TORQUE TRANSMITTING JOINT FOR TORSIONALLY RESILIENT TUBULAR ELEMENTS

Abstract: 1. Connection for transmitting torques, particularly in drive shafts, which comprises a connection flange (11) for the input or output of the torque and a connection tube (10), the connection flange and the connection tube overlapping one another axially, while the connection flange (11) overlaps the connection tube (10), which is made of a composite fibre material soft against shear, on the inside and/or outside diameter of the connection tube (10) and the connection between the connection tube (10) and the connection flange (11) is made by means of an adhesive connection and/or a rubber layer, characterised in that the connection between the tube (10) which is soft against shear and the connection flange (11) is made by means of a rubber and/or adhesive connection with a layer thickness variable in the axial direction, in such a manner that a constant shearing stress occurs over the entire length of the rubber or adhesive layer.

Description: Anschluss zur Übertragung von Drehmomenten in torsionsweiche Rohre Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Anschluss zur Übertra gung von Drehmomenten nach der Gattung des Hauptanspruchs. Antriebswellen dienen innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereichs zur Übertragung von Drehmomenten über eine vorgegebene Strecke. Um Schäden am gesamten Kraftübertragungssystem zu vermeiden, muss die maximal zulässige Drehzahl bei häufigem Wechsel deutlich unterhalb der kritischen'Drehzahl liegen. Diese steigt bei vorgegebenem Aussen- und Innendurchmesser der Welle mit abnehmender Länge und zunehmendem Quotienten aus Elastizitätsmodul des Materials in Achsrichtung und spezifischem Gewicht. Liegt bei vorgegebener Gesamtlänge einer herkömmlichen Stahl- oder Aluminiumwelle die kritische Drehzahl nicht 'ausreichen hoch, so lässt sie sich durch eine entsprechende Anzahl von Zwischenlagern erhöhen. Eine gewichtsgünstigere Lösung jedoch bietet der Einsatz von Rohrmaterialien mit einem höheren Verhältnis von Elastizitätsmodul in Achsrichtung und spezifischem Gewicht, wie z. B. Verbundwerkstoffe aus hochstelfen Fasern in einer Kunstharzmatrix. Rohre aus diesen Materialien sind jedoch in einigen Fällen im Vergleich zu Stahl oder Aluminium torsionsweich und besitzen einen niedrigen Elastizitätsmodul in Umgangsrichtung (z. B. EP-A 798 10084). Werde über geeignete Anschlussstücke hohe, jedoch für die Rohrdimensionen noch zulässige Drehmomente übertragen, so sind zur Vermeidung des Versagens an den Verbindungsstellen besondere Massnahmen zu treffen. So wurden bisher bei einer Verklebung zur Vermeidung von Spannungsspitzen im Kleber und bei der Drehmomentübertragung über Bolzen oder Schrauben zur Verringerung der Lochleibung im Rohr entweder der Durchmesser und/ oder die Wandstärke des Rohres erhöht. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Wandstärke über die Länge des Rohres variiert werden muss und somit ein kontinuierlicher Herstellungsprozess entfällt. Vortelle der Erfindung Der erfindungsgemässe Anschluss mit den kennzeichnenden Mermaalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass keine Vergrösserung des Durchmessers oder der Wandstärke an den Rohrenden benötigt wird, um hohe Drehiomente zu übertragen. Hierdurch wird die Verwendung fron kontinuierlich hergestellten, abgelängten Rohren, insbesondere aus Faserverbundwerkstoffen er möglizht. Unterschiedliche Wandstärken im Anschlussbe reiz brauchen demnach beim Herstellungsprozess nicht berzasichtigt werden. Die erfindungsgemässe Verbindung hat weiterhin durch leichte Bauweise eine Gewichtser sparnis zur Folge. Dur die in den Unteransprüchen aufgeführten Massnahmen ist eine vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung der im Hauptanspruch angegebenen Kupplung möglich. Besonders vorteilhaft ist die spezielle Ausgestaltung der Gummioder der Klebstoffschicht mit einer sich in axialer Richtung verändernden Dicke. Hierdurch werden auf vorteilhafte Weise Spannungsspitzen in Achsrichtung in der Klebstoff- oder Gummifuge vermieden, wodurch die Haltbarkeit erhöht wird. Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Anschlusses zur Drehmomenteinleitung mit gleichmässiger Schichtdicke des Klebers bzw. der Gummischicht sowie eine Darstellung der Schubspannungen in Achsrichtung, Fig. 2 eine Ausführungsform mit axial veränderlicher Schichtdicke des Klebers bzw. des Gummis. Beschreibung der Erfindung Bei der Gestaltung einer Krafteinleitung, insbesondere eine Drehmomenteinleitung in schubweichen Rohren z. B. aus faserverstärkten Kunststoffen (Faserverbundwerkstoffen) kommt als Verbindungstechnik zwischen Flansch und Rohr nur Kleben, Schrauben oder Nieten in Betracht. Bei diesen Rohren lässt sich durch Kombination von Faserlagen, die unter einem Winkel von etwa + 450 zur Rohrachse orientiert sind, und von annähernd achsparallelen Faserlagen die gewünschten Torsions- und Biegesteifigkeit bzw. Schub- und Biegefestigkeit in einem weiten Bereich variieren. Die höchste Biegesteifigkeit und damit die höchste kritische Drehzahl erhält man, wenn alle Faserlagen nur einen kleinen Winkel mit der Rohrachse einschliessen, wie z. B. im EP-A 798 10084 beschrieben ist. Während bei einer solchen Ausführung das torsionsweiche Rohr selbst als drehelatisches Glied wirkt, versucht man bei Stahl- oder Aluminiumwellen in einigen Fällen dieses elastische Verhalten durch Einleitung des Drehmoments über HAlsengummi- federn mit raltiv dicker Gummihülse (ca. 10 - 25 mm) zu erreichen. Wellen aus solchen leichten Faserverbundwerkstoffen (spez. Gewicht ca. 1,4 - 2,0 gier3) stellen im Vergleich zu Stahl- oder Aluminiumwellen eine Gewichtseinsparung dar, besonders, wenn durch ihren Einsatz zusätzlich Zwischenlager und/oder dickwandige Hülsengummifedern überflüssig werden. Sie sind daher vor allem im Fahrzeugbau von Interesse. Probleme bei torsionsweichen Wellen, die z. B. aus Faserverbundwerkstoffen bestehen können, liegen in der Verbindungstechnik mit starren Anschlussstücken zur Drehmomenteinleitung. Bisher wurde die Verbindung durch Einwickeln der Anschlussstücke bei der Rohrherstellung, durch Einbringen von metallischen Nieten oder Bolzen oder durch Einkleben mit konstanter Dicke der Klebefuge hergestellt. Kleben: Um elastisches Beulen des Rohres unter Torsionsbeanspruchung innerhalb der Einklebelänge und damit eine Schälbeanspruchung des Klebers zu vermeiden, ist es notwendig, dünnwandige Rohre innen und aussen im Einklebungsbereich zu fassen. Dies kann durch einen einbzw. aufgeklebten Metallring geschehen. Vorteilhaft ist jedoch auch eine Ausführung entsprechend Fig. 1, bei welcher das Drehmoment sowohl von innen als auch von aussen in das Rohr eingeleitet wird. Das schubweiche Kunststoffrohr 10 wird vom Flansch 11 am Innen- und Aussendurchmesser über eine bestimmte Länge L1 überlappt. In Fig. 1 ist unterhalb der dargestellten Anschluss Verbindung ein Diagramm aufgetragen, wobei in Y-Richtung die Schubspannungsverteilung r in der Klebefuge über die Einspannlänge des Rohres 10 (X-Richtung) für verschiedene Schichtdicken des Klebstoffs bzw. Gummis aufgetragen ist. übliche Kleber mit einem Schubmo 2 dul von 100 bis 1000 N/mm2 bewirken aufgrund ihrer zu hohen Schub steifigkeit das Auftreten von extremen Schubspannungsspitzen