WO2022129186A1

WO2022129186A1 - Verbindungsanordnung zwischen einem lasteinleitungselement und einem faser-kunststoff-verbund-bauteil

Info

Publication number: WO2022129186A1
Application number: PCT/EP2021/085921
Authority: WO
Inventors: Andreas Ulbricht; Werner Hufenbach; Stefan Soltysiak; Florian ZEIDLER; Jianying Liang; Peng Li; Yulong GAO; Xiongfei Zhang; Xiaoming Wang; Jiwen GE; Dongfang Chen; Haibo Wang
Original assignee: Crrc Qingdao Sifang Co., Ltd.; CG Rail - Chinesisch-Deutsches Forschungs- und Entwicklungszentrum für Bahn- und Verkehrstechnik Dresden GmbH
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-06-23
Also published as: DE102020133692A1; CN117083464A; JP2023551576A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung (1), aufweisend ein längliches Lasteinleitungselement (2) mit kegelstumpfförmigem Teilbereich (13) und ein Faser-Kunststoff- Verbund-Bauteil (3) mit einer zylinderförmigen Öffnung (4), in welcher das Lasteinleitungselement (2) in einer Einpressrichtung (7) eingepresst ist, o und in der zwischen einer Innenfläche (12) der Öffnung (4) und dem kegelstumpfförmigen Teilbereich (14) des Lasteinleitungselementes (2) wenigstens drei trapezprismenförmige Grundelemente (5) mit einer Basis (9) und zwei kongruenten Grundflächen (8.1) entlang einer kreisförmigen Schnittlinie (13) der Innenfläche (12) derart beabstandet angeordnet sind, dass eine der Grundflächen (8.1) der Grundelemente (5) in Einpressrichtung (7) weist und die Basis (9) der Grundelemente (5) an der Innenfläche (12) anliegt, o wobei zwischen zwei Grundelementen (5) jeweils ein keilförmiges, trapezprismenartiges Presselement (6) derart angeordnet ist, dass eine korrespondierend zum kegelstumpfförmigen Teilbereich (14) des Lasteinleitungselementes (2) ausgebildete Pressbasis (15) zum Lasteinleitungselement (2) weist und eine senkrecht zur Pressbasis (15) bestehende Dicke (7) in Einpressrichtung (7) zunimmt, o wobei zwischen den Grundelementen (5) und den Presselementen (6) sowie zwischen dem kegelstumpfförmigen Teilbereich (14) und den Pressbasen (15) eine reversible Flächenpressung ausgebildet ist, deren Stärke zunimmt, je weiter das Lasteinleitungselement (2) in das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil (3) eingeschoben ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbindung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils und eines Lasteinleitungselementes sowie eine Verwendung einer solchen Verbindungsanordnung.

Description

Verbindungsanordnung zwischen einem Lasteinleitungselement und einem Faser- Kunststoff-Verbund-Bauteil

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung zwischen einem Lasteinleitungselement und einem Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil, wobei das Lasteinleitungselement in einer zylinderförmigen Öffnung des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils eingepresst ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbindung eines solchen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils und eines länglichen Lasteinleitungselementes sowie die Verwendung einer derartigen Verbindungsanordnung.

Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile, also Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV), haben den Vorteil einer großen Stabilität bei der Verwendung einer geringen Menge an Material, so dass sie häufig im Bereich des Leichtbaus eingesetzt werden. Der Leichtbau stellt eine Schlüsseltechnologie dar, um sowohl Materialien als auch Energie effizient einzusetzen. Ziel des Leichtbaus ist es, Konstruktionen mit einer geringen Masse zu realisieren und dadurch die Leistungsfähigkeit von Maschinen und Anlagen zu optimieren. Geschickte Konstruktionen ermöglichen dabei eine hohe Stabilität bei geringem Materialeinsatz.

