DE102019004341A1 - Stangenkopf aus thermoplastischem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) - Google Patents

Stangenkopf aus thermoplastischem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) Download PDF

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Abstract

Die bekannten Stangenköpfe aus Kunststoff bieten gegenüber metallischen Stangenköpfen eine deutliche Gewichtsersparnis. Nachteilig ist hierbei die vergleichsweise geringe Festigkeit von Kunststoffen und kurzfaserverstärkten Kunststoffen, weshalb mit Stangenköpfen aus Kunststoff auch nur geringere Lasten übertragen werden können.Die Erfindung erreicht eine hohe mechanische Belastbarkeit des Stangenkopfes (1) durch eine das Lager (4) umlaufende Schlaufe aus endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3), vorzugsweise unidirektionalem endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix Faser-Kunststoff-Verbund, wobei der endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) in den Gewindezapfen (2) des Stangenkopfes hinein verläuft und das Element aus endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) von kurzfaser-, langfaser- oder unverstärktem Thermoplast (5) umgeben ist. Der Gewindezapfen (2) kann dabei mit einem Außen- oder einem Innengewinde ausgeführt sein.Derartige Stangenköpfe finden Verwendung zur Übertragung von Zug- und Druckkräften sowie zur Führung und mechanischen Lagerung.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Stangenkopf aus thermoplastischem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) nach Anspruch 1.
  • FKV sind faserverstärke Werkstoffe, bei denen Fasermaterialien in einen Kunststoff eingearbeitet sind. Sie zeichnen sich u.a. durch hohe Steifigkeiten und Festigkeiten bei vergleichsweise geringem Gewicht aus.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Stangenkopf handelt es sich vorzugsweise um ein Anbauelement zur Einleitung von Zug- und Druckkräften in diverse Verbindungsstangen, vorzugsweise für Anwendungen im Luftfahrtbereich.
  • Der erfindungsgemäße Stangenkopf ist auch für viele weitere Anwendungen, insbesondere zur Übertragung von Zug- und Druckkräften, zur Führung und mechanischen Lagerung bzw. zur Abstützung diverser Verbindungen oder Verstrebungen geeignet.
  • In der Praxis werden Stangenköpfe in den verschiedensten Größen und in hohen Stückzahlen eingesetzt wobei die Stangenköpfe vornehmlich in Form von Gabelenden oder Gelenkköpfen ausgestaltet sind.
  • In der Luft- und Raumfahrttechnik ist, wie in kaum einem anderen Bereich der Ingenieurwissenschaften, Leichtbau von herausragender Bedeutung. Folglich sind innovative Leichtbaukonzepte besonders entscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit vieler Luft- und Raumfahrtkomponenten.
  • Stangenköpfe, beispielsweise in Passagier- und Frachtflugzeugen, werden vorwiegend aus metallischen Werkstoffen wie Stahl, Aluminium oder Titan gefertigt. Durch den Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), insbesondere von glas- und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, lassen sich aufgrund der großen Anzahl solcher Stangenköpfe in einem Flugzeug deutliche Gewichts- und/oder Kosteneinsparungen erzielen.
  • Aus dem Stand der Technik sind bereits Lösungen für Stangenköpfe aus Kunststoff bekannt.
  • DE 1 995 788 U offenbart einen Stangenkopf mit Gleitlagerbuchse und Gewindezapfen, wobei die Gleitlagerbuchse und das obere Ende des Gewindezapfens von einem einstückig im Spritzverfahren hergestellten Kunststoffkörper umschlossen sind.
  • Aus DE 196 15 872 A1 ist ein Gelenklager bekannt, dessen Lagerpfanne als auch Lagerkörper aus Kunststoff bestehen und das in einer seiner Ausführungsformen einen angeformten Gewindezapfen aufweist.
  • Die bekannten Stangenköpfe aus Kunststoff bieten gegenüber metallischen Stangenköpfen eine deutliche Gewichtsersparnis. Nachteilig ist hierbei die vergleichsweise geringe Festigkeit von Kunststoffen und kurzfaserverstärkten Kunststoffen, weshalb mit Stangenköpfen aus Kunststoff auch nur geringere Lasten übertragen werden können.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde einen Stangenkopf zu entwickeln, welcher ein gegenüber metallischen Lösungen geringeres Gewicht aufweist und zugleich hohe mechanische Lasten übertragen kann sowie kostengünstig herstellbar ist.
  • Dieses Problem wird durch die in den Schutzansprüchen 1 bis 10 aufgeführten Merkmale gelöst.
  • Die Erfindung erreicht eine hohe mechanische Belastbarkeit des Stangenkopfes durch eine das Gelenklager oder die Buchse umlaufende Schlaufe aus endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix, vorzugsweise unidirektionalem endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix Faser-Kunststoff-Verbund, wobei der endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix in den Gewindezapfen des Stangenkopfes hinein verläuft. Der Gewindezapfen kann dabei mit einem Außen- oder einem Innengewinde ausgeführt sein. Als unidirektionaler FKV wird in dieser Schrift ein FKV bezeichnet, bei dem ein Faseranteil von über 80% in Längsrichtung des FKV-Elements verläuft.
