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Dokumentenidentifikation DE102006030894A1 03.01.2008
Titel Verstärktes Kraftübertragungsteil
Anmelder Beltec Industrietechnik GmbH, 40667 Meerbusch, DE
Erfinder Tsukamoto, Kenichi, 40667 Meerbusch, DE
Vertreter Braun-Dullaeus Pannen Schrooten Haber, 40470 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 01.07.2006
DE-Aktenzeichen 102006030894
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse F16B 37/00(2006.01)A, F, I, 20070131, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16B 33/02(2006.01)A, L, I, 20070131, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Kraftübertragungsteil mit einem Körper (2) aus einem anisotropen Faserverbundwerkstoff, wobei das Kraftübertragungsteil (1) mindestens ein Gewinde (4) aufweist, durch das eine axiale Kraft übertragbar ist, wobei das Kraftübertragungsteil (1) zumindest teilweise ein Verstärkungselement (3) umschließt und/oder zumindest teilweise von einem Verstärkungselement (3) umgeben ist, wobei das Verstärkungselement (3) aus einem isotropen und/oder homogenen Material besteht und form- und/oder kraftschlüssig mit dem Körper (2) des Kraftübertragungsteils (1) verbunden ist und wobei das mindestens eine Gewinde (4) in das Verstärkungselement (3) eingebracht ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftübertragungsteil aus einem Faserverbundwerkstoff nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Solche Kraftübertragungsteile haben mindestens ein Innen- oder Außengewinde, um darüber eine in einer axialen Richtung wirkende Kraft übertragen zu können. Sie sind vermittels des einen oder mittels mehrerer Gewinde formschlüssig festlegbar und können als temporäres oder permanentes Montage- und/oder Befestigungsteil beispielsweise als Mutter, Kupplung, Schäkel, Adapter, Spannschloss, Installationswerkzeug, Bolzen oder dergleichen ausgeführt und auch selbst Teil eines Werkstückes sein.

Derartige Kraftübertragungsteile können insbesondere im Zusammenhang mit Ankern beispielsweise im Bergbau oder beim Tunnelbau zur Sicherung von Bauelementen wie beispielsweise Decken, Wände, Firste, Ulmen oder Stöße eingesetzt werden. Üblicherweise werden sie dabei auf korrosionsgeschützte oder aus Faserverbundmaterial hergestellte Stäbe bzw. Anker oder auf andere Bauteile mit zumindest stabähnlichen Abschnitten oder Enden festgelegt bzw. aufgeschraubt.

Das Kraftübertragungsteil kann insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt sein, wobei sowohl in axialer Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung oder schräg zur Längsrichtung verlaufende Fasern in eine Kunststoffmatrix eingebettet sein können.

Derartige Kraftübertragungsteile sind herkömmlicherweise aus Stahl, insbesondere als Mutter bekannt. Dabei können jedoch Korrosionsprobleme auftreten und bei entsprechend hohen Belastungen kann es zu einem sogenannten Festfressen der Werkstoffpaarung analog eines von Stahl bekannten Kaltverschweißens kommen, so dass die Schraubverbindung nicht mehr oder nur unter entsprechend hohem Aufwand gelöst werden kann, was nicht nur bei temporären Schraubverbindungen einen erheblichen Nachteil darstellt.

Um diese Probleme zu vermeiden sind bereits Kraftübertragungsteile aus faserverstärktem Kunststoff vorgeschlagen worden. Derartige Schraubteile, beispielsweise Muttern aus Faserverbundmaterial haben üblicherweise in der Harzmatrix angeordnete, relativ lange, quer zur Schraubachse gewickelte Fasern.

Bei Permanentanwendungen mit einer Haltbarkeit von über 60 Jahren ist beispielsweise für Felsanker im Berg- und Tunnelbau, für Dübel in der Befestigungstechnik, für Stäbe, Bügel, Körbe und dergleichen in Bewehrungen und Schalungen sowie für dazu erforderliches Schraubzubehör, Montagehilfen, Anbauteile und dergleichen eine mechanische und absolute chemische Beständigkeit erforderlich.

