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DE102013225729A1 - Einsetzelement sowie Bauteil mit einem Einsetzelement - Google Patents

Einsetzelement sowie Bauteil mit einem Einsetzelement Download PDF

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DE102013225729A1
DE102013225729A1 DE102013225729.5A DE102013225729A DE102013225729A1 DE 102013225729 A1 DE102013225729 A1 DE 102013225729A1 DE 102013225729 A DE102013225729 A DE 102013225729A DE 102013225729 A1 DE102013225729 A1 DE 102013225729A1
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DE
Germany
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outer body
component
socket
insertion element
bushing
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.)
Pending
Application number
DE102013225729.5A
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English (en)
Inventor
David Keller
Hoang Viet Bui
Martin Derks
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.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke 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 Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Einsetzelement (10) mit einer Buchse (11) und einem die Buchse (11) umgebenden Außenkörper (12), wobei der Außenkörper (12) an eine Aussparung eines Bauteils (21) formangepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (11) aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist wobei die Faser in Belastungsrichtung der Buchse (11) ausgerichtet sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einem daran angeordneten Einsetzelement.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einsetzelement mit einer Buchse und einem die Buchse umgebenden Außenkörper, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Bauteil, an dem ein solches Einsetzelement angeordnet ist.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Kunststoff-Inserts, direkt in ein Bauteil zu integrierten. Aus der DE 19503579 ist es bekannt, Buchsen als Lochverstärkungen in ein Bauteil einzusetzen.
  • Darüber hinaus ist es auch bekannt, Metall-Inserts oder Kunststoff-Inserts nachträglich in ein Bauteil einzukleben.
  • Buchsen aus Kunststoffmaterial haben jedoch Defizite in puncto Kriech- und/oder Setzverhalten, sowie Sprödigkeit. Sobald derartige Buchsen unter Last geraten, treten Schwindungseffekte auf, so dass Baugruppen, deren Bauteile unter Zuhilfenahme der Buchsen zusammengefügt sind, Spiel bekommen. Um dieses Problem zu umgehen, wurden im Stand der Technik Buchsen aus Metall verwendet. Diese haben jedoch den Nachteil, dass insbesondere die Klebstoffhaftung am Kunststoffbauteil nicht ausreichend ist. Darüber hinaus treten Korrosionseffekte auf.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Einsetzelement sowie ein Bauteil mit einem Einsetzelement anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Diese Aufgabe wird durch ein Einsetzelement bzw. ein Bauteil mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Einsetzelement mit einer Buchse und einem die Buchse umgebenden Außenkörper vor, wobei der Außenkörper an eine Aussparung eines Bauteils formangepasst ist. Weiterhin kann die Buchse aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet sein, wobei die Fasern in Belastungsrichtung der Buchse ausgerichtet sind. Dies bietet den Vorteil, dass die Buchse besonders hohe Kräfte aufnehmen kann in ihrer Belastungsrichtung und aufgrund der Fasern ein verbessertes Setzverhalten aufweist. Dadurch wird auch die Kriechneigung reduziert und nicht zuletzt die Sprödigkeit des Einsetzelements verringert. Die Kräfte werden dabei von der Buchse aufgenommen, wobei der Außenkörper als Adapter zum Bauteil fungiert. Der Außenkörper umschließt die Buchse vorzugsweise zumindest in deren Umfangsrichtung und hat eine äußere Form, die der Aussparung in dem Bauteil angepasst ist. Die äußere Form des Außenkörpers kann dabei bevorzugt rund, oval, drei- oder mehreckig ausgebildet sein, so dass er formschlüssig in die Aussparung des Bauteils eingebracht werden kann.
  • Weiterhin können die Verstärkungsfasern unidirektional ausgerichtet sein. Dabei wird die Buchse aus unidirektional ausgerichteten Fasern oder Fasermatten gebildet, die in Längsrichtung der Buchse ausgerichtet sind. Durch diese Ausrichtung können die Fasern besonders hohe Kräfte in axialer Richtung der Buchse aufnehmen.
