-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem metallischen Anschlusselement und einem Faserverbundwerkstoff, wobei das Anschlusselement mit horizontal benachbarten hinterschnittenen Strukturen versehen ist und der Faserverbundwerkstoff im Zwischenraum zwischen vertikalen Elementen der Strukturen und sich im Winkel zu den vertikalen Elementen erstreckenden ersten Hinterschneidungselementen angeordnet ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Eine solche Anordnung kann beispielsweise dazu verwendet werden, über das metallische Anschlusselement an einem Bauteil fixiert zu werden. Das Bauteil kann beispielsweise Bestandteil einer Karosserie eines Fahrzeugs sein, an der die Anordnung in der Form beispielsweise eines faserverstärkten Karosseriebauteils mittels des Anschlusselements festgelegt werden kann.
-
Metallische Anschlußelemente von Bauteilen mit Faserverbundwerkstoffen werden benötigt, um die Kunststoffkomponenten in Mischbauweise mit anderen metallischen Bauteilen zu verbinden. Bei bekannten metallischen Anschlusselementen kann es sich um ein Insert oder ein Onsert handeln, welches mit der Kunststoffkomponente verbunden wird, wobei das Anschlusselement üblicherweise mittels einer Klebeverbindung an der Kunststoffkomponente festgelegt wird.
-
Bei dem Klebstoff kann es sich um den Matrixwerkstoff der beispielsweise mittels Endlosfasern verstärkten Kunststoffkomponente handeln. Die Lasteinleitung in den Klebeverbund erfolgt dabei über die äußersten Schichten des Laminats, so dass die Festigkeit der Verbindung im Falle einer Normalbelastung oder einer Schälbelastung nicht über die interlaminare Festigkeit des Substratswerkstoffs hinausgehen kann. Wird ein solches Bauteil mit einer an den Grenzwert der Festigkeit herangehenden Last beaufschlagt, kommt es üblicherweise zu einem schlagartigen Versagen der Verbindung, es ist also kein Resttragverhalten vorhanden, die Verbindung gibt ohne Vorankündigung plötzlich nach.
-
Anhand der
DE 203 20 626 U1 ist ein Blattanschluss für laminierte Rotorblätter einer Windenergieanlage bekannt geworden, bei dem ein Insert an seinem Außenumfang mit einer Vielzahl von Erhöhungen und Vertiefungen versehen ist und das Laminat des Rotorblatts im Bereich der Erhöhungen und Vertiefungen komplementär zu den Erhöhungen und Vertiefungen ausgebildet ist.
-
Anhand der
DE 10 2011 051 172 A1 ist ein laminiertes Rotorblatt bekannt geworden, welches an einem einer Nabe zugewandten Bereich ein Insert aufweist, an dessen Außenumfang Erhebungen oder Noppen zur Anordnung des Laminats vorgesehen sind.
-
Anhand der
EP 1 083 345 A2 ist eine Welle mit einer Faserverbundanordnung bekannt geworden. Diese Welle besitzt einen Innenring sowie einen konzentrischen Außenring, die aus einer Titanlegierung ausgebildet sind. Im Ringraum zwischen dem Innenring und dem Außenring ist ein Abstandshalter mit am Umfang verteilt angeordneten, radial nach außen offen ausgebildeten Ausnehmungen vorgesehen, in denen Faserbündel lose angeordnet sind, die parallel zueinander verlaufen und von einer Einfassung umgeben sind.
-
Anhand der
WO 2009/003207 A1 ist eine Anordnung zum Verbinden eines länglichen Elements mit einer weiteren Komponente bekannt geworden.
2 dieser Druckschrift zeigt, dass bei dieser Anordnung ein rohrstückförmiges metallisches Element vorgesehen ist, welches am Außenumfang Vorsprünge in der Form von Drahtstücken mit einem runden Kopf aufweist, und in den Zwischenräumen der Drahtstücke ein Ummantelungselement aus einem Faserverbundmaterial in der Form eines Geflechts eingebracht werden kann.
-
Die an den Drahtstücken angebrachten Köpfe wirken dabei als in einem Winkel zu den vertikalen Elementen in der Form der Drahtstücke angeordneten Hinterschneidungselemente. Das Faserverbundbauteil wird dabei in der Form eines Fasergeflechts oder einer Wickelstruktur aufgebaut und mit einem aushärtbaren Matrixmaterial stabilisiert.
-
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung mit einem metallischen Anschlusselement und einem Faserverbundwerkstoff zu schaffen, die eine deutlich höhere Festigkeit als eine bekannte Klebeverbindung aufweist und die im Überlastfall nicht schlagartig versagt, sondern ein Resttragverhalten aufweist.
