EP3510290A1 - Unterlegscheibe für einen verbundwerkstoff, system aus einer unterlegscheibe und einem verbundwerkstoff und ein verfahren zur herstellung einer konstruktion - Google Patents

Unterlegscheibe für einen verbundwerkstoff, system aus einer unterlegscheibe und einem verbundwerkstoff und ein verfahren zur herstellung einer konstruktion

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Publication number
EP3510290A1
EP3510290A1 EP17758861.3A EP17758861A EP3510290A1 EP 3510290 A1 EP3510290 A1 EP 3510290A1 EP 17758861 A EP17758861 A EP 17758861A EP 3510290 A1 EP3510290 A1 EP 3510290A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
washer
composite material
metallic cover
base body
cover layers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17758861.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Azeddine Chergui
Mustafa Al
Jürgen Goldmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG, ThyssenKrupp AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Publication of EP3510290A1 publication Critical patent/EP3510290A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B43/00—Washers or equivalent devices; Other devices for supporting bolt-heads or nuts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B19/00—Bolts without screw-thread; Pins, including deformable elements; Rivets
    • F16B19/04—Rivets; Spigots or the like fastened by riveting
    • F16B19/08—Hollow rivets; Multi-part rivets
    • F16B19/086—Self-piercing rivets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/01—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of fastening elements specially adapted for honeycomb panels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/02—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of fastening members using screw-thread
    • F16B5/0241—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of fastening members using screw-thread with the possibility for the connection to absorb deformation, e.g. thermal or vibrational

Definitions

  • the invention relates to a washer for a composite comprising at least two metallic cover layers and at least one non-metallic core layer disposed between the metallic cover layers, a washer and composite system, and a method of making a structure.
  • Washers and the use of washers are just as well known as composites, which have two metallic cover layers and a non-metallic core layer arranged between the metallic cover layers.
  • the aim is to combine the positive material properties of the metallic cover layers with those of the non-metallic core layer.
  • the present invention solves the problem by a washer for a composite material having at least two metallic cover layers and at least one disposed between the metallic cover layers non-metallic core layer, wherein the washer has a base body with a recess for receiving a connecting element along a connecting direction and from the main body in Having connecting direction protruding foot member for self-fixing of the washer on the composite material.
  • the washer is designed over the foot member for self-fixing so that the tightening torque applied when connecting the composite to a component is substantially absorbed by the self-fixing washer.
  • the foot elements are used to fix the washer, preferably rotatably fix by engaging in the composite material.
  • the base body is an annular disc whose central opening provides the recess for receiving.
  • the foot member (s) defines an underside with which the washer contacts the composite in use.
  • a bottom side opposite the top of a support surface, for. B. for a screw head provides.
  • an annular disc thickness substantially corresponds to a height dimensioned in the connection direction of the foot element.
  • the height of the feet projecting from the base body is less than a total thickness of the composite, so that a complete penetration of the foot elements can be avoided when the washer rests with its underside on the composite material and engages with the foot elements in the composite material.
  • the washer has a plurality of foot elements evenly distributed along the annular disc.
  • the foot element has a cutting surface with a cutting angle on one end face, wherein the cutting angle is in particular a value between 0 ° and 50 °, preferably a value between 2 ° and 40 ° and particularly preferably between 5 ° and 30 °.
  • the cutting angle between the cutting surface and a perpendicular to the connecting direction plane is measured.
  • the cutting surfaces in this case allow a simplified penetration of the foot element into the composite material via the metallic cover layer on a contact side on which the washer rests.
  • the cutting surfaces assist in opening the metallic capping layer when the washer penetrates into the composite for self-securement.
  • the foot element has, on a side facing the recess, an inner edge which runs obliquely at an angle relative to the connecting direction, wherein the angle preferably has a value between 30 ° and 60 °, preferably a value between 35 ° and 50 ° and more preferably between 40 ° and 45 °.
  • the oblique inner edge advantageously supports the displacement of the non-metallic core layer upon penetration of the foot element into the composite material.
  • an underside of the base body facing the base element extends obliquely with respect to a plane extending perpendicular to the connecting direction, wherein the underside is inclined, in particular in the direction of the recess, to an upper side of the base body, which is opposite to the underside.
  • a dome-shaped contour is formed on the underside of the main body, in the center of which the recess for receiving the connecting element is arranged.
  • Another object of the present invention is a system of a washer, in particular a washer according to the invention, and a composite material having at least two metallic cover layers and at least one disposed between the metallic cover layers non-metallic core layer, wherein a projecting from a main body of the washer in the connecting direction foot element is configured such that the foot element engaging in the composite material via an abutment side comes into contact with the metallic cover layer opposite the abutment side.
  • the nonmetallic core layer can be bridged in an advantageous manner by contacting the opposing metallic cover layer, and the washer is fixed by means of the metallic cover layer lying opposite on the contact side.
