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Faserverbundwerkstoff Ultraleichte Antriebswellen aus CFK

| Redakteur: Dorothee Quitter

Antriebswellen, die in Autos oder Flugzeugturbinen eingesetzt werden, können durch den Einsatz moderner Kohlenstofffaser-Werkstoffe um bis zu 50 % leichter werden. Wissenschaftler der TU Dresden erforschen, wie solche Leichtbauwellen ausgelegt werden müssen.

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Ultraleichte Antriebswellen
Ultraleichte Antriebswellen
(Bild: Sebastian Spitzer, ILK Dresden)

Ultraleichte Antriebswellen helfen auf zweierlei Art, weniger Kraft- oder Treibstoff zu verbrauchen. Zum einen sinkt das Gesamtgewicht des Fahrzeugs, zum anderen steigt der Wirkungsgrad, da mit dem Gewicht das zu überwindende Massenträgheitsmoment sinkt. Allerdings sind die zu übertragenden Kräfte und Momente hoch, die Einsatzzeit lang: Die Kardanwelle in einem Pkw muss bis zu 6.000 Stunden überstehen, die Hauptwelle eines Flugtriebwerks sogar 100.000 und mehr Stunden. Daher bestehen Antriebswellen bislang meist aus hochfesten Stählen. Doch auch Faserverbundwerkstoffe, zum Beispiel auf Basis von Kohlenstofffasern (CFK), können die extremen Belastungen zuverlässig über die gesamte Lebensdauer überstehen.

Welle-Nabe-Verbindung ist Gegenstand eines Forschungsprojektes

Dazu werden an den besonders hochbelasteten Enden der CFK-Welle Naben aus Stahl eingebaut. Dieser komplex beanspruchte Verbindungsbereich steht im Mittelpunkt eines von der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) geförderten Projekts. In dem FVV-Projekt wurden verschiedene Welle-Nabe-Kombinationen entwickelt und miteinander verglichen. Als Referenz für den Vergleich diente eine Bolzenverbindung, bei der ein durch Bohrlöcher geführter Bolzen die seitlich in die Welle eingesteckte Nabe sichert. Es handelt sich um eine im Maschinenbau bekannte und gut berechenbare Verbindung, die allerdings bei hohen Stückzahlen – wie im Automobilbau üblich – eher unwirtschaftlich ist. Zudem ist die Tragfähigkeit der Faserverbundstruktur durch die lokale Schwächung um das Bohrloch stark begrenzt.

Pin-Verbindung als Alternative

Als Alternative untersuchte die Arbeitsgruppe eine Pin-Verbindung. Dabei handelt es sich um eine Nabe, die eine Vielzahl nadelähnlicher Pins besitzt. Die Kohlenstofffaser wird in diesem Fall schon während des „Preformings“ – also vor dem Einbringen und Aushärten des Harzes – auf die Nabe gebracht und sogar direkt um die Nabe herumgeflochten. Herstellbarkeit, Funktionstüchtigkeit und die hervorragende Tragfähigkeit einer solchen Verbindung konnten von den Dresdner Forschern bestätigt werden.

Zahnförmiges Profil liefert formschlüssige Verbindung

Nochmals deutlich höhere Belastungen erlaubt eine formschlüssige Verbindung, die in Dresden seit Jahren erforscht wird. Die Welle ist im Inneren in diesem Fall nicht kreisrund, sondern weist ein zahnförmiges Profil auf. Auch die Naben besitzen im Inneren Aussparungen mit exakt der gleichen Kontur, so dass Welle und Nabe nicht mehr gegeneinander verrutschen können. Da die Welle, anders als beim Einsatz von Bolzen oder Pins, endlos gefertigt und dann auf die benötigte Länge zugeschnitten werden kann, ergeben sich hohe Rationalisierungspotenziale. Bei großen Stückzahlen könnten sich profilierte Wellen als sehr wettbewerbsfähig erweisen. In Zukunft werden immer öfter auch verschiedene Technologien kombiniert werden. So ist es möglich, die innerhalb des FVV-Vorhabens untersuchten mechanischen Verbindungstechnologien mit Klebeverfahren zu unterstützen.(qui)

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