Auf dafür geeignete, besonders gewindeprofilierte Faserverbundstäbe (FiReP-Stäbe) werden Schraubteile wie Muttern mit einem Innengewinde aufgeschraubt, die ebenso wie das Stabmaterial auch aus Faserverbundmaterial hergestellt werden.

Die Verbundmaterialien unterscheiden sich im mechanischen Verhalten von Stahl hinsichtlich Dehnung, Plastifizierung, Bruchdehnung, E-Modul (Spannungs-Dehnungs-Diagramm) und der Korrosionsgefahr sehr stark.

Faserverstärkte Kunststoffmuttern werden beispielsweise mit kurzen Faserstücken (Häcksel) bewehrt und verhalten sich linear-elastisch bis fast zum Bruchversagen, welches viel höher liegt als das der meisten Stähle.

Der Rohling einer Kunststoff-Mutter wird durch Wickeln von in Flüssigharz vorbenetztem/getränkten, langen Faserbündeln quer zur Schraub-/Längsachse hergestellt, danach außen weiter mit Harz benetzt/getränkt und zum Sechskant geformt und danach wird das Kunststoff-Innengewinde nachgeformt.

Auch für solche bereits optimierten, faserverstärkten Schraubteile und Muttern ergeben sich jedoch erhebliche Nachteile im Vergleich zu Muttern aus Stahl. So reagiert der Mutternkörper unter Last weicher und zu nachgiebig, weshalb insbesondere in der Kombination mit einem Kunststoffaußengewinde auf profilierten Faserverbundstäben die kurzfristig erreichbaren Kräfte bei axialem Zug auf den Stab und daraus resultierendem, senkrechten Druck gegen eine aufgeschraubte Ankerplattenfläche und Druckeinleitung in die Stirnfläche der Mutter relativ gering sind. Dabei will die Mutter sich parallel zur Schraubachse radial weiten und über die Gewindegänge gleiten bzw. springen.

Auch die langfristigen Haltekräfte führen durch Kriechen der Werkstoffe und Werkstoffpaarungen infolge einer elasto–plastischen Verformung zu weiterem Tragkraftverlust. Dabei wird der Mutternkörper radial elastisch und letztlich auch plastisch bzw. auch die lang gewickelten Fasern geweitet und im Grenzfall bis zum Reißen des Kunststoffkörpers verformt, so dass der Gewindedurchmesser in der Mutter größer wird, bis diese schlupft und dann über die Gewindegänge springt.

Auch bei begrenzten Belastungen gehen die beiden miteinander verschraubten Partner (Bolzen/Anker und Mutter/Kupplung) mit jeweils faserverstärkten Verbundwerkstoffen häufig eine nicht gewollte Verbindung ein, in dem sie analog zum Kaltverschweißen bzw. Fressen bei Stahlpaarungen sich nach Entlastung nicht mehr zerstörungsfrei lösen bzw. abschrauben lassen, weil durch die Aufweitung der Mutter diese soweit auf die Gewinderippen aufgleitet, dass sie dort hoch radial verspannt nach der Entlastung stehen bleibt und nicht in den Gewindegrund zurück gleitet.

Das Bolzengewinde wird dabei aber auch stark beschädigt oder gar zerstört. Das max. erreichbare Lastniveau der Kunststoffmutter liegt längenabhängig von der Anzahl der Gewindegänge bei 25–30%, das einer Vollstahlmutter auf dem Faserstab bei 45–65% der theoretischen Bruchlast des Faserstabes.

Bei konventionellen Schraubverbindungen aus Stahl und homogenen Stahlmuttern mit ausgeprägter Steifigkeit und ausgeprägtem Fließen oberhalb der Streckgrenze des Materials wird die Mutter üblicherweise so dimensioniert, dass sie in jedem Fall das Stahlgewinde eines Ankers zerstört oder den Anker/Stab (im Gewinde) abreißt. Dazu wird konstruktiv die Mindeststrecklast der Mutter oberhalb der Mindestbruchlast des Bolzens dimensioniert.