  • Erfindungsgemäß umschließt ein kurzfaser-, langfaser-, oder unverstärkter Thermoplast die Schlaufe aus unidirektionalem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) bis in den Gewindezapfen ganz oder teilweise und definiert die Außenkontur des Stangenkopfes ganz oder teilweise.
  • Der unidirektionale Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) verfügt erfindungsgemäß über eine thermoplastische Matrix, wodurch der FKV einen Stoffschluss mit dem kurzfaser-, langfaser-, oder unverstärkten Thermoplast bilden kann.
  • Zur Erhöhung des Anteils an endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix kann dieser auch mehrlagig im Stangenkopf ausgeführt sein.
  • Zur verbesserten Aufnahme von Zug- und Druckkräften kann der unidirektionale FKV das Gelenklager oder die Buchse zudem erfindungsgemäß einfach oder mehrfach vollständig umschließen.
  • Die Bohrung zur Aufnahme eines Zapfens, eines Gelenklagers, des Außenrings eines Gelenkelements, des Außenrings einer Buchse, des Gelenklager oder der Buchse selbst werden im Folgenden auch als Lager bezeichnet
  • Die Erfindung erreicht eine hohe mechanische Belastbarkeit des Stangenkopfes dadurch, dass der endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) schlaufenförmig um das Lager (4) verläuft und der endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) auch in den Gewindezapfen hinein verläuft.
  • Als schlaufenförmig wird in dieser Schrift das Umschließen oder umgeben des Lagers mit endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) mit einem Umschließungswinkel von mehr als 160° definiert.
  • Der FKV im Gewindezapfen verstärkt den Stangenkopf gegen ein Abreißen des Gewindezapfens. Ein nahe der Oberfläche des Gewindezapfens an das Gewindeprofil angepasster Verlauf der Endlosfasern in der Form, dass die Endlosfasern gemäß 6 in die Gewindezähne hineinragen, verstärkt den Gewindezapfen zudem gegen ein Abscheren der Gewindezähne.
  • Zur Aufnahme von axial wirkenden Kräften kann das Gelenklager oder Buchse auch über die Seitenflächen oder in dem Gelenklager oder Buchse eingebrachte Konturen ganz oder teilweise vom kurzfaser-, langfaser-, oder unverstärkten Thermoplast formschlüssig gesichert werden.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Stangenkopfes (1) und Gewindezapfen (2) mit einem schlaufenförmigen endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) und einem kurzfaser-, langfaser-, oder unverstärkten Thermoplast (5). Der endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) ist in dieser Darstellung vierlagig ausgeführt.
    • 2 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Stangenkopfes (1) und Gewindezapfen (2) aus einem schlaufenförmigen endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3), welcher das Lager (4) mehrfach vollständig umschließt und einem kurzfaser-, langfaser-, oder unverstärkten Thermoplast (5).
    • 3 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Stangenkopfes (1) und Gewindezapfen (2) aus einem schlaufenförmigen endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3), welcher das Lager (4) mehrfach vollständig umschließt und einem kurzfaser-, langfaser-, oder unverstärkten Thermoplast (5), welcher das das Lager (4) auch an dessen Seitenflächen axial sichert.
    • 4 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Stangenkopfes (1) und Gewindezapfen (2).
    • 5 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Stangenkopfes (1) und Gewindezapfen (2) aus einem schlaufenförmigen endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) und einem kurzfaser-, langfaser-, oder unverstärkten Thermoplast (5), verbaut in einer Verbindungsstange mit Innengewinde (7) und gesichert durch Sicherungsscheibe (9) und Sicherungsmutter (8).
    • 6 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Gewindeprofils (6) aus kurzfaser-, langfaser-, oder unverstärktem Thermoplast (5) und einem endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3), wobei der endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) entlang der Gewindeflanken verläuft.
    • 7 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Stangenkopfes (1) in Form eines Gabelendes, Lager (4) und Gewindezapfen (2) mit einem innenliegend, gestrichelt dargestelltem, schlaufenförmigen endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) und einem kurzfaser-, langfaser-, oder unverstärkten Thermoplast (5). Der endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) ist in dieser Darstellung dreilagig ausgeführt.
    • 8 eine schematische Seitenansicht, gegenüber der Ansicht 7 um 90° gedreht, des erfindungsgemäßen Stangenkopfes (1) in Form eines Gabelendes, Lager (4) und Gewindezapfen (2) mit einem innenliegend, gestrichelt dargestelltem, schlaufenförmigen endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) und einem kurzfaser-, langfaser-, oder unverstärkten Thermoplast (5).
  • Bezugszeichenliste
    • (1)
    Stangenkopf
    (2)
    Gewindezapfen
    (3)
    endlosfaserverstärkter Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix
    (4)
    Lager
    (5)
    kurzfaser-, langfaser- oder unverstärkter Thermoplast
    (6)
    Gewindeprofil
    (7)
    Verbindungsstange mit Innengewinde
    (8)
    Sicherungsmutter
    (9)
    Sicherungsscheibe
  • 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 1995788 U [0009]
    • DE 19615872 A1 [0010]