-
Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
-
Die Erfindung schafft eine Anordnung mit einem metallischen Anschlusselement und einem Faserverbundwerkstoff, wobei das Anschlusselement mit horizontal benachbarten hinterschnittenen Strukturen versehen ist und der Faserverbundwerkstoff im Zwischenraum zwischen vertikalen Elementen der Strukturen und sich im Winkel zu den vertikalen Elementen erstreckenden ersten Hinterschneidungselementen angeordnet ist und das Anschlusselement zu den horizontal benachbarten Strukturen im vertikalen Abstand angeordnete und zueinander horizontal beabstandete Hinterschneidungsstrukturen aufweist, die mit den horizontal benachbarten Strukturen einstückig ausgebildet sind und Faserverbundwerkstoff im Zwischenraum zwischen Vertikalelementen der Hinterschneidungsstrukturen und den ersten Hinterschneidungselementen und im Zwischenraum zwischen den Vertikalelementen und sich im Winkel zu den Vertikalelementen erstreckenden zweiten Hinterschneidungselementen angeordnet ist, wobei der in den Zwischenräumen angeordnete Faserverbundwerkstoff mit einem Harzwerkstoff versehen ist.
-
Die Erfindung schafft daher eine Anordnung mit einem metallischen Anschlusselement und einem Faserverbundwerkstoff, bei dem das metallische Anschlusselement mittels der Hinterschneidungsstrukturen deutlich tiefer in eine beispielsweise flächige Struktur aus dem Faserverbundwerkstoff eingreift, als dies bei der bekannten Anordnung der Fall ist.
-
Durch die horizontal benachbarte Anordnung der Hinterschneidungsstrukturen entstehen zwischen den Vertikalelementen der Hinterschneidungsstrukturen und den im Winkel dazu angeordneten zweiten Hinterschneidungselementen Zwischenräume, in denen Faserverbundwerkstoff angeordnet werden kann, so dass die Zahl der Zwischenräume zur Aufnahme von beispielsweise Faserbündeln des Faserverbundwerkstoffs verglichen mit der bekannten Anordnung deutlich erhöht ist und sich zwischen dem Material des Faserverbundwerkstoffs und den Vertikalelementen sowie den ersten und zweiten Hinterschneidungselementen ein Formschluss einstellen kann, was dafür sorgt, dass die Festigkeit der Verbindung zwischen dem metallischen Anschlusselement und dem Faserverbundwerkstoff nicht von der interlaminaren Tragfähigkeit bestimmt wird, wie dies bei einer bekannten Klebeverbindung der Fall ist.
-
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die hinterschnittenen Strukturen in einer ersten Horizontalebene und die Hinterschneidungsstrukturen in einer zweiten Horizontalebene angeordnet sind. Wenn es sich bei dem Bauteil aus dem Faserverbundwerkstoff beispielsweise um einen flächigen Gegenstand handelt, dann greift das Anschlusselement mit seinen hinterschnittenen Strukturen in einer ersten Horizontalebene in den flächigen Gegenstand ein, Faserbündel oder ganz allgemein Faseranordnungen des flächigen Gegenstands liegen also in den in der ersten Horizontalebene gebildeten Zwischenräumen und von der ersten Horizontalebene erstrecken sich Hinterschneidungsstrukturen weg, die in einer zur ersten Horizontalebene vertikal beabstandeten zweiten Horizontalebene angeordnet sind, in der wiederum Zwischenräume zwischen den Vertikalelementen der Hinterschneidungsstrukturen und den zweiten Hinterschneidungselementen der Hinterschneidungsstrukturen ausgebildet sind.
-
Auch in diesen Zwischenräumen können dann Faserbündel oder ganz allgemein Faseranordnungen des Faserverbundwerkstoffes angeordnet werden, so dass wiederum die Ausbildung von Formschluss zwischen den Faserbündeln oder Faseranordnungen und den Vertikalelementen sowie den zweiten Hinterschneidungselementen möglich ist.
-
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass die Anordnung Hinterschneidungsstrukturen aufweist, die in mindestens einer, im vertikalen Abstand zur zweiten Horizontalebene angeordneten weiteren Horizontalebene angeordnet sind. Es führt diese Anordnung wiederum zu einer Vervielfachung der für die Aufnahme von Faserbündel oder Faseranordnungen zur Verfügung stehenden Zwischenräume zwischen den Vertikalelementen und den Hinterschneidungselementen der dann weiteren Ebene mit Hinterschneidungsstrukturen.
