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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Befestigungsmittel aus Faserverbundmaterialien und insbesondere auf ein Gewindebauteil und auf eine Befestigungsmutter.
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Hintergrund
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In vielen Anwendungen werden Bauteile unter Nutzung von Gewindeverbindungen miteinander verbunden. Diese Verbindungen sind lösbar und bieten, wenn das Material entsprechend gewählt wird, eine hohe Haltekraft. Für die Gewinde werden daher oft Metalle eingesetzt, die jedoch schwer sind und wegen ihrer hohen thermische Ausdehnung oft thermische Spannungen verursachen.
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In der Leichtbauweise sollen mehr und mehr Bauteile aus leichten Materialien gefertigt werden, wozu beispielsweise faserverstärkte Kunststoffmaterialien gehören. Hierbei stellt sich das Problem, dass es bisher keine oder nur unzureichende Gewinde zum Fügen von verschiedenen Faserverbundbauteilen gibt.
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Bekannte Gewindetypen wie metrische Gewinde, Trapezgewinde, Rundgewinde, etc. sind für die Verschraubung von Bauteilen aus gleichen oder ähnlichen und insbesondere aus schubfesten Werkstoffen ausgelegt. Innen- und Außengewinde werden bei diesen Gewinden gleich gestaltet (wie z.B. bei einer Wellen-Mutter-Verbindung), d.h. die Geometrie der Zähne, Flanken und Gewindegründe sind für die Innen- und Außengewinde identisch.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Mutter 41, die auf eine Welle 42 aufgeschraubt ist. Die Mutter 41 umfasst ein Innengewinde mit einem Gewindegrund 51 und einem Zahngrund 52, von dem sich ein schraubenförmiger Vorsprung 53 (Gewindezahn) nach innen (hin zur Welle 42) erstreckt. Der Gewindegrund 51 bildet einen Boden in einer Gewindenut. Der schraubenförmige Vorsprung 53 hat eine Trapezform mit einem flachen obere Trapezbereich 54, der ungefähr eine gleiche Länge wie der Gewindegrund 51 aufweist, und abgewinkelten Gewindeflanken 48. Spiegelsymmetrisch zu dem Gewinde der Mutter 41 ist ebenfalls das Gewinde auf der Welle 42 ausgebildet.
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Diese Art von Gewinde ist jedoch nicht geeignet, um Gewindebauteile aus Faserverbundmaterialien wie z.B. einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) miteinander zu verbinden. Ein Grund dafür ist die fehlende Festigkeit von faserverstärkten Kunststoffmaterialien bzw. es wäre ein deutlich größerer Bauraum erforderlich, um solche Gewinde aus faserverstärktem Kunststoffmaterial bei gleicher Festigkeit herzustellen. Der steht meistens nicht zur Verfügung.
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Daher besteht ein Bedarf nach weiteren Befestigungsmitteln, die insbesondere für faserverstärktes Kunststoffmaterial geeignet sind.
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Zusammenfassung
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Zumindest ein Teil der oben genannten Probleme wird durch Befestigungsmittel nach Anspruch 1, ein Gewindebauteil nach Anspruch 5, eine Befestigungsmutter nach Anspruch 6 oder Anspruch 8 und ein Verfahren zu deren Herstellung gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Befestigungsmittel mit einem ersten Gewindebauteil aus einem Faserverbundmaterial mit einer ersten Gewindenut, die sich helixförmig mit einer Gewindesteigung an dem ersten Gewindebauteil erstreckt, einem zweiten Gewindebauteil aus einem Faserverbundmaterial mit einer zweiten Gewindenut, die sich helixförmig mit der Gewindesteigung (hat den gleichen Wert wie am ersten Gewindebauteil) an dem zweiten Gewindebauteil erstreckt, und einem helixförmigen Gewindeeinsatz aus einem Werkstoff, der eine höhere Festigkeit aufweist als das Faserverbundmaterial des ersten Gewindebauteils und des zweiten Gewindebauteils. Der helixförmige Gewindeeinsatz ist in die erste Gewindenut und die zweite Gewindenut einsetzbar, um eine Gewindeverbindung zwischen dem ersten Gewindebauteil und dem zweiten Gewindebauteil zu ermöglichen. Die Faserverbundmaterialien des ersten und zweiten Gewindebauteils können gleich oder verschieden sein.
