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Kardangelenk-Wellenkupplungen entbehrlich machende
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zusammengesetzte Fahrzeug-Antriebswelle Die vorliegende Erfindung
betrifft Fahrzeug-Antriebswellen und insbesondere solche Antriebswellen, deren Enden
durch starre Wellenkupplungen mit Komponenten der Antriebs strecke verbunden sind.
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Bei den derzeitigen Anstrengungen, die Kraftstoff-Ausnutzung von Fahrzeugen
auf den höchstmöglichen Wert zu steigern, wird beträchtlicher Nachdruck auf eine
Verminderung des Fahrzeug-Gewichts gelegt. Ein Ziel dieser Bemühungen um eine Gewichtsverminderung
sind die Kardangelenk-Wellenkupplungen aus Stahl, die traditionell zur Verbindung
der Enden der Antriebswelle mit ihren zugehörigen Komponenten der Kraftübertragungsstrecke
verwendet werden. Beispielsweise ist bei einem Fahrzeug mit vorn liegendem Motor
und Getriebe und einem Hinterachsantrieb das vordere Ende der Antriebswelle mittels
eines Kardangelenks mit der Kraftabgabewelle des vorderen Getriebes verbunden, während
das hintere Ende der Antriebswelle mittels eines Kardangelenks mit der Kraftaufnahmewelle
des Hinterachs- oder Differentialgetriebes verbunden ist.
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Kardangelenke werden verwendet, um eine schlechte Ausrichtung, z.B.
eine seitliche Versetzung oder eine nicht-geradlinige Fluchtung, auszugleichen,
die bei den durch die Antriebswelle verbundenen Komponenten der Antriebsstrecke
auftreten kann. Sogar in den Fällen, in denen diese Komponenten, z.B. das vordere
Getriebe oder das Differential, auf relativ unbewegliche Teile des Fahrzeugrahmens
montiert sind, kann während der Montage des Fahrzeugs eine gewisse Fehlausrichtung
vorkommen.
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Es wäre erwünscht, das Fahrzeuggewicht dadurch zu erniedrigen, daß
die Notwendigkeit von Kardangelenken in der Fahr-
zeug-Antriebsstrecke
beseitigt und das Gewicht der Antriebswelle selbst auf das mindestmögliche Maß herabgesetzt
wird.
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In mindestens einem Fahrzeug, z.B. in dem Modell 1979 des Porsche
928, werden keine Kardangelenke verwendet. In diesem Fahrzeug sind der Motor, der
im Fahrzeugvorderteil angeordnet ist, und ein Getriebe, das im rückwärtigen Teil
des Fahrzeugs eingebaut ist, nicht nur durch die Antriebswelle sondern auch durch
ein starres äußeres Rohr verbunden, das als Gehäuse für die Antriebswellen-Baugruppe
dient. Das äußere Rohr verhindert das Auftreten nennenswerter Versetzungen zwischen
Motor und Getriebe und macht damit Kardangelenke in der Antriebswelle entbehrlich.
Es wäre jedoch erwünscht, wenn man auch auf den Einbau eines solchen starren äußeren
Rohres verzichten könnte.
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Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung dieser Probleme durch
den Einsatz einer mit Kohlenstoffasern verstärkten Welle als Antriebswelle. ellen
von derartiger allgemeiner Beschaffenheit wurden bereits vorher zur Übertragung
von Torsionskräften vorgeschlagen, wie aus den US-PSen 4 089 190 und 4 171 626 hervorgeht.
Die vorliegende Erfindung zielt auf eine solche Welle ab, die die geräuschbezogenen
Probleme auf das mindestmögliche Maß reduziert oder vollständig löst und Kardangelenke
entbehrlich macht.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, das Gewicht von
Fahrzeugen zu verringern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Kardangelenke
an den Enden einer Fahrzeug-Antriebswelle entbehrlich zu machen. Hierzu sollte eine
leichte, geräuscharme Antriebswelle verfügbar gemacht werden, die ohne Kardangelenke
auskommt. Diese leichte Antriebswelle sollte aufgrund ihrer Beschaffenheit in der
Lage sein, eine seitliche Versetzung und nichtgeradlinige Fluchtung einer Fahrzeug-Antriebswelle
ohne
die Verwendung von Kardangelenken auszugleichen. Schließlich
sollte eine mit Kohlenstoff- und Glasfasern verstärkte Antriebswelle aus einem Harzgrundmaterial
verfügbar gemacht werden, die zwischen den Komponenten einer Antriebsstrecke ein
Drehmoment überträgt, ohne daß dazu Kardangelenke benötigt werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine
umlaufende Antriebswelle zur Verwendung in einem Fahrzeug, das bauartbedingt eine
Antriebsmaschine, ein Getriebe und eine Antriebsstrecke enthält, die die Antriebsmaschine
und das Getriebe zum Zwecke der Übertragung eines Drehmoments zwischen beiden miteinander
verbindet.
