DE102006039565A1

DE102006039565A1 - Krafteinleitung zum Einkleben in ein Faserverbundrohr bestehend aus CFK-Scheiben und formschlüssig eingefügten Gewindeelementen

Info

Publication number: DE102006039565A1
Application number: DE200610039565
Authority: DE
Inventors: Eckart Dr.rer.nat. Schütze
Original assignee: Schuetze GmbH
Current assignee: Schuetze GmbH
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2008-03-06

Abstract

Die in einen Stab oder in ein Rohr eingeklebte Krafteinleitungseinheit (10) besteht aus zwei runden Faserverbund-Scheiben (11, 12), zwischen denen sich zwei konzentrisch angeordnete Faserverbund-Hülsen (13, 14) befinden (Fig. 1). Scheiben und Hülsen werden durch eine metallische Gewindehülse (15), die durch die außen liegende Scheibe (11) eingeführt wird, und eine Schraube (16), die durch die innen liegende Scheibe (12) eingesteckt wird, miteinander verschraubt. Die Gewindehülse hat einen Anschlag (17), der beispielsweise als Sechskant ausgebildet ist, so dass ein Schraubenschlüssel angesetzt werden kann. Aus Kostengründen ist es zweckmäßig, für die metallische Gewindehülse eine handelsübliche "lange Mutter" zu verwenden, die bis auf einen kurzen, aus dem Stab herausragenden Teil abgedreht wird. Die große der beiden Faserverbund-Hülsen (13) stellt einen Abschnitt eines schaumgefüllten CFK-Sandwichstabes (18) dar, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Stabes oder Rohres entspricht, in den die Krafteinleitung eingeklebt wird. Der Schaumkern der großen Hülse enthält zentral eine enge Bohrung, in die die kleine CFK-Hülse (14) hineingedrückt wird. Der Innendurchmesser der kleinen Faserverbund-Hülse ist so bemessen, dass die metallische Gewindehülse (15) leicht hindurchgesteckt werden kann. Die Krafteinleitung bildet so eine Einheit (10), in der Faserverbund- und Metallteile formschlüssig miteinander verbunden sind, und befindet sich in dieser Form eingeklebt ...

