DE102014109886A1

DE102014109886A1 - Faserverbundwerkstoff-Verbindungsabschnitt und Herstellverfahren

Info

Publication number: DE102014109886A1
Application number: DE102014109886.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Pfaff; Michael Magin; Uwe Schmitt
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2016-01-21
Also published as: DE112015003290B4; DE112015003290A5; WO2016008858A1

Abstract

Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) an einem Langfaser-Faserverbundwerkstoffbauteil zur Verbindung des Faserverbundwerkstoffbauteils mit einem Anschlussbauteil (20, 130), der zum Zwecke der Herstellung einer leichten und stabilen Verbindung in seinem Inneren wenigstens ein Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) aufweist, wobei Langfasern (4a, 5a, 6a) des Faserverbundwerkstoffbauteils als Schlaufe um das Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) verlaufen, sodass deren Faserrichtung an dem Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) umgelenkt ist, wobei eine Oberfläche des Verbindungsabschnitts (1, 10, 110) durch das Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) in dem Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) und den Verlauf der Langfasern um das Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) einen Befestigungsvorsprung (12b, 13b) zur formschlüssigen Krafteinleitung bildet. Weiter betrifft die Erfindung ein Faserverbundwerkstoffbauteil, einen Kraftübertragungsverbund (30) sowie ein Herstellverfahren für den Verbindungsabschnitt (1, 10, 110).

Description

Stand der Technik
Diese Erfindung betrifft einen Verbindungsabschnitt an einem Langfaser-Faserverbundwerkstoffbauteil zur Verbindung des Faserverbundwerkstoffbauteils mit einem Anschlussbauteil. Weiter betrifft die Erfindung ein Langfaser-Faserverbundwerkstoffbauteil, einen Kraftübertragungsverbund und ein Herstellverfahren für den Verbindungsabschnitt.
Im Bereich der Faserverbundwerkstoffe besteht nicht selten die Anforderung, ein Bauteil aus Faserverbundwerkstoff mit einem anderen Bauteil zu verbinden. Insbesondere für hochbelastete Bauteile ist es nachteilig, wenn zur Befestigung eines solchen Bauteils die Fasern unterbrochen werden, wie es etwa beim Durchbohren eines solchen Bauteils, um ein zu verbindendes Bauteil, das als Verbindungselement ausgestaltet sein kann, durch die Bohrung zu stecken, der Fall ist. Viele für metallische Werkstücke geeignete Verbindungsverfahren können nur mit erheblichem Festigkeitsverlust angewendet werden. Im Stand der Technik sind verschiedene Lösungen bekannt, um dieser Problematik zu begegnen.
Die DE 20 2008 008 215.3 beschreibt ein Krafteinleitungselement für Faserverbundstreben mit Langfasern, die derart gewickelt sind, dass sie an einem Ende des Krafteinleitungselements eine Öse bilden, durch die einen Stab gestreckt werden kann, an dem das Krafteinleitungselemente auf diese Weise befestigbar ist.
Die DE 3834266 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Verankerung eines stabförmigen Zugglieds aus Faserverbundwerkstoff. Das Zugglied ist zur Kraftübertragung in eine Mutter eingeschraubt. Die Oberfläche des Zugglieds ist dazu mit Rippen und Vertiefungen versehen. Die Vorsprünge werden dabei im Wesentlichen von Matrixmaterial gebildet, sodass diese eine erheblich geringere Festigkeit als die Faserfestigkeit aufweisen. Zum Schutz des empfindlichen Faserverbundwerkstoffs wird zwischen die Mutter und das Gewinde auf den Zugglied eine Weichschicht angeordnet, die zu einer erheblichen Nachgiebigkeit der Verbindung führt, die in vielen Fällen nachteilig ist.
Die DE 102011 120 197 offenbart eine Gewindespindel mit einem Kern aus Faserverbundwerkstoff, um den zur Ausbildung einer Lauffläche ein Hartstoff-Außenmantel aufgebracht ist, welcher ein Außengewinde trägt. Der Hartstoff-Außenmantel wird z.B. durch thermisches Spritzen (s. DIN EN 657) oder mittels Laseraufschmelzen von Metallpulver aufgebracht und dabei außen strukturiert, wobei durch das Aufbringen von flüssigem Metall eine innige Verbindung zwischen der Außenoberfläche des Faserverbundwerkstoffkerns und dem Hartstoff-Außenmantel entsteht. Nachteilig müssen Kräfte in der Mitte des Faserverbundwerkstoffkerns über Scherkräfte in dessen Matrix zu dem Hartstoff-Außenmantel übertragen werden.
Die DE 196 25 426 A1 beschreibt eine Verbindungsvorrichtung, mittels der ein Faserverbundwerkstoffbauteil über einen Gewindeabschnitt aus Faserverbundwerkstoff mit einem entsprechenden Gegenstück verbunden werden kann. Die Fasern verlaufen in dem Gewindeabschnitt und dem daran anschließenden Bauteilabschnitt in Längsrichtung des Gewindeabschnitts. Zur Herstellung des Gewindeabschnitts wird in das Faserbündel, das den Gewindeabschnitt bilden soll, ein Kern eingeschraubt, der ein Außengewinde trägt, welches näherungsweise dem Außengewinde entspricht, das der Gewindeabschnitt aufweisen soll. Die Gewindeflanken haben ein sinusförmiges oder wellenartiges Profil, entlang dem die Fasern verlaufen, wobei sie den Kern umgeben. Um das Anlegen der Fasern an den Kern zu bewirken, werden die Fasern des Gewindeabschnitts zum Einschrauben des Kerns innerhalb einer Gegenform mit entsprechenden sinusförmigen Innengewindeflanken angeordnet, sodass den Fasern deren Verlauf vorgegeben wird. In dieser Position werden die Fasern getränkt und Matrix ausgehärtet. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die Festigkeit einer damit bewirkten formschlüssigen Verbindung Faserverbundwerkstoffbauteils mit einem anderen Bauteil mit passendem Innengewinde durch die Auszugskraft der Fasern zwischen dem Kern und dem Innengewinde begrenzt ist. Diese Auszugskraft hängt wesentlich von der Verformbarkeit der Matrix ab, welche im Vergleich zu der Faserfestigkeit erheblich geringer ist.
Aufgabe der Erfindung ist daher, gegenüber den bestehenden Verbindungsmethoden für Faserverbundwerkstoffbauteile eine Lösung anzugeben, die die Festigkeit von Langfasern auch im Verbindungsbereich weitgehend ausnutzt, und somit eine leichte und feste Verbindungslösung zu schaffen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verbindungsabschnitt für ein Langfaser-Faserverbundwerkstoffbauteil, in dem Langfasern um ein Faserumlenkelement verlaufen, sodass sie daran zumindest näherungsweise in Gegenrichtung umgelenkt werden. Das Faserumlenkelement ist dabei zumindest teilweise, bevorzugt größtenteils oder vollständig im Inneren des Verbindungsabschnitts und derart angeordnet, dass es in Verbindung mit den umgelenkten Langfasern die Ausprägung eines Befestigungsvorsprungs an einer Oberfläche des Verbindungsabschnitts bewirkt, an dem insbesondere formschlüssig Kraft in den Verbindungsabschnitt einleitbar ist. Die Langfasern bilden um das Faserumlenkelement herum eine Schlaufe. Das Faserumlenkelement kann außerdem dazu dienen, zu verhindern, dass der Befestigungsvorsprung Kräften von einer Gegenfläche eines Anschlussbauteils ausweicht. Besonders einfach kann dies erreicht werden, indem das Faserumlenkelement als Ring oder schraubenförmig ausgebildet ist. Eine solche Geometrie ist gegenüber radialen Kräften eigensteif und kann eingeleitete Kräfte räumlich verteilen. Kräfte, die auf das Faserumlenkelement einwirken, werden von dem Faserumlenkelement weitergeführt und bevorzugt mit Gegenkräften zusammengeführt, insbesondere an einer Stelle, die dem Krafteinleitungsort in Bezug auf den Verbindungsabschnitt gegenüberliegt.
Der Befestigungsvorsprung ist dazu eingerichtet, sich an einer Gegenfläche eines Anschlussbauteils abzustützen, mit dem das Faserverbundwerkstoffbauteil verbunden werden soll. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verbindungsabschnitts ist, dass die Langfasern durchgehend bis zu dem Befestigungsvorsprung verlaufen können und dadurch keine Kräfte zwischen den Langfasern mittels Scherkräften über die Matrix übertragen werden müssen. Auf diese Weise kann die Festigkeit der Langfasern sehr gut ausgenutzt werden. Durch die Umschlingung des Faserumlenkelements werden außerdem Kräfte effektiv von den Langfasern in das Faserumlenkelement eingeleitet, sodass auch dieses der Kraftübertragung an den Befestigungsvorsprung dient, indem es den Befestigungsvorsprung vom Inneren des Verbindungsabschnitts aus stützt. Außerdem können Kräfte zwischen verschiedenen Stellen des Faserumlenkelements übertragen werden, was etwa bei ungleichmäßiger Anlage an eine Gegenfläche relevant sein kann. Durch die gute Ausnutzung der Festigkeit der Langfasern wird ein geringes Gewicht des Verbindungsabschnitts erreicht. Der erfindungsgemäße Verbindungsabschnitt zeigt zudem ein sehr gutes Tragverhalten und ist somit für den Leichtbau besonders geeignet.
Die Umschlingung des Faserumlenkelements kann dabei ungefähr eine halbe Umdrehung betragen; es ist jedoch auch denkbar, eine ganze, eineinhalb oder noch mehr Umdrehungen der Umschlingung vorzusehen. Bei einer ganzen Umdrehung verlaufen die Fasern insgesamt in derselben Richtung weiter, in der sie zu dem Faserumlenkelement verlaufen, umlaufen das Faserumlenkelement jedoch auch in Gegenrichtung zu ihrer ursprünglichen Richtung. Bei einer halben oder eineinhalb Umdrehungen wird der Gesamtverlauf der Fasern in die Gegenrichtung gelenkt. Die Schlaufen können offen oder geschlossen sein und können zu letzterem beispielsweise vernäht, gestrickt oder gewirkt sein. Es ist somit auch denkbar, dass das Faserumlenkelement durch Maschen eines Gestricks oder Gewirks verläuft.
Bei der Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils mit einem erfindungsgemäßen Verbindungsabschnitt ergibt sich im Vergleich zu einem herkömmlich mit Wendehilfen hergestellten Faserverbundwerkstoffbauteil eine Materialersparnis, da die Faserumlenkelemente im Inneren des Verbindungsabschnitts verbleiben und dort nützlich sind, während die herkömmlichen Wendehilfen mit den sie umschlingenden Faserabschnitten von dem Bauteil üblicherweise abgeschnitten werden. Auch der Vorgang des Beschneidens kann entfallen. Gleichzeitig entfallen die Kosten für die Nachbearbeitung.
