibers. The reinforcing fibers are preferably made of carbon or graphite, and for the sake of simplicity these endless fibers are referred to below as reinforcing or graphite fibers. The layer 26 has a specific shape, the length of which is preferably somewhat greater than the axial length of the fiber-reinforced sheathing of the shaft. The reason for this oversize is a relief in the manufacture, which will become clear after the following. As is apparent from FIGS. 1 and 2, the preferred geometric shape 10 is triangular for the layers essentially are, where provided in end flaps 30 and 32 which extend from the base of the triangle to the outside. The width of the end flaps 30 and 32 is approximately twice the circumference of the tubular core 25 , so that the layers can be wrapped around the core 25 essentially twice. The width of the impregnated layers, measured from the tip of the triangle to the base line, should be sufficient so that the layer can be placed several times around the circumference of the metal core 25 . Preferably, the width of the impregnated layers is approximately six times the circumference of the metal core 25 .
Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, können auch andere Formen bei der Herstellung der Schichten und schließlich der zusammenge setzten Welle Verwendung finden. So kann jede Schicht in dem gewünschten Muster oder den gewünschten Mustern ausgeschnitten werden, indem man verschiedene geometrische Formen miteinander kombiniert. So ist die Form 10 gemäß Fig. 2 durch Zusammen setzung von rechteckigen und dreieckigen Formen entstanden, die wechselweise ausgeschnitten und angeordnet sind. Die Form 11 gemäß Fig. 3 erhält man, indem man mehrere Recht ecke aneinander setzt, wobei jedes nachfolgende Rechteck etwas kürzer ist als das vorangehende Rechteck. Man erhält bei spielsweise die Form 12 der Fig. 4, indem man ein Trapez und ein Rechteck aneinandersetzt.As shown in FIGS. 3 and 4 show other forms, in the preparation of the layers together, and finally the amount of translated shaft can be used. Each layer can be cut out in the desired pattern or patterns by combining different geometric shapes. Thus, the shape 10 according to FIG. 2 has been created by putting together rectangular and triangular shapes which are alternately cut out and arranged. The shape 11 according to FIG. 3 is obtained by placing several rectangles next to one another, each subsequent rectangle being somewhat shorter than the previous rectangle. You get, for example, the shape 12 of FIG. 4 by putting together a trapezoid and a rectangle.
Bei dem Harzmaterial, mit welchem die Graphitfasern 22 der Schicht 26 imprägniert sind, handelt es sich um eine in Wärme aushärtendes Harz. Im Grunde ist das Harz aller harz imprägnierten Schichten wärmehärtend. Geeignete, in Wärme aushärtende Harze sind beispielsweise Epoxy- und Polyester- Harze. The resin material with which the graphite fibers 22 of the layer 26 are impregnated is a thermosetting resin. Basically the resin of all resin impregnated layers is thermosetting. Suitable thermosetting resins are, for example, epoxy and polyester resins.
Die Epoxy-Harze oder Polyepoxide, bei welchen es sich um hinlänglich bekannte Kondensationsprodukte handelt, sind Zusammensetzungen, die Oxiranringe enthalten, mit Verbin dungen mit einem Gehalt an Hydroxylgruppen oder aktiven Wasser stoffatomen, wie Aminen und Aldehyden. Die üblichen Epoxy- Harz-Verbindungen sind diejenigen des Epichlorhydrins und Bisphenols und dessen Homologen.The epoxy resins or polyepoxides, which are well known condensation products are Compounds containing oxirane rings with verbin with hydroxyl groups or active water atoms of matter, such as amines and aldehydes. The usual epoxy Resin compounds are those of epichlorohydrin and Bisphenols and their homologues.
Das Polyester-Harz ist ein Kondensationsprodukt aus mehr basischen Säuren mit mehrwertigen Alkoholen. Typische Poly ester umfassen Polyterephthalate wie Polyäthylenterephthalat.The polyester resin is a condensation product made up of more basic acids with polyhydric alcohols. Typical poly esters include polyterephthalates such as polyethylene terephthalate.