Claims (10)

  1. Stangenkopf aus thermoplastischem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) dadurch gekennzeichnet, dass sich im Stangenkopf (1) ein Lager (4) sowie Elemente aus endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) befinden, welche von kurzfaser-, langfaser- oder unverstärktem Thermoplast (5) umgeben sind, wobei der endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) schlaufenförmig um das Lager (4) verläuft und in den Gewindezapfen (2) hinein verläuft.
  2. Stangenkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Element aus unidirektionalem endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) ausgeführt ist.
  3. Stangenkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Element aus endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) mehrlagig ausgeführt ist.
  4. Stangenkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (4) einfach oder mehrfach vollständig von endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) umgeben ist.
  5. Stangenkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich der im Gewindezapfen (2) verlaufende endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) in seinem Verlauf dem Gewindeprofil (6) anpasst.
  6. Stangenkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) stoffschlüssig mit dem umgebenden kurzfaser-, langfaser- oder unverstärkten Thermoplast (5) verbunden ist.
  7. Stangenkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (4) radial und axial von kurzfaser-, langfaser- oder unverstärktem Thermoplast umschlossen ist.
  8. Stangenkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (4) metallisch, aus Kunststoff oder aus Faserverbundwerkstoff ausgeführt ist.
  9. Stangenkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix (3) aus in thermoplastischem Kunststoff getränkten Kohlenstoff-, Basalt-, Aramid-, Kunststoff- oder Glasfasern mit einem Faservolumenanteil von über 30 % ausgeführt ist.
  10. Stangenkopf nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Stangenkopf als Anbauelement an eine Verbindungsstange mit Innengewinde (7) im Flugzeugbau eingesetzt wird.
DE102019004341.3A 2019-06-23 2019-06-23 Stangenkopf aus thermoplastischem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) Pending DE102019004341A1 (de)

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