DE10228107A1

DE10228107A1 - Verbundstoffantriebswelle erhöhter Festigkeit

Info

Publication number: DE10228107A1
Application number: DE10228107A
Authority: DE
Inventors: Douglas J Bradley; Brian E Carlson
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2003-07-10
Also published as: US20030114232A1; US20040077413A1; GB2383010A; GB0214190D0

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbundstoffantriebswelle mit verbesserter Festigkeit. Erfindungsgemäß sind mehrere Merkmale vorgesehen, die an der Verbundstoffantriebswelle angeordnet sind, die aus Verbundstofffasermaterial gebildet ist. Ein Verfahren zur Herstellung dieser Verbundstoffantriebswelle wird außerdem bereitgestellt, demnach eine erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial um eine zylindrische Form mit Aufnahmenuten angebracht wird. Merkmale werden daraufhin durch das Verbundstofffasermaterial in die Aufnahmenuten geschoben. Eine zweite Schicht aus Verbundstofffasermaterial wird um die erste Schicht gewickelt, die Antriebswelle wird konsolidiert und die zylindrische Form wird daraufhin entfernt. Außerdem stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zur Herstellung einer Verbundstoffantriebswelle, wobei die Merkmale in die zylindrische Form eingeführt bzw. eingesetzt und dann durch die erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial geschoben werden, nachdem die Schicht um die Form und die Merkmale gewickelt worden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundstoffantriebswelle für ein Fahrzeug mit erhöhter Festigkeit und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbundstoffantriebswelle, die in Bezug auf Druckkraftbeständigkeit verbessert ist, insbesondere dann, wenn sie einem Gesenkschmiedevorgang unterworfen ist.
Kraft von einem Fahrzeuggetriebe wird durch eine Antriebswelle auf andere Getriebe und Teile der Fahrzeugmaschinerie übertragen. Eine Antriebswelle dreht sich deshalb häufig mit sehr hoher Drehzahl und ist sehr hohen Torsionskräften unterworfen. Um dazu beizutragen, die Last dieser Kräfte zu verteilen, kann eine Antriebswelle mit einem Verbindungs- bzw. Endelement durch einen Gesenkschmiedevorgang verbunden werden.

Eine Antriebswelle ist herkömmlicherweise aus Stahl oder anderen Metallsubstanzen hergestellt worden. Während diese Wellen eine ausreichende Festigkeit gegenüber Torsionskräften im Einsatz bereit stellen, sind sie häufig sehr schwer. Es ist deshalb üblicherweise eine größere Kraft zum Starten und Aufrechterhalten der korrekten Drehzahl (Torsionsgeschwindigkeit) erforderlich. Metallkomponenten sind außerdem üblicherweise teuer. Leichtgewichtige Materialien sind deshalb zur Verwendung vorgeschlagen worden, um die Kraftanforderungen zu reduzieren.

Leichtgewichtige Materialien verleihen der Antriebswelle eine höhere kritische Drehzahl bzw. Geschwindigkeit. Sämtliche Antriebswellenmaterialien weisen eine interne Resonanzfrequenz teilweise auf Grund des Gewichts des Materials auf. Wenn die Antriebswelle die Resonanzfrequenz des Materials erreicht, beginnt die Antriebswelle zu schütteln. Die Resonanzfrequenz des verwendeten Materials legt deshalb die maximale Betriebsdrehzahl bzw. die kritische Drehzahl der Antriebswelle fest. Ein leichteres Material führt zu einer Erhöhung der Resonanzfrequenz und damit der kritischen Drehzahl einer Antriebswelle.

Es sind deshalb Verbundstofffaserantriebswellen vorgeschlagen worden. Mit diesen werden die Probleme des Kraftaufwands und der Kosten überwunden. Dieses Verbundstoffmaterial ist jedoch häufig spröde. Verbundstoffmaterialien sind deshalb nach dem Härtungsprozess, einschließlich dem Gesenkschmiedevorgang, schwer zu manipulieren.