  • Weiterhin kann die Buchse in ihrer axialen Richtung eine Durchgangsöffnung aufweisen, wobei die unidirektional ausgerichteten Fasern im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung ausgerichtet sind. Im Wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die unidirektional ausgerichteten Fasern auch spitze Winkel mit der axialen Richtung einschließen können, bspw. im Bereich von ± 30°. In diesem Bereich ist eine ausreichende Kraftaufnahme durch die Fasern gegeben.
  • Die Buchse kann einen kreisrunden, ovalen, drei- oder mehreckigen Querschnitt aufweisen, wobei auch der Querschnitt der Durchgangsöffnung eine entsprechende Form hat. Dadurch ist es möglich, entsprechende Verbindungsstifte oder Bolzen durch die Öffnung hindurch zu führen, und so das Einsetzelement mit weiteren Bauteilen zu koppeln. Das Vorsehen einer Buchse mit ovalen, drei- oder mehreckigem Querschnitt bringt darüber hinaus den Vorteil, dass eine formschlüssige Verbindung realisierbar ist, die ein Durchdrehen des Verbindungsstiftes oder Bolzens in der Buchse verhindert.
  • Darüber hinaus können die Fasern als Endlosfasern ausgebildet sein. Endlosfasern im Sinne dieser Erfindung sind Fasern mit einer Länge größer 50 mm.
  • Darüber hinaus können die Fasern als Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Basaltfasern oder aus einer Kombination aus Einzelfasern dieser Materialien ausgebildet sein.
  • Weiters kann der Außenkörper aus einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoff ausgebildet sein. Zur Verbindung des Außenkörpers mit der Buchse kann die Buchse wahlweise in den Außenkörper eingepresst und/oder eingeklebt sein. Alternativ dazu kann die Buchse auch mit dem Material des Außenkörpers, bei der Herstellung des Außenkörpers umspritzt, hinterpresst oder umpresst werden.
  • Durch Vorsehen eines Klebstofffilms an der Buchse kann eine sichere strukturelle Verbindung von Buchse und Außenkörper gewährleistet werden, insbesondere wenn die Buchse mit dem Außenkörper hinterpresst wird.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einer Ausnehmung, in die ein Einsetzelement wie im vorhergehenden beschriebenen, eingebracht ist. Eine solche Ausnehmung kann bspw. als Durchbruch oder als Bohrung ausgebildet sein und eine drei- oder mehreckige, runde oder ovale Querschnittsform aufweisen. Die Querschnittsform entspricht der äußeren Kontur des Außenkörpers, so dass der Außenkörper formschlüssig in die Ausnehmung einbringbar ist.
  • Weiterhin kann das Einsetzelement mit den Bauteilen form- und/oder stoffschlüssig verbunden sein.
  • Das Einsetzelement kann dabei mit dem Bauteil verklebt und/oder verschweißt sein. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in der Aussparung des Bauteils beidseitig des Bauteils je ein Einsetzelement eingebracht sein.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Einsetzelements mit der Schritten: Erzeugen und Bereitstellen einer Buchse, Erzeugen eines Außenkörper und Verbinden der Buchse mit dem Außenkörper.
  • Weiterhin können die Verfahrensschritte Erzeugen eines Außenkörpers und Verbinden der Buchse mit dem Außenkörper zeitgleich erfolgen, in dem zum Erzeugen des Außenkörpers die Buchse mit einem den Außenkörper bildenden Material umspritzt wird. Dadurch kann auf besonders einfache Weise eine stoff- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Außenkörper und der Buchse realisiert werden.
  • Alternativ dazu kann die Buchse mit dem Außenkörper verschweißt oder verpresst werden.