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Die Antriebsstrecke enthält eine Antriebswelle, deren erstes Ende
starr mit einer Antriebskomponente der Antriebsstrecke verbunden ist und deren zweites
Ende starr mit einer angetriebenen Komponente der Antriebs strecke verbunden ist.
Die Antriebswelle besteht aus einer mit Kohlenstoffasern verstärkten rohrförmigen
Antriebswelle, die eine Vielzahl von aneinander haftenden Schichten aus faserförmigem
Verstärkungsmaterial, das in eine Harzyrundmasse eingebettet ist, enthält. Diese
Schichten enthalten mindestens eine Schicht aus Kohlenstoffasern hoher Festigkeit,
die in einem Winkel von + 400 bis + 50° relativ zu der Längsachse der Welle angeordnet
sind. Die Gesamt-Dicke dieser Wicklung aus hochfesten Kohlenstoffasern liegt im
Bereich von 0,51 bis 6,35 mm (0,020 bis 0,250 in).
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Mindestens eine Schicht aus Glasfasern wird in einem Winkel von 0°
bis + 150 relativ zu der Längsachse der Welle angeordnet, wobei die Gesamt-Dicke
einer solchen Schicht aus Glasfasern Von 0,25 bis 2,54 mm (0,010 bis 0,100 in) beträgt.
Mindestens eine Schicht aus Glasfasern wird in einem Winkel von + 750 bis 90° relativ
zu der Längsachse der Welle angeordnet, wobei die Dicke dieser Schicht aus Glasfasern
0,13 bis 1,27 mm (0,005 bis 0,050 in) beträgt.
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Gegebenenfalls können die Schichten unter Bercksichtigung der Erfordernisse
hinsichtlich der Befestigungen an den Enden der Antriebswelle noch ein oder mehrere
Paare von Endstück-Wicklungen aus hochfesten Kohlenstoffasern enthalten, die an
den Enden der Welle und in einem Winkel von + 750 bis 90" relativ zur Längsachse
der Welle angeordnet sind.
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Ebenfalls unter Berücksichtigung der Erfordernisse hinsichtlich der
Befestigungen an den Enden der Antriebswelle können wahlweise die Schichten noch
ein oder mehrere Paare von Endstück-Wicklungen aus hochfesten Kohlenstoffasern enthalten,
die an den Enden der Welle und in einem Winkel von + 40° bis + 70" relativ zu der
Längsachse der Welle angeordnet sind.
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Die Erfindung wird im Hinblick auf weitere Vorteile und Merkmale durch
die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen näher
erläutert.
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Antriebswelle gemäß der vorliegenden
Erfindung; Fig. 2 ist eine längsgeschnittene Teilansicht der Antriebswelle, und
Fig. 3 ist eine Seitenansicht, die zeigt, wie die Antriebswelle in einem Fahrzeug
eingebaut ist.
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Fig. 3 stellt ein Fahrzeug 10 dar, das einen Rahmen 12, eine Antriebsmaschine
14, ein mit der Antriebsmaschine verbundenes, vorn liegendes Getriebe 16 und ein
im Heck befindliches Getriebe oder Differential 18 enthält, das mit einem angetriebenen
Hinterrad 20 verbunden ist. Das vordere und das rückwärtige Getriebe 16 und 18 sind
auf relativ unbewegliche Teile des Rahmens montiert, so daß sie im wesentlichen
in fixierter Lage zu einander bleiben.
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Zu dem vorderen Getriebe 16 gehört eine kraftabgebende Welle 22, und
zu dem Differential gehört eine kraftaufnehmende Welle 24. Starr mit der Kraftabgabewelle
22 des vorderen Getriebes verbunden ist das vordere Ende einer Antriebswelle 26,
die gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde. Das rückwärtige Ende der Antriebswelle
26 ist starr mit der Kraftaufnahmewelle 24 des Differentials 18 verbunden. Die starre
Verbindung der Antriebswelle 26 mit der Kraftabgabewelle 22 des Frontgetriebes und
der Kraftaufnahmewelle 24 des Differentialgetriebes wird statt der traditionellen
Kardangelenke aus Stahl verwendet, wodurch das Gewicht des Fahrzeugs verringert
wird.