Der Gesenkschmiedevorgang ist ein üblicher Vorgang in der Metallurgie. Eine gegebene Welle kann an eine andere Welle unterschiedlichen Durchmessers durch einen Gesenkschmiedevorgang angeschlossen werden durch Expandieren oder Kontrahieren des Durchmessers am Ende der Welle. Erzielt wird dies durch einen mechanischen Prozess, der die Welle in radialer Richtung gleichförmig bzw. gleichmäßig verformt. Die mit einem Gesenkschmiedevorgang behandelte Welle kontaktiert die andere Welle, mit der sie verbunden werden soll, und wird in diese hineingepresst zu Gunsten einer festen Verbindung.

Während es sich beim Gesenkschmieden um ein wirksames Verfahren zur Herstellung einer sicheren Verbindung zwischen zwei Wellen handelt, erfordert es, dass die mit einem Gesenkschmiedevorgang zu beaufschlagende Welle plastisch verformbar und nicht spröde ist. Diese Anforderung an die Nachgiebigkeit findet sich üblicherweise bei Metallkomponenten und reinen Polymerkomponenten; eine aus Verbundstoffmaterial hergestellte Welle hingegen ist üblicherweise spröde und nicht in der Lage, der Druckverformungskraft zu widerstehen, die beim Gesenkschmiedevorgang ausgeübt wird.

Weitere Verfahren zum Verbinden von Verbundstoffwellen sind untersucht worden. Ein spezielles Rändeln der zu verbindenden Komponente ist maschinell ausgeführt worden und eine Verblockung ist vorgenommen worden. Unter bestimmten Umständen sind Stifte bzw. Bolzen oder andere derartige Verbindungselemente eingesetzt worden, um zwischen einer Metallbuchse und der Verbundstoffwelle eine Verbindung herzustellen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verbundstoffantriebswelle mit erhöhten Festigkeitseigenschaften bereit zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Verbundstoffantriebswelle vorzuschlagen.

Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich der Verbundstoffantriebswelle durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens durch diem Merkmale des Anspruchs 6 bzw. 18. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach schafft die Erfindung gemäß einem Aspekt eine Verbundstoffantriebswelle mit mehreren Merkmalen senkrecht zur Achse einer zylindrischen Form, die Aufnahmenuten aufweist, die sich parallel zu ihrer Achse erstrecken, um die Merkmale aufzunehmen, und Verbundstofffasermaterial, das sich um die zylindrische Form und die Merkmale erstreckt, um diese in Position zu halten.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstoffantriebswelle mit verbesserter Festigkeit. Eine längliche zylindrische Form mit zumindest einer Aufnahmenut wird bereit gestellt und eine erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial wird umfangsmäßig um die Form angebracht. Zumindest ein Merkmal wird radial eingeführt bzw. eingesetzt durch die erste Schicht des Verbundstofffasermaterials in die Aufnahmenuten in der Form. Eine zweite Schicht aus Verbundstofffasermaterial wird über die erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial und die Merkmale angebracht. Die Antriebswelle wird konsolidiert und die zylindrische Form wird von der Verbundstoffantriebswelle entfernt.