-
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass die ersten und/oder zweiten und/oder in einer weiteren Ebene angeordneten Hinterschneidungselemente in einer jeweiligen Horizontalebene miteinander einstückig verbunden ausgebildet sind.
-
Diese Konfiguration führt dazu, dass über die im Winkel zu den Vertikalelementen angeordneten Hinterschneidungselemente Zwischenräume ausgebildet werden, die die Faserbündel oder Faseranordnungen kammerartig formschlüssig umgeben und dadurch bei einer Normal- oder Schälbelastung der Fasern zwischen den Fasern und den Kammerwänden eine die Festigkeit der Verbindung steigernde Kraftübertragung stattfinden kann.
-
Die Erfindung sieht es nach einer Weiterbildung auch vor, dass die in Horizontalebenen übereinander angeordneten Zwischenräume horizontal zueinander versetzt angeordnet sind. Es bedeutet dies mit anderen Worten, dass die Zwischenräume der einzelnen Horizontalebenen jeweils seitlich versetzt zueinander angeordnet sind und über die zwischen den Horizontalebenen angeordneten Vertikalelemente und den im Winkel dazu angeordneten Hinterschneidungselementen eine in sich steife und hoch belastbare Kammerstruktur aufgebaut wird mit einer Vielzahl von für die Aufnahme von Fasern ausgebildeter, Kammern darstellender Zwischenräume.
-
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass die Längsrichtung von in Zwischenräumen angeordneten Faserbündeln in einem Winkel im Bereich von 0° bis 180° relativ zur Längsrichtung von ersten und/oder zweiten und/oder weiteren Hinterschneidungselementen verläuft. So kann nach einer bevorzugten Ausführungsform der Winkel einen Wert von beispielsweise 45° einnehmen und die Ausrichtung der Faserbündel dem jeweiligen Belastungsfall entsprechend ausgewählt werden.
-
Die Erfindung sieht es nach einer Weiterbildung auch vor, dass der in den Zwischenräumen angeordnete Faserverbundwerkstoff mit einem Harzwerkstoff versehen ist. Der Harzwerkstoff dient also zur Imprägnierung des in der Form beispielsweise eines Geleges mit Glasfasern und/oder Carbonfasern versehenen Faserverbundwerkstoffs, was dazu führt, dass zusätzlich zum Formschluss zwischen dem Anschlusselement und dem Faserverbundwerkstoff auch noch ein Stoffschluss zur Steigerung der Festigkeit der Verbindung aufgebaut werden kann.
-
Das Anschlusselement kann eine Anschlusseinrichtung aufweisen, die zur lösbaren oder nicht lösbaren Festlegung der Anordnung an einem Bauteil vorgesehen ist. Bei der Anschlusseinrichtung kann es sich um einen ein Innen- und/oder Außengewinde und/oder eine Bajonettverschlusseinrichtung aufweisenden und/oder einen mittels einem Schweißverfahren festlegbaren Metallkörper handeln.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
-
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer Anordnung nach einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine Darstellung ähnlich 1, die eine in der vertikalen Anordnung obere Ebene mit nicht verbundenen Hinterschneidungselementen zeigt;
-
3 eine Draufsichtansicht auf eine obere Ebene mit schräg zur Längsrichtung der Faserbündel angeordneten Hinterschneidungselementen der Hinterschneidungsstrukturen;
-
4A, B, C schematische Schnittdarstellungen von Hinterschneidungsstrukturen mit unterschiedlicher Ausbildung; und
-
5 eine isometrische Darstellung eines Anschlusselements mit einer Vielzahl von Hinterschneidungsstrukturen.
-
1 der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Anordnung mit metallischen Anschlusselementen 2 und Faserbündeln 3 eines Faserverbundwerkstoffs.
-
Wie es ohne weiteres ersichtlich ist, weist das Anschlusselement 2 horizontal benachbarte hinterschnittene Strukturen in der Form von vertikalen Elementen 4 mit daran sich im Winkel von weitgehend 90° weg erstreckenden ersten Hinterschneidungselementen 5 auf, die bei der dargestellten Ausführungsform bereits einstückig miteinander ausgebildet sind, wobei die einstückige Ausbildung der ersten Hinterschneidungselemente 5 schon einen Vorteil zur bekannten Anordnung darstellt.
-
Durch die vertikalen Elemente 4 und die ersten Hinterschneidungselemente 5 werden Zwischenräume 6 gebildet, in denen die Faserbündel 3 angeordnet werden können.
-
Die vertikalen Elemente 4 und ersten Hinterschneidungselemente 5 befinden sich in einer ersten Horizontalebene H1 angeordnet.