Da diese beiden Lastbereiche (Mindeststrecklast und Mindestbruchlast) beim Stahlstab (Ankerstahl, Bewehrungsstahl...) nur etwa 50%–75% der Bruchlast des faserverstärkten Kunststoffstabes (der aber nur in Faserrichtung) erreichen, würde für die Kunststoffverbindung das Erreichen des konventionellen Stahllastniveaus ausreichen. Es wäre aber in gewissen Anwendungsfällen wünschenswert, dass die Kopflast (Nutzlast und Versagenslast der Mutter) im Bereich der Bruchlast des Faserstabes liegt.

Ein Kraftübertragungsteil der eingangs genannten Art ist aus der DE 35 18 089 A1 bekannt. Dabei wird ein in das Faserverbundmaterial eingebrachtes Gewinde von einem in Stahl eingebrachtem Gewinde fortgesetzt.

Diese Bauform ist jedoch relativ aufwendig und sie hat in axialer Richtung einen vergrößerten Bauraumbedarf, was insbesondere im Bergbau oder Tunnelbau einen entscheidenden Nachteil bedeutet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Kraftübertragungsteil der eingangs genannten Art aus einem Faserverbundwerkstoff zu schaffen, das bei einfacher Konstruktion besonders hohe Belastungen übertragen kann, wobei aber auch bei hohen und wechselnden Belastungen ein Festfressen der in Eingriff befindlichen Gewinde vermieden werden soll, so dass und nach einer Entlastung die miteinander über das mindestens eine Gewinde verbundenen Teile noch leicht schraubbar sind. Auch soll das Kraftübertragungsteil insbesondere in axialer Richtung nur einen geringen Bauraum benötigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kraftübertragungsteil nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass das Kraftübertragungsteil zumindest teilweise ein Verstärkungselement umschließt und/oder zumindest teilweise von einem Verstärkungselement umgeben ist, wobei das Verstärkungselement aus einem isotropen und/oder homogenen Material besteht und form- und/oder kraftschlüssig mit dem Kraftübertragungskörper verbunden ist, und wobei das mindestens eine Gewinde in das Verstärkungselement eingebracht ist.

Der Hauptvorteil liegt dabei darin, dass eine besonders hohe Festigkeit und Beständigkeit des Kraftübertragungsteils erreicht wird, so dass auch sehr hohe Kräfte und Belastungen problemlos übertragen werden können. Durch die Anordnung eines zusätzlichen Verstärkungselements aus einem homogenen, vorzugsweise nicht korrosionsgefährdeten Werkstoff wie z. B. nichtmagnetisierbarem Edelstahl oder Bakelit wird das Kraftübertragungsteil in einer Weise verstärkt, dass die Kontaktzone und Fläche des in das Verstärkungselement eingebrachten Gewindes des Kraftübertragungsteils einen mechanisch deutlich höheren Widerstand gegen Verformung und Zerstörung aufweist, und dass das Kraftübertragungsteil aus einem solchen Hybridmaterial verformungssteif und zugleich sowohl in mechanischer als auch in chemischer Hinsicht beständig ist und dauerhaltbar seine Gewindefunktion beibehält.

So wird ein korrosionsgeschütztes, mechanisch und chemisch beständiges Kraftübertragungsteil geschaffen, das als Schraubteil, insbesondere als Mutter für Schraubpaarungen mit vorzugsweise ebenfalls korrosionsgeschützten oder aus Faserverbundmaterial hergestellten Gewindebolzen optimal zusammen wirken kann. Es umfasst mindestens zwei in ihrem mechanischen Verhalten unterschiedliche Werkstoffe, die hybridartig miteinander verbunden sind.

