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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Krafteinleitungsvorrichtung sowie ein unter Verwendung mindestens
einer derartigen Krafteinleitungsvorrichtung aufgebautes Strukturbauteil.
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Ein bevorzugter Anwendungsfall für eine Krafteinleitungsvorrichtung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist der moderne
Karosseriebau. Dabei wird in der Luft- und Raumfahrttechnik genauso wie
im Kraftfahrzeugbau bei der Herstellung großer Strukturbauteile immer
stärker
auf Gewichtseinsparungen geachtet. Zugleich wird jedoch von diesen
Bauteilen eine hohe Struktursteifigkeit und extreme mechanische Belastbarkeit
gefordert. Ein Strukturbauteil ist dabei häufig als räumliche Struktur ausgebildet,
insbesondere als Fahrgastzelle oder Teil davon, vorzugsweise ein
Teil eines Kraftfahrzeugchassis. Aber auch im Bereich des Sports
werden derartige Materialanforderungen beispielsweise für Boote,
Rennyachten, Ski oder Surfboards gestellt.
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Aus den genannten Gründen kommen
in den vorstehend nur exemplarisch genannten Bereichen des Leichtbaus
Strukturbauteile zum Einsatz, die beispielsweise nach einem Resin
transfer moulding- bzw. RTM-Verfahren hergestellt werden. Als faserverstärkte Kunststoffe,
kurz FVK, kommen hier zunehmend Kohle-Faser-verstärkte Kunststoffe,
abgekürzt
als CFK bezeichnet, zum Einsatz, insbesondere in Form von Platten
oder relativ dünnwandiger
dreidimensionaler Strukturen. Die Befestigung von sonstigen Elementen
an derartigen Strukturbauteilen, die Kombination eines Strukturbauteils
beispielsweise mit Blech-Elementen und/oder der Zusammenbau beispielsweise
einer Fahrgastzelle aus mehreren Strukturbauteilen ist jedoch nicht
unproblematisch: Die Verbundmaterialien von Strukturbauteilen der
genannten Art sind sehr hart und dementsprechend aber auch vergleichsweise
spröde,
so dass die beispielsweise aus dem konstruktiven Holz- und/oder
Metallbau bekannten Verbindungen, insbesondere Schraub- und Bolzenverbindungen,
hier zur Verbindung und/oder Krafteinleitung in allgemeiner Form
in der Regel nicht einsetzbar sind.
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Auch eine beispielsweise in der
EP 0 589 398 A1 offenbarte
Schraube mit einer speziellen Gewindegeometrie oder ein Verbindungselement
als Einsatz bzw. Insert mit Außengewinde,
wie beispielsweise in der
FR
2 628 799 offenbart, sind aufgrund der besonderen Materialeigenschaften
und einer inneren Struktur der in RTM-Strukturbauteilen verwendeten Materialien
wenig geeignet. Beide Bauformen greifen i.d.R. über ein Gewinde oder ähnliche
Ausstülpungen
in das CFK-Strukturteil ein und können damit eine massive Schwächung des
Materials u.a. durch eine Störung
und/oder fertigungstechnisch bedingte Zerstörung der inneren Faser-Struktur
bewirken. Ein in das Material des Strukturbauteils eingeschnittenes
Gewinde ist hinsichtlich seiner Haltbarkeit und mechanischen Belastbarkeit
insbesondere bei dünnen
RTM-Strukturbauteilen unzufriedenstellend. Die vorstehend beispielhaft
aufgeführten
Befestigungsarten sind daher gerade bei hohen Beanspruchungen auf
statischen Zug und/oder Dauerwechselbelastungen an sicherheitsrelevanten
Einsatzorten als nicht ausreichend zuverlässig getestet worden.
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Zum nachträglichen Einbau in Thermoplaste
werden nach dem Stand der Technik Gewindeeinsätze aus Metall mit gängigen Einbringverfahren
vorgesehen, wie beispielsweise Warmeinbetten, Ultraschalleinschweißen sowie
Kalteinpressen und Kalteinschneiden. Ferner werden beispielsweise
durch Vergießen
in einer Ausnehmung in einem jeweiligen Verbundstoff die in der
DIN 65 308 aufgeführten
Mittel eingebracht, unter die auch beispielsweise ein Einsatz gemäß der
DE 37 25 974 zu zählen wäre. Weiterhin
werden Gewindeeinsätze
bevorzugt für
Krafteinleitungspunkte an Sandwichkonstruktionen verwendet. Eine
an die Herstellung eines Strukturbauteils anschließende Einbettung
eines derartigen Mittels zur Schaffung eines Verbindungs- und/oder
Krafteinleitungspunktes bewirkt jedoch ebenfalls eine erhebliche
Störung
der Kraftverläufe
innerhalb des Strukturbauteils. Ferner ist neben einer jeweiligen
Verbindung zwischen einem Einsatz und einer gewählten Einbettung auch jeder Übergang
zwischen der Einbettung und dem Strukturbauteil hinsichtlich seiner
mechanischen Eigenschaften kritisch zu betrachten.
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Neben diesen und ähnlichen, auch beispielsweise
in der DIN aufgeführten
Mitteln werden häufig
Gewindebuchsen für
Kunststoffformteile nach DIN 16 903 Teile 1 bis 4 auch
in schwerer Bauart vorgeschlagen, die als Metalleinsätze auch
schon im Zuge der Herstellung in ein Strukturteil eingesetzt werden
können.
Dazu werden sowohl in Thermoplasten als auch in Duroplasten Gewindeeinsätze aus
Metall in das Werkzeug eingelegt und umpresst oder umspritzt. Damit
muss jedoch für
einen jeden späteren
Krafteinleitungspunkt an dem Strukturteil eine Gewindebuchse in
eine Press- und Aushärtungsform
eingelegt, dort genau positioniert und gehalten werden. Dieses Verfahren
ist somit sehr aufwendig und aufgrund der üblicherweise in Handarbeit
ausgeführten
Positionierungsarbeiten teuer sowie unpräzise. Schrumpfungen des Strukturteils
bei Abschluss der Fertigung können
zudem i.d.R. nicht ausreichend genau eingerechnet werden, so dass
auch hierdurch zusätzlich
relativ hohe Fertigungstoleranzen auftreten können. Direkt beispielsweise
in die nachfolgend ohne Ausschluss einer Anwendung auf andere Wertstoffe
betrachteten CFK-Bauteile integrierte Metalleinsätze führen zu hohen Werkzeugkosten
für Aufnahme,
Positionierung und Abdichtung dieser Elemente während des Fertigungsprozesses.
Insbesondere für
Großbauteile
aus FVK führt
dies ob der Vielzahl der Krafteinleitungspunkte zu sehr hohen Investitionskosten.
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Aus den vorstehend genannten Gründen wird
eine Entkopplung eines Strukturbauteils selber und der jeweils stark
beanspruchbaren Krafteinleitungspunkte angestrebt. Die Einführung von
Einsatzbauteilen, die nach der Fertigstellung des Strukturbauteils
mit diesem verbunden werden, hat eine leichter anpassbare Fertigung
nach modularen Konzepten bzw. nach dem Baukastenprinzip ermöglicht.