In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundstoffantriebswelle mit verbesserter Festigkeit. Eine längliche zylindrische Form, die zumindest eine Aufnahmenut festlegt, wird bereit gestellt und zumindest ein Merkmal wird radial in die Aufnahmenuten in der Form eingeführt bzw. eingesetzt. Jedes Merkmal umfasst ein Kopfteil und ein Verankerungsteil. Eine erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial wird umfangsmäßig um die Form und die Merkmale angebracht und die Kopfteile der Merkmale werden durch die erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial geschoben. Eine zweite Schicht aus Verbundstofffasermaterial wird über der ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial und den Merkmalen angebracht. Die Antriebswelle wird konsolidiert und die zylindrische Form wird aus dem Zentrum der Verbundstoffantriebswelle entfernt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; in dieser zeigen:
Fig. 1A eine vergrößerte Seitenansicht von zwei Rohren vor einem Gesenkschmiedevorgang gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 1B eine vergrößerte Seitenansicht von zwei Rohren nach einem auswärts gerichteten Gesenkschmiedevorgang gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 1C eine vergrößerte Seitenansicht von zwei Rohren nach einem einwärts gerichteten Gesenkschmiedevorgang gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine Ausführungsform einer zylindrischen Form mit einer Probeaufnahmenut in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3A eine Ausführungsform eines Merkmals in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3B eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Verbundstoffantriebswelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit Probenformen von eingeführten bzw. eingesetzten Merkmalen,
Fig. 4A eine vergrößerte Seitenansicht von zwei Wellen von einer Ausführungsform einer verbesserten Welle mit einem Merkmal in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vor einem Gesenkschmiedevorgang,
Fig. 4B eine vergrößerte Seitenansicht von zwei Wellen von einer Ausführungsform einer verbesserten Welle mit einem Merkmal in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung nach einem auswärts gerichteten Gesenkschmiedevorgang,
Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer fertig gestellten Welle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit einem einzigen eingeführten bzw. eingesetzten Merkmal,
Fig. 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Verbundstoffantriebswelle,
Fig. 7 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer fertig gestellten Welle in Übereinstimmung mit der Erfindung mit mehreren ringsektionsförmigen Merkmalen, die eingeführt bzw. eingesetzt sind, und
Fig. 8 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer fertig gestellten Welle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ohne die zweite Schicht aus Verbundstofffasermaterial mit mehreren ringsektionsförmigen Merkmalen, die eingeführt bzw. eingesetzt sind.
Beim Gesenkschmieden, dem erfindungsgemäßen Endzweck, handelt es sich um einen Vorgang zum Vergrößern oder Verkleinern des Durchmessers eines Rohrs, um eine Verblockung mit einem zweiten, größeren oder kleineren Rohr zu erzeugen. Ein derartiger Prozess ist in Fig. 1A-1C gezeigt. Fig. 1A zeigt ein kleineres Rohr 22 und ein größeres Rohr 24, bevor der Gesenkschmiedevorgang beginnt. Das Gesenkschmieden in dieser Situation kann in zwei Richtungen erfolgen. Fig. 1B zeigt einen auswärts verlaufenden Gesenkschmiedevorgang, demnach der Durchmesser des kleineren Rohrs 22 derart vergrößert wird, dass es mit dem größeren Rohr 24 in Eingriff gelangt. Die Verformung des kleineren Rohrs 22 in das größere Rohr 24 hinein erzeugt einen Kontaktpunkt 26, bei dem es sich sowohl um einen Reibungskontakt wie einen Verformungskontakt handelt. Dieser Kontaktpunkt 26 sorgt für eine sicherere und festere Verbindung zwischen den beiden Rohren. Alternativ und wie in Fig. 1C gezeigt, kann der Durchmesser des größeren Rohrs 24 derart verkleinert werden, dass es mit der Außenseite des kleineren Rohrs 22 in Eingriff gelangt. Die Verformung des größeren Rohrs 24 in das kleinere Rohr 22 hinein erzeugt wiederum einen Kontaktpunkt 28, bei dem es sich sowohl um einen Reibungskontakt wie einen Verformungskontakt handelt. Hierdurch wird zwischen den zwei Rohren 22 und 24 eine sicherere und festere Verbindung bereit gestellt.