Beschreibung

Problemstellung

Torsionsbelastete Rohre und ähnliche, drehmomenttragende Bauteile erfahren mehrachsige Spannungszustände. So setzt sich die Schubspannung in einem gedachten, senkrechten Schnitt durch ein torsionsbelastetes Rohr entsprechend des Mohrschen Spannungskreises in zwei orthogonale

Hauptspannungen in den Richtungen +/- 45°, je eine Richtung unter Zug- und Druckspannung, um. Dieser Spannungszustand ist für amorphe Werk- stoffen (Metalle), entsprechend ihrer Werkstoffgrenzen unproblematisch. Faserverbundwerkstoffe sind jedoch besonders empfindlich gegenüber mehrachsigen Spannungszuständen. Um die Hauptspannungen zu tragen, werden die Laminatschichten bevorzugt in die Hauptspannungsrichtungen gelegt. Klassische Torsionsrohre aus Faserverbundwerkstoffen werden da her aus Fasern unterschiedlichen Drehsinns aufgebaut. Beispielsweise tragen Fasern mit einer Wickelrichtung von +45 Grad die Zugspannungen und Fasern mit einer Wickelrichtung von -45 Grad die Druckspannungen. Hier bei liegen die Fasern der beiden Richtungen orthogonal zueinander.

Nicht parallel zueinander liegende Laminatschichten können jedoch ungünstige Wechselwirkungen erfahren:

Eine Zug- oder Druckbelastung in einer Faserrichtung führt zu einer positi- ven oder negativen Längsdehnung. Entsprechend der direkten Anbindung in einem durchgehenden Laminataufbau führt dies zu einer Querdehnung in der jeweils anderen Faserrichtung. Jedoch weisen Faserverbundwerkstoffe nur eine geringe Dehnfähigkeit quer zur Faserrichtung auf. Dies hat vorwie- gend zwei Gründe: Die Fasern liegen in engen Abständen zueinander und haben eine wesentlich höhere Steifigkeit als der umgebende Matrixwerk- stoff, wodurch nur wenig Dehnstrecke zur Verfügung steht, so dass bereits bei geringen Querdehnungen des Verbunds der Matrixwerkstoff überdehnt wird (vorwiegend zutreffend bei Verbundwerkstoffen mit amorphen Fasern, z.B. Glasfasern), oder die Fasern sind aufgrund ihrer anisotropen Beschaffenheit selbst so empfindlich, dass sie bereits bei geringen Querlasten ge- schädigt werden (z.B. zutreffend bei Carbonfasern).

Bereits bei geringen Querdehnungen kommt es daher zur Bildung interlami- narer Risse, wodurch die Längstragfähigkeit des so geschädigten Verbunds herabgesetzt wird und es zum Versagen des Bauteils kommen kann. Betrof- fen sind aufgrund verminderter Stabilität vor allem druckbelastete Bereiche des Laminats. Wiederholte Lastwechsel führen hierbei zu einer beschleunigten Rissaus- breitung, so dass zur allgemeinen Absenkung des Dehnungsniveaus i.A. hohe Fatigue-Zuschläge bei der Dimensionierung erforderlich sind. Dies be deutet, dass ein Bauteil bei einer hohen Anzahl an erwarteten Lastzyklen mit deutlich mehr Materialeinsatz realisiert werden muss, um die Dehnun- gen und Spannungen zu begrenzen. Dies hat vor allem bei Federbauteilen (hier Torsionsfedern) einen stark negativen Einfluss, da die speicherbare, elastische Energie proportional zum Produkt aus Spannung und Dehnung ist. Beziehungsweise ist auf Grund des linearen Zusammenhangs der bei- den Größen zueinander die speicherbare Energie proportional zum Quadrat der Spannung oder zum Quadrat der Dehnung.

Die im Allgemeinen ungünstige Materialauslastung ist somit ein wesentlicher Grund für die bisher geringe Verbreitung von Faserverbundwerkstoffen in derartigen Anwendungen.

Eine weitere Problematik stellt das Versagen von Faserverbund-Torsionsbauteilen durch Schubbelastungen dar. Hierbei kommt es durch unzureichendes Verformungsvermögen zu interlaminarer Rissbildung zwischen parallelen Fasersträngen. Lösungsansatz

Während Torsionsträger mit herkömmlichen Laminataufbauten aufgrund oben genannter Empfindlichkeit gegenüber mehrachsigen Spannungszuständen nur relativ geringen Spannungsniveaus standhalten (bei GfK bis etwa 300 MPa faserparallele Spannung), konnten mit dem nachfolgend beschriebenen Lösungsansatz signifikant höhere Spannungen (bei GfK bis etwa 600 MPa) erreicht werden. Die Verdopplung des Spannungsniveaus hat zur Folge, dass - torsionsübertragende Bauteile mit ca. der Hälfte des Materialeinsatzes

- Torsionsfedern aufgrund näherungsweise zur Spannung linearer Dehnung mit ca. 1/4 des Materialeinsatzes realisiert werden können. Neben Gewichts- und Kostenvorteilen kann das vorgeschlagene Konzept zudem erhebliche Einsparungen hinsichtlich des erforderlichen Bauraums ermöglichen.