  • the foot elements are designed for this purpose depending on the shape of the composite material, in particular its thickness.
  • a material of which the foot element or the washer is designed is adapted depending on the metal or the thickness of the cover layer and / or depending on the material or the thickness of the non-metallic core layer.
  • the foot element protrudes from the base body with a height dimensioned in the connection direction, wherein the height is greater than the sum of a layer thickness of the non-metallic core layer and a layer thickness of one of the two metallic cover layers.
  • a further subject of the present invention is a method for forming a construction by joining a composite material comprising at least two metallic cover layers and at least one nonmetallic core layer arranged between the metallic cover layers and a component by means of a connection element comprising the following method steps:
  • the connecting element is a screw with which the composite material and the component are connected to one another.
  • the foot elements are pressed into the composite material in such a way that they engage in the composite material and thus fix the washer, in particular fix it in a rotationally fixed manner.
  • the hole is realized by means of a bore or a punching operation.
  • the hole is provided below the recess of the washer.
  • the composite material for pressing the washer is heated.
  • Another object of the present invention is an apparatus for a method according to the invention, wherein the device comprises a support surface, such as an Ambos, and a hold-down, in particular a ring hold-down, for fixing a composite material between the support surface and the hold-down, wherein in the hold down a longitudinally movable punch is provided for pressing in the foot elements of a washer in the composite material.
  • a support surface such as an Ambos
  • a hold-down in particular a ring hold-down
  • FIG. 1 shows a washer according to an exemplary embodiment of the present invention in a sectional view (left) and a bottom view (right).
  • Figures 2a to 2d show process steps for a method of forming a structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a construction produced by a method from FIGS. 2a to 2d.
  • a washer 10 according to an exemplary embodiment of the present invention is shown in a sectional view (left) and a bottom view (right).
  • the washer 10 is intended to assist in bonding a composite material 20 having, for example, two metallic cover layers 21 and a non-metallic core layer 22 disposed between the metallic cover layers 21 to a component 40 or other composite workpiece.
  • the washer 10 comprises a base body 11, in particular a disk-shaped base body 11, which has a recess 13 for receiving a connecting element, which engages through the recess 13 when connecting along a connecting direction V.
  • the connecting element is a screw 42.
  • the base body 11 forms a closed ring, in particular an annular disc.
  • the washer 10 comprises in particular in the connecting direction V protruding from the main body 11 foot elements 12.
  • the foot elements 12 are arranged on a connecting to the composite material 20 on a composite material 20 facing the bottom 16 and are in the connection in the Intervene composite material 20 and thus ensure self-fixation.
  • the bottom view shown on the right side of Figure 1 is directed to this bottom 16.
  • the washer 10 comprises on its underside 16 a plurality of preferably uniformly distributed foot elements 12.
  • the foot elements 12 have on their front side a cutting surface 14 with a cutting angle a 2 , wherein the cutting angle a 2 in particular a value between 0 ° and 50 °, preferably assumes a value between 2 ° and 40 ° and particularly preferably between 5 ° and 30 °.
  • the cutting angle a 2 is measured with respect to a plane perpendicular to the connecting direction V level.
  • the cutting angle a 2 in the direction of the recess 13 to the bottom 16 of the base body 11 are inclined towards.
  • the inner edge is formed by two inner sides of the foot element 12 that converge toward the recess 13.
  • the underside 16 of the main body 11 extends obliquely with respect to a plane perpendicular to the connecting direction V, wherein the bottom 16, in particular in the direction of the recess 13 to an upper side 17 of the base body 11, which is opposite to the bottom 16, inclined.
  • the washer 10 is shown together with the composite material 20.
  • the foot elements 12 when engaging in the composite material 20 by a disposed on a contact side 23 metallic cover layer 21 and the non-metallic core layer 22 and engage the metallic cover layer 21, which faces the contact side 23 contacted.
  • the foot member 12 protrudes with a measured in the direction of connection V height H from the base body 11, wherein the height H is greater than the sum of a layer thickness t k of the non-metallic core layer 22 and a layer thickness t 1: t 2 one of the two Metallic cover layers 21.
  • the washer 10 is designed such that the base body 11 rests with its underside 16 on the contact side 23 of the composite material 20, while the foot elements 12 contact the plant side 23 opposite metallic cover layer 21. Furthermore, it is provided that the height H of the foot elements 12 does not exceed a total layer thickness of the composite material 20 in order to prevent the foot elements 12 from protruding on the composite material 20 on the side opposite the installation side 23. Furthermore, it is conceivable that a pane thickness of the main body 11 substantially corresponds to the height of the foot elements 12.
  • FIGS. 2a to 2d show process steps for a method for forming a construction according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the composite material 20 and the washer 10, in particular the washer 10 from FIG. 1 are provided.
  • the composite material 20 in a in Figure 2a illustrated method step on a support surface, in particular a counter-holder or anvil 34 placed and then fixed with a hold-down 31, in particular a ring hold, on the anvil 34.
