DE2818167B2

DE2818167B2 - Welle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2818167B2
Application number: DE2818167A
Authority: DE
Inventors: Derek Reginald Smith; Gordon Peter Worgan
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1977-04-28
Filing date: 1978-04-26
Publication date: 1980-05-14
Also published as: JPS54139A; GB1599292A; SU820671A3; ES469208A1; SE7804851L; US4218895A; DE2818167C3; CA1120737A; JPS601489B2; IT7849111A0; ES472737A1; DE2818167A1; SE425929B; FR2389038A1

Description

einem Spindelstock 44 und einem Reitstock 46 für eine Querbewegung entlang dem Bett 42 angeordnet ist. Der Spindelstock 44 trägt ein Futter 48 und einen Motor für die Rotation des Futters 48; auf diese Weise kann ein Kern 50, der zwischen dem Futter 48 und dem Reitstock 46 getragen wird, gedreht werden.

Auf entgegengesetzten Seiten der Basis 40 ist ein Paar von Aufbauten 52 fest montiert, die auf einer Vielzahl von individuellen Haltern 54 einen Faservorrat enthalten, der auf den Kern gewickelt werden soll, wobei jedur Halter 54 einen Faden aus Fasern trägt. Es versteht sich, daß ein derartiger Faden aus einer Vielzahl von individuellen Fasern besteht. Von den Haltern 54 wird eine ausgewählte Anzahl von Fäden zugeführt, wie ir. Fig. 5 schematisch gezeigt wird, und zwar zu einem Wickelkopf 56, der den Kern 50 umgibt, wenn das Bett 42 entlang der Basis 40 bewegt wird, und der für das Aufwickeln der Fäden auf den kern 50 sorgt. Wenn die Fäden bei dem Futter 48 festgehalten werden, wobei sich das Beu 42 zunächst auf der rechten Seite seines Bewegungsbereiches befindet, und wenn der Kern 50 kreisförmig bewegt und zum rechten Ende seines Bewegungsbereiches geführt wird, wie sich aus der. gestrichelten Linien in Fig. 4 ergibt, so führt dies zu einem schraublinienförmigen Aufwinden der Fäden auf den Kern, und zwar in einem Muster, das abhängt von der Rotationsgeschwindigkeit des Kerns 50 und der Querbewegung des Bettes 42.

Der Wickelkopf 56 enthält auch eine Vorrichtung zum Auftragen eines härtbaren Harzes auf die Fäden. Die Imprägnierung mit dem Harz kann dabei unmittelbar vor oder auch nach dem Wickeln der Fäden erfolgen.

Um eine Welle herzustellen, wird ein Kern entsprechend dem gewünschten inneren Durchmesser der Welle in der Vorrichtung eingebracht und mit einem Trennmittel beschichtet. Die Fasern werden dann auf den Kern unte' Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung aufgetragen, wobei diese Fasern mit einem härtbaren Harzmaterial imprägniert werden, und zwar vor dem Aufwickeln auf den Kern. Eine typische Konstruktion der Welle besteht aus Schichten von Verstärkungsfasern, die sich schraublinienförmig ungefähr unter 90° um die Längsachse der Welle erstrecken, d. h. eine oder mehrere reifenartige Windungen; es erstrecken sich aber auch Verstärkungsfasern unter einem kleineren Winkel, z. B. unter 45° zur Achse. Es können sich auch Fasern parallel zu der Achse der Welle erstrecken. Ein Endteil oder beide Endteile der Welle, die so gebildet wird, können dicker sein als der Rest der Welle, was dadurch erreicht werden kann, daß am Endteil weitere Windungen auf den Kern aufgebracht werden, und zwar während oder nach der Bildung des Hauptteiles der Welle; es kann aber auch ein vorgeformter Ring aus Kompositmaterial auf den Kern gelegt werden, und zwar bevor die Verstärkungsfasern aufgewunden werden, wie oben beschrieben.

Wenn die Welle auf dem Kern gebildet worden ist, gegebenenfalls mit entsprechenden Verdickungen an einem oder an beiden Enden, wird der Kern und die Welle von der Vorrichtung entfernt und einer Behandlung unterzogen, z. B. dem Erhitzen, damit das Harz härtet, so daß eine starre Matrix bereitgestellt wird, in welcher die Verstärkungsfasern eingebettet sind. Die Welle wird dann von dem Kern entfernt, und die entgegengesetzten Paare von Löchern 16, die

in ein Ende oder in beide Enden der Welle gebohrt sind, können nun die Lagerbuchsen 18 aufnehmen, wie oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben ist.

