DE102009032990A1

DE102009032990A1 - Männliches Hybrid-Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement

Info

Publication number: DE102009032990A1
Application number: DE102009032990A
Authority: DE
Inventors: Douglas Pomona Stephen; Robert Pomona Stephen
Original assignee: NMC Group Inc
Current assignee: NMC Group Inc
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2010-02-25
Also published as: US7896599B2; FR2935162B1; US20100047034A1; FR2935162A1

Abstract

Es wird ein männliches Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement (1) vorgeschlagen. Das Befestigungselement umfasst ein längliches hohles Mantelelement (21) aus Metall. Das Mantelelement umfasst ein mit Gewinde versehenes Äußeres zum Einsetzen in oder zum Lösen aus den Gewindegängen eines weiblichen Befestigungselements. Zusätzlich enthält das Mantelelement eine zentrale Bohrung (25) und einen sich radial erstreckenden Flansch (29). Das männliche Befestigungselement umfasst ferner ein Kernelement (37) aus einem Verbundwerkstoffmaterial einschließlich Kunststoff, Fiberglas oder Carbonfaser oder dgl.. Das Kernelement füllt die zentrale Bohrung des Mantels aus und erstreckt sich von dem Mantel, um den Flansch des Mantels zur Bildung eines Kopfs des männlichen Befestigungselements zu umkapseln.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Befestigungselemente. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf leichte männliche Befestigungselemente, die insbesondere zur Verwendung in einer Luftfahrzeugkonstruktion anwendbar sind. Männliche Befestigungselemente, die ganz aus Metall hergestellt sind, besitzen extrem hohe Festigkeit. Metall-Befestigungselemente sind jedoch äußerst schwer. Wo Gewicht von besonderer Bedeutung ist, beispielsweise bei der Konstruktion von Luftfahrzeugen, stellen alle Metall-Befestigungselemente erhebliche Probleme dar. Um Abschnitte bestimmter, hoch belasteter Konstruktionen zusammen zu befestigen, wie Luftfahrzeug- und andere Baugruppen, die eine hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht erfordern, wurden viele Variationen der traditionellen männlichen Befestigungselemente entwickelt. Die meisten dieser bekannten männlichen Befestigungselemente wurden unter Verwendung unterschiedlicher Materialien in einem Bemühen hergestellt, Gewicht zu reduzieren. Leider bewirkte die Verringerung des Gewichts eine entsprechende Verringerung der Festigkeit und/oder der Fähigkeit, den unterschiedlichen Belastungen, denen die Baugruppe ausgesetzt sein kann, zu widerstehen.
Verschiedene Versuche wurden unternommen, um die Nachteile der männlichen Befestigungselemente im Stand der Technik zu beseitigen. Leider besitzen die verschiedenen in Betracht gezogenen Konstruktionen eigene Nachteile. Bisherige Versuche umfassten typischerweise das Vorsehen eines aus Kunststoff geformten Kerns, der dann mit Metall beschichtet wird. Der Kopf des männlichen Befestigungselements ist typischerweise ebenfalls aus Metall und ist so geformt, dass er mit der äußeren Beschichtung in Eingriff ist. Obwohl diese männlichen Befestigungselemente mit einem Inneren aus Kunststoff Gewicht sparen, sind sie immer noch sehr schwer.
Das US-Patent Nr. 4824314 zeigt ein leichtes, mit Gewinde versehenes, männliches Befestigungselement, das einen Metallmantel aus Stahl oder Titan aufweist. Der Mantel wird dann mit einem nicht-metallischen Verbundstoff wie Epoxy oder Graphit gefüllt. In ähnlicher Weise zeigt das US-Patent Nr. 5292215 einen Bolzen, der einen Metallmantel besitzt, in welchem der Bolzenkopf, der Schaft und Gewinde alle aus Metall sind. Der Bolzen besitzt jedoch einen zentralen Hohlraum, der mit axial und spiralförmig ausgerichteten Verbundstofffasern gefüllt ist. Obwohl dies Gewicht spart, wäre es wünschenswert, ein mit Gewinde versehenes, männliches Befestigungselement vorzuschlagen, das noch weitergehende Gewichtseinsparungen bietet.
Alternative Ansätze wurden verfolgt, um ein männliches, leichtes, hochfestes Befestigungselement zu schaffen. Beispielsweise wurde anstelle des Vorsehens eines Metallmantels und eines Verbundstoffkerns vorgeschlagen, die Materialien umzukehren. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 6296573 ein Verfahren zum Herstellen eines Befestigungselements aus Metall und Kunststoff, bei dem der Kern des Befestigungselements aus Metall ist. Der Kern wird jedoch sodann mit einem thermoplastischen Material beschichtet. In ähnlicher Weise beschreibt das US-Patent Nr. 5356254 ein männliches Metall-Befestigungselement, das in Kunststoff eingekapselt ist. Leider bieten diese Konstruktionen keine besonders hohen Festigkeiten und sind schwerer als gewünscht.
Somit wäre es vorteilhaft, ein verbessertes männliches Befestigungselement in Vorschlag zu bringen, das hohe Festigkeit besitzt.
Es wäre auch von Vorteil, ein verbessertes männliches Befestigungselement vorzuschlagen, das leicht ist und das kostengünstig herzustellen ist und das insbesondere zur Verwendung in Luftfahrzeugkonstruktionen akzeptabel ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung geht die zuvor genannten Nachteile an, indem ein verbessertes männliches Befestigungselement vorgeschlagen wird, das sowohl Metall als auch ein Verbundwerkstoffmaterial wie Kunststoff aufweist. Die Kombination aus Metall und Kunststoff liefert optimale hochfeste Eigenschaften, die zur Verwendung in hoch belasteten Anwendungen geeignet sind. Zusätzlich ermöglicht das geringe Gewicht des männlichen Befestigungselements einen optimalen Einsatz in Luftfahrzeugkonstruktionen.