  • the hold-down 31 comprises a contact element 36 which presses against the composite material 20 with a spring element 33, by means of which the composite material 20 is fixed.
  • the spring elements 33 in particular a uniform pressing of the composite workpiece 20 to the anvil 34 can be supported.
  • the washer 10 is further arranged.
  • the foot elements 12 of the washer 10 are supported on the abutment side 23 of the composite material 20, while at the top 17 of the washer 10, a punch 32 is applied.
  • the punch 32 in one of the hold-down 31 above the
  • Placed washer 10 provided channel is arranged longitudinally displaceable. Furthermore, it is conceivable that the washer 10 is arranged or placed on the composite material 20 by means of a feed device, in particular by means of an automated feed device, within the channel in the hold-down device 31.
  • a pressing in of the washer 10 into the composite material 20 is shown.
  • the punch 32 is longitudinally displaced along the connecting direction V in the channel and the fitting on an end face of the punch 32 washer 10 is entrained so that it is pressed in the direction of the composite material 20 movement in the composite material 20 or pressed.
  • a hole is introduced into the composite material 20, for example through a hole or a punching.
  • the composite material 20 remains heated, for example via the anvil 34, during the method steps illustrated in FIGS. 2a to 2d, in particular to a temperature between 180.degree. C. and 350.degree. But it is also conceivable that the composite material 20 is heated only during individual process steps to the temperature between 180 ° and 350 ° C.
  • the composite material 20 is heated in the composite material 20 before and / or during the pressing in of the washer 10.
  • the non-metallic core region 22 can be melted down, as a result of which a force application required for pressing in can ultimately be reduced.
  • Fig. 3 a construction is made by a method of Figs. 2a to 2d, d. H.
  • the fabricated construction is illustrated schematically and by way of example.
  • the component 40 and the composite material 20 are connected to one another via a connecting element designed as a screw 42.
  • a connecting element designed as a screw 42.
  • a screw head of the screw 42 also rests on an upper side 17 of the washer 10.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt eine Unterlegscheibe für einen Verbundwerkstoff, der mindestens zwei metallische Deckschichten und mindestens eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete nichtmetallische Kernschicht aufweist, vor, wobei die Unterlegscheibe einen Grundköper mit einer Aussparung zur Aufnahme eines Verbindungselements entlang einer Verbindungsrichtung und ein vom Grundkörper in Verbindungsrichtung abstehendes Fußelement zur Selbstfixierung der Unterlegscheibe an dem Verbundwerkstoff aufweist.

Description

BESCHREIBUNG
Unterlegscheibe für einen Verbundwerkstoff, System aus einer Unterlegscheibe und einem Verbundwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung einer Konstruktion
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Unterlegscheibe für einen Verbundwerkstoff, der mindestens zwei metallische Deckschichten und mindestens eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete nichtmetallische Kernschicht aufweist, ein System aus einer Unterlegscheibe und einem Verbundwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung einer Konstruktion .
Unterlegscheiben und das Verwenden von Unterlegscheiben sind genauso hinlänglich bekannt wie Verbundwerkstoffe, die zwei metallische Deckschichten und eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete nichtmetallische Kernschicht aufweisen. Dabei wird bei den typischerweise in einer Sandwichbauweise zusammengesetzten Verbundwerkstoffen das Ziel verfolgt, die positiven Materialeigenschaften der metallischen Deckschichten mit denjenigen der nichtmetallischen Kernschicht zu vereinen .
Zur Bildung einer dauerhaften und thermisch stabilen Verbindung zwischen dem Verbundwerkstoff mit einem weiteren Bauteil kennt der Stand der Technik beispielswiese das Verfahren aus DE 10 2012 109 047 B3, bei dem die nichtmetallische Kernschicht gezielt erwärmt, beim Festziehen des Verbindungselements mindestens eine metallische Deckschicht zumindest bereichsweise verformt und die erwärmte nichtmetallische Kernschicht durch die Verformung verdrängt wird .
Allerdings hat sich herausgestellt, dass dieses gezielte Erwärmen zu einem Verlust eines beim Herstellen der Verbindung zwischen dem Verbundwerkstoff und dem Bauteil aufgebrachten Anzugdrehmoments von mehr als 90% führen kann . Ursache hierfür ist ein Fließen des erwärmten nichtmetallischen Materials, insbesondere eines Kunststoffs, in eine Bohrung, durch die ein Verbindungsmittel zum Verbinden hindurchgreifen soll .
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Verbinden eines Verbundwerkstoffs mit einem Bauteil oder einem anderen Verbundwerkstoff Verluste eines beim Verbinden eingebrachten Anzugdrehmoments zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe durch eine Unterlegscheibe für einen Verbundwerkstoff, der mindestens zwei metallische Deckschichten und mindestens eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete nichtmetallische Kernschicht aufweist, wobei die Unterlegscheibe einen Grundköper mit einer Aussparung zur Aufnahme eines Verbindungselements entlang einer Verbindungsrichtung und ein vom Grundkörper in Verbindungsrichtung abstehendes Fußelement zur Selbstfixierung der Unterlegscheibe an dem Verbundwerkstoff aufweist.
