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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Befestigen eines Bauteils. Sie betrifft Befestigungselemente bei der ein Insert in ein vorgefertigtes Loch eines Bauteils eingeklebt wird. Die Erfindung kann in allen Gebieten der Technik angewendet werden, in denen Bauteile miteinander verbunden werden. Hauptsächlich kann sie zur Anwendung kommen, wenn Bauteile unterschiedlicher Steifigkeiten sicher miteinander verbunden werden sollen. Dies trifft unter anderem auf die Befestigung von Faserverbundbauteilen oder mineralischen Bauteilen mit Metallbauteilen zu.
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STAND DER TECHNIK
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Inserts die in Bauteile eingesetzt werden gibt es unter anderem für Rotorblätter von Windkraftanlagen. Sie sind detailliert in den Patenten
US4420354 oder
US4915590 beschrieben. Ein Gewindebolzen und eine Insert übertragen die Kräfte zwischen zwei Komponenten.
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Eine Schwachstelle dieser Verbindungsart ist der Bereich an der Vorderseite des Inserts. In diesem Bereich bilden sich aufgrund der Steifigkeitsunterschiede zwischen Insert, Klebemittel und Bauteil Spannungsspitzen. Diese Spannungsspitzen führen unter Extremlasten bzw. Wechsellasten zuerst zu Rissen und später zum Versagen des Bauteils. Als Lösung hierfür wird bis jetzt zum Beispiel wie in Patent
DE 602004008070 dargestellt der Auslauf des Inserts sehr spitz gestaltet. Allerdings führt dies wiederum zu einer größeren Bauteillänge und entsprechend höherem Gewicht und höheren Kosten.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft Verbindungen die mittels Insert und Bolzen verschraubt werden und zum Beispiel folgendermaßen aufgebaut sind:
- Ein Bauteil ist an einer Halterung befestigt. Die Befestigung besteht aus einem Bolzen, einer Mutter, und einem Insert. Das Insert befindet sich in einem Loch eines Bauteils und ist mit dem Bauteil verklebt. Das Insert ist mit dem Bolzen verschraubt. Der Bolzen befindet sich in einem Durchgangsloch der Halterung. Eine Mutter auf dem Bolzen verspannt die gesamte Verbindung.
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Die Erfindung bezieht sich auf die Verklebung von dem Insert mit dem Bauteil. Im Bereich der Vorderseite des Inserts befindet sich ein Entkopplungselement. Das Entkopplungselement reduziert die Kräfte, die an der Vorderseite des Inserts wirken. Die Kräfte werden dadurch an einer niedriger belasteten Stelle in das Insert eingeleitet.
Durch das Entkopplungselement sinken die Spannungen in der Verbindungsanordnung. Deren Festigkeit und Wechselfestigkeit steigt dadurch an.
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Verschiedene Ausführungsvarianten des Entkopplungselements ermöglichen die oben beschriebenen Eigenschaften. Das Entkopplungselement kann zum Beispiel aus relativ weichem Material bestehen. Dies kann unter anderem Gummi oder Schaumstoff sein. Das weiche Material kann vergleichsweise wenig Kräfte aufnehmen und somit auch nicht an das Insert weiterleiten.
Das Entkopplungselement kann auch ein Hohlraum oder Hohlkörper sein. Auch dieser unterbindet die Kraftübertragung zwischen der Vorderseite des Inserts und dem Bauteil.
Eine ähnliche Funktion haben Entkopplungselemente die Risse an bestimmten Stellen initiieren oder eine Trennebene zwischen zwei Bereichen der Verbindung darstellen. Das Entkopplungselement könnte zum Beispiel Trennmittel sein, das lokal in das Klebemittel eingebracht wird. Unter Belastung kann über diese Trennschicht ebenfalls keine Zugkraft übertragen werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Ausführungsvariante der Verbindungsanordnung (10). Die Anordnung (10) verbindet ein Bauteil (11) mit einer Halterung (18).
In einem Loch (3 / 13) des Bauteils (11) befindet sich ein Entkopplungselement (41) und ein Insert (21) mit zumindest einer Seitenfläche (24). Das Insert (21) befindet sich mit der Vorderseite (23) voran im Bauteil (11). Das Entkopplungselement (41) befindet sich im Bereich der Vorderseite (23) des Inserts (21). Klebemittel (31) verbindet Insert (21), Bauteil (11) und Entkopplungselement (41). Über eine Verschraubung ist das Insert (21) mit dem Bolzen (16) verbunden. Der Bolzen (16) befindet sich in einem Durchgangsloch in der Halterung (18). Die Halterung (18) liegt auf der Rückseite (22) des Inserts (21) auf. Über eine Mutter (17) wird eine Vorspannkraft auf die Verbindung (10) aufgebracht.