Besonders bevorzugt ist der Verbindungsabschnitt ein Endabschnitt des Faserverbundwerkstoffbauteils. Ein oder mehrere Befestigungsvorsprünge befinden sich vorzugsweise nahe an oder an einem freien Ende des Verbindungsabschnitts.
In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verbindungsabschnitts beschrieben.
In einer Ausführungsform ist der Verbindungsabschnitt im Wesentlichen in einer Ebene ausgebildet und bildet somit einen flachen Abschnitt. Der Verbindungsabschnitt ist alternativ rohrförmig oder stabförmig ausgestaltet.
In einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsabschnitts ist das Faserumlenkelement als gerader Stab, als Ring oder als schraubenförmig gewundenes Element ausgebildet. In dem Verbindungsabschnitt kreuzt eine Längsachse des Faserumlenkelements die Faserrichtung von Fasern, die es umschlingen. Ein Faserwinkel der Faserlängsrichtung zur Längsrichtung des Verbindungsabschnitts kann dabei zwischen 0 und nahezu 90° liegen, insbesondere unter einem sehr kleinen Winkel von beispielsweise wenigen Grad, beispielsweise um eine hohe Steifigkeit in Umfangsrichtung zu erreichen, weiter unter einem größeren Winkel, insbesondere von größer oder gleich 30°, um verstärkt Torsion und Längskraft aufzunehmen, bevorzugt in einem Bereich um 45°, z.B. für hohen Torsionsanteil der Belastung in dem Verbindungsabschnitt, oder besonders bevorzugt unter wenigstens näherungsweise 0° für einen hohen Längskraftanteil. In typischen Fällen, in denen die Längsrichtung des Faserumlenkelements unter 90° zur Längsrichtung des Verbindungsabschnitts liegt, ergibt sich für den Kreuzungswinkel zwischen der Längsrichtung des Faserumlenkelements und der Faserlängsrichtung ein Winkel von 90° abzüglich des Faserwinkels. Es können Fasern mit unterschiedlichen Faserrichtungen vorgesehen sein, insbesondere in Schichten, wodurch, wie im Stand der Technik bekannt ist, besondere Vorteile erzielt werden können. Die Längsachse ist eine gedachte Mittelachse und kann auch gebogen sein. Bevorzugt ist das Faserumlenkelement als Kreisring ausgebildet. Besonders bevorzugt weist das Faserumlenkelement quer zu seiner Längsachse einen kreisförmigen Querschnitt auf. Denkbar sind aber auch beispielsweise tropfenförmige Querschnitte. Vorzugsweise ist das Faserumlenkelement als Rohrelement oder als Element aus Vollmaterial ausgebildet. Bevorzugt ist das Faserumlenkelement im Wesentlichen aus Metall oder Kunststoff hergestellt. Besonders bevorzugt können Faserumlenkelemente aus faserverstärktem Kunststoff eingesetzt werden, wobei die Fasern in ringförmigen oder schraubenförmigen Faserumlenkelementen vorzugsweise zumindest mit einem Richtungsanteil in Umfangsrichtung angeordnet und insbesondere aus Langfasern gewickelt sind. Die letztgenannte Variante kann ein abgelängter Abschnitt eines gewickelten Rohres sein. Denkbar ist auch die Verwendung von kurzfaserverstärktem oder gefülltem Kunststoff. Das Faserumlenkelement ist bevorzugt stoßbelastbar, sodass es Schlag- und Stoßkräfte aufnehmen, auf eine größere Fläche verteilen und somit abschwächen kann, und schützt so den in Stoßrichtung hinter ihm liegenden Teil des Faserverbunds, der in vielen Fällen stoßempfindlich ist. Solche Belastungen können beispielsweise beim Transport oder der Montage vorkommen, während eine Belastung im vorgesehenen Betrieb typischerweise zumindest vorwiegend statisch ist. Das Faserumlenkelement kann außerdem den Verbindungsabschnitt an der Stelle stützen, an der es eingebettet ist. Ein ringförmiges oder helixförmiges Faserumlenkelement kann durch seine kreisförmige Außenkontur einen rohrförmigen Verbindungsabschnitt stützen, wenn es in einem solchen angeordnet ist, während ein gerader Stab einen flachen Verbindungsabschnitt stützen kann. Der Kreuzungswinkel, unter dem die Fasern die Längsachse kreuzen, ist vorzugsweise so gewählt, dass, in Abhängigkeit der Reibung zwischen dem Faserumlenkelement und der Faser, die Faser nicht auf dem Faserumlenkelement verrutscht. Wenn jedoch der Faserwinkel von Fasern, die zum Faserumlenkelement laufen, wenigstens näherungsweise mit dem Faserwinkel übereinstimmt, in dem diese Fasern von dem Faserumlenkelement weg laufen, ergeben sich in vielen Fällen keine oder nur geringe Kräfte in Umfangsrichtung, sodass die Reibung zwischen dem Faserumlenkelement der Faser wenig relevant ist, weshalb ein solcher Fall bevorzugt ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann es für einen Verbindungsabschnitt und seinen komplementären Anschlussabschnitt vorteilhaft sein, wenn die Reibung erhöht ist, beispielsweise bei einer hohen Torsionsbelastung einer rohrförmigen Variante, und/oder um einen Abgleiten von sich berührenden Stellen unter Längskraft zu erschweren. Dazu kann vorgesehen sein, dass auf der Oberfläche des Verbindungsabschnitts ein Stoff mit höherer Reibung als das Grundmaterial an der Oberfläche angeordnet ist oder die Oberfläche des Verbindungsabschnitts eine Rauigkeit aufweist, die eine höhere Reibung zur Folge hat als eine typische glatte Oberfläche eines herkömmlichen Faser-Kunststoff-Verbundes. Ein reibungserhöhender Stoff kann beispielsweise eine Beschichtung mit einem gummiartigen Material oder eine Paste mit reibungserhöhenden Partikeln wie etwa Korund sein. Durch Reibung und/oder Mikro-Verhaken werden Kräfte an den Fasern der Faserschlinge oder in deren Nähe in den Verbindungsabschnitt eingeleitet, sodass sie von den Fasern ohne großen Umweg weitergeleitet werden können. Der Anschlussabschnitt kann an der Verbindungsstelle beispielsweise eine metallische Oberfläche aufweisen, die unter Umständen glatt sein kann.
In einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsabschnitts sind in diesem mehrere Faserumlenkelemente und/oder mehrere Abschnitte eines Faserumlenkelements angeordnet. Diese bilden jeweils einen Befestigungsvorsprung. Abschnitte eines Faserumlenkelements können auch gedachte Abschnitte eines helixförmigen Faserumlenkelements sein, etwa eine Windung der Helix, insbesondere mit 360° Windungswinkel. Das helixförmige Faserumlenkelement muss dazu nicht unterbrochen ausgeführt sein.
Die Befestigungsvorsprünge sind bevorzugt in einer Krafteinleitungsrichtung hintereinander angeordnet, insbesondere von einem freien Ende des Verbindungsabschnitts aus beginnend. Dementsprechend sind auch Faserumlenkelemente derart angeordnet. Vorzugsweise sind die Befestigungsvorsprünge bzw. die Faserumlenkelemente parallel zueinander angeordnet. Insbesondere weisen die Befestigungsvorsprünge gleichmäßige Abstände zueinander auf. Vorzugsweise sind die Befestigungsvorsprünge alle auf derselben Oberfläche des Verbindungsabschnitts angeordnet, beispielsweise auf einer Außenkontur eines rohr- oder stabförmigen Verbindungsabschnitts. Die Befestigungsvorsprünge können auch auf einer Innenkontur eines rohrförmigen Verbindungsabschnitts angeordnet sein. Weiter ist denkbar, Befestigungsvorsprünge auf mehreren Oberflächen oder mehreren Abschnitten einer Oberfläche anzuordnen.
Bei der Umschlingung der Faserumlenkelemente verlaufen die Fasern sowohl auf ihrem Weg zu dem Faserumlenkelement hin als auch auf ihrem Weg von dem Faserumlenkelement weg auf derselben Seite eines benachbarten Faserumlenkelements. Diese Seite des Faserumlenkelements ist in Richtung des Kernmaterials des Verbindungsabschnitts angeordnet. Unter dem Kernmaterial ist das Material des Verbindungsabschnitts zu verstehen, welches nicht die Befestigungsvorsprünge bildet. Bei einem rohrförmigen Verbindungsabschnitt liegt das Kernmaterial in der Rohrwand vor und endet somit an der Rohrinnenseite. Durch diesen Verlauf wird der Umschlingungswinkel der Fasern um das Faserumlenkelement erhöht. Bei einem im Rohrinneren angeordneten Faserumlenkelement ist die genannte Seite somit in Richtung des Rohräußeren gerichtet, während sie bei einem außen angeordneten Faserumlenkelement zum Rohrinneren gerichtet ist. Letzteres gilt auch für einen stabförmigen Verbindungsabschnitt.
Durch Vernähen oder Maschenbildung kann der Umschlingungswinkel weiter erhöht werden. Noch weiter kann der Umschlingungswinkel durch einen zusätzlichen Umlauf der Faser um das Faserumlenkelement erhöht werden. Diese Maßnahmen führen dazu, dass die Reibung zwischen den Fasern und dem Faserumlenkelement erhöht ist, und außerdem dazu, dass das Faserumlenkelement in Bezug auf den Verlauf der Fasern verstärkt exponiert angeordnet ist, sodass an der Außenoberfläche des Verbindungsabschnitts der Befestigungsvorsprung, der von dem Faserumlenkelement erzeugt wird, besonders hervortritt. Dadurch wird eine größere Anlagefläche und aufgrund der vergrößerten Umschlingung ein im Mittel weniger stark in Richtung der Längsachse des Verbindungsabschnitts geneigter Anlagewinkel für eine Gegenfläche an dem Befestigungsvorsprung erreicht. Außerdem wird durch die Zusammenführung der Fasern an dem benachbarten Faserumlenkelement eine erhöhte Reibung zwischen dem hin- und dem rücklaufenden Teil der Fasern sowie zwischen diesen Teilen der Fasern und dem benachbarten Faserumlenkelement bewirkt, was eine Erhöhung der Kraft zum Herausziehen der Schlaufe aus ihrer Position um das Faserumlenkelement zur Folge hat. Denselben Effekt hat auch die Reibungserhöhung zwischen den Fasern und dem umschlungenen Faserumlenkelement aufgrund eines größeren Umschlingungswinkels. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich durch die Mehrzahl von Befestigungsvorsprüngen mehrere und daher kleinere Steifigkeitssprünge in dem Verbindungsabschnitt ergeben, was für einen gleichmäßigen Kraftfluss Vorteile hat und somit dem Leichtbau dient.
In einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsabschnitts umfasst der Verbindungsabschnitt mehrere Lagen aus Langfasermaterial. Die Langfasern von jeder der Lagen bilden Schlaufen, die jeweils um ein der jeweiligen Lage zugeordnetes Faserumlenkelement verlaufen. Durch diesen Aufbau werden die Kräfte jeder Lage in ein der Lage zugeordnetes Faserumlenkelement und damit in einen jeweiligen Befestigungsvorsprung eingeleitet. Vorteilhaft kann so vermieden werden, dass Kräfte zur Ausleitung aus dem Verbindungsabschnitt mittels eines Befestigungsvorsprungs aus einer Lage in eine andere Lage übertragen werden müssen, was üblicherweise durch Scherkräfte in der Matrix stattfindet. Weil dies entfallen kann, wird die Festigkeit der Langfasern sehr gut ausgenutzt.
Insbesondere, wenn die Faserumlenkelemente in Richtung der Krafteinleitung hintereinander angeordnet sind, wird bevorzugt, dass die Faserumlenkelemente in derselben Reihenfolge angeordnet sind, wie die jeweils zugehörigen Lagen übereinander aufgeschichtet sind. So ist es möglich, dass die jeweils äußerste Lage des Faserverbundwerkstoffs von einem Faserumlenkelement umgelenkt wird und sich an dieser Stelle nicht weiter fortsetzt, während die anderen Lagen sich dort weiter erstrecken. An dem nachfolgenden Faserumlenkelement kann wiederum die äußerste Lage von einem Faserumlenkelement umgelenkt werden, während sich die anderen Lagen weiter fortsetzen und so fort, insbesondere bis die letzte Lage an einem freien Ende des Verbindungsabschnitts von ihrem Faserumlenkelement umgelenkt wird. Bei einem rohrförmigen Verbindungsabschnitt wird somit die innerste Lage an dem freien Ende ganz nach außen geführt und dadurch für die Abgabe der in ihr geführten Kräfte über einen eigenen Befestigungsabschnittaußen verfügbar, ohne dass Kräfte in eine andere Lage geleitet werden müssen. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass die Faserumlenkelemente die jeweils darunterliegenden, weiterlaufenden Lagen mechanisch vor Schlägen und Stößen schützen.
Durch die wiederholte Umlenkung der äußersten Lage ergibt sich eine sich in Richtung eines Endes des Verbindungsabschnitts verjüngende Schäftung. Dadurch entspricht der Querschnitt des Verbindungsabschnitts bevorzugt jeweils den Kräften, die bis zum letzten Befestigungsvorsprung zu übertragen sind. Durch eine solche optimierte Ausnutzung des Krafteinleitungsbereiches muss beispielsweise ein Zug-Druckrohr nicht insgesamt dicker gewickelt werden, um im Krafteinleitungsbereich ausreichende Festigkeit aufzuweisen. Auch dies ist für die Leichtbauqualitäten des Verbindungsabschnitts vorteilhaft.
In einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsabschnitts enden Langfasern nach der Umschlingung eines Faserumlenkelements. Es ist alternativ auch denkbar, dass Langfasern nach der Umschlingung eines Faserumlenkelements zu der Stelle zurücklaufen, von der aus sie zu dem Faserumlenkelement laufen, jedoch bedeutet dies, dass zwischen dem Faserumlenkelement und dieser Stelle die Fasern doppelt verlaufen, was eine entsprechende Festigkeit dieser Verbindung mit sich bringt. Eine solche Festigkeit kann in einigen Fällen von den zu übertragenden Kräften nur unzureichend ausgelastet und daher im Sinne des Leichtbaus unerwünscht sein. Daher ist vorzugsweise der Abschnitt der Langfasern, der nach der Umschlingung eines Faserumlenkelement endet, kürzer als ein Abschnitt derselben Langfasern, der Kräfte von dem Faserverbundwerkstoffbauteil zu dem Faserumlenkelement überträgt. Dann ergibt sich zumindest in einem Abschnitt ein einfacher Faserstrang zwischen Faserumlenkelement und der Krafteinleitung dieser Fasern. Es ist denkbar, dass ein Ende einer Faser, die das Faserumlenkelement zum Inneren des Verbindungsabschnitts hin umläuft, das Ende ist, das endet; es ist jedoch ebenso denkbar, dass ein Ende einer Faser, die das Faserumlenkelement zum Äußeren des Verbindungsabschnitts hin umläuft, das endende Ende ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Zwickel, der aus dem Faserumlenkelement und einer es umschlingenden Faser gebildet ist, mit Kunststoff, insbesondere einem ausgehärteten Harz, gefüllt, sodass die Faser nicht frei verläuft. Es ist denkbar, dass Fasern in einem solchen Zwickel oder in einer kunststoffgefüllten Übergangshohlkante zwischen einem Faserumlenkelement und einer Oberfläche des Verbindungsabschnitts enden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsabschnitts, in der dieser stab- oder rohrförmig ausgeführt ist, sind der oder die Befestigungsvorsprünge außen um den Verbindungsabschnitt oder im Inneren eines rohrförmigen Verbindungsabschnitts umlaufend ausgebildet. Wenn das Faserumlenkelement als Ring ausgebildet ist, ergibt sich ein umlaufender Wulst. Ist das Faserumlenkelement helixförmig ausgebildet, so ergibt sich ein Außengewinde beziehungsweise ein Innengewinde. Ein solches Gewinde kann in ein entsprechendes Gegengewinde einer Aufnahme für den Verbindungsabschnitt eingeschraubt werden und somit der Kraftübertragung dienen. Außerdem kann über die Einschraubtiefe die Position des Verbindungsabschnitts gegenüber der Aufnahme eingestellt werden. Wenn mehrere Faserumlenkelemente oder gedachte Abschnitte eines einzelnen Faserumlenkelements vorgesehen sind, so können diese entlang der Krafteinleitungsrichtung gleiche oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Insbesondere können die Durchmesser zu einem freien Ende des Verbindungsabschnitts hin zunehmen. Auf diese Weise ergibt sich wenigstens näherungsweise ein kegelförmiger Auslauf des Verbindungselementes, wobei die Kegelspitze von dem Anschlussbauteil weggerichtet ist. Ein solcher Auslauf kann vorteilhaft sein, weil er den Formschluss zwischen dem Verbindungsabschnitt und einer formkomplementären Aufnahme fördert. Bevorzugt werden bei dieser Variante Kreisringe als Faserumlenkelemente eingesetzt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsabschnitts ist ein Verrutschen von Fasern auf einem Faserumlenkelement erschwert. Dies hat den Vorteil, dass bei schräg, insbesondere unter 45° auf das Faserumlenkelement laufende Fasern sich durch Zugkräfte nicht entlang einer Längsachse des Faserumlenkelements bewegen. Dies kann beispielsweise durch Erhöhung der Reibung zwischen den Fasern und dem Faserumlenkelement bewirkt werden. Beispielsweise kann ein reibungserhöhender Stoff, wie etwa ein feinkörniger Hartstoff, insbesondere ein Füllstoff für die Matrix, zwischen den Fasern und dem Faserumlenkelement angeordnet werden. Dazu kann der Stoff auf das Faserumlenkelement aufgebracht werden, bevor es mit Fasern belegt wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Außenoberfläche des Faserumlenkelements mit einer geeigneten Rauigkeit versehen sein. Weiter ist denkbar, eine gezahnte oder Kanten aufweisende Geometrie der Außenkontur des Faserumlenkelements vorzusehen. Die Zähne oder Kanten können das Verrutschen der Fasern aufhalten oder erschweren. Die Außenkontur kann auch schräge Abschnitte umfassen, die zu der Richtung des krafteinleitenden Teils einer Faser rechtwinkliger steht als die Längsrichtung des Faserumlenkelements.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Langfaser-Faserverbundwerkstoffbauteil mit einem Verbindungsabschnitt nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgeschlagen. Ein solches Faserverbundwerkstoffbauteil kann als Stab oder Rohr ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist an einem oder zwei entgegengesetzten Enden ein erfindungsgemäßer Verbindungsabschnitt vorgesehen. Der Stab oder das Rohr kann als Zug-Druck-Element ausgebildet sein, worauf die Faserrichtungen in dem Stab oder Rohr optimiert sein können. Insbesondere kann ein großer Anteil von Fasern mit Faserrichtung in Längsrichtung des Stabs oder Rohrs vorgesehen sein. Wenn zusätzlich Torsionskräfte übertragen werden müssen, kann ein entsprechender Anteil an schräg verlaufenen Lagen vorgesehen sein, deren Fasern unter einem Winkel zur Längsachse des Verbindungsabschnitts angeordnet sind. Denkbar ist, einen Stab oder ein Rohr als Außengewindestange zu gestalten, wobei das Außengewinde durchgängig oder nicht durchgängig sein kann. Ein Rohr kann auch als Innengewinderohr ausgestaltet sein, wobei das Innengewinde ebenfalls durchgängig oder nicht durchgängig sein kann.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftübertragungsverbund vorgeschlagen, bei dem ein Verbindungsabschnitt nach der Erfindung mit einem formkomplementären Gegenabschnitt eines Anschlussbauteils zur Kraftübertragung verbunden ist. Dieser Gegenabschnitt kann beispielsweise ein Gegengewinde, etwa ein Innengewinde oder ein Außengewinde, oder ein formschlüssig den Verbindungsabschnitt umschließender Gegenabschnitt sein. Zum Ermöglichen des formschlüssigen Umgreifens kann der Gegenabschnitt geteilt ausgeführt sein oder eine formschlüssige Steckverbindungstechnik, wie beispielsweise einen Bajonettverschluss, in Verbindung mit einem entsprechend gestalteten Verbindungsabschnitt verwirklichen.
