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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft Befestigungselemente zur Verwendung mit Verbundwerkstoffen.
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HINTERGRUND
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Verbundwerkstoffmaterialien werden typischerweise durch Suspendieren eines hoch zugfesten, faserigen Materials innerhalb einer ausgehärteten Epoxid/Harzmatrix gebildet. Verbundwerkstoffmaterialien werden in bestimmten Herstellungsszenarien wegen ihrer hochfesten und leichtgewichtigen Eigenschaften bevorzugt. Sie sind insbesondere bemerkenswert stark, wenn die eingebetteten Fasern in Spannung eingelegt werden. Wenn allerdings Kräfte ohne Zug angewendet werden, neigt das/der oft spröde Epoxid/Harz dazu, selbst bei geringen Belastungen zu brechen. Die spröde Beschaffenheit bringt Herausforderungen mit sich, wenn versucht wird, den Verbundwerkstoff an einer starren Struktur zu befestigen, da die Befestigungsbelastung typischerweise eine Druckbelastung ist, die in einer zu dem Material normalen Richtung angewendet wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Fügeverbindungsanordnung umfasst eine faserverstärkte Verbundwerkstoffstruktur, eine Buchse und ein Befestigungselement. Die faserverstärkte Verbundwerkstoffstruktur weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, die der ersten Seite entgegengesetzt ist, und umfasst eine Verbundwerkstoffplatte, die auf der ersten Seite der Struktur angeordnet ist, und eine Vielzahl von Versteifungsrippen, die auf der zweiten Seite der Struktur angeordnet und an der Verbundwerkstoffplatte befestigt ist. Die Verbundwerkstoffplatte definiert eine abgerundete Vertiefung, die sich zu der zweiten Seite der Verbundwerkstoffstruktur hin erstreckt und einen ersten Krümmungsradius aufweist. Die Verbundwerkstoffplatte definiert ferne eine erste Bohrung an dem Zentrum der abgerundeten Vertiefung, die sich durch die Verbundwerkstoffstruktur hindurch erstreckt.
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Die Buchse weist allgemein ein abgerundetes Ende und ein flaches Ende auf, das dem abgerundeten Ende entgegengesetzt ist. Das abgerundete Ende weist einen zweiten Krümmungsradius auf, der dem ersten Krümmungsradius gleich sein kann. Die Buchse definiert eine zweite Bohrung, die innerhalb des abgerundeten Endes zentriert ist und sich durch das Zentrum des flachen Endes hindurch erstreckt.
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Das abgerundete Ende der Buchse ist ausgestaltet, um innerhalb der durch die Verbundwerkstoffstruktur gut definierten abgerundeten Vertiefung zu sitzen, sodass das flache Ende der Buchse mit der umgebenden Verbundwerkstoffplatte fluchtet. Das Befestigungselement ist sodann ausgestaltet, um sich innerhalb sowohl der ersten Bohrung als auch der zweiten Bohrung zu erstrecken, und ist ausgestaltet, um eine Druckbelastung gegen das flache Ende der Buchse anzuwenden.
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In einer Ausgestaltung ist jede der Vielzahl von Versteifungsrippen derart orientiert, dass sie sich von der ersten Bohrung radial nach außen erstrecken. Gleichermaßen kann eine kreisringförmige Rippe um die erste Bohrung herum angeordnet sein und kann diese teilweise definieren.
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Das Befestigungselement kann einen Körper und einen Kopf umfassen, wobei der Körper ausgestaltet ist, um sich sowohl innerhalb der ersten Bohrung als auch der zweiten Bohrung zu erstrecken. Nach dem Einbau ist der Kopf ausgestaltet, um mit der flachen Fläche der Buchse in Kontakt zu stehen.
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In einer Ausgestaltung definiert das flache Ende der Buchse einen Aufnahmeabschnitt, welcher ausgestaltet ist, um den Kopf des Befestigungselements aufzunehmen, sodass eine äußere Fläche des Befestigungselements mit dem flachen Ende der Buchse fluchtet. Auf diese Weise kann der Kopf des Befestigungselements nicht übermäßig von dem flachen Ende der Buchse vorstehen.
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Die oben stehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer kugelförmigen Fügeverbindungsanordnung für ein Verbundwerkstoffmaterial.
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2 ist eine Rückansicht der in 1 gezeigten schematischen perspektivischen Explosionsdarstellung.