am rohrseitigen Ende der Einklebung (Kurve a in Fig. 1 = geringe Dicke der Klebeschicht). Die Spannungsspitzen verringern sich zwar mit zunehmender Dicke der Klebeschicht (Kurve b), jedoch nicht in dem Masse, wie es zur Einleitung grosser Drehmomente notwendig ist. Geeignet für die Kraftübertragung mit einer Ausgestaltung der Verbindung entsprechend Fig. 1 ist Gummi mit einem Schubmodul zwischen 0,5 und 25 N/mm2 (Kurve c). Mit Gummi als Zwischenschicht ergibt sich bei nicht zu kleiner Schichtdicke ein wesentlich gleichmässiger Verlauf der Schubspannung 7 über die Einspannlänge L. Die lurch Einkleben des schubweichen Rohres 10 in den starren Flansch 11 auftretenden Spannungsspitzen (Kurve a und b in Fig. 1) bewirken beim Erreichen der Bruchschubspannung des Klebers vom rohrseitigen Ende aus ein fortschreitendes Abschweren des Klebers und führen somit zur Zerstörung der Verbindung. Man kann jedoch einen Abbau der Spannungsspitzen durch Variation der Dicke der Klebefuge 12, 13 über die Einklebelänge L erreichen (siehe 14, 15 in Fig. 2). Unter der Voraussetzung eines linear-elastischen Verhaltens von Kleber und Rohr lässt sich mit der Bedingung einer konstanten Schubspannung im Kleber die näherungsweise Ausgestaltung der Fugendicke nach EMI6.1 ableiten, wobei die Klebefugendicke rohrseitig hin zunehmen muss. Hierbei bedeutet d(l) die Fugendicke an einer beliebigen Länge 1 der Überlappung, d(O) die frei wählbare Dicke der Klebefuge am flanschseitigen Ende der Überlappung, GK Schubmodul des Klebers, GR Schubmodul des Rohres, Jp polares Trägheitsmoment des Rohres, r Abstand der Klebeschicht von der Rohrmitte. Anstelle einer Parabelfunktion liesse sich jedoch auch eine geeignete Hyberbelfunktion verwenden. In Fig. 2 sind zwei Ausführungsbeispiele A und B mit verschiedenen Einspannlängen L2 und L3 für ein und dasselbe schubweiche Rohr 10 dargestellt, wobei die Klebefugedicke über die Einspannlänge nach Art einer Parabelfunktion in Achsrichtung variiert. Die Ausführung A in Fig. 2 gilt für den schubsteiferen, die Ausführung B für den schubweicheren Kleber. Bedingt durch die in beiden Fällen gleich angenommene minimale und maximale Dicke der Fuge resultiert bei gleichem Drehmoment im Fall A eine geringere Überlappungslänge L2 und somit eine höhere Schubspannung in der Fuge. Welcher der beiden Kleber (Ausführung A oder B) ein höheres Drehmoment überträgt, hängt näherungsweise von der Grösse des Produktes aus der jeweils zulässigen Schubspannung und der Überlappungslänge ab. Ein flacherer Anstieg der Parabel entsprechend der Ausführung B in Fig. 2 ergibt einen niedrigeren und gleichmässigen Schubspannungsverlauf, wie in Fig. 2 im Schubspannungsdiagramm dargestellt. Für einen flachen Parabelverlauf entsprechend Ausführung B in Fig. 2 ist ein Werkstoff mit einem kleinen Schubmodul notwendig. Hierfür eignet sich zur Drehmomentübertragung in der Fuge insbesondere Gummi mit einem Schubmodul zwischen 0,5 und 25 N/mm2. Die dadurch nur allmähliche Zunahme der Fugendicke in Achsrichtung (Ausführung B), welche zur Ausbildung einer konstanten Schubspannung notwendig ist, bedingt bei vergleichbarer minimaler und maximaler Schichtdicke eine derart grosse Überlappungslänge, dass die gegenüber den meisten Klebern geringere zulässige Schubspannung des Gummis trotzdem ausreicht und sogar überkompensiert wird. Bei nicht zu kleinen Dicken der Klebefuge kann bei Gummi auf eine rohrseitig hin zunehmende Dicke der Klebefuge verzichtet werden (S. Fig. 1), ohne dass die Ergebnisse zu schlecht werden. In Abhängigkeit von der Torsionssteifigkeit des Rohres fällt bei Verwendung einer Gummischicht von mehr als 0,3 - 3mm Dicke