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer zylindrischen Form 10 zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung. Die zylindrische Form 10 wird dazu genutzt, eine Verbundstoffantriebswelle zu erstellen, die eine Anzahl von integrierten Strukturen bzw. "Merkmalen" aufweist, die einen Teil der Druckspannungslast tragen bzw. aufnehmen, wenn an die Verbundstoffantriebswelle ein Drucklast ausgeübt wird. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform besteht die zylindrische Form 10 aus Stahl oder einem anderen haltbaren Metall zum Bereitstellen struktureller Dicke und Tragfähigkeit. Insbesondere hat sich Stahl einer Dicke von 1/4 Zoll in Zusammenwirkung mit der vorliegenden Erfindung als nützlich herausgestellt. Jegliches Material, das an der Verbundstoffantriebswelle selbst nicht haftet, nicht aushärtet oder anderweitig sich mit ihr verbindet, stellt jedoch ein geeignetes Material für die zylindrische Form 10 dar.
Die zylindrische Form umfasst eine oder mehrere Aufnahmenuten 12, die in die Seite der zylindrischen Form 10 geschnitten sind. Die Länge von jeder der Aufnahmenuten 12 bildet bevorzugt einen Teil der Länge der zylindrischen Form 10. Die Aufnahmenuten 12 sind dazu ausgelegt, das Ende eines Merkmals 17 aufzunehmen.
Derartige Merkmale sind in Fig. 3 A gezeigt. Ein Merkmal 17 weist zwei Abschnitte auf: Einen Kopfteil 15 und einen Verankerungsteil 16. Fig. 3B zeigt Beispiele potentieller Merkmale, die in einer Antriebswelle 14 eingeführt werden können. Der Kopfteil 15 kann eine beliebige Form bzw. Konstruktion besitzen. Drei bevorzugte Ausführungsformen, die in Fig. 3B gezeigt sind, bilden eine Kopfniete bzw. einen Kopfbolzen 18, einen geraden Stift bzw. Bolzen 19, Kopfteile 15 mit einer Ringsektion 20, und diese Teile haben sich als besonders effektiv erwiesen.
Der Verankerungsteil 16 bildet einen Teil des Merkmals 17, das in die Antriebswelle 14 eingeführt bzw. eingesetzt ist. Der Verankerungsteil 16 kann beispielsweise eine gerade zylindrische Struktur aufweisen. Strukturelle Modifikationen können jedoch an dem Verankerungsteil 16 vorgenommen werden, um es dem Merkmal 17 zu erlauben, an der Antriebswelle 14 sicherer verankert zu werden. Diese Modifikationen können Haken, Rippen, Gewinde oder Rändelkanten umfassen.
Die gezeigten Merkmale 17 sind lediglich beispielhaft und nicht beschränkend für die möglichen Formen der Merkmale. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung kann der allgemeine Begriff "Merkmal" in Bezug auf die Figuren eine bestimme Merkmalsform bedeuten. Der Begriff ist dadurch definiert, dass er sich auf eine beliebige mögliche Form bezieht, so lange die Form ausdrücklich spezifiziert ist. Eine einzige Antriebswelle 14 kann zahlreiche Merkmale 17 derselben Art aufweisen oder Merkmale 17 unterschiedlicher Arten auf einer einzigen Welle.
Die Aufnahmenuten 12 akzeptieren bzw. nehmen das Ende des Verankerungsteils 16 eines Merkmals 17, positioniert in die erzeugte Antriebswelle 14 auf, und erlauben es, dass die zylindrische Form 10 von der fertig gestellten Antriebswelle 14 entfernt wird, wobei das Merkmal 17 in Position verbleibt. Diese Aufnahmenuten 12 können sich über die gesamte Länge der zylindrischen Form 10 erstrecken, müssen jedoch lediglich lang genug sein, dass das Merkmal 17 in die Antriebswelle in einer beliebigen Position positioniert werden kann, wobei der Verankerungsteil 16 in der Aufnahmenut 12 aufnehmbar sein muss. Wenn ein Merkmal 17 einen kleinen Verankerungsteil 16 aufweist, muss die zylindrische Form 10 keine Aufnahmenut 12 aufweisen.
