DE102009036509A1

DE102009036509A1 - Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle sowie Herstellungsverfahren und Herstellungsanlage für eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle

Info

Publication number: DE102009036509A1
Application number: DE102009036509A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr. Stadtfeld
Original assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Current assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-04-14

Abstract

Eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle weist endseitig metallische Anschlussteile (3) mit mehreren Lagerelementen (10) auf, die eine von einer Kreisform abweichende Umfangskontur (U) aufweisen und entlang der Umfangskontur (U) verlaufende Anlageflächen (A) ausbilden. Gegen die Anlageflächen (A) liegen Faserschlaufen (8) eines Wellenteils (2) aus einem Faserverbundwerkstoff an und stellen so eine drehfeste Verbindung zwischen dem Wellenteil (2) und den Anschlussteilen (3) her. Die Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle weist aufgrund der Umfangskontur (U) der Lagerelemente (10) verbesserte Kraft- und/oder Drehmomentübertragungseigenschaften auf. Die Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle wird in einer entsprechenden Herstellungsanlage derart hergestellt, dass das Wickeln und Aushärten des Faser-Matrix-Auftrages sowie die oberflächige Überarbeitung zur Minimierung einer Unwucht in einer Aufspannung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren und eine Herstellungsanlage für eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle.
Aus der DE 29 46 530 A1 ist eine Antriebswelle bekannt, die ein Rohr aus einer faserverstärkten Kunststoff-Matrix und endseitig an dem Rohr angeordnete metallische Endstücke aufweist. Die in der Kunststoff-Matrix eingekapselten Fasern verlaufen in den innersten und den äußersten Lagen des Rohres wendelförmig mit eng aufeinanderfolgenden Windungen und möglichst geringer Steigung. In den Zwischenlagen beträgt der Steigungswinkel der Fasern zwischen 30° und 60°, wobei die Fasern in aufeinanderfolgenden Zwischenlagen in einander gegenläufig kreuzenden Windungen angeordnet sind. Die Endstücke weisen einen konisch gestalteten Hülsenfortsatz auf, der an seiner Oberfläche gerändelt ist und so eine Zahnung ausbildet. Die Fasern werden beim Wickelvorgang des Rohres über den Hülsenfortsatz gewickelt und bilden nach dem Aushärten der Kunststoff-Matrix eine drehfeste Verbindung zwischen dem Rohr und den Endstücken aus.
Um beim Wickeln der einander gegenläufig kreuzenden Zwischenlagen ein Verschieben der zu bildenden Umkehrschleifen zu vermeiden, sind in der DE 30 27 432 A1 Verankerungsstifte an den Endstücken angeordnet, die in Gewindebohrungen des Hülsenfortsatzes eingeschraubt sind. Die Verankerungsstifte bilden beim Wickelvorgang Umkehrpunkte für die Fasern aus, so dass die Fasern im Bereich der Umkehrschleifen eine definierte Lage aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, dass deren mechanische Festigkeit, insbesondere im Verbindungsbereich eines Wellenteils aus Faserverbundwerkstoff und eines metallischen Anschlussteils, verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle eine höhere mechanische Festigkeit sowie bessere Kraft- bzw. Drehmomentübertragungseigenschaften aufweist, wenn zumindest ein Teil der an dem metallischen Anschlussteil angeordneten und radial vorspringenden Lagerelemente eine von einer Kreisform abweichende Umfangskontur aufweist. Die Lagerelemente bilden mit ihren der Umfangskontur entsprechenden Anlageflächen für die Faserschlaufen großflächige Gegenlager aus und ermöglichen, die Faserrichtungen in Richtung des hohlzylinderförmigen Wellenteils gezielt zu definieren und an die geforderten Kraft- bzw. Drehmomentübertragungseigenschaften der Welle anzupassen. Da die drehfeste Verbindung zwischen dem Wellenteil und dem Anschlussteil durch die an den Lagerelementen gelagerten Faserschlaufen erzeugt wird, ist die Drehfestigkeit im Vergleich zu einem bloßen Umwickeln des Anschlussteils mit den Fasern – wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist – erhöht. Durch die großflächigen Anlageflächen werden Belastungsspitzen an den Faserschlaufen und den zugehörigen Lagerelementen vermieden. Da durch die Form und Anordnung der Lagerelemente die Faserrichtungen gezielt an die Belastung anpassbar sind, kann eine optimierte Kraft- bzw. Drehmomentübertragung erzielt werden. Die Faserschlaufen umschließen die zugehörigen Lagerelemente segmentweise und/oder ganz. Vorzugsweise weisen alle Lagerelemente eine von der Kreisform abweichende Umfangskontur auf. Die Lagerelemente sind vorzugsweise einteilig mit dem Grundkörper des Anschlussteils ausgebildet und/oder in gleichmäßigen Abständen umfangsseitig an dem Grundkörper angeordnet. Das Anschlussteil kann starr ausgebildet sein oder eine axiale Längenausgleichsfunktion realisieren. Hierzu bildet das Anschlussteil eine axiale Schiebeverbindung aus.
Die erfindungsgemäße Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle stellt ein Hybridbauteil dar, das eine hohe spezifische Festigkeit aufweist. Faserverbundwerkstoffe haben aufgrund ihrer geringen Dichte im Vergleich zu Stahl eine wesentlich höhere spezifische Festigkeit und weisen zusätzlich materialinherente schwingungsdampfende Eigenschaften auf. Da die mechanischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen in einem breiten Bereich materialseitig durch die Kombination der Verstärkungsfasern und der diese umschließenden Kunststoff-Matrix sowie produktionstechnisch durch die Faserrichtungen, insbesondere innerhalb eines mehrlagigen Aufbaus, anpassbar sind, eignen sich diese in besonderer Weise, um eine gewichts- und lastoptimierte Welle herzustellen. Als Verstärkungsfasern können beispielsweise Kohlenstoff-, Glas- und/oder Polyesterfasern dienen, die in eine thermoplastische und/oder duroplastische Kunststoff-Matrix eingebettet sind. Die Torsionssteifigkeit und/oder die Biegesteifigkeit der Welle kann beispielsweise bei gleichen Ausgangswerkstoffen, also Verstärkungsfasern und Matrix, erheblich variiert werden, indem die Menge der Fasern, die parallel zu der entsprechenden Belastungsrichtung liegen, variiert wird.
Unter den duroplastischen Kunststoffen werden als Matrixmaterial vorzugsweise Polyester und/oder Vinylester und/oder deren Mischungen, Derivate und/oder Hybride verwendet. Weiterhin können auch Epoxydharze, deren Mischungen, Derivate und/oder Hybride verwendet werden. Zum Aushärten der Matrixmaterialien können radikalbildende Zusatzstoffe und/oder Photoinitiatoren eingebracht sein.
Der Faser-Matrix-Auftrag kann beispielsweise als imprägnierter Faser-Roving, also als imprägniertes Bündel von Einzelfilamenten, aufgebracht werden. Weiterhin kann der Faser-Matrix-Auftrag als imprägniertes Bandchen aus einer Vielzahl von Einzelfilamenten aufgebracht werden, das sich im Querschnitt stark zwischen Breite und Höhe unterscheidet.
Der Faser-Matrix-Auftrag kann ferner als unimprägnierter Faser-Roving bzw. unimprägniertes Bändchen aufgebracht werden, wobei der Roving selbst mit einem Binder versehen ist, der die Aufgabe hat, die aneinander grenzenden Rovingoberflächen zu verkleben. Der Binder ist auf der Oberfläche der Rovings aufgebracht, um die Haftung zu benachbarten Rovings zu gewährleisten. Im Falle von trockenen, bebinderten Rovings bzw. Bändchen ist es erforderlich, die Fasern nach dem Wickelprozess mittels eines Infiltrationsverfahrens mit Matrix zu imprägnieren und auszuhärten, bevor der Wickelkern entfernt wird.