Einfache Klebebolzen und/oder Klebemuttern sind dabei deutlich weniger
belastbar als eine hybride Krafteinleitungsvorrichtung, die aus
einem Metall-Einsatz und einer Kunststoffstruktur besteht, die beispielsweise
als sog. Sheet moulding compound, kurz SMC, gefertigt ist. Herstellungsverfahren
für Krafteinleitungsvorrichtungen
nach dem Stand der Technik werden beispielsweise in einer Dissertation
mit dem Titel „Zur
Festigkeit von Schraubenverbindungen an Bauteilen aus SMC" von Frank Trinter,
Universität-Gesamthochschule
Kassel 1991 offenbart. Nachfolgend wird eine Bauform unter Bezugnahme
auf die Abbildung der 11 und 12 beschreiben, die im Vergleich mit
reinen Metallverbindungen jedoch nur eine Verbesserung hinsichtlich
einer Minderung des Gewichts bewirkt, aber im Hinblick auf eine
mechanische Belastbarkeit diesen altbekannten Verbindungstechniken
nicht entsprechen kann. Der Hauptgrund hierfür liegt bei der vorliegend
betrachteten und allen sonstig bekannten hybrid aufgebauten Vorrichtung
darin, dass bekannte Gewindeeinsätze
insbesondere in dem FVK keine ausreichende Verankerungsfestigkeit
erreichen.
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Gängige
Größen von
Krafteinleitungsvorrichtungen entsprechen damit hinsichtlich ihrer
mechanischen Belastbarkeit nur einer niedrigfesten M8 Schraubverbindung,
wie noch im Detail dargelegt wird.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Krafteinleitungsvorrichtung sowie eine unter Verwendung
mindestens einer derartigen Krafteinleitungsvorrichtung aufgebaute
räumliche
Struktur mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zu schaffen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche 1 und
20 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer dementsprechenden
Vorrichtung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Eine erfindungsgemäße Krafteinleitungsvorrichtung
zur Fixierung in oder an einem Strukturbauteil, die als hybrides
Bauteil ausgeführt
ist mit einem Einsatz aus Metall, der in einer Struktur aus Kunststoff
fixiert ist, zeichnet sich demnach dadurch aus, dass die Struktur
zum Fixieren in einer Ausnehmung des Strukturbauteils ausgebildet
ist. Eine erfindungsgemäße Krafteinleitungsvorrichtung
ist also dazu ausgebildet, als Insert in der Primärstruktur
formschlüssig
in einer Prägung
oder sonstigen Ausnehmung des Strukturbauelements aufgenommen zu
werden. Durch diese Anpassung auf eine besondere Verwendung wird
eine gegenüber
bekannten Vorrichtungen verbesserte Weiterleitung der auftretenden
Lasten in die Primärstruktur
und eine gleichmäßigere Verteilung
angreifender Kräfte
unterstützt.
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Bevorzugt ist die Struktur zum Einkleben
in eine im Wesentlichen tellerförmige
Einprägung
in dem Strukturbauteil ausgebildet. In die Primärstruktur wird damit eine im
Wesentlichen rotationssymmetrische Ausnehmung als Vertiefung, Prägung o.ä. eingebracht.
Die Krafteinleitungsvorrichtung wird als Insert in der Primärstruktur
formschlüssig
in einer Prägung
des Strukturbauelements aufgenommen. Das Krafteinleitungselement
ist einseitig mit der Primärstruktur
verklebt. Dieses Vorgehen erlaubt, bei der Konstruktion der Primärstruktur
den der Klebung gegenüberliegenden,
zur Verfügung
stehenden Bauraum auszunutzen, wie noch anhand eines Ausführungsbeispiels
dargestellt wird. Die Prägung
dient als formschlüssige
Aufnahme für
das Krafteinleitungselement und zugleich als Positionierhilfe beim
Verklebeprozess. Durch die Prägung
wird eine lokale, geometrische Versteifung der Primärstruktur
erreicht, die im Einsatz die Weiterleitung und Verteilung der auftretenden
Lasten in die Primärstruktur
unterstützt.
Die Prägungsabmaße werden
vorzugsweise auf eine jeweilige Bauform einer Krafteinleitungsvorrichtung
in abgestimmter Weise standardisiert.
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Zur Ausbildung einer im Vergleich
mit dem Stand der Technik leistungsfähigeren und zuverlässigeren Krafteinleitungsvorrichtung
umschließt
die Struktur den Einsatz im Wesentlichen, insbesondere in einer
Ebene, deren Normale einer Hauptkraftangriffsrichtung entspricht.
In einer Weiterbildung ist die Struktur vorteilhafterweise um den
Einsatz in einer axialen Richtung herum geschlossen als Dom ausgebildet.
Der Dom ist über mindestens
eine Rippe auf einem Grundkörper
abgestützt.
Die Struktur weist ferner in Anpassung auf eine jeweilige Ausnehmung
oder Prägung
in einer Primärstruktur
an dem Grundkörper
eine insgesamt tellerartige Grundfläche auf. Zur weiteren Verbesserung
eines internen Kraftflusses ist der Grundkörper durch einen Verstärkungsring
abgeschlossen, insbesondere als Begrenzung der tellerartigen Grundfläche. Ferner
ist der Dom in einer Weiterbildung der Erfindung über den
Grundkörper
hinaus als Durchführung
ausgebildet, in dem vorzugsweise auch eine Verdrehsicherung enthalten
ist.
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Eine erfindungsmäße Krafteinleitungsvorrichtung
weist in einer Weiterbildung eine vorgegebenen oder auch genau definierte
Oberflächenrauigkeit
mindestens in einem für
eine Verklebung mit einer Ausnehmung einer Primärstruktur vorgesehenen Oberflächenbereich
der Struktur auf. Fertigungstechnisch günstig und sehr gut kontrollierbar
wird eine derartige Oberflächenrauigkeit
durch Sandstrahlen und insbesondere durch Punzieren hergestellt.
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Die Struktur der Krafteinleitungsvorrichtung
besteht vorzugsweise aus einem SMC, wobei eine beispielhafte Materialauswahl
mit Kennzahlen und Kleberkombinationen nachfolgend unter Bezug auf
die Zeichnung mit der Darstellung von Ausführungsbeispielen angegeben
wird. Sehr vorteilhaft ergibt sich durch die Verwendung von SMC
jedoch unmittelbar eine elektrische Isolation aller zu einer Krafteinleitungsvor richtung gehörigen Komponenten,
so dass als Material für
einen Einsatz ohne separate Maßnahmen
des Korrosionsschutzes auch Aluminium einsetzbar ist.
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Der metallische Einsatz weist insbesondere
als Angriffspunkt für äußere Kräfte mindestens
eine, vorzugsweise jedoch zwei Hinterschneidungen auf. Die Hinterschneidungen
sind vorzugsweise gegensinnig orientiert. Vorteilhafterweise ist
ein Zwischenraum zwischen der oberen und unteren Hinterschneidung
des Einsatzes in axialer Richtung von dem Material der Struktur
ausgefüllt,
wodurch sich gerade bei der Verwendung von SMC als Material der
Struktur günstige
Faserorientierungen ergeben, die in Bezug auf einen Verlauf von Kraftlinien
oder Spannungslinien innerhalb der Struktur optimiert werden können. Eine
derartige Einstellung ist darüber
hinaus auch fertigungstechnisch mit ausreichender Genauigkeit reproduzierbar.
