DE3640208A1 - Gewindemutter aus faserverbundwerkstoff und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Gewindemutter aus faserverbundwerkstoff und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Mutternelement nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zu seiner
Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruches 6,
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach dem Oberbegriff des Anspruches 8.
Die Schraube-Mutter-Verbindung gehört zur Gruppe der
lösbaren Verbindungselemente und hat durch die Normung
der Gewindeabmessungen sowie die leichte Handhabung
und den zuverlässigen Betrieb eine außerordentliche
Verbreitung in allen Bereichen der Technik gefunden.
Untersucht man eine belastete Gewindeverbindung, so
stellt man fest, daß erhebliche Unterschiede in der
Beanspruchung von Gewindebolzen und Gewindemutter vor
liegen. Diese Tatsache bedingt, daß man die Erkennt
nisse an Elementen mit Außengewinde nur zum Teil auf
Elemente mit Innengewinde übertragen kann. Daraus er
gibt sich die Notwendigkeit zur gesonderten Betrach
tung von Gewindemuttern.
Durch die große Festigkeit und den hohen Entwicklungs
stand der Herstellung werden Stahlschrauben derzeit
eindeutig bevorzugt. Trotzdem haben Gewindeelemente
aus Fasermaterial in einer Matrixeinbettung einen
festen Platz in der Praxis erlangen können. Bedeutsam
hierfür ist insbesondere die Eignung für spezielle
Anforderungen, etwa hinsichtlich elektrischer oder
thermischer Isolierung, chemischer Resistenz oder ei
ner Materialanpassung an andere Werkstoffe.
Hinsichtlich des Materials herrscht zur Zeit in der
Praxis die Glasfaser in einer Kunstharz-Matrix vor.
Die nachfolgende Betrachtung ist aber keineswegs auf
diese Materialkombination eingeschränkt. Es versteht
sich, daß an die Stelle der Glasfaser ohne weiteres
andere Verstärkungsfasern wie z.B. Kohlefasern, Aramid
fasern, Polyesterfasern etc. eingesetzt werden können
und daß für die Matrix neben Duroplasten wie Epoxid
harz, Polyesterharz, Silikonharz oder Polyimidharz
auch Thermoplaste in Betracht kommen. Insbesondere
ist auch die Verwendung von Kombinationen unterschied
licher Fasern zur Erreichung bestimmter physikali
scher Eigenschaften erforderlich.
Darüber hinaus läßt sich die nachfolgende Betrachtung
auch auf Materialkombinationen von bisher geringerer
praktischer Bedeutung wie in Kohlenstoff eingelagerter
Kohlefaser oder in Keramik eingelagerter Borfaser an
wenden.
Eine Gewindemutter wird stets durch die Zugkraft in
nerhalb eines Gewindebolzens beansprucht. Ihr kommt
dabei die Aufgabe zu, die in Längsrichtung des Gewin
debolzens wirkenden Kräfte über die Gewindegänge auf
zunehmen und so umzulenken, daß sie als Druckbelas
tung auf die verschraubten Teile wirken. Durch diese
Kraftumlenkung entstehen im Mutternkörper zwei Zonen
unterschiedlicher Beanspruchung.
Ein das Gewindeprofil tragender Innenbereich weist
zunächst eine Biegebelastung der einzelnen Gewinde
gänge auf. Da es sich bei den Gewindespitzen jedoch
um sehr kurze Biegebalken handelt, nimmt die bei jedem
Biegevorgang vorhandene Abscherwirkung eine erheb
liche Größe ein. Eine Reihe wissenschaftlicher Un
tersuchungen führt aus, daß sich die Gesamtbelastung
eines spitzen Gewindeprofiles in erster Annäherung zu
etwa gleichen Teilen aus Biege- und Abscherwirkung
zusammensetzt.
Bei Gewindeprofilen mit schrägen Flanken, insbeson
dere bei Spitzgewinde, tritt zusätzlich infolge des
Flankenwinkels eine erhebliche Radialkraft auf, die
zu einer Aufweitung der Mutter führt und von einem
Außenbereich des Mutternelementes aufgenommen werden
muß. Die Aufweitung der Mutter führt zu einer Verrin
gerung der Flankenüberdeckung von Mutter- und Bolzen
gewinde und somit zu einer verringerten Tragfähigkeit
der Gewindeprofile.
Neben diesen beiden unterschiedlichen Beanspruchungen
im Innen- und Außenbereich einer Gewindemutter, er
gibt sich durch den Kraftabbau von einer Gewindestufe
zur anderen eine unterschiedliche Belastung der Gewin
degänge. Dabei ist der Gewindegang, der der Muttern
auflage, d.h. dem Lastangriff des Bolzens am nächsten
liegt sehr hoch, der von der Mutternauflage am wei
testen entfernte Gewindegang am niedrigsten belastet.