Vorgeschlagen wird ein Aufbau mit separaten Schichten aus Einzelwendeln, die einen entgegengesetzten (Wickel-)Drehsinn der Fasern aufweisen. Als Wendel werden helixförmige Streifen mit begrenzter Breite verstanden, die in einem gewissen Steigungswinkel schraubenartig auf einer zylindrischen Mantelfläche um die Längsachse des Bauteils gewickelt sind. Die gegenläu- figen Wendel stützen sich bei Belastung radial gegenseitig ab, wobei sich die Torsionsbelastung umsetzt in Zuglast(en) in der/den äußeren Wendel (1 ) und Drucklast(en) in der/den inneren Wendel(n) (3). Die Wendel einer (radialen) Schichtebene sollen zueinander je nach Belastungsform ihren Ab- stand verändern können, wodurch eine Dehnung quer zur Wendellängsrich- tung ermöglicht wird. Zudem begünstigt der vorgesehene Ausgleichspalt Schubverformungen zwischen den benachbarten parallelen Wendeln einer Schicht.

Die Wendel sollen durch den vorgeschlagenen Aufbau möglichst einachsige Spannungszustände erfahren mit vorwiegend Zug- oder Drucklasten in Längsrichtung, wodurch sie überwiegend aus unidirektionalen Laminaten (Fasern in Wendellängsrichtung) oder durch leicht verseiltes Faserverbund- material (mit einer mittleren Faserorientierung in Wendellängsrichtung) aufgebaut werden können. In einer günstigen Ausführungsform liegen die Ab- weichungen der Fasern von der Wendellängsrichtung bei unter 10 Grad, weiter bevorzugt bei unter 5 Grad.

Damit die Längsdehnung der Wendel einer Schicht nicht unmittelbar auf die Wendel einer dazu quer liegenden benachbarten Schicht aufgeprägt wird und stattdessen der Querdehnungs-Ausgleich hauptsächlich in den dafür vorgesehenen Spalten zwischen den Wendeln stattfindet, ist es vorteilhaft, wenn die Schichten zueinander durch eine Ausgleichszone entkoppelt werden, die im Folgenden„Zwischenschicht“ genannt wird. Der Effekt der Querdehnungsentkopplung wird exemplarisch in Figur 9 dargestellt. Gezeigt ist beispielhaft eine Außenwendel 1 , die durch eine Zuglast gedehnt wird. In nenseitig schließen sich eine Zwischenschicht 2a und eine Innenwendel 3 an. Die hier exemplarisch in einer Ausführungsvariante“a“ gezeigte Zwischenschicht 2a erfährt durch die Verbindung mit der Außenwendel 1 eine Dehnung. Durch ihr eigenes Verformungsvermögen wird die Dehnung nicht (oder nur in geringem Maße) auf die druckbelasteten Innenwendel 3 aufgeprägt. Statt eine störende Querdehnung innerhalb der Innenwendel 3 zu erzeugen, führt die Dehnung lediglich zu einer Vergrößerung des Spalts 5 zwischen zwei benachbarten Innenwendeln 3, wodurch der Abstand der bei den dargestellten benachbarten Innenwendel 3 vergrößert wird (vgl. Fig. 1 ).

Der entsprechende Effekt wird in analoger Weise genauso erzielt für Drucklasten in den Innenwendeln 3. Hierbei ermöglichen ebenso die Zwischen- Schicht 2 und der Ausgleichsspalt 4, dass eine Verkürzung der Innenwendel durch Drucklasten zu einer Verkleinerung des Spalts (4) zwischen den Au ßenwendeln 1 führt und somit die Außenwendel 1 vor ungewollten Querkompressionen geschützt werden. Die Volumenelemente der Zwischenschicht 2a, die beispielhaft als Quaderförmige Auflageelemente zwischen den kreuzenden Wendeln betrachtet werden können, erfahren durch eine gleichzeitige Kompression der anliegenden Innenwendel 3 in Folge der Druckkraft (F Druck) und Längung der Außenwendel 1 in Folge der Zugkraft (F_Zug) eine Verformung zu einem Pyramidenstumpf, siehe Figur 10. Dieses Verformungsvermögen sorgt da für, dass die Längsdehnung der Fasern einer Schicht nicht auf das Faser- verbundmaterial der Wendel der benachbarten Schicht übertragen wird, was als Querdehnungsentkopplung bezeichnet werden kann. Abgrenzung zum Stand der Technik