Die hybrid wirkenden Werkstoffe sind bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften und Geometrien vorteilhafter weise so aufeinander abgestimmt und dimensioniert, dass bei zunehmender Belastung das vorzugsweise als Innenteil eingesetzte Verstärkungselement zunächst wesentlich steifer und bis nahe an ein fließartiges Verhalten (strukturelle Fließgrenze) heran reagiert und überwiegend allein belastet wird und das elastischere Faserverbundmaterial nur geringfügig beansprucht wird. Kurz vor einer Grenzbelastung und plastischen Verformung des Verstärkungselements ermöglicht das weiter linear-elastisch reagierende Faserverbundmaterial eine verformungsbegrenzende, starke Lastaufnahme. Es reagiert dann nur sehr begrenzt elastisch und harmoniert mit dem weiteren Lastanstieg im Werkstoff des Verstärkungselements, indem dann der Werkstoff des Verstärkungselements zusammen mit dem Faserverbundwerkstoff im Spannungs-Dehnungsverhalten einen weiter annähernd linearen Verlauf aufweist.

Das erfindungsgemäße Kraftübertragungsteil wird somit aus mehreren verschiedenen, diskreten Materialen oder Vorprodukten hergestellt, die ihrerseits schon teilweise oder vollständig vorfabriziert sein können, oder die erst während der Herstellung des Kraftübertragungsteils selbst im selben Prozess (als Hybridwerkstoff) hergestellt werden.

Ein so erzeugtes Befestigungsteil wird einerseits ertüchtigt, bei äußerer Krafteinleitung den Kraftfluss axial über den formschlüssigen Verbund auf hohem Lastniveau verformungsarm weiterzuleiten und andererseits bei sich einstellender Reaktionskraft aus dem Profilstab einer dadurch erzwungenen radialen Aufweitung formsteif zu widerstehen.

Ein entsprechend konstruktiv voroptimierter, insbesondere gewickelter Kunststoffrohling für ein Kraftübertragungsteil wird somit an seinem oder seinen innen oder außen liegenden Gewinde(n) mechanisch durch konzentrisch angeordnete Teile aus anderen Ausgangsmaterialien verstärkt.

Das erfindungsgemäße Kraftübertragungsteil ist bei einfacher Konstruktion kostengünstig herzustellen und bei geringem Gewicht leicht handzuhaben. Außerdem kann eine umfassende Kompatibilität zu anderen Profilstäben und damit kombinierten Montagesystemen erreicht werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verstärkungselement durch eine Hülse gebildet ist. In eine Hülse kann das mindestens eine Gewinde leicht eingeformt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn in den Faserverbundwerkstoff mindestens ein Gewinde eingeformt ist, welches zumindest teilweise von einer Hülse überdeckt ist, wobei die Hülse auf der dem Faserverbundwerkstoff abgewanden Seite ebenfalls eine gewindeartige Struktur aufweist. Die Hülse ist dabei formschlüssig sowie vorzugsweise auch kraftschlüssig auf bzw. in dem Gewinde des Faserverbundwerkstoffs fixiert. Beispielsweise kann dabei ein zuvor umgeformtes, einer welligen Form eines Bolzengewindes angepasster, dünnwandiger Rohrkörper als Inlay in eine Kunststoffmutter eingebaut werden, so dass über diese Kombination einer vorteilhafterweise nahtlosen inneren Gewindehülse mit gewickelten Fasern in einer Harzmatrix eine wesentlich höhere Ringspannung zerstörungsfrei und verformungsarm aufgenommen werden kann. Die beiden Enden des Stahlrohres können alternativ im Mutternkörper versenkt und somit auch an den Stirnflächen durch Kunststoff geschützt werden oder sie ragen mit den Stirnflächen bündig abschließend aus dem Kunststoff heraus.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante weist die Hülse ein Innengewinde auf, wobei sie von dem Kraftübertragungsteil umgeben ist. Insbesondere kann die Hülse in den Faserverbundwerkstoff eingebettet sein. Die homogene Hülse kann als Innenteil unabhängig vorher produziert oder aber während des Herstellprozesses des Kraftübertragungsteils direkt mit hergestellt werden, beispielsweise durch Einspritzen. Eingelegte oder eingespritzte homogene Innenteile können neben Vorteilen der Werkstoffeigenschaften und damit hohen Festigkeiten geringen Dehnungen usw. in engsten Toleranzen hergestellt werden, wodurch auch die Gewindetoleranzen optimiert und damit die Kraftein- und Fortleitung erheblich verbessert werden. Ein derartiges Kraftübertragungsteil kann beispielsweise eine Mutter, ein Rohr oder eine Muffe sein.

