FIBRE-REINFORCED PLASTICS TUBULAR DRIVE SHAFT WITH ADHESIVELY SECURED END FITTINGS

Abstract: 1. A drive shaft, more particularly a universal-joint propeller shaft, having a tubular shaft part (1) made of fibre-reinforced plastics material, and adhesively secured end fittings (2) made of metal, each comprising an extension (4), which projects into the respective end region (3) of the shaft part (1) and which is adapted to adhesively secure the fitting (2), characterised in that the extension (4) is formed with axially parallel projections (6), and an annular end part (5) having recesses (7) on its inner surface (8) corresponding to the projections (6) of the extension (4) is arranged between the fitting extension (4) and the end region (3), which end part (5) is lodged securely in the fibre-reinforced plastics material of the shaft part (1), and to the inner surface (8) of which the respective fitting (2) with its extension (4) is adhered.

Description: Antriebswelle mit rohrförmigem Wellenstück aus faserverstärktem Kunststoff und endseitig festgeklebten Armaturen Die Erfindung betrifft eine Antriebswelle, insbesondere Gelenkwelle, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie findet beson ders Anwendung bei Gelenkwellen wie Kardanwellen oder dgl. für Motorfahrzeuge. Aus EP-OS OO 29 093 ist eine Antriebswelle mit rohrförmigem Hauptteil aus faserverstärktem Kunststoff und daran vorragend festgelegten Endstücken aus Netall bekannt, mit denen je ein Jochteil eines Kreuzgelenkes oder dgl., gegebenenfalls über ein Adapterteil, verschweisst ist. Neben einer besonderen Anordnung der Fasern der einzelnen Lagen des Wellenhauptteiles, ist jedes der Endstücke dieser Welle als rotationssymmetrisches Ringteil mit einem Hülsenfortsatz ausgebildet, welcher in dem betreffenden Endabschnitt des Hauptteiles verankert sowie von diesem fest umschlossen ist, so dass an jedem Ende des Hauptteiles der Welle allein der Ringteil jedes seiner metallenen E#ndstücke vorragt. Diese bekannte Welle kann einschliesslich der in ihren Endbereichen festgelegten Endstücke auf wirtschaftliche Weise auf einem daraus ausziehbaren und wiederholt verwendbaren Wickeldorn erstellt, und hiernach im Bereich der äusseren Randzone jedes ihrer metallenen Endstücke mit beliebig gestalteten bzw. bemessenen Anschlussteilen aus Metall, z.B. Jochteil eines Kreuzgelenkes, durch umfängliche Schweissung fest und dauerhaft verbunden werden. Dies bedingt zugleich aber auch den Nachteil, dass die Schweissverbindung der Anschlussteile mit besonderer Sorgfalt durchgeführt werden muss, um ein Verziehen der in den Endbereichen festgelegten Endstücke als Folge von unterschiedlichen Schweissspannungen zu vermeiden und die Zentrizität und den ruhigen Lauf der Welle zu gewährleisten. Dadurch erhöht sich aber der Fertigungsaufwand dieser Welle in erheblichem Masse. Andererseits ist aus US-PS 4 041 599 ein Verfahren zum genauen Zentrieren und sicheren Festkleben des stangenförmigen Fortsatzes einer Armatur, z.B. Teil eines Kreuzgelenkes, aus Metall unmittelbar im Endbereich eines Wellenstückes aus faserverstärktem Kunststoff bekannt geworden. Dieses besteht im wesentlichen darin, dass auf den Fortsatz der zentriert festzuklebenden Armatur vor deren Einführung in das Wellenende zwei elastische Dichtringe im Abstand voneinander aufgebracht werden, so dass beim Einführen des so bestückten Armaturenfortsatzes ein flüssig einzubringendes, härtbares Klebemittel auf Eroxiharz-Basis von einer das Wellenende umgebenden trichtenförmigen Füllanordnung in den so gebildeten Ringspalt zwischen der Aussenfläche des Armaturenfortsatzes und der Innenfläche des vorgefertigten Hohiwellenstückes eingesaugt, wobei der Spaltraum durch die elastischen Ringe zu beiden Seiten umfänglich abgedichtet wird. Diese elastischen Dichtringe halten zugleich die Armatur während der nachfolgenden Härtung des Klebemittels in der konzentrischen Lage im Inneren des betreffenden Wellenstückendbereiches aus dem faserverstärkten