Diese unterschiedliche Lastverteilung führt bei Gewin
deverbindungen zu einer Erhöhung der Kerbwirkung im
ersten belasteten Gewindegang und ist die Erklärung
für die Tatsache, daß ein Bruch bei dynamisch bean
spruchten Schrauben mit über 90%iger Häufigkeit an
dieser Stelle entsteht.
Die genormte Ausführung von Stahlmuttern berücksich
tigt diese verschiedenen Beanspruchungen durch eine
Reihe von Maßnahmen: Zunächst gelingt es die Biege
und Abscherkräfte dadurch aufzunehmen, daß die Min
desthöhe einer Mutter 0,8 mal Gewindenenndurchmesser
beträgt, wodurch sich eine Mindestzahl von sechs Ge
windegängen ergibt. Die Mutternaufweitung wird erfolg
reich durch die Festlegung einer großen Wandstärke
begrenzt. Die Außenkontur einer Normmutter weist ein
Maß von mindestens 1,5 mal Gewindenenndurchmesser auf.
Somit zeigen Stahlmuttern im Hinblick auf die Biege
und Abscherbelastung der Gewindegänge sowie die Mut
ternaufweitung ein zufriedenstellendes Verhalten auf.
Im Gegensatz dazu ist es bisher nicht gelungen, die
ungleichmäßige Lastverteilung zu beseitigen. Eine
Vielzahl von wissenschaftlichen Veröffentlichungen be
schäftigt sich seit über 50 Jahren mit diesem Problem
und es sind auch eine Reihe von Vorschlägen publiziert
worden, die der Mutter eine unterschiedliche Steifigkeit der
Gewindegänge verleihen sollen, um dadurch eine gleichmäßigere
Spannungsverteilung zu erreichen. Diese Vorschläge
beinhalten entweder eine Veränderung der Außenkontur
der Mutter (Maduschka, L. "Beanspruchung von Schrauben
verbindungen und zweckmäßige Gestaltung der Gewinde
träger", Forschung Ing.-W. Bd 7 (1936) S. 299-305),
oder ein unterschiedlich starkes Einstechen von Rillen
zwischen den Gewindegängen (Seider, W. "Erhöhung der
Tragfähigkeit von Schraube-Mutter-Verbindungen durch
zweckmäßige Lasteinleitung in die Mutter", Diss. TH
Karlsruhe 1979), um dadurch die gewünschte Dehnung
des einzelnen Gewindeganges zu erreichen. Bis auf An
wendung bei extrem großen Muttern, haben diese Verfah
ren keinen Eingang in die Praxis gefunden.
Gewindemuttern aus faserverstärktem Werkstoff,vor
nehmlich glasfaserverstärktem Epoxidharz, werden der
zeit in größeren Stückzahlen von verschiedenen Firmen
nach folgendem Verfahren hergestellt: Eine sogenannte
Glasfaser-Schnittmatte, das ist ein flächiges Gebilde
aus ca 50 mm langen Glasgarnstücken, die wahllos
übereinanderliegend angeordnet und durch ein Binde
mittel zusammengehalten sind, wird mit einem Kunst
harz imprägniert. Teilweise wird auch ein Garngewebe
eingesetzt.
Diese kunstharzimprägnierte Matten- oder Gewebebahn
wird sodann ausgepreßt, indem man sie durch Walzen
laufen läßt, so daß der Glasfasergehalt auf ca 45 Volu
menprozent eingestellt wird. Anschließend wird die
kunstharzimprägnierte Bahn in einem Wärmeofen so be
handelt, daß das Harz etwa halb gehärtet ist. Auf
diese Weise erhält man ein halbstarres im wesentlichen
nicht klebriges Material (Prepreg).
Eine Vielzahl von derartigen Prepregs werden in einem
Formhohlraum gestapelt und sodann unter Erhitzen ver
preßt. Auf diese Weise erhält man einen plattenartigen
Gegenstand, der aus einzelnen Schichten aufgebaut ist.
Aus dem plattenartigen Gegenstand werden dann Stücke
in den gewünschten Abmessungen der Mutter herausge
schnitten. Anschließend wird mit einem Spiralbohrer
eine zentrische Kernbohrung angebracht und mit Hilfe
eines Gewindebohrers das Gewinde eingeschnitten.
Eine mögliche Verbesserung dieses allgemein üblichen
Verfahrens wird in der Offenlegungsschrift DE 34 07
229 dahingehend beschrieben, daß durch die Verwendung
eines auf einer Trommel hergestellten Wickellaminates
die aufwendige Herstellung der Matten- oder Gewebe
prepregs vereinfacht werden soll. Auch hier werden
anschließend mehrere Schichten des Wickellaminates
zu einem plattenartigen Gegenstand verpreßt. Die Her
stellung der Mutter gleicht dann der o.g. Ausführung,
so daß in beiden Fällen sowohl die Außenkontur als
auch das Gewinde durch spanende Formgebung entsteht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gewindemutter aus
Fasermaterial in einer Matrixeinbettung zu schaffen,
welche ohne besonderen Material- oder Fertigungsauf
wand eine wesentliche Verbesserung gegenüber herkömm
lichen Gewindemuttern im Hinblick auf die Aufnahme
der vorhandenen Beanspruchungen, die Korrosionsbestän
digkeit, sowie das Verhalten beim Einsatz in einer
Schraube-Mutter-Verbindung bietet. Aufgabe der Erfin
dung ist es weiterhin, ein verbessertes Herstellungs
verfahren und eine verbesserte Herstellungsvorrichtung
für eine solche Gewindemutter zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabenstellung zunächst
von einer Gewindemutter nach dem Oberbegriff des An
spruches 1 ausgehend mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst.