- 2 stellt den aktuellen Stand der Technik dar. Ein Insert (21) befindet sich in einem Loch (3 / 13) eines Bauteils (11). Ein Klebemittel (31) verbindet das Insert (21) mit dem Bauteil (11). Im Bereich der Vorderseite (1 / 23) des Inserts (21) entstehen durch die hohe Belastung Risse (100).
- 3 zeigt das Bauteil (11) mit einer Stirnseite (12) in der sich ein Loch (13) befindet. Das Loch (13) besitzt eine Längsachse (15).
- 4 ist eine Schnittansicht des Bauteils (11) senkrecht zur Längsrichtung (3 / 15) des Lochs (13). Im Bauteil (11) befindet sich ein Loch (13). Dieses Loch besitzt eine Querschnittsfläche (14).
- 5 stellt eine Ausführungsvariante der Verbindungsanordnung (10) dar, wobei das Entkopplungselement eine Trennschicht (51) ist, welche in das Klebemittel (31) eingebracht ist.
- 6 stellt eine Ausführungsvariante der Verbindungsanordnung (10) dar, wobei das Entkopplungselement provozierte Risse (61) im Bauteil (11) sind.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung der Tragfähigkeit von einer Verbindungsanordnung (10). Die betreffende Verbindungsanordnung (10) enthält ein Insert (21), das mit dem Bauteil (11) verklebt ist. Die Erhöhung der Tragfähigkeit wird durch die Reduktion von Spannungsspitzen im Bereich der Vorderseite (23) des Inserts (21) erreicht. Durch die Reduktion der Spannungsspitzen werden die von der Verbindung (10) zu übertragenden Kräfte an anderen Stellen in das Insert eingeleitet. Die hoch belastete Vorderseite (23) des Inserts (21) wird entlastet. Dies führt zu einer höheren Belastbarkeit der gesamten Verbindungsanordnung (10).
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Die Tragfähigkeit der Verbindung (10) wird durch den Einsatz eines Entkopplungselements (41) erhöht. Dieses Entkopplungselement (41) befindet sich zwischen Insert (21) und Bauteil (11). Verschiedene Ausführungsvarianten des Entkopplungselements (41) ermöglichen einen verbesserten Kraftfluss in der Verbindungsanordnung (10) und erhöhen somit deren Tragfähigkeit.
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Die Erfindung ermöglicht es, bei gleicher Bauteilgröße eine höhere Kraft über die Verbindung zu übertragen. Alternativ kann bei gleichbleibender Belastung die Länge des Inserts (21) bzw. des Lochs (13) oder deren Durchmesser reduziert werden.
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1 stellt eine Ausführungsvariante der Erfindung dar. In einem Loch eines Bauteils (11) befindet sich mit der Vorderseite (23) voran ein Insert (21) mit einer Seitenfläche (24). An der Vorderseite (23) des Inserts (21) befindet sich ein Entkopplungselement (41). Der Bereich zwischen dem Bauteil (11), dem Insert (21) und dem Entkopplungselement (41) ist zumindest teilweise mit ausgehärtetem Klebemittel (31) verfüllt. Auf der Rückseite (22) des Inserts (21) liegt eine Halterung (18) auf. In der Halterung (18) befindet sich ein Durchgangsloch für einen Gewindebolzen (16). Der Gewindebolzen (16) ist mit dem Insert (21) verschraubt. Über eine Mutter (17) wird eine Vorspannkraft auf die Verbindung (10) aufgebracht.
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In dieser Ausführungsvariante besteht das Entkopplungselement (41) aus einem Material, welches eine deutlich geringere Steifigkeit als die des ausgehärteten Klebemittels (31) aufweist. Aufgrund der geringeren Steifigkeit des Entkopplungselements (41) kann dieses kaum Kräfte zwischen Bauteil (11) und der Vorderseite (23) des Inserts (21) übertragen. Das Entkopplungselement (41) schirmt die Vorderseite (23) des Inserts (21) ab. Die hohen Spannungen an der Vorderseite (23) des Inserts (21) sinken. Die umgelenkten Kräfte werden aufgrund des Entkopplungselements (41) an anderen Stellen in das Insert (21) eingeleitet. Auf diese Weise werden die Kräfte gleichmäßiger über die Seitenfläche (24) des Inserts (21) verteilt.
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Mehrere Ausführungsvarianten das Inserts (21) sind möglich. Zum Beispiel kann das Insert (21), wie in 1 dargestellt, ein Innengewinde aufweisen. Das Innengewinde dient zur Aufnahme eines Bolzens (16).