In einer weiteren Ausführungsform sind zwei benachbarte Befestigungsvorsprünge des Verbindungsabschnitts derart beabstandet, dass in deren Zwischenraum ein Befestigungsvorsprung des Anschlussbauteils etwa gleicher Größe angeordnet werden kann. Auf diese Weise können an dem Verbindungsabschnitt und an dem Anschlussbauteil gleiche oder ähnliche Befestigungsvorsprünge vorgesehen werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann durch Verwendung eines schraubenförmigen Faserumlenkelements ein Gewinde an dem Verbindungsabschnitt realisiert werden. Ein passendes Gegengewinde kann an dem Anschlussbauteil vorgesehen werden, wobei die Gewinde unter Verwendung der Merkmale der vorangehend beschrieben Ausführungsform besonders bevorzugt gleichartig ausgeführt sind. Bei unterschiedlichen Materialfestigkeiten des Verbindungsabschnitts und des Anschlussbauteils ist es jedoch auch denkbar, die Geometrie und dabei insbesondere den Querschnitt und dementsprechend die Beabstandung der Befestigungsvorsprünge an die Materialfestigkeiten anzupassen, wobei eine kompakte Ausführung der Verbindung ohne große ungenutzte Zwischenräume bevorzugt wird.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Herstellverfahren für einen erfindungsgemäßen Verbindungsabschnitt eines Langfaser-Verbundwerkstoffbauteils vorgeschlagen. Zur Herstellung des Verbindungsabschnitts wird wenigstens ein Faserumlenkelement bereitgestellt. Um das Faserumlenkelement werden Langfasern geschlungen, die entlang des Verbindungsabschnitts verlaufen und die um das Faserumlenkelement herum in Gegenrichtung umgelenkt werden. Die Langfasern bilden dadurch eine Schlaufe. Es ergibt sich durch das Faserumlenkelement und die darum geschlungenen Fasern ein Befestigungsvorsprung auf einer Außenoberfläche des Verbindungsabschnitts. Das Faserumlenkelement verbleibt zumindest teilweise im Inneren des Verbindungsabschnitts und bildet einen Teil von diesem. In einem Ausführungsbeispiel wird die Schlaufe vernäht, gestrickt oder gewirkt. Dies kann stattfinden, nachdem die Langfasern als Schlaufe um das Faserumlenkelement gelegt wurden. Alternativ kann dies vor dem Aufbringen der Langfasern auf das Faserumlenkelement stattfinden, wobei dann das Faserumlenkelement durch die Schlaufe geschoben wird. Wenn der Verbindungsabschnitt aus Faserbündeln hergestellt wird, beispielsweise aus Rovings, Fasertapes, Prepregs oder flexiblen oder flexibilisierten Pultrusionselementen, kann sich bei einer Umschlingung mit einem solchen Faserbündel zugleich eine Vielzahl von Schlaufen einzelner Fasern ergeben. Insbesondere wird ein Verbindungsabschnitt nach einer der vorangehenden beschriebenen Ausführungsformen hergestellt.
In einer Ausführungsform des Herstellverfahrens ist das Faserumlenkelement helixförmig ausgebildet. Wenn die Fasern, die die Schlaufen bilden, durch das Innere der Helix geführt werden, so bildet der entstehende Befestigungsvorsprung ein Außengewinde. Werden die Fasern am Äußeren der Helix entlang geführt, so ergibt sich ein Befestigungsvorsprung, der ein Innengewinde bildet. Nach dem Belegen der Helix mit Fasern können die Fasern im RTM-Verfahren imprägniert werden. Es können auch vorgetränkte Fasern verwendet werden. Danach wird der Verbindungsabschnitt ausgehärtet.
Um Schlaufen aus Langfasern um eine Windung der Helix zu legen, kann Fasermaterial von einer stationären Faserabgabevorrichtung abgegeben werden. Vorzugsweise ist an wenigstens einem Ende der Helix ein Zwischenraum zwischen den Windungen der Helix vom Ende der Helix aus zugänglich. In diesen Zwischenraum kann eine Schlaufe der Langfasern vom Ende der Helix aus eingebracht werden, indem diese durch Umschlingen des freien Endes der Helix erzeugt oder eine vorgefertigte Schlaufe über das freie Ende der Helix gesteckt wird. Nachdem eine oder mehrere Schlaufen positioniert wurden, wird eine Relativbewegung zwischen der Helix und den Schlaufen bewirkt. Dazu können die Schlaufen festgehalten und die Helix gedreht werden; es ist jedoch auch denkbar, die Helix festzuhalten und die Schlaufen auf dieser weiterzubewegen. Das Ergebnis dieser Relativbewegung ist, dass am Ende der Helix wieder Platz zum Auflegen von weiteren Schlaufen geschaffen wird. Dieser Prozess kann fortgesetzt werden, bis die Helix bis zu einem gewünschten Teil oder vollständig mit Schlaufen belegt ist. In einer alternativen Variante ist es denkbar, Langfasern an anderer Stelle der Helix als am Ende zu einer Schlaufe zu formen, in dem eine Langfaser quer zu einer Zentralachse der Helix durch einen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Windungen geführt wird. Dann bleibt die Langfaser an dem Windungsabschnitt hängen, der die benachbarten Windungen verbindet und bildet dort eine Schlaufe. Damit bereits abgelegte Fasern und die Ablage von weiteren Fasern nicht stören, kann die Belegung von einem Ende der Helix aus stattfinden. Zur Belegung einer weiteren Stelle der Helix kann diese mit den bereits abgelegten Langfasern gedreht und/oder entlang ihrer Zentralachse verschoben werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Richtung des Einbringens der Langfaser in den Zwischenraum und die Auswahl des Zwischenraums variiert werden. Um ein Außengewinde zu erzeugen, können die Langfasern anschließend ins Innere der Helix gezogen werden. Für ein Innengewinde können die Langfasern außen abgelegt werden.
Vorzugsweise werden zwei Helices, die sich jeweils an einem Ende eines Faserverbundwerkstoffbauteils befinden, mit Schlaufen belegt. Die Fasern können dabei die beiden Helices verbinden. Auf diese Weise kann ein Zug-Druck-Element mit Gewinden an beiden Enden hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Herstellverfahrens wird der Verbindungsabschnitt unter Verwendung von einem oder mehreren Fasertapes oder/und einem oder mehreren flexiblen oder flexibilisierten, vorzugsweise unidirektionalen Pultrusionselementen oder/und einer oder mehrerer Fasermatten und/oder einem oder mehreren Prepregs hergestellt. Dazu werden ausgewählte der genannten Ausgangsmaterialien um ein Faserumlenkelement gelegt, wobei sich zugleich eine Vielzahl von Schlaufen ausbildet. Insbesondere werden mehrere Lagen solcher Ausgangsmaterialien übereinander gestapelt, wobei jede einzelne Lage um ein eigenes Faserumlenkelement gelegt wird. Besonders bevorzugt reicht jede Lage nicht bis zu dem Faserumlenkelement der darunterliegenden Lage, sondern ist weiter im Inneren des Verbindungsabschnitts um ihr Faserumlenkelement gelegt. Auf diese Weise ergibt sich eine Reihe von hintereinander angeordneten Faserumlenkelementen der einzelnen Lagen, wobei deren Reihenfolge der Schichtreihenfolge der Lagen entspricht. In einem Ausführungsbeispiel kann an zwei einander gegenüberliegenden Enden solcher Ausgangsmaterialien jeweils ein Verbindungsabschnitt durch Legen um ein oder mehrere Faserumlenkelemente hergestellt werden. Nach dem Legen der Ausgangsmaterialien des Verbindungsabschnitts oder eines Faserverbundwerkstoffbauteils mit dem Verbindungsabschnitt kann anschließend eine Imprägnierung im RTM-Verfahren stattfinden. Alternativ können die Ausgangsmaterialien auch vorgetränkt sein. Anschließend kann der Verbindungsabschnitt bzw. das Faserverbundwerkstoffbauteil ausgehärtet werden. Dieses Herstellverfahren ist für flache Verbindungsabschnitte besonders geeignet. Es ist jedoch auch denkbar, mit ausreichend schmalen Ausgangsmaterialien stabförmige oder rohrförmige Varianten herzustellen, indem diese um ringförmige oder helixförmige Faserumlenkelemente gelegt werden. Dies kann insbesondere auf einem Wickeldorn stattfinden.
In einer weiteren Ausführungsform des Herstellverfahrens wird der Verbindungsabschnitt aus Flechtschlauch hergestellt. Um die Schlaufen zu erzeugen, wird ein Ende des Flechtschlauchs um ein Faserumlenkelement gestülpt. Das Faserumlenkelement kann insbesondere ein Ring sein, der vorzugsweise kreisringförmig ausgebildet ist. Um mehrere Befestigungsvorsprünge an dem Verbindungsabschnitt herzustellen, können mehrere Flechtschläuche ineinander angeordnet und jeweils um ein eigenes Faserumlenkelement gestülpt werden. Dabei steht das Ende eines inneren Flechtschlauchs, das an seinem Faserumlenkelement liegt, über das Ende des darum herum angeordneten Flechtschlauchs, das von dessen Faserumlenkelement gebildet wird, hinaus. Auf diese Weise ergibt sich von einem freien Ende des Verbindungsabschnitts aus eine Reihenfolge der Faserumlenkelemente, die der Schichtung der zugehörigen Flechtschläuche entspricht. Nach der Fertigstellung des Verbindungsabschnitts kann dieser im RTM-Verfahren imprägniert und anschließend ausgehärtet werden. Es ist denkbar, an beiden Enden eines oder mehrerer Flechtschläuche einen Verbindungsabschnitt herzustellen. Dann wird in einem ersten Ausführungsbeispiel des Herstellverfahrens an jedem Ende mindestens ein Faserumlenkelement angeordnet. Wenn mehrere Flechtschläuche verwendet werden sollen, können diese unterschiedliche Längen aufweisen und zunächst ineinander gezogen werden, sodass jeder weiter innen liegende Flechtschlauch über den ihn umgebenden Flechtschlauch hinaussteht. Dann können bei dem äußersten Flechtschlauch beginnend Ringe über die freiliegenden Enden der einzelnen Flechtschläuche gelegt werden, um die ein jeweiliger Flechtschlauch gestülpt wird. Abschließend können die Ringe verschoben werden, sodass nach außen umgestülpte Abschnitte der inneren Flechtschläuche von benachbarten, weiter außen angeordneten Flechtschlauchabschnitten überdeckt werden. Auf diese Weise entstehen die Befestigungsvorsprünge an der Außenseite des Verbindungsabschnitts. Ein analoges Vorgehen ist für die Erzeugung von Befestigungsvorsprüngen an der Innenseite eines rohrförmigen Verbindungsabschnitts denkbar, wobei die Flechtschläuche um ihr Faserumlenkelement jeweils nach innen gestülpt werden.