Das Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement umfaßt einen länglichen hohlen Mantel, der aus Metall hergestellt ist. Das Mantelelement umfaßt eine proximale Extremität, die dem Ende eines männlichen Befestigungselements entspricht, der typischerweise einen Kopf besitzt. Der Mantel umfaßt ferner eine distale Extremität, die mit einem Gewinde versehen ist und die das Ende definiert, das in ein weibliches Befestigungselement vorstehen soll. Der Mantel umfaßt eine axial ausgerichtete zentrale Bohrung, die sich im wesentlichen über die Länge des gesamten Mantels erstreckt. Die Bohrung erstreckt sich ferner zu der proximalen Extremität des Mantels, um eine Öffnung zu bilden. Angrenzend bzw. benachbart der Öffnung umfaßt das proximale Ende des Mantels einen Flansch, der sich radial von der Öffnung des Mantels erstreckt.
Das männliche Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement umfaßt ferner ein Kernelement. Das Kernelement ist aus Kunststoff hergestellt und füllt die zentrale Bohrung des Mantels aus. Ferner erstreckt sich das Kernelement proximal und radial von der zentralen Bohrung des Mantels nach außen durch die Öffnung des Mantels, um den Flansch des Mantels zu umkapseln, um einen Kopf des männlichen Befestigungselements zu bilden. Der Kopf des männlichen Befestigungselements kann unterschiedliche Formen annehmen, die von dem Fachmann ausgewählt werden können. Beispielsweise besitzt der Kopf des männlichen Befestigungselement in einer bevorzugten Ausführungsform eine hexagonale Form, um mit Schlüsseln und/oder Steckeinsatzwerkzeugen gedreht zu werden. In weiteren Ausführungsformen ist der Kopf des männlichen Befestigungselements polygonal in unterschiedlichen Formen wie dreiseitig, vierseitig oder fünfseitig gestaltet. Der Kopf des männlichen Befestigungselements kann auch kreisförmig sein und eine Ausnehmung enthalten, die für die Aufnahme eines Werkzeugs dimensioniert ist, beispielsweise ein Schlitz zur Aufnahme eines Schraubenziehers, eine hexagonale Ausnehmung zur Aufnahme eines Inbusschlüssels, oder eine mehrseitige, sternförmige Ausnehmung zur Aufnahme eines sternförmigen Schraubers, die in europäischen Konstruktionen üblicher ist. Noch weitere Ausgestaltungen des männliches Kopfes können ohne Abweichung von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ausgewählt werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das männliche Befestigungselement eine besonders hohe Festigkeit aufgrund der Verwendung von Metall, das den Mantel des männlichen Befestigungselements sowie die Gewindegänge des männlichen Befestigungselements bildet.
Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das männliche Befestigungselement ausgesprochen leicht ist als eine Folge der Verwendung eines Verbundwerkstoffmaterials für dessen Kern.
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnung ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist eine Seitenschnittansicht des männlichen Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselements von 2.
2 ist eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform des männlichen Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselements der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des männlichen Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselements der vorliegenden Erfindung mit hexagonalem Kopf und rechteckigem Innenflansch.
4 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines länglichen hohlen Mantels zur Verwendung bei dem männlichen Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines länglichen hohlen Mantels zur Verwendung bei dem männlichen Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer noch weiteren Ausführungsform eines länglichen hohlen Mantels zur Verwendung bei dem männlichen Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer noch weiteren Ausführungsform eines länglichen hohlen Mantels zur Verwendung bei dem männlichen Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine perspektivische Ansicht einer noch weiteren Ausführungsform des männlichen Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselements der vorliegenden Erfindung mit einem runden Kopf mit hexagonaler Ausnehmung und einem mit Ausnehmungen versehenen quadratischem Innenflansch.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Während die vorliegende Erfindung Ausführungsformen in unterschiedlichen Formen zugänglich ist, wie das in den Zeichnungen dargestellt ist, werden im folgenden die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, mit dem Verständnis, dass die vorliegende Offenbarung als beispielhafte Erläuterung der Erfindung anzusehen ist aber die Erfindung nicht auf die gezeigten spezifischen Ausführungsformen beschränken soll.
Im Hinblick auf die 1 bis 8 besitzt das männliche Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement eine Außenkonstruktion, die im wesentlichen identisch ist zu der herkömmlicher männlicher Befestigungselemente. Das männliche Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement 1 umfaßt einen mit Gewinde versehenen Schaft 9 und einen Kopf 7 zum Drehen des Schafts. Zusätzlich definiert der Kopf 7 des Befestigungselements die proximale Extremität 3 des männlichen Befestigungselements, während die Spitze bzw. das Ende des Schafts 9 die distale Extremität 5 des Metall-Befestigungselements definiert. Das männliche Befestigungselement der vorliegenden Erfindung kann auch zahlreiche Formen aus der Vielfalt der Formen, die bei existierenden männlichen Befestigungselementen zum Einsatz kommen, annehmen. Beispielsweise kann das männliche Befestigungselement jede Länge oder Durchmesser aufweisen. Der Kopf des männlichen Befestigungselements kann irgendeine aus zahlreichen Formen annehmen, die von dem Fachmann ausgewählt werden kann. Beispielsweise kann der Kopf eine hexagonale Form gemäß der Darstellung in 3 aufweisen. Der Kopf kann eine runde Form mit einer hexagonalen Ausnehmung 15 gemäß der Darstellung in 8 haben. Der Kopf des männlichen Befestigungselements kann eine gerändelte Außenfläche zur Drehung mit einem Werkzeug oder mit den Fingern besitzen. Alternativ kann der Kopf des männlichen Befestigungselements eine oder viele polygonale Formen 31 wie diejenigen, die in den 2, 3 und 8 dargestellt sind, annehmen. Ferner können die Gewindegänge des Befestigungselements durch den Fachmann so ausgewählt werden, dass sie die gewünschten Gewindewinkel, Tiefen und Teilung bzw. Abstände aufweisen.