Bei den Binder kommen thermoplastische oder duromere Binder zum Einsatz. Duromere Binder sind bei Raumtemperatur in der Regel klebrig und werden zur Sicherung der Haftstelle über eine Temperaturerhöhung ausgehärtet. Thermoplastische Binder sind bei Raumtemperatur nicht klebrig und müssen daher nach dem Wickelvorgang kurzzeitig erwärmt werden, damit die Binderpartikel von einem festen in einen flüssigen Zustand überführt werden und so eine Haftwirkung erzielt werden kann. Nach dem Erwärmen muss der thermoplastische Binder wieder abkühlen bzw. abgekühlt werden, bis er als Feststoff vorliegt und so eine Haftwirkung ausübt.
Weiterhin kann der Faser-Matrix-Auftrag als unimprägnierter Faser-Roving bzw. Bändchen aufgebracht werden, wobei hier der Roving bzw. das Bändchen selbst aus einer Mischung von Verstärkungsfasern und polymeren Fasern aufgebaut ist. Die polymeren Fasern stellen nach dem Aufschmelzen die zur Imprägnierung erforderliche Matrixmenge zur Verfügung.
Die erfindungsgemäße Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle ist an die speziellen Eigenschaften von faserverstärkten Verbundwerkstoffen angepasst und nutzt auf diese Weise die Eigenschaften der Verstärkungsfasern optimal. Insbesondere die metallischen Anschlussteile sind optimal mit dem Wellenteil zu einem werkstofflichen Hybridbauteil verbunden. Durch das geringe Gewicht und die hohe spezifische Festigkeit können hohe Kräfte bzw. Drehmomente übertragen werden, wobei die Belastung von Lagern durch die Rotation der Welle aufgrund des geringen Gewichtes niedrig ist. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise als Filamente, Fäden, Rovings, Bänder, Matten, Geweben und/oder Gelegen aufgebracht werden.
Die Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle kann als Antriebswelle in beliebigen Antriebssträngen eingesetzt werden, beispielsweise in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen.
Eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 2 weist optimierte Kraftübertragungseigenschaften für Kräfte auf, die in Richtung der Mittellängsachse wirken, wie beispielsweise Biegekräfte.
Eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 3 weist optimierte Kraftübertragungseigenschaften für Kräfte auf, die in einer Richtung quer zu der Mittellängsachse wirken, wie beispielsweise Torsionskräfte.
Eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 4 ermöglicht eine Optimierung der Kraftübertragungseigenschaften in zwei Hauptbelastungsrichtungen.
Eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 5 ermöglicht eine Optimierung der Kraftübertragungseigenschaften in beiden Drehrichtungen der Welle.
Eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 6 gewährleistet eine drehfeste Verbindung zwischen dem Wellenteil und den Anschlussteilen.
Eine Umfangskontur nach Anspruch 7 definiert zwei parallel verlaufende Faserrichtungen, wobei die zugehörige Anlagefläche großflächige ebene Abschnitte aufweist. Die Lagerelemente weisen bei einer parallelogrammförmigen Umfangskontur die Form einer Zahnflanke auf.
Eine Umfangskontur nach Anspruch 8 definiert zwei unterschiedlich verlaufende Faserrichtungen, wobei die zugehörige Anlagefläche großflächige ebene Abschnitte aufweist.
Eine Umfangskontur nach Anspruch 9 definiert zwei unterschiedlich verlaufende Faserrichtungen, wobei die zugehörige Annlagefläche großflächige ebene Abschnitte aufweist.
Eine Umfangskontur nach Anspruch 10 vermeidet punktuelle Belastungsspitzen der Faserschlaufen, da keine scharfen Ecken bzw. Kanten ausgebildet werden. Die Lagerelemente bzw. die Faserschlaufen weisen in dem abgerundeten Abschnitt einen Radius im Bereich zwischen 1 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 2,5 mm und 10 mm, und insbesondere zwischen 5 mm und 10 mm auf. Der abgerundete Abschnitt ist vorzugsweise symmetrisch zu den Faserrichtungen ausgerichtet.
Eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 11 ermöglicht eine Optimierung der Kraft- bzw. Drehmomentübertragungseigenschaften für eine beliebige Anzahl von Belastungsrichtungen. In den einzelnen Kaskadenstufen können die Lagerelemente je nach gewünschter Kraft- bzw. Drehmomentübertragungseigenschaft angeordnet werden, wobei in jeder Kaskadenstufe beispielsweise zwei Faserrichtungen definiert werden. Durch die Kaskadenstufen wird die Anzahl der über den Umfang verteilbaren Lagerelemente erhöht, so dass die Drehfestigkeit der Verbindung zwischen dem Wellenteil und dem Anschlussteil verbessert wird.
Eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 12 kann bei der Herstellung einfach gewickelt werden.
Eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 13 optimiert die Kraft- bzw. Drehmomentübertragungseigenschaften sowie die Drehfestigkeit der Verbindung zwischen dem Wellenteil und dem Anschlussteil.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle derart weiterzubilden, dass diese einfach und mit einer verbesserten mechanischen Festigkeit, insbesondere im Verbindungsbereich eines Wellenteils aus Faserverbundwerkstoff und eines metallischen Anschlussteils, herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Die Herstellung der Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle wird in einer Aufspannung durchgeführt, so dass die Herstellungsschritte des Aufbringens eines Faser-Matrix-Auftrages sowie des Aushärtens des Faser-Matrix-Auftrages zu einer festen Struktur in einer Herstellungsanlage ablaufen. Vorzugsweise wird auch eine ggf. noch erforderliche oberflächige Nachbearbeitung des ausgehärteten Wellenteils ohne Wechsel der Aufspannung in der Herstellungsanlage durchgeführt. Ein nachträgliches Wuchten der Welle kann durch deren Herstellung in einer Aufspannung vermieden werden. Die Welle kann in einer einzigen Aufspannung mit einer deutlich verringerten Rotationsunwuchtigkeit hergestellt werden. Beim Aufbringen des Faser-Matrix-Auftrages auf den Wickelkern werden die Faserschlaufen ausgebildet, die gegen die Anlageflächen der Lagerelemente anliegend gewickelt werden. Durch das Aushärten des Faser-Matrix-Auftrages zu einer festen Struktur, also dem Faserverbundwerkstoff, wird eine drehfeste Verbindung zwischen dem Anschlussteil und dem ausgehärteten Wellenteil gebildet, wobei die Welle aufgrund der durch die Umfangskontur vorgegebenen Anlageflächen und Faserrichtungen für die jeweilig Anwendung optimale Kraft- bzw. Drehmomentübertragungseigenschaften aufweist.
Der Wickelkern kann vor und/oder nach dem Aufspannen des Anschlussteils mit diesem verbunden werden. Der Wickelkern kann also vormontiert aufgespannt werden oder erst in der Herstellungsanlage montiert werden. Die Verbindung kann kraft- und/oder formschlüssig erfolgen, beispielsweise durch eine Presspassung. Zum einfacheren Entfernen des Wickelkerns aus dem ausgehärteten Wellenteil kann dieser in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet sein, der über seine Länge eine Konizität im Bereich von 0,025° bis 0,125° aufweist.
Vorzugsweise werden bei dem Aufbringen des Faser-Matrix-Auftrages mit einer der Wickeleinrichtung mehrere Faser-Rovings gleichzeitig auf den Wickelkern aufgewickelt, wobei die Rovings gleichmäßig über den Wickelkernumfang verteilt aufgebracht werden. Hierzu weist die Wickeleinrichtung beispielsweise einen Ringwickelkopf auf, an dem gleichmäßig über den Umfang verteilte Faserführungen angeordnet sind. Zum vollautomatischen Aufbringen des Faser-Matrix-Auftrages kann die Wickeleinrichtung eine Klemmeinheit und/oder eine Schneideinheit aufweisen, so dass die Rovings zu Beginn des Wickelvorganges geklemmt und am Ende des Wickelvorgangs durchschnitten werden können.