Es hat sich gezeigt, daß der bisher eingeschlagene
Weg zur Fertigung von Gewindemuttern aus gepreßten
Platten durch spanende Formgebung zwar zu einem hohen
Faseranteil im Gewinde führt, daß dies allein aber
keineswegs ausreicht, alle Anforderungen, die an ein
Mutternelement gestellt werden, zu erfüllen.
Im Hinblick auf die Beanspruchung einer Gewindemutter
durch einen Gewindebolzen zeigt sich der herkömmliche
Aufbau aus Einzelschichten recht positiv, da hier
durch die Fasern im Gewindeprofil senkrecht zur Be
lastungsrichtung angeordnet sind. Es können somit
die Biege- und Abscherbelastungen optimal aufgenom
men werden.
Betrachtet man dagegen die zur Mutternaufweitung
führende Radialbelastung, so stellt man fest, daß die
derzeit hergestellten Mutternelemente für die Auf
nahme dieser Kräfte keine Faserverstärkungen aufwei
sen. Die einzelnen Prepreg- oder Wickelschichten
sind nur durch eine Harzschicht miteinander verbunden,
die keine besondere Festigkeit aufweist. Entsprechen
de Untersuchungen zeigen große Aufweitungen der Mut
ter im Bereich der Lasteinleitung, was bei extrem
hohen Zugkräften (Stahlbolzen mit Festigkeitsklasse
8.8) zu einem axialen Aufplatzen der Mutter führt,
noch bevor die Gewindegänge abgeschert sind.
Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielte ent
scheidende Verbesserung des Festigkeitsverhaltens be
ruht demgegenüber darauf, daß der gesamte Aufbau der
Gewindemutter in einen das Gewindeprofil aufweisenden
Innenbereich und einen die Außenkontur bildenden Au
ßenbereich unterteilt wird, wobei in jedem dieser Be
reiche die auftretende Belastung durch entsprechende
Faseranordnung aufgenommen werden kann.
So zeigt der Innenbereich den bisher üblichen Schich
tenaufbau mit einer Faseranordnung senkrecht zur
Längsachse des Gewindeprofiles, wodurch die Aufnahme
der Biege- und Abscherkräfte gesichert ist. Dagegen
besteht der Außenbereich der neuartigen Gewindemutter
aus einer konzentrischen Wicklung aus Endlosfasern,
die den Innenbereich in einer ausreichenden Dicke
umschließt. Dadurch steht nun Fasermaterial auch zur
Aufnahme der Radiallast zur Verfügung, wodurch die
Mutternaufweitung eng begrenzt und somit die Trag
fähigkeit der Gewindeprofile erheblich vergrößert
werden kann.
Die bisher bekannten Gewindemuttern aus Faserver
bundwerkstoff weisen innerhalb ihres Aufbaus eine
einheitliche Gestaltung im Hinblick auf die Art und
Menge der verwendeten Fasern auf. Dadurch sind die
physikalischen Eigenschaften der einzelnen Schichten
und somit die Dehnfähigkeit der Gewindegänge konstant.
Infolgedessen tritt auch hier, wie bei Stahlmuttern
nachgewiesen, ein hoher Lastanteil im ersten belas
teten Gewindegang auf, was zu erhöhter Kerbwirkung
für den Gewindebolzen führt und dessen Tragfähigkeit
herabsetzt.
Dieses Problem ist bei Gewindebolzen und Muttern aus
glasfaserverstärktem Kunststoff nicht so gravierend,
da sich die Gewindegänge infolge des niedrigen E-Moduls
dieses Materials ohnehin stark verbiegen und so zu
einer verbesserten Lastverteilung führen. Dagegen ist
ein Gewindestab mit Kohlefaserverstärkung, die gegen
über Glasfaser einen weitaus höheren E-Modul und au
ßerordentlich hohe Kerbempfindlichkeit aufweist, durch
die ungleichmäßige Lastverteilung und die dadurch aus
gelöste zusätzliche Kerbwirkung im ersten belasteten
Gewindegang ganz erheblich in seiner Tragfähigkeit
beeinträchtigt.