Geometrisch ähnliche Anordnungen wie in der vorliegenden Erfindung sind im Stand der Technik vor allem im Kontext von flexiblen Antriebswellen zu finden. Jedoch verfolgen diese Erfindungen eine andere Zielstellung und unterscheiden sich dementsprechend in wesentlichen Vorrichtungsmerkma- len. Beispielsweise werden in US 8,984,698 keine Faserverbund-Wendel, sondern metallische Wendel beschrieben. Oder es ist im Falle der aus US 2018/0258979 bekannten Anordnung, welche ebenso eine große geometri sche Ähnlichkeit aufweist, keine elastische Zwischenschicht vorgesehen. Da diese als ein wichtiges Element, bzw. eine Voraussetzung für die Ent kopplung von Faserverbund-Wendeln und den damit einhergehenden einachsigen Spannungszuständen nachgewiesen werden konnte (simulativ), zeigte sich (in experimentellen Untersuchungen) die beschriebene Verbes- serung der Materialausnutzungsgrades.

Ausführungsmerkmale

Die Wendel einer Schichtebene können je ein- oder mehrgängig ausgeführt werden. Mehrgängig bedeutet, dass je Schicht mehrere Wendel enthalten sind. Diese winden sich im Falle eines rohrförmigen Bauteils mit gleicher Steigung parallel zueinander um die Längsachse des Rohres, wobei die Wendel einer Schicht den gleichen radialen Abstand von der zentralen Längsachse des Rohres aufweisen. In einer günstigen Ausführungsform werden je Schicht mehr als drei Wendel, weiter bevorzugt mehr als sechs Wendel, weiter bevorzugst mehr als 10 Wendel verwendet.

Die Winkel der Wendel, d.h. die Steigung ihrer Gewindegänge, können ent sprechend den Anforderungen einer Anwendung ausgewählt werden und beeinflussen damit die Steifigkeit des Bauteils. Bezogen auf die Längsrich- tung des Bauteils (Rohrs) sind Winkel im Bereich von etwa 10 Grad bis 85 Grad bzw. in der Gegenlage von -85 Grad bis -10 Grad technisch sinnvoll. Eine günstige Ausführungsform weist für die beiden Wickelrichtungen (Drehsinne) Winkel von etwa 45 Grad und -45 Grad auf. Zum Herstellen von Kräftegleichgewichten kann von der genannten +/- 45 Grad-Anordnung je- weils um einstellige Gradzahlen abgewichen werden, woraus z.B. Anordnungen mit +40 Grad und -50 Grad resultieren.

Als Ausführungsvariante dieser Erfindung werden auch Torsionselemente vorgeschlagen, die eine größere Anzahl an Schichten beinhalten, d.h. mehr als zwei Schichten. Sie können mehrere Paarungen an Zug- und Druckla- gen enthalten, die jeweils durch Zwischenschichten entkoppelt sind. Hier durch wird der radiale Druck zwischen den einzelnen Lagen reduziert, so dass weichere Materialien eingesetzt werden können und das Gesamtbau teil auch Lasten in umgekehrtem Momenten-Drehsinn erfahren kann. Bei Umkehr der Momenten-Richtung erfahren die bisher beschriebenen Außen wendel Drucklasten (statt wie in der bisher beschriebenen Grund-Belas- tungsform Zuglasten) und die Innenwendel Zuglasten (statt wie in der bisher beschriebenen Grund-Belastungsform Drucklasten). Hierbei treten zwischen den Schichten Zuglasten (statt wie in der bisher beschriebenen Grund-Belastungsform Drucklasten), die über die Zwischenschicht übertragen werden müssen. Günstig sind neben der beschriebenen Variante mit 2 tragenden Schichten (eine Zug- und eine Druckschicht) auch Varianten mit 3, 4, 5, 6 oder einer größeren Anzahl an Schichten.

Es sei erwähnt, dass sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Be zeichnung "Innenwendel" Wendel betrifft, welche bei Belastung des Bauteils in seiner Vorzugsrichtung Druckkräfte erfahren. Die Bezeichnung Außenwendel hingegen betrifft Wendel, die bei Belastung des Bauteils in seiner Vorzugsrichtung Zuglasten erfahren. In Fällen, in denen die beschriebenen Torsionsträger in radialer Richtung aus mehr als zwei Schichten mit Wen- deln aufgebaut sind, beziehen sich die Begriffe "innen” wie "außen” auf die relative Anordnung einer Paarung von zwei Schichten zueinander, welche sich gegenseitig in radialer Richtung abstützen.