Zum Aushärten des Faser-Matrix-Auftrages weist die Wickeleinrichtung eine Bestrahlungseinheit auf, die durch Bestrahlen mit energiereicher Strahlung, wie beispielsweise UV-Strahlung, IR-Strahlung, Laserstrahlung oder Mikrowellenstrahlung, die erforderliche Aktivierungsenergie bereitstellt, um das Aushärten des Matrixmaterials auszulösen, und zu beschleunigen. Vorzugsweise sind die Strahlungsquellen direkt an dem Ringwickelkopf angebracht. Das Bestrahlen kann während, vorzugsweise von Beginn an, des kontinuierlichen Aufbringprozesses und/oder nach dem Aufbringprozess erfolgen.
Zur Minimierung der Durchbiegung des Wickelkerns ist dieser vorzugsweise als Hohlprofil ausgebildet. Das Hohlprofil kann durch Verstärkungsfasern, beispielsweise Kohlenstofffasern, versteift sein. Vorzugsweise ist der Wickelkern aus einem Faserverbundwerkstoff aufgebaut.
Ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 15 ermöglicht ein schnelles Aushärten des Faser-Matrix-Auftrages, beispielsweise einer duromeren Kunststoff-Matrix. Die energiereiche Strahlung kann beispielsweise UV-Strahlung, IR-Strahlung, Laserstrahlung oder Mikrowellenstrahlung sein. Die Strahlungsintensität der Strahlung kann zwischen Beginn und Ende des Wickelvorgangs variiert werden. Bei einer kontinuierlichen Bestrahlung kann beispielsweise zu Beginn des Wickelvorgangs eine hohe Strahlungsintensität eingestellt werden, um den Energieabfluss in den Wickelkern zu kompensieren. Dies ist insbesondere bei metallischen Wickelkernen vorteilhaft. Ab einer bestimmten Anzahl von Wickellagen kann dann die Strahlungsintensität reduziert werden, da aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit des Faserverbundwerkstoffes der Energieabfluss reduziert ist. Im Falle von einer duromeren Kunststoff-Matrix kann ggf. die Bestrahlung eingestellt werden, da die einsetzende Reaktionswärme aufgrund der exothermen Reaktion ausreicht, um die Aushärtung der letzten Wickellagen auszulösen. Bei einer thermoplastischen Kunststoff-Matrix werden die Strahlungsquellen der Bestrahlungseinheit zum Aufheizen des Faser-Matrix-Auftrages, beispielsweise der Rovings bzw. Bändchen, benutzt.
Ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 16 gewährleistet eine geringe Rotationsunwuchtigkeit der Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle, da deren Herstellung in einer einzigen Aufspannung erfolgt. Die Nachbearbeitung kann beispielsweise ein Schleif-, Fräs- und/oder Drehvorgang sein.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Herstellungsanlage zu schaffen, mit der eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle einfach und mit verbesserter mechanischer Festigkeit, insbesondere im Verbindungsbereich eines Wellenteils aus Faserverbundwerkstoff und eines metallischen Anschlussteils, herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Herstellungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Mittels der Drehspindel und des Gegenlagers werden das Anschlussteil und der damit verbundene Wickelkern aufgespannt, wobei diese mittels des ersten Spindel-Antriebsmotors für den Wickelvorgang drehantreibbar sind. Die Wickeleinrichtung ist zwischen der Drehspindel und dem Gegenlager angeordnet und in der x-Richtung mittels des ersten x-Antriebsmotors verfahrbar, so dass der Faser-Matrix-Auftrag über die gesamte Länge des Wickelkerns aufgebracht werden kann. Der Wickelkern erstreckt sich zum Aufbringen des Faser-Matrix-Auftrages durch die Durchführungsöffnung der Wickeleinrichtung. Die Durchführungsöffnung wird vorzugsweise von einem Ringwickelkopf ausgebildet, an dem über seinen Umfang verteilt mehrere Faserführungen angeordnet sind, die als Zuführeinheit zum Aufbringen des Faser-Matrix-Auftrages dienen. Durch die Bestrahlungseinheit kann während und/oder nach dem Aufbringen des Faser-Matrix-Auftrages ein Bestrahlen mit energiereicher Strahlung erfolgen, so dass das Aushärten des Matrixmaterials frühzeitig ausgelöst und/oder beschleunigt werden kann. Das Auftragen des Faser-Matrix-Auftrages, also der Faser-Matrix-Lagen, sowie das Aushärten erfolgt dementsprechend in einer Aufspannung. Zum Ausbilden der an den Lagerelementen des Anschlussteils anliegenden Faserschlaufen ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass der Spindel-Antriebsmotor zum Antreiben der Drehspindel und der x-Antriebsmotor zum Verfahren der Wickeleinrichtung entsprechend angesteuert werden können. Die Steuereinheit steuert den Spindel-Antriebsmotor und den x-Antriebsmotor derart, dass mittels der Wickeleinrichtung die Lagerelemente des in der Drehspindel aufgespannten Anschlussteils mit den Fasern umwickelt werden können und so die gewünschten Faserschlaufen ausgebildet werden.
Eine Herstellungsanlage nach Anspruch 18 ermöglicht ein automatisches Aufbringen des Faser-Matrix-Auftrages zu Beginn des Aufbringvorgangs. Mittels der Klemmeinheit können die Fasern zu Beginn des Wickelvorgangs an dem Wickelkern geklemmt und selbst umwickelt werden, so dass die Fasern an dem Wickelkern festgelegt sind. Vorzugsweise ist die Klemmeinheit als Andruckzange ausgebildet. Ein Faserfänger hält die Faserenden, die dann mittels Andruckbändern der Andruckzange auf dem Wickelkern geklemmt werden.
Eine Herstellungsanlage nach Anspruch 19 ermöglicht ein automatisches Beenden des Aufbringens des Faser-Matrix-Auftrages. Die Schneideinheit dient vorzugsweise auch als Faserfänger.
Eine Herstellungsanlage nach Anspruch 20 ermöglicht ein beidseitiges Drehantreiben des Wickelkerns.
Eine Herstellungsanlage nach Anspruch 21 ermöglicht das Spannen von Wickelkernen unterschiedlicher Länge und somit das Herstellen von Wellen mit unterschiedlicher Länge.
Eine Herstellungsanlage nach Anspruch 22 ermöglicht eine unmittelbare Nacharbeitung des Wellenteils nach dem Aushärten. Das Wellenteil wird dementsprechend in einer Aufspannung hergestellt und nachbearbeitet.
Eine Herstellungsanlage nach Anspruch 23 ermöglicht ein einfaches Aufspannen des Anschlussteils und des Wickelkerns, in dem die Handhabungseinrichtung das Anschlussteil und den Wickelkern aufnimmt und der Aufspannung zuführt.
