DE102009002232A1

DE102009002232A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Welle sowie nach diesem Herstellungsverfahren erhaltene Welle

Info

Publication number: DE102009002232A1
Application number: DE102009002232A
Authority: DE
Inventors: Thomas Klemt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Welle aus faserverstärktem Kunststoff, wobei auf die Welle Lasteinleitungselemente aufgebracht werden, sowie eine nach diesem Herstellungsverfahren erzeugte Welle. Es ist vorgegeben, dass die vorgefertigten Lasteinleitungselemente auf einem eine Hohlstruktur aufweisendes Faser-Halbzeug (3) angeordnet werden, in das Halbzeug (3) ein elastischer Hohlkörper (4) eingebracht wird und die aus Halbzeug (3), Hohlkörper (4) und Lasteinleitungselemente bestehende Anordnung (11) in ein temperierbares Formwerkzeug (10) eingebracht wird, in dem Formwerkzeug (10) die Lasteinleitungselemente in ihrer exakten Ausrichtung zueinander und zur Welle positioniert werden, der elastische Hohlkörper (4) mit einem Medium (6) befüllt wird, wodurch das Halbzeug (3) gegen die Kontur des Formwerkzeugs (7) und die Kontur der Lasteinleitungselemente gepresst wird, ein Matrixwerkstoff (8) in das Halbzeug eingebracht wird, und die Anordnung (11) in dem Formwerkzeug (10) einer Wärmebehandlung unterzogen wird und die Welle anschließend entformt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Welle sowie eine nach diesem Herstellungsverfahren erhaltene Welle mit den im Anspruch 1, den im Anspruch 15 und den im Anspruch 18 genannten Merkmalen.
Es sind verschiedene Herstellungsverfahren für die Fertigung von Nockenwellen bekannt. So gibt es in einem Gussverfahren hergestellte Nockenwellen, Nockenwellen mit aufgepressten Nocken, Nockenwellen, die in einem Innenhochdruck-Umformverfahren (IHU) hergestellt werden oder mechanisch gefügte Nockenwellen, wobei hier die Nocken mit dem Nockenwellen-Rohr formschlüssig verbunden werden.
Allen diesen Verfahrensvarianten ist gemein, dass sich die so hergestellten Nockenwellen durch ein relativ hohes Gewicht auszeichnen oder in ihrer Herstellung kostenintensiv sind. Die gegossenen Nockenwellen sind in ihrer Herstellung am günstigsten, weisen jedoch ein hohes Gewicht auf. Umgekehrt zeichnen sich die im IHU-Verfahren oder die mechanisch gefügten Nockenwellen zwar durch eine Gewichtsreduzierung gegenüber den gegossenen Nockenwellen aus, sie sind jedoch in ihrer Herstellung teuer. Die erhöhten Herstellungskosten resultieren vor allem durch die in diesen Verfahren notwendigen mechanischen Bearbeitungen, bei denen die Nocken und Lager auf Spezialmaschinen endbearbeitet werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen die Fertigung von Nockenwellen flexibilisiert wird und Nockenwellen kostengünstig hergestellt werden. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, Nockenwellen bereitzustellen, die sich durch ihre Leichtbauweise hervorheben.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und einer Welle nach Anspruch 18.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Welle aus faserverstärktem Kunststoff

– werden vorgefertigte Lasteinleitungselemente auf einem, eine Hohlstruktur aufweisenden, Faser-Halbzeug angeordnet,
– wird in das Halbzeug ein elastischer Hohlkörper eingebracht und die aus Halbzeug, Hohlkörper und Lasteinleitungselementen bestehende Anordnung wird in ein temperierbares Formwerkzeug eingebracht,
– werden in dem Formwerkzeug die Lasteinleitungselemente in ihrer exakten Ausrichtung zueinander und zur Welle positioniert,