Hier bietet die Erfindung nach dem Oberbegriff des
Anspruches 4 eine einschneidende Verbesserung der
Tragfähigkeit von Schraube-Mutter-Verbindungen be
dingt durch die Erzielung einer gleichmäßigen Last
verteilung innerhalb der Gewindemutter. Diese gleich
mäßige Lastverteilung ist nur bei Verwendung von
Faserverbundwerkstoffen möglich und wird dadurch er
reicht, daß die einzelnen Schichten, aus denen der
Innenbereich der neuartigen Gewindemutter aufgebaut
ist, Faserverstärkungen aufweisen, die nach Art und
Menge von einer Schicht zur anderen variiert werden
können. Es ist auch möglich verschiedenes Fasermate
rial innerhalb einer Schicht zu kombinieren. Dadurch
lasen sich die physikalischen Eigenschaften und hier
besonders der Elastizitätsmodul der einzelnen Schich
ten in weiten Grenzen verändern, wodurch jeder Gewinde
gang in seiner Dehnfähigkeit an die aufzunehmende
Belastung angepaßt werden kann.
Dieser Effekt, der bei Muttern aus Metall durch die
isotropen Materialeigenschaften nicht möglich ist, kann
bei Faserverbundwerkstoff durch geeignete Wahl der
Faserverstärkung bei einheitlicher Matrix, z.B. Epoxid
harz, erreicht werden.
Dieser gleichmäßige Lastabtrag, erreicht durch ver
änderlichen E-Modul innerhalb eines Elementes, ist
nicht auf eine Gewindemutter beschränkt, sondern könn
te in anderer konstruktiver Ausführung bei praktisch
allen Problemen der Lasteinbringung angewendet werden.
Zur Lösung der Aufgabe ist weiterhin ein Verfahren
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 mit den kennzeich
nenden Merkmalen dieses Anspruches vorgesehen. Hier
bei werden die den Innenbereich der Gewindemutter bil
denden Schichten in den Hohlraum einer Form überein
anderliegend angeordnet und durch einen verschiebbaren
Kolben aufeinandergepreßt. Die Einzelschichten weisen
dabei eine Innenbohrung auf, die der Kernbohrung des
Gewindeprofiles entspricht.
Zur Lösung der Aufgabe ist weiterhin vorgesehen,
eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches
8 auszugestalten. Hierdurch ergibt sich eine Vorrich
tung, die die Herstellung des Innenbereiches der Ge
windemutter sowie die spanlose Formung des Innenge
windes ermöglicht.
Diese spanlose Formgebung des Innengewindes ist in
besonderem Maße dazu geeignet, die erheblichen Nach
teile der bisher üblichen spanenden Gewindeherstellung
zu beseitigen. Neben dem beachtlichen Zeitaufwand für
das Zerschneiden der Platten sowie die Herstellung von
Kernbohrung und Gewindeprofil unterliegen die schnei
denden Werkzeuge einem hohen Verschleiß, denn die Faser
verstärkungen bestehen im Normalfall aus außerordent
lich hartem Material. So läßt sich glasfaserverstärk
ter Kunststoff wirtschaftlich nur mit diamantbestück
tem Werkzeug bearbeiten. Die rauhen Oberflächen der
artiger Werkzeuge ergeben wiederum Werkstückoberflä
chen mit großen Rauhtiefen und dadurch grobe Tole
ranzen der Gewindeabmessungen. Hierdurch können die
Traganteile der einzelnen Gewindegänge sehr unterschied
lich werden, wodurch sich starke Schwankungen in der
Haltbarkeit der Muttern ergeben.
Insbesondere wird durch spanende Herstellung des Gewin
deprofiles die Verstärkungsfaser auf den Profilflan
ken freigelegt. Neben der Tatsache, daß hierdurch die
Verstärkungsfaser einem korrosiven Angriff voll aus
gesetzt ist, nimmt die Rauhigkeit der Flankenoberflä
che sehr große Werte an, was nachweislich zu extrem
hohen Reibungszahlen im Gewinde beim Anziehen von
Schraubenverbindungen aus Faserverbundwerkstoff führt.
Da Schraubenbolzen aus Faserverbundwerkstoff zumeist
geringe Torsionsfestigkeit aufweisen, verhindert die
große Gewindereibung das Einbringen einer ausrei
chend hohen Vorspannkraft, wie es für Schraube-Mutter-
Verbindungen gewünscht wird.
Zusätzlich zu den bisher genannten Mängeln einer spa
nenden Gewindeherstellung bei Mutternelementen aus
Faserverbundwerkstoff zeigen makroskopische Untersu
chungen, daß der Vorgang des Gewindeschneidens, bei
dem in axialer Richtung ein erheblicher Druck ausge
übt wird, zu einer Trennung der einzelnen Prepreg
schichten im Bereich des Gewindeprofiles führt. Da
durch ist der Verbund der Laminatschichten gestört
und die Tragfähigkeit entscheidend beeinflußt.