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3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer kugelförmigen Fügeverbindungsanordnung für ein Verbundwerkstoffmaterial.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern verwendet werden, um in den verschiedenen Darstellungen gleiche oder identische Komponenten zu bezeichnen, illustriert 1 schematisch eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Fügeverbindungsanordnung 10 zum Festmachen einer Verbundwerkstoffstruktur 12 an ein sekundäres Element (nicht gezeigt). Im Zusammenhang mit Automobilen kann die Fügeverbindungsanordnung z. B. zweckdienlich beim Festmachen der Verbundwerkstoffstruktur 12 an einem Abschnitt des Fahrzeugrahmens sein.
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Die Fügeverbindungsanordnung 10 kann die faserverstärkte Verbundwerkstoffstruktur 12, eine Buchse 14 und ein Befestigungselement 16 umfassen, die alle zusammenwirken können, um die Verbundwerkstoffstruktur 12 an einem sekundären Element (nicht gezeigt) festzumachen. Der vorliegende Aufbau soll Spannungen in der Verbundwerkstoffstruktur 12 minimieren, die andernfalls unmittelbar in der Nähe des Befestigungselements 16 vorhanden wären, wenn die Verbundwerkstoffstruktur 12 festgemacht wird, oder während eines nachfolgenden Gebrauchs.
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Die Verbundwerkstoffstruktur 12 kann eine erste Seite 20 und eine zweite Seite 22 umfassen, die der ersten Seite 20 entgegengesetzt ist. Die Struktur 12 kann ferner einen Plattenabschnitt 24, der bei oder nahe bei der ersten Seite 20 angeordnet sein kann, und einen Rippenabschnitt 26 umfassen, der bei oder nahe bei der zweiten Seite 22 angeordnet sein kann. Der Plattenabschnitt 24 kann durch eine Verbundwerkstoffplatte 28 definiert sein, die eine allgemein konstante, nach außen gewandte Oberfläche aufweist. Der Rippenabschnitt 26 kann eine Vielzahl von Versteifungsrippen 30 umfassen, die an der Verbundwerkstoffplatte 28 befestigt sein kann, und kann die Platte 28 mit einer erhöhten Widerstandskraft gegen eine Querbiegung versehen.
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Einer oder beide von dem Plattenabschnitt 24 und oder dem Rippenabschnitt 26 kann/können aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoffmaterial gebildet sein, das eine Vielzahl von einseitig oder mehrseitig gerichteten Fasern umfassen kann, die innerhalb einer/s Epoxid- oder faserigen Matrix/Substrats angeordnet ist. Beispielsweise kann jede Rippe 30 der Rippenstruktur eine Vielzahl von Fasern umfassen, die in Längsrichtung entlang der Rippe 30 angeordnet ist. In einer Ausgestaltung können die Fasern Glaswollefasern, Kohlefasern, Graphitfasern oder andere geeignete hoch zugfeste Fasermaterialien umfassen. Jede einzelne Faser kann eine/n Dicke/Durchmesser von z. B. ungefähr 5–10 μm aufweisen. In anderen Ausgestaltungen können gleichermaßen Fasern mit größeren oder kleineren Dicken verwendet werden.
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Die Verbundwerkstoffplatte 28 kann eine abgerundete Vertiefung 32 definieren, die sich zu der zweiten Seite 22 der Verbundwerkstoffstruktur 12 hin erstreckt. Die abgerundete Vertiefung 32 kann einen allgemein gleichmäßigen Krümmungsradius 34 aufweisen, der von einem einzigen Mittelpunkt 36 stammt. In einer Ausgestaltung kann der Mittelpunkt 36 auf einer Ebene liegen, die durch die äußere Fläche 38 der Verbundwerkstoffplatte 28 definiert ist. Die abgerundete Vertiefung 32 kann als solche einer Halbkugel ähnlich sein. In einer anderen Ausgestaltung kann der Mittelpunkt 36 über der Ebene liegen, die durch die äußere Fläche 38 der Verbundwerkstoffplatte 28 definiert ist. In diesem Fall kann die abgerundete Vertiefung 32 einem Abschnitt einer Kugel gleichen.