-
Oberhalb der ersten Horizontalebene H1 befindet sich eine zweite Horizontalebene H2 mit Hinterschneidungsstrukturen 7 angeordnet, die Vertikalelemente 8 und zweite Hinterschneidungselemente 9 aufweist.
-
Zwischen den Vertikalelementen 8 und den zweiten Hinterschneidungselementen 9 werden Zwischenräume 10 ausgebildet, in denen sich wieder Faserbündel 3 aus beispielsweise Carbonfaserwerkstoffen angeordnet befinden können.
-
Oberhalb der zweiten Horizontalebene H2 kann eine dritte, nicht näher dargestellte Horizontalebene H3 von Vertikalelementen und dritten Hinterschneidungselementen vorgesehen sein, die zwischen sich wiederum Zwischenräume ausbilden zur Aufnahme von beispielsweise Carbonfaserbündeln.
-
Es ist für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, dass der vorstehend geschilderte Aufbau mit Hinterschneidungsstrukturen auf weiteren Horizontalebenen ergänzt werden kann, die wiederum Zwischenräume zwischen den Vertikalelementen und den weiteren Hinterschneidungselementen ausbilden, die jeweils zur Aufnahme von Faserbündelmaterial vorgesehen sind.
-
Der Faserbündelwerkstoff in den Zwischenräumen 6, 10 kann mit Harzwerkstoff imprägniert werden, so dass die so gebildete Verbindung nicht nur zwischen den metallischen Komponenten des Anschlusselements 2 und den Faserbündel 3 einen Formschluss eingeht, sondern auch eine Stoffschlussverbindung zwischen den Faserbündeln 3 untereinander hergestellt werden kann. Zu diesem Zweck können einzelne Zwischenräume unterbrochen ausgebildet sein, d. h. die Vertikalelemente 8 sowie die Hinterschneidungselemente 5, 9 weisen Öffnungen 12 auf, so dass das Harzmaterial durch die Öffnungen 12 hindurchtreten kann und eine Stoffschlussverbindung zwischen den einzelnen Faserbündeln 3 herstellen kann.
-
Ein anhand von 5 ersichtliches metallisches Anschlusselement 2 kann beispielsweise als stiftförmiger Körper mit einer runden metallischen Anschlussfläche 16 ausgebildet sein, an der die hinterschnittenen Strukturen und eine Vielzahl von Hinterschneidungsstrukturen 7 ausgebildet werden.
-
Der Stift des Anschlusselements 2 kann dabei beispielsweise mit einem Außengewinde versehen sein, so dass die so gebildete Anordnung über das Anschlusselement 2 beziehungsweise die Anschlußelemente 2 mit einem nicht näher dargestellten Karosseriekörper verbunden werden kann.
-
2 der Zeichnung zeigt einen Ausschnitt aus einer oberen Ebene einer Anordnung mit nicht verbundenen Hinterschneidungselementen. Aus dieser Darstellung wird ersichtlich, dass die Hinterschneidungselemente 9 auch in der Form von Verzweigungen 11 ausgebildet sein können, die untereinander nicht einstückig verbunden sind. Solche Verzweigungen können auch in darunter liegenden Horizontalebenen vorgesehen sein und so beispielsweise zur Ausbildung von Öffnungen 12 zum Durchtritt von Harzwerkstoff zum Durchtränken des Faserbündelwerkstoffs vorgesehen sein, wie dies vorstehend bereits erläutert wurde.
-
3 der Zeichnung zeigt eine obere Horizontalebene mit Faserbündeln 3, die im Winkel von etwa 45° zur Längsrichtung L der Hinterschneidungselemente 9 der oberen Horizontalebene angeordnet sind. Durch die im Winkel verlaufende Anordnung der Faserbündel 3 relativ zu den Hinterschneidungselementen 9 kann die Verdrehfestigkeit der Verbindung erhöht werden. Zusätzlich zu den in 3 dargestellten Faserbündeln 3 können im Winkel von beispielsweise 90° zu den Faserbündel 3 verdreht angeordnete weitere, nicht dargestellte Faserbündel im gleichen Zwischenraum angeordnet werden und die Faserbündel dann mit Harzwerkstoff durchtränkt werden, wodurch die Verdrehfestigkeit der Verbindung weiter erhöht wird.
-
Schließlich zeigen die 4A, B, C Schnittansichten von Ausführungsformen von Hinterschneidungsstrukturen mit Vertikalelementen 8 und ersten, zweiten sowie weiteren Hinterschneidungselementen 9, die im Winkel von weitgehend etwa 90° zu den Vertikalelementen angeordnet sind und so die Ausbildung von in mehreren Ebenen angeordneten Hinterschneidungsstrukturen 7 ermöglichen.
