DE2855570A1 - Stabfoermiges verbindungselement - Google Patents
Stabfoermiges verbindungselementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein stabförmiges Verbindungselement,
bestehend aus einem stabförmigen, faserverstärkten Kunststoffteil
mit mindestens einer Schicht aus gerichteten Fasern und mindestens einem Übergangselement zur Einleitung von Kräften in
den Kunststoffteil in Richtung der Fasern, welches an einem
Ende des Kunststoffteiles angeschäftet und über mindestens eine
Klebstoffschicht verbunden ist.
Derartige Verbindungselemente zeichnen sich durch hohe Festigkeit und durch ein geringes Gewicht aus, so daß sie insbesondere
in der Luft- und Raumfahrt z.B. als Strebe oder Steuergestänge zur Anwendung kommen. So ist beispielsweise in der "Aviation
Week" vom 08.08.1977 auf S. 57 ein Raumfahrzeug gezeigt, dessen äußere Struktur Verbindungselemente aus kohlefaserverstärktem
Kunststoff zeigt, von denen jeweils zwei in dreieckförmigen Übergangselementen einmünden. Besonders kritisch bei derartigen
Verbindungselementen sind die Verbindungen zwischen dem Kunststoffteil und den Übergangselementen. Derartige Verbindungselemente
sind insbesondere in der Luft- und Raumfahrt hohen Vibrationskräften ausgesetzt so daß schon kleinste Risse in der
Klebstoffschicht zu einem reißverschlußartigen Ablösen der miteinander
verklebten Teile führen, da die unterschiedlichen Ma- · terialien bei Belastung unterschiedlich gedehnt werden. Aus
diesem Grund werden gerade die Randbereiche einer Schäftung besonders stark beansprucht, so daß sich geklebte Schäftungen,
insbesondere bei Ermüdung durch Wechselbelastungen, meistens vom Rand her ablösen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verbindungselement der obengenannten Art zu schaffen, das sich durch hohe Steifig-
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keit und durch hohe Festigkeit bei statischer, dynamischer und thermischer Belastung, insbesondere der Verbindung zwischen
dem Kunststoffteil und dem Ubergangselement auszeichnet.
Diese Aufgabe erfüllt ein Verbindungselement gemäß Patentanspruch 1. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Verbindungselementes sind die durch Belastung hervorgerufenen
Längenänderungen der Materialien vor und hinter der Schäftung gleich. Die Klebstoffschicht ist daher im gesamten
Bereich der Schäftung weitgehend gleichmäßig verteilten Scherkräften ausgesetzt. Die sonst auftretenden Spannungsspitzen
an den Rändern der Schäftung werden durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen weitgehend abgebaut.
Ein Verbindungselement, bestehend aus einem Rohr und einem Übergangselement zur Befestigung und Einleitung von Kräften
ist auch aus der US-PS 4 027 449 bekannt. Die Verbindung zwischen dem Rohr und dem Übergangselement wird jedoch durch
Verschweißen oder Verlöten hergestellt, was voraussetzt, daß das Übergangselement und das Rohr aus ähnlichen Materialien,
z.B. aus Metall, bestehen. Faserverstärkte Kunststoffteile
benötigen 'jedoch zur Einleitung von Kräften in der Regel Übergangselemente aus Metall. Die thermischen und elastischen
Eigenschaften des Kunststoffteiles und des Übergangselementes
sind dabei oft sehr unterschiedlich, da bei der Materialauswahl die Anforderungen an Festigkeit und geringem Gewicht
dominieren.
Insbesondere wenn, wie in der Luft- und Raumfahrt, zu den mechanischen Belastungen hohe thermische Belastungen kommen,
ist es besonders vorteilhaft, wenn die Klebstoffschicht einen Faserwerkstoff mit einem Elastizitätsmodul aufweist,
welcher zwischen den Elastizitätsmodulen des Kunststoffteiles
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und des Übergangselementes liegt. So können beispielsweise bei der vorteilhaften Kombination zwischen einem Kunststoffteil
aus kohlefaserverstärktem Kunststoff und einem Ubergangselement
aus Titan in der Klebstoffschicht Glasfasern eingebettet sein.
