DE102018002922A1

DE102018002922A1 - Gewindeeinpressbuchse

Info

Publication number: DE102018002922A1
Application number: DE102018002922.1A
Authority: DE
Inventors: Andre Tubbesing
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-10-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gewindeeinpressbuchse (1) für Faserverbund-Bauteile (11), insbesondere von Windenergieanlagen (20).
Die Gewindeeinpressbuchse (1) für Faserverbund-Bauteile (11) umfasst einen zylinderförmigen Buchsenteil (2) mit einem ersten Ende (3) und einem zweiten Ende (4), wobei der Buchsenteil (2) ein Innengewinde (5) aufweist, und einen an dem ersten Ende (3) des Buchsenteils (2) angeordneten umlaufenden Kragenteil (7), der sich von der Außenseite (8) des Buchsenteils (2) in radialer Richtung nach außen erstreckt, wobei auf der Außenseite (8) des Buchsenteils (2) und auf der dem zweiten Ende (4) des Buchsenteils (2) zugewandten Seite des Kragenteils (7) jeweils eine umlaufende, über die jeweilige Bezugsfläche hervorstehende Rändelung (9, 10) vorgesehen ist.
Das Einsetzen einer erfindungsgemäßen Gewindeeinpressbuchse umfasst die Schritte:
- Bohren eines Kernlochs (12) in das mit der Gewindeeinpressbuchse (1) zu versehende Faserverbund-Bauteil (11); und
- Eindrücken der Gewindeeinpressbuchse (1) auf der Rückseite (13) der beabsichtigten Anschraubfläche (14) des Faserverbund-Bauteils (11).
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Windenergieanlage (20) umfassend wenigstens ein Faserverbund-Bauteil (11), welche eine erfindungsgemäße Gewindeeinpressbuchse (1) aufweist, an der mithilfe einer Schraube (17) oder eines Bolzens ein weiteres Bauteil (15) befestigt ist.