Diese in Wärme aushärtenden Harze können in bekannter Weise Zusatzstoffe wie Härter und ähnliches enthalten. Die bevorzugten, mit modifiziertem Epoxy-Harz imprägnierten Graphitfasern sind handelsüblich ver fügbar. So werden beispielsweise die mit Epoxy vorimprägnierten Graphitphasern unter der Bezeichnung Rigidite 5209 und Rigidite 5213, hergestellt von der Narmco Division der Celasnese Cor poration, New York, V. St. A., vertrieben. Andere Bezugs quellen für die mit Harz vorimprägnierten Graphitfasern sind der Industrie bekannt.These thermosetting resins can be additives such as hardeners and contain similar. The preferred, with modified Epoxy resin impregnated graphite fibers are commercially available available. For example, those pre-impregnated with epoxy Graphite fibers under the names Rigidite 5209 and Rigidite 5213, manufactured by the Narmco Division of Celasnese Cor poration, New York, V. St. A., distributed. Other reference Sources for the graphite fibers pre-impregnated with resin are the Industry known.
Im allgemeinen besitzt die mit Harz imprägnierte Schicht 26 eine Dicke von etwa 0,178 mm bis etwa 0,254 mm und ent hält von etwa 50 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% Graphitfasern in dem wärmeaushärtendem Harz. Bevorzugt enthält die Schicht 26 54 Vol.-% bis 58 Vol.-% endlose gleichgerichtete Graphitfasern in dem Epoxy- Harz. Vorzugsweise besitzen die Graphitfasern einen Young'schen Elastizitätsmodul im Bereich von 2,11 × 106 bis 3,52 × 106 kg/cm2 und eine Zugfestigkeit im Bereich von etwa 14 085 kg/cm2 bis etwa 20 169 kg/cm2. Generally, the resin impregnated layer 26 has a thickness of about 0.178 mm to about 0.254 mm and contains from about 50% to about 60% by volume of graphite fibers in the thermosetting resin. Layer 26 preferably contains 54% to 58% by volume of continuous rectified graphite fibers in the epoxy resin. The graphite fibers preferably have a Young's modulus of elasticity in the range from 2.11 × 10 6 to 3.52 × 10 6 kg / cm 2 and a tensile strength in the range from approximately 14,085 kg / cm 2 to approximately 20 169 kg / cm 2 .
Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, sind auch Schichten 24 und 27 aus Glasgewebe vorgesehen. Die Schichten 24 und 27 besitzen die gleichen Abmessungen und geometrischen Formen wie die harzimprägnierte, faserver stärkte Schicht 26. Die Schichten 24 und 27 besitzen eine Dicke von etwa 0,0254 bis etwa 0,0508 mm und bestehen aus Glasfasergewebe, wobei es sich um ein tuchartiges Gewebe handelt, das als Glasgarngelege bekannt ist. Besonders bevorzugt wird Glasgarngelege Style 107, ver trieben von der Firma Bulington Glass Fabrics Company, New York, V. St. A. Die Glasfasern 21 des Geleges sind in einem Winkel von 0° und 90° an der Längs achse der Schichten 24 und 27 ausgerichtet.As shown in the drawings, layers 24 and 27 of glass fabric are also provided. The layers 24 and 27 have the same dimensions and geometric shapes as the resin-impregnated, fiber-reinforced layer 26 . Layers 24 and 27 have a thickness of about 0.0254 to about 0.0508 mm and are made of glass fiber fabric, which is a cloth-like fabric known as glass yarn scrim. Glass yarn scrim Style 107, sold by Bulington Glass Fabrics Company, New York, V. St. A., is particularly preferred. The glass fibers 21 of the scrim are at an angle of 0 ° and 90 ° on the longitudinal axis of layers 24 and 27 aligned.