Eine andere Ausführungsvariante ist ein Insert (21) mit einem Außengewinde. Auf dieses Insert (21) kann direkt eine Mutter (17) aufgeschraubt werden. Ein Bolzen (16) entfällt.
Eine weitere Ausführungsvariante eines Inserts (21) ist ein Stab ohne Gewinde. Der Stab wird zum Beispiel mit der Halterung (18) verklebt oder durch einen Querbolzen bzw. einen Splint mit der Halterung (18) verbunden.
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In 1 ragt das Entkopplungselement (41) über die Vorderseite (23) des Inserts (21) hinaus und umschließt die Seitenfläche (24) des Inserts (21) teilweise. Zudem füllt das Entkopplungselement (41) einen Großteil des Lochquerschnitts (14) aus. Beide Eigenschaften führen unabhängig voneinander zu einer besseren Entkopplung des Inserts (21) vom Bauteil (11).
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Das Entkopplungselement (41) kann auch ein Hohlraum oder Hohlkörper sein. Der Hohlkörper enthält einschließlich aber nicht ausschließlich ein Gas wie zum Beispiel Luft, eine Flüssigkeit oder ein Vakuum. Der Hohlkörper führt dazu, dass das Entkopplungselement (41) keine Steifigkeit mehr aufweist. Auch diese Anordnung (10) reduziert die Kräfte, die in Richtung der Längsachse (15) auf kürzestem Weg vom Bauteil (11) auf das Insert (21) übertragen werden können. Diese Kräfte werden um das Entkopplungselement (41) herum gelenkt und an anderer Stelle in das Insert (21) eingeleitet. Dadurch reduzieren sich die Spannungsspitzen an der Vorderseite (23) des Inserts (21) und die Festigkeit der Verbindung (10) wird erhöht.
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Das Entkopplungselement (41) kann ein- oder mehrteilig sein. Außerdem kann das Entkopplungselement (41) aus einem oder mehreren Materialien bestehen.
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Das in 1 dargestellte Insert (21) sowie das Loch (13) im Bauteil (11) können auf verschiedenste Arten ausgeformt sein. Deren Querschnitte können zum Beispiel rund oder eckig sein. In Längsrichtung können sich deren Querschnitte beliebig verändern. Zum Beispiel kann das Insert (21) Richtung Vorderseite (23) stumpf, abgerundet
oder spitz auslaufen. Zur Beschreibung wird in diesem Patent auf den Durchmesser des Inserts (21) bzw. den Durchmesser des Lochs (3 / 13) im Bauteil (11) Bezug genommen. Sollten das Insert oder das Loch (3 / 12) im Bauteil nicht rund sein, entspricht der Durchmesser des nicht runden Querschnitts (4 / 14) dem Durchmesser eines Referenzkreises (4 / 81), dessen Fläche der Fläche des nicht runden Querschnitts (4 / 14) entspricht. Die Flächenschwerpunkte (4 / 82) des Referenzkreises und des nicht runden Querschnitts (4 / 14) sind identisch. Bei nicht runden Querschnitten kann das Insert (21) zudem mehrere Seitenflächen (24) besitzen.
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2 stellt eine Verbindungsanordnung (10) nach bisherigem Stand der Technik dar. Sie besteht aus einem Bauteil (11) und einem Insert (21). Das Insert (21) befindet sich in einem Loch (3 / 13) des Bauteils (11). Bauteil (11) und Insert (21) sind mit einem Klebemittel (31) verbunden. Durch die Spannungsüberhöhungen an der Vorderseite (1 / 23) des Inserts (21) entstehen Risse (100), die zum Versagen der Verbindung (10) führen können.
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3 stellt einen Schnitt durch das Bauteil (11) mit einem Loch (13) dar. Das Bauteil besitzt eine Stirnseite (12). Das Loch besitzt eine Längsachse (15). Das Loch (13) kann in einem beliebigen Winkel in das Bauteil (11) eingebracht werden. In 3 ist das Loch (13) senkrecht zur Stirnseite (12) eingebracht.
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4 ist eine Schnittansicht des Bauteils (11) aus 3. In dieser Ansicht ist das Loch (3 / 13) mit dessen Querschnitt (14) zu erkennen. Der Querschnitt (14) kann eine beliebige Form besitzen. Ein Referenzkreis (81) besitzt die gleiche Fläche wie der Querschnitt (14) des Lochs (13). Der Flächenschwerpunkt (82) des Querschnitts (14) und des Referenzkreises (81) sind identisch.