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Optional weist die erste Gewindenut eine erste Tiefe und die zweite Gewindenut eine zweite Tiefe, die gleich oder verschieden von der ersten Tiefe ist, auf und die Gewindesteigung ist größer als die erste Tiefe und größer als die zweite Tiefe.
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Optional ist das erste Gewindebauteil eine Welle und das zweite Gewindebauteil ist optional eine Mutter, die unter Nutzung des helixförmigen Gewindeeinsatzes auf die Welle aufschraubbar ist. Der Gewindeeinsatz kann kraftschlüssig oder formschlüssig an der Mutter befestigt werden. Zum Beispiel kann der Gewindeeinsatz an einer Stelle der beispielhaften Mutter eingehakt oder in das Faserverbundmaterial eingeschmolzen sein, um dadurch ein Verschieben des Gewindeeinsatzes während des Verschraubens zu verhindern. Ebenso kann der Gewindeeinsatz mit dem Faserverbundmaterial verklebt sein. Die Welle kann auch ein Bolzen, ein Zylinder oder ein anderes stabförmiges Bauteil sein.
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Optional ist das Faserverbundmaterial ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff und der Gewindeeinsatz ist aus einem Metall oder einer Metalllegierung.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Gewindebauteil mit einer entlang einer Axialrichtung umlaufenden Gewindenut. Das Gewindebauteil ist aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, mit einer Vielzahl von Fasern hergestellt. Die Fasern können derart gewickelt sein, dass sie sich in Richtungen erstrecken, die innerhalb des Mantels eines gedachten Zylinders um die Axialrichtung mit einem bestimmten Winkel zur Axialrichtung herum liegen, um dadurch eine Gewindeverbindung mit einer gewünschten Haltekraft zu ermöglichen. Der bestimmte Winkel kann beispielweise in Bezug auf die Axialachse in einem Winkelbereich von +/-10° oder +/-30° oder +/- 60° liegen. Zudem kann das Gewindebauteil aus mehreren Schichten faserverstärkten Kunststoffs bestehen, von denen jede in einem anderen bestimmten Winkel ausgerichtet ist.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Befestigungsmutter mit einem Gewinde in einem Oberflächenbereich, wobei die Befestigungsmutter ein Faserverbundmaterial aufweist, das in dem Oberflächenbereich als Pressmasse gebildet ist.
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Optional kann der Oberflächenbereich auf bzw. innerhalb einem/s gewickelten Bereich(es) (Bandage) aus Faserverbundmaterial gebildet sein, wobei in dem gewickelten Bereich das Faserverbundmaterial durch Faserwicklungen in zumindest eine Vorzugsrichtung gebildet ist. Es kann aber auch mehrere Schichten aufweisen, wo die Fasern in jeweiligen Schichten jeweils in eine andere Richtung gewickelt sind.
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Optional kann das Faserverbundmaterial eine umlaufende Gewindenut aufweisen und die Befestigungsmutter einen Gewindeeinsatz aus einem Werkstoff aufweisen, der eine höhere Festigkeit aufweist als das Faserverbundmaterial. Der Gewindeeinsatz ist in die umlaufende Gewindenut eingesetzt, eingehakt, eingeschmolzen oder eingeklebt und an zumindest einer Stelle mit dem Faserverbundmaterial fest verbunden, um einen gewindeförmigen Eingriff eines weiteren Gewindebauteils ohne eine Verschiebung des Gewindeeinsatzes zu ermöglichen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Welle, die ein Faserverbundmaterial und ein geschliffenes Gewinde in einem Oberflächenbereich aufweist, wobei das Faserverbundmaterial Faserwicklungen in zumindest eine Vorzugsrichtung aufweist und ausgebildet ist, um eine der zuvor definierten Befestigungsmuttern in Eingriff zu nehmen.