Das Merkmal 17 dient zumindest zwei Zwecken bei der Verstärkung der Antriebswelle 14. Als erstes zeigt ein Verbundstoffmaterial mit einem festen Partikel in der Verbundstoffmatrix, wie etwa einem Merkmal 17, eine verbesserte Druckfestigkeit. Diese erhöhte Festigkeit verbessert das Leistungsvermögen des Verbundstoffs während des Gesenkschmiedevorgangs. Wenn an eine gleichförmige Antriebswelle 14 eine Spannung angelegt wird, wird diese Spannung gleichmäßig über die gesamte Welle 14 übertragen. Wenn die Höhe der Spannung bzw. Spannungsbelastung größer ist als sie von dem Material ausgehalten wird, um die Antriebswelle 14 zu erstellen, bricht die Antriebswelle 14. Verbundstoffmaterialien besitzen geringe Plastizität. Die nachfolgend erläuterte Wirkung des Gesenkschmiedens erfordert ein Material mit höherer Druckfestigkeit und Plastizität als Verbundstoffmaterialien sie typischerweise besitzen. Während der Gesenkschmiedevorgang ein nützliches Verfahren zum Verbinden einer Antriebswelle 14 darstellt, kann Gesenkschmieden häufig nicht eingesetzt werden, wenn die Antriebswelle aus einem Verbundstoffmaterial besteht.
Wenn eine Antriebswelle 14 jedoch zusätzliche eingeführte bzw. eingesetzte Merkmale 17 aufweist, wird die Spannungsverteilung modifiziert. Anstatt dass die Druckspannung ungleichmäßig über das gesamte Verbundstoffmaterial der Antriebswelle 14 verteilt wird, wird die Spannung an bzw. in den Merkmalen 17 fokussiert. Da die Merkmale 17 eine höhere Druckfestigkeit besitzen als das Verbundstoffmaterial, vermögen sie die Spannung wirksam aufzunehmen, die an der Antriebswelle angelegt ist, und zwar besser als das Verbundstoffmaterial. Anstatt dass die Spannungskräfte ausschließlich durch das Verbundstoffmaterial aufgenommen bzw. getragen werden, werden sie disproportional durch die Merkmale 17 getragen. Die Spannung wird dadurch durch die starken Metallmerkmale 17 problemloser verteilt und aufgenommen als durch das spröde.Verbundstoffmaterial der Antriebswelle 14.
Zweitens und wie nachfolgend erläutert, stellt der Gesenkschmiedevorgang für eine Verbundstoffantriebswelle 30 mit einem oder mehreren Merkmalen 17, die zusätzlich an bzw. in ihr vorgesehen sind, einen zweiten Kontaktpunkt für die Verblockung zwischen der Verbundstoffantriebswelle 30 und der Welle bereit, mit der diese durch den Gesenkschmiedevorgang verbunden werden soll. Während der Gesenkschmiedevorgang einer gleichförmigen Verbundstoffantriebswelle 30 lediglich einen Kontakt am Ende der Welle bereit stellt, erlaubt das zusätzlich vorgesehene Merkmal einen Eingriff am Kopfteil 15 des Merkmals 17. Eine zusätzliche Stelle für den Eingriff und die Verformung führt damit zu einer sichereren und festeren Verbindung.
Fig. 4A und 4B zeigen, wie das Merkmal 17 gemäß einer Ausführungsform der Verbundstoffantriebswelle 30 ein effektiveres Gesenkschmieden bewirkt als der Stand der Technik gemäß den Fig. 1A-1C. Fig. 4A zeigt eine Ausführungsform einer Verbundstoffantriebswelle 30 mit einem einzigen eingeführten bzw. eingesetzten Merkmal 17, wie nachfolgend erläutert. Es ist erwünscht, die Welle mit einer Metallbuchse 24 mit größerem Radius zu verbinden. Die Verbundstoffantriebswelle 30 wird in Auswärtsrichtung einem Gesenkschmiedevorgang unterworfen, so dass der Radius der Verbundstoffantriebswelle 30 vergrößert wird. Während des Gesenkschmiedevorgangs erlaubt das zusätzliche Merkmal 17, dass das Gesenkschmieden auftritt, ohne dass die Verbundstoffantriebswelle 30 zu Bruch geht. Die Verbundstoffantriebswelle 30 wird dem Gesenkschmiedevorgang unterworfen, bis das Ende der Verbundstoffantriebswelle 30 und das Merkmal 17 in Kontakt mit der Metallbuchse 24 gelangen, und zwar unter Eingriff mit dieser und sich in diese verformend. Nach dem Gesenkschmiedevorgang ergibt sich der in Fig. 4B gezeigte Aufbau. Ein Kontaktpunkt 32 ist dabei nicht nur dort gebildet, wo das Ende der Verbundstoffantriebswelle 30 die äußere Metallbuchse 24 berührt, sondern auch am Einführ- bzw. Einsetzpunkt des Merkmals 17. Dies führt zu einer sichereren und festeren Verbindung, und zwar jeweils auf Grund der zwei Kontaktpunkte 32 und auf Grund der Verformung der Verbundstoffantriebswelle 30 in die Metallbuchse 24 hinein. Die Verbundstoffantriebswelle 30 und die Metallbuchse 24 gelangen deshalb während einer typischen Verwendung normalerweise nicht außer Eingriff.