Kunststoff. Bei einer so angefertigten Welle, die ebenfalls die Vorteile eines geringen Gewichtes und grosser Steifigkeit und mechanischer Festigkeit ihres rohrförmigen Wellenstückes aus faserverstärktem Kunststoff aufweist, erübrigt sich auch das Anschweissen der Armaturen, so da durch unterschiedliche Schweissspannungen hervorgerufene Unregelmässigkeiten ausgeschlossen sind. Diese Welle besitzt jedoch nur relativ geringe mechanische Festigkeit, insbesondere Dauerwechselfestigkeit, in ihren Endbereichen und ist daher für die Übertragung grosser Drehmomente besonders bei variabler Belastung, wie dies z.B. bei Fahrzeugantrieben unvermeidbar ist, völlig ungeeignet. Die Anwendung dieses bekannten Klebeverfahrens ist überdies für eine wirtschaftliche Fertigung der Welle zu arbeitsaufwendig. Andere unmittelbare Endteilklebungen scheiterten bisher an den Schwierigkeiten der gleichmässigen Verteilung des Klebstoffes bei dünnem Auftrag desselben sowie an der mangelnden Konzentrizität der so festgeklebten Endteile mit dem vorgefertigten Wellenstück. Das unmittelbare Festwickeln von mit der Armatur endstückig vorgefertigten ringförmigen Endstücken aus Metall bei der Herstellung des Wellenhauptteiles aus faserverstärktem Kunststoff erhöht hingegen den Fertigungsaufwand, wegen der Notwendigkeit des Einsatzes sogenannter "verlorener'1 Dorne beim Wickeln. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle dieser Art mit in ihren Endbereichen genau zentrisch festgeklebten Armaturen zu schaffen, die zur Übertragung grosser Drehmomente bei weohselnder Belastung geeignet und mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbar ist. Diese Aufgabe wird durch die mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind mit den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben, von welchen der Anspruch 2 eine bevorzugte Ausbildung des Endstückes und dessen Einbindung in den Hauptwellenendbereich betrifft, und die Ansprüche 3 und 4 Ausführungsvarianten des Armaturenfortsatzes betreffen. Die Ansprüche 5 und 6 bzw. 7 beziehen sich auf für die Klebeschicht bzw. die Endstücke bevorzugte Werkstoffe. Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt in der Schaffung einer mit geringem Aufwand herzustellenden und mit den Armaturen fest und dauerhaft verbundenen Antriebswelle aus faserverstärktem Kunststoff, die über ihre gesamte Länge einschliesslich der Übergänge zu den aus Metall bestehenden Armaturen die für Übertragung grosser Kräfte und Drehmomente notwendige mechanische Festigkeit aufweist. Weitere Vorteile liegen in der genau zentrierten Befestigung ihrer Armaturen in den Endbereichen des rohrförmigen Wellenstückes durch einfache Klebung, welche dennoch den ruhigen Lauf der Welle und deren grosse mechanische Festigkeit auch in den Übergangsbereichen gewährleistet, sowie in der Vermeidung der Nachteile, welche sich aus der Schweissverbindung der Armaturen ergeben, bei gleichzeitiger Beibehaltung des Vorteiles einer nachträglichen Zurüstung der Welle für bestimmte Verwendungen aus den in grossen Stückzahlen vorgefertigten Teilen derselben. Wesentlich ist hierzu, dass der Fortsatz jeder der in den Wellenendbereichen festgeklebten Armaturen mit achsparallelen Vorsprüngen ausgebildet, und zwischen dem Armaturenfortsatz und dem Endbereich ein ringförmiges Endstück mit den Vorsprüngen des Fortsatzes entsprechenden Vertiefungen seiner Innenfläche angeordnet ist, das in dem faserverst rkten Kunststoff des Wellenstückes fest verhaftet, und an dessen Innenfläche die betreffende Armatur mit ihrem Fortsatz geklebt ist. Dadurch ergibt sich nämlich die zwangslaufige Drehmomentenübertragung von dem Wellenstück aus faserverstärktem Kunststoff über die darin fest eingebundenen Endstücke und deren Vertiefungen auf die Vorsprünge des Fortsatzes jeder Armatur, ohne nennenswerte Beanspruchung der die Endstücke mit den Armaturfortsätzen fest verbindenden Klebung und bei formschlüssig festgelegter, genau zentrischer Lage der Endstücke in den an den beiden Wellenendbereichen genau zentrisch fest verhafteten Endstücken. Diese werden in grossen Stückzahlen vorgefertigt, vor dem Wickelvorgang im jeweils erforderlichen Abstand auf einen Wickeldorn geschoben und so festgewickelt, dass sie nach dem Härten der Welle und Abziehen derselben vom Dorn praktisch einstückige Teile derselben bilden. In diese werden schliesslich je nach Bedarf die Armaturen mit ihren zuvor mit dem Klebemittel beschichteten Fortsatz eingeführt und darin festgeklebt. Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 teilweise im Län-gsschnitt den Endbereich einer Antriebs welle mit festgeklebter Armatur, Fig. 2 ähnlich wie in Fig. 1 eine andere Ausführungsform der Antriebswelle, Fig. 3 einen Querschnitt nach A-B durch die Antriebswelle der Fig. 1-und Fig. 4 in Stirnansicht den Endbereich einer anderen Aus führungsform der Antriebswelle, ohne Armatur. Wie insbesondere aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, weist die gezeigte Antriebswelle in allen Ausführungsformen derselben ein rohrförmiges Wellenstück 1 aus faserverstärktem Kunststoff auf, in dessen Endbereichen 3 je ein ringförmiges Endstück 4, z.B. aus einem Metall wie Stahl oder Aluminium dauerhaft festgelegt, indem es vor dem Härten in die Paserwicklungen des Wellenstückes 1 bei dessen Fertigung in Wickeltechnik eingebunden und darin fest verhaftet ist. Bei der in Fig. 2 gezeig ten Ausführungsform der Welle ist das bzw. jedes Endstück 5 in den betreffenden Endbereich des Wellenstückes 1 kraft- und formschlüssig eingebunden und hierzu an seiner Aussenfläche 9 mit wenigstens einem umfänglichen Wulst 10 ausgebildet Dies bringt den Vorteil einer besonders starken und sicheren Befestigung der Endstücke 4 in den Wellenendbereichen 3 mit sich, welche auch hohen Zugbeanspruchungen zu widerstehen vermag. Bei allen Ausführungsformen der Welle ist in jedem Endbereich 3 derselben, nämlich in den dort festgelegten Endstücken 4 eine mit einem Fortsatz 4 einstückige Armatur 2 aus Metall mittels je einer zwischen der Aussenfläche 12 jedes Fortsatzes 4 und der Innenfläche 8 jedes Endstückes 5 angeordneten dünnen Klebeschicht 11, beispielsweise aus einem Kunstharz auf Epoxidbasis festgeklebt. Die so an der Welle endseitig festgeklebten Armaturen können in beliebiger Weise z.B. als Teil eines Kreuzgelenkes, Kupplungs- oder Flanschteil oder auch als profilierter Wellenstummel ausgebildet sein. Wesentlich für die dauerhafte Drehfestigkeit sowie die Biegewechselfestigkeit der Welle an ihren Klebverbindungen mit den endseitig angeschlossenen Armaturen 2 ist die Ausbildung des zylindrischen oder im wesentlichen polygonen sowie vorzugsweise auch gegen das freie Ende leicht konisch verjüngten Fortsatzes 4 jeder Armatur 2 mit achsparallelen Vorsprungen 6, entsprechend der in gleicher Weise gestalteten sowie mit desgleichen in der Achsrichtung verlaufenden Vertiefungen 7 ausgebildeten Innenfläche 8 jedes der Endstücke 5. Diese achsparallelen Vorsprünge 6 bzw. Vertiefungen 7, welche an jedem Fortsatz 4 bzw. Wellenstück 5 vorzugsweise einwärts, d.h. gegen das Innere des sie umfassenden Wellenstückes 1 aus faserverstärktem Kunststoff, verjüngt ausgebildet sind, bewirken beim Einsetzen des mit dem Klebemittel beschichteten Armaturenfortsatzes 4 in das Innere des betreffenden Wellenendstückes 5 eine genaue konzentrische Führung und zentrische Lage der betreffenden Armatur 2 auch während der nachfolgenden Härtung des iclebemittels, und zugleich dessen gleichmässige Verteilung an der Innenfläche 8 jedes Endstückes 5. Darüber hinaus entlasten diese vorzugsweise als profilierte Rippen bzw. Nuten ausgebildeten Vorsprünge 6 und Vertiefungen 7 beim Einsatz der Welle für die Kraftübertragung, z.B. vom Motor auf das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges, zufolge ihres Formschlusses die an sich nur kraftschlüssigen Klebeverbindungen mittels der dünnen Klebeschicht 11 von den sich häufig ändernden Scherbeanspruchungen. Dadurch können mit dieser Welle