Wie sich aus dem Ausschnitt in Fig. 1 ergibt, sind die gerichteten Graphitfasern 20 in der Schicht 28 in einem Winkel R 1 zu der Längsachse der Schicht 28 ausgerichtet. In der nächsten Schicht harzimpräg nierter gerichteter endloser Graphitfasern, nämlich in der Schicht 26, sind die gerichteten Graphit fasern 22 in einem negativen Winkel R 2 zu der Längsachse der Schicht 26 ausgerichtet. Dieser Winkel hat vorzugsweise die gleiche Größe und natür lich ein entgegengesetztes Vorzeichen gegenüber der Orien tierung der Fasern in der ersten Schicht.As can be seen from the detail in FIG. 1, the directed graphite fibers 20 in the layer 28 are oriented at an angle R 1 to the longitudinal axis of the layer 28 . In the next layer of resin-impregnated directional continuous graphite fibers, namely in layer 26 , the directional graphite fibers 22 are oriented at a negative angle R 2 to the longitudinal axis of layer 26 . This angle is preferably the same size and of course an opposite sign to the orientation of the fibers in the first layer.
Bei der Herstellung der Welle wird eine Mehrzahl von Schichten harzimprägnierter, endloser Graphitfasern und Glasgewebe aus einem Schicht stoff in der gewünschten flachen Form ausgeschnitten. Jede Schicht besitzt die gleiche Größe und die gleiche Form. Wie bereits erwähnt, besitzen die Endlaschen 30 und 32 eine hinreichende Breite, so daß sie mindestens zweimal voll ständig um den rohrförmigen Metallkern 25 herumgeschlagen werden könnte. Wie ebenfalls bereits erwähnt wurde, wird die Hauptachse im wesentlichen durch die Länge der Welle festgelegt, wobei bevorzugt die Hauptachse etwas länger ist als die Welle.In the manufacture of the shaft, a plurality of layers of resin-impregnated, endless graphite fibers and glass fabric are cut out of a laminate in the desired flat shape. Each layer is the same size and shape. As already mentioned, the end flaps 30 and 32 have a sufficient width so that they could be whipped around the tubular metal core 25 at least twice completely. As has also already been mentioned, the main axis is essentially determined by the length of the shaft, the main axis preferably being somewhat longer than the shaft.
Die verschiedenen Schichten der Umhüllung sind wechsel weise angeordnet, wobei man beispielsweise mit einer unteren Schicht aus harzimprägnierten Graphitfasern beginnt, der eine Schicht aus Glasfasern folgt, worauf wieder eine weitere Schicht harzimprägnierter Graphitfasern aufgebracht wird, an welche sich eine weitere Glasfaserschicht anschließt. In Fig. 1 wechseln sich beispielsweise die Glasfaserschichten 24 und 27 mit den Graphitfaserschichten 26 und 28 ab.The different layers of the casing are arranged alternately, starting, for example, with a lower layer of resin-impregnated graphite fibers, followed by a layer of glass fibers, whereupon another layer of resin-impregnated graphite fibers is applied, to which a further layer of glass fibers follows. In FIG. 1, for example, the glass fiber layers 24 and 27 alternate with the graphite fiber layers 26 and 28 .
Bei jeder nachfolgenden Schicht aus harzimprägnierten, gerichteten Verstärkungsfasern sollte jedoch beachtet werden, daß die Verstärkungsfasern 20, 22 in einem Orientierungs winkel zwischen etwa 5° und etwa 20° zur Längsachse dieser Schicht ausgerichtet sind, wobei bevorzugt dieser Orintierungs winkel etwa 10° beträgt. Vorzugsweise sind die Orientierungswinkel für die Graphit fasern bei jeder nachfolgenden Schicht 26, 28 der harzimprägnierten Graphitfasern gleich groß, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen für jede nachfolgende Schicht. Somit sind in Fig. 1 die Verstärkungs- oder Graphitfasern 20 in der Schicht 28 in einem Winkel R 1 und die Verstärkungs- oder Graphitfasern 22 der Schicht 26 in einem Winkel R 2 zur Längsachse angeordnet. With each subsequent layer of resin-impregnated, directional reinforcing fibers, however, it should be noted that the reinforcing fibers 20, 22 are oriented at an orientation angle between approximately 5 ° and approximately 20 ° to the longitudinal axis of this layer, this orientation angle preferably being approximately 10 °. The orientation angles for the graphite fibers are preferably the same for each subsequent layer 26, 28 of the resin-impregnated graphite fibers, but with the opposite sign for each subsequent layer. Thus, the gain 1 or graphite fibers 20 in the layer 28 at an angle R 1 and the reinforcing fibers or graphite fibers are of the layer 26 is disposed at an angle 22 to the longitudinal axis R 2 in Fig..
