Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auslegung von Antriebswellen aus Faser-Kunststoff- Verbunden (FKV) für den Automobilbereich. Es werden die auslegungsrelevanten Bereiche Berechnung, erste biegekritische Eigenfrequenz, Crashverhalten, Schlagbelastung, Torsionsbeulen und Krafteinleitung behandelt. Ziel ist es, den FKV-Konstrukteur in die Lage zu versetzen, eine leichtbaugerechte FKV-Antriebswelle für den Automobilbereich auszulegen und zu qualifizieren. Dafür werden ihm Auslegungsabläufe, Konstruktionshinweise und Kennwerte zu Verfügung gestellt.

In einem Auslegungsablauf wird vorgestellt, wie bei einer FKV-Wellenauslegung vorgegangen werden sollte. Eine Diskussion der beeinflussbaren Faktoren zeigt auf, welche Werkstoff- und Geometrieparameter zu ändern sind, um die geforderten Anforderungen zu erfüllen.

Für den Einsatz von FKV liegen für den Serieneinsatz von FKV-Strukturbauteilen keine Gestaltungsrichtlinien wie bei Metallen vor. Eine Gegenüberstellung von Auslegungsmöglichkeiten am Beispiel einer FKV-Antriebswelle zeigt die Auswirkung auf die Masse und somit die Leichtbaugüte.

Die Forderung nach immer längeren Wellen bzw. nach einer immer größeren ersten biegekritischen Eigenfrequenz und dem damit einhergehenden Sekundärleichtbau wird immer größer. Um dem Rechnung zu tragen wurde eine neue Bauweise entwickelt, mit der die erste biegekritische Eigenfrequenz nur noch von Bauraumrestrektionen abhängig ist. Dafür werden die benötigten Beziehungen zur Berechnung der neuen Wellengeometrie und Fertigungshinweise gegeben.

Antriebswellen müssen bei einem Frontal- oder Heckaufprall definiert Versagen und Energie dissipieren. Vorhandene Crashsysteme für den Einsatz in einer FKV-Antriebswelle benötigen zusätzliche Bauteile. Eine Neuentwicklung eines integral-gefertigten Crashsystems kommt ohne zusätzliche Massen und Anbauteile aus. Hierzu wird das Crashelement ausgelegt, der Versagensmechanismus beschrieben und mit statischen und dynamischen Versuchen der Nachweis über die geforderte Energiedissipation gebracht.

Eine Untersuchung über die Schadenstoleranz in Bezug auf Schlagbeanspruchung stellt die Auswirkungen von Schlägen mit einem Energieeintrag von 5 – 50 J von GF-EP-, CF-EP- und GF-PA- Wellen gegenüber. Die Analyse des Schlagvorgangs gibt Aufschluss über die Schadenshergang und die Besonderheiten bei einem Schlag auf die konvexe Wellenoberfläche. Abschließend werden Reparaturmöglichkeiten vorgestellt, um aus Ausgangsbruchmoment wiederherzustellen.

Das Torsionsbeulen ist ein schlagartiges Totalversagen, das während des Betriebs nicht auftreten darf. Es muss bei der Auslegung nachgewiesen werden, dass die Grenze des Torsionsbeulens über dem maximalen Torsionsmoment liegt. Um dem FKV-Konstrukteur eine einfache Beziehung zu Verfügung zu stellen, wurde eine vorhandene Beziehung für das Torsionsbeulen von Flugzeugrümpfen durch analytische, numerische und praktische Versuche auf die Anwendbarkeit von FKV-Antriebswellen untersucht. Des Weiteren wurde nachgewiesen, ab welchem Torsionsmoment die Welle im Vorbeulbereich Vorbeulen ausprägt und wie das Torsionsbeulmoment erhöht werden kann.

Der Längspressverband ist die FKV- und leichtbaugerechteste Krafteinleitung in Antriebswellen. Der Längspressverband wurde geschlossen analytisch gelöst, jedoch lagen die zur Auslegung benötigten Kennwerte nicht vor. Durch Versuche wurden die Kennwerte ermittelt und die Spannungsverteilung am Längspressverband während einer Belastung untersucht. Durch eine Untersuchung des Fügevorgangs wurde die Einpresskraft verringert und die Festigkeit durch eine konstruktive Änderung der Nabe deutlich erhöht.

Jedes Kapitel schließt als Zusammenfassung mit Gestaltungshinweisen und einem Ausblick. Somit ist der FKV-Konstrukteur mit den erarbeiteten Ergebnissen in der Lage, eine leichtbaugerechte FKV- Antriebswelle auszulegen.

Schriftenreihe Konstruktiver Leichtbau mit Faser-Kunststoff-Verbunden