Description

Einleitung und Stand der Technik:
Bei der Verwendung von Faserverbundstäben besteht das grundsätzliche Problem, Kräfte in diese Strukturen einzuleiten. Meistens werden dazu metallische Gewindeelemente verwendet, die in die Stäbe eingelassen werden. Für die problematische Verbindung von Metallelement und Faserverbundstab gibt es viele technische Lösungen, wie auch verschiedene Patente bzw. Patenanmeldungen zeigen ( EP 0 841 490 , DE 100 58 609.0 , DE 102 47 003.0 ). Besonders interessant sind Lösungen, bei denen die Faserverbundstäbe als Halbzeuge verwendet und nachträglich mit metallischen Gewindeelementen versehen werden können. Hier haben sich solche Krafteinleitungen bewährt, bei denen nicht die Metallteile direkt in den Faserverbundstab geklebt werden, sondern die eigentliche Verklebung zwischen einer Faserverbundhülse und dem Faserverbundstab stattfindet. Bei diesen Lösungen gilt folgendes Prinzip: Kompatible Fügeteile wie CFK/CFK werden verklebt und nicht kompatible wie CFK/Metall formschlüssig miteinander verbunden.
Nachteile des Standes der Technik
Im Fall der EP 0 841 490 wird ein Gewindeelement verwendet, in das eine geschlitzte CFK-Hülse zwischen zwei Anschlägen eingefügt wird. Da die geschlitzte Hülse in ihrer Länge sehr genau zugeschnitten und möglichst spielfrei in die Ausdrehung des Gewindeelementes eingepasst werden muss, ergibt sich hier nicht nur ein größerer Fertigungsaufwand, sondern auch ein Problem der Qualitätssicherung. Außerdem werden mit zunehmenden Stabdurchmessern die metallischen Gewindeelemente sehr groß und damit sehr schwer.
Auch wenn im Fall der DE 100 58 609.0 ein exaktes Zuschneiden der CFK-Hülse nicht erforderlich ist, so gilt auch hier, dass bei großen Durchmessern das Gewicht der Krafteinleitung sehr stark ansteigt und dadurch der Gewichtsvorteil des Faserverbundstabes wieder kompensiert werden kann. Bei DE 100 58 609.0 erweist sich weiterhin als Nachteil, dass das Muttergewinde sehr weit im Stabinneren liegt und damit lange Gewindebolzen erforderlich sind.
Lösung des Problems
Zur Lösung des Problems wird eine Krafteinleitung vorgeschlagen, die sich einfach fertigen lässt und die insbesondere bei großen Stabdurchmessern eine erhebliche Gewichtseinsparung liefert.
Die Krafteinleitung (10) besteht aus zwei runden Faserverbund-Scheiben (11, 12), zwischen denen sich zwei konzentrisch angeordnete Faserverbund-Hülsen (13, 14) befinden (1). Scheiben und Hülsen werden durch eine metallische Gewindehülse (15), die durch die außen liegende Scheibe (11) eingeführt wird, und eine Schraube (16), die durch die innen liegende Scheibe (12) eingesteckt wird, mit einander verschraubt. Die Gewindehülse hat einen Anschlag (17), der beispielsweise als Sechskant ausgebildet ist, so dass ein Schraubenschlüssel angesetzt werden kann. Aus Kostengründen ist es zweckmäßig für die metallische Gewindehülse eine handelsübliche „lange Mutter zu verwenden, die bis auf einen kurzen, aus dem Stab herausragenden Teil abgedreht wird.
Die große der beiden Faserverbund-Hülsen (13) stellt einen Abschnitt eines schaumgefüllten CFK-Sandwichstabes (18) dar, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Stabes oder Rohres entspricht, in den die Krafteinleitung eingeklebt wird. Der Schaumkern der großen Hülse enthält zentral eine enge Bohrung, in die die kleine CFK-Hülse (14) hineingedrückt wird. Der Innendurchmesser der kleinen Faserverbund-Hülse ist so bemessen, dass die metallische Gewindehülse (15) leicht hindurch gesteckt werden kann.
Die Krafteinleitung bildet so eine Einheit (10), in der Faserverbund- und Metallteile formschlüssig miteinander verbunden sind und befindet sich in dieser Form eingeklebt in einem Faserverbundrohr bzw. in einem CFK-Sandwichstab (1). Um ein Aufsprengen des Stabes oder des Rohres unter Längskraftbelastung der Krafteinleitung zu verhindern, wird das Ende des Stabes mit einer Faserringwicklung (20) versehen.
Die oben beschriebene Einheit mit zwei konzentrisch angeordneten Faserverbund-Hülsen ist erforderlich, wenn der Durchmesser der Faserverbund-Scheiben und damit der Durchmesser des Faserverbundstabes deutlich größer ist, als der Durchmesser der metallischen Gewindehülse. In diesem Fall überträgt die innere Hülse (14) die Längskraft, die durch das Verschrauben von Gewindehülse und Schraube entsteht. Ist jedoch der Durchmesser des Stabes und damit der Scheibendurchmesser vergleichsweise klein, wird die äußere Hülse gleichzeitig zur inneren, so dass nur eine Hülse (13 = 14) benötigt wird (2).
Die Längskraft des Stabes erzeugt in der Krafteinleitung eine Biegung der beiden runden, parallel angeordneten Faserverbund-Scheiben. Bei großen Stab- und damit großen Scheibendurchmessern müssen entweder die Faserverbund-Scheiben (11, 12) eine entsprechende Dicke besitzen, so dass sie die Biegung problemlos aufnehmen können, oder man verkleinert die Plattenbiegung durch den Einsatz von Schubwänden (21), die zwischen den beiden Hülsen angeordnet sind (3). Dünne Faserverbund-Scheiben in Kombination mit Faserverbund-Schubwänden führen auch bei großen Stabdurchmessern zu sehr leichten und dennoch hoch belastbaren Krafteinleitungen.
Da als äußere Hülse ein Abschnitt eines schaumgefüllten Sandwichstabes (18) verwendet wird, lassen sich die Faserverbund-Schubwände (21) in den Schaumkern leicht einbauen. Wie bereits oben erwähnt, erhält der Sandwichstab-Abschnitt zentral im Schaum eine Bohrung für die innere Hülse (14). Von dieser Bohrung ausgehend werden dann radial Schlitze in den Schaumkern gesägt, in die die Schubwände eingedrückt werden. Anzahl und Dicke der Schubwände ist abhängig von der Dimensionierung der Krafteinleitung. Der so präparierte Abschnitt eines Sandwichstabes (18) enthält als Einheit zentral die innere Hülse (14) und radial angeordnet die Schubwände (21). Alle Einzelelemente werden in ihrer Länge grob zugeschnitten, zusammengefügt und anschließend als Einheit an einer Planscheibe abgeschliffen. Dadurch wird erreicht, dass sich Hülsen und Schubwände spielfrei und damit formschlüssig zwischen den beiden Faserverbund-Scheiben (11) und (12) befinden.
Um eine reproduzierbare Verklebung zwischen der Krafteinleitungseinheit und dem Sandwichstab zu gewährleisten, werden verschiedene Verfahren eingesetzt:

1. Der Faserverbundstab ist dünnwandig Die Krafteinleitungseinheit wird mit einem mit Klebharz getränkten Gewebe (24) eingesetzt (4) und das Ende des dünnwandigen Stabes mit einer provisorischen Umfangswicklung leicht eingeschnürt. Dabei entsteht ein Anpressdruck zwischen der Krafteinleitungseinheit und dem Stab bzw. Rohr. Überschüssiges Klebharz tritt an der Stirnfläche aus und wird weiterhin zur Stabmitte hin gedrückt.
2. Der Faserverbundstab ist dickwandig Das Ende des dickwandigen Stabes bzw. Rohres wird geschlitzt (25) (5), so dass es sich einschnüren lässt. Die Krafteinleitungseinheit wird nun mit einem mit Klebharz getränkten Gewebe (24) eingesetzt und das Ende des mit einem oder mehreren Schlitzen versehenen Stabes mit einer provisorischen Umfangswicklung leicht eingeschnürt. Dabei entsteht ein Anpressdruck zwischen der Krafteinleitungseinheit und dem Stab, so dass überschüssiges Klebharz an der Stirnfläche und aus den Schlitzen austritt und auch teilweise zur Stabmitte hin gedrückt wird. Die Länge der Schlitze (25) ist dabei etwa so groß wie die Länge der Krafteinleitungseinheit, jedoch kleiner als die Länge der Faserringwicklung, die nach der Verklebung aufgebracht wird.
3. Der Faserverbundstab ist dickwandig, aber nicht geschlitzt Eine weitere Methode besteht darin, die Krafteinleitungseinheit nicht „in toto", sondern in einzelnen Bestandteilen einzukleben. Dazu wird zunächst die hintere Faserverbund-Scheibe (12) mit der Schraube (16) in den auf seiner Innenseite mit Klebharz versehenen Stab gesteckt. Anschließend erhält das kurze Stück Sandwichstab (18), welches die äußere Hülse darstellt, eine zentrale Bohrung für die innere Hülse. Nun wird die äußere Hülse in vier gleiche Sektoren (26) geschnitten (6), die Sektoren mit Klebharz versehene und nacheinander in den Stab geklebt. Das Zusammenfügen erfolgt dabei in der Weise, dass alle vier Sektoren nur senkrecht zur Klebefläche bewegt werden und so kein Klebharz verschoben wird. Nach dem Einfügen der vier Sektoren wird die innere Hülse (14) in die etwas zu kleine Bohrung in den Schaum der äußeren Hülse gedrückt und es entsteht ein Andruck zwischen den Sektoren und der Stabwand. Überschüssiges Klebharz verschwindet in den Schlitzen zwischen den einzelnen Sektoren. Zum Schluss werden noch die äußere Faserverbund-Scheibe (11) aufgesetzt und die Gewindehülse mit Anschlag (15) auf die sich bereits in Position befindende Schraube (16) geschraubt. Durch dieses Klebeverfahren wird eine reproduzierbare Verklebung hoher Qualität erzielt.