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1, 2 und 5 enthält die Umhüllung eine rechteckförmige Schicht 19. Bei dieser Schicht 19 handelt es sich um einen Metallkleber. Die Breite der rechteckförmigen Schicht 19 ist hinreichend um den Metallkern 25 einfach zu umschließen. Die Metallklebeschicht 19 muß die harzimprägnierte Graphitfaserschicht 28 an den rohrförmigen Kern 25 binden. Der Metallkleber ist ein solcher, wie er normalerweise für die Bindung von Kunststoffen an Metalle verwendet wird, z. B. ein elastomeres, modifiziertes Epoxy-Harz oder ein elasto meres, modifiziertes Phenolharnstoff-Harz. Ein Beispiel für einen solchen Kleber ist ein Polysulfid-elastomeres, modifi ziertes Epichlorhydrin-Bisphenol-Harz. Viele dieser Kleber sind handelsüblich verfügbar, wobei einer, der als Metallbond 1133 bekannt ist, bei welchem es sich um ein elastomeres, modi fiziertes Epoxy-Material handelt, das von der Firma Narmco Division der Celanese Corporation, New York, V. ST. A., ver kauft wird. Ein anderer Kleber ist FM123-2, der von der Firma American Cyanamid, Wayne, V. St. A., vertrieben wird. Der Metallkleber kann auf die Oberseite der Glasfaserschicht 24 aufgebracht werden, wenn die physikalische Konsistenz des Klebers dieses erlaubt. Er kann auch auf den Umfang des Metallkernes 25 aufgebürstet oder ge sprüht werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kleber in Form eines dünnen Filmes (Fig. 1, 2 und 5) aufgebracht.In the embodiment of FIGS. 1, 2 and 5, the envelope contains a rectangular layer 19 . This layer 19 is a metal adhesive. The width of the rectangular layer 19 is sufficient to easily enclose the metal core 25 . The metal adhesive layer 19 must bind the resin-impregnated graphite fiber layer 28 to the tubular core 25 . The metal adhesive is one that is normally used for the bonding of plastics to metals, e.g. B. an elastomeric, modified epoxy resin or an elastomeric, modified phenolic urea resin. An example of such an adhesive is a polysulfide elastomeric, modified epichlorohydrin-bisphenol resin. Many of these adhesives are commercially available, one known as Metallbond 1133, which is an elastomeric, modified epoxy material available from the Narmco Division of Celanese Corporation, New York, V. ST. A. is sold. Another adhesive is FM123-2, sold by American Cyanamid, Wayne, V. St.A. The metal adhesive can be applied to the top of the glass fiber layer 24 if the physical consistency of the adhesive allows it. It can also be brushed or sprayed onto the circumference of the metal core 25 . According to a preferred embodiment, the adhesive is applied in the form of a thin film ( FIGS. 1, 2 and 5).
Es hat sich gezeigt, daß es besonders vor teilhaft ist, eine Lösung des gleichen Klebers, wie er in der Schicht 19 vorliegt, auf das äußere des Metall kernes 25 aufzubürsten oder aufzusprühen, nachdem der Me tallkern 25 gereinigt worden ist.It has been shown that it is particularly geous before to brush or spray a solution of the same adhesive as it is in the layer 19 to the outside of the metal core 25 after the metal core 25 has been cleaned.
Im allgemeinen liegt das Gewicht der Metallkleberschicht 19 im Bereich von etwa 0,0089 bis etwa 0,0196 g/cm2, wobei ein Gewicht der Klebeschicht 19 von etwa 0,0146 g/cm2 bevorzugt wird. Bei der Menge des zu verwendenden Klebers ist zu berück sichtigen, daß nicht nur eine entsprechende Bindung zwischen dem Kunstharz und dem Metallkern 25 eintritt, sondern daß auch eine hinreichende Torsionssteifigkeit des Metallkerns 25 mit der Längssteifigkeit der Graphitfaserver stärkung erzielt wird.In general, the weight of the metal adhesive layer 19 ranges from about 0.0089 to about 0.0196 g / cm 2 , with a weight of the adhesive layer 19 of about 0.0146 g / cm 2 being preferred. With the amount of adhesive to be used, it should be taken into account that not only does a corresponding bond occur between the synthetic resin and the metal core 25 , but also that sufficient torsional rigidity of the metal core 25 is achieved with the longitudinal rigidity of the graphite fiber reinforcement.