Gegenüber dem Stand der Technik ist die Unterlegscheibe über das Fußelement zur Selbstfixierung ausgelegt, so dass das beim Verbinden des Verbundwerkstoffs mit einem Bauelement aufgebrachte Anzugdrehmoment im Wesentlichen von der selbstfixierenden Unterlegscheibe aufgenommen wird . Infolgedessen ist der Einfluss eines Fließens der nichtmetallischen Kernschicht in die Bohrung in Hinblick auf das Anzugdrehmoment von geringerer Bedeutung als im Stand der Technik. Dabei dienen insbesondere die Fußelemente dazu, die Unterlegscheibe zu fixieren, vorzugsweise drehfest zu fixieren, indem sie in den Verbundwerkstoff eingreifen .
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Grundkörper um eine Ringscheibe, deren zentrale Öffnung die Aussparung zur Aufnahme bereitstellt. Ferner legt das oder die Fußelemente eine Unterseite fest, mit der die Unterlegscheibe im Einsatz mit dem Verbundwerkstoff in Kontakt tritt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass eine der Unterseite gegenüberliegende Oberseite eine Auflagefläche, z. B. für einen Schraubkopf, bereitstellt. Weiterhin ist es vorstellbar, dass eine Ringscheibendicke im Wesentlichen einer in Verbindungsrichtung bemessenen Höhe des Fußelements entspricht. Vorzugsweise ist die Höhe der vom Grundkörper abstehenden Fußelemente kleiner als eine Gesamtdicke des Verbundwerkstoffs, so dass ein vollständiges Durchdringen der Fußelemente vermieden werden kann, wenn die Unterlegscheibe mit ihrer Unterseite an dem Verbundwerkstoff anliegt und mit den Fußelementen in den Verbundwerkstoff eingreift. Insbesondere weist die Unterlegscheibe mehrere entlang der Ringscheibe gleichmäßig verteilte Fußelemente auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Fußelement an einer Stirnseite eine Schneidfläche mit einem Schneidwinkel aufweist, wobei der Schneidwinkel insbesondere einen Wert zwischen 0° und 50°, bevorzugt einen Wert zwischen 2° und 40° und besonders bevorzugt zwischen 5° und 30° annimmt. Hierbei bemisst sich der Schneidwinkel zwischen der Schneidfläche und einer senkrecht zur Verbindungsrichtung verlaufenden Ebene. Die Schneidflächen erlauben hierbei ein vereinfachtes Eindringen des Fußelements in den Verbundwerkstoff über die metallische Deckschicht auf einer Anlageseite, an der die Unterlegscheibe anliegt. Mit anderen Worten : Die Schneidflächen unterstützen ein Öffnen der metallischen Deckschicht, wenn die Unterlegscheibe zur Selbstfixierung in den Verbundwerkstoff eindringt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Fußelement auf einer der Aussparung zugewandten Seite eine gegenüber der Verbindungsrichtung unter einem Winkel schräg verlaufende Innenkante aufweist, wobei der Winkel vorzugsweise einen Wert zwischen 30° und 60°, bevorzugt einen Wert zwischen 35° und 50° und besonders bevorzugt zwischen 40° und 45° annimmt. Die schräg verlaufende Innenkante unterstützt vorteilhaft das Verdrängen der nichtmetallischen Kernschicht beim Eindringen des Fußelements in den Verbundwerkstoff.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass eine dem Fußelement zugewandte Unterseite des Grundkörpers gegenüber einer senkrecht zur Verbindungsrichtung verlaufenden Ebene schräg verläuft, wobei die Unterseite insbesondere in Richtung der Aussparung zu einer Oberseite des Grundkörpers, die der Unterseite gegenüberliegt, geneigt ist. Dadurch bildet sich an der Unterseite des Grundkörpers eine kuppeiförmige Kontur aus, in deren Zentrum die Aussparung zur Aufnahme des Verbindungselements angeordnet ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System aus einer Unterlegscheibe, insbesondere einer erfindungsgemäßen Unterlegscheibe, und einem Verbundwerkstoff, der mindestens zwei metallische Deckschichten und mindestens eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete nichtmetallische Kernschicht aufweist, wobei ein von einem Grundkörper der Unterlegscheibe in Verbindungsrichtung abstehendes Fußelement derart ausgestaltet ist, dass das über einer Anlageseite in den Verbundwerkstoff eingreifende Fußelement mit der auf der Anlageseite gegenüberliegenden metallischen Deckschicht in Kontakt tritt.
