DE3640208C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gewindemutter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zu deren 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 C2 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 lassen 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 Kerbempfindlichkeit 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 GPa wohingegen Kohle­ faser je nach Typ einen solchen von 250 bis 550 GPa aufweisen kann. Eine Matrix aus Epoxidharz hat dage­ gen nur einen E-Modul von 3 GPa 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 GPa. Dagegen hat Kohlefaser in Wirranordnung in einer Epoxid­ harzmatrix ebenfalls bei einem Volumenanteil von 45% einen E-Modul zwischen 65 und 150 GPa. 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 GPa 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 GPa 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 letztlich 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, wobei zumindest ein das Gewindeprofil aufweisender Innenbereich aus einzelnen quer zur Längsachse der Bohrung liegenden Schichten aus Verstärkungsfasern und Matrix aufgebaut ist, gekennzeichnet durch einen den Innenbereich (2) umfassenden und die Außenkontur bildenden Außenbereich (3), der aus einer konzentrischen Wicklung von endlosen Fasersträngen in einer Matrixeinbettung 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 äu­ ßeren 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.