In Fig. 5 ist eine fertig gestellte Verbundstoffantriebswelle 30 gezeigt, die sich noch in der zylindrischen Form 10 befindet, und zwar nur mit einem einzigen Merkmal 17. Die fertig gestellte Verbundstoffantriebswelle besteht aus einer ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial 34, auch als Wellenkörper bezeichnet und angebracht um die zylindrische Form 10, einem Merkmal 17, das durch die erste Schicht des Verbundstofffasermaterials 34 in eine Aufnahmenut 12 in der zylindrischen Form 10 eingeführt bzw. eingesetzt ist, und aus einer zweiten Schicht aus Verbundstofffasermaterial 36, das um den gesamten Aufbau angebracht ist.
Das Verfahren zur Herstellung einer derartigen Verbundstoffantriebswelle 30 ist im Flussdiagramm von Fig. 6 dargestellt. Das Verfahren sieht zunächst die Bereitstellung der zylindrischen Form 10 in einem Kasten (Schritt 110) vor. Die erste Schicht 34 aus Verbundstofffasermaterial wird um die zylindrische Form 10 angebracht (Schritt 120). Zumindest ein Merkmal 17 wird durch die erste Schicht des Verbundstofffasermaterials 34 in Aufnahmenuten 12 in der zylindrischen Form 10 eingeführt bzw. eingesetzt (Schritt 130). Eine zweite Schicht 36 aus Verbundstofffasermaterial wird daraufhin über den gesamten Aufbau angebracht (Schritt 140) und ein Fertigstellungsverfahren konsolidiert die gesamte Verbundstoffantriebswelle 30 (Schritt 150). Die zylindrische Form 10 wird aus dem Zentrum der fertig gestellten Verbundstoffantriebswelle 30 entfernt (Schritt 160).
Die Verbundstofffasermaterialschichten 34 und 36 bestehen bevorzugt aus einer oder mehreren Kohlenstofffaserfolien bzw. -schichten. Die Kohlenstofffaserfolie ist bevorzugt vorab imprägniert mit Verbundstofffasern und Harz zur Erleichterung der Aushärtung der Folie bzw. Lage bzw. Schicht nach dem Umschlingen bzw. Umwickeln. Die verwendeten Kohlenstofffasern sind bevorzugt unidirektionell, so dass die Faserorientierung die größtmögliche Festigkeit bereit stellt. Eine derartige Folie bzw. Schicht bzw. Lage ist kommerziell erhältlich, und zwar in unterschiedlichen Dicken. Ein großer Dickenbereich ist für die vorliegende Erfindung nützlich. Besonders vorteilhaft sind Folien bzw. Lagen bzw. Schichten mit einer Dicke von ungefähr 0,008 Zoll.
Während eine vorab imprägnierte Verbundstofffaserschicht bzw. -folie Grundlage für ein bevorzugtes Verfahren zum Anbringen der Schichten 34 und 36 aus Verbundstofffasermaterial darstellt, können diese Schichten auch aufgebracht werden unter Verwendung von Filamentwicklungs- oder -flechtverfahren. Diese Verfahren sind dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik geläufig.
Wie aus Fig. 3B hervorgeht, kann das Merkmal 17 eine beliebige Form aufweisen. Der Schritt 130 zum Einsetzen bzw. Einführen des Merkmals kann vorgenommen werden bevor oder nachdem die erste Schicht 34 aus Verbundstofffasermaterial um die zylindrische Form 10 gewickelt wird (Schritt 120). Das Merkmal 17 kann in die erste Schicht 34 aus Verbundstofffasermaterial von Hand geschoben werden oder es kann eine Bohrvorrichtung oder eine andere mechanische Vorrichtung verwendet werden, um das Merkmal 17 durch die erste Schicht 34 aus Verbundstofffasermaterial hindurch zu schieben. Während es bevorzugt ist, dass das Merkmal 17 eingeführt bzw. eingesetzt wird, nachdem die erste Schicht 34 aus Verbundstofffasermaterial um die zylindrische Form 10 gewickelt worden ist, sind auch Fälle vorstellbar, bei denen es bevorzugt ist, das Merkmal 17 