  • Im Folgenden sollen die Vorteile der Erfindung kurz zusammengefasst werden. Durch Vorsehen eines erfindungsgemäßen Einsetzelementes kann ein gewicht- und kostenreduziertes Kopplungselement realisiert werden, bei dem das Setzverhalten durch den endlosfaserverstärkten Kern bzw. die Buchse verbessert wird. Ferner können auch Fügeteile mit unterschiedlichen Dicken miteinander verbunden werden. Das Einsetzelement kann vorteilhafterweise bei ein- oder auch zweiseitig zugänglichen Bauteilen verwendet werden. Insbesondere bei der Verbindung von faserverstärkten Kunststoffen als Fügeteile bieten die erfindungsgemäßen Einsetzelemente den Vorteil, ähnlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten. Nicht zuletzt wird durch die Verwendung nicht leitender Werkstoffe für den Außenkörper ein Korrosionsschutz realisiert.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
  • Es zeigen in schematischer Darstellung:
  • 1 eine Schnittansicht eines Bauteils mit daran angeordnetem Einsetzelement,
  • 2 eine Schnittansicht eines Bauteils mit beidseitig angeordneten Einsetzelementen und
  • 3 eine Baugruppe aus zwei Fügepartnern mit jeweiligen Einsetzelementen.
  • 1 zeigt ein Einsetzelement 10 mit einer Buchse 11 und einem Außenkörper 12. Die Buchse 11 hat eine axiale Richtung a und eine innere Durchgangsöffnung 14. In Umfangrichtung wird die Buchse 11 von dem Außenkörper 12 umschlossen. Das Einsetzelement 11 ist teilweise in eine Ausnehmung eines Bauteils 21 eingebracht. Über einen Klebstoff 20 ist das Einsetzelement 10 mit dem Bauteil 21 verklebt. Der Außenkörper 12 weist einen ersten, in 1 unteren Abschnitt auf, der formangepasst an die Ausnehmung in dem Bauteil 21 ausgebildet ist. Darüber hinaus weist der Außenkörper 12 einen zweiten, in 1 oberen Abschnitt auf, der als in Umfangrichtung der Buchse 11 umlaufender Bund ausgebildet ist und auf einer Oberfläche des Bauteils 21 aufliegt. Die Verbindung zwischen der Buchse 11 und dem Außenkörper 12 wird während des Herstellungsprozesses des Einsetzelementes 10 erzeugt, indem bspw. die Buchse 11 mit dem Material des Außenkörpers 12 umspritzt wird. Alternativ dazu kann die Buchse 11 in den vorab hergestellten Außenkörper 12 eingepresst und ggf. zusätzlich mit diesem verklebt werden. Die Buchse 11 kann bspw. aus einem Pultrusionsprofil herausgeschnitten werden. Die Buchse 11 ist dabei aus faserverstärktem Kunststoff mit unidirektional ausgerichteten Fasern, bspw. aus Glas oder Kohlenstoff ausgebildet, die im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung bzw. axialen Richtung a der Buchse 11 ausgerichtet sind.
  • Der Außenkörper 12 ist ebenfalls aus Kunststoff ausgebildet und kann gegebenenfalls mit Fasern verstärkt sein. Hierzu eigenen sich insbesondere Kurzfaser- oder Langfaserverstärkungen aus Glas oder Kohlenstoff, die in einer thermoplastischen oder duroplastischen Matrix angeordnet sind.
  • Das Einsetzelement 10 kann alternativ zu der Verklebung, wie in 1 dargestellt, auch mit dem Bauteil 21 verschweißt sein. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn das Bauteil 21 aus thermoplastischem Kunststoff ausgebildet ist und zumindest der Außenkörper 12 ebenfalls eine Matrix aus thermoplastischem Kunststoff umfasst. Alternativ dazu kann auch eine Verbindung zwischen dem Einsetzelement 10 und dem Bauteil 21 erfolgen, wenn nur einer der Verbindungspartner aus thermoplastischem Material gefertigt ist, da Thermoplaste auch zu anderen Werkstoffen eine ausreichende Haftung aufweisen können. Die Schweißverbindung wird erzeugt durch Aufschmelzen der Oberfläche einer oder beider Fügepartner, Fügen des Einsetzelements 10 mit dem Bauteil 21 und anschließendes Abkühlen. Die für das Aufschmelzen notwendige Wärmezufuhr kann beispielsweise mittels Strahler, Kontaktheizelementen, Laser oder durch Reiben der beiden Fügepartner aneinander erzeugt werden.
