Dresdner Forscher setzen bei Antriebswellen auf Leichtbau
Raffiniert geformte Wellen aus faserverstärktem Kunststoff könnten künftig den Spritverbrauch von Autos reduzieren. Dresdner Forschern ist es gelungen, die Materialien Stahl und CFK an den Endpunkten der Antriebswelle dauerhaft belastbar miteinander zu verbinden. Eine Rolls-Royce-Turbine hat den Praxistest bereits bestanden.
Antriebswellen mit unterschiedlich geformtem Innenquerschnitt. Im Hintergrund sind unterschiedliche Naben aus Stahl zu sehen.
Foto: Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen
Antriebswellen übertragen die Kraft des Motors auf die Antriebsräder oder bei Flugzeugen auf den so genannten Fan, den Riesenpropeller, der für Vortrieb sorgt. Diese Bauteile werden extrem hoch belastet, müssen aber trotzdem tausende Stunden durchhalten. Deshalb bestehen sie aus hochfesten Stählen und sind entsprechend schwer. Das wirkt sich negativ auf den Spritverbrauch aus.
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK nach Carbon-Faser-verstärkter Kunststoff) sind ebenso hoch belastbar. Deshalb wollen Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden aus diesem Werkstoff sehr leichte Antriebswellen herstellen. CFK-Bauteile erfordern zwei Arbeitsgänge. Zunächst werden die schwarzen Fasern kunstvoll drapiert und an besonders belasteten Punkten so ausgerichtet, dass sie die dort angreifenden Kräfte locker aufnehmen. Das fertig geformte Bauteil wird in Harz getränkt. Nach dem Aushärten ist es fertig.
Festigkeit von CFK reicht für Endpunkte der Welle nicht aus
Für die Endpunkte der Welle, an denen die Motorkraft eingespeist und an das Antriebsrad abgegeben wird, reicht die Festigkeit von CFK nicht aus. Hier müssen Naben aus Stahl eingebaut werden. Da war die ganze Kunst der Forscher am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik gefragt. Denn die beiden so unterschiedlichen Werkstoffe lassen sich nicht so einfach miteinander verbinden. In einem ersten Versuch steckten sie das Metallstück in die hohle Welle und sicherten sie mit einem Splint, damit sie nicht verrutscht. Dauerhaft haltbar war das nicht, weil die CFK-Struktur rund um das Bohrloch für den Splint geschwächt war. Außerdem ist diese Bauweise bei hohen Stückzahlen unwirtschaftlich.
In einem zweiten Schritt verpassten die Dresdener dem Teil der Nabe, der in der Welle steckt, rundum nadelförmige Pins. Die Fasern schlangen sie darum, sodass die beiden Bauteile nach dem Aushärten des Harzes rutschfest miteinander verbunden waren. Das war ein voller Erfolg. Trotzdem ließen sie ihren Forschergeist weiter arbeiten und hatten eine geniale Idee. Sie stellten eine Welle her, die innen nicht rund war, sondern eine Reihe von herausstehenden Nasen hatte. Die Endstücke der Naben bekamen ebenfalls Nasen, so dass die beiden Bauteile sich ineinander verkrallten. Der große Vorteil dieser Konstruktion: Die Welle kann endlos gefertigt werden, da sie stets den gleichen Querschnitt hat. Die Autohersteller sägen sie dann auf Maß zu. Initiiert hat das Projekt die Forschungsvereinigung für Verbrennungskraftmaschinen in Frankfurt am Main.
Erfolgreich erprobt in einer Flugzeugturbine
Während ein Test der Antriebswelle für Autos derzeit nicht geplant ist, hat eine ähnlich aufgebaute Welle für die Rolls-Royce-Turbine BR725, die in Oberursel bei Frankfurt gebaut wird, den Praxistext bereits bestanden. Sie soll künftig serienmäßig eingebaut werden. Die BR725 treibt Regionaljets mit bis zu 100 Fluggästen an.
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