zuerst einzusetzen bzw. einzuführen. In einem derartigen Fall wird die erste Schicht 34 aus Verbundstofffasermaterial nicht ausgehärtet und eine Öffnung wird in der ersten Schicht 34 aus Verbundstofffasermaterial erzeugt, um das Merkmal 17 einzuführen bzw. einzusetzen, wenn die erste Schicht 34 aus Verbundstofffasermaterial gewickelt bzw. umwickelt wird. Die erste Schicht 34 aus Verbundstofffasermaterial kann auch um das Merkmal 17 geschoben werden. Ungeachtet der Art und Weise, in der das Merkmal 17 und die erste Schicht 34 aus Verbundstofffasermaterial verbunden werden, kann es vorteilhaft sein, sicher zu stellen, dass die Verbindung sicher ist. Um einen höheren Grad an Sicherheit in der Verbindung zu erzielen, kann ein Klebe- bzw. Klebstoffpolymer, wie etwa ein auf Epoxidharz basierender Klebstoff, bevorzugt um das Merkmal 17 angebracht werden, bevor die zweite Schicht 36 aus Verbundstofffasermaterial um die zylindrische Form 10 (Schritt 140) gewickelt wird, um das Merkmal 17 mit der ersten Schicht 34 aus Verbundstofffasermaterial sicher zu verbinden.
Die Verfestigung im Kasten (Schritt 150) kann auch in anderer Weise erfolgen, wie sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik erschließt. Die Konsolidierung bzw. Verfestigung kann stattfinden durch Schrumpfumwickeln der Verbundstoffantriebswelle 30, woraufhin sie Aushärten und Verkleben gelassen wird. Eine derartige kommerziell erhältliche Schrumpfwicklung besteht bevorzugt aus Polyester, Polyethylen, Polypropylen, Polyamidpolymeren, Polyimidpolymeren oder anderen thermoplastischen Polymeren oder aus einer Kombination hieraus. Die Wahl, welches Polymermaterial verwendet wird, wird getroffen auf Grundlage dessen, welches Material für den Hersteller am besten zugänglich ist und in Bezug auf die Kosten. Ein Vakuumsackaufbau kann auch verwendet werden, um die Verbundstoffantriebswelle 30 unter Verwendung von Unterdruck zu konsolidieren. Alternativ konsolidiert ein Balgformaufbau oder ein eindringbares Passwerkzeug die Verbundstoffantriebswelle 30 über mechanischen Druck. Die gesamte Verbundstoffantriebswelle 30 kann durch einen herkömmlichen chemischen Härtungsprozess behandelt werden. Andere Verfahren zum Konsolidieren der Verbundstoffantriebswelle 30, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik geläufig sind, können auf Grundlage der eingesetzten Materialien verwendet werden sowie auf Grundlage des zur Verfügung stehenden finanziellen Budgets und der Anlagen, die ein Hersteller besitzt.
Eine spezielle Ausführungsform dieser Erfindung umfasst mehrere ringsektionsförmige Merkmale 21, die um die Verbundstoffantriebswelle 30 angeordnet sind, um einen Ring zu bilden. Eine derartige Ausführungsform ist in der Querschnittsansicht von Fig. 7 gezeigt. Mehrere ringsektionsförmige Merkmale 21 sind um den Umfang der Verbundstoffantriebswelle 30 angeordnet. Sie bilden gemeinsam einen Ring um die Welle.
Dies geht am besten aus Fig. 8 hervor, wo eine derartige Verbundstoffantriebswelle ohne die zweite Schicht 36 aus Verbundstofffasermaterial 36 gezeigt ist. Diese Ringform weist mehrere Merkmale 21 für eine größere Festigkeit auf. Die Form der Kopfteile 20 der Merkmale 21 trägt dazu bei, die Spannungskräfte bei Torsionsbelastung zu verteilen. Hierdurch vermag die Verbundstoffantriebswelle 30 der Spannung besser zu widerstehen, der sie während des Gesenkschmiedevorgangs ausgesetzt ist.
Obwohl die Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert wurde, sind diese zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich, die sämtliche im Umfang der anliegenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Verbundstoffantriebswelle, aufweisend:
Einen zylindrischen Wellenkörper,
mehrere Merkmale senkrecht zur Achse des zylindrischen Wellenkörpers und aufweisend einen Kopfteil und einen Verankerungsteil, und
ein Verbundstofffasermaterial, das sich um den Wellenkörper und die Merkmale erstreckt, um diese am Wellenkörper festzulegen.