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Das Gewinde in der Befestigungsmutter kann im Pressprozess (für die Pressmasse) angeformt werden, sodass die Fasern hinsichtlich der Festigkeit der Mutter so orientiert sind, dass eine hohe Belastbarkeit erreicht wird. Eine nachträgliche Bearbeitung wird dabei nicht erforderlich. Die Verwendung der optionalen Bandage (gewickelter Bereich) in einem Außenbereich (dem Gewinde gegenüberliegend) der Befestigungsmutter erhöht die Umfangssteifigkeit der Befestigungsmutter. Die Bandage kann im Pressprozess angeformt werden.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Befestigungsmittels oder eines Gewindebauteils, wie sie zuvor definiert wurden. Die Gewindesteigung wird dabei mindestens so groß gewählt, dass eine gewünschte Haltekraft erreicht wird. Die gewünschte Haltkraft kann beispielsweise ein Erfordernis an das Befestigungsmittel oder das Gewindebauteil sein.
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Figurenliste
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1 zeigt Befestigungsmittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Gewindeeinsatz.
- 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Gewindebauteil aus einem Faserverbundmaterial.
- 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Gewindemutter aus einer Pressmasse.
- 5. zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Befestigungsmutter, bei der ein Gewinde in einer Pressmasse gebildet ist und die über einen Gewindeeinsatz mit einer Welle verbunden ist.
- 6. zeigt ein Beispiel für eine konventionelle Gewindeverbindung.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt ein Befestigungsmittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Befestigungsmittel umfasst ein erstes Gewindebauteil 110, ein zweites Gewindebauteil 120 und einen helixförmigen Gewindeeinsatz 130. Das erste Gewindebauteil 110 ist aus einem Faserverbundmaterial mit einer ersten Gewindenut 112, die sich helixförmig mit einer Gewindesteigung 114 an dem ersten Gewindebauteil 110 erstreckt. Das zweite Gewindebauteil 120 ist auch aus einem Faserverbundmaterial mit einer zweiten Gewindenut 122, die sich helixförmig mit der Gewindesteigung 124 an dem zweiten Gewindebauteil 120 erstreckt. Der helixförmige Gewindeeinsatz 130 ist aus einem Werkstoff, der eine höhere Festigkeit aufweist als das Faserverbundmaterial des ersten Gewindebauteils 110 und/oder des zweiten Gewindebauteils 120. Der helixförmige Gewindeeinsatz 130 ist in die erste Gewindenut 112 und die zweite Gewindenut 122 einsetzbar, um eine Gewindeverbindung zwischen dem ersten Gewindebauteil 110 und dem zweiten Gewindebauteil 120 auszubilden. Die Faserverbundmaterialien des ersten und zweiten Gewindebauteils 110, 120 können gleich oder auch verschieden gewählt sein.
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Das erste Gewindebauteil 110 ist beispielsweise eine Mutter und das zweite Gewindebauteil 120 ist beispielsweise eine Welle mit der angedeuteten Symmetrieachse, auf die in der 1 die Mutter 110 aufgeschraubt ist. Vor dem Zusammenschrauben wurde der Gewindeeinsatz 130 in die Nut 112 der Mutter 110 (oder der Welle 120) eingesetzt und dann zusammen mit der Mutter 110 auf die Welle 120 aufgeschraubt. Wie aus dem vergrößerten Abschnitt der 1 ersichtlich ist, sind die Gewindesteigungen 114, 124 (Zahngründe) der beispielhaften Welle 120 und der beispielhaften Mutter 110 gleich lang, aber länger als eine erste Tiefe T1 der ersten Gewindenut 112 der Mutter 110 bzw. als eine zweite Tiefe T2 der zweiten Gewindenut 122 der Welle 120 gewählt.
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Die Gewinde weisen jeweils einen trapezförmigen Querschnitt auf, sodass sich Gewindevorsprünge 116, 126, die sich von den Zahngründen 114, 124 erstrecken, geneigte Gewindeflanken 118, 128 und obere flache Abschnitte bilden. Die Gewindeflanken 118, 128 bilden die erste und zweite Gewindenut 112, 122 und sind so gewählt, dass der helixförmige Gewindeeinsatz 130 möglichst flächig an den Gewindeflanken 118, 128 anliegt.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann der helixförmige Gewindeeinsatz 130 formschlüssig mit dem ersten Gewindebauteil 110, zum Beispiel an einem seiner Enden, verbunden werden, sodass beim Ausbilden der Gewindeverbindung ein fester Halt des Gewindeeinsatzes 130 innerhalb der ersten und zweiten Gewindenut 112, 122 gewährleistet wird.