In jedem Fall wird eine vieleckiges Laminat, bestehend aus der Klebeschicht 19, harzimprägnier ten Graphitfasern 20, 22 und einem Glasgewebe (Schichten 24 und 27) um den Umfang des Metallkernes 25 gelegt. Der Kleber wird natürlich in Kontakt mit dem rohrförmigen Metallkern 25 gebracht, und die endlosen, ge richteten Graphitfasern 20, 22 werden in einem Winkel zwischen ±5° bis ±20° zur Längsachse des Metallkernes 25 ausge richtet, während die gewebten Glasfaserschichten 24, 27 so ausgerichtet sind, daß die Glasfasern 21 in einem Winkel von 0° bzw. 90° zur Längsachse des Metallkernes 25 liegt. Nachdem der Metallkern 25 mit den erforderlichen Schichten umhüllt ist, kann dieser Aufbau mit Hilfe eines Zellofanbandes zusammengehalten werden. Der Aufbau kann auch durch eine wärme schrumpfende Polypropylen-Folie (nicht dargestellt) zusammengehalten werden, die als Form wirkt und in der nachfolgend noch zu beschreibenden Weise entfernt wird.In any case, a polygonal laminate, consisting of the adhesive layer 19 , resin-impregnated graphite fibers 20, 22 and a glass fabric (layers 24 and 27 ) is placed around the circumference of the metal core 25 . The adhesive is of course brought into contact with the tubular metal core 25 , and the endless, directed graphite fibers 20, 22 are aligned at an angle between ± 5 ° to ± 20 ° to the longitudinal axis of the metal core 25 , while the woven glass fiber layers 24, 27th are aligned so that the glass fibers 21 lie at an angle of 0 ° or 90 ° to the longitudinal axis of the metal core 25 . After the metal core 25 has been coated with the required layers, this structure can be held together using a cellophane tape. The structure can also be held together by a heat shrinking polypropylene film (not shown) which acts as a shape and is removed in the manner to be described below.
Nach dem Umhüllen des Metallkerns 25 mit der erforderlichen An zahl von Schichten wird die Anordnung in einem Ofen erhitzt, um eine Bindung der einzelnen Schichten untereinander und aneinander zu bewerkstelligen. Die Tempera tur, auf welche die Anordnung erhitzt wird, hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Art des verwendeten Harzes, das eingesetzt wird, um die Graphitfasern 20, 22 zu imprägnieren. Diese Temperaturen sind hinlänglich bekannt. Für ein modi fiziertes Epoxyharz, mit welchem die Graphitfasern 20, 22 imprägniert sind, liegt die Temperatur im Bereich von etwa 100°C bis etwa 180°C und vorzugsweise bei etwa 140°C.After covering the metal core 25 with the required number of layers, the arrangement is heated in an oven in order to achieve a bond between the individual layers to one another and to one another. The temperature to which the assembly is heated depends on several factors, including the type of resin used to impregnate the graphite fibers 20, 22 . These temperatures are well known. For a modified epoxy resin with which the graphite fibers 20, 22 are impregnated, the temperature is in the range from approximately 100 ° C. to approximately 180 ° C. and preferably approximately 140 ° C.
Wenn außen eine Polypropylen-Folie aufgebracht wird, um die verschiedenen Schichten um den Kern 25 zu halten, kann diese sehr einfach manuell von der Oberfläche der Welle abgeschält werden. Unregelmäßigkeiten der Oberfläche können durch Schmirgeln oder Schleifen und ähnliche Vorgänge entfernt werden. Gewünschtenfalls kann die Welle mit einem Farbüberzug versehen werden.If a polypropylene film is applied on the outside in order to hold the various layers around the core 25 , this can very easily be peeled off manually from the surface of the shaft. Irregularities in the surface can be removed by sanding or grinding and similar processes. If required, the shaft can be coated with a color.