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5 stellt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung dar. Im Loch (3 / 13) des Bauteils (11) befindet sich das Insert.(21). Bauteil (11) und Insert (21) sind zumindest teilweise mit Klebemittel (31) verbunden. Das Entkopplungselement (1 / 41) ist eine Trennschicht (51). Diese Trennschicht (51) reduziert oder unterbindet die Kraftübertragung in Richtung der Längsachse (15) der Verbindung (10). Die Trennschicht (51) kann einschließlich aber nicht ausschließlich eine Folie oder ein Trennmittel sein. Die Kräfte werden um die Trennschicht (51) gelenkt und an anderer Stelle in das Insert (21) eingeleitet.
Dadurch reduzieren sich die Spannungsspitzen an der Vorderseite (23) des Inserts (21) und die Festigkeit der Verbindung (10) wird erhöht.
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6 stellt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung dar. Im Loch (3 / 13) des Bauteils (11) befindet sich das Insert (21). Bauteil (11) und Insert (21) sind zumindest teilweise mit Klebemittel (31) verbunden. Das Entkopplungselement (1 / 41) sind provozierte Risse (61) im Klebemittel (31), dem Bauteil (11) oder dem Insert (21). Diese Risse (61) reduzieren oder unterbinden die Kraftübertragung unter anderem in Richtung der Längsachse (15) des Lochs (3 / 13). Die Risse (61) können einschließlich aber nicht ausschließlich durch Kerben im Klebemittel (31), Kerben an der Innenseite des Lochs (3 / 13) oder Kerben am Insert (21) hervorgerufen werden.
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In 7 ist die Verbindungsanordnung (10) im Detail dargestellt. Das Loch (13) im Bauteil (11) hat einen geometrischen Schwerpunkt (71). Ein Teil des Entkopplungselements (41) hat einen Abstand (72) zur Längsachse (15) des Lochs (13). Das Insert (21) hat einen Außenradius (73). Das Bauteil (11) hat einen Abstand (74) zur Seitenfläche (24) des Inserts (21).
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Die Herstellung der Verbindungsanordnung (10) erfolgt zum Beispiel indem ein Loch (13) in ein Bauteil (11) gebohrt wird. Danach wird ein Entkopplungselement (41) in das Bauteil eingesetzt. In einem weiteren Schritt wird ein Insert (21) mit der Vorderseite (23) voran in das Loch eingebracht. Der entstandene Zwischenraum zwischen Bauteil (11), Insert (21) und Entkopplungselement (41) wird mit Klebemittel (31) ausgefüllt. Das Ausfüllen des Zwischenraums kann zum Beispiel per Vakuuminfusion oder Injektion erfolgen. Möglich wäre auch das Klebemittel (31) zuerst in das Loch (13) des Bauteils (11) einzubringen und danach das Entkopplungselement (41) und das Insert (21) in das noch flüssige Klebemittel (31) einzupressen. In einem weiteren Schritt härtet das Klebemittel (31) aus und wird gegebenenfalls getempert. Zum Schluss kann das Insert (21) mithilfe eines Bolzens (16) und einer Mutter (17) an einer Halterung (18) befestigt werden.
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Eine Variante der oben beschriebenen Herstellung der Verbindungsanordnung (10) ist das Klebemittel (31) in zwei Schichten einzubringen. Das Loch (13) im Bauteil (11) wird bis kurz vor die Vorderseite (23) des Inserts (21) mit einer ersten Schicht Klebemittel (31) aufgefüllt. Danach härtet die erste Schicht des Klebemittels (31) aus. In einem zweiten Schritt wird das Insert (21) in das Loch (13) des Bauteils (11) eingebracht. Der verbleibende Zwischenraum zwischen Insert (21) und Bauteil (11) wird dann mit einer zweiten Schicht Klebemittel (31) gefüllt. Danach härtet die zweite Schicht des Klebemittels (31) aus. Im Übergangsbereich zwischen erster und zweiter Schicht Klebemittel (31) ist die Anhaftung stark reduziert. Der Übergangsbereich mit reduzierter Anhaftung ist in diesem Fall das Entkopplungselement (41). Bei geringer Belastung entstehen in der Kontaktfläche zwischen den Klebemittelschichten Risse (61). Kräfte können im Übergangsbereich nicht bzw. nur reduziert übertragen werden und die Spannungsüberhöhungen im Bereich der Vorderseite (23) des Inserts (21) werden reduziert.
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Eine Variante der oben beschriebenen Herstellung der Verbindungsanordnung (10) ist das Aufbringen eines Trennmittels auf den Bohrlochgrund oder auf eine erste Schicht Klebemittel. Die mit Trennmittel benetzte Oberfläche (51) kann keine Kräfte übertragen und schirmt die Vorderseite (23) des Inserts (21) gegen Kräfte ab.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4420354 [0002]
- US 4915590 [0002]
- DE 602004008070 [0003]