Eine besonders hohe Steifigkeit weisen die nach Patentanspruch
3 ausgebildeten Verbindungselemente auf. Damit diese Steifigkeit bei der Übertragung von axialen Kräften nicht an der Verbindung
zwischen Kunststoffteil und Übergangselement verlorengeht, ist mit Vorteil die Schaftung auf den Bereich der axial
gerichteten Fasern gemäß Patentanspruch 4 beschränkt. Durch den schäftungsbedingten schrägen Anschnitt der Schicht aus
gerichteten Fasern werden auch bei einer mehrlagigen Faserschicht sämtliche Fasern von der Klebstoffschicht erfaßt und
mit dem Übergangselement verbunden.
Die Größe der Klebefläche wird bei vorgegebener Geometrie der Bauteile durch die Größe des Schäftungswinkels bestimmt. Der
Schäftungswinkel sollte in einem Bereich zwischen 2° und 5° liegen, da dann die Klebstoffschicht im wesentlichen nur Scherbelastungen
unterliegt. In Versuchen hat sich ein Schäftungswinkel von 3 als besonders günstig erwiesen. Zur Übertragung
einer bestimmten Kraft ist eine bestimmte Mindestgröße der Klebefläche erforderlich. Eine vergleichsweise große Klebefläche
ermöglicht die Ausgestaltung des Kunststoffteiles als Hohlstab. Zusätzlich wird dadurch die Festigkeit des Verbindungselementes
gegen Biegekräfte erhöht.
Besonders hohe Zug- und Druckkräfte lassen sich mit einem Verbindungselement
gemäß Patentanspruch 7 übertragen.
Bei Materialien, deren Elastizitätsmodule sich stark voneinander
unterscheiden, wird zwangsläufig auch eines der beiden
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Teile des Verbindungselementes im Bereich vor der Schäftung
auch einen erheblich größeren Querschnitt als das andere Teil haben. Während das dünnere Teil durch den schäftungsbedingten
schrägen -Anschnitt im allgemeinen scharfkantig zulaufen wird, bleibt bei dem dickeren Teil am Ende des Schäftungsbereichs
noch Material stehen, welches nur wenig zur Festigkeit beiträgt, jedoch bei Belastung Spannungsspitzen in der Klebstoffschicht
verursachen kann. Damit auch die Materialquerschnittsfläche des dickeren Teiles am Ende der Schäftung möglichst
klein ist, ist es von Vorteil, wenn das jeweils im Durchmesser größere bzw. kleinere Teil des Verbindungselementes sich im
Bereich der Schäftung auf dem Durchmesser des kleineren bzw. größeren Teiles sich stetig verjüngt bzw. erweitert.
Der Erfindungsgegenstand soll anhand zweier in den Figuren
teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele weiter beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Verbindungselement mit
einem Hohlstab aus faserverstärktem Kunststoff und
einem Übergangselement mit zentrischem Gewindeanschluß;
Fig. 2 eine Anordnung gemäß Figur 1 mit doppelschäftiger Verbindung
zwischen dem Kunststoffteil und dem Übergangselement. ·
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Verbindungselement besteht der faserverstärkte Hohlstab 1 aus einer inneren Schicht 1.1 mit
axial gerichteten Kohlefasern, welche von einer Kohlefaserwicklung
1.2 umhüllt sind. Das Ende des Hohlstabes ist bis auf die äußere Wicklung 1.2 von innen her unter einem SchäftungswinkelOC
keglig, angeschliffen. Der dem Hohlstab 1 zugewandte
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Teil des Übergangselementes 2 weist entlang des äußeren Umfanges die gleiche Kegelmantelfläche wie der -Hohlstab auf, so
daß beide Teile ineinander geschäftet v/erden können. Beide Teile 1 und 2 werden durch eine Klebstoffschicht 3 mit konstanter
Dicke im Bereich der Schäftung S zusammengehalten. Die Materialquerschnittsflächen (Ringflächen) des Kunststoffteiles
FK und die des Übergangselementes F^ in den Bereichen vor
und hinter der Schäftung S sind so dimensioniert, daß sie im umgekehrten Verhältnis zu den Elastizitätsmodulen EK und Ey
des Kunststoffes und des Materials des Übergangselementes stehen. Die Elastizitätsmodule beziehen sich dabei auf die
Richtung der eingeleiteten Kräfte, im dargestellten Ausführungsbeispiel also auf die axiale Richtung; der Zusammenhang
zwischen der Richtung der eingeleiteten Kräfte und derjenigen für den maßgeblichen Elastizitätsmodul ist besonders bei Materialien
mit anisotropen Eigenschaften, wie z.B. faserverstärkter
Kunststoff, von Bedeutung. Aufgrund der unterschiedlichen Materialquerschnittsflächen stimmen die Innenradien rK und r^
des Kunststoffteiles und des Übergangselementes nicht überein.
