Kraftübertragungsvorrichtung mit einem Stab aus Faser¬ verbundwerkstoff

Die Erfindung betrifft eine Kraftübertragungsvorrich¬ tung mit einem Stab aus Faserverbundwerkstoff gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Eine derartige Kraftübertragungsvorrichtung ist bei- spielsweise aus der DE 102 47 003 A 1 bekannt, die ein Rohr aus Faserverbundwerkstoff aufweist. In dieses Rohr aus Faserverbundwerkstoff greift an ihrem einen Ende ein Übertragungseiement aus Metall ein und ist mit der Innenwandung des Rohres verklebt und über diese Klebe- Verbindung drehfest verbunden. Das Übertragungselement ist bereichsweise aufweitbar, so dass dieses zumindest bereichsweise gegen die Innenwandung des Stabes aus Fa¬ serverbundwerkstoff gedrückt wird.

Kritisch ist grundsätzlich bei Verbindungen zwischen einem Stab aus Faserverbundwerkstoff und einem Übertra¬ gungselement aus Metall die Art der Verbindung. Nach der oben genannten Druckschrift ist es bekannt, eine Klebeverbindung herzustellen und das Übertragungseie- ment so auszubilden, dass durch ein Aufweiten ein defi¬ nierter Anpressdruck erzeugt wird. Hierdurch soll sich eine definierte Verklebung ergeben. Diese bekannte technische Lösung mit einem Verkleben des Übertragungseiements mit dem Stab aus Faserverbund¬ werkstoff ist jedoch sehr schwer numerisch zu simulie¬ ren. Zeitraffende Versuche können das Risiko eines Aus- falls der Verbindung nicht absolut ausschließen. Es be¬ steht daher weiterhin ein Restrisiko, dass nach be¬ stimmter Einsatzzeit und/oder bestimmten Einsatzprofi¬ len und/oder durch Missbrauch die Klebeverbindung ver¬ sagt. Dies ist insbesondere im Kraftfahrzeugbau, bei kritischen Verbindungen, beispielsweise bei der Kraft¬ übertragung von Lenkrad auf Lenkgestänge gefährlich, da bei einem Versagen der Klebeverbindung das Lenkrad nicht mehr mit dem Lenkgestänge verbunden ist.

Aus der DE 199 58 375 A 1 ist ein Stab aus Faserver¬ bundwerkstoff bekannt, der mit einem Übertragungsele¬ ment aus Metall über ein Zwischenelement aus einem gleichen Werkstoff wie der Stab zur Übertragung von a- xialen Kräften formschlüssig mit dem Stab verbunden ist. Das Zwischenelement ist mit dem Stab verklebt. Das Zwischenelement und das Übertragungseiement wirken als Anschlag und dienen zur axialen und somit formschlüssi¬ gen Fixierung.

Nachteilig bei dieser bekannten Ausführungsform ist, dass diese nicht für die Übertragung von Drehmomenten ausgelegt ist. Zudem muss das Zwischenelement zwingend aus dem Werkstoff des Stabes bestehen. Des Weiteren werden Kräfte sowohl über das Zwischenelement als auch direkt vom übertragungseiement auf den Stab übertragen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kraftübertragungsvorrichtung anzugeben, die den techni- sehen mechanischen Forderungen über die gesamte Fahr¬ zeuglebensdauer unter allen bekannten Einsatzbedingun¬ gen erfüllt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnende Merkmale des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffs¬ merkmalen gelöst.

Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich durch das Zwischenschalten eines Adapters zwischen dem Stab aus Faserverbundwerkstoff und dem Übertragungseie- ment durch die Ausbildung und die Dimensionierung des Formschlusses die Eigenschaft der Verbindung genau be¬ rechnen und bestimmen lässt. Die Verbindung kann dabei so ausgelegt werden, dass im normalen Betrieb keine Schädigung der FormschlussVerbindung erfolgt. Die KIe- beverbindung lässt sich über die Größe der Klebeflächen so definieren, dass diese auf alle Fälle hält und die Verbindungseigenschaften nur von dem Formschluss ge¬ währleistet werden.

Weiterhin kann durch die Wahl der Art der Profilierung in Umfangsrichtung des Adapters und des zugeordneten Bereiches des Übertragungselements die Belastung der Klebeverbindung und der Matrix des Faserverbundwerk¬ stoffes des Stabes in weiten Bereichen den Anforderun- gen entsprechend angepasst werden. Die aufgrund der ge¬ ometrischen Aüsformungen entstehenden Belastungen .las¬ sen sich durch rechnerische Simulation sehr gut bestim¬ men. Nach der Erfindung ist daher zwischen dem Stab und dem Übertragungseiement ein Adapter zwischengeschaltet, der mit dem Stab, beispielsweise durch Kleben oder Schwei- ßen, und mit dem Übertragungseiement formschlüssig drehfest verbunden ist.