Die der Erfindung zugrunde liegende spanlose Formge
bung des Gewindeprofiles bewirkt, daß der Werkzeug
verschleiß, der zu hohen Kosten führt, nahezu gänz
lich entfällt. Außerdem sind die Fasern auf den Gewin
deflanken durch eine Harzschicht abgedeckt, wodurch
ein hervorragender Korrosionsschutz gewährleistet
ist. Die Gewindeflanken werden während des Formvor
ganges verdichtet und weisen eine glatte Oberfläche
auf. Hierdurch ist die ertragbare Flächenpressung
verbessert und die Reibungszahl im Gewinde sinkt auf
einen Bruchteil der Werte bei geschnittenem Gewinde
ab. Darüberhinaus erzielt die spanlose Gewindeformung
enge Gewindetoleranzen, wodurch gleichmäßige Festig
keitswerte der Schraube-Mutter-Verbindung gewähr
leistet sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Be
schreibung, in der ein Ausführungsbeispiel des Gegen
standes der Erfindung anhand einer Zeichnung näher
erläutert ist.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 Einen Längsschnitt durch eine Gewindemutter
Fig. 2 Einen Querschnitt durch eine Gewindemutter
Fig. 3 und 4 Einen Längsschnitt durch eine Form zur Her-
stellung des Innenbereiches der Gewindemutter
in aufeinanderfolgenden Fertigungsstellungen
Fig. 5 Einen Querschnitt durch die Form zur Herstel
lung des Innenbereiches der Gewindemutter
Fig. 6 Die Lastverteilung in einer 8-gängigen Gewin
demutter mit konstantem E-Modul
Fig. 7 Den notwendigen E-Modul der einzelnen Gewin
degänge in einer 8-gängigen Gewindemutter mit
mit konstanter Lastverteilung
Fig. 8 Den Anteil der Verstärkungsfasern in den Ge
windegängen, um die E-Modulverteilung nach
Fig. 7 zu erreichen
Fig. 9 Ein ausgestanztes Prepregplättchen
Die im Längsschnitt in Fig. 1 dargestellte insgesamt
mit 1 bezeichnete Gewindemutter besteht aus einem mit 2
gekennzeichneten Innenbereich und einem mit 3 benannten
Außenbereich. Der das Gewindeprofil 5 aufweisende In
nenbereich ist aus einzelnen Schichten 4 aufgebaut,
in denen die Faserstücke 8, gemäß Fig. 2, quer zur
Längsachse der Gewindebohrung in beliebiger Lage zuein
ander angeordnet sind.
Bei dem Gewindeprofil 5 kann es sich um beliebige
herkömmliche Gewinde handeln, die jedoch zur Unter
stützung der spanlosen Formgebung auch Abweichungen
von der Normausführung aufweisen können, etwa in der
Art, daß die die Gewindeflanken verbindenden Radien
vergrößert ausgeführt werden.
Die unterschiedliche Art und Menge der Verstärkungs
fasern in den einzelnen Schichten 4, die zu einem
verschiedenen E-Modul der Gewindegänge führt, ist
durch eine ungleichmäßige Füllung mit gestrichelten
Linien kenntlich gemacht.
Der Außenbereich 3 wird von einer konzentrischen
Wicklung aus Faserrovings 9 gebildet, die den Innen
bereich 2 als starke Wandung umschließt und mit die
sem eine feste Klebverbindung eingeht, die dadurch
begünstigt wird, daß der Innenbereich 2 und der Außen
bereich 3 die gleiche Matrix 7 aufweisen.
Die folgende Darstellung zeigt, daß mit diesem Auf
bau der neuartigen Gewindemutter alle an einem Muttern
element angreifenden Belastungen durch entsprechende
Faserverstärkungen aufgenommen werden können und
gleichzeitig ein von Gewindestufe zu Gewindestufe kon
stanter Lastabtrag vom Bolzen in die Mutter gewähr
leistet ist: Die Biege- und Abscherkräfte innerhalb
des Gewindeprofiles werden durch die Schichten 4 des
Innenbereiches 2 besonders gut aufgenommen, weil die
Verstärkungsfasern 8 eine Richtung quer zur Achse der
Gewindebohrung aufweisen. Die ungerichtete Lage der
Fasern in den Prepregschichten, als sogenannte Wirr
faseranordnung bekannt, ist einfach herzustellen und
hat schon bei herkömmlichen Muttern aus glasfaser
verstärktem Kunststoff zu einer sehr hohen Gewinde
festigkeit geführt. Durch den reinen Harzverbund der
Schichten 4 untereinander würde der Innenbereich 2
eine erhebliche Mutternaufweitung aufweisen, die je
doch durch den Außenbereich 3 verhindert wird, da
dieser eine Anordnung der Faserverstärkung besitzt,
die insbesondere zur Aufnahme von Radialbelastungen
geeignet ist.