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In einer wesentlichen Weiterbildung
ist an dem Einsatz eine Hinterschneidung in Form eines Tellers ausgebildet,
der vorzugsweise einen Winkel in einem Bereich von etwa 0° bis ca.
50°, insbesondere
aber einen Winkel von 45° gegenüber einer
Flächennormalen
aufweist, so dass eine interne Krafteinleitung über den Einsatz in das Krafteinleitungselement
optimiert wird, wie noch unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel beschrieben
wird. Ebenfalls zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaft durch
eine besondere Ausformung und eine daraus resultierende optimierte
Belastung der beteiligten Materialien einer erfindungsgemäßen Krafteinleitungsvorrichtung
im Einsatz, hier insbesondere einer Kleberschicht, weist die Ausnehmung
oder Einprägung
in einer Weiterbildung der Erfindung in dem Strukturbauteil einen
Winkel von ca. 10° bis
ungefähr
45°, vorzugsweise
aber von etwa 30° als
Winkel einer Prägungswand
gegenüber
einer Flächennormalen
auf. Dem ist der Grundkörper
der SMC-Struktur entsprechend angepasst ausgeformt.
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Das Krafteinleitungselement bildet
z.B. in Automobilkarosserien einen sicherheitsrelevanten, dynamisch
dauerbelasteten und crashrelevanten Befestigungspunkt. Es hat sich
in Versuchen gezeigt, dass ein mit langfaserverstärkten, duroplastischen
Pressmassen, z.B. SMC, hybrid aufgebautes Element und einem umpressten
metallischen Gewindeeinsatz, diesen extremen Anforderungen am besten
genügt.
Die bekannten geometrischen Ausgestaltungen der metallischen Gewindeeinsätze und
der Struktur als FVK-Bauteile ist erfindungsgemäß als unzureichend erkannt
wor den. Im Gegensatz hierzu ist ein erfindungsgemäßes Krafteinleitungselement
für den
Einsatz in Strukturbauteilen aus endlosfaserverstärkten, duroplastischen
Kunststoffen insbesondere durch die Art der Fixierung und die Kontaktfläche optimiert.
Damit ist unter Verwendung der vorliegenden Erfindung das Ziel der
Schaffung einer Hybrid-Verbindung erreicht, die einer hochfesten
M10 Verschraubung entspricht, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug
an Crash-relevanten Stellen benötigt wird.
Um erstmals derartige Kräfte
durch einen Gewindeeinsatz in ein SMC-Bauteil einleiten zu können, wird in
einer Ausführungsform
der Erfindung insgesamt eine Neuentwicklung sowohl des SMC-Bauteils,
als auch des Gewindeeinsatzes entsprechend einzelner Weiterbildungen
der vorliegenden Lehre vorgeschlagen. Das vorliegende Krafteinleitungskonzept
ist dabei auf einen Einsatz in FVK-Strukturen abgestimmt, die sowohl
ein- als auch zweischalig aufgebaut sind, wie nachfolgend ausgeführt wird.
Eine wesentliche Randbedingung ist hierbei, dass das Krafteinleitungselement
flexibel und insbesondere auch nachträglich in die FVK- Strukturbauteile
eingeklebt wird, wobei eine Umgießen im Zuge einer Fertigung
eines jeweiligen Strukturbauteils nicht ausgeschlossen ist. Hier
bietet sich auch ein Umgießen
erfindungsgemäß ausgestalteter
Krafteinleitungspunkte an, die beispielsweise über Stege aus SMC miteinander
zum Zwecke einer leichteren Positionierung in einer Großform und
einer effektiven Lagesicherung während
des Herstellungsprozesses eines Strukturteils als Gitterknotenpunkte
verbunden sind. Es wird also insgesamt ein sehr gut anpassbarer
und dennoch vergleichsweise kostengünstiger Befestigungspunkt realisiert,
der insbesondere für
Anwendungen im Bereich von Mittelserien der Kraftfahrzeugindustrie
geeignet ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung
zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Krafteinleitungsvorrichtung
in einer Einbaulage an einem Strukturbauteil;
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2a und 2b: je eine perspektivische
Schrägansicht
einer ersten Ausführungsform
einer Krafteinleitungsvorrichtung in einer Schnittdarstellung;
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3a bis 3c: Schnittdarstellungen
verschiedener Ausführungsformen
von Krafteinleitungsvorrichtungen;
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4:
eine schematische Schnittdarstellung der Ausführungsform einer Krafteinleitungsvorrichtung nach 3c in einer Einbaulage an
einem Strukturbauteil mit Einblendung einer Faserorientierung über eine Schnittebene;
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5:
die schematische Schnittdarstellung von 4 mit skizzierter Darstellung eines Kraftverlaufes innerhalb
der Gesamtanordnung bei Belastung;
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6:
eine beispielhafte Darstellung eines Prüfaufbaus im Schnitt unter Verwendung
der Ausführungsform
einer Krafteinleitungsvorrichtung nach den 2a, 2b und 3a;
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7a und 7b: Diagramme zur Auswertung
der nach einem Versuchsaufbau gemäß 6 für
eine Alternative zu der Einsatz-Ausführungsform in 3c ermittelten Messwerte im Vergleich
zu einer bekannten Anordnung nach DIN;
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8:
eine beispielhafte Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer Krafteinleitungsvorrichtung in
einer Einbaulage an einem doppelschaligen Strukturbauteil;
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9a und 9b: je eine perspektivische
Schrägansicht
einer ersten Ausführungsform
von Krafteinleitungsvorrichtungen in einer Anordnung gemäß der Prinzipdarstellung
von 8 in einer Schnittdarstellung;
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10:
eine Explosionsdarstellung eines Anwendungsbeispiels für Krafteinleitungsvorrichtungen
gemäß der 9a und 9b in perspektivischer Schrägansicht
in einer Teilschnittdarstellung;
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11:
eine Schnittdarstellung einer Krafteinleitungsvorrichtung nach dem
Stand der Technik zur Darstellung innerer Spannungsverläufe und;
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12:
die Schnittdarstellung von 11 mit
einer Kennzeichnung von Problembereichen an der bekannten Krafteinleitungsvorrichtung.
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In der Abbildung von 11 ist eine Krafteinleitungsvorrichtung 1 bekannter
Bauart dargestellt, in der ein metallischer Gewindeeinsatz 2 in
einer Struktur 3 aus einem Kunststoff eingebettet ist,
wie auch in der vorstehend genannten Dissertation „Zur Festigkeit
von Schraubenverbindungen an Bauteilen aus SMC" von Frank Trinter 1991 an der Universität-Gesamthochschule
Kassel untersucht und veröffentlicht.
Die Krafteinleitungsvorrichtung 1 ist also als hybrides
Bauteil ausgeführt,
wobei im Zuge der Herstellung der Gewindeeinsatz 2 mit
einem SMC umschlossen wird. Dazu bildet die Struktur 3 um
den Gewindeeinsatz 2 herum einen Dom 4 aus.
