DE102014014624A1 - Insert for a connection with sandwich components - Google Patents

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Abstract

Sandwichplatten sind effiziente Leichtbauelemente. Sie werden oft als Halbzeug hergestellt. Zur festen Verbindung der Sandwichplatten mit anderen Maschinenelementen wie Schrauben, Bolzen und Lager werden Inserts verwendet. Verfügbare Inserts lassen sich entweder nicht genau im Nachhinein einbauen bzw. erzeugen keine feste Verbindung über die große Kräfte übertragen werden können. Das Insert ist dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (4) der Sandwichplatten (4, 5) mittels Distanzkörper (3) miteinander verspannt werden. Dadurch werden die Kräfte in beide Deckschichten (4) eingeleitet. Die Form der Distanzkörper (3) und ihre Verbindung (3.1) untereinander sind so gestaltet, dass sie formschlüssig in der Bohrung gesichert sind. Die hier vorgestellte Erfindung lässt sich im Nachhinein montieren, ermöglicht das Übertragen großer Kräfte und ist sehr genau positionierbar (Genauigkeit im Bereich weniger 11000 mm). Anwendungsbereiche finden sich im Fahrzeugbau, in der Luftfahrt und Raumfahrt, im Werkzeugmaschinenbau und überall dort, wo es auf geringe bewegte Massen ankommt.Sandwich panels are efficient lightweight construction elements. They are often produced as semi-finished products. Inserts are used to secure the sandwich panels to other machine elements such as screws, bolts and bearings. Available inserts can either not be installed with hindsight or do not produce a strong connection through which large forces can be transmitted. The insert is characterized in that the cover layers (4) of the sandwich panels (4, 5) are clamped together by means of spacers (3). As a result, the forces in both outer layers (4) are initiated. The shape of the spacers (3) and their connection (3.1) with each other are designed so that they are positively secured in the bore. The invention presented here can be retrofitted, allows the transmission of large forces and can be positioned very accurately (accuracy in the range of less than 11000 mm). Areas of application can be found in vehicle construction, in aviation and space travel, in machine tool construction and wherever low moving masses are important.

Description

Einordnung:Classification:

Sandwichplatten sind effiziente Leichtbauelemente. Sie werden im Fahrzeugbau, in der Luftfahrt und Raumfahrt, im Werkzeugmaschinenbau und überall dort, wo es auf geringe bewegte Massen ankommt, eingesetzt. Sandwichplatten sind oft Halbzeuge. Geformte Sandwichbauteile haben oft einen aufwendigen Herstellungsprozess. Aus diesen Gründen ist es oft sinnvoll, Inserts erst im Nachhinein in die fertige Sandwichplatte bzw. in das fertige Sandwichbauteil einzusetzen. Diese Inserts haben unterschiedliche Aufgaben. Sie dienen z. B. der Aufnahme von Schrauben, Bolzen und Lagern. Die vorgestellte Verbindung entspricht durch ihre spezielle Geometrie den hohen Anforderungen für Verbindungselemente in den genannten Gebieten hinsichtlich Genauigkeit und Stabilität.Sandwich panels are efficient lightweight construction elements. They are used in vehicle construction, in aerospace and aerospace, in machine tool building and everywhere where it depends on low moving masses. Sandwich panels are often semi-finished products. Molded sandwich components often have a complex manufacturing process. For these reasons, it often makes sense to insert inserts only afterwards in the finished sandwich panel or in the finished sandwich component. These inserts have different tasks. They serve z. B. the inclusion of screws, bolts and bearings. Due to its special geometry, the presented connection meets the high requirements for fasteners in the mentioned fields in terms of accuracy and stability.

Stand der Technik:State of the art:

Im Patent GB 2017 857 wird ein Insert für Sandwichplatten vorgestellt, welches aus zwei Flanschen besteht, die gegeneinander verschraubt werden. Durch die Schraubverbindung wird von beiden Seiten auf die Sandwichplatte Druck ausgeübt, welcher das Kernmaterial der Sandwichplatte zusammendrückt. Distanzkörper zum Abbau dieses Druckes und zum Schutz des Kernmaterials sind nicht vorgesehen.In the patent GB 2017 857 An insert for sandwich panels is presented, which consists of two flanges, which are bolted together. Through the screw connection pressure is exerted on both sides of the sandwich panel, which compresses the core material of the sandwich panel. Spacers to reduce this pressure and to protect the core material are not provided.

