DE4337043C2 - Befestigungselement für Keramikbauteile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Befestigungs- oder Verbindungselement für Keramikbauteile in Form einer Schraube, die aus faserverstärkter Keramik besteht, einen Schraubenschaft mit einem Gewinde aufweist, der aus einer Platte gefertigt ist, und bei der Verstärkungsfasern in Form von Fasergeweben (Laminaten) in den keramischen Werkstoff der Schraube eingelassen sind, deren Faserlagen parallel zur Plattenoberfläche liegen.

Faserverstärkte keramische Werkstoffe gehören aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit bei niedrigem spezifischem Gewicht zu den wichtigsten Werkstoffen bei Entwicklungen im Raumfahrtbereich.

Derzeit werden zahlreiche Strukturbauteile für Thermalschutz, Raketenantriebe oder ähnliches aus solchen Werkstoffen hergestellt. Dabei werden größere Fertigbauteile aus fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Gründen aus Einzelteilen nach der Methode des Trennens und Fügens gebaut, wobei zur Verbindung solcher Bauteile Befestigungselemente erforderlich sind. Ihre allgemeine Bedeutung wird klar, wenn man berücksichtigt, daß sie der Anwendung nach das häufigste Strukturelement überhaupt sind: Gewindeverbindungen spielen im Maschinenbau, bei Flugzeugstrukturen und in vielen anderen technischen Bereichen traditionell eine große Rolle.

Aus der Veröffentlichung "Schunk Report", Ausgabe 2, Dezember 1987 (Seiten 4 und 5) ist es bekannt, Schrauben mit und ohne Muttern aus polymeren CFK- Verbundwerkstoffen herzustellen, wobei die Kohlenstoffasern u. a. auch in Form einzelner Faserstränge oder auch als Gewebe eingesetzt werden. Dort wird darauf hingewiesen, daß die Faserverstärkung neuerdings auch bei Keramiken oder Metallen eingesetzt wird. In einer fotografischen Darstellung dieser Veröffentlichung sind einzelne Bauteile, z. B. auch Schrauben, aus solchen Werkstoffen gezeigt, wobei bei einer dargestellten Schraubenform der Kopf und der Anfang sowie das Ende des Mittelstegs plattenförmig sind, der mittlere Gewindeabschnitt jedoch ein voll umlaufendes Gewinde zeigt (Abbildung auf Seite 4). Allerdings finden sich in der Druckschrift über die genaue Lage der Verstärkungsfasern ebenso wie über die eingesetzten Gewindeformen keinerlei Angaben.

In der DE-C-29 20 357 werden Befestigungs- bzw. Verbindungselemente in Form von Schrauben angegeben, die aus faserverstärkter Keramik bestehen, einen mit einem Gewinde versehenen Schraubenschaft aufweisen, der aus einer Platte gefertigt ist, und bei denen Verstärkungsfasern in Form von Fasergeweben in den keramischen Werkstoff der Schrauben eingelassen sind, deren Faserlagen parallel zur Plattenoberfläche liegen. Dabei wird aus der Platte ein zylindrischer Schraubenkern herausgearbeitet und dessen Mantelfläche mit einer schraubenlinienförmig verlaufenden Ausnehmung versehen, in die mit einem härtbaren Kunststoff imprägnierte Kohlenstoffäden eingelegt werden. Nach dem Aushärten und Carbonisieren des Kunstharzes wird anschließend in die Wickelschicht parallel zur Schraubenlinie ein Gewinde als Schraubengewinde eingeschnitten. Auch hierbei wird ein voll umlaufender Gewindeabschnitt der Schraube eingesetzt, wobei allerdings das Einbringen der schraubenlinienförmig verlaufenden Ausnehmung in die Mantelfläche, das Auslegen derselben mit harzimprägnierten Kohlenstoffäden sowie das später dort noch erforderliche Einschneiden eines Gewindes in die Wickelschicht parallel zur Schraubenlinie ein aufwendiges Herstellungsverfahren bedingt und damit die Kosten der Schraube deutlich erhöht.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Befestigungs- oder Verbindungselement so weiterzuentwickeln, daß es bei besonders hoher Tragfähigkeit und hoher Biegefestigkeit der Gewindegänge auch eine geringe Beschädigungsgefahr bei der Montage zeigt.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Befestigungs- oder Verbindungselement der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die Dicke der Platte weniger als 90% des Kerndurchmessers des Gewindes beträgt, die Gewindegänge des Gewindes ein Profil von 90° aufweisen und Fasern mit -45°/+45° Orientierung parallel zu den Gewindeflanken liegen.