2. Verbundstoffantriebswelle nach Anspruch 1, wobei die Merkmale außerdem Metallmaterial umfassen.

3. Verbundstoffantriebswelle nach Anspruch 1, wobei die Form des Kopfteils von zumindest einem Merkmal ausgewählt ist aus folgender Gruppe: Stifte, Bolzen bzw. Nieten, Befestigungselemente und Ringelemente.

4. Verbundstoffantriebswelle nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der Verankerungsteile einen Stift umfasst.

5. Verbundstoffantriebswelle nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Abschnitt des Verankerungsteils außerdem zumindest eines der Elemente aufweist, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: Haken, Rippen, Gewinde, Rändelkanten.

6. Verfahren zur Herstellung einer Verbundstoffantriebswelle, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen einer länglichen zylindrischen Form,
Anbringen einer ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial umfangsmäßig um die Form, Einführen bzw. Einsetzen von zumindest einem Merkmal radial durch die erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial, wobei das Merkmal einen Kopfteil und einen Verankerungsteil umfasst,
Anbringen einer zweiten Schicht aus Verbundstofffasermaterial über der ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial und dem zumindest einen Merkmal,
Konsolidieren der Antriebswelle, und
Entfernen der zylindrischen Form von der Antriebswelle.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zylindrische Form außerdem zumindest eine Aufnahmenut umfasst.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Verankerungsteil der Merkmale in die Aufnahmenuten eingesetzt wird bzw. ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt zum Anbringen der ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial außerdem folgende Schritte aufweist: Bereitstellen von einer oder mehreren Lagen aus vorab imprägniertem Harzverbundstofffasermaterial, und Wickeln der Lagen um die Form und jede der Schichten, die unter ihnen liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt zum Anbringen einer zweiten Schicht aus Verbundstofffasermaterial außerdem die Schritte aufweist: Bereitstellen von einer oder mehreren Lagen aus vorab imprägniertem Harzverbundstofffasermaterial, und Wickeln der Lagen um die Form und sämtliche Schichten, die darunter liegen können.

11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Form des zumindest einen Merkmals aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: Stifte, Bolzen bzw. Nieten, Befestigungselemente und Ringelemente.

12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Form von zumindest einem Merkmal eine Ringform ist, und wobei das Merkmal umfangsmäßig gleichmäßig beabstandet um die Welle angeordnet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt zum Einführen bzw. Einsetzen des zumindest einen Merkmals Folgendes aufweist: Manuelles Schieben des Merkmals in die erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial.

14. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt zum Einführen bzw. Einsetzen des zumindest einen Merkmals aufweist: Verwenden einer mechanischen Vorrichtung zum Schieben des Merkmals in die erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial.

15. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt zum Konsolidieren der Antriebswelle außerdem aufweist das Einsetzen von zumindest einem Verfahren, das ausgewählt ist aus folgender Gruppe: Härten, Schrumpfwickeln, Vakuumsackkonsolidierten, Druck ausüben mit einem Balg bzw. einer eindringbaren Form.

16. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das zumindest eine Merkmal außerdem Metallmaterial umfasst.

17. Verfahren nach Anspruch 8, außerdem aufweisend den Schritt, eine Klebstoffsubstanz um das Merkmal anzubringen vor dem Anbringen der zweiten Schicht aus Verbundstofffasermaterial.

18. Verfahren zur Herstellung einer Verbundstoffantriebswelle, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen einer länglichen zylindrischen Form, die zumindest eine Aufnahmenut festlegt,
Einsetzen bzw. Einführen von zumindest einem Merkmal radial in die Aufnahmenuten in der Form, wobei das Merkmal einen Kopfteil und einen Verankerungsteil aufweist,
Anbringen einer ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial umfangsmäßig um die Form und das Merkmal,
Schieben des Kopfteils des Merkmals durch die erste Schicht aus Verbundstofffasermaterial,
Anbringen einer zweiten Schicht aus Verbundstofffasermaterial über der ersten Schicht aus Verbundstofffasermaterial und den Merkmalen,
Konsolidieren der Antriebswelle, und
Entfernen der zylindrischen Form von der Antriebswelle.

19. Verfahren nach Anspruch 18, außerdem aufweisend den Schritt, ein Klebstoffmaterial um das Merkmal anzubringen.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Klebstoffmaterial einen Klebstoff auf Epoxidharzbasis umfasst.