– wird der elastische Hohlkörper mit einem Medium befüllt, wodurch das Halbzeug gegen eine Kontur des Formwerkzeugs und eine Kontur der Lasteinleitungselemente gepresst wird,
– wird ein Matrixwerkstoff in das Halbzeug eingebracht wird,
– wird die Anordnung in dem Formwerkzeug einer Härtung des Matrixwerkstoffes unterzogen und anschließend
– wird die Welle entformt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Nockenwellen für Kraftfahrzeuge, umfasst mindestens ein geschlossenes temperierbares Formwerkzeug mit einem oberen Werkzeugteil und einem unteren Werkzeugteil, wobei in einer Kavität der Werkzeugteile eine Nockenwellen-Preform anordbar ist und mit der das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
Zur Herstellung einer Nockenwellen wird eine vorgefertigte Nockenwellen-Preform in ein geschlossenes temperierbares Werkzeug eingelegt. Mittels Kombination eines Schlauchblasverfahrens mit einem Harzinjektionsverfahren wird die Herstellung der Nockenwelle bewerkstelligt. Dazu wird in einem ersten Schritt eine Nockenwellen-Preform gefertigt. Diese besteht im Wesentlichen aus einem Faserhalbzeug, auf dem Nockenringe angeordnet sind. Das Faserhalbzeug kann vorzugsweise ein Gewebeschlauch oder -rohr sein. Auf diesen Gewebeschlauch werden die Nocken und Lagerringe aufgeschoben. In den Gewebeschlauch – den „Halbzeug-Strumpf” – wird ein aufblasbarer Schlauch eingesetzt. Dieser Verfahrensschritt dient zur Durchführung des Schlauchblasverfahrens. Die so hergestellte Nockenwellen-Preform wird in das Formwerkzeug eingelegt und die Nocken werden positioniert angeordnet. Das Formwerkzeug ist vorzugsweise ein geschlossenes und temperierbares Werkzeug mit einer eine Kavität bildenden Form. In diesen Hohlraum des Werkzeuges wird die Nockenwellen-Preform eingelegt. Das Formwerkzeug wird verschlossen. Der Schlauch wird mit einem Medium befüllt und mit Druck beaufschlagt. Infolge der Ausdehnung presst dieser das Halbzeug an die Form des Werkzeuges an. Diese Form wird durch die Kontur der Kavität und den aufgefädelten Nockenringen bestimmt. Der Gewebeschlauch wird verdichtet. In den weiteren Schritten wird das Harzinjektionsverfahren ausgeführt. Dazu wird der Arbeitsraum des Formwerkzeuges evakuiert und Harz als Faser-Kunststoff-Verbund-Matrix injiziert. Unter Einwirkung von Temperatur und Druck beginnt der Matrixwerkstoff zu fließen und durchtränkt das Faserhalbzeug. Es entsteht ein Faser-Kunststoff-Bauteil. Das Faser-Kunststoff-Bauteil wird zur Fertigstellung definiert temperiert. Die Nockenwelle als fertiges Bauteil kann nach einer Härtung des Matrixwerkstoffes entformt werden.
Die erfindungsgemäße Welle umfasst einen strangförmigen Hohlkörper, auf dem Lasteinleitungselemente angeordnet sind, wobei der strangförmige Hohlkörper ein mit Matrixwerkstoff fixiertes Faser-Halbzeug umfasst, auf welchem Lasteinleitungselemente zumindest formschlüssig axial und drehfest angeordnet sind, indem Matrixwerkstoff in wenigstens eine Ausnehmung oder einen Hinterschnitt oder dergleichen einer Kontur der Lasteinleitungselemente gepresst ist.
Mit der erfinderischen Vorrichtung können Wellen gefertigt werden, beispielsweise Nockenwellen, die sich infolge des Einsatzes von Leichtbauwerkstoffen durch ein geringeres Gewicht auszeichnen. Die Fertigung der Nockenwellen wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren flexibilisiert. Die Nocken und Nockenwellenlager können als Einzelteile oder im Verbund mechanisch vorgefertigt werden. Des ermöglicht Einsparungen in Bezug auf die mechanischen Fertigungskosten.