Im Patent EP 1937 985B1 wird ein Insert für Sandwichplatten mit Wabenkern vorgestellt, bei dem Bauteile ähnlich denen einer Spinne in den Wabenkern hineinragen und dort eine Verbindung herstellen. Es ist keine Deck- und Bodenplatte vorgesehen, die die Sandwichplatte zusammendrückt. Dieses Insert ist für wenig belastete Bauteile wie zum Beispiel die Gepäckklappen in Flugzeugkabinen geeignet.In the patent EP 1937 985B1 An insert for sandwich panels with honeycomb core is presented in which components protrude similar to those of a spider in the honeycomb core and connect there. There is no cover and bottom plate that compresses the sandwich panel. This insert is suitable for lightly loaded components such as the luggage flaps in aircraft cabins.

In den Patenten DE 3841 499 A1 , GB 2214 594 A und EP 2294 324 (A1) werden Schraubverbindungen vorgestellt, die dadurch gekennzeichnet sind, dass durch das Anziehen der Schraube Bauteile an die Seitenflächen des Loches gepresst werden. Diese Verbindungen sind für Sandwichplatten nicht geeignet, weil sie ein stabiles Kernmaterial benötigen.In the patents DE 3841 499 A1 . GB 2214 594 A and EP 2294,324 (A1) screw connections are presented, which are characterized in that by tightening the screw components are pressed against the side surfaces of the hole. These compounds are not suitable for sandwich panels because they require a stable core material.

Im Patent EP 0928 863 A2 wird eine Einrichtung zum Einleiten einer Kraft in ein Element beschrieben, welches über faden- oder bandförmige Verbindungselemente verspannt wird. Die faden- oder bandförmigen Verbindungselemente können nur Zugkräfte übertragen. So kann eine Verspannung nur in dieser Richtung erfolgen. Kräfte senkrecht zu dieser Verspanneinrichtung bewirken eine Verformung der im Patent beschriebenen Einrichtung.In the patent EP 0928 863 A2 a device is described for introducing a force into an element, which is tensioned via thread or band-shaped connecting elements. The thread or band-shaped connecting elements can only transmit tensile forces. So a tension can only be done in this direction. Forces perpendicular to this bracing cause deformation of the device described in the patent.

In einer Veröffentlichung von Heimbs, S. und Pein, M. „Failure behaviour of honeycomb sandwich corner joints and inserts”, Composite Structures, 89, Elsevier-Verlag 2009 pp 575–588 wird eine Zusammenfassung aller bekannten Lösungen von Inserts für Sandwichplatten gegeben. Dabei sind neben den beiden schon beschriebenen Lösungen, die auch noch nachträglich eingebaut werden können, folgende Lösungen zu nennen.

  • • Das Insert (oder Onsert) wird von einer Seite an die Sandwichplatte auflaminiert. Diese Lösung ist eigentlich für Bauteile ohne Sandwichstruktur besser geeignet.
  • • In der Sandwichplatte wird schon bei der Herstellung an die Stellen, wo Inserts angebracht werden sollen, anstatt des Kernmaterials Blockmaterial (Holz, Aluminium, Stahl, Plastik) eingesetzt. An diesen Stellen kann dann direkt ein- bzw. durchgeschraubt werden bzw. ein Insert gemäß Patent GB 2017 857 verwendet werden. Mit dieser Lösung können stabile Verbindungen erreicht werden. Anstatt des Blockmaterials ist es auch möglich, die Sandwichplatten an einer Seite aufzubohren, das Kernmaterial zu entfernen und Vergußmasse einzufüllen.
  • • Bei der letzten vorgestellten Lösung ist an Stellen, wo Inserts eingebaut werden sollen, punktuell von der Sandwichstruktur abzuweichen. Diese muss auch schon bei der Herstellung des Sandwichbauteils eingeplant werden.
In a publication of Heimbs, S. and Pein, M. "Failure behavior of honeycomb sandwich corner joints and inserts", Composite Structures, 89, Elsevier-Verlag 2009 pp 575-588 a summary of all known solutions of inserts for sandwich panels is given. In addition to the two solutions already described, which can also be retrofitted, the following solutions should be mentioned.
  • • The insert (or onsert) is laminated from one side to the sandwich panel. This solution is actually better suited for components without a sandwich structure.
  • • In the sandwich panel, it is used in place of the core material block material (wood, aluminum, steel, plastic) as soon as it is made to the places where inserts are to be applied. At these points can then be directly screwed or screwed or an insert according to patent GB 2017 857 be used. With this solution, stable connections can be achieved. Instead of the block material, it is also possible to drill the sandwich panels on one side, to remove the core material and to fill potting compound.
  • • In the last solution presented, points at points where inserts are to be installed must be deviated from the sandwich structure. This must also be planned in the production of the sandwich component.