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Diese starre Verbindung kann durch jede geeignete Vorrichtung am vorderen
und rückwärtigen Ende der Antriebswelle bewirkt werden, wie Kerbverzahnung der Wellen
und/oder Flanschverbindungen. In der bevorzugten Ausführungsform werden eine innen-kerbverzahnte
Welle 28 bzw. ein Flansch 30 als an dem vorderen bzw. rückwärtigen Ende der Antriebswelle
angebracht offenbart. Die Kraftabgabewelle 22 des Frontgetriebes enthält eine Welle
mit Außennut, in die die Verzahnung der Welle 28 am vorderen Ende der Antriebswelle
eingreift, wodurch eine Verbindung hergestellt wird, die in bezug auf Biegebelastungen
und Versetzungen starr ist, jedoch eine gewisse relative Vorwärts- und Rückwärtsbewegung
zuläßt und sich dadurch geringen Änderungen der Länge der Antriebsstrecke anpaßt.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß der hierin verwendete Begriff
"starr" eine Verbindung einbezieht, die eine gewisse relative Vorwärts- und Rückwärts-Bewegung
erlaubt. Die Kraftaufnahmewelle 24 des Differentialgetriebes trägt in diesem Falle
einen Flansch, der starr mit dem entsprechenden Flansch 30 am Heckende der Antriebswelle
verbunden wird. Die kerbverzahnten Wellen und Flansche können aus jedem hierfür
geeigneten haltbaren Material, wie Stahl oder Aluminium, gefertigt werden.
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Die Antriebswelle besteht aus einer mit Kohlenstoffasern verstärkten,
zusammengesetzten röhrenförmigen Antriebswelle oder Verbundhohlwelle, die eine Vielzahl
von aneinander haftenden Schichten aus einem faserförmigen Verstärkungsmaterial
eingebettet in eine Harzgrundmasse enthält.
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Die Anordnung der Fasern innerhalb dieser Welle ist eine solche, daß
sie die erforderliche Torsionsfestigkeit (Verdrehsteifigkeit) ebenso gewährleistet
wie eine genügend niedrige Biegesteifigkeit, so daß auf Kardangelenke verzichtet
werden kann, ohne daß dadurch von Fluchtungsfehlern zwischen den Kraftabgabe- und
Kraftaufnahmeenden der Welle herrührende hohe Belastungen auftreten.
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Die als faserförmiges Verstärkungsmaterial verwendeten Kohlenstoffasern
enthalten mindestens 90 Gewichts-% Kohlenstoff (z.B. mindestens 95 Gewichts-% Kohlenstoff)
und können entweder von amorpher oder graphitischer Beschaffenheit sein. Für die
Verwendung bevorzugt werden sogenannte "hochfeste" (high strength") Kohlenstoffasern,
im Gegensatz zu "Hochmodul'-Kohlenstoffasern (high-modulus carbon fibers). Solche
hochfesten Kohlenstoffasern sind allgemein als Multifilament-Bündel aus im wesentlichen
parallelen fortlaufenden Einzel fäden erhältlich und besitzen eine Zugfestigkeit
im Bereich von 2 620 N/mm2 bis 3 034 N/mm2. Derartige Filamente besitzen im allgemeinen
einen Einzeltiter von 0,56 bis 2,22 dtex und einen Young-Elastizitätsmodul von mindestens
172 375 N/mm2 (25 000 000 psi) (z.B. etwa 206 850 bis 448 175 N/mm2 (30 000 000
bis 65 000 000 psi)). Der Young-Elastizitätsmodul kann nach dem Verfahren der ASTM-D-2101-64T
bestimmt werden. Derartige'Kohlenstoffasern sind im Handel erhältlich (z.B. unter
der Bezeichnung Celion 6000 von der Celanese Co.) und können nach bekannten Verfahrensweisen
durch thermische Behandlung einer Reihe von polymeren Fasermaterialien gewonnen
werden. Bevorzugte Kohlenstoff-
fasern werden aus einer Ausgangsfaser
auf Acrylbasis erhalten; hierzu wird auf die US-PSen 3 775 520, 3 900 556 und 3
954 950 Bezug genommen. Die Kohlenstoffasern werden im Anschluß an ihre Bildung
bevorzugt oberflächenbehandelt, um ihr Haftvermögen an einem Harzgrundmaterial zu
verbessern. Typische Verfahren zur Modifizierung der Oberflächencharakteristiken
eines kohlenstoffhaltigen Fasermaterials zur Verbesserung der Haftung auf einem
Harzgrundmaterial werden in den US-PSen 3 723 150, 3 723 607, 3 745 104, 3 762 941,
3 767 774, 3 821 013, 3 894 884 und 3 859 187 beschrieben, auf die hier Bezug genommen
wird.