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Die Verbundwerkstoffplatte 28 kann ferner eine Bohrung 40 an dem Zentrum der abgerundeten Vertiefung 32 definieren. Die Bohrung 40 kann sich durch die gesamte Verbundwerkstoffstruktur 12 hindurch (d. h. von der ersten Seite 20 zu der zweiten Seite 22) erstrecken und kann bemessen sein, um das Befestigungselement 16 aufzunehmen. In einer Ausführungsform kann der Rippenabschnitt 26 mit der Verbundwerkstoffplatte 28 zusammenwirken, um die Bohrung 40 zu definieren. Es kann z. B. eine kreisringförmige Rippe 42 um die Bohrung 40 herum angeordnet sein und kann diese teilweise definieren. Außerdem kann eine Vielzahl von Versteifungsrippen 44 ausgestaltet sein, um sich von der Bohrung radial nach außen zu erstrecken. Jede Rippe 44 kann spezifisch entlang eines vorbestimmten Belastungspfades innerhalb der Struktur 12 positioniert sein. Alternativ kann sich jede Rippe 44 in einer sonnenradähnlichen Anordnung oder in einer bestimmten anderen, konzentrischen, radial verlaufenden Anordnung nach außen erstrecken.
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Die Buchse 14 kann ausgestaltet sein, um innerhalb der durch die Verbundwerkstoffstruktur 12 definierten abgerundeten Vertiefung 32 sitzen. Wie hierin verwendet, soll der Ausdruck „sitzen” bedeuten, dass, wenn die Buchse 14 in die abgerundete Vertiefung 32 eingesetzt ist, eine Fläche der Buchse einen Flächenkontakt (im Gegensatz zu einem Punktkontakt) mit einer die Vertiefung 32 definierenden Fläche herstellt. Auf diese Weise kann die Buchse ein abgerundetes Ende 52 und ein flaches Ende 54 aufweisen. Das abgerundete Ende 52 kann einen Krümmungsradius aufweisen, der dem Krümmungsradius 34 der Vertiefung 32 im Wesentlichen gleich ist. Wenn sie in die Vertiefung eingesetzt ist, kann das flache Ende 54 der Buchse 14 in einer Ausgestaltung mit der äußeren Fläche 38 der Verbundwerkstoffplatte 12 im Wesentlichen fluchten.
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Die Buchse 14 kann eine zweite Bohrung 56 definieren, die innerhalb des abgerundeten Endes 52 zentriert ist und sich durch das Zentrum des flachen Endes 54 hindurch erstreckt. Die zweite Bohrung 56 kann derart positioniert sein, dass, wenn die Buchse 14 innerhalb der abgerundeten Vertiefung 32 eingesetzt ist, die Bohrung 56 der Buchse 14 mit der Bohrung 40 der Verbundwerkstoffstruktur 12 axial ausgerichtet sein kann. Ähnlich wie die erste Bohrung 40 kann auch die zweite Bohrung 56 bemessen sein, um das Befestigungselement 16 aufzunehmen. Nach dem vollständigen Zusammenbau, wie allgemein in der in 3 bereitgestellten Querschnittsansicht 60 illustriert, kann das Befestigungselement 16 durch jede von der ersten Bohrung 40 und der zweiten Bohrung 56 hindurch reichen, und ein Abschnitt 62 des Befestigungselements 16 kann von der zweiten Seite 22 vorstehen (d. h. der „vorstehende Abschnitt 62”).
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Das Befestigungselement 16 kann allgemein einen Kopfabschnitt 64 und einen Körperabschnitt 66 umfassen. Der Körperabschnitt 66 kann bemessen sein, um sich innerhalb der ersten Bohrung 40 und der zweiten Bohrung 56 zu erstrecken, während der Kopfabschnitt 64 relativ breiter sein kann als der Körperabschnitt 66 (d. h., so dass er nicht durch die zweite Bohrung 56 hindurch reichen kann). Nach dem vollständigen Zusammenbau kann der Kopfabschnitt 64 des Befestigungselements 16 mit dem flachen Ende 54 der Buchse in Kontakt stehen und eine Druckbelastung darauf anwenden. Diese Belastung kann ausreichend sein, um einen fortgesetzten Kontakt zwischen dem runden Ende 54 der Buchse 14 und der abgerundeten Vertiefung 32 der Verbundwerkstoffstruktur 12 sicherzustellen. Die Druckbelastung kann ferner dabei unterstützen, die Verbundwerkstoffstruktur an einem sekundären Element festzumachen, welches schließlich um den vorstehenden Abschnitt 62 des Befestigungselements 16 herum angeordnet werden kann.