Mit der erfindungsgemäßen Welle, beispielsweise einer Nockenwelle werden die Reibleistung im innermotorischen Betrieb und die bewegten und beschleunigten Massen im Motor verringert, das Fahrzeuggewicht und die Fertigungskosten reduziert. Außerdem lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung kostengünstige Kleinserienanlagen für die Nockenwellenfertigung errichten.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens sieht vor, dass die Lasteinleitungselemente zumindest formschlüssig mit der Welle axial und drehfest verbunden werden, indem der Matrixwerkstoff in wenigstens eine Ausnehmung oder einen Hinterschnitt oder dergleichen in der Kontur der Lasteinleitungselemente gepresst wird. Dadurch ist kein zusätzlicher Verfahrensschritt erforderlich um eine belastungsgerechte Verbindung zwischen den Lasteinleitungselementen und der Welle zu erzeugen.
Dadurch ist es vorteilhaft möglich, die Aushärtezeit bis zur Härtung des Matrixwerkstoffes zu verringern. Der Prozess zur Herstellung der Welle insgesamt wird dadurch beschleunigt und eine Herstellung einer größeren Stückzahl bei gleicher Anzahl an Vorrichtungen ist in einer vorgegebenen Zeit möglich.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens sieht vor, dass als Halbzeug ein textiles Halbzeug aus Kohlenstoff-, Glas-, Aramid- oder anderen zur Verstärkung von Kunststoffen geeigneten Fasern verwendet wird.
Aus dem Halbzeug wird das spätere faserverstärkte Kunststoff-Nockenwellenrohr gebildet. Zur Fertigung der Nockenwellen-Preform wird ein Halbzeug aus einem Endlosfasermaterial, beispielsweise Glasfaser, Kohlefaser oder Aramidfaser verwendet. Das Halbzeug ist schlauchförmig ausgestaltet. Die Endlosfasern des Halbzeuges sind zur Verringerung der Reibung vorbehandelt. In den „Schlauch” wird ein aufblasbares Element eingelegt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Halbzeug in einem Pultrusionsverfahren gefertigt wird.
Das Halbzeug aus Endlosfasermaterial wird beispielsweise in einem Flechtpultrusionsverfahren vorab mit bestimmten Maßen gefertigt. Den Durchmesser des Halbzeugstumpfes bestimmt dabei die Größe eines im Pultrusionsverfahren vorgegebenen Domes.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass endbearbeitete Nockenringe verwendet werden.
Die zum Aufbringen auf das Halbzeug bestimmten Nockenringe werden ebenfalls vorab in einem dafür vorgesehenen Fertigungsverfahren angefertigt und auf den ”Halbzeug-Schlauch” aufeinanderfolgend angeordnet und auf ihm ausgerichtet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der strangförmige elastische Hohlkörper eine Polymerblase ist.
Der in das Halbzeug eingelegte Hohlkörper besteht aus einem dehnbaren Material. Vorzugsweise ist er eine Polymerblase. Er kann beispielsweise mit einem Klemmverschluss und einem Einlaufventil versehen sein, über die dieser dann mit einem Medium befüllt und ausgedehnt wird.
Eine nächste bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als Matrixwerkstoff ein Harz oder ein Harzgemisch injiziert wird.
Nach dem Einlegen der Nockenwellen-Preform in das Formwerkzeug wird dieses verschlossen. In den nachfolgenden Verfahrensschritten wird ein Harzinjektionsverfahren ausgeführt. Dazu wird in das Formwerkzeug ein Matrixwerkstoff injiziert. Als geeigneter Matrixwerkstoff wird vorzugsweise ein Harz oder ein Harzgemisch verwendet. Der Matrixwerkstoff bildet die Matrix des Faserverbundes.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass beim Injizieren des Matrixwerkstoffes das Halbzeug mit diesem durchtränkt wird.
Das Harz oder Harzgemisch durchtränkt die Fasern des Halbzeuges. Nach dem Temperiervorgang und dem Aushärten entsteht aus dem Halbzeug das Kunststoff-Nockenwellenrohr.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Medium ein wärmebeständiges Gas oder eine Flüssigkeit ist.