Zusätzlich zu den Faseranordnungen im Bereich 2 und
3, die einerseits durch quer zur Belastungsrichtung
liegende Faserstücke 8 die Biege- und Abscherbean
spruchung der Gewindegänge sehr gut aufnehmen können
und andererseits durch konzentrische Rovingwicklun
gen 9 eine Mutternaufweitung verhindern und somit bei
Faserverbundwerkstoffen mit kleinem E-Modul,wie z.B.
glasfaserverstärktem Epoxidharz, ein Mutternelement
mit hoher Belastbarkeit und durch die Dehnfähigkeit
der Gewindegänge auch eine relativ gleichmäßige Last
verteilung ergeben, ist insbesondere bei Verstärkungs
fasern mit hoher Kerbemfindlichkeit und hohem E-Modul,
wie z.B. Kohlefaser, die Möglichkeit gegeben, eine
annähernd konstante Last pro Gewindegang von der Mut
ter auf einen Gewindebolzen zu übertragen.
Der konstante Lastanteil pro Gewindegang ist nur er
reichbar, wenn es gelingt, den einzelnen Gewindegän
gen eine unterschiedliche Dehnfähigkeit zu geben. Da
bei muß der erste belastete Gewindegang eine besonders
große Dehnung aufweisen, die dann mit zunehmender
Mutternhöhe nach einem mathematisch zu bestimmenden
Modus abnimmt. Bei dem hier vorliegenden Mutternele
ment aus Faserverbundwerkstoff wird diese gewünschte
unterschiedliche Dehnfähigkeit durch die Variation
von Art und Menge der Verstärkungsfaser 8 in den
Schichten 4 des Innenbereiches erreicht.
Bekanntlich haben Verstärkungsfasern aus unter
schiedlichem Material auch entsprechend abweichende
physikalische Eigenschaften. So besitzt z.B. Glas
faser einen E-Modul von ca 70 MPa wohingegen Kohle
faser je nach Typ einen solchen von 250 bis 550 MPa
aufweisen kann. Eine Matrix aus Epoxidharz hat dage
gen nur einen E-Modul von 3 MPa und zeigt sich damit
gegenüber den Verstärkungsfasern als sehr weiches
Material.
Glasfaser in Wirranordnung, sogenannte Schnittmatte,
in einer Matrix aus Epoxidharz besitzt bei einem Vo
lumenanteil von ca 45% einen E-Modul von ca 15 MPa.
Dagegen hat Kohlefaser in Wirranordnung in einer Epoxid
harzmatrix ebenfalls bei einem Volumenanteil von 45%
einen E-Modul zwischen 65 und 150 MPa. Mischt man nun
innerhalb einer Schicht Kohle- und Glasfaser, wobei
der Volumenanteil der Verstärkungsfaser jeweils 45%
betragen soll, so läßt sich jeder beliebige E-Modul
zwischen 15 und 150 MPa erreichen, wobei die Matrix
konstant bleibt.
Damit bieten die Faserverbundwerkstoffe die bei iso
tropen Werkstoffen wie Stahl nicht erreichbare Mög
lichkeit, ein Bauteil herzustellen, das innerhalb sei
ner Struktur Bereiche unterschiedlicher E-Module auf
weist. Bei konsequenter Anwendung dieser hervorragen
den Eigenschaft der Faserverbundwerkstoffe auf die
den Innenbereich der Gewindemutter bildenden Schichten
4, besteht die Möglichkeit, jedem Gewindegang einen
anderen E-Modul zu geben, ohne daß sich die Matrix
ändern müßte. Paßt man den E-Modul an die gewünschten
Dehnungen jedes Gewindeganges an, so ergibt sich eine
konstante Lastverteilung in der Mutter. Der gewünsch
te E-Modul jedes Gewindeganges hängt von dem E-Modul
des zum Einsatz kommenden Gewindestabes ab. Mit Hilfe
mathematischer Verfahren, wie z.B. Differenzenglei
chungen oder besser die Finite-Elemente-Methode, läßt
sich der erforderliche E-Modul für jeden Gewindegang
und daraus die Mischungsverhältnisse der verwendeten
Verstärkungsfasern in den einzelnen Schichten des In
nenbereiches ermitteln.
Die in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Gewinde
mutter 1 soll für die Verschraubung mit einem Gewinde
bolzen aus Kohlefaser mit einem E-Modul von 150 MPa
vorgesehen sein und beinhaltet als Fasermaterial sowohl
Glas- als auch Kohlefaser. Das Innengewinde 5 ent
spricht einem metrischen ISO-Gewinde nach DIN 13. Die
Mutternhöhe ist so gewählt, daß 8 volle Gewindegänge
vorhanden sind. Diese Gewindegänge erhalten entspre
chend Fig. 6 bis 8 eine Nummerierung. Dabei wird der
Gewindegang, der dem Lastangriff des Bolzens am nächsten
liegt mit 1., der am entgegengesetzten Ende der Mutter
liegende Gewindegang mit 8. bezeichnet.