Alternativ können in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch Flechtschläuche vor dem Ineinanderziehen mit ringförmigen Faserumlenkelementen versehen werden, wobei wenigstens ein Ring eines Flechtschlauchs so geformt ist, dass er sich durch einen Ring eines anderen, zum Anordnen um diesen Flechtschlauch herum vorgesehenen Flechtschlauch stecken lässt. Dann können die Ringe zu Beginn des Einziehens der Flechtschläuche einander jeweils durcheinander gesteckt und die vorgefertigten Flechtschläuche ineinander gezogen werden. Es ist denkbar, Ringe zum Durchstecken zu verformen und nach dem Durchstecken wieder in ihre Ausgangsform zurückzuverformen. Weiter ist denkbar, nicht kreisrunde Ringe beispielsweise mit elliptischer Form oder in Form eines langgestreckten Kettenglieds zu verwenden, die auf Grund dieser Form durcheinander gesteckt werden können. Mit einem und insbesondere mit mehreren solchen Faserumlenkelementen kann ein Verbindungspartner eines Bajonettverschlusses erzeugt werden. Bevorzugt werden dazu mehrere solcher Faserumlenkelemente an dem Verbindungsabschnitt gleichartig ausgerichtet. Die Ringe sind vorzugsweise so stabil ausgeführt, dass Kräfte aus Fasern, an deren Positionen die Abstützung zum anderen Verbindungspartner nicht stattfindet, bis zu den Abstützstellen des Befestigungsursprungs weitergeleitet werden können. Es ist denkbar, die Befestigungsvorsprünge auf der Innenseite oder auf der Außenseite des Flechtschlauchs zu erzeugen. Dies hängt davon ab, ob der Flechtschlauch für einen außenliegenden Befestigungsvorsprung nach innen oder für einen innenliegenden Befestigungsvorsprung nach außen um einen Ring gestülpt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben, die in den Figuren dargestellt sind. In den Figuren zeigen:
1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des Verbindungsabschnitts mit vier Faserlagen,
2 schematisch dieselbe perspektivische Ansicht der ersten Ausführungsform des Verbindungsabschnitts wie in 1, jedoch mit fünf Faserlagen,
3 einen Querschnitt durch die erste Ausführungsform des Verbindungsabschnitts mit fünf Faserlagen in einer perspektivischen Ansicht,
4 ein vergrößert dargestelltes Detail aus 3 mit Faserumlenkelementen,
5 schematisch einen Querschnitt durch einen Kraftübertragungsverbund, in dem eine zweite Ausführungsform des Verbindungsabschnitts mit einem formkomplementären Gegenstück gezeigt ist, und
6 schematisch einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts,
7 einen Querschnitt durch die vierte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts in einer teilweise eingebauten Situation,
8 schematisch einen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts,
9 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Langfaser-Faserverbundwerkstoffbauteils mit einer sechsten Ausführungsform des Verbindungsabschnitts.
10 einen Querschnitt durch die sechste Ausführungsform des Verbindungsabschnitts in einer teilweise eingebauten Situation,
11 einen Querschnitt durch eine siebte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts in einer teilweise eingebauten Situation,
12 einen Querschnitt durch eine achte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts in einer teilweise eingebauten Situation,
13 einen Querschnitt durch eine neunte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts in einer teilweise eingebauten Situation.
1 zeigt in einer perspektivischen schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform des Verbindungsabschnitts 1. Der Verbindungsabschnitt 1 ist rohrförmig ausgestaltet. Es sind vier Faserlagen 2, 3, 4, 5 des Verbindungsabschnitts 1 dargestellt, die sich nach rechts der 1 zu dem westlichen Teil des nicht vollständig dargestellten Faserverbundwerkstoffbauteils fortsetzen und somit nur an ihrem Ende gezeigt sind. Zur Sichtbarkeit der dargestellten Faserlagen 2, 3, 4, 5 sind weitere, die dargestellten Faserlagen 2, 3, 4, 5 umgebende Faserlagen weggelassen.
Am links in der 1 dargestellten freien Ende des Verbindungsabschnitts 1 sind zwei Befestigungsvorsprünge 12b und 13b dargestellt. Diese umfassen zwei Faserumlenkelemente, die als kreisrunde Ringe oder als zwei Umdrehungen eines helixförmigen Faserumlenkelements ausgebildet sind. Die Faserumlenkelemente sind von den Faserlagen 2 und 3 umgeben und daher nicht unmittelbar sichtbar. Die Befestigungsvorsprünge 12b und 13b stehen über die Außenkontur des sich zu dem Rest des Faserverbundwerkstoffbauteils erstreckenden glatten Abschnitts der Faserlagen 2, 3, 4, 5 radial hervor. Die Befestigungsvorsprünge 12b und 13b sind zueinander beabstandet ausgeführt. So kann eine Gegenkontur zwischen die Befestigungsvorsprünge 12 und 13 eingreifen, um durch Formschluss Kräfte zu übertragen. Details der Faserlagen 2 und 3, wie etwa die Rovings, die sie umfassen, sind vereinfachend nicht dargestellt.
In den gleichen Abständen, die die Befestigungsvorsprünge 12 und 13 zueinander aufweisen, sind von dem freien Ende des Verbindungsabschnitts 1 aus hinter diesen vier weitere, Faserumlenkelemente 14, 15, 16 und 17 angeordnet, die gleichartig wie die nicht sichtbaren Faserumlenkelemente der Befestigungsvorsprünge 12b und 13b ausgebildet sind. In Umfangsrichtung haben alle Faserumlenkelemente 14, 15, 16, 17 einen kreisförmigen Querschnitt und sind aus Vollmaterial aufgebaut. Die Faserumlenkelemente 14 und 15 sind teilweise von Rovings 4a bzw. 5a der Faserlagen 4 bzw. 5 umschlungen dargestellt, wobei die Rovings 4a bzw. 5a jeweils eine einseitig offene Schlaufe bilden. Die Fasern aller Faserlagen 2, 3, 4, 5 verlaufen jeweils durch die innere Öffnung der Faserumlenkelemente 13, 14, 15, 16, die dem jeweiligen Faserumlenkelement 12, 13, 14, 15 der Faserlagen 2, 3, 4, 5 jeweils in Richtung von dem freien Ende des Verbindungsabschnitts 1 weg benachbart sind. Die zu den Faserumlenkelementen 12, 13, 14, 15 und 16 hin- und rücklaufenden Abschnitte von allen, auch der nicht dargestellten Faserlagen 2, 3, 4, 5 liegen, außer an ihren jeweiligen Faserumlenkelementen 14, 15, 16, 17, jeweils aufeinander auf.
Die Faserlage 4 ist eine 0°-Faserlage, deren Rovings 4a in Längsrichtung des Verbindungsabschnitts 1 verlaufen. Die Rovings 4a umschlingen dementsprechend ihr Faserumlenkelement 14 rechtwinklig zu dessen Umfangsrichtung. Die Faserlage 5 ist eine Faserlage mit schräg zur Längsrichtung des Verbindungsabschnitts 1 verlaufenden Rovings 5a, beispielhaft unter einem Winkel von etwa 45°. Diese Lage ist somit zur Aufnahme von Torsionskräften auf den Verbindungsabschnitt 1 geeignet. Die Rovings 5a der Faserlage 5 umschlingen ihr Faserumlenkelement 15 unter dem Winkel, unter dem die Rovings 5a zur Längsrichtung des Verbindungsabschnitts 1 verlaufen. Dies führt dazu, dass hin- und rücklaufende Abschnitte verschiedener Rovings 5a einander kreuzen. Es ergibt sich wenigstens näherungsweise ein Kräfteausgleich für die Kräfte in Umfangsrichtung des Faserumlenkelements 15, sodass die Rovings 5a an ihrer Position auf dem Faserumlenkelement 15 verbleiben.
Um die Reibung zwischen dem Verbindungsabschnitt 1 und einem in 1 nicht dargestellten Anschlusselement zu erhöhen, kann die Oberfläche des Verbindungsabschnitts 10, insbesondere an einem, mehreren oder allen Befestigungsvorsprüngen 12b, 13b, mit einem Material versehen sein, welches zu einer im Vergleich zum Grundmaterial erhöhten Reibung zwischen dem Verbindungsabschnitt 1 und dem Anschlusselement führt. Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche des Verbindungsabschnitts 1, insbesondere an einigen oder allen Befestigungsvorsprüngen 12b, 13b, aufgeraut sein, um die Reibung zu erhöhen.
Obwohl aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle sichtbaren Rovings 4a, 5a einzelnen mit Bezugsziffern bezeichnet sind, sind mit den Bezugsziffern 4a, 5a jeweils alle Rovings ihrer Schicht gemeint. Dies gilt auch für die Rovings 6a in den 2, 3 und 4. Abweichend von der in 1 gezeigten Darstellung sind im fertigen Zustand des Verbindungsabschnitts bevorzugt alle Faserumlenkelemente außer dem am weitesten innen angeordneten Faserumlenkelement 17 ringsum von Rovings umschlungen, die sich als vollflächige Lagen in Richtung des restlichen Teils des Faserverbundwerkstoffbauteils erstrecken.
2 entspricht größtenteils 1, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Diesbezüglich sei auf die Beschreibung von 1 verwiesen. Im Unterschied zu 1 ist in 2 eine zusätzliche Faserlage 6 gezeigt, deren Rovings 6a das Faserumlenkelement 16 umschlingen. Es handelt sich um eine 0°-Faserlage. Das Faserumlenkelement 17 bleibt ohne Umschlingung durch eine Faserlage. Es dient als am weitesten von dem freien Ende des Verbindungsabschnitts 1 entferntes Faserumlenkelement 17 der Erhöhung des Umschlingungswinkels der Rovings 6a um das Faserumlenkelement 16, wobei die Rovings 6a Teil der äußersten Faserlage 6 des Verbindungsabschnitts 1 sind. Dies wird bewirkt, indem die Rovings 6a durch das Innere des kreisringförmigen oder helixförmigen Faserumlenkelements 17 verlaufen.
3 zeigt einen Querschnitt durch den Verbindungsabschnitt 1 aus 2, der in dessen Längsrichtung verläuft. Hier ist der Verlauf der Faserlagen 2 bis 6 und deren Schichtung gut zu erkennen. Weiter ist deutlich zu erkennen, dass die Faserumlenkelemente 12 bis 17 von ihren Nachbarn jeweils denselben Abstand haben. Ebenfalls ist gut zu erkennen, wie jede der Faserlagen 2 bis 6 jeweils von einem der Faserumlenkelemente 13 bis 17, welches ihrem eigenen Faserumlenkelement 12 bis 16 in einer Richtung von dem freien Ende des Verbindungsabschnitts 1 weg benachbart ist, in Richtung des Inneren des Verbindungsabschnitts 1 gedrängt wird, sodass sich der Umschlingungswinkel um ihr jeweiliges Faserumlenkelement 12 bis 16 erhöht.