die Schubspannungsspitze nur gering aus (Kurve c in Fig. 1). Eine solche Gummischicht vergrössert bei schubweichen Rohren die Torsionselastizität nicht wesentlich. Demgegenüber wird beim bekannten Hülsengummifeder-Anschluss in Stahl- oder Aluminiumrohre eine wesentlich dickere Gummischicht (16 - 25 mm) eingesetzt, um die Torsionssteifigkeit der gesamten Anordnung gegenüber der Steifigkeit der reinen Metallrohre wesentlich zu verringern. Ein weiterer Nachteil hierbei stellt die mit zunehmender Gummischicht abnehmende kritische Drehzahl dar. Nieten und Schrauben: Zur Erhöhung der Festigkeit können Nieten, Bolzen 16 oder Schrauben in radialer Richtung angebracht werden, die die Torsionssteifigkeit der erfindungsgemässen Verbindung erhöhen. Dabei muss die Nachgiebigkeit der Bolzen usw. quer zur Achsrichtung der geringen Steifigkeit des torsionsweichen Verbundwerkstoffrohres in Umfangsrichtung angepasst sein, um eine Zerstörung des Rohres, ausgehend von den Lochrändern, zu vermeiden. Da gleichzeitig eine hohe Scherfestigkeit der Bolzen usw. notwendig ist, eignen sich für diesen Zweck erfindungsgemäss vorwiegend Faserver bundwerkstffe mit axialer Faserorientierung (GFK-Stifte). Hierbei ist keine endseitige Zunahme des Durchmessers oder der Wanddicke mehr erforderlich. Besonders vorteilhaft ist auch die Kombination des Einklebens oder Einvulkanisierens des torsionsweichen Rohres 10 in den Flansch 11 mit den zusätzlich in radialer Richtung angebrachten Bolzen, Nieten oder Schrauben aus Faserverbundwerkstoffen.

Claims: Ansprüche 1. Anschluss zur Übertragung von Drehmomenten, insbesondere bei Antriebswellen, mit einem Anschlussflansch zur Ein- oder Ableitung des Drehmoments und einem Anschlussrohr, die einander axial überlappen, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussflansch (11) ein Anschlussrohr (10) aus einem schubweichen Faserverbundwerkstoff am Innen- und/oder Aussendurchmesser des Anschlussrohrs (10) überlappt und dass die Verbindung zwischen Anschlussrohr (10) und Anschlussflansch (11) über eine Klebeverbindung und/oder eine Gummischicht erfolgt. 2. Anschluss nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen schubweichem Rohr (10) und Anschlussflansch (11) über eine Gummi- und/oder eine Klebeverbindung mit in Achsrichtung variabler Schichtdicke erfolgt. 3. Anschluss nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebe- bzw. Gummifuge nach folgender Funktion EMI11.1 Hierbei bedeutet: d(l) die Fugendicke an einer beliebigen Länge 1 der Überlappung, d(0) die frei wählbare Dicke der Klebefuge am flanschseitigen Ende der Überlappung, GK Schubmodul des Klebers, GR Schubmodul des Rohres, Jp polares Trägheitsmoment des Rohres, r Abstand der Klebeschicht von der Rohrmitte. 4. Anschluss insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen schubweichem Rohr (10) aus Faserverbundwerkstoff und Anschlussflansch (11) mittels Bolzen, Nieten oder dergleichen (16) verstärkt wird. 5. Anschluss nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Bolzen, Nieten oder dergleichen (16) aus Faserver bundwerkstoffen mit vorwiegend axialer Faserorientierung verwendet werden. s. Anschluss nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung mittels Kleber- oder Jummischichten und mittels der Verbindung über Bolzen (16) aus Faserverbundwerkstoffen erfolgt. 7. Anschluss nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gummischicht 'l2, 13, 14, 15) durch Einvulkanisieren hergestellt wird.

Inventors: AICHELE, WILFRIED, DR., DIPL.-CHEM., BAUR, PETER, DR., DIPL.-ING.
Applicants: ROBERT BOSCH GMBH
Application year: 1981
Main classification: F16C3
IPC codes: F16D1, F16D3, B29C65, F16C3