Mängel bisheriger LösungenDeficiencies of previous solutions

Es soll davon ausgegangen werden, als Halbzeug hergestellte Sandwichplatten zu verwenden. Bei diesen sind alle Lösungen, die das Einlegen von Blockmaterial bzw. anderweitige konstruktive Veränderungen an der Sandwichplatte erfordern, nicht möglich. Die im Patent GB 2017 857 vorgestellte Lösung, die der Erfindung am ähnlichsten ist, hat den Nachteil, dass durch die Schraubverbindung Druck auf das Kernmaterial ausgeübt wird. Bei leichtem und weichem Kernmaterial, was ja der Sinn einer Sandwichplatte ist, kann so keine feste Verschraubung des Inserts mit der Sandwichplatte erreicht werden. Einseitig an die Sandwichplatte auflaminierte bzw. eingeleimte Inserts erreichen auch keine Stabilität. Lösungen gemäß Patent EP 0928 813 12 können bei weichem Kernmaterial nur Zug- und Druckkräfte und keine Biegemomente und Querkräfte übertragen.It should be assumed to use sandwich panels produced as semi-finished products. In these, all solutions that require the insertion of block material or other constructive changes to the sandwich panel, not possible. The in the patent GB 2017 857 presented solution, which is most similar to the invention, has the disadvantage that is exerted by the screw pressure on the core material. With light and soft core material, which is the purpose of a sandwich panel, it is not possible to achieve a firm screw connection of the insert to the sandwich panel. Inserts laminated or glued to the sandwich panel on one side also have no stability. Solutions according to patent EP 0928 813 12 With soft core material, only tensile and compressive forces and no bending moments and shear forces can be transmitted.

Gelöste Problemstellung:Solved problem statement:

Durch Einbringen von Distanzkörpern zwischen die Deckplatten der Sandwichstruktur können diese gegeneinander fest verspannt werden ohne das Kernmaterial zu belasten. Es ist eine reine mechanische, formschlüssige Lösung bei der der Kraftfluss genau definiert ist. Das Insert kann im Nachhinein in eine Sandwichplatte eingebaut werden. Es sind unterschiedliche Ausführungsvarianten für Schrauben, Bolzen, Lager und andere Maschinenelemente möglich. Durch die feste Verschraubung von Grund- und Deckplatte der Sandwichstruktur können große Kräfte eingeleitet werden. Durch den Formschluss der beiden Flanschteile können auch Querkräfte und Biegemomente bei hohem Genauigkeitsanspruch übertragen werden.By introducing spacers between the cover plates of the sandwich structure they can be tightly clamped against each other without burdening the core material. It is one pure mechanical, form-fitting solution in which the power flow is precisely defined. The insert can be retro-fitted in a sandwich panel. There are different variants for screws, bolts, bearings and other machine elements possible. Due to the fixed screwing of base and cover plate of the sandwich structure large forces can be initiated. Due to the positive connection of the two flange also lateral forces and bending moments can be transferred with high accuracy.

Erläuterung der Erfindung an einen Ausführungsbeispiel:Explanation of the invention to an embodiment:

Auf dem Bild 4 wird eine Variante des Inserts gezeigt, die zum passgenauen Einbau eines Lagers in eine Sandwichplatte dient. Bei der Herstellung von Sandwichplatten wird oft eine Wärmebehandlung benötigt, um das Kernmaterial mit den Deckplatten zu verbinden, bzw. die Deckplatten zu erhärten (CFK). Deshalb ist es nicht möglich, Teile (Bolzen, Gewinde, Lager ...) passgenau schon bei der Herstellung der Sandwichplatten zu platzieren. Bei der Verwendung von Sandwichplatten als Halbzeug ist dies gar nicht möglich. Im Ausführungsbeispiel soll ein Kugellager betrachtet werden, welches passgenau in eine Sandwichplatte aus CFK eingefügt werden soll. Das Kugellager soll eine Zahnradwelle aufnehmen. Bei den Achsabständen sind Toleranzen von weniger 2 / 100 mm notwendig. Zuerst wird in das CFK-Sandwich eine passgenaue Bohrung eingebracht. Dies ist zum Beispiel mit CNC-Fräsen möglich. Die Bohrung und die Flanschteile 1 und 2 sind so toleriert, dass eine genaue Passung möglich ist. Weiterhin ist der Innenflansch 1 so toleriert, dass er den Außenring des Kugellagers genau führen kann. Die Distanzkörper sind mit einer umlaufenden Feder verbunden. Diese werden in die Sandwichplatte eingebaut, in der vorher das Kernmaterial an der entsprechenden Stelle entfernt wurde. Die Flansche 1 und 2 werden gegeneinander fest verschraubt, so dass durch den Kraftschluss die beiden Deckplatten der Sandwichplatten und die Distanzkörper fest verschraubt sind. Der Innenflansch 1 ist so gestaltet, dass das Kugellager 6 über Anschlag und Sicherungsring 8 eine klassische Festlagerung bildet.Figure 4 shows a variant of the insert, which is used for accurately fitting a bearing in a sandwich panel. In the production of sandwich panels, a heat treatment is often required to connect the core material with the cover plates, or to harden the cover plates (CFRP). Therefore, it is not possible to place parts (bolts, threads, bearings ...) precisely when making the sandwich panels. When using sandwich panels as semi-finished this is not possible. In the exemplary embodiment, a ball bearing is to be considered, which is to be inserted accurately into a sandwich panel made of CFRP. The ball bearing should receive a gear shaft. At the center distances are tolerances of less 2/100 mm necessary. First, a precisely fitting hole is made in the CFRP sandwich. This is possible, for example, with CNC milling. The bore and the flange parts 1 and 2 are tolerated so that an accurate fit is possible. Furthermore, the inner flange 1 tolerated so that it can guide the outer ring of the ball bearing exactly. The spacers are connected to a rotating spring. These are installed in the sandwich panel, in which previously the core material was removed in the appropriate place. The flanges 1 and 2 are firmly bolted against each other, so that the two cover plates of the sandwich panels and the spacers are firmly screwed by the adhesion. The inner flange 1 is designed so that the ball bearing 6 over stop and circlip 8th forms a classic fixed storage.

Vorteile und Anwendernutzen:Advantages and user benefits:

Durch die Erfindung wird es möglich, große Kräfte in Sandwichplatten einzuleiten und diese Verbindungen im Nachhinein zu erstellen. Es können hohe Genauigkeiten erreicht werden, weil die Herstellung der Verbindung nach Abschluss aller Wärmebehandlung erfolgt und computergestützte Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen. Es können Längskräfte, Querkräfte und Momente eingeleitet werden.The invention makes it possible to initiate large forces in sandwich panels and to create these compounds in retrospect. High accuracy can be achieved because the connection is made after completion of all heat treatment and computer-aided manufacturing processes are used. It can be introduced longitudinal forces, shear forces and moments.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • GB 2017857 [0002, 0006, 0007] GB 2017857 [0002, 0006, 0007]
  • EP 1937985 B1 [0003] EP 1937985 B1 [0003]
  • DE 3841499 A1 [0004] DE 3841499 A1 [0004]
  • GB 2214594 A [0004] GB 2214594 A [0004]
  • EP 2294324 (A1) [0004] EP 2294324 (A1) [0004]
  • EP 0928863 A2 [0005] EP 0928863 A2 [0005]
  • EP 092881312 [0007] EP 092881312 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Heimbs, S. und Pein, M. „Failure behaviour of honeycomb sandwich corner joints and inserts”, Composite Structures, 89, Elsevier-Verlag 2009 pp 575–588 [0006] Heimbs, S. and Pein, M. "Failure behavior of honeycomb sandwich corner joints and inserts", Composite Structures, 89, Elsevier-Verlag 2009 pp 575-588 [0006]

Claims (4)

Insert für die Verbindung mit Sandwichkomponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten der Sandwichplatte mittels Distanzkörper miteinander verspannt werden.Insert for connection with sandwich components, characterized in that the cover layers of the sandwich panel are clamped together by means of spacers. Insert nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Insert nachträglich an beliebiger Stelle in die Sandwichplatte einbaubar ist.Insert according to claim 1, characterized in that the insert is retrofitted at any position in the sandwich plate. Insert nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung der Lage der Distanzkörper in der Bohrung durch deren spezielle geometrische Form erfolgt.Insert according to claim 1 and 2, characterized in that the securing of the position of the spacers in the bore by their special geometric shape. Insert nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass Querkräfte und Momente nicht durch das Kernmaterial, sondern durch den Einsatz einer Passschraubverbindung als Gewindeverbindung aufgenommen werden.Insert according to claim 1, 2 and 3, characterized in that lateral forces and moments are not absorbed by the core material, but by the use of a fitting connection as a threaded connection.
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