Anders als herkömmliche männliche Befestigungselemente ist das männliche Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement 1 der vorliegenden Erfindung aus zwei Materialien aufgebaut. Unter hauptsächlicher Bezugnahme auf 1 umfaßt das männliche Befestigungselement 1 einen Mantel 21 aus Metall. Der Mantel 21 umfaßt eine zentrale Bohrung 25, die sich axial entlang der Achse erstreckt, welche durch die proximale Extremität und die distale Extremität des männlichen Befestigungselements 1 definiert ist. Die Bohrung erstreckt sich von dem proximalen Ende des Mantels, um eine Öffnung 27 zum gegenüberliegenden Ende des männlichen Befestigungselements zu bilden, an dem die Bohrung 25 durch den Mantel an der distalen Extremität 5 des Mantels geschlossen ist. Ferner umfaßt der Mantel 21 einen radial vorstehenden Flansch 29 an der proximalen Extremität des Mantels.
Wie am besten aus der Darstellung in 1 hervorgeht, umfaßt das männliche Befestigungselement 1 der vorliegenden Erfindung ein Kernelement 37 aus Verbundwerkstoff- bzw. Compositematerial. Das Kernelement 37 füllt die zentrale Bohrung 25 des Mantels, die die zentrale Longitudinalachsen des männlichen Befestigungselements 1 definiert. Zusätzlich erstreckt sich das Kernelement durch die Öffnung 27, so, dass es den Flansch 29 des Mantels zur Bildung eines Kopfs 7 des männlichen Befestigungselements umkapselt.
Gemäß der Darstellung in den 2, 3 und 8 kann der Kopf 7 jede beliebige Form oder Gestalt haben, um den Anwender beim Drehen des männlichen Befestigungselements beim Einsetzen oder Herausnehmen der männlichen Gewindegänge des Mantels in die Gewindegänge eines entsprechenden (nicht dargestellten) weiblichen Befestigungselements zu unterstützen. Gemäß der Darstellung in den Figuren kann der ummantelte Flansch 29 auch aus unterschiedlichen Formen wie solchen aufgebaut sein, die ein gerändeltes Äußeres wie die Darstellung 4 besitzen, oder die eine vierseitige polygonale Form wie die Darstellung in 5 oder eine vierseitig gekerbte Form wie die Darstellung in 7 haben. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Flansch 29 keine kreisförmige Form besitzt, die eine Drehung in dem Kopf des Kernelements begünstigt. Die Außenform des Flansches kann dieselbe sein wie die Außenform des Kopfes 7 des männlichen Befestigungselements. Beispielsweise wird das männliche Befestigungselement mit einem hexagonalen Kopf mit einem hexagonalen Innenflansch als eine bevorzugte Ausführungsform angesehen. Alternativ kann der Kopf 7 einen Flansch 29 einer unterschiedlichen Form umkapseln. Beispielsweise zeigt die 3 ein männliches Befestigungselement mit einem hexagonalen Kopf 7 aber mit einem vierseitigen polygonalen, umkapselten Flansch. Bei einer noch weitere Ausführungsform zeigt die 8 ein männliches Befestigungselement 1 mit einem runden Kopf, der mit einer hexagonalen Ausnehmung 15 zur Aufnahme eines Inbusschlüssels oder dgl. ausgebildet ist, der einen im wesentlichen quadratischen, polygonalen Flansch umkapselt, der mit Kerben versehen ist, um die Drehung des Flansches in dem Kopf des Kernelements weiter zu vermindern bzw. zu verhindern.
Der Metallmantel und das Verbundwerkstoff-Kernelement können aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut sein. Der Mantel kann aus Stahl, Aluminium, Titan oder verschiedenen Legierungen aufgebaut sein, die vom Fachmann nach Bedarf ausgewählt werden können. Ein leichtes, hochfestes Titan ist jedoch das bevorzugte Material für die Gestaltung des Mantels 21 des männlichen Befestigungselements. Das Kernelement kann ebenso aus jedem Verbundwerkstoffmaterial wie ABS, Nylon, Graphit, Fiberglas, Polyvinylchlorid etc. aufgebaut sein. Polyetheretherketon (PEEK) wird jedoch als ein bevorzugtes Material für die Gestaltung des Kernelements angesehen.
Das männliche Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement der vorliegenden Erfindung kann durch unterschiedliche Metall- und Kunststoff-Herstellungsverfahren gebildet werden, die dem Fachmann bekannt sind. Beispielsweise kann der Mantel gestanzt, geschmiedet oder geformt bzw. gegossen werden. Vorzugsweise wird der Mantel jedoch maschinell bzw. durch spanende Bearbeitung hergestellt, um eine Oberflächenbeschaffenheit mit hoher Qualität zu erzielen. Das Einbringen des Kernelements in den Mantel kann auch durch Anwendung unterschiedlicher Verfahren erreicht werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass das Kernelement in einem Formwerkzeug geformt wird, in dem der Mantel vorab positioniert ist und das Verbundwerkstoffmaterial so in die Form eingebracht wird, dass es den Mantel füllt und den Flansch des Mantels umkapselt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4824314 [0003]
- US 5292215 [0003]
- US 6296573 [0004]
- US 5356254 [0004]