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Ein typischer Verlauf von SMC- Fließfronten,
wie er sich während
der Herstellung einer bekannten Krafteinleitungsvorrichtung 1 zu
beispielhaft gewählten
Zeitpunkten t1 bis t3 ergeben
kann, ist skizziert mit in die Abbildung von 11 eingezeichnet worden. Nach dem Stand
der Technik werden Gewindeeinsätze 2 üblicherweise
von einer Hinterschneidungsfläche 5 aus
mit SMC umpresst. Hierbei fließt
das SMC um die krafteinleitende Hinterschneidung 5 und
füllt die
Wandungen des Doms 4. Die Umlenkung U der Strömung an
einer Scherkante H der Hinterschneidung 5 sowie eine Staupunktströmung S an
einer Spitze des Doms 4 erzeugen Bereiche, in denen keine
Verstärkungsfasern
mit belastungsparalleler Orientierung vorliegen. Diese Bereiche tragen
zu der Verankerungsfestigkeit des Gewindeeinsatzes 2 in
der SMC-Struktur 3 nicht bei. Das Ergebnis von nach der
Norm durchgeführten
Ausziehversuchen ist u.a. auch aus diesem Grund insgesamt mangelhaft, wie
auch noch qualitativ gezeigt wird.
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Einige der bei normaler Belastung
in dem Bauteil nach 11 auftretenden
Problembereiche sind in der Abbildung von 12 dargestellt: Einer erwünschten
Kraftübertragung
K zwischen dem Gewindeeinsatz 2 und dem SMC-Dom 4 durch
Schubspannungen stehen demnach im direkten Kontakt mit einer nicht
weiter dargestellten Bolzen- oder Schraubverbindung Bereiche NB
gegenüber,
die aufgrund der Staupunktströmung S
eine nicht belastungsgerechte Faserorientierung aufweisen. Ferner
treten mit NT bezeichnete Regionen auf, die aufgrund der Strömungsumlenkung
U im Bereich der Hinterschneidung 5 nicht tragfähig sind.
Ferner findet man auch direkt an der Hinterschneidungsscherkante
H eine weitere hinsichtlich einer Belastung ungünstige Umlenkung U der Strömung des
SMC-Materials.
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Bei bisher verwendeten Gewindeeinsätzen 2,
die in der skizzierten Art und Weise mit einer einzelnen krafteinleitenden
Hinterschneidung 5 versehen sind, ist die im Werkstoff
hervorgerufene Beanspruchung über der
Verankerungslänge
stark ungleichförmig.
Der Spannungszustand wird insbesondere hinsichtlich des Mantelschubs
durch eine kraftflussbedingte Beanspruchungsüberhöhung an der Hinterschneidungsscherkante
H dominiert. Im Fall einer höheren
Beanspruchung einer Krafteinleitungsvorrichtung 1 der dargestellten
Art versagt das Bauteil daher spätestens
an dieser Stelle, also im Bereich der Hinterschneidungsscherkante
H, wenn nicht zuvor bereits der Gewindeeinsatz 2 aus der
SMC-Struktur 3 herausgerissen oder herausgezogen worden ist.
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Für
Gewindeeinsätze 2 klassischer,
eine horizontale Hinterschneidung 5 aufweisende Bauweise
ist eine Wandstärke
des Doms 4 so zu dimensionieren, so dass ein Aufplatzen
des Doms 4 bei Zugbelastung der Hülse bzw. des Gewindeeinsatzes 2 vermieden
wird. Für
die maximale Auszugskraft des Gewindeeinsatzes 2 sind dabei
die Hinterschneidungsfläche 5 sowie
eine Verankerungstiefe maßgeblich.
Dabei führen
die im Dom 4 wirkenden Mantelschubspannungen zum Bauteilversagen.
Eventuell vorhandene und hier nicht weiter eingezeichnete Rippen
stützen
den Dom 4 gegen Momentenbelastung ab, tragen aber nicht
zur Steigerung der Auszugskraft des Gewindeeinsatzes 2 bei.
Damit sind sie gegenüber
einer wesentlichen Belastungsart wirkungslos und führen nur
zu einer Erhöhung
des Materialeinsatzes und damit zu einer Verteuerung sowie einer Steigerung
des Gewichts einer bekannten Krafteinleitungsvorrichtung 1.
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Die Struktur 3 ist an einer
Oberfläche
zur Verklebung mit einer Primärstruktur 6 eines
im Weiteren nur in einem Ausschnitt dargestellten Strukturteils 7 vorgesehen.
Vorgesehen ist ein ebenes Aufkleben der Struktur 3. Winkelfehler
können
beim Aufkleben auftreten, ein Ausgleich von Winkelfehler, die sich
beispielsweise durch eine Verformung des Strukturteils 8 ergeben
haben, ist jedoch nur innerhalb des sehr beschränkten zulässigen Spaltmaßes eines
jeweils verwendeten Klebers möglich,
so dass sich dann eine insgesamt keilförmige Kleberschicht 9 ergeben
würde.
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Alle vorstehend genannten Punkte
stellen in diesem bekannten Bauteil Schwächungen dar, die eine zulässige Belastung
auf eine Verbindung reduzieren, die äquivalent zu einer niederfesten
M8-Schraubverbindung ist. Das ist für sicherheitsrelevante Krafteinleitungspunkte
mit dauernder dynamischer Belastung und/oder hoher Extrembelastung
unzureichend, wie insbesondere Crash-Versuche im Automobilbau gezeigt haben.
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Eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem
vorstehend exemplarisch beschriebenen Stand der Technik bewirkt
hier ein erfindungsgemäßer Ansatz.
Demnach ist die als hybrides Bauteil ausgeführte Krafteinleitungsvorrichtung 1 zur
Fixierung in oder an einem Strukturbauteil 8 ausgebildet,
vorzugsweise zum Fixieren in einer Ausnehmung oder Einprägung 11 des
Strukturbauteils 8. Dies ist in der schematischen Darstellung einer
Krafteinleitungsvorrichtung 1 in einer Einbaulage an einem
Strukturbauteil 8 bei Einleitung einer Kraft F in eine
Sub- bzw. Unterstruktur 10 in der Abbildung von 1 skizziert gezeigt, auf
die nachfolgend Bezug genommen wird.
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Für
das Einkleben der Krafteinleitungsvorrichtung 1 als Hybrid-Insert
in die CFK-Struktur 6 ist
die Positionierung durch die formschlüssige Aufnahme in der Einprägung des
Strukturbauteils 8 vorteilhaft. Im Rahmen des für einen
ausgewählten
Kleber zulässigen
Spaltmaßes
von ca. 0,9 bis ungefähr
3 mm ist weiterhin ein Ausgleich der Lagetoleranz eine Kleberschicht 9 möglich. Hierdurch
können
Fertigungstoleranzen, die bei der Herstellung von CFK-Primärbauteilen 6 auftreten,
ausgeglichen und für
nachfolgende Montageprozesse positionsgenaue Verschraubungspunkte
geschaffen werden, die im Rahmen der Verklebung auch eingemessen
wer den. Die für
die im Folgenden als Baukasten dargestellte Krafteinleitungsvorrichtung 1 vorgesehene Aufnahmeprägung, Ausnehmung
oder auch Einprägung 11 wird
als standardisiert festgelegt. Sie ist in der CFK-Struktur 6 so
gestaltet, dass für
unterschiedliche Belastungsrichtungen möglichst gleich große Anteile
der Klebefläche 9 auf
Schub belastet werden. Weiterhin erlauben mindestens abschnittsweise
schräg
verlaufende Wände
der Prägung 11 einen
jeweiligen Fügewinkel
im Klebeprozess zu variieren. Dies unterstützt die flexible Anordnung
von automatisierten Fertigungseinheiten. Das Strukturbauteil 8 weist
in seiner Primärstruktur 6 also eine
im Wesentlichen tellerförmige
Einprägung 11 auf.
