CFK Abtriebswellen

Auch genannt: Seitenwelle, Carbon Abtriebswelle

Im Zuge der Elektrifizierung von Fahrzeugen gibt es unterschiedlichste Motorenkonzepte und Varianten zur Leistungsübertragung. Die Reichweiteneinschränkung im Vergleich zu klassischen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren stellt dabei aber immer noch eine große Herausforderung dar. Neben dem Leistungsvermögen der Akkuspeicherzellen ist ein möglichst niedriges Fahrzeuggewicht die größte Stellschraube zur zwingend erforderlichen Reichweitenverbesserung. Welche Antriebskonzepte sich zukünftig durchsetzen werden ist noch unsicher. Sicher hingegen ist: mit Hilfe der Leichtbau-Antriebswellen und neuen Leichtbau-Abtriebswellen will und kann DYNEXA auch kurzfristig einen Beitrag zur globalen Mobilitäts-Zukunft leisten.

DYNEXA – Leichtbau Carbon Abtriebswellen
Abtriebswellen CFK

Der Stand der Technik im Leichtbau mit Carbon

Zur Leistungsübertragung in Fahrzeugen sind Leichtbau-Antriebswellen mit Wellenrohren aus carbonfaserverstärkten oder glasfaserverstärkten Kunststoffen (CFK oder GFK) sowie verschiedensten Gelenktechnologien seit den 1990er Jahren Stand der Technik. Die Leistungsübertragung erfolgt in:

  •  „Klassischer“ Bauweise: beim Frontmotor vom Schaltwechselgetriebe auf das Achsgetriebe (2WD) oder die beiden Achsgetriebe (4WD).
  •  „Transaxle“ Bauweise: vom Frontmotor auf das sich am Fahrzeugheck befindende Schaltwechselgetriebe.

Aufgrund der hohen Steifigkeit bei gleichzeitig niedriger Dichte des modernen Hightech-Werkstoffs sind diese Faserverbund-Antriebswellen in größerer Baulänge ausgeführt als Metall-Wellen gleichen Außendurchmessers. Um diesen Sachverhalt zu kompensieren sind deshalb bei hinterradgetriebenen Fahrzeugen in Metallbauweise oftmals zweiteilige Wellen mit Zwischenlager im Einsatz. Es gilt dabei Gesamtlängen von ca. 1000 mm bis ca. 3000 mm (in Nutzfahrzeugen) zu überbrücken. Finden CFK-Antriebswellen Verwendung, können neben der primären Gewichtseinsparung durch die Leichtbau-Antriebswelle selbst auch die Zwischenlagerkomponenten sowie die aus Akustikgründen ungünstige Schallbrücke zum Fahrgastraum entfallen. Neben dem Leichtbau und der damit verbundenen Ressourcenschonung verbessern das bei Lastwechseln direktere Ansprechverhalten der einteiligen Faserverbundwellen sowohl Fahrverhalten als auch Fahrsicherheit. Dem entgegen stehen die Mehrkosten der Hightech-Leichtbauwerkstoffe gegenüber den renommierten Lösungen aus Stahl oder Aluminium.

Was ist jedoch mit den deutlich kürzer bauenden Abtriebswellen bzw. Seitenwellen, die der finalen Leistungsübertragung von Achsgetriebe(n) auf Antriebsräder und Straße dienen? Dort gilt es lediglich Längen von ca. 200 mm bis ca. 500 mm zu überbrücken. Können im radnahen Bauraumbereich der Fahrzeuge die erforderlichen Drehmomente von den Leichtbau-Abtriebswellen übertragen werden? Stellen mögliche Biege- und Torsionsschwingungen bei Betriebsdrehzahlen keine Herausforderungen dar? Sind mit Hilfe der kurzen Faserverbundrohre Gewichtseinsparungen zum metallischen Konkurrenzprodukt überhaupt noch möglich? Viele Lehrbücher beantworten diese Fragen mit einem klaren „Nein“…

Abtriebswellen aus Carbon von DYENXA

Neukonzept: Leichtbau Carbon-Antriebswelle

Um die genannten Fragen in der Praxis zu klären hat DYNEXA ein Abtriebswellenkonzept mit Wellenrohren aus Carbonfaser verstärkten Kunststoffen entwickelt und ließ dieses im direkten Vergleich zur metallischen Konkurrenz antreten. In Fahrzeugerprobungen wurden die von DYNEXA dimensionierten und hergestellten Prototypen härtesten Tests unterzogen. Die erzielten Ergebnisse und Erkenntnisse ließen aufhorchen.

  • Bauraum: Aufgrund der vom Rad zwingend zu absolvierenden Federwege war Bauraum in ausreichender Form vorhanden. Dies begünstigte eine faserverbundgerechte Dimensionierung und Konstruktion des für DYNEXA neuen Produkts „Faserverbund-Abtriebswelle“.
  • Drehmomentübertragung: Auch hierbei konnten die Abtriebswellen aus dem Hause DYNEXA im Fahrzeug überzeugen und standen der Metallkonkurrenz bei der Übertragung von bis zu 3000 Nm in nichts nach.
  • Schwingungsverhalten unter Drehzahl: Drehzahlverhalten und Schwingungsverhalten in Torsions- und Biegerichtung erwiesen sich als gutmütig und problemlos.
  • Gewicht: Das Entfallen der für die Metallkonkurrenz zwingend erforderlichen Schwingungstilger trugen mit zur Gewichtseinsparung bei: sie mussten von den DYNEXA-Wellen nicht als Zusatzgewichte „mitgeschleppt“ werden. Wird zur Drehmomentenübertragung von beiden Gelenkelementen auf das Faserverbund-Wellenrohr der dafür hervorragend geeignete Pressverband aus dem Hause DYNEXA verwendet, überlappt eine metallische Nabe beide Faserverbund-Rohrenden im Inneren. Die zur Drehmomentenübertragung dort erforderlichen Fugendrücke beanspruchen die Komponenten im Vergleich zur in der Regel verschweißten Vollmetalllösung zwar zusätzlich und bedingen lokal jeweils einen am Rohraußendurchmesser überlappenden Stützring. Trotz dieser im Vergleich zur Vollmetalltechnologie benötigten Zusatzkomponenten und des mit ca. 250 mm verhältnismäßig kurz ausfallenden kohlenstofffaserverstärkten Wellenrohrs konnte, u.a. auch durch die seitens DYNEXA verwendeten integralen Kohlenstofffaser-Stützringen, eine Gewichteinsparung von 20 bis 25% zur Stahllösung erzielt werden.
 
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