Resultat des beschriebenen Aufbaus zur Entkopplung der Wendel benachbarter Schichten zpeinander und zur Entkopplung der Wendel innerhalb ei ner Schicht ist, dass die Spannungen in den Wendeln vorwiegend in Faserrichtung verlaufen und störende Querdehnungen unterdrückt (oder zumindest reduziert) werden. Somit kann eine hohe Auslastung des Faserverbundwerkstoffs erreicht werden, womit höhere Verformungsvermögen und Spannungen zugelassen werden können, wodurch die Bauteile mit geringerem Bauraum und geringerem Materialeinsatz als herkömmliche Systeme realisiert werden können. Mit gegebenem Aufbau kann in einer Torsionsfeder eine besonders hohe spezifische Dehnenergie gespeichert werden.

Für die Zwischenschicht (2) sieht die Erfindung mehrere Ausführungsvarian- ten vor: Die Zwischenschicht kann durch ein elastisches Material realisiert sein, wodurch sie für eine Beabstandung benachbarter Schichten gegenläufiger tragender Wendel sorgt und durch ihr Verformungsvermögen eine Entkopplung der Schichten ermöglicht, wodurch eine Längsdehnung der Wendel der einen Schicht nur zu geringem Maße zu einer Querdehnung der Wendel der benachbarten Schicht führt. In einer günstigen Ausführungsform ist die Zwischenschicht mit den tragenden Wendeln verbunden, insbesondere stoff schlüssig verbunden. Dies kann von grundlegender Bedeutung sein, da hiermit insbesondere die druckbelasteten Wendel eine Fixierung erfahren und ihre freie Knicklänge (hinsichtlich Stabilitätsversagens) signifikant redu ziert wird.

Für eine stoffschlüssige Anbindung können spezielle Haftvermittler einge setzt werden, die eine besonders gute Verbindung zwischen Faserverbund- material und elastischer Zwischenschicht ermöglichen. Oder es kann ein Zwischenschichtmaterial verwendet werden, welches sich besonders gut mit Faserverbundmaterial verbindet, insbesondere ein Elastomer, der gemeinsam mit dem Kunstharz des Faserverbundwerkstoffs aushärtet bzw. vernetzt.

Um einen hohes Verformungsvermögen für den Ausgleich zwischen tragenden Schichten (bzw. zwischen den Außenwendeln (1 ) und den Innenwen deln (3) zu erhalten und gleichzeitig eine hohe Tragfähigkeit gegen radialen Druck zwischen den Schichten zu gewährleisten oder um energetische Ver- luste (dissipative Dämpfungseffekte) zu begrenzen, kann ein verhältnismä ßig hartes Material verwendet werden, das erst durch entsprechende Formgebung das erforderliche Verformungsvermögen erhält. Im Kontext der vorliegenden Erfindung soll diese zweite Variante der Zwischenschicht (mit ei nem speziell geformten relativ harten Material) auch als„elastische Zwi- schenschicht“ bezeichnet werden. Hierzu ist in den Figuren 4a bis 4d eine Anordnung dargestellt, wobei die Zwischenschicht als einzelne Rauten auf gebaut ist, die nur in den Bereichen, in denen sich Wendel kreuzen, vorhanden ist. In Bereichen, in denen in einer der tragenden Schichten ein Spalt (4 und 5) zwischen den Wendeln besteht, ist auch die Zwischenschicht unter brochen. Hierbei weist die elastische Zwischenschicht somit Spalte auf, die als radiale Fortsetzung der Ausgleichsspalte zwischen den Wendeln einer Schicht ausgeführt sind und die Zwischenschicht entweder teilweise oder vollständig unterbrechen.

Hinsichtlich der Fertigung kann diese Formgebung vor dem Verbinden der beiden tragenden Schichten erstellt werden oder es kann durch Abtragen von Material durch die Spalte der Wendel hindurch (spanend abtragen oder per Laserabtragen oder per Wasserstrahlschnitt) das Material aus der Zwischenschicht entfernt werden, um die Unterbrechungen der Fläche zu er zeugen. Alternativ wird in den Figuren 5a bis 5c eine Anordnung vorgestellt, bei der die Zwischenschicht aus zwei Lagen (2b1 ) und (2b2) aufgebaut ist. Diese Lagen sind jeweils entlang der Außenwendel (1 ) und Innenwendel (3) angeordnet und damit flächig verbunden. Entlang der Spalte der Wendel weist die Zwischenschicht somit Spalte auf, die etwa bis zur halben Schicht stärke ausgebildet sind. Diese Lagen jeweils gemeinsam mit den Wendeln gefertigt werden oder es kann aus einer flächigen Zwischenschicht die Spalte durch nachträgliches Teil-Abtragen im Bereich der Spalte der Außen- und Innenwendel erzeugt werden. Dieses Teil-Abtragen kann z.B. auf die halbe Schichtstärke erfolgen oder es kann eine verrundete Nut (Rille) aus der Zwischenschicht herausgearbeitet werden.