Bei der erfindungsgemäßen faserverstärkten Keramikschraube wird dadurch, daß die Dicke der Ausgangsplatte weniger als 90% des Kerndurchmessers des Gewindes beträgt, erreicht, daß das angebrachte Gewinde nicht mehr voll um den Schaft der Schraube umläuft, sondern nur noch an zwei Seiten trägt, während die anderen Plattenseiten eben und ohne Gewindegänge sind, d. h. das Gewinde ist an diesen beiden Seiten senkrecht zur planen Plattenoberfläche unterbrochen. Durch die Unterbrechung des Gewindes werden die auf Kantenbruch gefährdeten Teile der Gewindegänge von Anfang an vermieden, wodurch gleichzeitig eine gute Haltbarkeit und Formbeständigkeit erreicht wird. Da das Gewinde, in einer Ebene gesehen, jeweils nur an zwei Seiten trägt und an den senkrecht dazu stehenden Seiten der Platte ein Spiel zwischen dem Gewinde und der zugehörigen Schraubenmutter beim Einschrauben besteht, kann sich die Mutter bei Belastung des Gewindes durch elliptische Verformung besser anpassen, wodurch sich bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schrauben eine weitere Verbesserung im praktischen Einsatzfall ergibt.

Durch das weitere erfindungsgemäß eingesetzte Merkmal der Verwendung von Gewindegängen mit einem Gewindeprofil von 90° wird sowohl die Tragfähigkeit, wie auch die Biegefestigkeit der Gewindegänge erhöht, was wegen der Anrißempfindlichkeit der Keramik und auch zur Reduktion der Umlauflänge der Gewinde besonders günstig ist. Für dieses Gewindeprofil, das nicht den üblicherweise eingesetzten Gewindeprofilen entspricht, wird im Vergleich zu Normalgewinden eine größere Steigung und eine niedrigere Anzahl von Umdrehungen der Schraube bei der Montage erreicht, so daß sich die Gefahr vermindert, daß es bei der Montage zu einer Beschädigung des Gewindes kommen kann.

Schließlich wird auch noch durch die Forderung, daß eingelagerte Fasern mit -45°/+45° Orientierung parallel zu den Gewindeflanken liegen sollen, das Gewindeprofil zusätzlich verstärkt. Gerade die Verbindung der Faserverstärkung mit dem 90°-Profil der Gewindegänge bietet die Möglichkeit, die an sich höhere radiale Belastung durch das 90°-Profil der Gewindegänge gut zu kompensieren, so daß die Verwendung dieser an und für sich unüblichen Gewindeform in vorteilhafter Weise möglich wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin, daß die Gewindegänge an jedem Ein- und Auslauf abgeflacht sind.

Bevorzugt wird der Schraubenkopf als vierkantiger Flachkopf, z. B. als Hammerkopf mit den Ausgangsabmessungen der Platte, ausgebildet. Dadurch läßt sich die Schraube besonders einfach in Position halten bzw. gegen Drehen sichern.

In einer weiteren vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird der Schraube eine Mutter aus durch Fasergewebe verstärkter Keramik mit einem kontinuierlichen Innengewinde zugeordnet, welches das Fasergewebe der Keramik der Mutter senkrecht durchschneidet. Bei der Mutter als zweitem Teil des Gewindepaares liegt ein kontinuierliches Innengewinde vor, da hier die Restlänge der durch die Bohrung unterbrochenen Fasern im Gewebe nicht, wie bei der Schraube möglich, bis auf Null reduziert wird. Der Außendurchmesser der Mutter ist größer als bei der Standardform, um die höhere radiale Belastung durch das 90°-Profil zu kompensieren. Da das Gewinde der Schraube erfindungsgemäß nur an zwei Seiten trägt, kann an den senkrecht dazu stehenden Seiten infolge des Spiels zwischen Mutter und Schraube die Mutter bei Belastung des Gewindes sich durch eine elliptische Verformung besonders gut anpassen, wobei die Größe des Außendurchmessers rechnerisch optimierbar ist.