Bei der ausschließlichen Verwendung von Kohlefaser in
allen Schichten des Innenbereiches wäre entsprechend
Fig. 6 der E-Modul in allen Gewindegängen gleich und
die Lastverteilung würde die in Fig. 6 unter "Last
anteil" dargestellte Verteilung annehmen. Nimmt man
dagegen gemäß Fig. 7 den Lastanteil in allen Gewinde
gängen als konstant an, so ergibt die Berechnung nach
der Finite-Elemente-Methode eine E-Modul-Verteilung
wie sie in dem entsprechenden Diagramm der Fig. 7 dar
gestellt ist.
Dieser so aufgebaute Innenbereich 2 wird dann vom
Außenbereich 3 bestehend aus einer Wicklung von Kohle
fasern mit einem Volumenanteil von 55% kozentrisch
umschlossen.
Zur Herstellung einer solchen Gewindemutter kann man
von handelsüblichen Halberzeugnissen den sogenannten
Prepregs ausgehen. Diese werden mit den in Fig. 8 ange
gebenen Mischungsverhältnissen aus Glas- und Kohle
faser durch eine entsprechende Tränkung mit Epoxid
harz und Vorhärtung als halbstarre und nahezu trockene
Bahnen hergestellt. Aus diesem plattenartigen Material
werden nun die für die Schichten 4 des Innenbereiches
benötigten Prepregplättchen 25, gemäß Fig. 9, so aus
gestanzt, daß sie die gewünschte Außenkontur 26 des
Innenbereiches 2 und eine zentrische Lochung 27 in der
Größe der Gewindekernbohrung aufweisen. Dieses Aus
stanzen ist ein spanloser Herstellungsvorgang und kann,
wie bei Stahlblech, mit handelsüblichen Werkzeugen
durchgeführt werden.
Die so hergestellten Prepregplättchen 25 werden an
schließend in dem Hohlraum einer beheizbaren Form über
einander geschichtet und unter Druck und Wärme zu ei
nem festen Körper verharzt, wobei noch vor dem Aus
härten der Matrix das Innengewinde spanlos angeformt
wird. Die Position der einzelnen mit unterschiedlicher
Art und Menge von Fasermaterial versehenen Prepreg
plättchen 25 in Abhängigkeit von der Entfernung zur
Lasteinleitung, muß den Angaben für die jeweiligen
Schichten 4 aus Fig. 8 entsprechen und läßt sich durch
Einfärben der Matrix problemlos erreichen und kon
trollieren. Die Anzahl der Prepregplättchen 25 inner
halb einer Schicht 4 hängt von der Mutternhöhe und
der Dicke der Prepregbahnen ab.
Zur Kennzeichnung der Mutternauflage, die grundsätz
lich eben sein muß, kann die dieser Auflage entgegen
gesetzte Begrenzungsfläche der Gewindemutter beliebig
ausgebildet werden. Hier bietet sich ein angepreß
ter Ring 6 aus reinem Harz an, der sofort erkennen
läßt, daß die Krafteinleitung an der entgegengesetz
ten Seite erfolgen muß. Dadurch kann ein falsches
Aufsetzen der Gewindemutter vermieden werden.
Eine Negativform zur Herstellung des Innenbereiches 2
nach Fig. 3 bis 5 besteht aus einem linken Formteil 11,
einem rechten Formteil 12, einem Kolben 14, einem Bol
zen 17 und einer Platte 13, wobei das richtige Zusam
mensetzen dieser Teile durch die Stifte 21 und 22 ga
rantiert wird.
Zur Beschickung der insgesamt mit 10 bezeichneten Form,
werden zunächst das linke und rechte Formteil 11, 12
sowie die Platte 13 fest zusammengefügt. In den Innen
raum der so entstandenen Negativform werden nun die
ausgestanzten Prepregplättchen 25, die nach dem Ver
pressen die Schichten 4 des Innenbereiches 2 ergeben,
in der erforderlichen Stückzahl und entsprechend der
Anordnung nach Fig. 8 aufeinandergestapelt. Anschlie
ßend wird der Kolben 14 eingesetzt und durch eine Druck
kraft belastet. Danach erfolgt das Einsetzen des Bol
zens 17, wobei dessen Außengewinde 18 in das Innenge
winde 20 der Platte 13 so weit eingeschraubt wird, daß
es die Prepregplättchen erreicht.
Nun beginnt der Heizvorgang und mit dem Erweichen der
Harzmatrix werden die Prepregplättchen unter dem Druck
des Kolbens zusammengepreßt. Das überschüssige Harz
kann dabei durch eine Bohrung 23 abgeleitet werden.
Ein Eindringen des Harzes in die Bohrung 15 des Kolbens
wird durch einen Dichtring 24 verhindert.
Ist der Kolben bis an den Bund 16 eingeschoben und
damit die gewünschte Fertigungshöhe der Gewindemutter
erreicht, wird bei noch nicht ausgehärteter Matrix der
Bolzen 17 in die zusammengepreßten Prepregplättchen
eingedreht. Hierbei übernimmt das in der Platte 13
befindliche Innengewinde 20 den dosierten Vorschub des
Bolzens und über die Innenbohrung 15 des Kolbens und
den zylindrischen Teil 19 des Bolzens erfolgt dessen
zentrische Führung. Fig. 4 zeigt das erfolgte Ein
drehen des Bolzens womit das Innengewinde 5 des Innen
bereiches der Gewindemutter durch das Außengewinde des
Bolzens vollständig und gratfrei geformt ist.