Das Innengewinde kann dabei als Grobgewinde eine wellenartige Profilierung oder eine annähernd halbwellenartige Profilierung aufweisen. Vorzugsweise ist die zu einem Bolzengewinde weisende Oberflächenstruktur des Innengewindes der Hülse und die Oberfläche des Bolzengewindes im Wesentlichen glatt, so dass bei reibender Relativbewegung zwischen Schraubteil und Bolzen bzw. Anker die Oberfläche des Kunststoffgewindes am Bolzen nicht verletzt wird.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn das Innengewinde in der Flankengeometrie steiler ausgebildet ist als das Außengewinde eines zugehörigen Bolzens. Dadurch tritt kein irreversibles Aufweiten und Verklemmen auf, so dass eine sogenannte „sekundäre Selbsthemmung" vermieden wird. Eine „primäre" Selbsthemmung kann durch eine derartige Steigung aber bereitgestellt werden, was ein Lösen bei einer dynamischen Beanspruchung vermeidet. Vorzugsweise kann das Innengewinde in der Hülse auch leicht konifiziert ausgeführt sein.

Besonders vorteilhaft ist es dabei weiterhin, wenn die Hülse auch ein Außengewinde aufweist, vermittels dessen sie in den Faserverbundwerkstoff eingeschraubt ist. Vorteilhafterweise kann sie dabei auch selbstschneidend ausgeführt sein. Ferner ist es so auch möglich, die Hülse als separates Zwischenlegeteil erst bei bzw. kurz vor der Montage zwischen die Mutter und einen zugehörigen Bolzen einzuschrauben.

Eine vorteilhafte Alternative schlägt vor, dass die Hülse mehrere nach außen vorstehende Vorsprünge, insbesondere Rippen oder Grate, aufweist, die formschlüssig in dem Faserverbundwerkstoff gehalten sind. So kann eine besonders innige Befestigung erzielt werden.

Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante weist die Hülse ein Außengewinde auf, wobei sie das Kraftübertragungsteil außen umgibt. Ein derartiges Kraftübertragungsteil kann beispielsweise als Rohr oder Stange ausgebildet sein.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn die Hülse an mindestens einer Stirnfläche des Kraftübertragungsteils einen radial vorstehenden Kragen aufweist. So kann das Kraftübertragungsteil auch an Stirnflächen verstärkt werden und besonders hohen Belastungen widerstehen und entsprechend große Kräfte beschädigungsfrei übertragen.

Vorteilhafterweise ist der Übergang zwischen der Hülse und dem Kragen dabei abgerundet oder abgeschrägt. Insbesondere kann eine innenliegende Hülse dabei einen trompetenartigen Auslauf aufweisen, der als Huflagerfläche gegen eine Ankerplatte wirken kann.

Eine besonders vorteilhafte und einfache Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftübertragungsteils kann dadurch erreicht werden, dass die Hülse aus Metall, vorzugsweise aus nicht-magnetisierbarem Edelstahl, besteht. Günstig ist es, wenn die Hülse selbst korrosionsgeschützt und chemisch beständig ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verstärkungselement durch einen gewindeartig gewickelten Federdraht gebildet ist. Aufgrund der besonders hohen Festigkeit von Federstahl können noch größere Kräfte und Belastungen mit dem Kraftübertragungsteil übertragen werden. Durch die schraubenförmige Wicklung des Federdrahtes ist auf besonders einfache Weise ein Gewinde bzw. eine gewindeartige Struktur in das durch den Federdraht gebildete Verstärkungselement eingebracht.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn an einer Stirnfläche des Kraftübertragungsteils zusätzliche Verstärkungselemente aus einem homogenen Material angeordnet sind. Diese zusätzlichen Verstärkungselemente müssen keine direkte Verbindung zu der erfindungsgemäß vorgesehenen Hülse aufweisen.