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2 zeigt beispielhaft einen Gewindeeinsatz 130 vor dem Einsetzen in die beispielhafte Mutter 110. Das Material des Gewindeeinsatzes 130 besteht beispielsweise aus einem hochfesten Werkstoff wie beispielsweise einem Metall. Eine axiale Länge L (oder Dicke in axialer Richtung) des Gewindeeinsatzes 130 kann aufgrund der hohen Festigkeit des Werkstoffs deutlich kleiner sein als die Zahngründe 114, 124 aus dem Faserverbundmaterial. Zudem können die Zahngründe 114, 124 des Gewindes (d.h. die Gewindesteigung) entsprechend der zu erwartenden Schubkraft gewählt werden, sodass die Stabilität auch für Faserverbundmaterialien sichergestellt werden kann. Daher bietet der Gewindeeinsatz 130 aus dem hochfesten Werkstoff den Vorteil, dass ein Bauraum des Gewindes in axialer Richtung klein gehalten werden kann.
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Ausführungsbeispiele ermöglichen es somit, Faserverbund-Bauteile mit Gewinde lösbar miteinander zu verspannen. Insbesondere können Wälzlager, Zahnräder oder andere Komponenten auf einer Faserverbund-Antriebswelle genauso wie auf einer Stahlantriebswelle verspannt werden. Es ist auch möglich, Spindellager einer Spindelwelle aus einem Faserverbund-Material zu verspannen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auch zur Verschraubung von Stangen, Stäben oder Rohren aus Faserverbund-Materialien verwendet werden.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Gewindebauteil 110 aus einem Faserverbundmaterial (z.B. CFK), das auf einem weiteren Gewindebauteil 200 aus einem festen Material befestigt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel aus der 3 ist das weitere Gewindebauteil 200 beispielsweise aus einem Metall oder aus einem anderen festen Material gefertigt, auf welches das Gewindebauteil 110 aufgeschraubt wird. Das weitere Bauteil 200 kann eine Welle oder ein Bolzen oder eine Schraube mit der gezeigten Symmetrieachse sein, auf die die beispielhafte Mutter 110 aus einem Faserverbundmaterial aufgeschraubt wird. Es kann aber auch umgekehrt so sein, dass das Faserverbund-Gewindebauteil 110 eine Welle darstellt, während das weitere Gewindebauteil 200 eine Mutter ist.
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Die unterschiedlichen Schubfestigkeiten des Metallbauteils 200 und des Faserverbund-Bauteils 110 werden dadurch berücksichtigt, dass der Gewindegrund 114 der beispielhaften Mutter 110 entsprechend lang ausgebildet wird, sodass die wirkende Schubkraft durch das Faserverbund-Material aufgenommen werden kann. Bei dem weiteren Gewindebauteil 200 erlaubt die größere Festigkeit, dass dort der Gewindegrund 124 entsprechend kleiner ausgewählt wird als der Gewindegrund 114 in dem Faserverbund-Bauteil 110. Die Länge des Zahngrundes 114 wird derart gewählt, dass die zu erwartende Schubkraft sicher aufgenommen wird. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein helixförmiger Gewindeeinsatz 130 nicht erforderlich, da das weitere Gewindebauteil 200 eine ausreichende Festigkeit sicherstellt, um den Gewindevorsprung bei einem geringen Zahngrund 124 zu halten.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Gewindemutter 110 (oder Befestigungsmutter), die auf einer Faserverbund-Welle 120 aufgeschraubt ist. Die dargestellte Gewindemutter 110 umfasst einen Oberflächenbereich 116 (bzw. bei einem Innengewinde einen Innenbereich der Mutter), welcher aus einer Pressmasse (SMC, Sheet Molding Compound) gebildet ist. Das SMC-Material umfasst beispielsweise plattenförmige, teigartige Pressmassen aus duroplastischen Reaktionsharzen und Glasfasern zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden. Im SMC-Material können alle nötigen Komponenten vollständig vorgemischt, fertig zur Verarbeitung vorliegen, sodass durch ein Pressen das gewünschte Bauteil herstellbar ist. Bei der Pressmasse ist die Faserrichtung zunächst willkürlich, sie wird aber durch das Pressen zumindest in einem Oberflächenbereich geändert.