Description

Erfindung betrifft eine Gewindeeinpressbuchse für Faserverbund-Bauteile insbesondere von Windenergieanlagen.
Im Maschinenbau wird zum Verbinden von zwei Bauteilen gemäß dem Stand der Technik überwiegend eine Schraubenverbindung nach dem Schema Schraube-Scheibe-erstes Bauteilzweites Bauteil-Scheibe-Mutter verwendet. Dabei muss zum Herstellen der Verbindung während des Drehens der Schraube die Mutter gegengehalten werden. Insbesondere bei großen Bauteilen ist hierfür eine zweite Person erforderlich, da derjenige, der die Schraube dreht, nicht gleichzeitig die Mutter gegenhalten kann.
In der Möbelindustrie bei Holz- und Kartonstrukturen ist es weiterhin bekannt, mit Dübeln oder einzudrehenden Gewindebuchsen zu arbeiten, um zwei Bauteile miteinander zu verbinden. Dabei wird in ein erstes Bauteil ein Dübel oder eine Gewindebuchse eingesetzt, in die dann eine durch ein zweites Bauteil hindurchgesteckte Schraube eingreifen kann. Bei Kunststoffspritz- und -gussteilen können entsprechende Gewindebuchsen in das Kunststoffteil während der Herstellung integriert oder einstückig mit dem Kunststoffteil ausgebildet werden.
Bei Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen ist es darüber hinaus bekannt, an Verbindungsstellen Holzplatten in den Faserverbund einzulaminieren, in die dann Holzschrauben zur Verschraubung mit weiteren Bauteilen eingreifen können. Für dünnwandige Bauteile, insbesondere Blechbauteile, sind darüber hinaus noch Blindnietmuttern bekannt, durch die teilweise erst tragfähige Gewinde in dünnwandigen Bauteilen ermöglicht werden können.
Die beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Möglichkeiten der Verschraubung von Bauteilen sind für die Verwendung mit Faserverbund-Bauteilen nicht geeignet oder weisen zumindest erhebliche Nachteile auf. Holzeinlagen in der Faserverbundstruktur schwächen diese und erhöhen darüber hinaus das Bauteilgewicht. Blindnietmuttern und Gewindebuchsen werden aufgrund der für Faserverbundwerkstoffe typischen Elastizität und dem Fließverhalten der Matrix insbesondere bei Torsionsbelastung leicht gelöst und drehen schnell durch. Bei der klassischen Schraube-Mutter-Verbindung sind insbesondere bei größeren zu verschraubenden Bauteilen regelmäßig zwei Personen erforderlich. Letzteres ist besonders bei Windenergieanlagen von Nachteil, bei der die Montage von Bauteilen häufig in großer Höhe und durch dafür speziell ausgebildete Fachleute erfolgen muss. Grundsätzlich erhöhen sich durch das Erfordernis von zwei Personen zum Verschrauben größerer Bauteile die Montagekosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verschraubung von Faserverbund-Bauteilen zu verbessern und insbesondere die Montagekosten von Windenergieanlagen zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gewindeeinpressbuchse gemäß dem Hauptanspruch, ein Verfahren zum Einsetzen einer entsprechenden Gewindeeinpressbuchse gemäß dem unabhängigen Anspruch 7, sowie eine Windenergieanlage gemäß dem Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Demnach betrifft die Erfindung eine Gewindeeinpressbuchse für Faserverbund-Bauteile insbesondere von Windenergieanlagen umfassend einen zylinderförmigen Buchsenteil mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei der Buchsenteil ein Innengewinde aufweist, und einen an dem einen Ende des Buchsenteils angeordneten umlaufenden Kragenteil, der sich von der Außenseite des Buchsenteils in radialer Richtung nach außen erstreckt, wobei auf der Außenseite des Buchsenteils und auf der dem zweiten Ende des Buchsenteils zugewandten Seite des Kragenteils jeweils eine umlaufende, über die jeweilige Bezugsfläche hervorstehende Rändelung vorgesehen ist.
Das Einsetzen einer erfindungsgemäßen Gewindeeinpressbuchse umfasst die Schritte:

- Bohren eines Kernlochs in das mit der Gewindeeinpressbuchse zu versehende Faserverbund-Bauteil; und
- Eindrücken der Gewindeeinpressbuchse auf der Rückseite der beabsichtigten Anschraubfläche des Faserverbund-Bauteils.