Nachfolgend werden drei vorteilhafte Ausführungsbeispiele beschrieben:

Ausführungsbeispiel 1

Ein nahtloses Blechrohr aus Edelstahl wird auf die Länge entsprechend der Mutternhöhe abgesägt bzw. abgelängt und danach in einem Werkzeug präzise gewindeartig zu einem Wellrohr profiliert. Dadurch ergibt sich eine dünnwandige, wellige Blechhülse, welche dann im mit langen Fasern zu wickelnden Mutternkörper aus Kunststoff gebettet wird.

Ausführungsbeispiel 2

Eine Gewindehülse aus Edelstahl wird zuvor aus einem Blechband hergestellt, indem z. B. das Blech in einem ersten Werkzeug gewindegängig vorgeformt/plastisch so verformt, dass es später zu einer dünnwandigen schraubbaren Blechhülse weiter verarbeitet werden kann und in einem weiteren Werkzeug durch Stanzen vieler eng und regelmäßig angeordneter Löcher perforiert wird und an den Austrittsseiten des Stanzwerkzeuges Grate erhält (Prinzip Kartoffelreibe), das Blechband dann abschnittsweise zugeschnitten wird und die einzelnen Abschnitte zu einem Rohr zusammen gebogen und achsparallele oder wendelartig verlaufende Berührungskanten zu einer Naht verschweißt werden und eine dünnwandige schraubbare Blechhülse entsteht, welche dann im Mutternkörper aus Kunststoff gebettet wird. Entscheidend ist dabei, dass die Metallgrate zu einer intensiven Verzahnung der vorgefertigten Gewindehülse mit dem Kunststoffgrundkörper führen, um höchste Drehmomente torsionsfrei und ohne innere Ablösungen bzw. Delaminierungen und dergleichen ertragen zu können.

Ausführungsbeispiel 3

Ein z. B. im Spritzgussverfahren z. B. mit quer zur späteren Schraubachse umlaufenden ringartigen Rippen formoptimiertes Kunststoffteil wird aus hochfestem und definiert dehnfähigem Kunststoff mit engsten Toleranzen hergestellt, welches innen gewindeartig profiliert wird und so als ein innen und außen hoch-formschlüssiges Hülsenteil und auf die Länge entsprechend der Mutternhöhe erzeugt dann im mit langen Fasern zu wickelnden Mutternkörper aus mit Langfasern bewehrtem Kunststoff gebettet wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

1 bis 5: Querschnitte durch 5 verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kraftübertragungsteile;

6: Querschnitt durch ein Verstärkungselement für ein erfindungsgemäßes Kraftübertragungsteil;

7 und 8: dreidimensionale Ansichten alternativer Ausführungsformen von Verstärkungselementen für ein erfindungsgemäßes Kraftübertragungsteil;

9a bis 9c: schematische Darstellung der Herstellung einer weiteren Ausführungsvariante eines Verstärkungselements für ein erfindungsgemäßes Kraftübertragungsteil;

10: Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftübertragungsteil vor seinem Zusammenbau;

11: Querschnitt durch ein montiertes Kraftübertragungsteil;

12: Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftübertragungsteil vor seiner Montage; und

13: Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Kraftübertragungsteil vor seinem Zusammenbau;

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist ein Kraftübertagungsteil 1 als Mutter ausgeführt. Sie besteht aus einem äußeren Kraftübertragungskörper 2 aus faserverstärktem Kunststoff, der über seine gesamte axiale Länge ein hier hülsenförmig ausgebildetes Verstärkungselement 3 aus einem homogenen Werkstoff koaxial umschließt. Das der Kraftübertragung dienende Innengewinde 4 ist mit einer wellenförmigen Struktur in die Innenseite der Hülse 3 eingebracht. Die Hülse 3 weist an ihrer Außenseite eine Vielzahl von Vorsprüngen oder Rippen 5 auf die eine sichere formschlüssige Verbindung mit dem äußeren Kraftübertragungskörper 2 gewährleisten, in den die Hülse 3 als Inlay eingespritzt ist.