-
Wie es beispielsweise die Darstellung in 4C zeigt, können die Hinterschneidungselemente 9 auch beispielsweise am Endbereich gekrümmt ausgebildet sein, so dass das in 4C dargestellte Faserbündel 3 im Zwischenraum 10 eng umschlossen angeordnet werden kann, wodurch der Formschluss zwischen den Faserbündel 3 und den Vertikalelementen 8 sowie den Hinterschneidungselementen 9 weiter vergrößert werden kann.
-
Die Hinterschneidungsstrukturen umgreifen das Fasergerüst des nicht näher dargestellten Faserverbundbauteils formschlüssig. Das Bauteil kann beispielsweise aus mit Endlosfasern verstärkten Halbzeugen, Gelegen, Geweben oder Geflechten bestehen. In das Bauteil können auch lastpfadgerecht verlegte Endlosfaserbündel (Rovings) oder lokale Verstärkungen eingearbeitet sein.
-
Wie es anhand der dargestellten Hinterschneidungsstrukturen ersichtlich ist, sind diese Strukturen schlank ausgeführt, um Störungen im gerichteten Faserverlauf zur Erhöhung der Festigkeit zu verringern. Im Rahmen einer nicht dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich, das Laminat beidseitig zwischen zwei metallischen Anschlussflächen einzuschließen und die Anschlussflächen mittels schlanker Strukturen in der Form von beispielsweise in 4A, B, C dargestellter Hinterschneidungsstrukturen zu verbinden. Dadurch kann auch eine erhöhte Verdrehsicherheit des Anschlusselements erreicht werden.
-
Das Anschlusselement und die eingelegten Faserhalbzeuge können bei einem Imprägniervorgang mit einer polymeren Matrix umgeben werden, wodurch zusätzlich zum Formschluss ein Stoffschluss erzeugt wird, der die Festigkeit der Verbindung weiter erhöht.
-
Das metallische Anschlusselement kann mit einem Innengewinde, einem Außengewinde, Durchgangsbohrungen für Bolzen oder dergleichen oder mit einer Bajonettanschlussverbindung versehen werden. Es ist auch möglich, das metallische Anschlusselement beispielsweise mittels eines Schweißvorgangs an einem weiteren Bauteil festzulegen, womit gleichzeitig die Anordnung mit dem Faserverbundbauteil festgelegt werden kann.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt aufgrund der Hinterschneidungsstrukturen, die in das Fasergerüst des Substratswerkstoffs eingreifen, den Vorteil, dass die Lasteinleitung am Anschlusselement zur Lasteinleitung in tiefe Lagen des Laminats führt und die Last sowohl formschlüssig als auch stoffschlüssig in das Substrat eingeleitet wird. Die so hergestellte Verbindung kann im Vergleich mit einer Klebeverbindung wesentlich höhere Kräfte ertragen und aufgrund des Wegfalls der Lasteinleitung lediglich über die Klebeverbindung ergibt sich eine wesentlich steifere Anbindung des Anschlusselements am Laminat.
-
Typische Nachteile einer Klebeverbindung, nämlich das Kriechen unter Last und Temperatur sowie die temperaturabhängige Festigkeit und der Steifigkeit der Verbindung werden beseitigt. Wird eine erfindungsgemäße Anordnung mit Überlast beaufschlagt, so versagt diese Verbindung nicht schlagartig, wie es bei einer Klebeverbindung der Fall ist, sondern es bleibt eine reduzierte Tragfähigkeit aufgrund des Formschlusses von Faserbündeln mit Hinterschneidungsstrukturen erhalten, und zwar selbst dann, wenn es aufgrund eines Ablösevorgangs bereits zum Versagen der Stoffschlussverbindung und dem Versagen einzelner Formschlussverbindungen geführt hat. Die Verbindung versagt daher im Überlastfall nicht schlagartig, sondern besitzt noch eine reduzierte Tragfähigkeit.
-
Hinsichtlich vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- metallisches Anschlusselement
- 3
- Faserbündel
- 4
- vertikales Element
- 5
- erstes Hinterschneidungselement
- 6
- Zwischenraum
- 7
- Hinterschneidungsstruktur
- 8
- Vertikalelemente
- 9
- zweites Hinterschneidungselement
- 10
- Zwischenraum
- 11
- Verzweigung
- 12
- Öffnung
- 13
- Hinterschneidungsstruktur
- 14
- Hinterschneidungsstruktur
- 15
- Hinterschneidungsstruktur