Die erfindungsgemäße Windenergieanlage umfasst wenigstens ein Faserverbund-Bauteil, welche eine erfindungsgemäße Gewindeeinpressbuchse aufweist, an der mithilfe einer Schraube oder eines Bolzens ein weiteres Bauteil befestigt ist.
Die erfindungsgemäße Gewindeeinpressbuchse weist zwei senkrecht zueinanderstehende Rändelungen auf, durch die bei entsprechendem Einpressen eine zweifache formschlüssige Verbindung von Gewindeeinpressbuchse und Faserverbund-Bauteil, in welches sie eingesetzt wird, hergestellt wird. Aufgrund des erfindungsgemäß vorgesehenen Kragenteils kommt es nämlich nicht nur auf der Innenseite der Bohrung, in welche die Gewindeeinpressbuchse eingepresst wird, zu einem Formschluss, sondern auch im Bereich der Rändelung des Kragenteils.
Insbesondere die Größe des Kragenteils und dessen Rändelung können auf die zu erwartenden Belastungen derart abgestimmt werden, dass die über die erfindungsgemäße Gewindeeinpressbuchse zu übertragenden Kräfte ohne die Gefahr von Überbeanspruchung in das Faserverbund-Bauteil eingeleitet werden. Die Gefahr des Durchdrehens der Gewindeeinpressbuchse im eingepressten Zustand kann so minimiert werden. Darüber hinaus können durch das Kragenteil Zugbelastungen parallel zur Achse des Buchsenteils und in Richtung vom ersten zum zweiten Ende des Buchsenteils gut in das Faserverbund-Bauteil, in welches die Gewindeeinpressbuchse eingepresst ist, eingeleitet werden.
Selbstverständlich kann auch der Buchsenteil an die zu erwartenden Belastungen angepasst werden. So ist es bspw. möglich, den Außendurchmesser des Buchsenteils zu vergrößern. Dadurch wird die Fläche der Rändelung am Buchsenteil und somit die Fläche für den Formschluss zwischen Buchsenteil und dem Faserverbund-Bauteil, in welches die Gewindeeinpressbuchse eingepresst ist, vergrößert. Die Größe des Innendurchmessers des Buchsenteils ist von der Größe des Außendurchmessers im Wesentlichen unabhängig und bestimmt sich in erster Linie nach der Größe der Schraube oder des Bolzens, die oder der in die Gewindebuchse eingeschraubt werden soll. Die Schraube oder der Bolzen ist dabei regelmäßig zur Übertragung der zu erwartenden Belastungen dimensioniert.
Die erfindungsgemäße Gewindebuchse kann in beliebigen Faserverbund-Bauteilen zum Einsatz kommen. Neben GFK- und CFK-Bauteilen ist sie auch für die Verwendung mit Faserverbund-Bauteilen in Sandwichbauweise geeignet.
Die Rändelung des Buchsenteils ist vorzugsweise als Rändelung mit zur Achse des Buchsenteils parallelen Riefen ausgeführt. Für die Rändelung des Kragenteils ist vorzugsweise eine Rändelung mit zur Radialrichtung des Buchsenteils parallelen Riefen vorgesehen. Die entsprechenden Rändelungen ermöglichen jeweils einen Formschluss mit einem Faserverbund-Bauteil, der besonders gut für die Einleitung von Momenten um die Achse des Buchsenteils geeignet ist. Dies bietet einen effektiven Schutz vor dem Durchdrehen der Gewindeeinpressbuchse beim Festziehen oder Lösen einer darin eingedrehten Schraube.
Die Rändelung am Buchsenteil und/oder am Kragenteil weist vorzugsweise eine Teilung von 0,8 mm bis 1,2 mm, weiter vorzugsweise von 1 mm und/oder eine Tiefe von wenigstens 0,5 mm auf. Mit einer entsprechenden Teilung und/oder Tiefe kann ein guter Formschluss mit dem Faserverbund-Bauteil, in welches die Gewindeeinpressbuchse eingepresst ist, gewährleistet werden.
Die Rändelung am Buchsenteil kann sich über die gesamte Länge des Buchsenteils zwischen Kragenteil und zweitem Ende des Buchsenteils erstrecken. In jedem Fall ist bevorzugt, dass die Rändelung auf dem Buchsenteil in Richtung parallel zur Achse des Buchsenteils eine Länge von wenigstens 50 % der Länge des Buchsenteils, weiter vorzugsweise von wenigstens 70 % der Länge des Buchsenteils aufweist.
Das Innengewinde des Buchsenteils kann als Durchgangsinnengewinde oder Sacklochinnengewinde ausgeführt sein. Im Fall eines Sacklochinnengewindes ist die Öffnung des Sacklochs vorzugsweise am zweiten Ende des Buchsenteils vorgesehen.
Die Gewindeeinpressbuchse ist vorzugsweise aus Edelstahl, weiter vorzugsweise aus 1.4571-Edelstahl gefertigt. Ein entsprechendes Material gestattet wegen der Korrosionsbeständigkeit die Verwendung der Gewindeeinpressbuchse auch im Offshorebereich bzw. auf Offshore-Windenergieanlagen.
Für die Verwendung der erfindungsgemäßen Gewindeeinpressbuchse sollte diese gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in ein Faserverbund-Bauteil eingepresst werden. Dieses umfasst die Schritte:

Das Kernloch sollte dabei einen auf die Gewindeeinpressbuchse abgestimmten Durchmesser aufweisen, der den oben beschriebenen Formschluss ermöglicht. Typischerweise ist der Durchmesser des Kernlochs auf eine Presspassung mit der Gewindeeinpressbuchse ausgelegt. Die Gewindeeinpressbuchse wird dann in das Kernloch eingedrückt oder eingezogen, nicht jedoch eingeschlagen, um Beschädigungen am Faserverbund-Bauteil zu vermeiden. Die Gewindeeinpressbuchse wird dabei soweit in das Faserverbund-Bauteil eingedrückt oder eingezogen, dass ein Formschluss der Rändelung auf dem Kragenteil und dem Faserverbund-Bauteil erreicht wird. Indem die Gewindeeinpressbuchse auf der Rückseite der beabsichtigen Anschraubfläche eingedrückt wird, können Zugbelastungen durch das auf der Anschraubfläche an der Gewindeeinpressbuchse angeschraubte weitere Bauteil gut in das Faserverbund-Bauteil, in welches die Gewindeeinpressbuchse eingepresst ist, eingeleitet werden.
Es ist bevorzugt, vor dem Eindrücken der Gewindeeinpressbuchse das Kernloch zu versiegeln. Durch eine entsprechende Versiegelung kann das Faserverbund-Bauteil im Bereich des Kernlochs vor Witterungs- und insbesondere vor Wassereinflüssen geschützt werden. Um die Verbindung zwischen dem Faserverbund-Bauteil und der Gewindeeinpressbuchse zu verbessern, kann zwischen diesen beiden Elementen Klebstoff eingebracht werden. Neben einer Formschlussverbindung zwischen dem Faserverbund-Bauteil und der Gewindeeinpressbuchse kommt es so auch zu einem Stoffschluss.
Die erfindungsgemäße Gewindeeinpressbuchse ist besonders gut für die Verwendung an Windenergieanlagen geeignet. Bei Windenergieanlagen ergeben sich - bspw. aufgrund großer Höhe - häufig schwierige Montagesituationen für einzelne Komponenten. Die durch die erfindungsgemäße Gewindeeinpressbuchse geschaffene Möglichkeit, Schraubenverbindungen auch für Faserverbund-Bauteile nur durch eine Person herstellen zu können, ist dabei vorteilhaft und kann regelmäßig die Montagekosten reduzieren.
Die Windenergieanlage umfasst dazu wenigstens ein Faserverbund-Bauteil, welches wenigstens eine erfindungsgemäße Gewindeeinpressbuchse aufweist. Die wenigstens eine Gewindeeinpressbuchse kann dabei gemäß dem oben beschriebenen Verfahren in das Faserverbund-Bauteil eingesetzt worden sein. Zur Befestigung eines weiteren Bauteils am Faserverbund-Bauteil kann eine durch das weitere Bauteil geführte Schraube in die Gewindeeinpressbuchse am Faserverbund-Bauteil eingreifen und festgezogen werden. Alternativ zu einer Schraube kann selbstverständlich auch ein Bolzen verwendet werden.
Bei dem Faserverbund-Bauteil kann es sich vorzugsweise um einen Teil der Gondelverkleidung der Windenergieanlage handeln. An den Teil der Gondelverkleidung können dann weitere Bauteile ohne Weiteres und insbesondere von nur einer Person montiert werden, indem die weiteren Bauteile mithilfe von Schrauben oder Bolzen, die in die wenigstens eine Gewindeeinpressbuchse eingreifen, festgeschraubt werden. Bei dem weiteren Bauteil kann es sich bspw. um ein Wetterschutzgitter handeln.
Die Erfindung wird nun anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