Es wird dann das Joch 26 mit den Enden des einen Armes 24 des Kreuzzapfens 22 zusammengesetzt. Dieser Aufbau wird dann innerhalb des Endteiles 12 der Welle untergebrahct, so daß die Enden des anderen Armes 20 des Kreuzzapfens 22 mit den Löchern 16 ausgerichtet sind. Die Lagerbuchsen 18 werden dann in die Löcher 16 eingeführt, und zwar von außerhalb der Welle, so daß der Kreuzzapfen 22 drehbar in der Welle getragen wird. In dem unteren Teil der Fig. 1 wird eine Lagerbuchse bei 18a gezeigt, und zwar in ihrer Position, bevor sie in das Loch in der Welle eingeführt wird.

Die Lagerbuchsen, z.B. die mit der Bezugsziffer 18 bezeichneten, können auf verschiedene Art und Weise in der Welle befestigt werden. Beispielsweise können die äußeren Oberflächen an der Peripherie mit Nuten versehen werden, in denen Seeger-Ringe 30 untergebracht werden können, wobei derartige Seeger-Ringe gegen die Verstärkungselemente 32 drücken, die auf der radialen inneren Oberfläche der Welle befestigt werden, und zwar bevor die Löcher 16 durchgebohrt werden. Mit einem derartigen Verfahren des Zusammenpassens würden die Lagerbuchsen 18 und die Abmessungen der Löcher 16 so ausgewählt werden, daß die Lagerbuchsen 18 mit einem relativ strammen Preßdruck hineinpassen wurden. In einem alternativen Verfahren können die Lagerbuchsen auch klebend in den Löchern 16 befestigt werden. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, daß Klebstoff auf eine äußere Oberfläche oder auf beide äußere Oberflächen jeder Lagerbuchse 18 aufgebracht wird, und ebenso auf die innere Oberfläche jedes Loches 16, bevor die Lagerbuchsen 18 eingeführt werden. Bei diesem Verfahren ist die Verwendung von mechanischen Befestigungsvorrichtungen, z. B. Sicherungsringen oder dergleichen nicht nötig, wie aus Fig. 3 hervorgeht.

In Fig. 6 wird schematisch der Endteil der Welle gezeigt, bei dem das Verdicken dadurch erzielt worden ist, daß ein vorgeformter Ring aus Kompositmaterial auf den Kern gelegt worden ist, und zwar vor dem Aufwinden der Verstärkungsfasern, welche die Welle bilden. Der vorgeformte Ring ist bei 58 angedeutet und die darauf befindlichen Windungen bei 60. In einem derartigen Aufbau kann der Hauptteil der Welle eine Wanddicke im Bereich von V₁₅ bis zur Hälfte der Wanddicke des verdickten Endteiles aufweisen. Bei einem derartigen Aufbau ist die Verwendung von Verstärkungselementen 32 im Inneren der Welle zur Stützung der Lagerbuchsen nicht erforderlich, denn die Wanddicke im Endteil der Welle bietet einen genügenden Halt für die Lagerbuchsen.

In einem Beispiel einer Welle wurde ein Kern vom Durchmesser von 7,5 cm sukzessive folgendermaßen mit Verstärkungsfasern umwunden:

1. Ein einzelner Gang entlang der Länge des Kerns mit zehn Fäden einer Kohlefaser, und zwar unter einem Windungswinkel von im wesentlichen 90° zur Längsachse der Welle. Dadurch wurde eine vollständige Bedeckung des Kerns erzielt, und zwar entsprechend der Dicke der Fäden.

2. Sechs Gänge entlang der Länge des Kerns, und zwar 180 Fäden derselben Kohlefaser, und zwar untereinem Windungswinkel von 22'/, Grad zur Längsachse der Welle. Jeder dieser Gänge erzielt

ebenfalls eine vollständige Bedeckung des Kerns. Die Fäden jedes nachfolgenden Ganges kreuzen die Fäden des vorhergehenden Ganges unter einem Winkel von 45°.