Als Faser-Kunststoff-Verbund wird ein Werkstoff bezeichnet, bei dem innerhalb einer Kunststoff matrix Verstärkungsfasern eingearbeitet sind. In Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen kommt es durch den Einsatz solcher Verstärkungsfasern zu einem richtungsabhängigen Elastizitätsverhalten des resultierenden Werkstoffes und somit zu Steifigkeiten und Festigkeiten, welche von der Faserorientierung abhängig sind. Unter dem Einsatz geeigneter Ausgangsmaterialien kommt es dabei zu einer Verstärkungswirkung in faserparalleler Richtung.

Um Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbund mit anderen Elementen, insbesondere aus Metall, zu verbinden, müssen die besonderen Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen berücksichtigt werden. Besondere Beachtung bedürfen dabei Verbindungsstellen zwischen Lasteinleitungselementen und Bauelementen aus Faser-Kunststoff-Verbund, an denen starke Lasten in die Bauelemente aus Faser-Kunststoff-Verbund eingeleitet werden, wie es beispielsweise bei einer Anbindung von Torsionsfedern notwendig ist.

Das Einpressen von Lasteinleitungselementen in Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile, beispielsweise in Faser-Kunststoff-Verbund-Rohre, zur Torsionsübertragung erfordert aufgrund der Einpresskräfte eine erhöhte axiale Festigkeit der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile. Dazu werden zur axialen Versteifung lokale Aussteifungen eingebracht. Es werden insbesondere zusätzliche unidirektionale, insbesondere tangentialorientierte Faserlagen, als auch formschlüssige Verbindungen genutzt. [1] Beim Einpressen furcht sich dabei eine am Lasteinleitungselement angeordnete Mikroverzahnung in die unidirektionalen Schläuche ein. Somit stellt das Einpressen ein nicht unerhebliches Risiko zur Beschädigung des Torsionsrohres dar.

Weiterhin führen diese unidirektionalen Schläuche bei einer Torsionsbeanspruchung aufgrund der speziellen Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen zu einer Abminderung der Torsionssteifigkeit. Die verringerte Torsionssteifigkeit stellt insbesondere bei Torsionsfedern einen relevanten Nachteil dar. Der durch die zusätzlich eingebrachten unidirektionalen Schläuche verursachte zusätzliche Materialaufwand ist im Bereich des Leichtbaus ebenfalls unerwünscht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbindung von Lasteinleitungselementen und Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbund zu realisieren, welche sowohl die Torsionssteifigkeit des Bauelementes erhält als auch die anderen aufgeführten Nachteile vermeidet, insbesondere das Leichtbaupotential der Bauteile erhält.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Verbindungsanordnung sowie ein Verfahren und eine Verwendung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Aufgabe wird insbesondere durch eine Verbindungsanordnung gelöst, die ein längliches Lasteinleitungselement mit kegelstumpfförmigem Teilbereich und ein Faser-Kunststoff-Verbund- Bauteil aufweist. Das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil weist eine zylinderförmige Öffnung auf, in welche das Lasteinleitungselement in einer Einpressrichtung eingepresst ist

Dabei sind in der Öffnung zwischen einer Innenfläche der Öffnung des Faser-Kunststoff-Verbund- Bauteils und dem kegelstumpfförmigen Teilbereich des Lasteinleitungselementes wenigstens drei trapezprismenförmige Grundelemente mit einer Basis und zwei kongruenten Grundflächen entlang einer kreisförmigen Schnittlinie der Innenfläche derart beabstandet angeordnet, dass eine der Grundflächen der Grundelemente in Einpressrichtung weist und die Basis der Grundelemente an der Innenfläche der zylinderförmigen Öffnung anliegt. Weiterhin ist zwischen zwei Grundelementen jeweils ein keilförmiges, trapezprismenartiges Presselement angeordnet. Das Presselement weist dabei eine Pressbasis und zwei unterschiedlich große, trapezförmige Grundflächen auf, wobei die Dicke des Presselementes von einer trapezförmigen Grundfläche zur anderen trapezförmigen Grundfläche zunimmt. Das keilförmige, trapezprismenförmige Presselement ist derart zwischen zwei Grundelementen angeordnet, dass die korrespondierend zum kegelstumpfförmigen Teilbereich des Lasteinleitungselementes ausgebildete Pressbasis zum Lasteinleitungselement weist und eine senkrecht auf die Fläche der Pressbasis bestehende Dicke des Presselementes in Einpressrichtung zunimmt. Keilförmig ist im Sinne der Erfindung ein Presselement mit einer in einer Richtung zunehmenden Dicke.