  • Die Buchse 11 kann sehr hohe Kräfte in axialer Richtung a aufnehmen. Dies ist besonders vorteilhaft für bspw. Schraubverbindungen mit hoher Vorspannkraft, um die Funktion der Schraubverbindung zu gewährleisten. In der in 1 gezeigten Ausführung fungiert die Buchse 11 als Krafteinleitungsstelle und ist einseitig mit dem Bauteil 21 gefügt.
  • 2 zeigt eine alternative Ausführungsform bei der in einem Bauteil 21 beidseitig je ein Einsetzelement 10, 10' eingebracht ist. Die Einsetzelemente 10 sind vom Aufbau her identisch zu dem Einsetzelement 10, das bereits mit Bezug zur 1 erläutert wurde.
  • 3 zeigt eine Bauteilanordnung, die aus zwei zu fügenden Bauteilen 21, 22 ausgebildet ist. Jedes Fügeteil 21, 22 weist eine Ausnehmung auf, in der je ein Einsetzelement 10, 10' angeordnet ist. Die axialen Achsen a der Durchgangsöffnungen 14 der Einsetzelemente 10, 10' sind dabei parallel, ggf. sogar koaxial ausgerichtet, so dass beispielsweise eine Schraubverbindung durch beide Einsetzelemente realisierbar ist. Dadurch wird eine lösbare Verbindung zwischen den Fügepartnern 21, 22 geschaffen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19503579 [0002]

Claims (15)

  1. Einsetzelement (10) mit einer Buchse (11) und einem die Buchse (11) umgebenden Außenkörper (12), wobei der Außenkörper (12) an eine Aussparung eines Bauteils (21) formangepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (11) aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist wobei die Faser in Belastungsrichtung der Buchse (11) ausgerichtet sind.
  2. Einsetzelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern unidirektional ausgerichtet sind.
  3. Einsetzelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (11) in ihrer axialen Richtung (a) eine Durchgangsöffnung (14) aufweist und dass die unidirektional ausgerichteten Faser im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung (a) ausgerichtet sind.
  4. Einsetzelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (11) einen kreisrunden, ovalen, drei- oder mehreckigen inneren und/oder äußeren Querschitt aufweist.
  5. Einsetzelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern als Endlosfasern ausgebildet sind.
  6. Einsetzelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser als Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Basaltfaser oder einer Kombination daraus ausgebildet sind.
  7. Einsetzelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkörper (12) die Buchse (11) in radialer Richtung umgibt.
  8. Einsetzelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkörper (12) aus thermoplastischem und/oder duroplastischem Kunststoff ausgebildet ist.
  9. Bauteil (21) mit einer Ausnehmung in die ein Einsetzelement (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingebracht ist.
  10. Bauteil (21) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsetzelement (11) mit dem Bauteil (21) form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
  11. Bauteil (21) einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsetzelement (11) mit dem Bauteil (21) verklebt und/oder verschweißt ist.
  12. Bauteil (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aussparung des Bauteil (21) beidseitig des Bauteils (21) je ein Einsetzelement (11) eingebracht ist.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Einsetzelements (10) nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, mit der Schritten: – Erzeugen und bereitstellen einer Buchse (11), – Erzeugen eines Außenkörper (12) und – Verbinden der Buchse (11) mit dem Außenkörper (12).
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte Erzeugen eines Außenkörper (12) und Verbinden der Buchse (11) mit dem Außenkörper (12) zeitgleich erfolgen, in dem zum Erzeugen des Außenkörpers (12) die Buchse (10) mit einem den Außenkörper bildenden Material umspritzt wird,
  15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (11) mit dem Außenkörper (12) verschweißt oder verpresst wird.
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DE102016214366A1 (de) * 2016-08-03 2018-02-08 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einer Faserverbundwerkstoff aufweisenden Struktur und einem Lasteinleitungselement

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