3. Ein weiterer Gang, bestehend aus zehn Fäden der Kohlefaser, und zwar unter einem Windungswinkel von im wesentlichen 90°.
Diese Windungen bilden einen äußeren Durchmesser der Weile von ungefähr 7,87 cm. Ungefähr 15 cm jedes Endes der Welle wurden dann durch ungefähr 0,5 cm Wanddicke aufgebaut, und zwar durch Winden von Glasfaser um die Welle, und zwar um den Umfang der Welle.

Diese Glasfasern wurden während des Auftragens auf den Kern imprägniert, und zwar mit einem Epoxyharz und einer Mischung von Härtemitteln; diese bestand aus 100 Gewichtsteilen Harz und 27 Gewichtsteilen Härter. Die montierte Welle wurde dann 60 Minuten lang auf 180° C erhitzt, um das Gemisch aus dem Harz und dem Härtemittel zu härten und um die Fasern in die Matrix aus Harz einzubetten. Die verdickten Endteile der Wellen wurden durchbohrt, um Lochet vom Durchmesser von 2,5 cm zu bilden, und Lagerbuchsen wurden strammsitzend eingepaßt.

In einem weiteren Beispiel für die Herstellung einer Welle gemäß der Erfindung wurde ein Kern vom Durchmesser von 6,45 cm mit 6 Gängen umwunden, bestehend aus 180 Fäden einer Kohlefaser, und zwar

■"' unter einem Windungswinkel von 22V₂ Grad zur Längsachse der Welle. Die Fasern jeder Lage kreuzten die Fasern der vorherigen Lage unter einem Winkel von 45°. Darauf folgten zwei Gänge unter einem Windungswinkel von im wesentlichen 90°, bestehend

ι« aus 5 Fäden der Kohlefaser. Das Harz wurde verwendet und das Verfahren zur Härtung wurde so durchgeführt, wie im ersten Beispiel beschrieben. Die Windungen überlagern sich bis zu einem äußeren Durchmesser der Welle von ungefähr 6,65 cm. Die

i"> so hergestellte Welle wurde dann mit Löchern von 1,9 cm Durchmesser versehen, und ein Bolzen wurde in diese Löcher eingepaßt, um den Durchmesser der Welle zu erweitern. Die so erhaltene Anordnung widerstand einem Drehmoment von 271 Nm.

2« In einem weiteren Beispiel widerstand eine Welle von 15 cm innerem Durchmesser, 15,2 cm äußerem Durchmesser und einer Endteildicke von 2,5 cm einem Drehmoment von etwa 23 700 Nm, und zwar ohne daß ein Fehler auftrat.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Welle, die wenigstens an einem Ende mit einem Kreuzzapfen versehen ist, dessen einer Arm mit den Enden in diametral zueinander liegenden Lagerbuchsen der Welle drehbar gelagert ist, wobei der Hauptteil der Welle rohrförmig ausgebildet ist und aus faserverstärktem Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das die Lagerbuchsen (18) für den Kreuzzapfenarm (20) aufnehmende Endteil (12) als rohrförmige Verlängerung des Hauptteils (10) ausgebildet ist und einstückig mit diesem ebenfalls aus faserverstärktem Kunststoff besteht.

2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Endteil (12) der Welle (13) in radialer Richtung dicker ist üs ihr Hauptteil (10).

3 Welle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil (10) der Welle (14) in radialer Richtung eine Dicke zwischen V₁₅ und V₂ der Dicke des Endteils (12) aufweist.

4. Welle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil (10) der Welle (14) in radialer Richtung eine Dicke zwischen V₆ und V₄ der Dicke des Endteils (12) aufweist.

5. Welle nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Endteil einen vorgeformten Ring aus Kompositmaterial enthält.

6. Verfahren zur Herstellung einer Welle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Schichten aus Verstärkungsfasern auf einen Kern gewunden wird; daß die Fasern mit einem ungehärteten Harz imprägniert werden und das Harz zu einer starren Struktur ausgehärtet wird; daß die daraus resultierende röhrenförmige Welle von dem Kern entfernt wird; daß in der Nähe des einen Endes ein Paar von diametral zueinander liegenden Löchern gebildet wird; und daß in jedes Loch eine Lagerbuchse eingesetzt wird und danach oder gleichzeitig in jede Lagerbuchse die entgegengesetzten Enden eines Armes eingesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufwinden der Verstärkungsfasern auf den Kern ein Ring aus Kompositmaterial gelegt wird; daß zur Bildung des verdickten Endteils die Fasern den Ring überlappend aufgewunden werden; und daß nach dem Entfernen der Welle von dem Kern Löcher in die Welle und den Ring gebohrt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des verdickten Endteils auf den Kern am Endteil mehr Faserschichten aufgewunden werden als am Hauptteil.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mechanische Befestigungsmittel an jeder Lagerbuchse befestigt werden, die gegen die innere Oberfläche der NVeIIe drücken, um die Lagerbuchsen in ihre Position im Loch zu fixieren.