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Die Glasfasern, die als Faserverstärkung dienen, sind üblicherweise
ebenfalls in Form eines Multifilamentbündels aus im wesentlichen parallelen, endlosen
Einzelfäden erhältlich und besitzen im allgemeinen einen Young-Elastizitätsmodul
von 55 160 bis 82 740 N/mm2 (8 000 000 bis 12 000 000 psi). Typische Glasfasern,
die verwendet werden können, sind im Handel unter den Bezeichnungen "E-Glas" und
"S-Glas" erhältlich. Andere gleichwertige Fasern, etwa vollständig aromatische Polyamidfasern
(z.B. Aramid-Fasern), können die Glasfaserbestandteile ganz oder teilweise ersetzen.
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Das Harzgrundmaterial, in das die Kohlenstoffasern und die Glasfasern
eingebettet werden, wird so gewählt, daß es befähigt ist, die Betriebstemperatur
der hergestellten zusammengesetzten Antriebswelle auszuhalten, und es kann entweder
von wärmehärtbarer oder von thermoplastischer Beschaffenheit sein. In einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ist das Harzgrundmaterial ein wärmehärtbares Harz,
z.B. ein Epoxid-Harz, ein Phenolharz, ein Polyesterharz oder ein Polyimidharz. Das
bevorzugte wärmehärtbare Harzgrundmaterial ist ein Epoxid-Harz.
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Das als Harzgrundmaterial verwendete Epoxid-Harz kann durch Kondensation
von Bisphenol A (4,4'-Isopropyliden-diphenol)
und Epichlorhydrin
hergestellt werden. Auch andere Polyole wie aliphatische Glycole und Novolak-Harze
(z.B. Phenol-Formaldehyd-Harze), Säuren oder ihre aktiven Wasserstoff enthaltenden
Verbindungen können mit Epichlorhydrin zur Herstellung von Epoxid-Harzen umgesetzt
werden, die für die Verwendung als Harzgrundmaterial geeignet sind. Vorzugsweise
werden Epoxid-Harze ausgewählt, die die erforderlichen Fließeigenschaften vor dem
Vulkanisieren besitzen oder dahingehend modifiziert werden können. Zahlreiche reaktionsfähige
Verdünnungsmittel oder Reglersubstanzen, die fähig sind, die Fließeigenschaften
nicht-vulkanisierter Epoxid-Harze zu steigern, sind gutbekannt; hierzu zählen Butylglycidylether,
höhermolekulare aliphatische und cycloaliphatische Monoglycidylether, Styroloxid,
aliphatische und cycloaliphatische Diglycidylether sowie Gemische dieser Verbindungen.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden als Epoxid-Harze,
die als das Harzgrundmaterial dienen sollen, solche ausgewählt, die endständige
Epoxid-Gruppen besitzen und Kondensationsprodukte aus Bisphenol A und Epichlorhydrin
der nachstehenden Formel
sind, in der n zwischen 0 und einer kleinen Zahl von weniger als etwa 10 variiert.
Wenn n gleich Null ist, so ist das Harz vor dem Vulkanisieren ein sehr leicht fließendes,
leicht gefärbtes Material, das im wesentlichen der Diglycidylether des Bisphenols
A ist. Mit der Erhöhung des Molekulargewichts steigt im allgemeinen auch die Viskosität
der Harze. Demgemäß besitzen besonders bevorzugte flüssige Epoxid-Harze im allgemeinen
einen Wert von n, der im Mittel unterhalb von etwa 1,0 liegt. Anschauliche Beispiele
für besonders geeignete, im Handel erhältliche Epoxid-Harze, hier unter ihren Handelsbezeichnungen
aufgeführt, sind
die Epoxid-Harze Epi-Rez 508 und Epi-Rez 510 (Celanese
Coatings) und Epon 828 (Shell).
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Eine Vielfalt von Härtungsmitteln für Epoxid-Harze kann in Verbindung
mit den Epoxid-Harzen verwendet werden. Die Vulkanisation oder Aushärtung der Epoxid-Harze
erfolgt in charakteristischer Weise durch weitere Reaktion der Epoxid- und Hydroxyl-Gruppen,
die eine Molekülketten-Verlängerung und Vernetzung herbeiführen. Der hierin verwendete
Begriff "Härtungsmittel" ist dementsprechend so zu verstehen, daß er verschiedenartige
Härter des fremdvernetzenden ("co-reactant") Typs einschließt. Anschauliche Beispiele
für bekannte Epoxid-Härtungsmittel, die verwendet werden können, sind aliphatische
und aromatische Amine, Polyamide, tertiäre Amine, Amin-Addukte, Säureanhydride,
Säuren, Aldehyd-Kondensationsprodukte und Katalysatoren vom Typ der Lewis-Säuren
wie Bortrifluorid. Die für die Verwendung mit dem Epoxid-Harz bevorzugten Epoxid-Härtungsmittel
sind Säureanhydride (z.B. Hexahydrophthalsäureanhydrid und die isomeren Methylbicyclo
I,2,13hepten-2,3-dicarbonsäureanhydride, die unter der Bezeichnung Nadic Methyl
Anhydride von der-Allied Chemical Co. vertrieben werden) sowie aromatische Amine
(z.B. m-Phenylendiamin und Dimethylanilin).