Der Innendurchmesser r^. des Übergangselementes 2 erweitert
sich deshalb irn Bereich der Schäftung S steig auf den Durchmesser
rK· Dadurch wird verhindert, daß sich innerhalb der
Klebstoffschicht 3 Spannungsspitzen aufbauen, die bei Belastung
zu einem Bruch der Klebung führen würde.
Bei einem stabförmigen Kunststoff teil als tonmaterial wird
die Schäftung so verlaufen, daß das Übergangselement den Kunststoff teil im Bereich der Schäftung von außen umgibt.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ende eines hohlstabförmigen Kunststoffteiles 1 mit einem Über-
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gangselement 2 durch eine Doppelschäftung verbunden. Dazu
ist das Ende des Hohlstabes von innen und von außen keglig angeschliffen. Das dem Kunststoffteil zugewandte Ende des
Übergangselementes 2 wird wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
mit einer entsprechenden Kegelfläche versehen, so daß es in den Hohlstab hineingeschoben werden kann.
Die äußere Kegelfläche des Kunststoffteiles wird von einem
übergestülpten Kegelring 5 abgedeckt, dessen Position zum Übergangselement 2 durch einen Anschlag 6 fixiert wird. Das
Kunststoffteil ist über je eine Klebstoffschicht 3.1 und 3.2
mit dem Ubergangselement 2 und dem Kegelring 5 verbunden. Die für die Dimensionierung maßgebliche Materialquerschnittsfläche
des Übergangseiementes setzt sich nunmehr aus den Querschnittsflächen des Kegelringes 5 und des Übergangselementes 2 im Bereich
vor der Schäftung zusammen.
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-AO-
Leerseite
Claims (1)
- P atentan sprücheStabförmiges Verbindungselement, bestehend aus einem
stabförrnigen, faserverstärkten Kunststoff teil mit mindestens einer Schicht aus gerichteten Fasern und mindestens einem Übergangseiement zur Einleitung von Kräften, in den Kunststoffteil in Richtung der Fasern, welches
an einem Ende des Kunststoffteils angeschäftet und über mindestens eine Klebstoffschicht verbunden ist, dadurch gekennzeichnet ,daß das Verhältnis der
Katerialquerschnittsflachen CFK,F«) des Kunststoffteils (1) und des Übergangselementes (2) in den Bereichen vor und hinter der Schaftung (S) umgekehrt proportional zu den Elastizitätsmodulen (E ,E^) der jeweiligen Materialien in Richtung der eingeleiteten Kräfte ist.030027^0356285557Ö2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Klebstoffschicht (3) einen Faserwerkstoff mit einem Elastizitätsmodul aufweist, welcher zwischen den Elastizitätsmodulen (EK,E^) des Kunststoffteiles und des Übergangselementes liegt.3. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Kunststoffteil Cl) axial gerichtete Fasern (1.1) aufweist, welche von einer dazu senkrecht verlaufenden Faserwicklung (1.2) umgeben sind.4. Verbindungselement nach Anspruch·3, dadurch gekennzeichnet , daß zur übertragung von axialen Kräften die Schaftung (s) auf den Bereich der axial gerichteten Fasern (1.1) beschränkt ist.b. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet , daß der Schaftungswinkel (flc) 2° bis 5°, vorzugsweise 3° beträgt.6. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Kunststoff teil (1) als Hohlstab ausgebildet ist.7. Verbindungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Ende des Kunststoffteiles (1) eine innere und eine äußere Schaftung aufweist und im Bereich der Schaftung von einer inneren und einer äußeren Einfassung (2,5) des Übergangseiementes umgeben ist.Q30027/03568. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß das jeweils im Durchmesser größere bzw. kleinere.Teil des Verbindungselementes sich im Bereich der Schaftung (S) auf den Durchmesser des kleineren bzw. größeren Teiles stetig verjüngt bzw. erweitert.9. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Kunststoffteil (1) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff und mindestens einem Übergangselement (2) aus Titan.8 3 0027/0356
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