Mit Hilfe eines Gases, beispielsweise Luft, wird der in das strumpfartige Halbzeug eingeführte Schlauch aufgeblasen. Durch das Aufblasen des Schlauches wird das Halbzeug an die Formkontur des Werkzeuges beziehungsweise an die aufgefädelten Nockenringe gepresst.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Formwerkzeug ein geschlossenes Resin-Transfer-Molding-Werkzeug (RTM-Werkzeug) ist.
Das Formwerkzeug ist vorzugsweise ein geschlossenes temperierbares RTM-Werkzeug, mit dem das Harzinjektionsverfahren durchgeführt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Nockenwellen-Preform ein schlauchartiges dehnbares Halbzeug ist, welches aus einem Kohlefasergewebeschlauch gebildet ist, auf dem Nockenringe aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische und vereinfachte Schnitt-Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer Nockenwelle gemäß der Erfindung.
1 zeigt eine schematische Schnitt-Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Nockenwellen. Die Vorrichtung weist im Wesentlichen ein oberes Werkzeugteil 1 und ein unteres Werkzeugteil 2 auf, die gegenüberliegend angeordnet sind. Es handelt sich um ein Formwerkzeug 10, mit dem ein Harzinjektionsverfahren ausführbar ist. Die Werkzeugteile 1, 2 des Formwerkzeuges 10 bilden einen Hohlraum, eine Kavität 12. Innerhalb dieser Kavität 12 ist eine Nockenwellen-Preform 11 angeordnet. Die Nockenwellen-Preform 11 besteht im Wesentlichen aus einem schlauchartigen Halbzeug 3, auf das vorgefertigte Nockenringe 50, 51, 52, 53, 54 aufgefädelt und positioniert angeordnet werden. Das Halbzeug 3 ist ein Gewebe aus einer Endlosfaser. Es hat die Form eines Schlauches. In diesem Halbzeug 3 ist ein aufblasbarer strangförmiger elastischer Hohlkörper 4 in Form einer Polymerblase eingelegt. In 1 ist der strangförmige elastische Hohlkörper 4 aufgeblasen und das Halbzeug 3 an die Formkontur 7 angepresst dargestellt.
Zur Herstellung von Nockenwellen wird die so vorbereitete Nockenwellen-Preform 11 in das Formwerkzeug 10 eingelegt. Das Formwerkzeug 10 wird verschlossen. An einer Seite des Halbzeuges 3 wird in den strangförmigen elastischen Hohlkörper 4 ein wärmebeständiges Medium eingefüllt. Anschließend wird der im Halbzeug 3 befindliche strangförmige elastische Hohlkörper 4 durch Druckbeaufschlagung aufgeblasen bis das Halbzeug 3 an eine Formkontur 7 gepresst wird. Die Formkontur 7 wird vorgegeben durch die Kavität 12 beziehungsweise die Nockenringe 50, 51, 52, 53, 54. Anschließend wird ein Matrixwerkstoff 8 in das Formwerkzeug 10 injiziert, wobei die im Werkzeug befindliche Luft über eine Vakuumpumpe abgesaugt wird. Das an die Formkontur 7 angepresste Halbzeug 3 wird mit dem injizierten Matrixwerkstoff durchtränkt. Als Matrixwerkstoff 8 wird ein Harz oder ein Harzgemisch injiziert. In einem weiteren Schritt wird ein Temperiervorgang durchgeführt und das mit dem Matrixwerkstoff 8 durchtränkte ausgedehnte Halbzeug 3 zu einem Faserverstärkten-Kunstoff-Formbauteil ausgehärtet. Das ausgehärtete Formbauteil – hier nicht näher dargestellt – ist das Kunststoff-Nockenwellenrohr. Schließlich wird die Nockenwelle entformt.