Ein Winkel γ der
Prägungswand
gegen eine Flächennormale
N sowie die Prägungstiefe
T sind so gewählt,
dass für
unterschiedliche Betriebslastrichtungen eine möglichst gleichbleibend große Kleberfläche 9 auf
Schub beansprucht wird. Demnach wird der Winkel γ in einem Bereich zwischen 0° und ca.
60° gewählt, hier
ist ein Wert von 30° eingestellt
worden. Idealerweise ist die Fügerichtung
für die
Verklebung senkrecht zu einem horizontal verlaufenden Bereich der
Einprägung 11 ausgerichtet,
wie in der 1 dargestellt.
Dann ist die Kleberschicht 9 überall gleich dick. Es wird
hierbei jedoch eine Abweichung von z.B. bis zu ca. +/–30° toleriert.
Im Fall einer Schrägstellung
der Krafteinleitungsvorrichtung 1 gegenüber Einprägung 11 in der Primärstruktur 6 und/oder
im Fall von schräg
zu der Flächennormalen N
einwirkenden Kräften
findet durch das Einsetzten der Krafteinleitungsvorrichtung 1 in
das Strukturbauteil 8 und die gewählte Formgebung wenigstens
teilweise in ihren Komponenten optimal auf die Kleberfläche 9 ein.
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Konstruktiv ist das dargestellte
Insertkonzept einer vorgeschlagenen Krafteinleitungsvorrichtung 1 so ausgeführt, dass
ein verfügbarer
Fügewinkelbereich
voll ausgenutzt werden kann. Dabei ist unter Form- und Stoffschluss
auch bei den vorstehend genannten Abweichungen immer noch eine ausreichende
Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit
und Dichtigkeit des Krafteinleitungspunktes gewährleistet. Dies bedeutet für die Automatisierung
von geeigneten Fertigungsstrukturen eine hohe Flexibilität bezüglich der
Auswahl und Zugänglichkeit
dieser Klebepunkte.
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Die aus der in 1 dargestellten einseitigen Anbindung
resultieren Betriebslastrichtungen, für die das Krafteinleitungselement 1 in
der dargestellten Einsatzform bevorzugt geeignet ist, sind im rechten
Teil von 1 eingetragen.
Es sind dies Kräfte
entlang der x-, y- und z-Achse sowie in negativer x- und z-Richtung
und Momente um die y-Achse.
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Ein konstruktiv ausgeführtes und
getestetes Ausführungsbeispiel
für den
Aufbau einer Krafteinleitungsvorrichtung 1 als Hybrid-Insert 1 mit
einer SMC-Struktur 3 und einem Einsatz 2 ist in
den Darstellungen der 2a und 2b wiedergegeben. Sie umfasst
eine mittigen Dom 4, der über Rippen 13 auf
einen Grundkörper 14 abgestützt ist.
Der Grundkörper 14 bildet
eine Grundfläche 15,
die in einer Einbaulage analog der Darstellung von 1 über
die Kleberschicht 9 form- und stoffschlüssig in Kontakt mit der Einprägung 11 der
Primärstruktur 6 steht.
Die Grundfläche 15 wird
nach außen
hin von einem Verstärkungsring 16 abgeschlossen. Bisher übliche Geometrien
von SMC-Strukturen sowie praxisübliche
Gewindeeinsätze
nach DIN weisen demgegenüber
drei wesentliche Nachteile auf, die bei einem erfindungsgemäßen Hybrid-Insert
durch konstruktive Maßnahmen
deutlich verbessert werden:
- 1. Die Verstärkungsfasern
innerhalb des SMC-Materials sind im Bereich des Doms 4 belastungsgerecht ausgerichtet,
wie in der Schnittzeichnung von 3 dargestellt.
Die SMC-Struktur 3 umschließt den Gewindeeinsatz 2 des
Hybrid-Inserts 1 in
axialer Richtung vollständig.
Während
des Herstellungsprozesses umfließt das SMC-Material nach einer
vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nicht mehr die Hinterschneidung des Einsatzes 2.
Anstelle dessen füllt
es einen Zwischenraum 18 zwischen einer ersten Hinterschneidung 20 und
einer zweiten Hinterschneidung 21, siehe die Schnittdarstellungen
der 2a bis 5c. Dies erlaubt die Vermeidung
Strömungsumlenkpunkten,
die nicht tragfähige
Bereiche NT in einem Dom 4 darstellen würden, wie bereits zum Stand
der Technik anhand der 11 und 12 ausführlich beschrieben wurde.
- 2. An der Scherkante einer jeden Hinterschneidung 20, 21 treten
keine Spannungsspitzen auf. In einem dargestellten Hybrid-Insert 1 werden
im Gegensatz zu bisher verwendeten Gewindeeinsätzen 2 Strömungsumlenkpunkte
an der Einsatzscherkante und der Domspitze vermieden. Das Auftreten
von Kerbspannungen, wie sie an einer vollständig mit SMC umgebenen Einsatzscherkante
auf treten, wird ebenfalls vermieden. Beide Verbesserungen tragen
zu einem homogenern Spannungszustand in der SMC-Struktur 3 bei,
der deutlich höhere
Verankerungsfestigkeiten eines Einsatzes 2 in der Struktur 3 erlaubt.
- 3. Konstruktiv wird eine werkstoffgerechte Belastung der Versteifungsrippen 13 auf
Druck erreicht. Materialuntersuchungen haben gezeigt, dass die Druckfestigkeit
von SMC deutlich oberhalb der Schubfestigkeit und ebenfalls oberhalb
der Zugfestigkeit liegt. Ziel bei der Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Hybrid-Inserts 1 ist
es daher, diese Werkstoffeigenschaft gezielt auszunutzen, um die
Verankerungsfestigkeit eines Einsatzes 2 zu erhöhen. Hierzu
werden Rippen 13 direkt in den unter Zugbelastung wirkenden
Kraftfluss eingebunden. Erreicht wird dies insbesondere durch die
Wahl eines Winkels αT an der ersten Hinterschneidung 20.
Unter diesem Winkel αT ist eine der SMC-Struktur 3 zugewandte
Flanke der tellerförmig ausgebildeten
Hinterschneidung 20 senkrecht zu einer Mittelachse M geneigt,
wie in den Abbildungen der 4 sowie
der 5a bis 5c zusammen dargestellt.
Der Teller 22 des Einsatzes 2 begrenzt den Dom 4 der
SMC-Struktur 3 und dient insofern als deren Abschluss.