Claims

Ein männliches Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement (1) mit: einem länglichen hohlen Mantelelement (21) aus Metall, wobei das Mantelelement (21) eine proximale Extremität (3), eine distale Extremität (5) und eine longitudinal ausgerichtete zentrale Bohrung (25) aufweist, wobei die proximale Extremität (3) einen sich radial erstreckenden Flansch (29) und eine Öffnung (27) aufweist, welche sich in die Bohrung (25) erstreckt, wobei das Äußere der distalen Extremität (5) männliche Gewindegänge (23) aufweist, welche zum Schraubeingriff mit Gewindegängen eines weiblichen Befestigungselements gestaltet sind, und einem Kernelement (37) aus einem Verbundwerkstoffmaterial, wobei das Kernelement (37) die zentrale Bohrung (25) des Mantels ausfüllt, wobei das Kernelement (37) sich ferner proximal und radial von der Bohrung (25) erstreckt, um den Flansch (29) zur Bildung eines Kopfes (7) des männlichen Befestigungselements zur Drehung des männlichen Befestigungselements (1) zu umkapseln.
Das männliche Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement gemäß Anspruch 1, wobei der Flansch (29) nicht rund ist, um die Drehung des Flansches (29) in dem Kopf (7) zu verhindern.
Das männliche Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Mantelelement (21) aus einer Titanlegierung und das Kernelement (37) aus einem Kunststoff, einem Fiberglas, Carbonfasern und Polyetheretherketon (PEEK) gemacht ist.
Das männliche Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kopf (7) polygonal ist.
Das männliche Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kopf (7) hexagonal ist.
Das männliche Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Flansch (9) polygonal und der Kopf (7) polygonal ist.
Das männliche Verbundwerkstoff-Metall-Befestigungselement gemäß Anspruch 6, wobei der Kopf (7) nicht dieselbe polygonale Form besitzt wie der Flansch (29).