Eine Herstellungsanlage nach Anspruch 24 weist eine hohe Flexibilität in der Handhabung der Anschlussteile und des Wickelkerns auf.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrere Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine perspektivische Ansicht eines metallischen Anschlussteils der Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle in 1,
3 eine perspektivische Ansicht eines metallischen Anschlussteils einer Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
4 eine perspektivische Ansicht eines metallischen Anschlussteils einer Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
5 eine perspektivische Ansicht eines metallischen Anschlussteils einer Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
6 eine perspektivische Ansicht eines metallischen Anschlussteils einer Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
7 eine Seitenansicht eines metallischen Anschlussteils einer Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel,
8 einen Axialschnitt durch das Anschlussteil in 7,
9 eine schematische Ansicht einer Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel mit einer Längenausgleichsfunktion,
10 eine perspektivische Ansicht eines metallischen Anschlussteils mit der Längenausgleichsfunktion der Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle in 9,
11 eine Prinzipdarstellung einer Herstellungsanlage für die Metall-Faserverbundwerkstoff-Wellen gemäß den 1 bis 10,
12 eine Prinzipdarstellung einer Aufbereitungseinrichtung zur Aufbereitung eines Faser-Matrix-Auftrages,
13 eine Prinzipdarstellung einer Wickeleinrichtung der Herstellungsanlage in 11 zum Aufbringen des Faser-Matrix-Auftrages,
14 einen Axialschnitt durch die Wickeleinrichtung gemäß 13 in einem Haltezustand der Fasern,
15 eine perspektivische Ansicht einer als Faserfänger dienenden Schneideinheit der Wickeleinrichtung in 13,
16 einen Axialschnitt durch die Wickeleinrichtung in 13 in einem Klemmzustand mit mittels einer als Andruckzange ausgebildeten Klemmeinheit an einem Wickelkern angepressten Fasern, und
17 eine perspektivische Ansicht einer als Andruckzange ausgebildeten Klemmeinheit für die Fasern in einer geschlossenen Stellung gemäß 16.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle 1 weist ein hohlzylinderförmiges Wellenteil 2 aus einem Faserverbundwerkstoff und zwei metallische Anschlussteile 3 auf, die an den Wellenteilenden 4 mit dem Wellenteil 2 verbunden sind. Das Wellenteil 2 weist eine Mittellängsachse auf, die mit entsprechenden Mittellängsachsen der Anschlussteile 3 eine gemeinsame Mittellängsachse 5 der Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle 1 bilden. Die Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle wird nachfolgend kurz als Welle bezeichnet.
Das aus dem Faserverbundwerkstoff ausgebildete Wellenteil 2 weist eine Matrix 6 aus Kunststoff und darin eingebettete Fasern 7 bzw. Faser-Rovings auf, die an den Wellenteilenden 4 mehrere, sich in Richtung der Mittellängsachse 5 erstreckende Faserschlaufen 8 ausbilden. Die Faserschlaufen 8 sind gleichmäßig verteilt über den Umfang des Wellenteils 2 angeordnet. Die Matrix 6 und die darin eingebetteten Fasern 7 sind in 1 lediglich schematisch dargestellt.
Zur Verbindung mit dem Wellenteil 2 weisen die metallischen Anschlussteile 3 jeweils einen hohlzylinderförmigen Grundkörper 9 auf, an dem gleichmäßig über den Umfang verteilt mehrere radial vorspringende Lagerelemente 10 einteilig angeordnet sind. Die Lagerelemente 10 dienen zur Lagerung der Faserschlaufen 8, so dass deren Anzahl und Anordnung der Anzahl und Anordnung der Faserschlaufen 8 entspricht. Die Lagerelemente 10 sind an einem dem Wellenteil 2 zugewandten Ende des Grundkörpers 9 ausgebildet. An einem dem Wellenteil 2 abgewandten Ende des Grundkörpers 9 weist dieser einen Ringbund 11 auf, an dem zwei gegenüberliegende Anschlusselemente 12 axial vorspringend befestigt sind. Die Anschlusselemente 12 dienen zum Befestigen der Welle 1 mit einem dafür vorgesehenen Teil eines Antriebsstrangs, um beispielsweise eine Gelenkwelle auszubilden.
Jedes der Lagerelemente 10 weist eine von einer Kreisform abweichende Umfangskontur U in Form eines Parallelogramms auf. Aufgrund dieser Umfangskontur U haben die Lagerelemente 10 die Form von Zahnflanken eines Zahnrades. Die Lagerelemente 10 bilden entlang ihrer Umfangskontur U verlaufende Anlageflächen A aus, gegen die die Faserschlaufen 8 anliegen und so das Wellenteil 2 mit dem jeweiligen Anschlussteil 3 verbinden. Die Anlageflächen A verlaufen entlang der jeweiligen Umfangskontur U und im Wesentlichen radial zu der Mittellängsachse 5.
Aufgrund der parallelogrammförmigen Umfangskontur U bilden die Anlageflächen A jeweils zwei parallel verlaufende und im Wesentlichen ebene, lange Abschnitte A₁ und A₂ aus. Die langen Abschnitte A₁ und A₂ sind durch zwei kurze Abschnitte A₃ und A₄ miteinander verbunden, wobei der dem Wellenteil 2 abgewandte Abschnitt A₃ abgerundet ist und der dem Wellenteil 2 zugewandte Abschnitt A₄ nicht zur Anlage der jeweiligen Faserschlaufe 8 dient. Durch die parallelen Abschnitte A₁ und A₂ definiert das jeweilige Lagerelement 10 für die Fasern 7 der Faserschlaufe 8 zwei parallel verlaufende Faserrichtungen F₁ und F₂. Die Faserrichtungen F₁ und F₂ schließen mit der Mittellängsachse 5 zwei gleiche Wickelwinkel α₁ und α₂ ein. Die Wickelwinkel α₁ und α₂ betragen beispielsweise 35°, so dass die Faserrichtungen F₁ und F₂ eine Komponente quer zu der Mittellängsachse 5 und eine Komponente in Richtung der Mittellängsachse 5 haben.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Lagerelemente 10a weisen eine Umfangskontur U in Form eines Tropfens auf. Die Tropfen sind achsensymmetrisch ausgebildet und parallel zu der Mittellängsachse 5 orientiert. Hierdurch bilden die ebenen Abschnitte A₁ und A₂ der Anlageflächen A für die Fasern 7 zwei symmetrisch zu der Mittellängsachse 5 verlaufende Faserrichtungen F₁ und F₂ aus, die mit dieser einen Wickelwinkel α₁ und einen entsprechend negativen Wickelwinkel α₂ ausbilden. Die Wickelwinkel α₁ und α₂ betragen beispielsweise ±35°. Der dem Wellenteil 2 abgewandte Abschnitt A₃ der jeweiligen Anlagefläche ist abgerundet ausgebildet. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus wird auf das vorangegangene Ausführungsbeispiel verwiesen.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 4 ein drittes Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Lagerelemente 10b weisen eine Umfangskontur U in Form einer Raute auf. Die Lagerelemente 10b sind achsensymmetrisch ausgebildet und parallel zu der Mittellängsachse 5 orientiert. Die ebenen Abschnitte A₁ und A₂ der jeweiligen Anlagefläche A bilden für die Fasern 7 zwei zu der Mittellängsachse 5 symmetrisch verlaufende Faserrichtungen F₁ und F₂ aus. Der Wickelwinkel α₁ entspricht aufgrund der Symmetrie dem negativen Wickelwinkel α₂. Die Wickelwinkel α₁ und α₂ betragen beispielsweise ±35°. Der dem Wellenteil 2 abgewandte Abschnitt A₃ der jeweiligen Anlagefläche A ist im Wesentlichen dreieckförmig mit abgerundeten Ecken bzw. Kanten ausgebildet. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 5 ein viertes Ausführungsbeispiel beschrieben. Der Grundkörper 9c des jeweiligen Anschlussteils 3 weist mehrere Kaskadenstufen auf. Eine erste Kaskadenstufe 13 mit einem ersten Durchmesser D₁ ist dem Wellenteil 2 zugewandt, wohingegen eine zweite Kaskadenstufe 14 mit einem größeren Durchmesser D₂ den Anschlusselementen 12 zugewandt ist. Die Lagerelemente 10 der Kaskadenstufen 13 und 14 sind gleich und entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich können die Lagerelemente auch entsprechend dem zweiten und/oder dritten Ausführungsbeispiel ausgeführt sein. Die Umfangskontur U₁ der Lagerelemente 10 der ersten Kaskadenstufe 13 und die Umfangskontur U₂ der Lagerelemente 10 der zweiten Kaskadenstufe 14 weisen die Form eines Parallelogramms auf. Entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel werden die Anlageflächen mit A₁₁ bis A₁₄ und A₂₁ bis A₂₄ bezeichnet, wobei die erste Ziffer die Kaskadenstufe und die zweite Ziffer den Abschnitt der Anlagefläche A bezeichnet. Entsprechendes gilt für die Faserrichtungen F₁₁ und F₁₂ sowie F₂₁ und F₂₂ sowie für die zugehörigen Wickelwinkel α₁₁ und α₁₂ sowie α₂₁ und α₂₂. Durch die Kaskadenstufen 13 und 14 wird eine zugehörige erste Faserlage 15 und eine zweite Faserlage 16 gebildet, die entsprechend der Form und Anordnung der Lagerelemente 10 in der jeweiligen Kaskadenstufe 13 bzw. 14 orientierte Fasern 7 ausweisen. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel beschrieben. Der Grundkörper 9d des jeweiligen Anschlussteils 3 weist mehrere Kaskadenstufen auf. Die Lagerelemente 10 der ersten Kaskadenstufe 13 sind entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel in Form eines Parallelogramms ausgebildet. Die Umfangskontur U₁ dieser Lagerelemente 10 definiert zwei parallele Faserrichtungen F₁₁ und F₁₂, die parallel zueinander und quer zu der Mittellängsachse 5 verlaufen. Die entsprechenden Wickelwinkel α₁₁ und α₁₂ betragen beispielsweise 35°. Die Lagerelemente 10 der zweiten Kaskadenstufe 14 sind ebenfalls in Form eines Parallelogramms ausgebildet, jedoch in umgekehrter Richtung zu den Lagerelementen 10 der ersten Kaskadenstufe 13 orientiert. Die Lagerelemente 10 der zweiten Kaskadenstufe 14 definieren aufgrund ihrer Umfangskontur U₂ zwei parallel zueinander verlaufende Faserrichtungen F₂₁ und F₂₂, die relativ zu der Mittellängsachse 5 symmetrisch zu den Faserrichtungen F₁₁ und F₁₂ verlaufen. Die entsprechenden Wickelwinkel α₂₁ und α₂₂ betragen beispielsweise –35°. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen. Insbesondere können die Lagerelemente 10 auch entsprechend dem zweiten und/oder dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein, wobei in jeweils einer Kaskadenstufe 13 oder 14 gleiche Lagerelemente 10 angeordnet sind, jedoch in den unterschiedlichen Kaskadenstufen 13 oder 14 gleiche oder unterschiedliche Lagerelemente 10 angeordnet sein können.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 7 und 8 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Der Grundkörper 9e des jeweiligen Anschlussteils 3 weist drei Kaskadenstufen auf. Die dem Wellenteil 2 zugewandte erste Kaskadenstufe 13 weist einen ersten Durchmesser D₁ auf. Die nachgeordnete zweite Kaskadenstufe 14 weist einen größeren Durchmesser D₂ auf und eine weitere nachgeordnete dritte Kaskadenstufe 17 weist einen wiederum größeren Durchmesser D₃ auf. In der ersten Kaskadenstufe 13 sind keine Lagerelemente angeordnet. In der zweiten Kaskadenstufe 14 und der dritten Kaskadenstufe 17 sind Lagerelemente 10 angeordnet, die entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel eine Umfangskontur U₂ bzw. U₃ in Form eines Parallelogramms aufweisen. Die Lagerelemente 10 der zweiten Kaskadenstufe 14 sind schräg zu der Mittellängsachse 5 angeordnet, so dass diese Faserrichtungen F₂₁ und F₂₂ definieren, die parallel zueinander und quer zu der Mittellängsachse 5 verlaufen. Die Faserrichtungen F₂₁ und F₂₂ schließen mit der Mittellängsachse 5 beispielsweise Wickelwinkel α₂₁ und α₂₂ von 35° ein. Die Abschnitte der Anlageflächen A werden entsprechend den vorangegangenen Ausführungsbeispielen mit A₂₁ bis A₂₄ bezeichnet. Die Lagerelemente 10 der dritten Kaskadenstufe 17 sind parallel zu der Mittellängsachse 5 ausgerichtet, so dass die Faserrichtungen F₃₁ und F₃₂ parallel zu dieser verlaufen. Die zugehörigen Wickelwinkel α₃₁ und α₃₂ betragen somit 0°. Die Abschnitte der Anlageflächen A der dritten Kaskadenstufe 17 werden entsprechend den vorangegangenen Ausführungsbeispielen mit A₃₁ bis A₃₄ bezeichnet.
Die erste Kaskadenstufe 13 wird mit den Fasern 7 umwickelt, wobei keine sich in Richtung der Mittellängsachse 5 erstreckende Faserschlaufen ausgebildet werden. Die Faserrichtung F₁ der ersten Faserlage 15 verläuft im Wesentlichen in einer Ebene, die senkrecht zu der Mittellängsachse 5 orientiert ist. Der zugehörige Wickelwinkel α₁ beträgt annähernd 90°, beispielsweise 88°. Die durch die zweite Kaskadenstufe 14 gebildete zweite Faserlage 16 weist beispielsweise Wickelwinkel von 35° auf, wodurch Torsionskräfte optimal aufnehmbar sind. Die durch die dritte Kaskadenstufe 17 gebildete dritte Faserlage 18 weist Wickelwinkel von 0° auf und eignet sich zur Aufnahme von Biegekräften. Zusätzlich zu den drei Faserlagen 15, 16 und 18 können weitere Umfangsfaserlagen 19 vorgesehen sein, deren Wickelwinkel annähernd 90° betragen. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 9 und 10 ein siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Welle 1 weist eine axiale Längenausgleichsfunktion auf. Hierzu ist der Grundkörper 9f eines der Anschlussteile 3f als separate Schiebeaußenhülse 20 ausgebildet. In der Schiebeaußenhülse 20 ist eine Schiebeinnenhülse 21 angeordnet, die axial in der Schiebeaußenhülse 20 verlagerbar ist. Die Schiebeinnenhülse 21 ist einteilig mit dem Ringbund 11 und den daran befestigten Anschlusselementen 12 ausgebildet. An dem Grundkörper 9f sind entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel Lagerelemente 10 ausgebildet. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Prinzipiell können die Lagerelemente 10, die Kaskadenstufen 13, 14 und 17 sowie die axiale Längenausgleichsfunktion beliebig miteinander kombiniert werden. Die Form und Anordnung der Lagerelemente 10 kann je nach den aufzunehmenden Kräften bzw. Drehmomenten gewählt werden, so dass sich die gewünschten Faserrichtungen F ergeben. Grundsätzlich gilt, dass die Fasern 7 in der jeweiligen Faserrichtung F am stärksten belastbar sind.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 11 bis 17 eine Herstellungsanlage 22 für die Metall-Faserverbundwerkstoff-Wellen 1 gemäß den 1 bis 10 beschrieben. Die Herstellungsanlage 22 weist ein Untergestellt 23 auf, an dem in einer horizontalen x-Richtung und parallel zueinander verlaufende x-Führungsschienen 24 angeordnet sind. Auf den x-Führungsschienen 24 ist eine Wickeleinrichtung 25 mittels eines ersten x-Antriebsmotors 26 in der x-Richtung verfahrbar angeordnet. An einem ersten Ende des Untergestells 23 ist eine erste Drehspindel 27 befestigt, die zum Spannen und Drehantreiben eines ersten metallischen Anschlussteils 3 dient. Die erste Drehspindel 27 weist ein erstes Spannfutter 28 auf, das mittels eines ersten Spindel-Antriebsmotors 29 um eine Drehachse 30 drehantreibbar ist, die parallel zu der x-Richtung verläuft.
Ein als zweite Drehspindel 31 ausgebildetes Gegenlager ist an einem zweiten Ende des Untergestells 23 auf den x-Führungsschienen 24 angeordnet. Die zweite Drehspindel 31 weist ein zweites Spannfutter 28 auf, das mittels eines zweiten Spindel-Antriebsmotors 33 um die mit der ersten Drehspindel 27 gemeinsame Drehachse 30 drehantreibbar ist. Die zweite Drehspindel 31 dient zum Spannen und Drehantreiben eines zweiten Anschlussteils 3, das über einen Wickelkern 34 mit dem ersten Anschlussteil 3 verbunden ist. Die Wickeleinrichtung 25 ist zwischen den Drehspindeln 27 und 31 angeordnet. Die Drehspindel 31 ist mittels eines zweiten x-Antriebsmotors 35 in der x-Richtung verfahrbar, so dass Wickelkerne 34 unterschiedlicher Länge in den Drehspindeln 27 und 31 aufnehmbar sind.