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Wie allgemein in 3 illustriert, kann das Befestigungselement 16 in einer Ausgestaltung ein Niet sein, der ferner eine zentrale Bohrung 68 definiert. Wie einzusehen sein wird, kann, um den Niet an dem sekundären Element zu befestigen, ein Abschnitt des vorstehenden Abschnitts 62 radial nach außen verformt werden, um zu verhindern, dass sich der Niet durch die erste Bohrung 40 hindurch zurückzieht. In anderen Ausgestaltungen kann das Befestigungselement z. B. eine Schraube, ein Bolzen oder ein Stift sein.
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Das flache Ende 54 der Buchse 14 kann ferner einen Aufnahmeabschnitt 70 definieren, der bemessen sein kann, um den Kopfabschnitt 64 des Befestigungselements 16 aufzunehmen. Nach dem Zusammenbau kann ein Abschnitt des gesamten Kopfabschnitts 64 des Befestigungselements 16 in dem Aufnahmeabschnitt 70 und unter der äußeren Fläche des flachen Endes 54 der Buchse 14 angeordnet sein. In einer Ausgestaltung kann der Aufnahmeabschnitt 70 so bemessen sein, dass nach dem Einsetzen des Befestigungselements in die zweite Bohrung 56 eine äußere Fläche des Kopfabschnitts 64 des Befestigungselements 16 mit der umgebenden Fläche des flachen Endes 54 der Buchse 14 fluchten würde.
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In einer Ausgestaltung, wie schematisch in den 1 und 2 gezeigt, kann der Kopfabschnitt 64 des Befestigungselements 16 einen profilierten (d. h. nicht kreisförmigen) Außenumfang 72 umfassen. Beispielhafte Profile können Klauen- oder Sägezahnvorsprünge um den Außenumfang herum und/oder ovale, dreieckige oder quadratische Außenumfänge umfassen. Gleichermaßen kann ein Außenumfang 74 des Aufnahmeabschnitts 70 ein umgekehrtes Profil des Befestigungselementumfanges aufweisen. Auf diese Weise kann das Befestigungselement 16 beim Zusammenbau mit der Buchse 14 verblocken. Diese verzahnte Beschaffenheit verhindert eine Rotation des Befestigungselements 16 bezüglich der Buchse 14 während des Zusammenbaus und Gebrauches verhindern.
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Wie oben erwähnt, kann die Verbundwerkstoffstruktur 12 eine hoch zugfeste Faser umfassen, die innerhalb eines ausgehärteten Harzes/Epoxids suspendiert ist. Die Fasern können innerhalb sowohl des Plattenabschnitts 24 als auch des Rippenabschnitts 26 angeordnet sein und können sowohl einseitig als auch mehrseitig gerichtete Fasern umfassen. In einer Ausgestaltung kann das Befestigungselement 16 aus entweder einem hochfesten Polymer oder einem Metall (z. B. Aluminium oder Stahl) gebildet sein, und die Buchse 14 kann aus einem polymeren Material (z. B. einem Nylonmaterial, einem Polyvinylchlorid(PVC)-Material oder einem Polytetrafluorethylen(PTFE)-Material) gebildet sein. Die Buchse kann als solche bei der elektrischen Isolierung des Befestigungselements von der Verbundwerkstoffstruktur hilfreich sein und kann dementsprechend dem Auftreten einer galvanischen Kopplung/Korrosion zwischen dem Befestigungselement 16 und der Faser in der Struktur 12 widerstehen.
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Ein Vorteil der Verwendung solch einer abgerundeten Buchse 14 besteht darin, dass jegliche seitliche Belastungen, die im Gebrauch an entweder das Befestigungselement oder die Verbundwerkstoffstruktur weitergegeben werden können, über eine größere Oberfläche übertragen würden, als wenn das Befestigungselement nur durch den Verbundwerkstoff allein eingesetzt wäre. Diese Zunahme der Oberfläche wird jegliche örtlich begrenzten Spannungen minimieren, die andernfalls bei Nichtvorhandensein der Buchse aufgetreten wären. Ein/e geringere und gleichmäßigere Spannungsverteilung durch die Verbundwerkstoffstruktur 12 hindurch kann die Integrität der Harz/Epoxidmatrix erhalten und die Haltbarkeit des Verbundwerkstoffes verlängern.
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Während die besten Arten, die Erfindung auszuführen, im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Schutzumfanges der beiliegenden Ansprüche praktisch umzusetzen. Der gesamte in der obigen Beschreibung enthaltene oder in den beiliegenden Zeichnungen gezeigte Sachverhalt ist als rein illustrativ und nicht als einschränkend auszulegen.