Es ist dabei eine reversible Flächenpressung zwischen den Grundelementen und den Presselementen sowie zwischen dem kegelstumpfförmigen Teilbereich und den Pressbasen ausgebildet, wobei die Stärke der Flächenpressung zunimmt, je weiter das Lasteinleitungselement in das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil eingeschoben ist.

Eine korrespondierend zum kegelstumpfförmigen Teilbereich des Lasteinleitungselementes ausgebildete Pressbasis ist im Sinne der Erfindung eine Form der Pressbasis, welche an die Form des kegelstumpfförmigen Teilbereiches des Lasteinleitungselementes angepasst ist, sodass nicht nur eine punktförmige Berührung der Presselemente mit dem Lasteinleitungselement erfolgt, sondern dass erfindungsgemäß eine Flächenpressung entsteht.

Vorzugsweise ist die Stärke der Flächenpressung an das mittels der Verbindungsanordnung zu übertragende Moment angepasst. Die zulässige Flächenpressung in radialer Richtung für das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil darf dabei nicht überschritten werden.

Die Basis eines Grundelementes liegt an der Innenfläche der zylinderförmigen Öffnung an, wenn das Grundelement an mehreren Punkten Kontakt zur Innenfläche der Öffnung des Faser- Kunststoff-Verbund-Bauteils hat und die Basis zur Innenfläche weist. Es ist aber möglich, dass die Basis des Grundelementes nur im Randbereich die Innenfläche direkt berührt. Gründe dafür sind beispielsweise die Krümmung der zylinderförmigen Öffnung sowie eventuelle Vertiefungen in der Basis des Grundelementes. Bevorzugt umfasst die Basis, die auch als Basisfläche bezeichnet wird, die Auflagekanten des Trapezprismas an der inneren Mantelfläche der zylinderförmigen Öffnung. Um ein Anliegen der Basis an der Innenfläche im Sinne der Erfindung zu realisieren, ist es nicht notwendig, aber möglich, dass die Form der Basis korrespondierend zur Innenfläche ausgebildet ist.

Ein Trapezprisma ist ein Prisma, welches zwei sich gegenüberliegende Grundflächen in Form eines Trapezes aufweist. Die Basis eines Trapezprismas ist dabei die Fläche, welche die beiden größeren Grundseiten der beiden trapezförmigen Grundflächen, also die beiden größeren der beiden parallelen Seiten der beiden Grundflächen, als Seiten umfasst. Die Basis eines Trapezprismas ist häufig die Fläche des Trapezprismas mit dem größten Inhalt. Die Pressbasis ist also jene Fläche des Presselementes, welche die beiden längeren der parallelen Seiten der trapezförmigen Grundflächen umfasst. Bei einem Presselement dessen Pressbasis zur Anpassung an die Form des kegelstumpfförmigen Teilbereiches des Lasteinleitungselementes eine gebogene Form hat, weisen die Grundflächen eine Form auf, welche nicht exakt jener eines Trapezes entspricht, da eine oder zwei der beiden eigentlich parallelen Seiten dann gebogen ausgebildet ist. Im Sinne der Erfindung hat eine solche Grundfläche auch dann eine trapezförmige Form, wenn eine oder beide der parallelen Seiten, also jener mit gleichem Abstand verlaufenden Seiten, gebogen ist oder sind.

Das Trapezprisma ist dabei bevorzugt als gerades Trapezprisma ausgebildet. Wesentlich für die Erfindung ist dabei, dass die Seitenflächen eines als Trapezprisma ausgebildeten Grundelementes mit der Basis einen stumpfen Winkel bilden. Die Seitenflächen sind gegenüber einem Quader also angeschrägt. Die Basis des Trapezprismas, also die Fläche, welche an der inneren Mantelfläche der zylinderförmigen Öffnung anliegt, und auch die anderen Begrenzungsflächen des Trapezprismas, müssen dabei nicht zwingend eine plane Fläche sein, sondern können auch Nuten oder andere Vertiefungen aufweisen. In einer möglichen Variante weist die Basis eine gebogene Form auf, welche korrespondierend zur Wölbung der zylinderförmigen Öffnung ausgebildet ist.