Zum Aufbereiten und Bereitstellen eines Faser-Matrix-Auftrages 36 weist die Herstellungsanlage 22 eine Aufbereitungseinrichtung 37 auf, die an die Wickeleinrichtung 25 angeschlossen ist. Als Faser-Matrix-Auftrag 36 dienen imprägnierte Faser-Rovings, die kurz als Fasern 7 bezeichnet sind. Die Fasern 7 werden in einem Spulengatter 38 aus Einzelfilamenten 39 gebildet und durch eine Wanne 40 geführt. In der Wanne 40 befindet sich eine als Matrix 6 dienende Flüssigkeit zur Imprägnierung. Die unimprägnierten Fasern 7 werden über mehrere Walzen 41 und eine Abstreifeinheit 42 durch die mit der Flüssigkeit zur Imprägnierung gefüllte Wanne 40 geführt, so dass nach der Abstreifeinheit 42 die als Faser-Matrix-Auftrag 36 dienenden imprägnierten Faser-Rovings bzw. Fasern 7 bereitgestellt werden.
Die Wickeleinrichtung 25 umfasst eine Zuführeinheit 43 zum Aufbringen des Faser-Matrix-Auftrages 36, eine Klemmeinheit 44 zum Klemmen der Fasern 7 zu Beginn des Wickelvorgangs, eine Schneideinheit 45 zum Schneiden der Fasern 7 am Ende des Wickelvorgangs und eine Bestrahlungseinheit 46 zum Aushärten des Faser-Matrix-Auftrages 36 während des Wickelvorgangs. Die Zuführeinheit 43 ist als Ringwickelkopf ausgebildet, an dem umfangsseitig gleichmäßig verteilt mehrere Führungsbohrungen 47 angeordnet sind. Die Führungsbohrungen 47 durchbrechen den Ringwickelkopf 43 und dienen zur Führung der Fasern 7. Der Ringwickelkopf 43 ist an einer Halteplatte 48 befestigt, die als x-Schlitten der Wickeleinrichtung 25 dient und auf den x-Führungsschienen 24 verfahrbar ist. Der Ringwickelkopf 43 bildet zusammen mit der Halteplatte 48 eine Durchführungsöffnung 49 für den Wickelkern 34 aus. Die Bestrahlungseinheit 46 ist in den Ringwickelkopf 43 integriert. Hierzu sind eine Vielzahl von Strahlungsquellen 50, beispielsweise UV-Lampen, ringförmig in dem Ringwickelkopf 43 angeordnet. Die Strahlungsquellen 50 sind in zwei axial versetzten Reihen und über den Umfang des Ringwickelkopfes 43 gleichmäßig verteilt in diesem angeordnet.
Die Klemmeinheit 44 ist als Andruckzange ausgebildet und an der zweiten Drehspindel 31 befestigt. Die Andruckzange 44 weist eine erste Zangenhälfte 51 und eine damit verbundene zweite Zangenhälfte 52 auf. Die Zangenhälften 51 und 52 sind mittels eines Schließantriebs 53 um eine parallel zu der x-Richtung verlaufende Schließachse 54 gegeneinander verschwenkbar. Darüber hinaus ist die Andruckzange 44 mittels eines ersten y-Antriebs 55 in einer horizontalen und senkrecht zu der x-Richtung verlaufenden y-Richtung verfahrbar und zu dem Wickelkern 34 hin zustellbar. Der y-Antrieb 55 kann elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch ausgebildet sein. Die Zangenhälften 51 und 52 sind hakenförmig ausgebildet und weisen eine Hakenform derart auf, dass der Wickelkern 34 mittels der Andruckzange 44 beidseitig umgreifbar ist. An den Zangenhälften 51 und 52 ist jeweils ein Andruckband 56 bzw. 57 derart gelagert, dass dieses an der jeweiligen Zangenhälfte 51, 52 umlaufen kann. Hierzu weisen die Zangenhälften 51, 52 mehrere drehbar gelagerte Führungsrollen 58 auf. Jeweils eine der Führungsrollen 58 ist mittels einer Feder in einer Linearführung 59 verschiebbar gelagert und dient als Längenausgleich für die Andruckbänder 56 und 57 beim Umgreifen des Wickelkerns 34. 13 zeigt die Andruckzange 44 in einer geöffneten Stellung, wohingegen 17 diese in einer geschlossenen Stellung zeigt.
Die Schneideinheit 45 ist gleichzeitig als Faserfänger ausgebildet. Hierzu weist die Schneideinheit 45 eine Außenhülse 60 und eine Innenhülse 61 auf, die mittels eines Schneidantriebs 62 um die Drehachse 30 drehbar ineinander gelagert sind. Die Schneideinheit 45 ist an der zweiten Drehspindel 31 befestigt und mittels eines x-Antriebs 63 in der x-Richtung verlagerbar. Der x-Antrieb 63 kann elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch ausgebildet sein. Die Außenhülse 60 weist an einer der Andruckzange 44 zugewandten Seite axial verlaufende Längsausnehmungen 64 auf, die in ihrer Anzahl und Anordnung den Führungsbohrungen 47 für die Fasern 7 angepasst sind. Jeder der Längsausnehmungen 64 ist eine Schrägausnehmung 65 zugeordnet, die an der entsprechenden Seite in der Innenhülse 61 ausgebildet sind. Die Schrägausnehmungen 65 verlaufen schräg zu den zugehörigen Längsausnehmungen 64 und erweitern sich in Richtung der Andruckzange 44. In einem Teilbereich weisen die Schrägausnehmungen 65 jeweils eine Schneidkante 66 derart auf, dass durch Verdrehen der Außenhülse 60 und der Innenhülse 61 zueinander durch die Längs- und Schrägausnehmungen 64, 65 verlaufende Fasern 7 durchtrennbar sind. Hierzu wird die Innenhülse 61 relativ zu der Außenhülse 60 in der Drehrichtung 67 verdreht.
Zum Nachbearbeiten des Wellenteils 2 weist die Herstellungsanlage 22 eine Bearbeitungseinrichtung 68 auf, die an dem Untergestell 23 zwischen der ersten Drehspindel 27 und der Wickeleinrichtung 25 angeordnet ist. Die Bearbeitungseinrichtung 68 umfasst einen x-Schlitten 69, der mittels eines dritten x-Antriebsmotors 70 in der x-Richtung auf den x-Führungsschienen 24 verfahrbar ist. An dem x-Schlitten 69 ist ein Werkzeugrevolver 71 angeordnet, der mittels eines y-Antriebsmotors 72 in der y-Richtung zu dem Wellenteil 2 hin zustellbar ist. Der Werkzeugrevolver 71 umfasst einen Revolverantriebsmotor 73, mittels dem eine Revolverscheibe 74 mit Werkzeugen 75 drehbar ist.
Zum Handhaben der Anschlussteile 3 sowie der Wickelkerne 34 ist eine Handhabungseinrichtung 76 vorgesehen, die als Industrieroboter mit einem Greifer 77 ausgebildet ist. Die Handhabungseinrichtung 76 ermöglicht ein Verlagern der Anschlussteile 3 und Wickelkerne 34 in der x-, der y- und einer vertikalen z-Richtung. Die Handhabungseinrichtung 76 ist auf zweiten x-Führungsschienen 78 angeordnet und mittels eines vierten x-Antriebsmotors 79 in der x-Richtung verfahrbar.