Eine weitere Ausführungsform ist bei der Verwendung von relativ weichen Materialien wie z.B. Polyurethan oder Kautschuk möglich. Hierbei wird die Zwischenschicht als gefülltes Volumen (ohne Nuten) ausgebildet. Die erfor derlichen Verformungen (vorwiegend Schubverformungen zur Entkopplung der Schichten) erfolgen hierbei durch das Verformungsvermögen des wei chen Materials. Eine günstige Variante hiervon ist eine Anordnung, bei der das Herausquetschen des Materials der Zwischenschicht durch die Wendel- Ausgleichsspalte hindurch gehemmt wird. Hierdurch wird die Verformung des Zwischenschichtmaterials begrenzt und der Druck zwischen den Au ßenwendeln und Innenwendeln setzt sich teils in einen allseitigen (hydrosta- tischen) Druck um, der auch bei weichen Materialien in verhältnismäßig hohem Maße zulässig ist. Figuren 6a bis 6c stellen diese geometrische Vari ante der Zwischenschicht (2c) dar. Die durchgängige Schicht (2c2) grenzt hierbei an die Füllung der Ausgleichsspalte der Außenwendel (2c1 ) und der Füllung der Ausgleichsspalte der Innenwendel (2c3). Hierbei können die Füllungen der Ausgleichspalte (2c1 und 2c3) aus dem gleichen Material realisiert werden wie die Fläche der Zwischenschicht (2c2) oder aus einem anderen Material. Günstig ist hierbei ein deutlich weicheres Material.

Figuren 7a bis 7c stellen diese Variante der Zwischenschicht (mit den Ele- menten 2c1 , 2c2, 2c3) zur Veranschaulichung in Kombination mit den dazugehörigen Wendeln (1 ) und (3) dar.

Eine weitere Ausführungsform ist eine Strukturierung der Zwischenschicht für ein verbessertes Dehnungsverhalten.

Wie in Figur 11 dargestellt, kann die Oberfläche der Zwischenschicht bei ih- rem Kontakt zu einem Wendel Rillen oder Lamellen aufweisen, die quer zur Faserrichtung bzw. Längsausdehnung des Wendeis liegen. Eine Dehnung jeweiligen Wendeis setzt sich somit in eine Winkeländerung bzw. ein Ver- kippen der Rillen oder Lamellen um, wodurch die Entkopplungs-Eigenschaf ten verbessert werden. Über die dargestellte Anordnung hinaus kann dies jeweils auf beiden Seiten der Zwischenschicht erfolgen (wobei die Rillen o- der Lamellen der beiden Seiten in einem Winkel zueinander stehen, in dem auch die Wendel der beiden zu entkoppelnden Schichten zueinander ste- hen).

Auch für die Ausgleichsspalte zwischen den Wendeln sind gemäß der Erfindung im Allgemeinen verschiedene Ausführungsvarianten vorgesehen. Die Spalte können entweder mit einem elastischen Material gefüllt werden (wie z.B. Polyurethan, Silikon, Kautschuk, einem Schaum oder einem Epoxidharz), wodurch der oben beschriebene Effekt des hydrostatischen Drucks begünstigt wird. Oder es können die Spalte ohne Füllung belassen werden (wodurch sie das Umgebungsmedium wie z.B. Luft enthalten), so dass Ihr Verformungsvermögen unbegrenzt ist. Auch Zwischenvarianten wie eine teilweise Füllung (2d) sind möglich, siehe Figuren 8a bis 8c. Gemäß der Erfindung sind ebenso Varianten vorgesehen, bei der durch gezielte Löcher oder Lufteinschlüsse (beispielsweise durch einen kompressiblen Schaum) ein Ausweichen des Materials begünstigt wird und die Verformungseigen- schaften in diesem Bereich positiv beeinflusst werden.

Für das Profil der Wendel, bzw. deren Querschnittsgeometrie bestehen ver schiedene Ausführungsmöglichkeiten. Neben rechteckigen Wendeln können runde Wendel verwendet werden (Zylinder), halbzylindrische, ovale (siehe Figuren 8a bis 8c) oder auch weitgehend rechteckige Formen mit einzelnen verrundeten Seiten. Insbesondere ein rechteckiges Profil mit einer verrun- deten Seitenfläche, die im Kontakt mit der Zwischenschicht steht, wird im Sinne der Erfindung als vorteilhaft angesehen, da hierdurch die in der Zwischenschicht auftretenden Schubverformungen verringert werden.