Während die Basisflächen der Grundelemente nach außen zur Innenfläche der Öffnung gerichtet sind, sind die Presselemente derart angeordnet, dass die Basisflächen der Presselemente von der Innenfläche weg und zum Lasteinleitungselement hin weisen.

Im Sinne der Erfindung ist ein kegelstumpfförmiger Teilbereich ein Bereich des Lasteinleitungselementes, der einen sich in Einpressrichtung verjüngenden Durchmesser aufweist. In einer bevorzugten Variante ist der kegelstumpfförmige Teilbereich als Endbereich ausgebildet, also an einem Ende des Lasteinleitungselementes angeordnet, so dass sich der Durchmesser des kegelstumpfförmigen Teilbereiches in Richtung des Endes des Lasteinleitungselementes verjüngt. Die Außenfläche des kegelstumpfförmigen Teilbereiches des Lasteinleitungselementes ist dabei in einer Variante nach Art der Mantelfläche eines Kegelstumpfes ausgebildet und der Querschnitt bzw. die Schnittfläche des kegelstumpfförmigen Teilbereiches ist kreisförmig. Dabei weist jede Pressbasis der Presselemente eine dazu korrespondierende, gewölbte Form auf. Eine andere Variante sieht vor, dass der Querschnitt bzw. die Schnittfläche des kegelstumpfförmigen Teilbereiches einem n-Eck entspricht. Dabei entspricht die Anzahl n der Ecken der Anzahl der Presselemente. Die Pressbasis der Presselemente ist dann nicht gebogen beziehungsweise gewölbt, sondern plan, möglicherweise mit Vertiefungen, ausgebildet. Ein Bauelement ist länglich im Sinne der Erfindung, wenn es deutlich größer in einer ersten Dimension ausgebildet ist als in den beiden anderen Dimensionen. Bevorzugt ist das Bauteil in der langen Dimension wenigstens fünfmal, besonders bevorzugt wenigstens zehnmal, größer als in den beiden anderen Dimensionen.

Die Innenfläche der Öffnung entspricht der Mantelfläche der zylinderförmigen Öffnung, also der geometrischen Mantelfläche eines Zylinders.

Die Presselemente sind als keilförmige Elemente mit trapezförmiger Grundfläche ausgebildet, wobei die dem Lasteinleitungselement zugewandte Seite, also die Pressbasis, der Form des Lasteinleitungselementes angepasst ist. Dabei weist die Pressbasis in einer möglichen Variante Vertiefungen auf. Dabei ist dann nur der die Vertiefungen umgebende Bereich korrespondierend zur Form des Lasteinleitungselementes ausgebildet. Die Fläche der Vertiefung bevorzugt kleiner als 50 % der Fläche der Pressbasis, besonders bevorzugt kleiner als 20 % der Fläche der Pressbasis. In einer möglichen Variante werden Nutsteine beziehungsweise Nutensteine als Grundelemente und als Presselemente verwendet.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil als ein Rohr oder eine Hohlwelle, optional als eine Torsionsfeder oder eine Torsionswelle, ausgebildet. Die Fasern des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteiles sind im Bereich der Verbindungsanordnung optional diagonal, also schräg, zur Einpressrichtung ausgerichtet. Dabei schließen die Fasern des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteiles mit der Einpressrichtung nach einer geeigneten Ausführungsform einen Winkel von 30° bis 60°, bevorzugt von 45° ein. Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Orientierung der Fasern 90° beträgt, wodurch eine höchstmögliche radiale Festigkeit erzeugt wird. Eine bevorzugte Ausführungsform weist drei innenliegende Lagen von 0° und darüber mehrere, beispielsweise 22, Lagen mit einer Orientierung von 45 ° auf.