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 3, welcher die Faserumlenkelemente 12 bis 17 umfasst. Die in Bezug auf 3 beschriebenen Details sind hier vergrößert noch besser erkennbar. Entsprechend der Schnittrichtung sind die schräg verlaufenden Rovings 5a schräg geschnitten.
5 zeigt einen Längsquerschnitt durch einen Kraftübertragungsverbund 30, welcher einen erfindungsgemäßen Verbindungsabschnitt 10 in einer zweiten Ausführungsform zeigt. Der Verbindungsabschnitt 10 ist in einen formkomplementären Gegenabschnitt 24 eines Anschlussbauteils 20 eingeschraubt. Im Unterschied zu den in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen des Verbindungsabschnitts 1 weist der Verbindungsabschnitt 10 ein helixförmiges Faserumlenkelement 18 auf, welches einzelne Windungen 12 bis 17 umfasst, die im Wesentlichen den ringförmigen Faserumlenkelementen in 12 bis 17 in den 1 bis 4 entsprechen. Im Unterschied zu dem helixförmigen Faserumlenkelement 18 des Verbindungsabschnitts 10 sind diese jedoch voneinander getrennt. Das Faserumlenkelement 18 und die es umschlingenden Abschnitte der Faserlagen 2 bis 6 bilden an dem freien Ende des Verbindungsabschnitts 10 einen Befestigungsvorsprung in Form eines Außengewindes. Entsprechend dem kontinuierlichen helixförmigen Verlauf des Faserumlenkelements 18 umgeben die Faserlagen 2 bis 6 einander spiralförmig und bilden in einer Gesamtschau eine einzige kontinuierliche Faserlage. Die Faserlagen 2 bis 6 können als einzelne Umdrehungen einer Spirale betrachtet werden, welche sie in einem Querschnitt quer zur Längsrichtung des Verbindungsabschnitts 10 bilden. Es ist denkbar, dass Fasern der Faserlagen 2 bis 6 schräg angeordnet sind und andere Fasern kreuzen, wodurch das exakte Schema einer Spirale und die Kontinuität in der Sichtweise als eine einzige Faserlage durchbrochen sein kann.
Der formkomplementäre Gegenabschnitt 24 des Gegenstücks 20, in das der Verbindungsabschnitt 10 eingeschraubt ist, ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet. Der Gegenabschnitt 24 umfasst an einem freien Ende, welches zu dem Verbindungsabschnitt 10 gerichtet ist, ein zu dem außengewindeförmigen Befestigungsvorsprung des Verbindungsabschnitts 10 formkomplementäres Innengewinde 22. Um die Steifigkeit des Endes des Gegenabschnitts 24 mit dem Innengewinde 22 an den Kraftverlauf anzupassen, kann dieses, wie dargestellt, mit sich zum freien Ende hin verringerndem Querschnitt ausgeführt sein. Die Schraubverbindung zwischen dem Verbindungsabschnitt 10 und dem Gegenabschnitt 24 ermöglicht es, die axiale Länge des Kraftübertragungsverbundes 30 mittels der Einschraubtiefe einzustellen. Das Anschlussbauteil 20 kann eine Querbohrung 23 aufweisen, durch die eine Schraubhilfe gesteckt werden kann, welche Schraubmomente aufnehmen kann. Die Querbohrung 23 kann auch der Befestigung des Anschlussbauteils 20 an einem weiteren, nicht dargestellten Bauteil dienen, das zum Beispiel ein hindurchgesteckter Stab sein kann.
6 zeigt einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts 1, welcher im Wesentlichen rohrförmig ausgestaltet ist. Die vierte Ausführungsform gleicht in vieler Hinsicht den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere bezüglich der Umschlingung von Faserumlenkelementen und der Ausbildung mehrerer übereinander angeordneter Faserlagen 8. Der Verbindungsabschnitt 1 weist sechs ringförmige Faserumlenkelemente 12 bis 17 auf, die den Verbindungsabschnitt an dessen Außenseite umgeben. Alternativ kann der Verbindungsabschnitt 1 auch mit einem nicht dargestellten helixförmigen Faserumlenkelement ausgestattet sein, welches etwa sechs Umdrehungen aufweist, und welches zusätzlich zu seiner Schraubenform eine konische Gesamtaußenkontur aufweist. Mit einem solchen Faserumlenkelement ist der Befestigungsvorsprung als Außenkegelgewinde ausgebildet. Die Durchmesser der Ringe 12 bis 17 beziehungsweise der Umdrehungen des helixförmigen Faserumlenkelements nehmen in Richtung des freien Endes des Verbindungsabschnitts 1 ab. Die Mittelpunkte der Ringe 12 bis 17 liegen in dem gezeigten Querschnitt auf jeder Seite des Verbindungsabschnitts 1 jeweils auf einer gedachten Mittelpunktlinie M, welche zu der Längsachse L des Verbindungsabschnitts 1 einen Winkel aufweist. Besonders bevorzugt haben die Ringe 12 bis 17 beziehungsweise die Umdrehungen voneinander einen Abstand, der in dem gezeigten Querschnitt wenigstens näherungsweise gleich einer Abmessung eines Rings oder einer Umdrehung in Richtung der Mittelpunktlinie M ist. Die Innenkontur des rohrförmigen Verbindungsabschnitts 1 ist wenigstens näherungsweise zylinderförmig ausgebildet.
7 zeigt die in 6 gezeigte vierte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts 1 im Inneren eines Anschlusselements 30. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht noch einmal gesondert beschrieben. Es sei auf die Beschreibung der vorangehenden Figuren verwiesen. Das Anschlusselement 30 weist eine zu der Außenkontur des Verbindungsabschnitts 1 im Wesentlichen formkomplementäre Innenkontur auf. Ein oder mehrere Befestigungsvorsprünge des Verbindungsabschnitts 1 verlaufen in zugehörigen Vertiefungen im Inneren des Anschlusselements 30. Wenn das Faserumlenkelement 18 helixförmig ausgebildet ist, handelt es sich bei der Vertiefung um ein Innenkegelgewinde und somit typischerweise um nur eine einzige gewundene Vertiefung. Bevorzugt ist die Kontur der Vertiefungen 32 bis 37 in dem in 7 gezeigten Querschnitt zumindest abschnittsweise kreisbogenförmig. Abweichend von der Darstellung in 7 weist das Innengewinde vorzugsweise keine Hinterschnitte auf. Bei dem gezeigten Kegelgewinde des Verbindungsabschnitts 1 würden Hinterschnitte im zugehörigen Innengewinde des Anschlusselements 30 dazu führen, dass sie sich nicht ineinander einschrauben lassen. Wenn es sich um einen Verbindungsabschnitt 1 mit zylinderförmigem Außengewinde handelt, bei welchem die Mittelpunktlinie M parallel zu der Längsachse L ausgerichtet ist, sind auch Hinterschnitte denkbar. Vorzugsweise füllen Vorsprünge zwischen den Vertiefungen die Zwischenräume zwischen den Befestigungsvorsprüngen des Verbindungsabschnitts 1 zumindest zu einem größeren Teil aus. Auf diese Weise werden eine große Anlagefläche zwischen den Gewindepartnern sowie eine hohe Festigkeit dieser Vorsprünge und der Gewindeverbindung insgesamt erreicht. Alternativ zu einer Gewindeverbindung können auch Ringe als Faserumlenkelemente 12 bis 17 zur Bildung der Befestigungsvorsprünge vorgesehen sein, wobei das Anschlussbauteil 30 z. B. teilbar oder einteilig ausgeführt ist, um die ringförmigen Befestigungsvorsprünge umfassen zu können. Als einteiliges Teil kann das Anschlussbauteil beispielsweise als um den Verbindungsabschnitt herum urgeformtes Teil ausgeführt sein, zum Beispiel als Spritzgussteil, das insbesondere durch Einlegen des Verbindungsabschnitts in eine Spritzgussmaschine hergestellt sein kann. Der Durchmesser um die Längsachse L jeder der Vertiefungen 32 bis 37 entspricht dann vorzugsweise jeweils im Wesentlichen dem Durchmesser der durch die Ringe 12 bis 17 gebildeten, jeweils zugehörigen Befestigungsvorsprünge. Das Anschlusselement 30 erstreckt sich bevorzugt über alle Teile des oder der Befestigungsvorsprünge. Das Anschlusselement 30 weist bevorzugt eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenkontur auf. Vorzugsweise ist der Außenumfang mit einem herkömmlichen Außengewinde 31 versehen. Mit einem solchen Außengewinde kann das Anschlusselement 30 in ein weiteres Bauteil eingeschraubt werden und somit einen Adapter zwischen beispielsweise einem rohrförmigen Zug-Druck-Stab aus Faserverbundwerkstoff mit dem Verbindungsabschnitt 1 und dem weiteren Bauteil bilden.
8 zeigt eine fünfte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts 1 in einem Querschnitt entlang einer Längsachse L. Der Verbindungsabschnitt 1 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und weist an seiner Innenoberfläche Befestigungsvorsprünge auf. Die Befestigungsvorsprünge sind mittels Faserumlenkelementen 12 bis 17 ausgebildet, die als Ringe oder als ein einziges schraubenförmig gewundenes Faserumlenkelement 18 ausgebildet sein können. Die Befestigungsvorsprünge können daher als ringförmige Wulste oder als ein Innenkegelgewinde ausgebildet sein, welches sich zum freien Ende des Verbindungsabschnitts 1 hin öffnet. Anders als in den Verbindungsabschnitten 1 der vorangehenden beschriebenen Figuren verlaufen Fasern, die ein Faserumlenkelement 12 bis 17 oder eine Windung eines schraubenförmigen Faserumlenkelements 18 umschlingen, am Äußeren eines in einer Richtung von dem freien Ende des Verbindungsabschnitts 1 weg benachbarten Faserumlenkelements 12 bis 17, 18 vorbei. Die genannten Fasern verlaufen im Normalfall nicht durch das Innere eines derart benachbarten Faserumlenkelements 12 bis 17, 18. Auf diese Weise bilden sich die Befestigungsvorsprünge im Inneren des Befestigungsabschnitts aus. Durch den genannten Aufbau ergibt sich eine Schäftung, in deren Verlauf zum freien Ende des Verbindungsabschnitts 1 hin mit jedem umschlungenen Faserumlenkelement 12 bis 17, 18 weniger Fasern in dem Verbindungsabschnitt 1 vorhanden sind. Die Durchmesser der Ringe beziehungsweise Windungen eines Faserumlenkelements 18 um die Längsachse L nehmen zum freien Ende des Verbindungsabschnitts 1 hin zu. Die Mitten der Querschnitte der Faserumlenkelemente 12 bis 17 liegen bevorzugt auf einer Mittelpunktlinie M, die unter einem Winkel zur Längsachse L verläuft. Die Außenkontur des Verbindungsabschnitts 1 ist bevorzugt zylinderförmig. Jeweils ein Faserumlenkelement 12 bis 17 bzw. eine Windung eines Faserumlenkelements 18 kann von einer Faserlage umgeben sein, sodass das sich an den Verbindungsabschnitt 1 anschließende Rohr im Wesentlichen aus einem Faserlagenstapel 8 gebildet ist. Ein nicht dargestelltes Anschlusselement für den Verbindungsabschnitt 1 kann ein schraubbar passendes Außenkegelgewinde umfassen oder einteilig im Inneren des Verbindungsabschnitts urgeformt sein, insbesondere als Spritzgussteil, wobei der Verbindungsabschnitt zur Herstellung des Anschlusselements in eine Spritzgussmaschine eingelegt werden kann. Das Anschlusselement kann mehrteilig aufgebaut sein, sodass es ins Innere des Verbindungsabschnitts 1 eingeführt und dort aufgespreizt werden kann, derart, dass sich eine formschlüsssige Verbindung zwischen den Befestigungsvorsprüngen und dem Anschlusselement ergibt.