Vorzugsweise erfolgt dabei der Formschluss durch die Art der Profilierung in Umfangsrichtung des Adapters und des zugeordneten Bereichs des Übertragungselements.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Formschluss durch ein Keilwellenprofil, ein Kerbzahn¬ profil, ein Zahnnaben-/Zahnwellenprofil im Adapter und Übertragungselement hergestellt.

Ein derartiger Formschluss zwischen Adapter und Über¬ tragungselement ist dabei so ausgelegt, dass auch bei auftretenden Spannungsspitzen die Zähne bzw. Keile im unterkritischen Bereich im Normalbetrieb belastet wer¬ den. Da Formschlussprofile numerisch erfasst werden können, ist dies eine einfache Möglichkeit, den Normal¬ betrieb zu gewährleisten.

Insbesondere ist dabei der Adapter, nämlich die zur Verfügung stehende Fläche der Klebeverbindung, so di¬ mensioniert, dass die auftretende Spannung die zulässi¬ ge Scherspannung der Klebe- bzw. Schweißverbindung nicht überschreitet.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Stab als Rohr ausgebildet. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist in Kraft¬ fahrzeugen zu sehen, vorzugsweise wenn die Kraftüber¬ tragungsvorrichtung Teil einer Lenksäule eines Kraft¬ fahrzeugs zum übertragen von Lenkkräften zwischen einem Lenkrad und einem Lenkgestänge ist. Dabei ist vorzugs¬ weise der aus dem Rohr herausstehende Teil des Übertra¬ gungselements in Richtung auf das Rohr konisch ausge¬ bildet, also mit einem konischen Ansatz versehen. Die Normal-Belastung für die Kraftübertragungsvorrichtung im Fahrbetrieb besteht aus Torsionsmomenten mit gerin¬ gen, durch mögliche Kreuzgelenke in den Anbindungspunk- ten induzierten Biegespannungen. Die "Versagens- Belastung" besteht aus einer axialen Kraft. Durch den konischen Ansatz des Übertragungseiements wird das Rohr durch Eindringen des Übertragungselements definiert aufgeweitet/zerstört.

Das Übertragungseiement besteht insbesondere aus Metall und der Adapter aus Kunststoff oder Metall. Der Adapter aus Kunststoff kann dabei in einem Spritzguss- oder Extrusionsverfahren hergestellt sein. Der Adapter aus Metall kann durch Kaltumformung hergestellt sein.

Von Vorteil bei dieser Ausbildung ist, dass das Wellen- profil (Keil, Kerb, Zahn, ....) in einem Stück aus Fa- serverbundwerkstoff schwer herstellbar, im Adapter in Form eines Kunststoff- oder Metallzwischenstück einfach hergestellt werden kann.

Um den Gasaustausch beim Aushärten der Klebeverbindung zwischen Adapter und Stab zu gewährleisten, ist der A- dapter bereichsweise gelocht. Hierdurch können die Gase austreten und es kommt zu einem schnellen Aushärten der Klebeverbindung. Zudem entsteht durch austretenden Klebstoff in der Bohrung nach dem Aushärtung ein gewis¬ ser Formschluss, welcher die Sicherheit der Klebever¬ bindung bei Torsionsbelastung erhöht.

Die Kraftübertragungsvorrichtung weist vorzugsweise ei¬ ne zur Quermittelebene symmetrische Ausbildung auf. Um die Eigenschaften der Verbindung einfach und vollstän¬ dig festlegen zu können, ist der Adapter im Hinblick auf die zu übertragenen Kräften zwischen Übertragungs¬ element und Stab in Reihe geschaltet.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vor¬ liegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusam¬ menfassung und den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begrif¬ fe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. Die Zeich¬ nungen zeigen in

Figur 1 einen Längsschnitt durch die Kraftübertra- gungsVorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung, und

Figur 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Endes der Kraftübertragungsvorrichtung.