Als günstige Ausführungsvariante der Wendel selbst, können diese mindes tens teilweise, insbesondere die druckbelasteten Wendel, an ihrer Oberfläche zu einer elastischen Zwischenschicht zugentlastende Fasern mit einer Orientierung quer zur Wendel-Längsrichtung enthalten. Diese Fasern kön- nen einen wesentlichen Teil der über die Zwischenschicht induzierten Quer spannungen tragen. Dadurch fallen die Querspannungen bzw. die Querdehnungen im tragenden Material der Wendel (in den Fasern in Wendellängs- richtung) unter Belastung geringer aus, so dass die Wendel in Wendellängsrichtung höheren Lasten stand halten können, insbesondere auch zyklischen Lasten.

Für eine last- und verformungsgerechte Endanbindung der Wendel können diese an ihren Enden eine erhöhte Schichtdicke aufweisen, kann das Bau- teil an seinen Enden einen erhöhten Rohrdurchmesser aufweisen und/oder am Ende des Bauteils kann eine veränderte Orientierung der Wendel vorliegen. Hierdurch tritt bei Belastung des Bauteils in diesen Bereichen eine ge ringere Längsspannung in den Wendeln auf, so dass zusätzliche Spannun- gen aus einer Biegung der Wendel aufnehmbar sind. Ebenso können an den Enden der Wendel zusätzliche Endstücke ange- bracht sein (z.B. durch Klebeverbindungen), welche eine harmonische Bie- gung der Wendel und eine Übertragung der Kräfte in Wendel-Längsrichtung zu einem angrenzenden Bauteil oder eine gelenkige Anbindung der Wendel an ein Bauteil-Endstück ermöglichen.

In einer weiteren günstigen Ausführungsvariante kann die Biegezone am Ende der Wendel mit einer Verschlankung der Wendel realisiert sein, wodurch sich das Verformungsvermögen bei einer Veränderung der Stei- gung der Wendel unter Belastung verbessert und die zusätzliche auftretenden Biegespannungen geringer ausfallen als bei einem Wendel der vollen Breite. Hierbei wird das für die Biegung der Wendel in der Mantelebene re- levante Flächenträgheitsmoment reduziert.

Neben dem dargestellten Aufbau mit jeweils zwei Schichten gegenläufiger Wendel sind auch Konstruktionen mit drei oder mehr Schichten unterschied- lichen Wendel-Orientierungen vorgesehen. Beispielsweise kann neben den beiden beschriebenen torsionstragenden Schichten mit Wendeln von etwa +/- 45 Grad zur Verbesserung der Biegesteifigkeit des Gesamtbauteil eine dritte Schicht mit Fasern in Rohr-Längsrichtung und optional auch mit Wendeln und Spalten in Rohr Längsrichtung enthalten sein. Diese kann eben falls zur Reduktion von Querdehnungseinflüssen in radialer Richtung durch eine elastische Zwischenschicht zu den angrenzenden Schichten entkoppelt sein.

In einer günstigen Ausführungsvariante kann das aus Wendeln aufgebaute Rohr in seinem Inneren ein Rohr oder ein Kern aus flächigem Material oder Vollmaterial enthalten, insbesondere mit Fasern in Rohrlängsrichtung oder Fasern in etwa 45 Grad Wickelrichtung bezogen auf die Rohrlängsrichtung. Der Kern führt dabei zu einer erhöhten Tragfähigkeit und/oder Steifigkeit gegen Querkraft, Biegemomente oder Radiallasten. Gleichzeitig weist er aufgrund seines (im Verhältnis zum Gesamtbauteil) geringen Außendurch- messers ein ausreichendes Verformungsvermögen in Torsionsrichtung auf. Um lokal die Tragfähigkeit des Bauteils gegen Biegemomente in besonde- rem Maße zu erhöhen, kann darüber hinaus der beschriebene Kern lokal (insbesondere an den Enden des Bauteils) kegelförmig aufgeweitet sein. In einer günstigen Ausführungsform ist der Kern zu den radial außenliegenden Schichten mit Wendeln durch eine elastische Zwischenschicht entkoppelt.