Bei allen Verfahren wird nach dem Einkleben der Krafteinleitungseinheit – wie bereits oben erwähnt – eine Faserringwicklung (20) vorgesehen, die sich über den gesamten Krafteinleitungsbereich bis in den ungestörten Stabbereich hin erstreckt.
Ausführungsbeispiel
9 zeigt das Ende eines CFK-Sandwichstabes mit eingeklebter Krafteinleitungseinheit und einer auf der Außenkontur angebrachten C-Faserringwicklung (20). Die Einheit besteht aus 2 CFK-Scheiben (11), (12), zwischen denen sich eine große und eine kleine CFK-Hülse (13), (14) befinden. Als metallische Gewindehülse (15) wurde eine abgedrehte, lange Mutter verwendet. Sie wurde von außen durch die CFK-Scheibe (11) in die kleine CFK-Hülse (14) gesteckt und mit einer Innensechskant-Schraube (16) verschraubt, die durch die hinten liegende CFK-Scheibe (12) eingeführt wurde. Für die große Hülse (13) wurde ein Abschnitt eines CFK-Sandwichstabes (18) gewählt, der zentral im Schaum eine Bohrung für die kleine CFK-Hülse (14) erhielt.

Claims

Krafteinleitung für einen Faserverbundstab oder -rohr (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einheit (10), (1) darstellt, die zwei Endscheiben (11, 12) umfasst, zwischen denen sich eine Hülse (13), (2) oder zwei konzentrisch angeordnete Hülsen (13, 14) befinden, dass diese Einheit zusammengehalten wird durch das Verschrauben einer von vorne eingesteckten Gewindehülse mit Anschlag (15) und einer entsprechenden Schraube (16), die von hinten in die Einheit eingeführt ist, dass diese Einheit nachträglich mit dem Stab (1) verklebt ist, dass der Stab auf seiner Außenseite eine Ringwicklung (20) besitzt, die sich bis in den ungestörten Stabbereich hinein erstreckt.
Krafteinleitung für einen Faserverbundstab oder -rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Endscheibe (11) einen Durchmesser hat, der dem Innendurchmesser des Stabes bzw. des Rohres entspricht (1).
Krafteinleitung für einen Faserverbundstab oder -rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Endscheibe (27) einen Durchmesser hat, der dem Außendurchmesser des Stabes bzw. des Rohres entspricht (7).
Krafteinleitung für einen Faserverbundstab oder -rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Endscheibe (28) vorne über eine Teildicke einen Durchmesser hat, der dem Außendurchmesser des Stabes bzw. des Rohres entspricht und die Restdicke einen solchen hat, der dem Innendurchmesser entspricht (8).
Krafteinleitung für einen Faserverbundstab oder -rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endscheiben (11, 12) und die Hülse(n) (13, 14) aus Faserverbundwerkstoffen bestehen.
Krafteinleitung für einen Faserverbundstab oder -rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der Faserverbund-Hülse(n) (13, 14) im Wesentlichen in Längsrichtung orientiert sind.
Krafteinleitung für einen Faserverbundstab oder -rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endscheiben (11, 12) aus einem multidirektionalen Faserverbundwerkstoff bestehen.
Krafteinleitung für Faserverbundstäbe oder -rohre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei der Verwendung von zwei Hülsen (13, 14) zwischen diesen radial angeordnete Schubwände (21) befinden.
Krafteinleitung für Faserverbundstäbe oder -rohre nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die radial angeordneten Schubwände aus Faserverbundwerkstoffen bestehen, die eine überwiegende Faserorientierung in ± 45°-Richtung aufweisen.
Verfahren zur Herstellung von Krafteinleitungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die größere (13) der beiden Faserverbundhülsen ein CFK-Sandwichstab (18) verwendet wird, dessen Schaumkern zentral mit einer Bohrung (22) versehen wird, in die die kleinere CFK-Hülse (14) hineingedrückt werden kann, dass eine Einheit bestehend aus zwei grob zugeschnittenen und ineinander geschobenen CFK-Hülsen (13, 14) plan geschliffen wird, dass diese Einheit zwischen den beiden Endscheiben (11, 12) angeordnet wird und dann diese gesamte Einheit mit der von vorne eingesteckte Gewindehülse (15) mit Anschlag (17) und der von hinten eingesteckten Schraube (16) verschraubt wird, dass die Einheit in dieser Form in das Ende des Stabes (1) eingeklebt wird und dass das Ende des Stabes noch mit einer Faserumfangswicklung (20) versehen wird.