In einer möglichen Variante ist das Lasteinleitungselement aus Metall ausgebildet.

Durch die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung kann auf zusätzliche unidirektionale Lagen verzichtet werden. Dadurch wird einerseits eine höhere Torsionssteifigkeit des Faser-Kunststoff- Verbund-Bauteils gewährleistet und andererseits weist die Verbindung ein verbessertes Leichtbaupotential auf. Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung kann vorteilhaft als lösbare Verbindung ausgebildet sein. Die Beschädigung des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils durch ein Verpressen mit einem eine Mikroverzahnung aufweisenden Lasteinleitungselement entfällt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung eines Faser-Kunststoff- Verbund-Bauteils mit einer zylinderförmigen Öffnung und eines länglichen Lasteinleitungselements mit einem kegelstumpfförmigen Teilbereich, welches folgende Schritte umfasst: a) Anordnung von wenigstens drei Grundelementen mit der Form eines geraden Trapezprismas, welches zwei kongruente trapezförmige Grundflächen und eine Basis aufweist, im Inneren der Öffnung. Dabei werden die Grundelemente gleichmäßig beabstandet voneinander, entlang einer kreisförmigen Schnittlinie der Öffnung derart angeordnet, dass die Basis zur Innenfläche der Öffnung, also nach außen zum Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil, weist und die Normalen zu den trapezförmigen Grundflächen parallel zu einer Mittelachse der Öffnung verlaufen. b) Halterung einer zur Anzahl der Grundelemente identischen Anzahl von Presselementen mit der Form keilförmiger Trapezprismen, welche zwei unterschiedlich große trapezförmige Grundflächen und eine Pressbasis aufweisen, wobei die Dicke der Presselemente von einer trapezförmigen Grundfläche zur anderen zunimmt, zwischen den Grundelementen. Zwischen zwei Grundelementen wird dabei jeweils ein Presselement positioniert. Die Presselemente werden dabei derart angeordnet, dass die Pressbasis der Presselemente zu der Mittelachse weist und die Normale zu den trapezförmigen Grundflächen parallel zu der Mittelachse verläuft und die senkrecht zur Pressbasis bestehende Dicke der Presselemente in einer in die Öffnung hineinweisenden Einpressrichtung zunimmt Dabei ist die Pressbasis zur Form, also zur Außenfläche, des kegelstumpfförmigen Teilbereiches des Lasteinleitungselementes korrespondierend ausgebildet. c) Einpressen des Lasteinleitungselementes zwischen die Presselemente derart, dass zwischen dem kegelstumpfförmigen Teilbereich und der Pressbasis der Presselemente eine Flächenpressung entsteht. Die Stärke der Flächenpressung nimmt zu, je weiter das Lasteinleitungselement in das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil eingeschoben ist. Dabei wird das Lasteinleitungselement in etwa in die Mitte der angeordneten Presselemente eingepresst.

Die Halterung der Presselemente erfolgt bevorzugt in einem käfigartigen Rahmen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung in einem Drehgestell eines Schienenfahrzeuges, also in einem Torsionsfeder-Drehgestellrahmen.

Konzeptionsgemäß werden durch das axiale Einpressen des kegelstumpfförmigen Teilbereiches des Lasteinleitungselementes die korrespondierend dazu ausgebildeten Presselemente radial nach außen gedrückt. Durch die Vergrößerung der Dicke der Presselemente wird eine Anpresskraft auf das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil aufgebaut und es wird eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt. Es entsteht also eine Pressverbindung zur Lasteinleitung in Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile. Durch das Lösen des Lasteinleitungselementes kann die Verbindung auch wieder gelöst werden.

Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche in zweckmäßiger Anordnung miteinander zu kombinieren.

Ausführungsbeispiele

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung und soll dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Verbindungsanordnung in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2A ein Grundelement in Form eines Trapezprismas,

Fig. 2B ein Presselement in Form eines keilförmigen Trapezprismas,

Fig. 3 eine Verbindungsanordnung in einer Explosionsdarstellung,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer Verbindungsanordnung und

Fig. 5 ein Ausschnitt aus der Schnittdarstellung aus Fig. 4.