Hinsichtlich der äußeren Gestalt kann der beschriebene Torsionsträger (auch bezeichnet als„das Bauteil“) in Form eines Rohres oder als gerader oder gebogener Rundstab ausgeführt sein. In einer günstigen Ausführungs form können der Bauteil-Innen und/oder Außendurchmesser im Bereich der Enden des Rohres oder Stabs trichterförmig aufgeweitet sein. Diese Aufwei- tung kann in einen ebenen oder kegelförmigen Flansch oder in ein Kupp- lungsstück zum Anschluss an angrenzende Bauteile münden. Bei der Aufweitung des Durchmessers können die Wendel an den Enden des Bauteils strahlenförmig in den genannten ebenen oder kegelförmigen Flansch aus- laufen. In einer günstigen Ausführungsform kann hier die Einleitung der Kräfte in die Wendel mittels Stoffschluss, Reibschluss oder Formschluss er folgen.

In einer weiteren günstigen Ausführungsvariante kann der rohr- oder stabförmige Torsionsträger eine gebogene Form aufweisen. Er kann beispiels- weise die äußere Gestalt einer Schraube bzw. einer Schraubenfeder aufweisen. Dabei können das Rohr bzw. der Stab um eine oder mehrere Achsen gekrümmt sein. Ebenso kann er zusätzlich zu einer Krümmung um die Rohr-Längsachse verdreht sein.

An seinen Enden kann das schraubenförmige Bauteil einen reduzierten Schraubendurchmesser und/oder eine veränderte Schrauben-Ganghöhe aufweisen.

In der Gestalt einer Schraubenfeder, die auf Zug oder Druck belastet werden kann, erfährt das gebogene Rohr bzw. der gebogene Stab vorwiegend Torsionsschnittlasten. Hierbei hat sich der gemäß der Erfindung beschriebene Aufbau mit gegenläufigen, zueinander entkoppelten Wendeln als besonders belastbar gezeigt. Der vorwiegend einachsige Spannungszustand in den Faserverbundwendeln ermöglicht eine höhere Auslastung des Faser- verbundmaterials mit signifikant höheren zulässigen Spannungs- und Deh nungswerten. Somit hält der Torsionsträger (in Form einer Schraubenfeder) größeren Lasten und Amplituden stand. Oder im Umkehrschluss kann er bei einem vorgegebenen Niveau an Last und Bewegungsamplitude mit signifi kant geringerem Materialeinsatz realisiert werden. Diese gilt in besonderem Maße bei zyklischen Belastungsformen.

Basierend auf dem beschriebenen Torsionsträger-Aufbau können verschie- dene Vorrichtungen mit unterschiedlichen anwendungsspezifischen Baufor- men realisiert werden. Hierunter fallen insbesondere eine Torsionsrohr-Feder, ein Torsionsstab, eine Schraubenfeder, eine Antriebswelle, eine biege- elastische Torsionswelle oder eine Ausgleichswelle (oder elastische Kupplung) mit Winkel- und Versatztoleranz.

In Bezug auf Anspruch 3 wird angemerkt, dass dieser eine mehrgängige An- ordnung beschreibt, wobei über den Umfang verteilt jeweils mehrere Wen del angeordnet sind, die in einer axialen Richtung des Torsionsträgers vorzugsweise parallel zueinander verlaufen. Vorzugsweise ist mindestens 3- Gängigkeit, weiter bevorzugt mindestens eine 6-Gängigkeit vorgesehen, so- dass eine Schicht mindestens drei Wendel, weiter bevorzugt mindestens sechs Wendel enthält. Für die meisten technischen Anwendungen hat sich eine Anordnung von jeweils mehr als 10 Wendeln über den Umfang verteilt als vorteilhaft erwiesen.

Das Verhältnis zwischen der Höhe der Wendel (in radialer Richtung be trachtet) und der Breite der Wendel liegt vorzugsweise zwischen 1 :1 und 1 :3.

Als Beispiele für Dämpfungswerkstoffe gemäß Anspruch 5 wird insbeson dere auf Kautschuk oder Polyurethan sowie sonstige Werkstoffe mit ähnlichen elastischen Eigenschaften sowie Dämpfungseigenschaften verwiesen. Von den in Anspruch 10 genannten Schichten sind insbesondere 2, 3, 4, 5,

6, 7 oder 8 Schichten vorgesehen.

Zumindest eine der in Anspruch 11 genannten Schichten enthält vorzugsweise Wendel und Spalte in Bauteil-Längsrichtung, die zu einer erhöhten Biegesteifigkeit bzw. Biegetragfähigkeit führen.

Der in Anspruch 12 angesprochene Kern ist insbesondere gebildet aus einem vollzylindrischen Element (Vollstab) und/oder aus einem hohlzylindri schen Rohr, wobei beide insbesondere aus Faserverbundmaterialien aufgebaut sein können. Alternativ oder in Ergänzung dazu weist der Kern vor zugsweise Fasern mit Orientierung in Rohrlängsrichtung und/oder Fasern mit einer 45 Grad Orientierung (ggf. mit einer Toleranz von +/- 15 Grad) auf.