Ferner stehen die Rippen 13 unter einem Winkel β von ca.
90° auf
der Flanke der Hinterschneidung 20, die selber in einem
als besonders belastbar getesteten Fall unter einem Winkel αT von
45° steht.
Die in den Rippen 13 wirkenden Druckspannungen werden überwiegend
durch den umlaufenden Verstärkungsring 16 aufgenommen.
In dem Verstärkungsring 16 wirken
dann Zugspannungen Z in Umfangsrichtung. Über den Grundkörper 15 bzw.
die Oberfläche
der Struktur 3 werden die Kräfte dann in der in 4 dargestellten Weise als
Druckverteilung D in angepasster Art und Weist über Form- und Stoffschluss
an das Strukturbauteil 8 im Bereich der Einprägung 11 abgegeben.
Damit werden punktuelle Überlastungen
des Strukturbauteils 8 auch im Fall sehr hoher Belastungen der
Krafteinleitungsvorrichtung 1 sicher vermieden oder wenigstens
durch das flächige
Verteilen auf ein vertretbares Maß reduziert.
-
Durch den vorstehend beschriebenen
Aufbau wird eine Ausnutzung der mechanischen Eigenschaften des faserverstärkten Kunststoffs
FVK zur Verbesserung der Verankerungsfestigkeit der Struktur 3 in
einem Strukturbauteil 8 sowie des metalli schen Einsatzes 2 in
der Struktur 3 gegenüber
dem Stand der Technik deutlich verbessert. Nachweise hierzu wurden
in einem Prüfaufbau
ermittelt, wie er in beispielhafter Darstellung in 6 im Schnitt unter Verwendung der Ausführungsform
einer Krafteinleitungsvorrichtung nach den 2a, 2b und 3a skizziert ist: Unter einem
Winkel von hier beispielsweise 0° werden
hier Kraft F und Weg s über
ein Prüfhilfsmittel 23 an
einer Krafteinleitungsvorrichtung 1 aufgenommen, die in
einer Zugplatte 24 als Prüfvorrichtung verwendungsgemäß eingesetzt
ist.
-
In den Diagrammen von 7a und 7b sind zur Auswertung der nach einem
Versuchsaufbau gemäß 6 für eine Alternative zu der Ausführungsform
des Einsatzes 2 in 3c ermittelten
Messwerte graphisch dargestellt. Zusätzlich sind in den Kurvenverlauf
des Auszugstests von 7a Angaben
zu M10-Verbindungen verschiedener Festigkeit zu den entsprechenden
Mindestkräften
eingetragen worden, die zum Erreichen einer 2% Streckgrenze nach
VDI 2230 vorgeschrieben sind. Eine hybrid aufgebaute Krafteinleitungsvorrichtung 1 mit
einem als Variante K bezeichneten Einsatz 2, Winkel α von 45°, entspricht
demnach einer hochfesten M10-Verbindung.
Im Vergleich zu einer Messkurve für eine bekannte Anordnung nach
DIN werden die sehr vorteilhaft verbesserten mechanischen Eigenschaften
einer erfindungsgemäßen Krafteinleitungsvorrichtung 1 sehr
deutlich: Hier werden statt ca. 62 kN nur maximale Zugkräfte Fmax von unter 20 kN erreicht.
-
Das Diagramm von 7b eignet sich dann auch nur bedingt
zum Vergleich einer vorliegenden Krafteinleitungsvorrichtung 1 mit
dem durch ein SMC 5188-73B-Bauteil
repräsentierten
Stand der Technik, da dieses bekannte Bauteil im Ausziehversuch
bereits nach 4 mm Deformation versagt: Hier reißt der bekannte DIN-Schraubeinsatz bereits
heraus, wohingegen ein erfindungsgemäßes SMC-Hybridbauteil noch wesentlich größeren Kräften Stand
hält. Ein
faserverstärktes
Duroplast, wie hier SMC, zeigt ein gutmütiges Versagensverhalten in
Kombination mit einer hohen Energieaufnahme. Dies macht den Einsatz
dieser Krafteinleitungselemente für crashrelevante Befestigungen
interessant.
-
8 zeigt
analog der Darstellung von 1 eine
Ausführungsform
von Krafteinleitungsvorrichtungen 1 in einer Einbaulage
an einem doppelschaligen Strukturbauteil 8 in einer prinzipiellen
Schnittdarstellung. Treten hohe Kräfte Fy in negative y- Richtung bzw. hohe
Momente Mz um die z-Achse bzw. Mx um die x-Achse auf, so bietet
zur Anbindung des Krafteinleitungselementes 1 die konstruktive
Ausführung
der Primärstruktur 6 als
Zweischalenkörper
deutliche Vorteile gegenüber
einer einschaligen Lösung
gemäß 1. Bei einer zweischaligen
Bauweise der Primärstruktur 6 wird
ein Krafteinleitungselement 26 eingesetzt, das sich über zwei Krafteinleitungsvorrichtungen 1 an
Wänden
bzw. Einprägungen 11 beider
primären
Strukturbauteile 8 abstützen
kann. Hierdurch können
deutlich höhere
Momente Mx um die x-Achse und Mz um die z-Achse aufgenommen werden.
Belastungen Fy in negative y-Richtung werden durch die zweite Bauteilwand
abgestützt.
Kritische Belastungsrichtungen, die bei der einschaligen Bauweise
zu einem Versagen der Kleberschicht zwischen Krafteinleitungselement 1 und
Primärstruktur 6 führen würden, werden
damit abgefangen. Die in Bild 8 eingetragenen bevorzugten
Belastungsrichtungen zeigen, dass gegenüber der einschaligen Bauweise
keine ausgeprägten
Vorzugslastrichtungen vorhanden sind. Sowohl bei Zug-, als auch
bei Druckbelastung in y-Richtung wird eine jeweilige Kleberschicht 9 zwischen
einem Krafteinleitungselement 1 und einer Primärstruktur 6 auf Druck
belastet.
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In der Abbildung von 9a und 9b ist
je eine perspektivische Schrägansicht
einer Ausführungsform von
Krafteinleitungsvorrichtungen 1 als ein Krafteinleitungselement 26 für eine zweischalige
Primärstruktur 6 in
einer Anordnung gemäß der Prinzipdarstellung
von 8 in einer Schnittdarstellung
gezeigt. Um eine Abstützung
an beiden Schalenwänden
der Primärstruktur 6 zu
erreichen wurde das Krafteinleitungselement 1 mit einer
standardisierten Prägung 11 von
der bislang ausschließlich
gehandelten Primärstruktur 6 einer
Oberschale 27 in eine Unterschale 28 gespiegelt.
Beide Hälften
sind momentensteif miteinander zu dem Krafteinleitungselement 26 verbunden.
Ein Abstand A zwischen den beiden Schalen 27, 28 ist
variabel zwischen den Krafteinleitungsvorrichtungen 1 einstellbar,
hier über
die Länge
einer Hülse 30.
-
Das gesamte Krafteinleitungselement 26 ist
so gestaltet, dass von beiden Seiten Substrukturen 10 an die
Primärstruktur 6 angebunden
werden können.
Hierzu ist im vorliegenden Beispielfall ein Insert mit einem Gewinde 31 in
der Hülse 30 versehen.