1: oberes Werkzeugteil
2: unteres Werkzeugteil
3: Halbzeug
4: strangförmiger elastischer Hohlkörper
50: Nockenring
51: Nockenring
52: Nockenring
53: Nockenring
54: Nockenring
6: Medium
7: Formkontur
8: Matrixwerkstoff
10: Formwerkzeug
11: Nockenwellen-Preform
12: Kavität
13: Verschluss

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Welle aus faserverstärktem Kunststoff, wobei – vorgefertigte Lasteinleitungselemente auf einem, eine Hohlstruktur aufweisenden, Faser-Halbzeug (3) angeordnet werden, – in das Halbzeug (3) ein elastischer Hohlkörper (4) eingebracht wird und die aus Halbzeug (3), Hohlkörper (4) und Lasteinleitungselementen bestehende Anordnung (11) in ein temperierbares Formwerkzeug (10) eingebracht wird, – in dem Formwerkzeug (10) die Lasteinleitungselemente in ihrer exakten Ausrichtung zueinander und zur Welle positioniert werden, – der elastische Hohlkörper (4) mit einem Medium (6) befüllt wird, wodurch das Halbzeug (3) gegen eine Kontur des Formwerkzeugs (7) und eine Kontur der Lasteinleitungselemente gepresst wird, – ein Matrixwerkstoff (8) in das Halbzeug (3) eingebracht wird, – die Anordnung (11) in dem Formwerkzeug (10) einer Härtung des Matrixwerkstoffes (8) unterzogen wird und – die Welle anschließend entformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasteinleitungselemente zumindest formschlüssig mit der Welle axial und drehfest verbunden werden, indem der Matrixwerkstoff (8) in wenigstens eine Ausnehmung wenigstens einen Hinterschnitt oder dergleichen in der Kontur der Lasteinleitungselemente gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtung des Matrixwerkstoffes (8) durch einer Wärmebehandlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle als Nockenwelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbzeug (3) ein textiles Halbzeug aus Kohlenstoff-, Glas-, Aramid- oder anderen zur Verstärkung von Kunststoffen geeigneten Fasern verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbzeug (3) ein hybrides Halbzeug mit voreingestelltem Thermoplastanteil verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (3) aus einem Kohlefasergewebeschlauch gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (3) in einem Pultrusionsverfahren angefertigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass endbearbeitete Nockenringe (50, 51, 52, 53, 54) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als strangförmiger elastischer Hohlkörper (4) eine Polymerblase verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrixwerkstoff (8) ein Harz oder ein Harzgemisch injiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Injizieren des Matrixwerkstoffes (8) das Halbzeug (3) mit diesem durchtränkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nachdem die Anordnung (11) in das Formwerkzeug (10) eingebracht wurde, der Arbeitsraum im Formwerkzeug (10) evakuiert wird und ein Harz als Matrixwerkstoff in den Arbeitsraum injiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium (6) ein wärmebeständiges Gas oder eine Flüssigkeit verwendet wird.
Vorrichtung zur Herstellung von Nockenwellen für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens ein geschlossenes temperierbares Formwerkzeug (10) mit einem oberen Werkzeugteil (1) und einem unteren Werkzeugteil (2) umfasst, wobei in einer Kavität (12) der Werkzeugteile (1), (2) eine Nockenwellen-Preform (11) anordbar ist und mit der ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (10) ein geschlossenes Resin-Transfer-Molding-Werkzeug (RTM-Werkzeug) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwellen-Preform (11) ein schlauchartiges Halbzeug (3) ist, welches aus einem Kohlefasergewebeschlauch gebildet ist, auf dem Nockenringe (50), (51), (52), (53), (54) aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Welle mit einem strangförmigen Hohlkörper (4), auf dem Lasteinleitungselemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der strangförmige Hohlkörper (4) ein mit Matrixwerkstoff (8) fixiertes Faser-Halbzeug (3) umfasst, auf welchem Lasteinleitungselemente zumindest formschlüssig axial und drehfest angeordnet sind, indem Matrixwerkstoff (8) in wenigstens eine Ausnehmung, wenigstens oder einen Hinterschnitt oder dergleichen einer Kontur der Lasteinleitungselemente gepresst ist.
Welle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle eine Nockenwelle insbesondere für Kraftfahrzeuge ist.