Antriebswellen aus Kohlefaser senken Treibstoffkosten

Forscher der TU Dresden entwickeln ultraleichte Antriebswellen für den Einsatz in Autos oder Flugzeugen. So wollen sie nicht nur das Fahrzeug leichter machen, sondern auch den Wirkungsgrad erhöhen.

Antriebswellen für den Einsatz in Autos oder Flugzeugen können durch den Einsatz moderner Kohlenstofffaser-Werkstoffe um bis zu 50 Prozent leichter werden. Wissenschaftler der TU Dresden wollen die Leichtbauwellen genauso belastbar und stabil machen wie konventionelle Maschinenelemente aus Stahl.

Leichtere Antriebswellen senken den Kraft- oder Treibstoffverbrauch auf zweierlei Art: zum einen durch das niedrigere Gesamtgewicht des Fahrzeugs, zum anderen durch den erhöhten Wirkungsgrad. Denn mit dem niedrigeren Gewicht der Antriebswelle sinkt das zu überwindende Massenträgheitsmoment.

Allerdings sind die Materialanforderungen an die Antriebswellen hoch. So muss die Kardanwelle in einem Pkw bis zu 6.000 Stunden überstehen, die Hauptwelle eines Flugtriebwerks sogar 100.000 Stunden. Daher bestehen Antriebswellen bislang meist aus hochfesten Stählen.

Doch auch Faserverbundwerkstoffe, zum Beispiel auf Basis von Kohlenstofffasern (CFK), können diese Belastungen aushalten. Dazu werden an den Enden der CFK-Welle Naben aus Stahl eingebaut. „Die Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe bedeutet für uns Ingenieure eine Herausforderung“, sagte Sebastian Spitzer, der das Projekt am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden bearbeitet.

In dem von der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) geförderten Projekt wurden verschiedene Welle-Nabe-Kombinationen entwickelt und miteinander verglichen. Als Referenz für den Vergleich diente eine Bolzenverbindung, die im Maschinenbau bekannt und gut berechenbar ist. Hier sichert ein durch Bohrlöcher geführter Bolzen die seitlich in die Welle eingesteckte Nabe. Bei hohen Stückzahlen, wie im Automobilbau üblich, ist diese Verbindung jedoch unwirtschaftlich.

Zudem untersuchten die Forscher eine Pin-Verbindung, die sich als sehr funktionstüchtig erwies. Dabei handelt es sich um eine Nabe, die eine Vielzahl nadelähnlicher Pins besitzt. Die Kohlenstofffaser wird in diesem Fall schon vor dem Einbringen und Aushärten des Harzes auf die Nabe gebracht und sogar direkt um die Nabe herumgeflochten.

Nochmals deutlich höhere Belastungen erlaubt eine formschlüssige Verbindung, die in Dresden seit Jahren erforscht wird. Die Welle weist im Inneren ein zahnförmiges Profil auf. Auch die Naben besitzen im Inneren Aussparungen mit exakt der gleichen Kontur, sodass Welle und Nabe nicht mehr gegeneinander verrutschen können. Die Welle kann endlos gefertigt und dann auf die benötigte Länge zugeschnitten werden. Dadurch ergeben sich anders als beim Einsatz von Bolzen oder Pins hohe Rationalisierungspotenziale.

Die Ergebnisse sollen künftig von Entwicklungsingenieuren in der Industrie verwendet werden können. Während nämlich für Stahlwellen eine Vielzahl von Konstruktionsrichtlinien vorliegt, betreten Entwickler bei CFK-Wellen oft Neuland. „Wir wollen unser Wissen teilen und die Erkenntnisse praxisgerecht aufbereiten“, sagt Maik Gude, Professor am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik.

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