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Der hierin verwendete Begriff "Schicht" bezeichnet eine Umfangs zone
innerhalb der Wandung der röhrenförmigen Antriebswelle, in der die Faserverstärkung
in -einer speziellen Konfiguration angeordnet ist und die sich von der/den benachbarten
Zone(n) in bezug auf diese Konfiguration und/ oder die Zusammensetzung der Faserverstärkung
unterscheidet. Eine einzige Schicht kann eine Ausrichtung oder einen Aufbau der
Faserverstärkung im Mehrfachdurchlauf in einer gegebenen Konfiguration aufweisen.
Der Begriff Schicht schließt eine Ausrichtung ein, bei der die Faserverstärkung
darin beidseitig (+) eines gegebenen Winkels angeord-
net ist,
die wahlweise in mehreren Durchgängen aufgebaut sein kann.
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Die Welle 26 enthält eine oder mehrere Schichten der hochfesten Kohlenstoffasern,
die in einem Winkel von + 400 bis + 500 relativ zu der Längsachse der Welle ausgerichtet
sind, Glasfasern, die in einem Winkel von 00 bis + 15° relativ zu dieser Achse ausgerichtet
sind, sowie Glasfasern, die in einem Winkel von + 750 bis 90" relativ zu dieser
Achse ausgerichtet sind. Zusätzlich zu diesen Basisschichten können manche Anwendungsformen
zusätzliche verstärkende Schichten zu Befestigungszwecken erfordern. Solche Verstärkungsschichten
umfassen mindestens ein Paar Endhülsen aus hochfesten Kohlenstoffasern, die an den
Endstücken der Welle angebracht und in einem Winkel von + 750 bis 90" relativ zu
deren Längsachse ausgerichtet sind, und/oder mindestens ein Paar Endhülsen aus hochfesten
Kohlenstofffasern, die an den Endstücken der Welle angebracht und in einem Winkel
von + 400 bis + 709 relativ zu dieser Achse angeordnet sind. Die Zeichnung stellt
eine Konfiguration dar, bei der beide der vorgenannten Ausrichtungen der Verstärkungs-Schichten
verwendet werden.
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Die erste oder radial innerste Schicht 30' erstreckt sich über die
gesamte Länge der Welle; sie enthält eine Schicht aus Glasfasern, die in einem Winkel
von + 75" bis 900 relativ zu der Längsachse der Welle angeordnet sind.
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Eine zweite, über die gesamte Länge reichende Schicht 32, die die
erste Schicht umgibt, enthält Kohlenstoffasern angeordnet in einem Winkel von +
40° bis + 50° relativ zu der Wellenachse.
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Nur die beiden entgegengesetzten Endteile der sich über die gesamte
Länge erstreckenden Schicht 32 umhüllt ein Paar Endhülsen 34 aus Kohlenstoffasern
(in der Abbildung
Fig. 2 ist nur eine solche Endhülse dargestellt),
die in einem Winkel von + 750 bis 90" relativ zu der Wellenachse angeordnet sind.
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Das erste Paar Endhülsen umgibt ein zweites Paar Endhülsen 36 aus
Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von + 400 bis + 700 relativ zu der Wellenachse
ausgerichtet sind.
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Das zweite Paar Endhülsen sowie die zweite über die gesamte Länge
sich erstreckende Schicht 32 umhüllt eine dritte, über die gesamte Länge reichende
Schicht 40, die Glasfasern, angeordnet in einem Winkel von 0 bis + 15° relativ zu
der Wellenachse, enthält.
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Nur die beiden entgegengesetzten Endteile der dritten durchgehenden
Schicht umhüllt ein drittes Paar Endhülsen 42 aus Kohlenstoffasern, die in einem
Winkel von + 40° bis + 70" relativ zu der Wellenachse angeordnet sind.
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Das dritte Paar Endhülsen umgibt ein viertes Paar Endhülsen 44 aus
Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von + 75" bis 90° relativ zu der Wellenachse
angeordnet sind.
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Das vierte Paar Endhülsen 44 und die dritte über die gesamte Länge
sich erstreckende Schicht 40 aus Glasfasern umhüllt eine vierte über die gesamte
Länge reichende Schicht 46, die Kohlenstoffasern enthält, die in einem Winkel von
+ 400 bis + 50° relativ zu der Wellenachse angeordnet sind.
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Die vierte durchgehende Schicht 46 umhüllt eine fünfte durchgehende
Schicht 48, die Glasfasern enthält, die in einem Winkel von + 750 bis 900 relativ
zu der Wellenachse angeordnet sind.
