[发明专利]用于传输转矩的装置

说明书

本发明涉及一种扭力载体，尤其是扭力弹簧、螺线弹簧、驱动轴或平衡轴，所述扭力载体相对于现有技术实现显著的材料和结构空间节约。扭力载体由多个、然而至少两个径向彼此上下叠置的承载层构成，所述承载层各由至少一个螺线(1、3)构成，然而优选由尽可能单向的纤维复合材料构成的多个螺线构成，其中承载层中的至少两个具有彼此相反的螺线旋转方向。在相邻的螺线层之间设置有各一个起间隔作用的弹性的中间层(2)，通过所述中间层实现相邻的螺线层的螺线拉伸的脱耦。由此实现尤其适宜的、尽可能单轴的应力状态，所述应力状态允许高的材料负载。

技术领域

本发明涉及用于传输转矩的装置，具体地涉及由纤维复合材料构成的用以实现高特定材料利用的扭力弹簧或驱动轴。

背景技术

扭力加载的管和类似的承受转矩的构件经历多轴的应力状态。因此，在贯穿扭力加载的管的假想垂直截面中，根据莫尔应力圆，将剪切应力转换为+/-45°方向上的两个正交的主应力，即各一个方向处于拉应力和压应力下。该应力状态对于无定形材料(金属)而言根据其材料极限不成问题。但是，纤维复合材料对于多轴的应力状态是尤其敏感的。为了承受该主应力，优选沿主应力方向布设层压板层。因此，由纤维复合材料制成的常规扭力管由具有不同旋转方向的纤维构建。例如，缠绕方向为+45度的纤维承受拉应力，并且缠绕方向为-45度的纤维承受压应力。在此，两个方向的纤维彼此正交。然而，彼此不平行的层压板层会经受不利的交互作用：

一个纤维方向上的拉伸负荷或压缩负荷引起正或负的纵向拉伸。对应于连续层压结构中的直接联接，这引起在相应另一纤维方向上的横向拉伸。然而，纤维复合材料横向于纤维方向仅具有低可拉伸性。主要原因有两个：纤维彼此之间的间距窄，并且比周围的基质材料具有显著更高的刚度，由此仅提供小的拉伸长度，使得在复合物的横向拉伸小的情况下基质材料已经过度拉伸(主要适用于具有无定形纤维的复合材料，例如玻璃纤维)，或者纤维由于其各向异性的特性而本身是敏感的，使得其在小的横向负载下已经损坏(例如适用于碳纤维)。

因此，在小的横向拉伸的情况下已经造成层间裂纹的形成，由此降低了如此损坏的复合物的纵向承受能力，并会导致构件失效。由于稳定性降低，层压板的压力加载的区域特别受到影响。

在此，反复的载荷变化导致裂纹扩展加速，使得为了总体上降低拉伸水平在尺寸设计时通常需要高的疲劳裕度。这意味着：在预期的载荷循环数量高的情况下，必须借助显著更多的材料投入来实现构件，以便限制拉伸和应力。这尤其在弹簧构件(在此为扭力弹簧)中具有强负面的影响，因为可存储的弹性能量与应力和拉伸的乘积成比例。或者，由于两个变量彼此的线性关联，可存储的能量与应力的平方或拉伸的平方成比例。

因此，通常不利的材料负荷率是纤维复合材料在这种应用中普及率至今为止低的主要原因。

另一个问题是纤维复合材料-扭力构件由于剪切负荷而失效。在此，由于变形能力不足会导致平行纤维束之间的层间裂纹形成。

发明内容

具有常规的层压板构造的扭力载体由于上述对于多轴应力状态的敏感性而仅经受住相对小的应力水平(在玻璃纤维的情况下最高约300MPa的纤维平行应力)，而借助如下描述的解决方案能够实现显著更高的应力(在玻璃纤维的情况下最高约600MPa)。该加倍的应力水平引起：能实现

-具有约一半材料投入的传递扭力的构件

-由于近似于线性拉伸的张力而具有约1/4材料投入的扭力弹簧。

除了重量和成本优势之外，所提出的概念还可以在所需的结构空间方面实现显著节省。