Verfahren zur Herstellung von Krafteinleitungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die größere der beiden Faserverbundhülsen ein CFK-Sandwichstab (18) verwendet wird, dessen Schaumkern zentral mit einer Bohrung (22) versehen wird, in die die kleinere CFK-Hülse (14) hineingedrückt werden kann, dass vor dem Eindrücken der kleineren Hülse in den Schaumkern radial Schlitze (23) eingeschnitten oder eingesägt werden, in die die Schubwände (21) nach Anspruch 8 eingedrückt werden, dass eine Einheit bestehend aus zwei grob zugeschnittenen CFK-Hülsen und den grob auf Länge zugeschnittenen Schubwänden an beiden Stirnseiten plan geschliffen wird, dass diese Einheit zwischen den beiden Endscheiben (11, 12) angeordnet wird und dann diese gesamte Einheit mit der von vorne eingesteckte Gewindehülse (15) mit Anschlag und der von hinten eingesteckten Schraube (16) verschraubt wird.
Verfahren zur Herstellung von Krafteinleitungen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass alle in Anspruch 10 und 11 beschriebenen Teile mit Klebstoff eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung von Krafteinleitungen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass von den in Anspruch 10 und 11 beschriebenen plan geschliffenen Einheiten bestehend aus zwei ineinander geschobenen Faserverbund-Hülsen (13, 14) bzw. zwei ineinander geschobenen Faserverbund-Hülsen, zwischen denen sich die Schubwände (21) nach Anspruch 8 befinden, jeweils die große Hülse mit dem Schaumkern (18) in vier gleiche Sektoren (26) geschnitten wird, dass das Einkleben der Krafteinleitung (10) in den Faserverbundstab (1) damit beginnt, dass zunächst die innen liegende Endscheibe (12) mit der eingesteckten Schraube (16) mit entsprechendem Klebstoff versehen in den Stab eingeführt wird, dass anschließend die einzelnen Viertel-Sektoren (26) (6) der vorher plan geschliffenen großen Hülse mit Klebstoff versehen nacheinander in den Stab eingelegt werden, dass danach die kleine Hülse (14) in die etwas zu kleine Bohrung im Schaumkern gedrückt wird, dass nun die äußere Endscheibe (11) mit der von außen eingesteckten Gewindehülse (15) in den Stab gesteckt wird und dass dann Gewindehülse (15) und Schraube (16) miteinander verschraubt werden, dass das Ende des Stabes noch mit einer Faserumfangswicklung (20) versehen wird.
Verfahren zur Herstellung von Krafteinleitungen nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Einheit bestehend aus Endscheiben, Hülse(n) und gegebenenfalls Schubwänden in einen geweiteten Fasergewebeschlauch (24) gesteckt wird, der an der Seite der inneren Endscheibe (12) zusammengebunden ist, dass der Fasergewebeschlauch mit einem Kleb- oder Laminierharz getränkt ist, dass diese mit Harz getränkte Einheit in den Faserverbundstab bzw. -rohr (1) gesteckt wird, dass auf den Stab ein wieder entfernbares Band gewickelt wird, welches die Faserverbund-Rohrwand zusammenzieht, so dass die Stabwand gegen die mit Harz getränkte, in den Faserverbundstab eingeführte Einheit drückt, dass nach dem Aushärten der Verklebung und dem Entfernen des provisorischen Wickelbandes das Ende des Stabes noch mit einer Faserumfangswicklung (20) versehen wird.
Verfahren zur Herstellung von Krafteinleitungen nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Einheit bestehend aus Endscheiben, Hülse(n) und gegebenenfalls Schubwänden in einen geweiteten Fasergewebeschlauch gesteckt wird, der an der Seite der inneren Endscheibe zusammengebunden ist, dass der Fasergewebeschlauch mit einem Kleb- oder Laminierharz getränkt ist, dass diese mit Harz getränkte Einheit in den Faserverbundstab bzw. -rohr gesteckt wird, dass die Stab- bzw. Rohrwand mit einer oder mehreren Schlitzen (25) versehen wird, deren Längen etwas kleiner sind, als die Länge der gesamten in den Stab eingeführten Einheit, dass auf den Stab ein wieder entfernbares Band gewickelt wird, welches die geschlitzte Faserverbund-Rohrwand gegen die in den Faserverbundstab eingeführte Einheit zieht, dass nach dem Aushärten der Verklebung und dem Entfernen des provisorischen Wickelbandes das Ende des Stabes noch mit einer Faserumfangswicklung (20) versehen wird.