DE4442268C1 - Welle mit integrierten Winkelausgleichselementen aus faserverstärkten Kunstharzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Welle mit integrierten Winkelausgleichselementen aus faserverstärkten Kunstharzen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 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.

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.

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.

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.

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.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Welle und einer Vorrichtung zu ihrer Herstellung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehen­ den im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt ein Ende einer Welle mit einem Flansch, der als Winkel­ ausgleichselement ausgebildet ist.

Fig. 2 schematisch die Herstellung einer Welle zwei daran anzuformenden Flanschen.

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. 4 im Querschnitt den Spreizkörper nach Fig. 3 und einen auf den rohrförmigen Teil der Welle aufgesetzten Formkörper.

Fig. 5 die Herstellung des Bördelflansches.

Fig. 6 einen weiteren Verfahrensschritt zur Streckung der Fasern.

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.

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.

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.

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°.

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.

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.

Im Bereich der beiden Enden der zu wickelnden Welle ist jeweils ein Spreizkörper 38 angeordnet. Die Spreizkörper sind in Achsrichtung des Wickeldorns 30 verstellbar.

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.

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.

Als Fasern werden vorzugsweise hochfeste Fasern wie Kohlenstoffasern verwendet, die vorzugsweise mit dem Kunstharz getränkt gewickelt werden.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (8)

1. Welle mit integrierten Winkelausgleichselementen aus durch gewickelte Fasern verstärkten Kunstharzen mit einem zylindrischen Rohrabschnitt und damit aus einem Stück gewickelten elastisch verformbaren Kupplungsflanschen, bei dem sich die unter einem Winkel zur Achse kreuzend gewickelten Fasern über die Länge des zylindrischen Rohrabschnittes bis zum Rand der Kupplungsflanschen erstrecken und bei der in jedem Querschnitt des Rohrabschnittes und der Flanschen der Ge­ samtquerschnitt aller Fasern gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche als 180° Bördelflansche (8) mit einem im wesentlichen konstanten Innenradius (R₁) ausgebildet sind, die den zylindrischen Rohrabschnitt mit einem zylinderringförmigen Abschnitt (10) übergreifen und über diesen zylinderringförmigen Abschnitt fest mit einer zylinderringförmigen Wandung (14) eines schalenförmigen Anschlußkörpers (12) verbunden ist, der den zylinder­ ringförmigen Abschnitt des Bördelflansches außen übergreift.

2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsmittel radial angeordnete formschlüssige Verbindungselemente (6) vorgesehen sind.

3. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußkörper (12) mittels eines Elastomeren als Zwischenschicht an den zylinderringförmigen Abschnitt (10) anvulkanisiert ist.

4. Welle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf der Innenseite des zylinderringförmigen Abschnittes (10) des Bördel­ flansches (8) anliegender Stützring (18) vorgesehen ist.

5. Welle nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungs­ mittel (16) in den Stützring (18) eingreifen.

6. Vorrichtung zur Herstellung von Wellen nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche mit

• - 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,

dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (52) stirnseitig mit einer im Quer­ schnitt halbkreisförmig konvex gerundeten Schulter (58) ausgebildet ist, die auf der Außenseite in einen zylindrischen Abschnitt (60) übergeht, daß der Spreizkörper (38) an der dem Flansch zugewandten Stirnseite (44) mit einer im Querschnitt halbkreisförmig konkav gerundeten ringförmigen Schulter (40) mit einem den zylin­ derringförmigen Abschnitt des Formkörpers außen übergreifenden innenzylindri­ schen Abschnitt (42) versehen ist und daß Mittel vorgesehen sind, mit denen der Spreizkörper auf den Formkörper zu verschiebbar und Spreizkörper und Formkörper gegeneinander verspannbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen nach dem Verspannen von Formkörper und Spreizkörper eine die Fasern in Achsrichtung der Ausgleichskupplung verspannende Zugkraft aufbringbar ist.