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Optional umfasst die Gewindemutter 110 in der 4 einen gewickelten Bereich (Bandage) 118, der aus einem gewickelten Faserverbundmaterial gebildet ist. Das Faserverbundmaterial umfasst somit dort Wicklungen von Fasern mit einer Vorzugsrichtung. Somit sind die Fasern dort - zumindest in einer Schichtlage - im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können mehrere Schichtlagen mit unterschiedlichen Wickelrichtungen ausgebildet sein.
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Die Befestigungsmutter 110 wird benutzt, um über ein Gewinde auf einer gewickelten Faserverbund-Welle oder einem -Stab 120 geschraubt zu werden. Beispielsweise kann damit ein Wälzlager auf einer Welle verspannt werden.
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Die in der 4 dargestellte Befestigungsmutter 110 kann ebenfalls zusammen mit einem Gewindeeinsatz 130, wie er zuvor beschrieben wurde, genutzt werden.
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5 zeigt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel, bei dem auf einer gewickelten Faserverbund-Welle 120 mit mehreren gewickelten Schichten eine Befestigungsmutter 110 über einen Gewindeeinsatz 130 aufschraubbar ist. Außerdem umfasst die Befestigungsmutter 110 wieder eine gewickelte Bandage 118 in einem Außenbereich, auf welcher in Richtung hin zu dem Gewinde eine Pressmasse aus Faserverbundmaterial gebildet ist (wie auch in der 4). Die Gewindenut 112 in der Befestigungsmutter 110 und die Gewindenut 122 in der Faserverbund-Welle 120 sind wiederum derart angepasst, dass der Gewindeeinsatz 130 mit ihnen in Eingriff gelangen kann, um eine Schraubverbindung zu ermöglichen.
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Das Gewinde auf der Befestigungsmutter 110 in der 4 oder 5 wird beispielsweise durch einen Pressvorgang hergestellt. Der Pressvorgang bietet den Vorteil, dass damit die Faserrichtung in der Pressmasse entsprechend ausgerichtet und somit die Festigkeit der Befestigungsmutter 110 erhöht wird. Damit können höhere Zugspannung auf die Schraubverbindung ausgeübt werden. Das Gewinde in der gewickelten Welle 120 kann beispielsweise durch einen Schleifvorgang eingeschliffen werden, zum Beispiel nachdem die Welle 120 durch einen Wickelvorgang des Faserverbundmateriales hergestellt wurde. Wenn die Wickelrichtung im Gewindebereich an die zu erwartende Zugspannung angepasst wird, kann auch für die Welle eine hohe Zugfestigkeit erreicht werden.
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Um die anwendbaren Zugspannungen weiter zu erhöhen, werden bei weiteren Ausführungsbeispielen die Fügepartner und die Gewindegeometrie an die Eigenschaften des Werkstoffes angepasst. Hierbei können insbesondere die Flankenwinkel, die Flankenüberdeckung, die Teilung oder Steigung, die Radien an der Gewindespitze und im Gewindegrund so eingestellt werden, dass eine gewünschte Festigkeit erlangt wird.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird außerdem die Faserrichtung des Faserverbundmaterials derart angepasst, dass die aufzunehmende Kraft im Wesentlichen entlang der Faserrichtung wirkt, sodass eine hohe Schubkraft aufgenommen werden kann. Die Fasern können derart gewickelt werden, dass sie sich in Richtungen (d.h. Tangentialrichtungen an den Fasern) erstrecken, die innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereiches um die Axialrichtung herum liegen. Dadurch kann die Haltekraft der Gewindeverbindung entsprechend beeinflusst bzw. optimiert werden. Der vorbestimmte Toleranzbereich kann beispielweise ein tolerierbarer Winkelbereich von +/-100 oder +/- 30° oder +/- 60° sein.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 41, 42
- konventionelle Gewindebauteile
- 51
- Gewindegrund
- 54
- oberer flacher Abschnitt eines Trapezgewindes
- 110, 120
- Gewindebauteile
- 112, 122
- Gewindenuten
- 52, 114, 124
- Gewindesteigung (Zahngründe)
- 53, 116, 126
- Gewindevorsprünge
- 48, 118
- Gewindeflanken
- 130
- Gewindeeinsatz
- 200
- Gewindebauteil aus einem harten Material (zum Beispiel Metall)
- T1, T2
- Tiefen der Gewindenuten
- L
- Dicke des Gewindeeinsatzes