Angesichts der Tatsache, daß es nicht immer möglich ist, ein vollständig flaches Stirnende der Welle zu erzielen, werden im allgemeinen Schichtzuschnitte verwendet, die etwas länger sind als die Endlänge der herzustellenden Welle. Dabei kann eine abgerundete Schulter 6, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, vermieden werden, indem man einen Radialschnitt durch die Welle hinter der Schulter 6 durchführt, wobei man eine vollständig gerade Abschluß kante erzielt, falls dies für die Welle erwünscht ist.In view of the fact that it is not always possible to achieve a completely flat end face of the shaft, layer blanks which are somewhat longer than the final length of the shaft to be produced are generally used. A rounded shoulder 6 , as shown in Fig. 6, can be avoided by making a radial cut through the shaft behind the shoulder 6 , whereby a completely straight edge is achieved if this is desired for the shaft.
Es wird die Herstellung einer Antriebswelle für einen Last wagen beschrieben. Für eine solche Anwendung besitzt der Metallkern 25 normalerweise eine Länge von 1,22 m bis 3,05 m, einen Innendurchmesser im Bereich von 5,08 bis 11,43 cm sowie einen Außendurchmesser im Bereich von 5,08 bis 12,7 cm. Der Kern 25 trägt eine Schicht 19 eines Metallklebers mit einem Gewicht im Bereich von etwa 0,0098 bis 0,0196 g/cm2. Auf die Metallkleber schicht 19 sind zwei Lagen jeweils eines Glasfasergeleges und einer Schicht der Epoxy harzimprägnierten, gerichteten Graphit endlosfasern aufgebracht. Die Glasfasern liegen in einem Winkel von 0° und 90° zur Längsachse der Welle, und die Graphitfasern liegen in einem Winkel von etwa 10° hierzu. Die Graphitfasern der nachfolgenden Schichten liegen ebenfalls unter einem Winkel von 10°, jedoch in entgegengesetzter Richtung zu der vor angehenden Schicht. Somit sind die Graphitfasern in einem Winkel ±10° zur Längsachse ausgerichtet. The production of a drive shaft for a truck is described. For such an application, the metal core 25 normally has a length of 1.22 m to 3.05 m, an inner diameter in the range of 5.08 to 11.43 cm and an outer diameter in the range of 5.08 to 12.7 cm. The core 25 carries a layer 19 of a metal adhesive with a weight in the range of approximately 0.0098 to 0.0196 g / cm 2 . On the metal adhesive layer 19 two layers of a glass fiber fabric and a layer of epoxy resin-impregnated, directed graphite continuous fibers are applied. The glass fibers are at an angle of 0 ° and 90 ° to the longitudinal axis of the shaft, and the graphite fibers are at an angle of about 10 ° to it. The graphite fibers of the subsequent layers are also at an angle of 10 °, but in the opposite direction to the previous layer. The graphite fibers are thus aligned at an angle of ± 10 ° to the longitudinal axis.
Wie sich aus Fig. 6 ergibt, besitzt eine solche Antriebswelle einen ersten Endteil 42 und einen zweiten Endteil 43 sowie zwei Zwischenbereiche 44 bzw. 45. Schließlich ist noch ein mittlerer Teil 46 vorhanden. Die faserver stärkte Umhüllung im Bereich der ersten und zweiten Endteile 42 und 43 bestehen aus zwei Umwicklungen des Kerns 25. Die Anzahl der Umwicklungen ändert sich jedoch über die Länge der Welle in der Weise, daß die Umhüllung im Mittelbe reich der Welle am dicksten ist. Für die Last wagenantriebswelle ist die Höhe des dreieck förmigen Zuschnitts so ge wählt, daß sechs oder sieben Umwicklungen des mittleren Teils 46 der Welle vorhanden sind, wobei die Zahl der Umwicklungen in den Zwischenbereichen 44 und 45 über die Länge der Welle abnehmen.As can be seen from FIG. 6, such a drive shaft has a first end part 42 and a second end part 43 and two intermediate regions 44 and 45 . Finally, there is a middle part 46 . The fiber reinforced sheath in the area of the first and second end parts 42 and 43 consist of two wraps of the core 25 . However, the number of wraps changes over the length of the shaft in such a way that the sheath is thickest in the Mittelbe rich of the shaft. For the truck drive shaft, the height of the triangular cut is selected so that six or seven windings of the central part 46 of the shaft are present, the number of windings in the intermediate regions 44 and 45 decreasing over the length of the shaft.