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Die gesamte Dicke sämtlicher durchgehender Schichten mit unter + 400
bis + 500 angeordneten Kohlenstoffasern liegt
im Bereich von 0,51
bis 6,35 mm (0,020 bis 0,250 in), wobei der Bereich von 1,52 bis 3,05 mm (0,060
bis 0,120 in) besonders bevorzugt wird.
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Die gesamte Dicke sämtlicher durchgehender Schichten mit unter 0°
bis + 150 angeordneten Glasfasern liegt im Bereich von 0,25 bis 2,54 mm (0,010 bis
0,100 in), wobei der Bereich von 0,25 bis 0,76 mm (0,010 bis 0,030 in) besonders
bevorzugt wird.
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Die gesamte Dicke sämtlicher Schichten mit unter + 750 bis 90" angeordneten
Glasfasern liegt im Bereich von 0,13 bis 1,27 mm (0,005 bis 0,050 in), wobei der
Bereich von 0,25 bis 0,51 mm (0,010 bis 0,020 in) besonders bevorzugt wird.
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Die sich über die gesamte Länge erstreckenden Schichten der hoch festen
Kohlenstoffasern wirken als primäre Träger der Scher-, Biege- und Torsionsbelastungen.
Die über die gesamte Länge durchgehenden Glasfaserschichten erhalten die strukturelle
Unversehrtheit für den Fall aufrecht, daß in dem Harz Rißbildung auftritt, und sie
vergrößern die Dicke der Welle und verhindern dadurch Torsionsverformungen (Drehknicken)
während des Einsatzes. Es ist von Bedeutung, daß die äußerste Schicht aus Glasfasern
die darunter liegenden Schichten verdichtet, wodurch überschüssiges Harz herausgepreßt
wird und Leerräume verkleinert werden, und sie bildet außerdem eine in hohem Maße
schlagfeste äußere Oberfläche. Die kurzen Endhülsen aus Kohlenstoffasern sind nicht
unbedingt erforderlich, aber wenn sie vorhanden sind, dienen sie zur örtlichen Verstärkung
der Welle an den Endabschnitten, wo die Verbindungsstücke 28, 30 angeschlossen werden
sollen.
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Die verschiedenen Endschichten und durchgehenden Schichten können,
falls erwünscht, auch umgruppiert und/oder kombiniert werden. Beispielsweise muß
die erste Schicht aus
Glasfasern nicht an der innersten Position
verwendet werden, sofern nicht, beispielsweise, Verbindungsstücke für die Befestigung
aus Alumnium verwendet werden und die Kohlenstoff-Schicht zur Verhütung galvanischer
Korrosion von dem Aluminium getrennt werden muß. Weiterhin könnten auch die über
die gesamte Länge durchgehenden Schichten aus Kohlenstoffasern, falls erwünscht,
zu einer einzigen Schicht vereinigt werden.
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Die Antriebswelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann mittels verschiedener
Arbeitstechniken hergestellt werden.
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Beispielsweise kann ein entfernbarer Kern mit einem äußerem Durchmesser
verwendet werden, der im allgemeinen dem inneren Durchmesser der herzustellenden,
mit Kohlenstofffasern verstärkten, zusammengesetzten Antriebswelle entspricht und
auf den die Schichten aufgelagert werden. Die verschiedenen, die Faserverstärkung
enthaltenden Schichten können in geeigneter Anordnung und in geeignetem Aufbau durch
Fadenwickeln, Bandwickeln, Rohrwalzen oder Pultrusion aufgebracht werden. Wenn ein
wärmehärtbares Harz als das Grundmaterial verwendet wird, so wird zunächst eine
Stufe der Vulkanisation des Harzes durchgeführt, um das Harz zu vernetzen und zu
härten, und danach wird der Kern entfernt.
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Eine bevorzugte Arbeitsweise, um die Faserverstärkung auf dem Kern
genau in die richtige Lage zu bringen, ist das Fadenwickeln, wobei entweder das
Naßwickeln oder das Wickeln nach Vorimprägnierung (Wickeln mit Prepegs) zur Anwendung
gelangt. Bei dem Naßwickelverfahren trägt die Faserverstärkung zur Zeit des Auwickelns
auf ihrer Oberfläche ein im wesentlichen unvulkanisiertes, flüssiges wärmehärtbares
Harz, das üblicherweise durch Eintauchen in ein das Harz enthaltendes Gefäß unmittelbar
vor der Aufwickelstufe aufgebracht wird. Bei Anwendung des Wickelverfahrens mit
Prepegs trägt die Faserverstärkung vor dem
Aufwickeln auf ihrer
Oberfläche ein teilweise vulkanisiertes, klebriges Harz. In jedem Falle überführt
die folgende Vulkanisationsstufe das wärmehärtende Harz in ein festes, wärmegehärtetes
Harz, das die Faserverstärkung eingebettet enthält. Während der Vulkanisationsstufe
wird jede Schicht mit der benachbarten Schicht bzw. den benachbarten Schichten dauerhaft
haftend verbunden. Das Herstellungsverfahren mittels Fadenwickelns ist nicht arbeitsaufwendig
und kann mit einem hohen Grad an Präzision auf einer schnellen, automatisierten
kontinuierlichen Basis unter Einsatz von im Handel erhältlichen Geräten durchgeführt
werden.