9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines langgestreckten Langfaser-Faserverbundwerkstoffbauteils in einer sechsten Ausführungsform des Verbindungsabschnitts 110. An beiden Enden in Längsrichtung des Faserverbundwerkstoffbauteils ist ein solcher Verbindungsabschnitt 110 angeordnet. Die beiden Verbindungsabschnitte sind durch einen Stapel 101 von Faserlagen miteinander verbunden. Im Unterschied zu den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen von Verbindungsabschnitten umfasst jeder der Verbindungsabschnitte 110 gerade, stabförmige Faserumlenkelemente 113, 114, 115, 116 und 117, die nahe den freien Enden in Längsrichtung des Faserverbundwerkstoffbauteils hintereinander angeordnet sind. Die Faserumlenkelemente 113 bis 117 sind als Vollmaterial-Rundstäbe ausgeführt. Sie sind jeweils von einer der Faserlagen aus dem Stapel 101 von Faserlagen umschlungen. Auf diese Weise bilden die Faserumlenkelemente 113 bis 117 jeweils einen Befestigungsvorsprung. Die Abschnitte von benachbarten Faserlagen, die jeweils um ihr Faserumlenkelement geschlungen sind, können einander, wie dargestellt, in Längsrichtung des Faserverbundwerkstoffbauteils berühren.
Auf der den Befestigungsvorsprüngen 113, 114, 115, 116, 117 gegenüberliegenden Seite des Verbindungsabschnitts 110 ist ein Abschlusskeil 102 angeordnet. Die genannte Seite des Verbindungsabschnitts 110 ist geschäftet, das heißt, dass sich die Anzahl von tragenden Fasern zu seinem freien Ende hin verringert. Anders als bei ringförmigen oder helixförmigen Faserumlenkelementen kann sich ein als Abschnitt ausgebildetes Faserumlenkelement mit dem Verbindungsabschnitt 110 quer zur Längsrichtung des Verbindungsabschnitts 110 wegbiegen und somit mit einer Gegenfläche außer Eingriff treten, wenn dem nicht vorgebeugt wird. Der Abschlusskeil 102 verlängert die Oberfläche der in 9 untersten Faserlage in ihrer Ebene in dem Bereich des Stapels 101 von Faserlagen zwischen den Verbindungsabschnitten 110 in Richtung des freien Endes des Verbindungsabschnitts 110. Auf diese Weise kann eine Anlagefläche eines nicht dargestellten Anschlussbauteils für diese Seite des Verbindungsabschnitts 110 in Längsrichtung des Stapels 101 ausgebildet sein. Diese Anlagefläche stützt im verbundenen Zustand zusammen mit dem Abschlusskeil 102 die Unterseite der geschäfteten Faserlagen und deren Befestigungsvorsprünge 113, 114, 115, 116, 117 gegen Biegung in Richtung der Anlagefläche ab. Alternativ kann die Anlagefläche schräg zu der Längsrichtung des Stapels 101 ausgebildet sein, sodass der Abschlusskeil 102 weggelassen werden kann. Der Abschlusskeil kann, wie dargestellt, einen weiteren Befestigungsvorsprung umfassen, wodurch er mittels Eingriff in eine Gegenform an oder in dem Anschlussbauteil an seiner Position gehalten wird. Eine Faserlage, die ein Faserumlenkelement 113 bis 117 von einem der Verbindungsabschnitte 110 umschlingt, umschlingt auch ein Faserumlenkelement 113 bis 117 des anderen Verbindungsabschnitts, wobei die beiden umschlungenen Faserumlenkelemente in der Reihenfolge der nebeneinanderliegenden Faserumlenkelemente 113 bis 117 der beiden Verbindungsabschnitte 110 vom freien Ende aus gesehen jeweils dieselbe Position innehaben.
10 zeigt einen Querschnitt durch den Verbindungsabschnitt 110 in der sechsten Ausführungsform in einer Einbausituation in einem Anschlusselement 130. Der Verbindungsabschnitt 110 entspricht weitgehend dem Verbindungsabschnitt 110 in der 9. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugsziffern dargestellt und werden nicht noch einmal gesondert erläutert. Im Unterschied zu der in 9 gezeigten Ausführungsform sind die Befestigungsvorsprünge in der Ausführungsform der 10 voneinander entfernt angeordnet, insbesondere um etwa deren eigene Breite. Dadurch ergeben sich zwischen den Befestigungsvorsprüngen Zwischenräume. In dem Anschlusselement 130 sind zu den Befestigungsabschnitten formkomplementäre Vertiefungen 132 bis 137 angeordnet. Die Vertiefung 132 ist dazu vorgesehen, einen Vorsprung an dem Abschlusskeil 102 aufzunehmen, sodass dieser in seiner Position in Faserlängsrichtung fixiert ist. Der Verbindungsabschnitt 110 kann mittels eines nicht dargestellten Einschlusselements in dem Anschlusselement 130 eingeschlossen und somit daran befestigt werden, indem das Einschlusselement zumindest an den Anschlusskeil 102 angelegt und in Bezug auf das Anschlusselement 130 fixiert wird. In einem Bereich zwischen der in der 10 obersten Faserlage des Stapels 101 aus Faserlagen und einem mit dieser Faserlagen fluchtenden Abschnitt des Anschlusselements 130 hinter dem freien Ende des Verbindungsabschnitts 110 kann die die genannte Fluchtung wie gezeigt fortgesetzt sein, indem die Oberseite des Abschlusskeils 102 dementsprechend geformt ist. Auf diese Weise kann eine Anlagefläche des Einschlusselements zur Anlage an diesen Bereich des Anschlusselements 130 und an den Abschlusskeil 102 wenigstens näherungsweise eben ausgeführt sein. Zwischen den Vertiefungen 132 bis 137 des Anschlusselements 130 sind vorstehende Ausbuchtungen 142 bis 146 angeordnet, in die die Zwischenräume zwischen den Befestigungsvorsprüngen des Verbindungsabschnitts 110 eingreifen. Im Vergleich zu der Ausführungsform der 9 ist dadurch die Anlagefläche zwischen dem Verbindungsabschnitt 110 und dem Anschlusselement 130, insbesondere in Längsrichtung der Fasern in dem Stapel 101 aus Faserlagen, erhöht. Parallel zu dieser Längsrichtung verläuft eine Mittelpunktlinie M durch die Mittelpunkte der Faserumlenkelemente 113 bis 117.
11 zeigt einen Querschnitt durch eine siebte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts 110. Der Verbindungsabschnitt 110 in ein Anschlusselement 130 eingelegt dargestellt, wobei das Anschlusselement 130 wenigstens in Bezug auf eine Aufnahme für den Verbindungsabschnitt 110 zumindest angenähert identisch mit dem Anschlusselement 130 aus 10 ist. Die siebte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts 110 ähnelt der in 10 dargestellten sechsten Ausführungsform. Gleiche Merkmale und Elemente des Verbindungsabschnitts 110 und des Anschlusselements 130 sind mit gleichen Bezugsziffern dargestellt und werden nicht noch einmal gesondert erläutert. Im Unterschied zu der in 10 gezeigten sechsten Ausführungsform ist der Verbindungsabschnitt 110 der siebten Ausführungsform auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit Befestigungsvorsprüngen ausgestattet. Die Geometrie und die Elemente des Verbindungsabschnitts sind um eine Längsmittelachse des Verbindungsabschnitts 110 gespiegelt. In 11 sind zwei voneinander getrennte Anschlusskeile 102 gezeigt, die in einer Variante jedoch auch einstückig ausgeführt sein können. Der Verbindungsabschnitt 110 kann mit dem gezeigten Anschlusselement 130 und mit einem weiteren, nicht gezeigten gleichen Anschlusselement eingeschlossen und auf diese Weise an den Anschlusselementen befestigt werden. Die Anschlusselemente werden vorzugsweise zueinander fixiert.
12 zeigt einen Querschnitt durch eine achte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts 110, wobei er in ein Anschlusselement 130 eingelegt gezeigt ist. Die achte Ausführungsform stimmt in vieler Hinsicht mit der in 10 gezeigten sechsten Ausführungsform überein. Gleiche Merkmale sind mit gleichen oder analogen Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht noch einmal gesondert erläutert. Im Unterschied zu der sechsten Ausführungsform sind die Faserlagen des Stapels 101 in ihrem Verlauf zu ihrem Faserumlenkelement 113 bis 118 nicht abgeknickt, sondern verlaufen gerade. Dies hat zur Folge, dass die Mitten der Faserumlenkelemente 113 bis 118 auf einer Mittelpunktlinie M liegen, die zur Längsrichtung der Faserlagen des Stapels 101 geneigt ist. Die Mittelpunkte der Vertiefungen 132 bis 137 liegen dementsprechend ebenfalls auf einer schräg zur Längsrichtung der Faserlagen angeordneten Mittelpunktlinie. Durch den geraden Verlauf der Faserlagen wird eine optimale Ausnutzung der Fasern in Zug- und Druckrichtung erreicht. Außerdem kann der Abschlusskeil 102 entfallen, weil sich der Verbindungsabschnitt 110 in dem gezeigten Anschlusselement 130 nicht wegbiegen kann. Die in 12 oberste Faserlage des Stapels 101 bildet über den gesamten Verlauf des Verbindungsabschnitts 111 eine ebene Fläche. Ein Einschlusselement zum Einschließen des Verbindungsabschnitts 110 in das Anschlusselement kann eine ebene Anlagefläche aufweisen, die in eingeschlossenen Zustand an der ebenen Anlagefläche anliegt.