Im Gegensatz hierzu würde eine Personenwagen antriebswelle einen Aluminiumkern 25 be sitzen mit einer Länge zwischen 102 cm bis 183 cm, einem Außendurchmesser zwischen 6,35 cm und 7,62 cm sowie einem Innendurchmesser zwischen 5,72 cm und 6,99 cm. Sie würde etwa zwei Lagen jeweils aus Glasfasergewebe und aus endlosen Graphitfasern, die mit einem Epoxy-Harz imprägniert sind, tra gen. Wie bei der Antriebswelle des Lastwagens, sind die Graphitfasern in einem Winkel von ±10° zur Längsachse der Welle ausgerichtet, während die Glasfasern in einem Winkel von 0° und 90° zur Längsachse der Welle liegen. Außerdem ist zwischen dem Metallkern 25 und der Umhüllung eine Schicht 19 eines Metallklebers vorgesehen.In contrast, a passenger car drive shaft would have an aluminum core 25 with a length between 102 cm to 183 cm, an outer diameter between 6.35 cm and 7.62 cm and an inner diameter between 5.72 cm and 6.99 cm. You would wear about two layers of fiberglass and endless graphite fibers impregnated with an epoxy resin. As with the drive shaft of the truck, the graphite fibers are oriented at an angle of ± 10 ° to the longitudinal axis of the shaft, while the Glass fibers lie at an angle of 0 ° and 90 ° to the longitudinal axis of the shaft. In addition, a layer 19 of a metal adhesive is provided between the metal core 25 and the casing.
Claims (6)
- a) auf die äußere Oberfläche des Metallkerns (25) eine Metallkleberschicht (19) aufgebracht ist,
- b) die Umhüllung eine Mehrzahl übereinanderliegender Schichten mit Harz imprägnierter, gleichgerichteter Verstärkungsfasern (20) aufweist, die um den Umfang des rohrförmigen Metallkerns (25) gelegt sind, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Verstärkungsfaser schichte, sowie zwischen dem Metallkern (25) mit der Kleberschicht (19) und der radial inneren Verstärkungs faserschicht jeweils eine Schicht aus gewebten Glas fasern (21) angeordnet ist,
- c) die Fasern jeder Verstärkungsfaserschicht in einem Winkel zwischen 5 und 20° zur Längsachse des Metall kerns entgegen der Orientierung der nächstliegenden Verstärkungsfaserschicht ausgerichtet sind, und daß
- d) jede der Schichten aus Verstärkungs- bzw. Glasfasern eine solche Form besitzt, daß bei einer Umwicklung des Metallkerns mit den vorgefertigten Schichten die Welle in ihrem mittleren Bereich einen größeren Durch messer aufweist als in den Endbereichen.
- a) a metal adhesive layer ( 19 ) is applied to the outer surface of the metal core ( 25 ),
- b) the covering has a plurality of superimposed layers of resin-impregnated, rectified reinforcing fibers ( 20 ) which are placed around the circumference of the tubular metal core ( 25 ), layers between successive reinforcing fibers and between the metal core ( 25 ) with the adhesive layer ( 19 ) and the radially inner reinforcing fiber layer each have a layer of woven glass fibers ( 21 ),
- c) the fibers of each reinforcing fiber layer are oriented at an angle between 5 and 20 ° to the longitudinal axis of the metal core against the orientation of the closest reinforcing fiber layer, and that
- d) each of the layers of reinforcing or glass fibers has such a shape that when the metal core is wrapped with the prefabricated layers, the shaft has a larger diameter in its central region than in the end regions.
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