Dadurch kann in vorteilhafter Weise durch das Kontaktieren der gegenüberliegenden metallischen Deckschicht die nichtmetallische Kernschicht überbrückt werden und die Unterlegscheibe wird mittels der auf der der Anlageseite gegenüberliegenden metallischen Deckschicht fixiert. Insbesondere sind die Fußelemente hierzu abhängig von der Form des Verbundwerkstoffs, insbesondere dessen Dicke, ausgestaltet. Weiterhin ist es vorstellbar, dass ein Material, aus dem das Fußelement bzw. die Unterlegscheibe gestaltet ist, abhängig vom Metall bzw. der Dicke der Deckschicht und/oder abhängig vom Material bzw. der Dicke der nichtmetallischen Kernschicht angepasst ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Fußelement mit einer in Verbindungsrichtung bemessenen Höhe vom Grundkörper absteht, wobei die Höhe größer ist als die Summe einer Schichtdicke der nichtmetallischen Kernschicht und einer Schichtdicke einer der beiden metallischen Deckschichten . Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise sicherstellen, dass die in den Verbundwerkstoff eingedrungenen Fußelemente bis zu der metallischen Deckschicht reichen, die der Anlageseite gegenüberliegt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bildung einer Konstruktion durch Verbinden eines mindestens zwei metallische Deckschichten und mindestens eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete nichtmetallische Kernschicht aufweisenden Verbundwerkstoffs und eines Bauelements mittels eines Verbindungselements umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
— Bereitstellen eines Systems aus einer Unterlegscheibe und eines Verbundwerkstoffs, insbesondere eines erfindungsgemäßen Systems,
— Positionieren der Unterlegscheibe an einer Anlageseite des Verbundwerkstoffs, wobei ein von einem Grundkörper abstehendes Fußelement an die metallische Deckschicht an der Anlagenseite angelegt wird
— Reindrücken der Unterlegscheibe in den Verbundwerkstoff entlang der Verbindungsrichtung
Realisieren eines Lochs im Verbundwerkstoff und
— Einsetzen des Verbindungselements in eine Aussparung im Grundkörper und in das Loch . Vorzugsweise handelt es sich bei dem Verbindungselement um eine Schraube, mit der der Verbundwerkstoff und das Bauelement miteinander verbunden werden. Insbesondere werden die Fußelemente in den Verbundwerkstoff derart eingedrückt, dass sie in den Verbundwerkstoff eingreifen und so die Unterlegscheibe fixieren, insbesondere drehfest fixieren .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Loch mittels einer Bohrung oder eines Stanzvorgangs realisiert wird . Hierbei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Loch unterhalb der Aussparung der Unterlegscheibe bereitgestellt wird .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff zum Reindrücken der Unterlegscheibe erwärmt wird .
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung für ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Vorrichtung eine Auflagefläche, beispielsweise einen Ambos, und einen Niederhalter, insbesondere einen Ringniederhalter, zur Fixierung eines Verbundwerkstoffs zwischen der Auflagefläche und dem Niederhalter aufweist, wobei im Niederhalter ein längsbeweglicher Stempel zum Reindrücken von Fußelementen einer Unterlegscheibe in den Verbundwerkstoff vorgesehen ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen . Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Figur 1 zeigt eine Unterlegscheibe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht (links) und einer Untersicht (rechts).
Die Figuren 2a bis 2d zeigen Verfahrensschritte für ein Verfahren zur Bildung einer Konstruktion gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung .
Die Figur 3 zeigt eine Konstruktion hergestellt mit einem Verfahren aus den Figuren 2a bis 2d.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In Figur 1 ist eine Unterlegscheibe 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht (links) und einer Untersicht (rechts) dargestellt. Insbesondere ist die Unterlegscheibe 10 dazu vorgesehen, das Verbinden eines Verbundwerkstoffs 20, der beispielsweise zwei metallische Deckschichten 21 und eine zwischen den metallischen Deckschichten 21 angeordnete nichtmetallische Kernschicht 22 aufweist, mit einem Bauelement 40 oder einem anderen Verbundwerkstück zu unterstützen. Hierzu umfasst die Unterlegscheibe 10 einen Grundkörper 11, insbesondere einen scheibenförmigen Grundkörper 11, der eine Aussparung 13 zur Aufnahme eines Verbindungselements, das beim Verbinden entlang einer Verbindungsrichtung V durch die Aussparung 13 hindurchgreift, aufweist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Verbindungselement um eine Schraube 42. Vorzugsweise bildet der Grundkörper 11 einen geschlossenen Ring, insbesondere eine Ringscheibe. Zur Minimierung eines Verlustes hinsichtlich eines Anzugdrehmoments umfasst die Unterlegscheibe 10 insbesondere in Verbindungsrichtung V vom Grundkörper 11 abstehende Fußelemente 12. Die Fußelemente 12 sind dabei auf einer beim Verbinden mit dem Verbundwerkstoff 20 auf einer dem Verbundwerkstoff 20 zugewandten Unterseite 16 angeordnet und sollen beim Verbinden in den Verbundwerkstoff 20 eingreifen und so für eine Selbstfixierung sorgen. Die auf der rechten Seite der Figur 1 dargestellte Untersicht ist auf diese Unterseite 16 gerichtet. Insbesondere umfasst die Unterlegscheibe 10 an ihrer Unterseite 16 mehrere, vorzugsweise gleichmäßig verteilte Fußelemente 12. Ferner ist es vorgesehen, dass die Fußelemente 12 an ihrer Stirnseite eine Schneidfläche 14 mit einem Schneidwinkel a2 aufweisen, wobei der Schneidwinkel a2 insbesondere einen Wert zwischen 0° und 50°, bevorzugt einen Wert zwischen 2° und 40° und besonders bevorzugt zwischen 5° und 30° annimmt. Hierbei bemisst sich der Schneidwinkel a2 gegenüber einer senkrecht zur Verbindungsrichtung V verlaufenden Ebene. Vorzugsweise sind die Schneidwinkel a2 in Richtung der Aussparung 13 zur Unterseite 16 des Grundkörpers 11 hin geneigt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Fußelement 12 auf einer der Aussparung 13 zugewandten Seite eine gegenüber der Verbindungsrichtung V unter einem Winkel ai schräg verlaufende Innenkante 15 aufweist, wobei der Winkel ai vorzugsweise einen Wert zwischen 30° und 60°, bevorzugt einen Wert zwischen 35° und 50° und besonders bevorzugt einen Wert zwischen 40° und 45° annimmt. Insbesondere wird die Innenkante durch zwei zur Aussparung 13 hin zusammenlaufende Innenseiten des Fußelements 12 gebildet. Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Unterseite 16 des Grundkörpers 11 gegenüber einer senkrecht zur Verbindungsrichtung V verlaufenden Ebene schräg verläuft, wobei die Unterseite 16 insbesondere in Richtung der Aussparung 13 zu einer Oberseite 17 des Grundkörpers 11 , die der Unterseite 16 gegenüberliegt, geneigt ist. Dadurch ergibt sich auf der Unterseite 16 insbesondere ein kuppelähnlicher Verlauf, in deren Zentrum die Aussparung 13 zur Aufnahme des Verbindungselements, beispielswiese einer Schraube 42, angeordnet ist.
In der auf der linken Seite der Figur 1 illustrierten Schnittansicht ist die Unterlegscheibe 10 zusammen mit dem Verbundwerkstoff 20 dargestellt. Um dem Vorspannkraftverlust entgegenzuwirken, ist es insbesondere vorgesehen, dass die Fußelemente 12 beim Eingreifen in den Verbundwerkstoff 20 durch eine auf einer Anlageseite 23 angeordnete metallische Deckschicht 21 und die nichtmetallische Kernschicht 22 hindurchgreifen und die metallische Deckschicht 21, die der Anlageseite 23 gegenüberliegt, kontaktiert. Hierzu ist es vorgesehen, dass das Fußelement 12 mit einer in Verbindungsrichtung V bemessenen Höhe H vom Grundkörper 11 absteht, wobei die Höhe H größer ist als die Summe einer Schichtdicke tk der nichtmetallischen Kernschicht 22 und einer Schichtdicke t1: t2 einer der beiden metallischen Deckschichten 21. Vorzugsweise ist die Unterlegscheibe 10 derart ausgestaltet, dass der Grundkörper 11 mit seiner Unterseite 16 auf der Anlageseite 23 des Verbundwerkstoffs 20 anliegt, während die Fußelemente 12 die der Anlageseite 23 gegenüberliegende metallische Deckschicht 21 kontaktieren . Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Höhe H der Fußelemente 12 nicht eine Gesamtschichtdicke des Verbundwerkstoffs 20 überschreitet, um zu vermeiden, dass die Fußelemente 12 auf der der Anlagenseite 23 gegenüberliegenden Seite am Verbundwerkstoff 20 herausragen. Weiterhin ist es vorstellbar, dass eine Scheibendicke des Grundkörpers 11 im Wesentlichen der Höhe der Fußelemente 12 entspricht.