13 zeigt einen Querschnitt durch eine neunte Ausführungsform des Verbindungsabschnitts 110. Die neunte Ausführungsform stimmt in vieler Hinsicht mit der in 12 gezeigten siebten Ausführungsform überein. Gleiche Merkmale sind mit gleichen oder analogen Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht noch einmal gesondert erläutert. Ein Unterschied der neunten zu der siebten Ausführungsform entspricht dem Unterschied zwischen der achten und der sechsten Ausführungsform, nämlich ist der Verbindungsabschnitt 110 auf zwei gegenüberliegenden Seiten mit Befestigungsvorsprüngen versehen und um eine Längsmittelachse des Verbindungsabschnitts 110 gespiegelt. Abweichend von der sechsten und der achten Ausführungsform entfällt jedoch, wie in der siebten Ausführungsform, der Abschlusskeil. Außerdem ist die Mittelpunktlinie M durch die Mitten der Faserumlenkelemente 113 bis 118 gegenüber der Längsrichtung des Verbindungsabschnitts 110 geneigt. Wie in der achten Ausführungsform kann der Verbindungsabschnitt 110 von zwei Anschlusselementen, deren Aufnahmebereich für den Verbindungsabschnitt 110 jeweils gleichartig ausgestaltet ist, eingeschlossen werden.
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

DE 202008008215 [0003]
DE 3834266 A1 [0004]
DE 102011120197 [0005]
DE 19625426 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 657 [0005]

Claims

Faserverbundwerkstoff-Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) zur Verbindung eines Faserverbundwerkstoffbauteils mit einem Anschlussbauteil (20, 130), dadurch kennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) in seinem Inneren wenigstens ein Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) aufweist, wobei Langfasern (4a, 5a, 6a) als Schlaufe um das Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) verlaufen, sodass deren Faserrichtung an dem Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) umgelenkt ist, wobei eine Oberfläche des Verbindungsabschnitts (1, 10, 110) durch das Faserumlenkelement (12 bis 16, 18) in dem Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) und den Verlauf der Langfasern (4a, 5a, 6a) um das Faserumlenkelement (12 bis 16, 18) einen Befestigungsvorsprung (12b, 13b) zur Krafteinleitung bildet.
Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er im Wesentlichen in einer Ebene ausgebildet oder rohrförmig oder stabförmig ausgestaltet ist.
Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) als gerader Stab, als Ring oder als schraubenförmig gewundenes Element ausgebildet ist und eine Längsachse des Faserumlenkelements (12 bis 16, 18, 113–118) eine Faserrichtung von Langfasern (4a, 5a, 6a), die das Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) umschlingen, unter einem Kreuzungswinkel, insbesondere von wenigstens 30°, bevorzugt wenigstens 45° oder besonders bevorzugt etwa 90° kreuzt, wobei das Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) einen kreisförmigen oder tropfenförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweist und/oder insbesondere Metall oder Kunststoff, bevorzugt faserverstärkten Kunststoff umfasst.
Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) mehrere Faserumlenkelemente (12 bis 16) oder/und mehrere Abschnitte (12 bis 16) eines Faserumlenkelements (18) aufweist, die in der Richtung der Kraftübertragung zu dem Anschlussbauteil (20, 130) hintereinander angeordnet sind, wobei die Längsachsen der Faserumlenkelemente (12 bis 16) oder/und der Abschnitte (12 bis 16) eines Faserumlenkelements (18) wenigstens näherungsweise parallel zueinander angeordnet sind, wobei Langfasern (4a, 5a, 6a), die eines der Faserumlenkelemente (12 bis 16) oder einen Abschnitt (12 bis 16) eines Faserumlenkelements (18) umschlingen, ein benachbartes Faserumlenkelement (13 bis 17) oder einen benachbarten Abschnitt (13 bis 17) eines Faserumlenkelements (18) an einer zum Kernmaterial des Verbindungsabschnitts (1, 10, 110) gerichteten Seite davon passieren, wobei die Faserumlenkelemente (12 bis 16) insbesondere von einem freien Ende des Verbindungsabschnitts (1, 10, 110) aus hintereinander angeordnet sind.
Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Langfasern (4a, 5a, 6a) von mehreren Lagen (2 bis 6) oder eines Teils (2 bis 6) einer spiralförmig aufgewickelten Einzellage des Verbindungsabschnitts (1, 10, 110) jeweils als Schlaufe um ein der jeweiligen Lage (2 bis 6) zugeordnetes Faserumlenkelement (12 bis 16) bzw. um einen dem jeweiligen Teil (2 bis 6) zugeordneten Abschnitt (12 bis 16) eines Faserumlenkelements (18) verlaufen, wobei insbesondere der Schichtaufbau der Lagen bzw. der Teile (2 bis 6) der Reihenfolge der Positionen der Faserumlenkelemente bzw. Abschnitte (12 bis 16) entlang der Richtung der Kraftübertragung zu einem Anschlussbauteil (20, 130) entspricht, wobei bei einem rohrförmigen Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) bevorzugt die innerste oder die äußerste Lage dem Faserumlenkelement (12) zugeordnet ist, das am nächsten an einem freien Ende des Verbindungsabschnitts (1, 10, 110) angeordnet ist.
Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Langfasern (4a, 5a, 6a) nach der Bildung einer Schlaufe um ein Faserumlenkelement (12 bis 16, 18) enden, wobei ein Abschnitt der Langfasern (4a, 5a, 6a), in dem die Langfasern (4a, 5a, 6a) Kraft aus dem Faserverbundwerkstoffbauteil zu dem Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) leiten, länger ist als ein Abschnitt der Langfasern (4a, 5a, 6a), der nach der Umlenkung an dem Faserumlenkelement (12 bis 16, 18) endet.
Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Befestigungsvorsprünge (12b. 13b) mehrere um eine Längsachse (L) des Verbindungsabschnitts (12 bis 16, 18, 113–118) umlaufende Wulste oder ein Außengewinde oder ein Innengewinde bildet.
Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Reibung zwischen dem Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) und einem komplementären Anschlussabschnitt an der Oberfläche des Verbindungsabschnitts (1, 10, 110) ein reibungserhöhender Stoff angeordnet ist oder die Oberfläche des Verbindungsabschnitts (1, 10, 110) eine reibungserhöhende Rauigkeit aufweist.
Langfaser-Faserverbundwerkstoffbauteil mit einem Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Kraftübertragungsverbund (30), gekennzeichnet durch einen Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der formschlüssig mit einem komplementären Anschlussabschnitt (24) eines Anschlussbauteils (20, 130) verbunden ist, wobei ein Befestigungsvorsprung (12b, 13b) des Verbindungsabschnitts (1, 10, 110) zumindest einen Teil des Formschlusses bewirkt.
Herstellverfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Verbindungsabschnitts (1, 10, 110), dadurch gekennzeichnet, dass ein Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) vorgesehen wird und Langfasern (4a, 5a, 6a) entlang des Verbindungsabschnitts (1, 10, 110) sowie das Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) in einer Schlaufe umschlingend angeordnet werden, wobei sich ein Befestigungsvorsprung (12a, 13a) ergibt und wobei das Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) nach Abschluss der Herstellung zumindest teilweise innerhalb des Verbindungsabschnitts (1, 10, 110) verbleibt.
Herstellverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Langfaser (4a, 5a, 6a) in einer Schlaufe um eine Windung eines helixförmigen Faserumlenkelements (18) abgelegt wird, wobei die Schlaufe insbesondere um eine Windung am Ende des helixförmigen Faserumlenkelements (18) herum abgelegt wird, wobei während oder nach einem oder mehreren solcher Ablagevorgänge das helixförmige Faserumlenkelement (18) relativ zu den bereits auf dem Faserumlenkelement (18) abgelegten Langfasern (4a, 5a, 6a) gedreht wird, sodass ein mit Langfasern (4a, 5a, 6a) belegter Teil des Endes zur Ablage weiterer Langfasern (4a, 5a, 6a) frei wird, wobei insbesondere zumindest der Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) in Wickeltechnik hergestellt wird.
Herstellverfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) aus Rovings, einem oder mehreren Fasertapes oder/und einer oder mehreren Fasermatten und/oder einem oder mehreren Prepregs oder/und einem oder mehreren zumindest teilweise flexiblen oder flexibilisierten, vorzugsweise unidirektionalen Pultrusionselementen hergestellt wird, indem ein Ende der Rovings und/oder Fasertapes und/oder Fasermatten und/oder Prepregs und/oder Pultrusionselemente um ein oder mehrere Faserumlenkelemente (12 bis 16, 18, 113–118) gelegt werden, wobei insbesondere um mehrere verschiedene Faserumlenkelemente (12 bis 16, 18, 113–118) gelegte Materialien abseits dieser Faserumlenkelemente (12 bis 16, 18, 113–118) schichtweise übereinander angeordnet werden.
Herstellverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (1, 10, 110) aus Flechtschlauch hergestellt wird, indem ein Ende des Flechtschlauchs um ein ringförmiges Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) gestülpt wird, und insbesondere mehrere Flechtschläuche ineinander angeordnet werden, wobei die Flechtschläuche vor oder nach der Anordnung ineinander jeweils an wenigstens einem Ende um ein ringförmiges Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) gestülpt werden und wobei das Faserumlenkelement (12 bis 16, 18, 113–118) des innersten oder äußersten Flechtschlauchs an einem Ende des Verbindungsabschnitts (1, 10, 110) und Faserumlenkelemente (12 bis 16, 18, 113–118) der darüber liegenden bzw. darunterliegenden Flechtschläuche in der Reihenfolge von deren Schichtung in Richtung von dem Ende weg hintereinander angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Enden von mehreren Flechtschläuchen um jeweilige ringförmige, bevorzugt kreisringförmige, Faserumlenkelemente (12 bis 16, 18) gestülpt sind und die Flechtschläuche ineinander geschichtet angeordnet werden, indem Faserumlenkelemente (12 bis 16, 18), die dazu durch andere Faserumlenkelemente (12 bis 16, 18) gesteckt werden, zuvor so verformt werden oder so geformt sind, dass die durchzusteckenden Faserumlenkelemente (12 bis 16, 18) durch die Faserumlenkelemente (12 bis 16, 18), durch die sie zu stecken sind, passen, wobei bevorzugt die durchgesteckten Faserumlenkelemente (12 bis 16, 18) nach dem Durchstecken in eine Kreisringform gebracht werden.