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Die Endanschlußstücke 28, 30, die die starre Verbindung der Welle
mit dem Getriebe und dem Differential ermöglichen, können auf verschiedene Weise
montiert werden.; vorzugsweise wird die Welle jedoch um die Anschlußstücke herum
hergestellt, indem die Anschlußstücke auf den Kern aufgebracht werden, um den die
Welle gewickelt werden soll.
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Ein geeigneter Klebstoff kann vor der Herstellung der Welle um die
Verbindungsstücke auf diese aufgebracht werden, um die Festigkeit der Haftverbindung
zwischen den Anschlußstücken und der Welle zu erhöhen. Zusätzlich können die Anschlußstücke
noch mit der Welle durch Bolzen verschraubt werden, um sicherzustellen, daß eine
weitgehende Festigkeit für die Übertragung der Torsionsbewegung gegeben ist.
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Weitere Arbeitsweisen, die für die Montage der Flansche geeignet sind,
werden in den DE-OSen 29 11 213 und 29 11 238 der Anmelderin, auf die hier Bezug
genommen wird, beschrieben.
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Es ist ausdrücklich festzustellen, daß für Fahrzeuge mit relativ geringfügiger
Fehlausrichtung und Relativbewegung zwischen den durch die Antriebswelle miteinander
verbundenen Komponenten der Antriebs strecke die vorliegende Erfindung Kardangelenke
an den beiden Enden der Fahrzeug-Antriebswelle entbehrlich macht und dadurch das
Fahrzeug-
Gewicht verringert. Der Verzicht auf Kardangelenk-Verbindungen
bietet die zusätzlichen Vorteile einer Verminderung der Komplexität der Antriebsstrecke
sowie des Fortfalls des Wartungsaufwandes für die Kardangelenke. Darüber hinaus
besitzt die Antriebswelle selbst, im Vergleich zu einer traditionellen Antriebswelle
aus Stahl, ein niedriges Gewicht, wodurch das Fahrzeug-Gewicht weiter verringert
wird.
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Die Antriebswelle zeigt genügend Verdrehsteifigkeit, um die geforderten-Drehmoment-Belastungen
auszuhalten, und ist trotzdem hinreichend biegsam, um eine Versetzung oder eine
nicht-geradlinige Fluchtung auszugleichen.
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Die vorliegende Erfindung ist für die Anwendung in solchen Fällen
geeignet, wo die Antriebswelle eine vorn liegende Antriebsmaschine unmittelbar mit
einem im Heckteil montierten Getriebe verbindet, wie dies weiter oben in Verbindung
mit einem Porsche 928 beschrieben wurde.
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Bei vielen Fahrzeugen sind die Fehlausrichtungen zwischen den durch
die Antriebswelle verbundenen Komponenten der Antriebsstrecke derartig groß, daß
Kardangelenk-Verbindungen in der Praxis die einzigen Mittel sind, um mit diesen
Fehlausrichtungen fertig zu werden. Bei solchen Fahrzeugen wäre die vorliegende
Erfindung nicht praktisch einsetzbar, da die zulässigen Materialbeanspruchungen
in der Antriebswelle überschritten würden, wenn solche großen Ausrichtungsfehler
ausgeglichen werden sollten.
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Das folgende Beispiel dient der näheren Erläuterung der vorliegenden
Erfindung. Es wird darauf hingewiesen, daß die spezielle beschriebene Antriebswelle
besonders geeignet ist für Kraftfahrzeuge in Kompaktbauweise, wie etwa beispielsweise
eine Chevrolet-Corvette. In einem solchen Fall werden fünf über die gesamte Länge
durchgehende Schichten und vier Endhülsen, die aus in eine Epoxid-Matrix eingebetteten
Faserverstärkungen zusammengesetzt sind, verwendet
Jede Schicht
wird durch Naßwickeln eines Multifilament-Faserbündels unter Einsatz einer McClean-Anderson-Fadenwickelmaschine
aufgebracht. Die das unvulkanisierte Epoxid-Harz tragende Faserverstärkung wird
während des Fadenwickelns auf einen entfernbaren Kern (auf der Abbildung nicht dargestellt)
aufgetragen; das Epoxid-Harz wird vulkanisiert, wobei ein einteiliges Rohr gebildet
wird, und danach wird der Kern entfernt. Die Antriebswelle hat eine Länge von etwa
808,74 mm (31,84 in) und einen inneren Durchmesser von 57,15 mm (2,25 in). Die Mindest-Wandstärke
der Welle beträgt 4,674 mm (0,184 in). Der Gehalt an Leerräumen in den erhaltenen
Antriebswellen liegt bei weniger als 2 Volumen-%, und die Faserverstärkung nimmt
etwa 60 Volumen-% ein. Die jeweiligen Schichten (d.h. von der innersten bis zur
äußersten) sind numeriert, wie in der Abbildung dargestellt.