In den Figuren 2a bis 2d sind Verfahrensschritte für ein Verfahren zur Bildung einer Konstruktion gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei ist es vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff 20 und die Unterlegscheibe 10, insbesondere die Unterlegscheibe 10 aus der Figur 1 , bereitgestellt werden. Hierbei wird der Verbundwerkstoff 20 in einem in Figur 2a dargestellten Verfahrensschritt auf einer Auflagefläche, insbesondere einem Gegenhalter oder Ambos 34 platziert und anschließend mit einem Niederhalter 31, insbesondere einem Ringniederhalter, auf dem Ambos 34 fixiert. Hierzu umfasst der Niederhalter 31 ein mit einem Federelement 33 gegen den Verbundwerkstoff 20 drückendes Kontaktelement 36, durch das der Verbundwerkstoff 20 fixiert wird . Mittels der Federelemente 33 lässt sich dabei insbesondere ein gleichmäßiges Andrücken des Verbundwerkstücks 20 an den Ambos 34 unterstützen . Innerhalb einer Aussparung des Niederhalters 31 wird ferner die Unterlegscheibe 10 angeordnet. Dabei stützen sich die Fußelemente 12 der Unterlegscheibe 10 auf der Anlageseite 23 des Verbundwerksoffs 20 ab, während an der Oberseite 17 der Unterlegscheibe 10 ein Stempel 32 anliegt. Insbesondere ist es hierbei vorgesehen, dass der Stempel 32 in einem vom Niederhalter 31 oberhalb der
platzierten Unterlegscheibe 10 bereitgestellten Kanal längsverschiebbar angeordnet ist. Weiterhin ist vorstellbar, dass die Unterlegscheibe 10 mittels einer Zuführeinrichtung, insbesondere mittels einer automatisierten Zuführeinrichtung, innerhalb des Kanals im Niederhalter 31 an dem Verbundwerkstoff 20 angeordnet bzw. platziert wird . In dem in Figur 2b dargestellten Verfahrensschritt wird ein Reindrücken der Unterlegscheibe 10 in den Verbundwerkstoff 20 dargestellt. Hierzu wird der Stempel 32 entlang der Verbindungsrichtung V im Kanal längsverschoben und die an einer Stirnseite des Stempels 32 anliegende Unterlegescheibe 10 wird mitgeführt, so dass sie bei der auf den Verbundwerkstoff 20 gerichteten Bewegung in den Verbundwerkstoff 20 hineingedrückt bzw. reingedrückt wird . In Figur 2c wird ein Loch, beispielsweise durch eine Bohrung oder ein Stanzen, in den Verbundwerkstoff 20 eingebracht. Vorstellbar ist dabei, dass ein Stanzstempel 35 oder ein Bohrkopf durch den für das Reindrücken der Unterlegscheibe 10 vorgesehenen Stempel 32 und/oder die Aussparung der Unterlegscheibe 10 beim Stanzen oder Bohren hindurchgeführt wird. Dadurch kann mittels des Stempels 32 und der Aussparung die Führung des Stanzstempels 35 oder des Bohrkopfs in vorteilhafter Weise unterstützt werden. In der Figur 2d wird schließlich das Verbindungsmittel in die Bohrung eingeführt, indem das Verbindungsmittel durch die Aussparung 13 der Unterlegscheibe 10 und das Loch hindurchgesteckt wird .
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff 20, beispielsweise über den Ambos 34, während der in den Figuren 2a bis 2d dargestellten Verfahrensschritte erwärmt wird, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 180°C und 350°C , oder untemperiert bleibt . Es ist aber auch vorstellbar, dass der Verbundwerkstoff 20 nur während einzelner Verfahrensschritte auf die Temperatur zwischen 180° und 350°C erhitzt wird . Bevorzugt wird der Verbundwerkstoff 20 zeitlich vor und/oder während des Reindrückens der Unterlegscheibe 10 in den Verbundwerkstoff 20 erwärmt. Dadurch lässt sich der nichtmetallische Kernbereich 22 aufschmelzen, wodurch letztendlich ein für das Reindrücken erforderlicher Krafteinsatz reduziert werden kann . In Figur 3 ist eine Konstruktion hergestellt mit einem Verfahren aus den Figuren 2a bis 2d, d . h. nach dem Abschluss des Verfahrens zur Bildung der Konstruktion, dargestellt. Mit anderen Worten: die gefertigte Konstruktion ist schematisch und beispielhaft illustriert. Hierbei werden das Bauelement 40 und der Verbundwerkstoff 20 über ein als Schraube 42 ausgestaltetes Verbindungselement miteinander verbunden . Bauelementseitig ist dabei an die Schraube eine Mutter 41 zu Fixierung der Schraube 42 im Loch montiert. Ein Schraubkopf der Schraube 42 liegt außerdem auf einer Oberseite 17 der Unterlegscheibe 10 auf.
Bezugszeichenliste
10 Unterlegscheibe
11 Grundkörper
12 Fußelement
13 Aussparung
14 Schneidfläche
15 Innenkante
16 Unterseite
17 Oberseite
20 Verbundwerkstoff
21 Deckschicht
22 Kernschicht
23 Anlageseite
31 Niederhalter
32 Stempel
33 Federelement
34 Ambos
35 Stanztempel
36 Kontaktelement
40 Bauelement
41 Mutter
42 Schraube
O l Winkel
a2 Schneidwinkel
V Verbindungsrichtung
H Höhe
tblj tb2, tk Schichtdicke

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Unterlegscheibe (10) für einen Verbundwerkstoff (20), der mindestens zwei metallische Deckschichten (21) und mindestens eine zwischen den metallischen Deckschichten (21) angeordnete nichtmetallische Kernschicht (22) aufweist, wobei die Unterlegscheibe (10)
- einen Grundkörper (11) mit einer Aussparung (13) zur Aufnahme eines Verbindungselements entlang einer Verbindungsrichtung (V) und
- ein vom Grundkörper (11) in Verbindungsrichtung (V) abstehendes Fußelement (12) zur Selbstfixierung der Unterlegscheibe (10) an dem Verbundwerkstoff (20) aufweist.