Die Herstellungsanlage 22 weist weiterhin eine Steuereinrichtung 80 auf, mittels der die Herstellung der Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle 1 gesteuert wird. Die Steuereinrichtung 80 ist über Signalleitungen 81 mit den Antriebsmotoren 26, 29, 33, 35, 53, 70, 72, 73 und 79 sowie mit den Antrieben 55 und 64 verbunden. Die Steuereinrichtung 80 ist insbesondere derart ausgebildet, dass beim Aufbringen des Faser-Matrix-Auftrages 36 sich in Richtung der Mittellängsachse 5 bzw. der Drehachse 30 erstreckende Faserschlaufen 8 erzeugbar sind. Hierzu sind die Spindel-Antriebsmotoren 29, 33 und der x-Antriebsmotor 26 für die Wickeleinrichtung 25 entsprechend ansteuer- und verfahrbar.
Nachfolgend wird das Herstellungsverfahren der Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle 1 beschrieben. Mit der Handhabungseinrichtung 76 wird zunächst ein erstes Anschlussteil 3 gegriffen und zu der ersten Drehspindel 27 verfahren. Das Anschlussteil 3 wird in dieser aufgespannt. Anschließend wird ein zweites Anschlussteil 3 gegriffen und zu der zweiten Drehspindel 31 verfahren und dort aufgespannt. Die Anschlussteile 3 werden nun mittels eines Wickelkerns 34 miteinander verbunden. Hierzu greift die Handhabungseinrichtung 76 einen Wickelkern 34 und verfährt diesen zu dem in der ersten Drehspindel 27 gespannten Anschlussteil 3. Der Wickelkern 34 wird in das Anschlussteil 3 eingeführt und dort beispielsweise mittels einer Presspassung gehalten. Anschließend wird die Wickeleinrichtung 25 sowie die zweite Drehspindel 31 in Richtung der ersten Drehspindel 27 verfahren, so dass der Wickelkern 34 durch die Durchführungsöffnung 49 geführt und in das Anschlussteil 3 der zweiten Drehspindel 31 eingeführt wird. Der Wickelkern 34 wird in diesem Anschlussteil 3 beispielsweise durch eine Presspassung gehalten. Die Anschlussteile 3 und der Wickelkern 34 sind nun in der Herstellungsanlage 22 aufgespannt.
Der Faser-Matrix-Auftrag 36 wird von der Aufbereitungseinrichtung 37 bereitgestellt und über den Ringwickelkopf 43 zugeführt. Hierzu verlaufen die mit dem Matrixmaterial imprägnierten Fasern bzw. Faser-Rovings 7 in Richtung der Drehachse 30 durch die Führungsbohrungen 47. Die Fasern 7 werden nun mittels der Schneideinheit 45, die gleichzeitig als Faserfänger dient, gegriffen. Hierzu werden die Außenhülse 60 und die Innenhülse 61 gemeinsam in Richtung des Ringwickelkopfes 43 verlagert, so dass die Enden der Fasern 7 in die Längsausnehmungen 64 und die Schrägausnehmungen 65 eingeführt werden. Anschließend wird die Innenhülse 61 relativ zu der Außenhülse 60 in Drehrichtung 67 verdreht, wobei die Fasern 7 zwischen der Außenhülse 60 und der Innenhülse 61 geklemmt werden. Daraufhin werden die Außenhülse 60 und die Innenhülse 61 zurück in Richtung der zweiten Drehspindel 31 verfahren, so dass die Schneideinheit 45 und der Ringwickelkopf 43 in axialer Richtung voneinander beabstandet sind.
Die geöffnete Andruckzange 44 wird nun in Richtung des Wickelkerns 34 verfahren, wobei die Fasern 7 und der Wickelkern 34 durch die Andruckbänder 56, 57 umgriffen werden. Anschließend wird die Andruckzange 44 mittels des Schließantriebs 62 in die in 17 gezeigte geschlossene Stellung gebracht, wobei die Fasern 7 mittels der Andruckbänder 56, 57 an dem Wickelkern 34 geklemmt werden. Dies ist in 16 gezeigt.
Die Schneideinheit 45 löst die Klemmung der Fasern 7 und fahrt vollständig zurück in Richtung der zweiten Drehspindel 31. Durch Antreiben der Drehspindeln 27, 31 beginnt der Wickelvorgang, wobei die Enden der Fasern 7 zunächst durch diese selbst umwickelt werden, so dass die Fasern 7 an dem Wickelkern 34 gehalten werden. Durch die umlaufenden Andruckbänder 56, 57 werden die Fasern 7 während dieses Wickelvorgangs ständig gehalten. Wird die Andruckzange 44 nicht länger benötigt, so wird diese geöffnet und in der y-Richtung von dem Wickelkern 34 weg verfahren. Nun beginnt der eigentliche Wickelvorgang.
Der Wickelkern 34 und die Anschlussteile 3 werden – je nach der Ausbildung der Welle 1 – in mehreren Faserlagen 15, 16, 18 umwickelt, wobei insbesondere Faserschlaufen 8 ausgebildet werden, die an den Anlageflächen A der Lagerelemente 10 anliegen und so die drehfeste Verbindung zwischen dem Wellenteil 2 und den Anschlussteilen 3 herstellen. Durch den Ringwickelkopf 43 werden gleichzeitig eine Vielzahl von imprägnierten Fasern bzw. Faser-Rovings 7 auf den Wickelkern 34 aufgebracht. Während des Wickelvorgangs wird dieser Faser-Matrix-Auftrag 36 mittels der Bestrahlungseinheit 46 bestrahlt, so dass schon während des Wickelvorgangs ein An- bzw. Aushärten des Faser-Matrix-Auftrages 36 erfolgt.
Am Ende des Wickelvorgangs wird die Schneideinheit 45 in Richtung des Ringwickelkopfes 43 verfahren, bis die Fasern 7 wieder in die Längsausnehmungen 64 und die Schrägausnehmungen 65 eingeführt sind. Anschließend wird die Schneideinheit 45 etwas vom dem Ringwickelkopf 43 beabstandet. Die Innenhülse 61 wird relativ zu der Außenhülse 60 in der Drehrichtung 67 derart verdreht, dass die Schneidkanten 66 die Fasern 7 durchtrennen. Durch die Beabstandung vor dem Durchtrennen ist das sichere Greifen der Fasern 7 für die Ausführung eines nachfolgenden Wickelvorgangs gewährleistet.
Das ausgehärtete Wellenteil 2 wird mittels der Bearbeitungseinrichtung 68 – soweit erforderlich – nachbearbeitet, so dass beim Wickelvorgang erzeugte Unwuchten verringert werden. Hierzu wird das Wellenteil 2 mittels der Drehspindeln 27, 31 drehangetrieben. Das Werkzeug 75 der Bearbeitungseinrichtung 68 wird in y-Richtung zugestellt und das Wellenteil 2 nachbearbeitet. Bei der Nachbearbeitung kann es sich beispielsweise um einen Schleif-, Fräs- und/oder Drehvorgang handeln. Das Wickeln, Aushärten und Nachbearbeiten des Wellenteils 2 erfolgt somit in einer Aufspannung.
Nach Abschluss des Nachbearbeitens greift die Handhabungseinrichtung 76 das Wellenteil 2. Die Anschlussteile 3 werden nun durch die Spannfutter 28, 32 freigegeben. Die Wickeleinrichtung 25 und die zweite Drehspindel 31 werden von der ersten Drehspindel 27 weg verfahren, so dass das Welleteil 2 sich nicht länger durch die Durchführungsöffnung 49 erstreckt. Die von der Handhabungseinrichtung 76 gehaltene Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle 1 kann nun abgelegt werden, wobei sich der Wickelkern 34 noch in dieser befindet. In einem nachfolgenden Arbeitsschritt wird der Wickelkern 34 entfernt. Die konische Ausbildung des Wickelkerns 34 erleichtert das Entfernen.
