Optimierung von Antriebswellen in Composite-Bauweise für Anwendungen im Motorsport

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Dimensionierung von Antriebswellen in Composite Bauweise unter Berücksichtigung der Einflussparameter die für eine Optimierung hinsichtlich minimalem Gewicht bei maximaler Festigkeit wichtig sind. Dabei wird zum einen der Aufbau der FKV-Welle betrachtet und zum anderen die Möglichkeiten der Krafteinleitung. Einleitend werden die FKV typischen Versagensmechanismen Faserbruch, Zwischenfaserbruch und Delamination erklärt, da diese für das grundsätzliche Verständnis des Versagens notwendig sind. Hierbei wird im Speziellen auf die für Fasern schlecht ertragbare Druckspannung eingegangen. In weiterer Folge wird die Fertigung mittels Filament Winding beschrieben. Einen wichtigen Punkt dabei stellt das Wickelmuster dar, welches starken Einfluss auf den Schadensverlauf im späteren Versuch hat. Um die Qualität der FKV Wellen zu verbessern und verschiedene Materialien kombinieren zu können, wurde eine Methode zum kreuzungsfreien Wickeln erarbeitet. Einen der wichtigsten Parameter im Faserverbund stellt natürlich die Faser an sich dar. Darum wurden die bekannten Kohlefasern verglichen und deren Potential im Einsatz in der FKV-Welle betrachtet. Aufgrund der schlechten Druckfestigkeiten der Kohlefaser wurde auch die Borfaser in die Untersuchungen miteinbezogen, welche sich auch als am besten für die Druckschicht geeignet zeigte. Ausgehend von den mechanischen Kennwerten wurden Methoden zur Dimensionierung des Laminats angeführt. Anhand von einfachen analytischen Nachweisen zeigt sich, dass hier ein besonderes Augenmerk auf den Querzug und den dadurch entstehenden ZfB zu legen ist. Neben der Betrachtung der Einzelschichten und deren Spannungen wurde auch das globale Stabilitätsversagen untersucht. Durch die verhältnismässig kurze Länge und große Wandstärke der untersuchten Antriebswellen ergeben sich hier jedoch keine Gefahren. Trotzdem bietet sich hier eine gute Möglichkeit um die Ausnutzung von Geometrie und Festigkeit zu beurteilen. Durch das für die Matrix notwendige Härten bei erhöhter Temperatur entstehen Eigenspannungen, diese können jedoch auch gezielt eingebracht werden, um so günstige Druckeigenspannungen im Laminat zu erzeugen. Es werden einige Möglichkeiten aufgezeigt, wie diese eingebracht werden können. Neben den Fasern spielt auch die Matrix eine wichtige Rolle in der FKV Welle. Um die Stützwirkung der Matrix für die druckbelasteten Fasern zu verbessern kann die Matrix mit Nanopartikeln versehen werden. Hier werden aktuelle Untersuchungen zu Carbon-Nano-Tubes und SiO2-Nanopartikeln angeführt und deren Auswirkungen auf die mechnischen Eigenschaften dargelegt. Für die Krafteinleitung werden die Klebung und der Pressverband angeführt sowie deren Vor- und Nachteile beleuchtet. Zur Optimierung der Klebung werden Möglichkeiten zur Vergrößerung der Klebeflächen gezeigt ohne dabei die kritischen Klebelängen zu überschreiten. Im Vergleich zeigt sich der Pressverband als die einfachere und sicherere Variante. Auf die Berechnung der Krafteinleitung mittels Pressverband wird in dieser Arbeit nicht eingegangen. Um den Einfluss der im theoretischen Teil angeführten Parameter zu überprüfen wurden 2 Versuchsreihen durchgeführt. In der ersten Versuchsreihe zeigten sich Probleme wie Delamination und geometrische bedingtes Versagen, sodass keine Aussagen über die Festigkeit getroffen werden konnten. Für die zweite Versuchsreihe wurde ein völlig neues Konzept erarbeitet und die Geometrie vereinfacht. Anhand der Messwerte werden die Einflüsse durch Lagenaufbau, Matrix und Fertigung dargelegt. Anhand der Versuchsergebnisse wird abschließend ein analytischer Nachweis für eine Antriebswelle unter Berücksichtigung aller Erkenntnisse durchgeführt und gezeigt, dass es möglich ist eine Schubspannung von 750 MPa ohne Versagen zu erreichen. Mit dieser Schubspannung können die geforderten Eigenschaften der Antriebswelle erreicht werden.<br />