Ganz besonders bevorzugt werden ferner die Faserschichten des erfindungsgemäßen Befestigungs- oder Verbindungselementes mit 0°/90° und mit ±45° Orientierung ausgerichtet. Hierdurch wird nicht nur eine gute Verstärkung des Gewindeprofils erreicht, sondern durch gezielte Auswahl der Faseranteile in Richtung der Schraubenachse können auch die Vorspannungseigenschaften der Schraube eingestellt werden, wobei die Schraube sowohl für axiale wie auch für Scherverbindungen gut eingesetzt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend in der Zeichnung im Prinzip schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Schraube;

Fig. 2 einen (vergrößerten) Schnitt durch einen Gewindegang des Gewindes der Schraube aus Fig. 1, sowie

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Gewindeabschnitts einer erfindungsgemäßen Schraube mit einer zugehörigen Mutter, im nicht-zusammengeschraubten Zustand.

Die in Fig. 1 dargestellte Schraube besteht aus faserverstärkter Keramik, weist einen Kopf 1 und einen Schaft 2 aus und ist aus einer Platte mit Faserlagen 3, 3′ parallel zu ihrer Oberfläche hergestellt. Die Plattendicke ist kleiner als 90% des Kerndurchmessers eines Gewindes 5, mit dem die Schraube versehen ist, so daß beim Gewindeschneiden ein Gewindeprofil entsteht, das an beiden Seiten senkrecht zur planen Oberfläche 7 der Schraube unterbrochen ist (vgl. Fig. 1 und 3). Die Gewindegänge 4 des Gewindes 5 haben, wie Fig. 2 in vergrößertem Schnitt durch einen Gewindegang 4 zeigt, einen Flankenwinkel von 90° und sind an jedem Ein- und Auslauf 6 (Fig. 3) abgeflacht. Das Profil des Schraubenkopfes 1 ist vierkantig, wie dies Fig. 1 zeigt.

Die Platte aus faserverstärkter Keramik ist durch geeignete Kombination von Gewebe- Faserlagen 3 bzw. 3′ mit 0°/90° bzw. -45°/+45° gerichteten Fasern erstellt. Dadurch wird erreicht, daß über die 0°-Fasern der Faserlagen 3 mit 0°/90° Ausrichtung die Vorspannungseigenschaften der Schraube in Richtung des Schraubenschaftes 2 geregelt werden können, wobei die ±45° Faserlagen 3′ stets parallel zu den Gewindeflanken 4 liegen (vgl. Fig. 2).

Die zu der Schraube gehörige Mutter 8 gemäß Fig. 3 besteht ebenfalls aus faserverstärkter Keramik 9 und weist ein kontinuierliches Innengewinde 10 auf, welches das Fasergewebe der Keramik 9 senkrecht durchschneidet.

Claims (5)

1. Befestigungs- oder Verbindungselement für Keramikbauteile in Form einer Schraube, die aus faserverstärkter Keramik besteht, einen Schraubenschaft mit einem Gewinde aufweist, der aus einer Platte gefertigt ist, und bei der Verstärkungsfasern in Form von Fasergeweben (Laminaten) in den keramischen Werkstoff der Schraube eingelassen sind, deren Faserlagen parallel zur Plattenoberfläche liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Platte wenigstens 90% des Kerndurchmessers des Gewindes beträgt, die Gewindegänge des Gewindes (5) ein Profil von 90° aufweisen und Fasern mit -45°/+45° Orientierung parallel zu den Gewindeflanken (4) liegen.

2. Befestigungs- oder Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindegänge an jedem Ein- und Auslauf (6) abgeflacht sind.

3. Befestigungs- oder Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenkopf (1) als vierkantiger Flachkopf ausgebildet ist.

4. Befestigungs- oder Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraube (1, 2) eine Mutter (8) aus durch Fasergewebe verstärkter Keramik (9) mit einem kontinuierlichen Innengewinde (10) zugeordnet ist, welches das Fasergewebe der Keramik (9) der Mutter (8) senkrecht durchschneidet.

5. Befestigungs- oder Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß seine Faserschichten mit 0°/90° (3) und ±45° (3′) Orientierung ausgerichtet sind.