1: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gewindeeinpressbuchse; und
2a,b: eine beispielhafte Verwendung der Gewindeeinpressbuchse aus 1 in einer Windenergieanlage.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gewindeeinpressbuchse 1 in zwei Ansichten gezeigt.
Die Gewindebuchse 1 umfasst einen zylinderförmigen Buchsenteil 2 mit einem ersten Ende 3 und einem zweiten Ende 4. Das Buchsenteil 2 weist eine mit einem Innengewinde 5 versehene Durchgangsbohrung 6 auf.
An dem ersten Ende 3 des Buchsenteils 2 ist ein Kragenteil 7 angeordnet. Der Kragenteil 7 erstreckt sich von der Außenseite 8 des Buchsenteils 2 in radialer Richtung nach außen.
Auf der Außenseite 8 des Buchsenteils 2 ist eine Rändelung 9 mit zur Achse 90 des Buchsenteils 2 parallelen Riefen vorgesehen. Die Rändelung 9 weit in Richtung parallel zur Achse 90 eine Länge von 6 mm auf, was einer Länge von mehr als 50 % der Länge des Buchsenteils entspricht. Die dem zweiten Ende 4 des Buchsenteils 2 zugewandte Seite des Kragenteils 7 weist eine Rändelung 10 mit zur Radialrichtung des Buchsenteils 2 parallelen Riefen auf. Die einzelnen Riefen der Rändelungen 9, 10 weisen eine Tiefe von 0,5 mm auf.
In 2a ist eine Windenergieanlage 20 dargestellt. Die Windenergieanlage 20 umfasst einen Rotor 21, der drehbar an einer Gondel 22 angeordnet ist. Die Gondel 22 ist wiederum drehbar auf einem Turm 23 angeordnet. Der Rotor 21 treibt über die Rotorwelle 24 ein Getriebe 25 an, welches auf seiner Abtriebsseite mit einem Generator 26 verbunden ist. Eine durch Wind induzierte Rotationsbewegung des Rotors 21 kann so in elektrische Energie gewandelt werden, die dann ggf. über Umrichter und/oder Transformatoren (nicht dargestellt) in ein elektrisches Netz 27 eingespeist werden kann.
In 2b ist eine Schnittansicht durch einen Teil der Verkleidung 11 der Gondel 22 der Windenergieanlage 20 aus 2a dargestellt.
2 zeigt einen Teil der Verkleidung 11 der Gondel 22 in einer Schnittansicht. Dieser Teil der Verkleidung 11 ist aus Faserverbundmaterial und mit einer erfindungsgemäßen Gewindeeinpressbuchse 1 ausgestattet worden. Zunächst wurde dafür ein zylindrisches Kernloch 12 in die Verkleidung 11 gebohrt, dessen Durchmesser für eine Presspassung mit dem Buchsenteil 2 der Gewindeeinpressbuchse 1 ausgelegt ist. Nach Versiegelung der Wand des Kernlochs 12 wurde anschließend die Gewindeeinpressbuchse 1 auf der Rückseite 13 der beabsichtigten Anschraubfläche 14 in das Kernloch 12 eingedrückt, sodass die Rändelung 10 auf dem Kragenteil 7 mit dem Faserverbundmaterial der Verkleidung 11 formschlüssig in Eingriff ist. Je nach bedarf kann die so hergestellte formschlüssige Verbindung zwischen Gewindeeinpressbuchse 1 und dem Teil der Verkleidung 11 durch Klebstoff zwischen den beiden Komponenten noch verstärkt werden.
Zur Montage eines weiteren Bauteils 15 ist nunmehr nur eine einzelne Person erforderlich. Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem weiteren Bauteil 15 um ein Wetterschutzgitter mit Durchgangsöffnungen 16 zur Durchführung einer Schraube 17. Nachdem das weitere Bauteil 15 in Position gebracht ist, muss lediglich eine Schraube 17 durch die Durchgangsöffnungen 16 hindurchgeführt und in die Gewindeeinpressbuchse 1 an der Verkleidung 11 eingeschraubt werden. Dabei ist zwischen Schraube 17 und dem weiteren Bauteil 15 noch eine Unterlegscheibe 18 vorgesehen.
Die Schraube 17 in 2 kann aufgrund der sicheren Verbindung zwischen Gewindeeinpressbuchse 1 und Verkleidung 11 festgezogen werden, ohne dass die Gefahr eines Durchdrehens der Gewindeeinpressbuchse 1 besteht. Auch ist keine zweite Person erforderlich um eine Mutter o. ä. beim Festziehen der Schraube 17 gegenzuhalten.
Die Gewindebuchse 1 aus 1 und 2 ist aus 1.4571-Edelstahl gefertigt. Aufgrund der damit einhergehenden Korrosionsbeständigkeit ist sie auch für den Einsatz in Offshore-Windenergieanlagen geeignet.