Bei der in 2 gezeigten Variante ist das Gewinde 4 durch eine halbwellenförmige Struktur in der Hülse 3 ausgebildet, die an beiden Stirnseiten durch einen radial nach außen weisenden Kragen 6 endet, der außenseitig koplanar mit den Stirnseiten des Kraftübertagungsteils 1 abschließt.

Bei der in 3 dargestellten Variante ist der Übergang zwischen dem axialen Bereich der Hülse 3 und den beiden Kragen 6 jeweils trompetenförmig abgerundet, was ein besonders einfaches Auffädeln auf einen Gewindebolzen ermöglicht, da die endseitigen Stirnflächen der Hülse 3 immer im Maximum der Rippe des Innengewindes 4 auslaufen und wie ein Gewindeschneider den Gewindegrund eines Bolzengewindes erreichen um einen Selbstreinigungseffekt zu ermöglichen. Auf diese Weise erfolgt quasi ein „Freischneiden" von Mörtelresten, die beim Versetzen des Ankers am Ankergewinde haften.

In 4 ist ein Kraftübertagungsteil 1 in der Form einer Zug- oder Dehnmutter gezeigt. Sie umfasst einen rohrförmigen Kraftübertragungskörper 2, der an einem Ende mit einem radial vorspringenden Kopf 7 versehen ist. Der Kraftübertragungskörper 2 umfasst gewickelte Fasern und in den Kopf 7 ist zusätzlich ein Bewehrung 8 eingebracht. Ferner ist an der dem rohrförmigen Bereich des Kraftübertragungskörpers 2 zugewandten Schulter des Kopfes 7 ein scheibenförmiges zusätzliches Verstärkungselement 9 in das Kraftübertagungsteil 1 integriert.

Bei der in 5 dargestellten Variante ist wiederum ein den axialen Abschluss des Kopfes 7 bildendender Kragen 6 vorhanden, wobei der Übergang zwischen dem axialen Bereich der Hülse 3 und dem Kragen 6 auch hier abgerundet ist.

Die 6 bis 8 zeigen jeweils eine Hülse 3, die als vorproduziertes Verstärkungselement noch in ein jeweils nicht dargestelltes Kraftübertragungsteil einzubringen ist. 6 zeigt dabei ein Inlay aus Bakelit, während die Varianten der 7 und 8 aus Stahl oder aus einem homogenen bzw. isotropen Kunststoff bestehen können und insbesondere der Kompensation hoher Ringspannungen dienen.

Die in 9c dargestellte Hülse 3 wird ebenfalls noch als vorproduziertes Verstärkungselement in ein nicht dargestelltes Kraftübertragungsteil eingesetzt. Sie besteht aus einem zu einem Rohr zusammengeschweißten Blech 10 (9b), in das viele kleine Löcher 11 eingestanzt sind, um eine Vielzahl nach außen vorstehender Grate 12 zu erzeugen (9a), die einen besonders sicheren und festen Halt in dem aus einem Faserverbundwerkstoff bestehenden Kraftübertragungskörper des Kraftübertragungsteils garantieren. In einem letzten Fertigungsschritt wird die Gewindestruktur in die Hülse 3 eingebracht (9c).

10 zeigt eine Hülse 3, die mittels eines außenseitig aufgebrachten, selbstschneidenden Gewindes 13 in einen den Kraftübertragungskörper 2 bildenden Faserverbundrohling eingeschraubt werden kann. Innenseitig ist das der Kraftübertragung dienende Gewinde 4 in der Hülse 3 eingebracht.