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Beispiel Eine beispielhafte Welle, die gemäß der vorliegenden Erfindung
gefertigt wurde, umfaßt eine erste, durchgehende Schicht 30' mit einer Dicke von
0,483 mm (0,019 in), enthaltend Glasfasern, die in einem Winkel von 90° relativ
zu der Wellenachse angeordnet sind, eine zweite, durchgehende Schicht 32 mit einer
Dicke von 1,600 mm (0,063 in), enthaltend hochfeste Kohlenstoffasern, die in einem
Winkel von + 45" relativ zu der Wellenachse angeordnet sind, ein erstes Paar von
Endhülsen 34 mit einer Dicke von 1,600 mm (0,063 in), enthaltend hochfeste Kohlenstoffasern,
die in einem Winkel von 900 relativ zu der Wellenachse angeordnet sind,
ein
zweites Paar von Endhülsen 36 mit einer Dicke von 0,76 mm (0,030 in), enthaltend
hochfeste Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von + 450 relativ zu der Wellenachse
angeordnet sind, eine dritte, durchgehende Schicht 40 mit einer Dicke von 0,51 mm
(0,020 in), enthaltend Glasfasern, die in einem Winkel von + 100 relativ zu der
Wellenachse angeordnet sind, ein drittes Paar von Endhülsen 42 mit einer Dicke von
0,76 mm (0,030 in), enthaltend hochfeste Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von
+ 450 relativ zu der Wellenachse angeordnet sind, ein viertes Paar von Endhülsen
44 mit einer Dicke von 1,600 mm (0,063 in), enthaltend hochfeste Kohlenstoffasern,
die in einem Winkel von 900 relativ zu der Wellenachse angeordnet sind, eine vierte,
durchgehende Schicht 46 mit einer Dicke von 1,600 mm (0,063 in), enthaltend hochfeste
Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von + 450 relativ zu der Wellenachse angeordnet
sind, und eine fünfte, durchgehende Schicht 48 mit einer Dicke von 0,483 mm (0,019
in), enthaltend Glasfasern, die in einem Winkel von 900 relativ zu der Wellenachse
angeordnet sind.
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Das Young-Elastizitätsmodul in Längsrichtung der hochfesten Kohlenstoffasern
beträgt etwa 2,34 105 N/mm2 (34 x 106 psi) und dasjenige der Glasfasern etwa 7,24
104 N/mm2 (10,5 x 106 psi). Das Young-Elastizitätsmodul in Längsrichtung für die
gesamte Welle beträgt etwa 1,65 ' 104 N/mm2 (2,4 x 106 psi).
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Die unter + 100 angeordneten Glasfasern bilden etwa 10 % des gesamten
Gewichts des Fasermaterials (ausschließlich der Endhülsen), die unter 900 angeordneten
Glasfasern etwa 20 % und die unter t 450 angeordneten Kohlenstoffasern etwa 70 %
dieses Fasermaterial-Gesamtgewichts. Das Gesamt-Gewicht der Welle beträgt etwa 1,41
kg (3,1 lb), wovon etwa 1,0 kg (2,2 lb) auf Kohlenstoff/Harz entfallen. Die Zugfestigkeit
der Kohlenstoffasern beträgt etwa 2,83 ' 10 N/mm2 (410 x 103 psi) und diejenige
der Glasfasern etwa 3,45 ' 10 N/mm2 (500 x 10) psi).
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Es ist zu erwarten, daß eine solche Welle ein maximales Drehmoment
von mehr als 1 475 N m (2 000 ft-lb) übertragen und eine kritische Drehzahl von
über 6 000 min (100 Hz) erreichen kann.
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Es ist zu erwarten, daß die Welle eine Versetzung von bis zu 6,35
mm (0,25 in) zwischen den Mittellinien der Kraftabgabe- und Kraftaufnahme-Endstücke
der Welle sowie eine Abweichung von der geradlinigen Fluchtung um bis zu 0,5° zwischen
diesen Mittellinien auszugleichen vermag.