Die Presskraft einer nicht weiter dargestellten Schraubverbindung
wird von dem Metalleinsatz 2 aufgenommen und nicht direkt
an die SMC-Adapter-Struktur 3 abgeleitet wird, wie nach
dem Stand der Technik üblich.
-
Die Abbildungen der 2a, 2b und 9a, 9b zeigen eine konstruktive Umsetzung
des Krafteinleitungskonzepts anhand einer Ausführungsform für eine einschalige
und für
eine zweischalige Bauweise der CFK-Primärbauteile 6. Alle
drei Varianten, also eine Krafteinleitungsvorrichtung 1 für eine einschalige
und ein Krafteinleitungselement 26 mit zwei gekoppelten
Krafteinleitungsvorrichtungen 1 für zweischalige Primärstrukturen, bauen
auf einer identischen Geometrie der SMC-Struktur 3 auf.
Durch die Art der Anbindung einer Substruktur 10 bedingt
ergibt sich nur der Unterschied, dass einmal der Dom 4 in
Form eines Stutzens oder einer Durchführung 32 weitergeführt wird,
während
bei der anderen Bauform die Grundfläche 15 als ebener
Kreisring ohne Ausstülpung
ausgeführt
ist, wobei ein Kontakt des Einsatzes 2 aus Metall mit dem
Material der Primärstruktur 6 unterbunden
wird. Die funktionalen Unterschiede werden im wesentlichen also
durch die Verwendung unterschiedlicher Metalleinsätze 2 erreicht.
Die Mechanismen, mit denen die verschiedenen Metalleinsätze 2 in
der SMC-Struktur 3 verankert sind, unterscheiden sich nicht.
Für die
zweischalige Bauweise werden die Hybrid-Inserts 1 in dieser
Bauform in der dargestellten Weise über eine Hülse 30 zusammengesteckt.
Ein Gewinde 31 in der Hülse 30 und
die Ausbildung des Hybrid-Inserts 1 an der Oberschale 27 mit
Durchführung 32 ermöglichen
eine einfache Verschraubung. Im Bereich der Durchführung 32 ist
durch teilweise Abflachung des sonst rotationssymmetrischen Körpers des
Einsatzes 2 eine Verdrehsicherung zur Erhöhung einer
Momentenbelastbarkeit realisiert. Durch eine Anpassung der Länge der
Hülse 30 werden
unterschiedliche Abstände
zwischen Ober- und Unterschale 27, 28 überbrückt. Eine
Anbindung von Substrukturen 10 ist damit wahlweise sowohl von
einer als auch von beiden Seiten des Krafteinleitungselements 26 möglich. Durch
diese Variabilität
in Verbindung mit einer standardisierten Aufnahme in der Primärstruktur 6 wird
ein modulares Baukastensystem geschaffen, dass für eine Vielzahl unterschiedlicher
Befestigungspunkte an einer Primärstruktur 6 Lösungen bereitstellt.
-
Alle vorgestellten Varianten der
Hybrid-Inserts 1 für
eine ein- und zweischalige Bauweise der CFK-Primärstruktur 6 basieren
auf einem modularen, standardisierten Baukastenkonzept. Die unterschiedlichen
Anforderungsprofile einer Vielzahl von Krafteinleitungsstellen werden
mit nur drei Standardbauteilen abgedeckt: einer Krafteinleitungsvorrichtung 1 mit
einer Durchführung 32 zur
Anbindung von Substrukturen 10, einer Krafteinleitungsvorrichtung 1 ohne
Durchführung
und einer Hülse 31 variabler
Länge.
Dies ermöglicht
die Realisierung von wirtschaftlichen Potentialen gegenüber zahlreichen
Individuallösungen.
Zusätzlich
sind die drei Standardbauteile so konstruiert, dass ihre Fertigung
in einem Werkzeug möglich
ist. Alle drei Varianten basieren auf einer identischen Geometrie
des SMC-Grundkörpers 3.
Die funktionalen Unterschiede werden durch die Verwendung unterschiedlicher
Metallhülsen 2 erreicht.
Hierdurch ist lediglich die Herstellung eines einzigen Werkzeugs
notwendig.
-
Die Herstellung der Hybrid-Inserts 1 erfolgt
in einem Press-, Spritzpräge-
oder Spritzgießverfahren. Hierzu
wird für
die vorstehend dargestellten konstruktiv ausgearbeiteten Bauteile
ein Tauchkantenwerkzeug aus Stahl mit einer Kavität eingesetzt.
Für die
Struktur 3 eines SMC-Grundkörpers werden so ohne Werkzeugumbau
alle Hybrid-Insert-Varianten hergestellt. Die Geometrie des SMC-Grundkörpers 3 kann
je Änderung über je zwei
Wechseleinsätze
angepasst werden, die flexibel in die Form eingelegt werden. Ausgeführt werden so
z.B. eine Veränderung
der Prägungsabmaße in der
Primärstruktur 6,
sowie eine anderen Belastungen angepasste SMC-Wandstärke d oder
eine Variation der Länge
L des Doms 4, der Länge
l der Durchführung 32, also
dementsprechend Änderungen
in einem Außendurchmesser
B der Struktur 3, einer Höhe Δt des tellerartigen Grundkörpers 14 und/oder
eine Dicke d des SMC-Materials, wie in den 5a bis 5c zusammen
mit einer Variation des Tellerwinkels αT dargestellt.
-
Als eine getestete Anwendung für Krafteinleitungsvorrichtungen
mit sehr hohen Anforderungen an das Material wird nun die Befestigung
eines Vordersitzes an einem Fahrzeugboden betrachtet. Für den Fahrzeugboden
ist eine Ersatzstruktur 34 entwickelt worden, an die nachfolgend
ein nicht weiter dargestellter Vordersitz geschraubt wird. Diese
auch als Sitzkiste bezeichnete Ersatzstruktur 34 ist in
zweischaliger Bauweise in CKF ausgeführt, wie in der Abbildung von 10 als Explosionsdarstellung
schräg
zu einer Fahrtrichtung FR gezeigt. Sie besteht aus einer Bodenunterschale 35,
je einem Sitzquerträger 36, 37 vorne
und hinten sowie einer Bodenoberschale 38. An vier Befestigungspunkten
der nicht weiter dargestellten Sitzschienen werden dann je nach
Anwendungsfall erfindungsgemäße Hybrid-Inserts 1, 26 sowohl
für eine
einschalige Bauweise als auch für
eine zweischalige Bauweise eingeklebt. Die hier beispielhaft eingesetzten
Bauformen entsprechen denen der 2a, 2b, 5a und 9a, 9b. Den Testanforderungen,
in denen sowohl Dauerbelastungen unter Vibration und Temperaturschwankungen
sowie crashrelevante Spitzenbelastungen zur Simulation eines Fahrzeuglebens ausgeübt worden,
hielten alle Krafteinleitungsvorrichtungen 1, 16 in
der Sitzkiste 34 erfolgreich stand. Damit wurde unter erheblicher
Gewichtseinsparung eine neue Ersatzstruktur mit zuverlässigen Krafteinleitungspunkten
geschaffen.