Unterlegscheibe (10) gemäß Anspruch 1, wobei das Fußelement (12) an einer Stirnseite eine Schneidfläche (14) mit einem Schneidwinkel (a2) aufweist, wobei der Schneidwinkel (a2) insbesondere einen Wert zwischen 0° und 50°, bevorzugt einen Wert zwischen 2° und 40° und besonders bevorzugt ein Wert zwischen 5° und 30° annimmt.
Unterlegscheibe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fußelement (12) auf einer der Aussparung (13) zugewandten Seite eine gegenüber der Verbindungsrichtung (V) unter einem Winkel (ai) schräg verlaufende Innenkante (15) aufweist, wobei der Winkel (cii) vorzugsweise einen Wert zwischen 30° und 60°, bevorzugt einen Wert zwischen 35° und 50° und besonders bevorzugt zwischen 40° und 45° annimmt.
Unterlegscheibe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine dem Fußelement (12) zugewandte Unterseite (16) des Grundkörpers (11) gegenüber einer senkrecht zur Verbindungsrichtung (V) verlaufenden Ebene schräg verläuft, wobei die Unterseite (16) insbesondere in Richtung der Aussparung (13) zu einer Oberseite (17) des Grundkörpers (11), die der Unterseite (16) gegenüberliegt, geneigt ist.
System aus einer Unterlegscheibe (10), insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und einem Verbundwerkstoff (20), der mindestens zwei metallische Deckschichten (21) und mindestens eine zwischen den metallischen Deckschichten (21) angeordnete nichtmetallische Kernschicht (22) aufweist , wobei ein von einem Grundkörper (11) der Unterlegscheibe (10) in Verbindungsrichtung (V) abstehendes Fußelement (12) derart ausgestaltet ist, dass das über eine Anlageseite (23) in den Verbundwerkstoff (20) eingreifende Fußelement (12) mit der auf der Anlageseite (23) gegenüberliegenden metallischen Deckschicht (22) in Kontakt tritt.
6. System gemäß Anspruch 5, wobei das Fußelement (12) mit einer in Verbindungsrichtung (V) bemessenen Höhe (H) vom Grundkörper (11) absteht, wobei die Höhe (H) größer ist als die Summe einer Schichtdicke (tk) der nichtmetallischen Kernschicht (22) und einer Schichtdicke (tbi, tb2) einer der beiden metallischen Deckschichten (21), insbesondere der metallischen Deckschicht (21) auf der Anlageseite (23).
7. Verfahren zur Bildung einer Konstruktion durch Verbinden eines mindestens zwei metallische Deckschichten (21) und mindestens eine zwischen den metallischen Deckschichten (21) angeordnete nichtmetallische Kernschicht (22) aufweisenden Verbundwerkstoffs (20) und eines Bauelements (40) mittels eines Verbindungselements umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- Bereitstellen eines Systems aus einer Unterlegscheibe (10) und eines Verbundwerkstoffs (20), insbesondere eines Systems gemäß einem der Ansprüche 5 und 6,
- Positionieren der Unterlegscheibe (10) an einer Anlageseite (23) des Verbundwerkstoffs (20), wobei ein von einem Grundkörper (11) abstehendes Fußelement (12) an die metallische Deckschicht (21) an der Anlagenseite (23) angelegt wird
- Reindrücken der Unterlegscheibe (10) in den Verbundwerkstoff (20) entlang der Verbindungsrichtung (V)
- Realisieren eines Lochs im Verbundwerkstoff (20) und
- Einsetzen des Verbindungselements in eine Aussparung (13) im Grundkörper (11) und in das Loch .
8. Verfahren gemäß Anspruch 7 , wobei das Loch mittels einer Bohrung oder eines Stanzvorgangs realisiert wird .
9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei der Verbundwerkstoff (20) zum Reindrücken der Unterlegscheibe (10) erwärmt wird.
10. Vorrichtung für ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Vorrichtung eine Auflagefläche und einen Niederhalter (31) zur Fixierung eines Verbundwerkstoffs (20) zwischen der Auflagefläche und dem Niederhalter (31) aufweist, wobei im Niederhalter (31) ein längsbeweglicher Stempel (32) zum Reindrücken von Fußelementen (12) einer Unterlegscheibe (10) in den Verbundwerkstoff (20) vorgesehen ist
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