Claims

Gewindeeinpressbuchse (1) für Faserverbund-Bauteile (11) umfassend einen zylinderförmigen Buchsenteil (2) mit einem ersten Ende (3) und einem zweiten Ende (4), wobei der Buchsenteil (2) ein Innengewinde (5) aufweist, und einen an dem ersten Ende (3) des Buchsenteils (2) angeordneten umlaufenden Kragenteil (7), der sich von der Außenseite (8) des Buchsenteils (2) in radialer Richtung nach außen erstreckt, wobei auf der Außenseite (8) des Buchsenteils (2) und auf der dem zweiten Ende (4) des Buchsenteils (2) zugewandten Seite des Kragenteils (7) jeweils eine umlaufende, über die jeweilige Bezugsfläche hervorstehende Rändelung (9, 10) vorgesehen ist.
Gewindeeinpressbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rändelung (9) des Buchsenteils (2) als Rändelung mit zur Achse (90) des Buchsenteils (2) parallelen Riefen und/oder die Rändelung (10) des Kragenteils (7) als Rändelung mit zur Radialrichtung des Buchsenteils (2) parallelen Riefen ausgeführt ist.
Gewindeeinpressbuchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Rändelung (9, 10) eine Teilung von 0,8 mm bis 1,2 mm, vorzugsweise von 1 mm und/oder eine Tiefe von wenigstens 0,5 mm aufweist.
Gewindeeinpressbuchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rändelung (9) auf dem Buchsenteil (2) in Richtung parallel zur Achse (90) des Buchsenteils (2) eine Länge von wenigstens 50 % der Länge des Buchsenteils, vorzugsweise von wenigstens 70 % der Länge des Buchsenteils aufweist.
Gewindeeinpressbuchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengewinde (9) des Buchsenteils (2) als Durchgangsinnengewinde oder Sacklochinnengewinde ausgeführt sein, wobei die Öffnung des Sacklochs vorzugsweise am zweiten Ende (4) des Buchsenteils (2) vorgesehen ist.
Gewindeeinpressbuchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindeeinpressbuchse (1) aus Edelstahl, vorzugsweise aus 1.4571-Edelstahl ist.
Verfahren zum Einsetzen einer Gewindeeinpressbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte: - Bohren eines Kernlochs (12) in das mit der Gewindeeinpressbuchse (1) zu versehende Faserverbund-Bauteil (11); und - Eindrücken der Gewindeeinpressbuchse (1) auf der Rückseite (13) der beabsichtigten Anschraubfläche (14) des Faserverbund-Bauteils (11).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Eindrücken der Gewindeeinpressbuchse (1) das Kernloch (12) versiegelt und/oder Klebstoff zwischen Gewindeeinpressbuchse (1) und Faserverbund-Bauteil (11) eingebracht wird.
Windenergieanlage (20) umfassend wenigstens ein Faserverbund-Bauteil (11), welche eine Gewindeeinpressbuchse (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist, an der mithilfe einer Schraube (17) oder eines Bolzens ein weiteres Bauteil (15) befestigt ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Faserverbund-Bauteil (11) ein Teil der Verkleidung der Gondel (22) der Windenergieanlage (20) ist.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbund-Bauteil (11) ein GFK- oder CFK-Bauteil und/oder ein Bauteil in Sandwichbauweise ist.