K). Verfahren nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Verstärkungselementc durch Kleben an der Welle befestigt werden und daß danach die Löcher gebohrt werden, die sich durch die Verstärkiingselemente erstrecken.

Die Erfindung betrifft eine Welle, die wenigstens an einem Ende mit einem Kreuzzapfen versehen ist, dessen einer Arm mit den Enden in diametral zueinander liegenden Lagerbuchsen der Welle drehbar ge-ϊ lagert ist, wobei der Hauptteil der Welle rohrförmig ausgebildet ist und aus faserverstärktem Kunststoff besteht, und ein Verfahren zur Herstellung ein^r derartigen Welle.

Eine derartige Welle ist aus der DE-Gebrauchsmu-Ki sterschrift 1923179 bekannt. In den rohrförmigen Hauptteil dieser Welle sind als Endteile in üblicher Weise aus Metall bestehende Kreuzgelenke eingesetzt, die dem allseitig gelenkigen Anschluß der Welle an dem treibenden und getriebenen Teil dienen.
r> Mit derartigen Wellen wird gegenüber ganz aus Metall bestehenden Wellen bereits eine Gewichtsersparnis erzielt. Diese Gewichtsersparnis wird jedoch in vielen Fällen als nicht ausreichend angesehen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Welle jo der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei ausreichender Stabilität ein noch geringeres Gewicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das die Lagerbuchsen für den Kreuzzapfenr > arm aufnehmende Endteil als rohrförmige Verlängerung des Hauptteils ausgebildet ist und einstückig mit diesem ebenfalls aus faserverstärktem Kunststoff besteht.

Ausführungsbeispieie der Erfindung sind in der «ι Zeichnung dargestellt und im folgenden beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch einen Teil der Welle im Stadium des Zusammenbaus,

Fig. 2 eine Querichnittsansicht entlang der Linie r» H-II der Fig. 1,

Fig. 3 eine Welle mit einem anderen Kreuzzapfen,

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Herstellung einer Welle,

Fig. 5 eine Ansicht des Endes der in Fig. 4 darge-Ki stellten Vorrichtung,

Fig. 6 eine weitere Ausgestaltung der Welle.

Fig. 1 zeigt ein Ende der Welle 14, welche einen rohrförmigen Teil 10 hat und einen verdickten Endteil 12. Ein Paar diametral ausgerichteter Löcher 16 ist r> in dem Endteil 12 vorgesehen; es nimmt ein Paar von Lagerbuchsen 18 auf, die z. B. Nadelrollenlager drehbar lagern oder die Enden eines Armes ?,0 des Kreuzzapfens 22. Der andere Arm 24 des Kreuzzapfens 22 ist, wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, kürzer als der -><i Arm 20, und seine Enden sind drehbar im Joch 26 gelagert, das an einem Ende einer Welle 28 getragen wird, die von der Welle 14 angetrieben werden soll.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausgestaltung sind die Arme 24, 20 des Kreuzzapfens 22 von V) unterschiedlicher Länge. Bei einer anderen Ausgestaltung, die in Fig. 3 gezeigt wird, sind längliche Lagerbuchsen 186 vorgesehen und die Arme 20e, 24a des Kreuzzapfens sind von gleicher Länge.

Die Welle wird dadurch hergestellt, daß Verstär-

hii kungsfasern auf einen Kern aufgebracht werden sowie ein härtbares synthetisches harzartiges Material, das die Verstärkungsfasern imprägniert, so daß eine starre Matrix gebildet wird, welche die Verstärkungsfasern enthält. Das synthetische harzartige Material, das ver-

hi wendet wird, ist vorzugsweise ein wärmehärtendes Harz, insbesondere ein Epoxyharz.

In den Fig. 4 und 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, die eine Basis 40 aufweist, auf der ein Bett 42 mit