In Figur 1 ist in einer Längsschnittdarstellung eine KraftübertragungsVorrichtung als Teil einer Lenksäule eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Kraftübertra- gungsVorrichtung 10 besteht aus einem Rohr 12 aus Fa¬ serverbundwerkstoff. In die Enden des Rohres 12 sind Übertragungselemente 14 als Teil eines Kreuzgelenks 16 eingebracht,

Die Kraftübertragungsvorrichtung 10 kann bezüglich ih¬ rer Quermittelebene 18 kann symmetrisch ausgebildet sein. Zwischen Rohr 12 und Übertragungselement 14 ist ein Adapterring 20 zwischengeschaltet. Das Übertra- gungselement 14 weist einen der Innenseite des Adapter¬ rings 20 zugeordneten Bereich 14 und einen sich daran anschließenden konischen Ansatz 14b auf.

Der Adapterring 20 weist an seiner Innenseite mehrere Keilprofile 22 auf, die Keilnuten 24 des Übertragungs¬ elements 14 zugeordnet sind.

Zwischen den Keilprofilen 22 sind nebeneinander jeweils mehrere Bohrungen 26 in den Adapterring 20 eingebracht. Der Adapterring 20 ist an einem Ende des Rohres 12 mit seiner Außenseite 28 fest mit der Innenseite 30 des Rohres 12 verklebt oder verschweißt. Über die Bohrungen 26 kann der Klebstoff einfach aushärten, da die beim Aushärtungsprozess entstehenden Gase über die Bohrungen 26 entweichen können. Zudem dringt Klebstoff in die Bohrungen 26. Nach dem Aushärten entsteht durch den ausgetretenen Klebstoff, der nun kleine Stoffe bildet, ein gewisser Formschluss, welcher die Sicherheit der Klebeverbindung erhöht. Nach dem Verkleben des Adapter- ringes 20 mit dem Rohr 12 wird das Übertragungseiement 14 in den mit dem Rohr 12 verbundenen Adapterring 21 eingesteckt. Über das durch die Keilprofile 22 und Keilnuten 24 gebildete Keilwellenprofil erfolgt eine drehfeste Verbindung zwischen dem Übertragungseiement 14 und dem Adapterring 20 sowie dem Rohr 12.

Die Dimensionierung der Länge des Adapterringes 20 und somit der Klebefläche zwischen Adapterring 20 und Rohr 12 wird dadurch bestimmt, dass ein Lösen der Klebever¬ bindung auf alle Fälle unter den zu erwartenden Belas¬ tungen verhindert werden soll. Das Keilprofil 22 sowie die Keilnuten 24 sind so dimensioniert, dass ein Aus- fall der Verbindung ebenfalls verhindert wird. Sollte es jedoch in Folge eines Autocrashs zu axialen Belas¬ tungen kommen, dringt das Übertragungseiement 14 in das Rohr 12 ein, über den konischen Ansatz 14b wird das Rohr 12 definiert aufgeweitet und zerstört. Das für den Crash notwendige Lösen der Verbindung zwischen Übertra¬ gungselement 14 und Rohr 12 wird dadurch auf einfache Weise gewährleistet. Die Auslegung ist ohne weiteres über Rechenverfahren möglich. Hierdurch wird das Risiko des Versagens im Normalbetrieb ausgeschlossen.

Die Verklebung ist so vorzugsweise gestaltet, dass ein bei ca. 180° Celsius warm aushärtender Klebestoff dünn auf die vorbereiteten Klebeflächen der Innenseite 30 des Rohres 12 und die Außenseite 28 des Adapterringes 20 aufgebracht wird. Um den Gasaustausch im chemischen Aushärteprozess zu unterstützen, sind die Adapterringe 20 partiell mit den Bohrungen 26 versehen.

Während des Herstellungsprozessen können Dorne für die Dauer des Fügevorganges die noch nicht montierten Über¬ tragungselemente 14 ersetzen. Hierdurch wird erreicht, dass während des Herstellungsprozesses in allen Tempe¬ raturbereichen gleiche Geometrie - Umfang und Radius -, also die Maßhaltigkeit Formschlussprofile, gewährleis¬ tet wird.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch das Formschlussprofil zwischen Adapterring 20 und Übertra¬ gungselement 14 die Spannungsspitzen im Normalbetrieb an den Keilprofilen 22 und Keilnuten 24 auf einfache Weise unterkritisch bleiben. B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E

10 Kraftübertragungsvorrichtung 12 Rohr 14 Übertragungseiement 14a dem Adapterring zugeordneten Bereich 14b konischer Ansatz 16 Kreuzgelenk 18 Quermittelebene 20 Adapterring 22 Keilprofil 24 Keilnute 26 Bohrungen 28 Außenseite des Adapterringes 30 Innenseite des Rohres