Fig. 1 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Verbindungsanordnung 1 , welche perspektivisch dargestellt ist. Dabei sind die Bestandteile der Verbindungsanordnung 1 hier nebeneinander, also als Explosionsgrafik gezeigt. Die Verbindungsanordnung 1 dient der Verbindung zwischen dem Lasteinleitungselement 2 und dem Faser-Kunststoff-Verbund- Bauteil 3. In einer zylinderförmigen Öffnung 4 des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils 3 sind Grundelemente 5 innerhalb der zylinderförmigen Öffnung 4 beabstandet angeordnet. Diese Grundelemente 5 können beispielsweise mittels eines Gitters oder Käfigs in ihrer Position gehalten werden. In den Zwischenräumen zwischen den Grundelementen 5 sind Presselemente 6 positioniert. Die Dicke der Presselemente 6 nimmt in Einpressrichtung 7 zu, sodass eine Pressverbindung zwischen dem Lasteinleitungselement 2 und den Presselementen 6 in Verbindung mit den Grundelemente 5 und dem Faser-Kunststoff-Verbund- Bauteil 3 gewährleistet werden kann. Die Grundelemente 5 haben die Form eines Trapezprismas, welches schematisch in Fig. 2A gezeigt ist. Bevorzugt haben die Grundelemente 5 die Form eines geraden Trapezprismas. Zwei sich gegenüberliegende Grundflächen 8.1 der Grundelemente 5 sind kongruent ausgebildet, haben also identische Abmessungen, und weisen die Form eines Trapezes auf. Die beiden längeren der parallelen Seiten sind auch Seiten der, hier nach unten weisenden, Basis 9 des Grundelementes 5. Die Dicke 10.1 des Grundelementes 5 ist im Sinne der Erfindung die kürzeste Verbindung zwischen den beiden parallelen Seiten der Grundflächen 8.1. Die Seitenflächen 11 des Trapezprismas sind gegenüber den Seitenflächen eines Quaders angeschrägt.

Ein Presselement ist schematisch in Fig. 2B dargestellt. Die Presselemente 6 weisen prinzipiell die Form eines keilartigen oder keilförmigen Trapezprismas auf, wobei die Dicke 10.2 des Presselementes 6 von einer trapezförmigen Grundfläche 8.2 zur anderen trapezförmigen Grundfläche 8.3 zunimmt. Die beiden trapezförmigen Grundflächen 8.2, 8.3 sind über Seitenflächen 11.2 und eine, in dieser Darstellung nach unten weisenden, Pressbasis 15 verbunden. Die Pressbasis 15 ist dabei größer ausgebildet als die ihr gegenüberliegende obere Seite 16. Die Pressbasis 15 und auch die obere Seite 16 weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine gebogene Form auf, welche der Anpassung an die Form des, hier nicht dargestellten, kegelstumpfförmigen Teilbereiches des Lasteinleitungselementes dient.

Fig. 3 zeigt eine Explosionsdarstellung der Verbindungsanordnung 1 zur Verbindung des Lasteinleitungselementes 2 und des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils 3. In der zylinderförmigen Öffnung 4 des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils 3 sind die Grundelemente 5 an der Innenfläche 12 der Öffnung 4 angeordnet. Die Grundelemente 5 werden kreisförmig entlang einer Schnittlinie 13 der Innenfläche 12 positioniert. Die hier gezeigte Schnittlinie 13 verläuft entlang der Innenfläche der zylinderförmigen Öffnung 4, wobei die Schnittlinie senkrecht zur Einpressrichtung 7 verläuft. Es ergibt sich folglich eine kreisförmige Schnittlinie 13. Die Basisflächen 9 liegen an der Innenfläche 12 der zylinderförmigen Öffnung 4 an. Die Basisflächen der Presselemente 6 wiederum weisen nach innen. Die Dicke der Presselemente 6 nimmt in Einpressrichtung 7 zu. Das Lasteinleitungselement 2 weist in seinem Endbereich einen kegelstumpfförmigen Teilbereich 14 auf. Der kegelstumpfförmige Teilbereich 14 weist in diesem Ausführungsbeispiel nur eine sehr geringe Änderung des Außendurchmessers auf, wobei sich der Außendurchmesser in Einpressrichtung 7 verjüngt.

Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung der Verbindungsanordnung 1, wobei eine Vergrößerung des Bereiches A in Fig. 5 dargestellt ist. Das Lasteinleitungselement 2 ist wenigstens abschnittsweise innerhalb des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils 3 angeordnet. Zwischen dem Lasteinleitungselement 2 und dem Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil 3 sind mehrere Grundelemente 5 beabstandet angeordnet In den Bereichen zwischen den Grundelementen 5 sind Presselemente 6 angeordnet. Die Grundelemente 5 sind dabei derart angeordnet, dass die Basis 9 an der Innenfläche 12 des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils 3 anliegt, also nach außen weist. Die Basis 15 der Presselemente 6 weist nach innen und liegt am Lasteinleitungselement 2 an. Zwischen dem Lasteinleitungselement 2 und der Basis 15 der Presselemente 6 besteht eine Flächenpressung. Es wird eine Ableitung der durch das Einpressen des Lasteinleitungselementes 2 auftretenden axialen Kraft in eine radiale Kraft durch die Form sowie die Anordnung der Presselemente 6 und der Grundelemente 5 erreicht.

Zitierte Nichtpatentliteratur:

[1] ’’Konstruktion und technologische Umsetzung von hochbeanspruchten Lasteinleitungssystemen für neuartige Leichtbaustrukturen in Faserverbundbauweise”, Dissertation von Dipl.-Ing. Olaf Helms, Technische Universität Dresden, 2006

Bezugszeichen

1 Verbindungsanordnung

2 Lasteinleitungselement

3 Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil, Bauteil aus Faser-Kunststoff-Verbund

4 Öffnung

5 Grundelemente

6 Presselemente, Keilartige Presselemente, keilförmige Presselemente

7 Einpressrichtung

8.1 Grundfläche eines Grundelementes

8.2 Grundfläche eines Presselementes, kleinere Grundfläche eines Presselementes

8.3 Grundfläche eines Presselementes, größere Grundfläche eines Presselementes

9 Basis eines Grundelementes

10.1 Dicke

10.2 Dicke eines Presselementes

11.1 Seitenfläche

11.2 Seitenfläche eines Presselementes

12 Innenfläche, Innenfläche der Öffnung

13 Schnittlinie

14 Kegelstumpfförmiger Teilbereich, Teilbereich, Endbereich

15 Pressbasis, Basis des Presselementes

16 Obere Seite eines Presselementes

A Ausschnitt aus der Schnittdarstellung

Claims

Patentansprüche

1. Verbindungsanordnung (1), aufweisend ein längliches Lasteinleitungselement (2) mit kegelstumpfförmigem Teilbereich (13) und ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil (3) mit einer zylinderförmigen Öffnung (4), in welcher das Lasteinleitungselement (2) in einer Einpressrichtung (7) eingepresst ist, o wobei in der Öffnung (4) zwischen einer Innenfläche (12) der Öffnung (4) und dem kegelstumpfförmigen Teilbereich (14) des Lasteinleitungselementes (2) wenigstens drei trapezprismenförmige Grundelemente (5) mit einer Basis (9) und zwei kongruenten Grundflächen (8.1) entlang einer kreisförmigen Schnittlinie (13) der Innenfläche (12) derart beabstandet angeordnet sind, dass eine der Grundflächen (8.1) der Grundelemente (5) in Einpressrichtung (7) weist und die Basis (9) der Grundelemente (5) an der Innenfläche (12) anliegt, o wobei zwischen zwei Grundelementen (5) jeweils ein keilförmiges, trapezprismenartiges Presselement (6) mit zwei unterschiedlich großen, trapezförmigen Grundflächen (8.2, 8.3) und einer Pressbasis (15), dessen Dicke (10.2) von einer trapezförmigen Grundfläche (8.2) zur anderen trapezförmigen Grundfläche (8.3) zunimmt, derart angeordnet ist, dass eine korrespondierend zum kegelstumpfförmigen Teilbereich (14) des Lasteinleitungselementes (2) ausgebildete Pressbasis (15) zum Lasteinleitungselement (2) weist und die senkrecht zur Pressbasis (15) bestehende Dicke (10.2) in Einpressrichtung (7) zunimmt, o wobei zwischen den Grundelementen (5) und den Presselementen (6) sowie zwischen dem kegelstumpfförmigen Teilbereich (14) und den Pressbasen (15) eine reversible Flächenpressung ausgebildet ist, deren Stärke zunimmt, je weiter das Lasteinleitungselement (2) in das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil (3) eingeschoben ist.

2. Verbindungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Faser- Kunststoff-Verbund-Bauteil (3) eine Torsionsfeder ist.

3. Verbindungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteiles (3) im Bereich der Verbindungsanordnung (1) diagonal zur Einpressrichtung (7) ausgerichtet sind. Verbindungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasteinleitungselement aus Metall ausgebildet ist. Verbindungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressbasis (15) Vertiefungen aufweist. Verbindungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmige Teilbereich (14) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und die Pressbasis (15) eine dazu korrespondierende, gewölbte Form aufweist. Verbindungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des kegelstumpfförmigen Teilbereiches (14) die Form eines n-Ecks aufweist und dass die Anzahl der Presselemente (6) der Anzahl dieser Ecken entspricht. Verfahren zur Verbindung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (3) mit einer zylinderförmigen Öffnung (4) und eines länglichen Lasteinleitungselements (2) mit einem kegelstumpfförmigen Teilbereich (14), folgende Schritte umfassend: a) Anordnung von wenigstens drei Grundelementen (5) mit der Form eines geraden Trapezprismas, aufweisend zwei kongruente trapezförmige Grundflächen (8.1) und eine Basis (9), im Inneren der Öffnung (4), wobei die Grundelemente (5) gleichmäßig beabstandet voneinander, entlang einer kreisförmigen Schnittlinie (13) der Öffnung (4) derart angeordnet werden, dass die Basis (9) zur Innenfläche (12) der Öffnung (4) weist und die Normalen zu den trapezförmigen Grundflächen (8.1) parallel zu einer Mittelachse der Öffnung (4) verlaufen, b) Halterung einer zur Anzahl der Grundelemente (5) identischen Anzahl von Presselementen (6) mit der Form keilförmiger T rapezprismen, aufweisend zwei unterschiedlich große trapezförmige Grundflächen (8.2, 8.3) und eine Pressbasis (15), wobei die Dicke (10.2) der Presselemente (6) von einer trapezförmigen Grundfläche (8.2) zur anderen trapezförmigen Grundfläche (8.3) zunimmt, derart zwischen den Grundelementen (5), dass die Pressbasis (15) der Presselemente (6) zu der Mittelachse weist und die Normale zu den trapezförmigen Grundflächen (8.2, 8.3) parallel zu der Mittelachse verläuft, und die senkrecht zur Pressbasis (15) bestehende Dicke (10.2) der Presselemente (6) in einer in die Öffnung (4) hineinweisenden Einpressrichtung (7) zunimmt, wobei die Pressbasis (15) zur Form des kegelstumpfförmigen Teilbereiches (14) des Lasteinleitungselementes (2) korrespondierend ausgebildet ist, c) Einpressen des Lasteinleitungselementes (2) zwischen die Presselemente (6) derart, dass zwischen dem kegelstumpfförmigen Teilbereich (14) und der Pressbasis (15) der Presselemente (6) eine Flächenpressung entsteht, deren Stärke zunimmt, je weiter das Lasteinleitungselement (2) in das Faser- Kunststoff-Verbund-Bauteil (3) eingeschoben ist. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung der Presselemente (6) in einem käfigartigen Rahmen erfolgt. Verwendung einer Verbindungsanordnung (1) nach einem derAnsprüche 1 bis 7 in einem Drehgestell eines Schienenfahrzeuges.