-
Noch weitere Vorteile einer erfindungsgemäßen Krafteinleitungsvorrichtung 1, 16 liegen
in der getroffenen Material-Auswahl begründet: Es hat sich gezeigt,
dass ein hybrid aufgebautes Element, bestehend aus langfaserverstärkten, duroplastischen
Pressmassen, wie in den vorliegenden Ausführungsbeispielen SMC, und einem
umpressten metallischen Gewindeeinsatz 2 nach der vorstehend
exemplarisch beschriebenen Lehre, den an sie gestellten mechanischen
Anforderungen am besten genügt.
Ferner wird durch den Einsatz des elektrisch nichtleitenden Kunststoffs
eine ausreichende galvanische Trennung zwischen dem Einsatz 2 aus Metall
und der CFK-Struktur 3 erreicht. Der den Metalleinsatz 2 umgebende
Kunststoff wirkt als elektrischer Isolator zwischen den Kohlefasern
und auch gegenüber
einer jeweiligen Einsatz-Hülse 2.
Es bildet sich eine elektrische Isolation der Fasern gegeneinander
und gegenüber
einem Metalleinsatz 2 aus, der unmittelbar auch als Korrosionsschutz
wirkt. Die direkte Integration von metallischen Elementen in Bauteile
aus CFK erfordert demgegenüber
nach dem Stand der Technik aufgrund hoher galvanischer Spannungspotentiale
zwischen Kohlefasern und einem jeweiligen Metall aufwendige Korrosionsschutzmaßnahmen.
Verfügbare
Beschichtungen bieten über
Fahrzeuglebensdauer keinen als ausreichend erachteten Schutz. Alternativwerkstoffe
wie Titan sind aufgrund der Mehrkosten für höhere Stückzahlen ungeeignet. Abdichtmaßnahmen
nach Einbringen der Metallelemente sind ebenfalls kosten- und zeitintensiv.
In erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird
dagegen das Auftreten von Kontaktkorrosion, das nach dem Stand der
Technik stets ein Problem ist, auch dauerhaft vermieden. Dadurch
ist Aluminium als Material für
einen Gewindeeinsatz 2 und/oder Werkstoff für die Hülse möglich, ohne
dass zusätzliche
Maßnahmen
des Korrosionsschutzes ergriffen werden müssen. Erreichbar ist damit
das Ziel einer Reduktion des Bauteilgewichts ohne wesentliche Schwächung einer
auf dieser Basis aufgebauten Verbindung. Durch die teilweise Ausführung des
Krafteinleitungselements in Kunststoff können deutliche Gewichtsvorteile
gegenüber
Stahlbasierten Verbindungen erzielt werden.
-
Im Zusammenhang mit den Belastungsversuchen
und der Auswertung von
7b wurde
bereits darauf hingewiesen, dass ein faserverstärktes Duroplast, wie hier SMC,
ein gutmütiges
Versagensverhalten in Kombination mit einer hohen Energieaufnahme
zeigt. Dies macht den Einsatz dieser Krafteinleitungselemente
1,
16 für crashrelevante
Befestigungen in Verbindung mit insbesondere dünnwandigen Primärstrukturen
6 interessant.
Für ein
derartiges Strukturbauteil
8 werden üblicherweise Epoxydharz-Verbundstoffe
eingesetzt. Als Materialien für
die SMC-Struktur
3 einer Krafteinleitungsvorrichtung
1,
16 werden
eine ungesättigte
Polyestermatrix oder ein Thermoplast mit Glasfasern eingesetzt.
Nachfolgend werden als Tabelle Materialeigenschaften von vier erfindungsgemäß eingesetzten
und untersuchten SMCs laut Herstellerangaben wiedergegeben:
-
Als Klebstoffe kommen Klebstoffe
auf Epoxy- oder Polyurethan-Basis zum Einsatz. Durch die gezielte geometrische
Abwandlung der obigen Geometrie des metallischen Gewindeeinsatzes 3 kann
die Energieaufnahme bei Bauteilversagen beeinflusst werden. Variabel
einstellbar sind hier weiter z.B. der Winkel am Boden des Tellers 22 sowie
eine Veränderung
der Wandstärke
des Einsatzes 3.
-
Damit wird nach einem erfindungsgemäßen Verfahren
eine wesentliche Verbesserung der Genauigkeit unter Realisierung
mechanisch weit belastbareren Verbindung erreicht. Durch den Einsatz
bekannter Materialien und fertigungsgerechte Formgebungen werden
nach dem vorstehend offenbarten Konzept, dessen Kern eine Krafteinleitungsvorrichtung 1 ist,
zudem Gewichts- und Kosteneinsparungen erzielt.
-
Im Rahmen der Darstellung der vorliegenden
Erfindung wurden folgende Bezugszeichen und Abkürzungen benutzt:
-
- 1
- Krafteinleitungsvorrichtung
- 2
- metallischer
Gewindeeinsatz
- 3
- Struktur
- 4
- Dom
- 5
- Hinterschneidung
- 6
- Primärstruktur
- 7
-
- 8
- Strukturteil
- 9
- Kleber/Kleberschicht
- 10
- Sub-
bzw. Unterstruktur
- 11
- Einprägung/Ausnehmung
- 12
-
- 13
- Rippe
- 14
- Grundkörper
- 15
- Grundfläche
- 16
- Verstärkungsring
- 17
-
- 18
- Zwischenraum
- 19
-
- 20
- erste
Hinterschneidung
- 21
- zweite
Hinterschneidung
- 22
- Teller
- 23
- Prüfhilfsmittel
- 24
- Zugplatte
- 25
-
- 26
- Krafteinleitungselement
- 27
- Oberschale
- 28
- Unterschale
- 29
-
- 30
- Hülse
- 31
- Gewinde
- 32
- Durchführung
- 34
- Ersatzstruktur/Sitzkiste
- 35
- Bodenunterschale
- 36
- Sitzquerträger
- 37
- Sitzquerträger
- 38
- Bodenoberschale
- αT
- Tellerwinkel
- ß
- Winkel
einer Rippe gegenüber
einer benachbarten Telleroberfläche
- γ
- Winkel
einer Prägungswand
gegen eine Flächennormale
- B
- Außendurchmesser
des Grundkörpers 14
- d
- SMC-Materialdicke
- D
- Druckspannung
- F
- Kraft
- FR
- Fahrtrichtung
- H
- Hinterschneidungsscherkante
- K
- Kraftübertragung
zwischen Gewindeeinsatz und SMC-Dom
- L
- Länge des
Doms 4
- l
- Länge der
Durchführung 32
- N
- Flächennormale/Normale
- NB
- nicht
belastungsgerechte Faserorientierung
- NT
- nicht
tragfähiger
Bereich
- S
- Staupunktströmung
- T
- Prägungstiefe
in der Primärstruktur
- Δt
- Tiefe
der Grundfläche
der Struktur
- U
- Umlenkung
der Strömung
- x,
y, z
- Koordinaten
des Raumes
- Z
- Zugspannung
- FVK
- faserverstärkter Kunststoff
- CFK
- Kohle-Faser-verstärkter Kunststoff
- RTM
- Resin
transfer moulding
- SMC
- Sheet
moulding compound