In 11 ist ein als Dehnmutter ausgeführtes und fertig montiertes Kraftübertragungsteil 1 dargestellt, das auf eine Gewindestange 14 aufgeschraubt ist, um eine Ankerplatte 15 zu halten. Auch hier ist ein äußere Zugarmierung als zusätzliches Verstärkungselement 9 vorgesehen.

In 12 ist die Montage eines Kraftübertragungsteils 1 gezeigt. Dabei wird eine Hülse 3 mit einem innenseitigen Gewinde 4 und einem außenseitigen Gewinde 16 in den faserverstärkten Kraftübertragungskörper 2 einer Mutter eingeschraubt und außerdem auf eine Gewindestange 14 aufgeschraubt. Diese Kombination von drei separaten Teilen 2, 3, 14 führt zu einer deutlich festeren und höher belastbaren Verbindung zwischen Mutter 2 und Gewindestange 14, als wenn die Hülse 3 nicht zwischengeschaltet würde.

In 13 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante gezeigt, bei der der Flankenwinkel des Innengewindes 4 der Hülse 3 größer ist als der Flankenwinkel des Außengewindes des Gewindestabs 14, auf den die Hülse 3 zusammen mit einem hier nicht dargestellten Kraftübertragungskörper aufgeschraubt wird. Auf diese Weise wird zwar eine Selbsthemmung der aufgeschraubten Mutter ermöglicht, die ein unbeabsichtigtes Lösen auch bei einer dynamischen Beanspruchung vermeidet, aber ein irreversibles Aufweiten und Verklemmen der Gewindeverbindung wird verhindert.


Anspruch[de]
Kraftübertragungsteil mit einem Körper (2) aus einem anisotropen Faserverbundwerkstoff, wobei das Kraftübertragungsteil (1) mindestens ein Gewinde (4) aufweist, durch das eine axiale Kraft übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungsteil (1) zumindest teilweise ein Verstärkungselement (3) umschließt und/oder zumindest teilweise von einem Verstärkungselement (3) umgeben ist, wobei das Verstärkungselement (3) aus einem isotropen und/oder homogenen Material besteht und form- und/oder kraftschlüssig mit dem Körper (2) des Kraftübertragungsteils (1) verbunden ist, und wobei das mindestens eine Gewinde (4) in das Verstärkungselement (3) eingebracht ist. Kraftübertragungsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (3) durch eine Hülse gebildet ist. Kraftübertragungsteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gewinde in den Faserverbundwerkstoff (2) eingeformt ist, welches zumindest teilweise von einer Hülse (3) überdeckt ist, wobei die Hülse (3) auf der dem Faserverbundwerkstoff (2) abgewanden Seite ebenfalls eine gewindeartige Struktur aufweist. Kraftübertragungsteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (3) ein Innengewinde (4) aufweist und von dem Körper (2) des Kraftübertragungsteils (1) umgeben ist. Kraftübertragungsteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (3) ein Außengewinde (13) aufweist, vermittels dessen sie in den Faserverbundwerkstoff (2) einschraubbar ist. Kraftübertragungsteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (3) mehrere nach außen vorstehende Vorsprünge, insbesondere Rippen (5) oder Grate (12), aufweist, die formschlüssig in dem Faserverbundwerkstoff (2) gehalten sind. Kraftübertragungsteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (3) ein Außengewinde aufweist und den Körper (2) des Kraftübertragungsteils (1) umgibt. Kraftübertragungsteil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (39 an mindestens einer Stirnfläche des Kraftübertragungsteils (1) einen radial vorstehenden Kragen (6) aufweist. Kraftübertragungsteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen der Hülse (3) und dem Kragen (6) abgerundet oder abgeschrägt ist. Kraftübertragungsteil nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (3) aus Metall, vorzugsweise aus nicht-magnetisierbarem Edelstahl, besteht. Kraftübertragungsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement durch einen gewindeartig gewickelten Federdraht gebildet ist. Kraftübertragungsteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stirnfläche des Kraftübertragungsteils (1) zusätzliche Verstärkungselemente (9) aus einem homogenen Material angeordnet sind.






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