Durch das Wickeln, Aushärten und Nachbearbeiten der Welle 1 in einer Aufspannung sowie durch die Ausbildung der Steuereinrichtung 80, die ein Wickeln der Faserschlaufen 8 um die entsprechenden Lagerelemente 10 ermöglicht, kann die Welle 1 auf einfache Weise und mit im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten Kraft- bzw. Drehmomentübertragungseigenschaften sowie einer deutlich verringerten Rotationsunwuchtigkeit hergestellt werden. Je nach Ausbildung der Steuereinrichtung 80 sowie der Anschlussteile 3 können beliebige der in den 1 bis 10 beschriebenen Metall-Faserverbundwerkstoff-Wellen 1 hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2946530 A1 [0002]
DE 3027432 A1 [0003]

Claims

Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle, umfassend – ein hohlzylinderförmiges und eine Mittellängsachse (5) aufweisendes Wellenteil (2) aus einem Faserverbundwerkstoff mit – einer Matrix (6) und – in der Matrix (6) eingebetteten Fasern (7), wobei die Fasern (7) an einem Wellenteilende (4) mehrere sich in Richtung der Mittellängsachse (5) erstreckende Faserschlaufen (8) bilden, – ein mit dem Wellenteil (2) verbundenes metallisches Anschlussteil (3; 3f) mit – einem hohlzylinderförmigen Grundkörper (9; 9c; 9d; 9e; 9f) und – mehreren umfangsseitig an dem Grundkörper (9; 9c; 9d; 9e; 9f) angeordneten und radial vorspringenden Lagerelementen (10; 10a; 10b) zur Lagerung der Faserschlaufen (8), dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein Teil der Lagerelemente (10; 10a; 10b) eine von einer Kreisform abweichende Umfangskontur (U) aufweist und entlang der Umfangskontur (U) verlaufende Anlageflächen (A) ausbildet, und – die Faserschlaufen (8) zur Kraftübertragung zwischen dem Wellenteil (2) und dem Anschlussteil (3; 3f) gegen die Anlageflächen (A) anliegen.
Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Anlageflächen (A) in Richtung des Wellenteils (2) eine parallel zu der Mittellängsachse (5) verlaufende Faserrichtung (F) definiert.
Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Anlageflächen (A) in Richtung des Wellenteils (2) eine quer zu der Mittellängsachse (5) verlaufende Faserrichtung (F) definiert.
Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Anlageflächen (A) in Richtung des Wellenteils (2) zwei unterschiedlich verlaufende Faserrichtungen (F) definiert.
Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserrichtungen (F) symmetrisch zu der Mittellängsachse (5) verlaufen.
Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Anlageflächen (A) einen im Wesentlichen ebenen Abschnitt (A₁, A₂) aufweist.
Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Lagerelemente (10) eine Umfangskontur (U) in Form eines Parallelogramms aufweist.
Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Lagerelemente (10a) eine Umfangskontur (U) in Form eines Tropfens aufweist.
Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Lagerelemente (10b) eine Umfangskontur (U) in Form einer Raute aufweist.
Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einem der Lagerelemente (10; 10a; 10b) die Anlagefläche (A) in einem dem Wellenteil (2) abgewandten Abschnitt (A₃) abgerundet ist.
Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (10; 10a; 10b) in mehreren Kaskadenstufen (13, 14, 17) angeordnet sind.
Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (10; 10a; 10b) in jeweils einer Kaskadenstufe (13, 14, 17) gleich ausgebildet sind.
Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (10; 10a; 10b) in unterschiedlichen Kaskadenstufen (13, 14, 17) unterschiedlich ausgebildet sind.
Herstellungsverfahren für eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines metallischen Anschlussteils (3; 3f) mit – einem hohlzylinderförmigen Grundkörper (9; 9d; 9e; 9f) und – mehreren umfangsseitig an dem Grundkörper (9; 9d; 9e; 9f) angeordneten und radial vorspringenden Lagerelementen (10; 10a; 10b), wobei zumindest ein Teil der Lagerelemente (10; 10a; 10b) eine von einer Kreisform abweichende Umfangskontur (U) aufweist und entlang der Umfangskontur (U) verlaufende Anlageflächen (A) ausbildet, – Aufspannen des Anschlussteils (3; 3f) und eines mit diesem verbundenen Wickelkerns (34), – Aufbringen eines Faser-Matrix-Auftrages (36) auf den Wickelkern (34) zur Bildung eines hohlzylinderförmigen Wellenteils (2), – wobei gegen die Anlageflächen (A) anliegende und sich in Richtung einer Mittellängsachse (5) des Wellenteils (2) erstreckende Faserschlaufen (8) ausgebildet werden, – wobei die Faserschlaufen (8) das Wellenteil (2) mit dem Anschlussteil (3; 3f) verbinden, – Aushärten des Faser-Matrix-Auftrages (36) zu einem Faserverbundwerkstoff, – Ausspannen des Anschlussteils (3; 3f) und des Wickelkerns (34), und – Entfernen des Wickelkerns (34).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten während des Aufbringens des Faser-Matrix-Auftrages (36) erfolgt, wobei das Aushärten durch ein Bestrahlen des Faser-Matrix-Auftrages (36) mit von einer Bestrahlungseinheit (46) emittierter Strahlung initiiert wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nachbearbeiten des ausgehärteten Wellenteils (2) vor dem Ausspannen erfolgt.
Herstellungsanlage für eine Metall-Faserverbundwerkstoff-Welle mit – einem Untergestell (23), – einer ersten Drehspindel (27) zum Spannen eines metallischen Anschlussteils (3), die – auf dem Untergestell (23) angeordnet ist und – um eine parallel zu einer x-Richtung verlaufende Drehachse (30) mittels eines ersten Spindel-Antriebsmotors (29) drehantreibbar ist, – einem auf dem Untergestell (23) angeordneten Gegenlager (31) zum Lagern eines mit dem Anschlussteil (3) verbundenen Wickelkerns (34), – einer Wickeleinrichtung (25), die – auf dem Untergestell (23) zwischen der Drehspindel (27) und dem Gegenlager (31) angeordnet ist, – in der horizontalen x-Richtung mittels eines ersten x-Antriebsmotors (26) verfahrbar ist, – eine Durchführungsöffnung (49) für den Wickelkern (34) aufweist, – eine Zuführeinheit (43) zum Aufbringen eines Faser-Matrix-Auftrages (36) auf den Wickelkern (34) aufweist und – eine Bestrahlungseinheit (46) zum Aushärten des Faser-Matrix-Auftrages (36) zu einem Wellenteil (2) aus einem Faserverbundwerkstoff aufweist, und – einer Steuereinrichtung (80), die derart ausgebildet ist, dass beim Aufbringen des Faser-Matrix-Auftrages (36) sich in Richtung einer Mittellängsachse (5) des Wellenteils (2) erstreckende Faserschlaufen (8) erzeugbar sind.
Herstellungsanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickeleinrichtung (25) eine Klemmeinheit (44) zum Klemmen von Fasern (7) des Faser-Matrix-Auftrages (36) an dem Wickelkern (34) aufweist.
Herstellungsanlage nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickeleinrichtung (25) eine Schneideinheit (45) zum Schneiden der Fasern (7) nach dem Aufbringen des Faser-Matrix-Auftrages (36) aufweist.
Herstellungsanlage nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenlager (31) als Drehspindel ausgebildet ist, die um die Drehachse (30) mittels eines zweiten Spindel-Antriebsmotors (33) drehantreibbar ist.
Herstellungsanlage nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenlager (31) in der x-Richtung mittels eines zweiten x-Antriebsmotors (35) verfahrbar ist.
Herstellungsanlage nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bearbeitungseinrichtung (68) zum Nachbearbeiten des Wellenteils (2) vorgesehen ist, die an dem Untergestell (23) angeordnet und mittels eines dritten x-Antriebsmotors (70) in der x-Richtung verfahrbar ist.
Herstellungsanlage nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Handhabungseinrichtung (76) zum Handhaben des Anschlussteils (3) und des Wickelkerns (34) vorgesehen ist.
Herstellungsanlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungseinrichtung (76) mittels eines vierten x-Antriebsmotors (79) in der x-Richtung verfahrbar ist.