Nach erfolgter Aushärtung der Matrix wird zunächst der
Bolzen gänzlich herausgeschraubt und dann durch Öffnen
der Form der Innenbereich freigelegt. Daran schließt
sich die Herstellung des Außenbereiches 3 durch Um
wickeln des Innenbereiches mit endlosen Rovingfäden
auf einer handelsüblichen Wickelvorrichtung an und
letzlich folgt die Verpressung des Außenbereiches in
einer herkömmlichen zwei- oder mehrteiligen Preßform.
Hierdurch wird die Außenform der Gewindemutter kali
briert.
Die Schlüsselweite des in Fig. 2 dargestellten Innen
bereiches 2 entspricht der einer Stahlmutter gleicher
Gewindegröße, während die Wandstärke des Außenberei
ches 3 so gewählt ist, daß die fertige Gewindemutter
die Schlüsselweite der nächst größeren Stahlmutter
aufweist.
Claims (9)
1. Gewindemutter aus Faserverbundwerkstoff, die
einen Hohlkörper mit einem Körperbereich sowie einer
zentralen Bohrung und einem an der Innenfläche der
Bohrung angeformten Gewinde umfasst, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein das Gewindeprofil aufweisender
Innenbereich (2) aus einzelnen quer zur Längsachse
der Bohrung liegenden Schichten (4) aus Verstärkungs
fasern und Matrix aufgebaut ist, während der den
Innenbereich (2) umfassende und die Außenkontur bil
dende Außenbereich (3) aus einer konzentrischen
Wicklung von endlosen Fasersträngen in einer Matrix
einbettung besteht.
2. Gewindemutter aus Faserverbundwerkstoff nach
Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen
Schichten (4) des Innenbereiches (2) jeweils Verstär
kungsfasern (8) aufweisen, deren Länge erheblich
größer ist als die Schichtdicke und die in der Schicht
ebene ohne besondere Vorzugsrichtung angeordnet sind.
3. Gewindemutter aus Faserverbundwerkstoff nach
Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Aus
sendurchmesser des Innenbereiches (2) mindestens 1,5
mal Gewindenenndurchmesser beträgt und in seiner äus
seren Begrenzung die gewünschte Form der Außenkontur
des Außenbereiches (3) aufweist.
4. Gewindemutter aus Faserverbundwerkstoff nach
Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die ein
zelnen Schichten (4) des Innenbereiches (2) unter
schiedliche Art und Menge von Verstärkungsfasern (8)
aufweisen und somit jede einen anderen Elastizitäts
modul besitzen.
5. Gewindemutter aus Faserverbundwerkstoff nach
Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der
Innenbereich (2), der Außenbereich (3) und das Gewin
deprofil (5) jeweils durch spanlose Formgebung her
gestellt sind.
6. Verfahren zur Herstellung einer Gewindemutter
aus Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 bis 5 da
durch gekennzeichnet, daß die für die Herstellung des
Innenbereiches (2) vorbereiteten Schichten (4) in
einer beheizbaren Form (10) aufgenommen, durch einen
in Längsrichtung der Bohrung des Innenbereiches ver
schiebbaren Kolben (14) belastet und noch vor Beendigung des
Aushärtvorganges durch spanlose Formgebung mit einem
Innengewinde versehen werden.
7. Verfahren zur Herstellung einer Gewindemutter
aus Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 6 dadurch
gekennzeichnet, daß die spanlose Formgebung des Innen
gewindes (5) durch das Eindrehen eines mit Außenge
winde versehenen Bolzens (17) in die Bohrung des Innen
bereiches (2) bei noch nicht gehärteter Matrix er
folgt.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 6 und 7 mit einer zweiteiligen zur Entnahme
des Innenbereiches (2) öffenbaren Form und einem ver
schiebbaren Kolben (14) dadurch gekennzeichnet, daß
der Kolben (14) eine Bohrung (15) aufweist, die als
Führung für den zylindrischen Zapfen (19) des Bolzens
(17) dient.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet,
daß eine dem verschiebbaren Kolben (14) gegenüberlie
gende Verschlußplatte (13) eine Bohrung mit Innenge
winde (20) zur exakten Einstellung der Bewegung des
Bolzens (17) aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863640208 DE3640208A1 (de) | 1986-11-25 | 1986-11-25 | Gewindemutter aus faserverbundwerkstoff und verfahren zu ihrer herstellung |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OAV | Publication of unexamined application with consent of applicant | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ROECHLING HAREN KG, 4472 HAREN, DE |
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8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: SEIDEL, EBERHARD, PROF. DIPL.-ING., 6301 WETTENBERG, DE |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
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