Mit zylindrisch in Anspruch 13 ist insbesondere gemeint, dass der Torsions träger in Form eines Rohres oder eines geraden Rundstabes ausgebildet ist.

Bezüglich eines sich gemäß Anspruch 13 in Richtung der Bauteilenden ver ändernden Durchmessers kann in einer günstigen Ausführungsform ein sich trichterförmig nach außen aufweitender Innendurchmesser ausgebildet sein. Beispielsweise können damit die Bauteilenden in einen ebenen oder kegel förmig ausgebildeten Flansch münden oder in einer Kupplungskontur zum Anschluss an angrenzende Bauteile. Mit angrenzenden Bauteilen sind insbesondere solche Bauteile gemeint, die drehfest mit dem Torsionsträger gekoppelt werden sollen. Der Innendurchmesser ist dabei vorzugsweise durch die Innenkontur einer Innenwendel und/oder durch eine sich an die Innenseite anschließende Innenschicht vorgegeben. Definitionen und Erläuterungen

Wendel Der Wendel, auch Helix, Schraube, Schraubenlinie, zy lindrische Spirale genannt, ist eine Kurve, die sich mit konstanter Steigung um den Mantel eines Zylinders windet. Er entsteht aus einer auf einem Radius gekrümmten Fläche (=Schicht, Ebene), die schraubenförmige Schlitze aufweist.

Schicht Rohrförmige Lage des Bauteils (auf einer zylindrischen

Mantelfläche) mit definierter Funktion. Dies kann entweder eine Zwischenschicht oder eine Schicht mit soge- nannten tragenden Wendeln sein (Außen- oder Innen wendeln zum Übertragen von Zug- und Druckspannungen).

Gängigkeit Ausführung einer Schicht als Wendel mit Spalten

Zwischenschicht Schicht zur Entkopplung von Dehnungen zwischen zwei benachbarten tragenden Schichten (Entkopplungsschicht zwischen zugübertragenden Außen- und druckübertra genden Innenwendeln)

Holzylinder hohler Kreiszylinder

Ausgleichsspalt Spalt zwischen den Wendeln einer Schicht, der insbesondere Dehnung zwischen den Wendeln ermöglicht. In diesem Kontext kann auch die Terminologie einer„geschlitzten“ Anordnung verwendet werden, wobei aus einer ge- schlossenen Schicht Wendel und Ausgleichsspalte entstehen. Die Ausgleichspalte können gefüllt oder ungefüllt sein.

Querdehnung Dehnung Quer zur Faserrichtung, die auf Grund der verkürzten Dehnstrecke der Matrix signifikante Auswirkun gen auf die Belastbarkeit von Faserverbundwerkstoffen hat, insbesondere bei wiederholten Belastungen (Fati- gue). Richtungen Unter der Haupterstreckungsrichtung der Wendel ist insbesondere die Wendel-Längsrichtung zu verstehen, d.h. die Richtung der größten Längenausdehnung einer Wen- del, welche sich vorzugsweise auf einer helixförmigen Kurve um eine (ggf. nur virtuelle) Zylindermantelfläche erstreckt.

Als Breite der Wendel wird die in der Mantelebene be findliche, zur Haupterstreckungsrichtung orthogonale Richtung verstanden.

Als Höhe oder Dicke der Wendel wird die Erstreckung in der dritten Dimension der Wendel bezeichnet. Im Falle eines Rohres oder Stabes entspricht sie der Erstreckung in radialer Richtung.

Ergänzende Hinweise zu den Figuren

Zeichnungen 2 bis 8 stellen die Schichten des Bauteils aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit im abgewickelten Zustand dar.

Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ih- ren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.

Bezugszeichenliste

1 Außenwendel

2 Zwischenschicht

3 Innenwendel

4 Ausgleichsspalt zwischen Außenwendeln

5 Ausgleichsspalt zwischen Innenwendeln

2a Zwischenschicht im Bereich der Kreuzung von Wendeln benach barter Schichten

2b1 Teil der Zwischenschicht mit Kontakt zu den Außenwendeln

2b2 Teil der Zwischenschicht mit Kontakt zu den Innenwendeln

2c1 Füllung des Ausgleichsspalts der Außenwendel

2c2 flächige Zwischenschicht

2c3 Füllung des Ausgleichsspalts der Innenwendel

2d Zwischenschicht zwischen ovalen Wendeln, die nicht oder teilweise oder komplett in die Spalte zwischen den Wendeln hineinragt

11 strukturierte Zwischenschicht zur Verbesserung des Verformungs vermögens.