langzeitig auch sehr grosse Drehmomente problemlos übertragen werden, wobei die Festigkeit der Klebeschichten 11 im wesentlichen nur durch in der Achsrichtung der Welle wirk Same Kräfte beansprucht wird. Wie zuvor erwähnt, können der Fortsatz zumindest einer Armatur 2 sowie der Bohrungsquerschnitt des betreffenden Wellenendstückes in der gleichen Weise polygon, z.B. oktagonal, und/oder konisch gestaltet sein, mit dem Vorteil einer vereinfachten Fertigung bzw. Zentrierung dieser Teile sowie einer noch besseren Verteilung des alle Spalträume zwischen der Innenfläche 8 jedes Endstückes 5 und der Aussenfläche 12 jedes Armaturenfortsatzes 4 ausfüllenden Klebemittels, in welche dieses bei einwärts verjüngter konischer Ausbildung derselben hineingedrückt wird. Für eine wirtschaftliche Fertigung dieser Welle ist es besonders vorteilhaft, wenn jedes Endstück 5 aus einem giess- oder spritzbaren Kunststoff besteht, so dass es mit geringem Arbeitsaufwand in grossen Stückzahlen vorgefertigt, und in der voräus- gehend beschriebenen Weise auf einen Wickeldorn in das Wellenstück 1 beiderends eingebunden werden kann, wobei ihm durch den es umschliessenden Endbereich 3 zusätzliche mechanische Festigkeit verliehen wird. Für die Hersellung dieser Endstücke 5 eignen sich verschiedene duroplastische oder thermoplastische Kunststoffe bzw. -gemische, beispielsweise Propylenpolymere bzw. -copolymere, die nach ihrer Ausformung bzw. Härtung ausreichende Formstabilität und mechanische Festigkeit besitzen. Die beschriebene Wolle lässt sich auf besonders wirtschaftliche Weise herstellen und weist in hervorragendem Masse alle gewünschten Eigenschaften auf, so dass sie für den langzeitigen Betrieb zur Übertragung grosser Kräfte gut geeignet ist.

Claims: Ansprüche: 1. Antriebswelle, insbesondere Gelenkwelle, mit einem rohrför migen Wellenstück (1) aus faserverstärktem Kunststoff und endseitig festgeklebten Armaturen (2) aus Metall, deren jede einen in den betreffenden Endbereich (3) des Wellen stückes (1) ragenden, zum Festkleben der Armatur (2) einge richteten, Fortsatz (4) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Fortsatz (4) mit achs parallelen Vorsprüngen (6) ausgebildet, und zwischen dem Armaturenfortsatz (4) und dem Endbereich (3) ein ringför miges Endstück (5) mit den Vorsprüngen (6) des Fortsatzes (4) entsprechenden Vertiefungen (7) seiner Innenfläche (8) angeordnet ist, das in dem faserverstärkten Kunststoff des Wellenstückes (1) fest verhaftet, und an dessen Innenfläche (8) die betreffende Armatur (2) mit ihrem Fortsatz (4) ge klebt ist. 2. Antriebswelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jedes Endstück (5) in den betreffen den Endbereich (3) des Wellenstückes (1) kraft- und form schlüssig eingebunden und hierzu an seiner Aussenfläche (9) mit wenigstens einem umfänglichen Wulst (10) ausgebildet ist. 3. Antriebswelle nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Fortsatz (4) zumin dest einer Armatur (2) und der Bohrungsquerschnitt des betreffenden Wellenendstückes (5) in gleicher Weise polygon, beispielsweise oktagonal gestaltet sind. 4. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vor sprünge (6) jedes Fortsatzes (4) und/oder die Vertiefungen jedes Wellenendstückes (5) einwärts verjüngt ausgebildet sind. 5. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen der Aussenfläche (12) jedes Fortsatzes (4) und der Innen fläche (8) jedes Endstückes (5) eine beispielsweise aus einem Kunstharz auf Epoxidbasis bestehende, dünne Klebe schicht (11) angeordnet ist. 6. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jedes Endstück (5) aus einem Metall, z.B. Stahl oder Aluminium, besteht. 7. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i ch n e t, dass jedes Endstück (5) aus einem giess- oder spritzbaren Kunststoff besteht.

Inventors: BAUSCH, JOACHIM, DR.-ING., FEDERMANN, HELMUT, DR.
Applicants: FELTEN & GUILLEAUME ENERGIETECHNIK GMBH
Application year: 1982
Main classification: F16C3
IPC codes: F16D1, F16C3