DE102004021144B4

DE102004021144B4 - Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innerdruckbelasteten Röhren

Info

Publication number: DE102004021144B4
Application number: DE200410021144
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Schütze Eckart
Original assignee: Schuetze GmbH
Current assignee: Schuetze GmbH
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: DE102004021144A1

Abstract

Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren mit a) einem inneren, ersten Konuselement (11) in einem zweiten, außen zylindrischen Element (12, Konushülse), welches mit einem dem inneren Konuselement entsprechenden Innenkonus versehen ist, wobei b) das zweite Element (12) gemeinsam mit dem eingesteckten inneren (ersten) Konuselement (11) in einem zylindrischen Stab (10) oder innendruckbelasteten Rohr (30) fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass c) dass das zweite Element (12) ein gesondert hergestelltes Faserverbundteil mit gezielter Faserorientierung ist und außen noch eine weitere Faserverbundschicht (18) besitzt, deren Faserorientierung zwischen 0° und 90° eingestellt werden kann.

Description

Einleitung und Stand der Technik:
Bei der Verwendung von Rohren aus Faserverbundwerkstoffen besteht das grundsätzliche Problem, Kräfte in diese Strukturen einzuleiten. Häufig werden dazu metallische Gewindeelemente verwendet, die in die Stäbe eingeklebt werden. Für die problematische Verbindung von Metallelement und Faserverbundstab gibt es viele technische Lösungen. Dabei zeigt sich, dass die größten Festigkeiten durch formschlüssig integrierte Krafteinleitungen erzielt werden, die im allgemeinen jedoch recht aufwendig sind.
In dem europäischen Patent EP 0 841 49 und dem korrespondierenden deutschen Patent DE 196045046 wird eine formschlüssig integrierte Krafteinleitung für Faserverbundstäbe beschrieben, bei der konische Gewindeelemente in situ in CFK-Sandwichstäbe eingebaut werden. Dazu werden Schaumkernstäbe definierter Länge mit entsprechenden Konusgewindeelementen versehen (Montageklebung) und mit speziellen Gewindestiften zu einem Langstab aneinandergeschraubt. Dieser Langstab wird durch eine Faser-Belegungseinheit mit angeschlossener Fasertränkeinrichtung geführt und dabei mit harzgetränkten, unidirektionalen Fasern – hauptsächlich Carbonfasern (C-Fasern) – belegt. An den Verbindungsstellen der Einzelstäbe werden die harzgetränkten C-Fasern mit einem gesonderten Faden oder Draht zusammengeschnürt, so dass sie sich eng an die konischen Gewindeelemente anlegen. Nach dem Aushärten werden die Einzelstäbe voneinander getrennt, besäumt und in einem zweiten Arbeitsgang an den Enden mit C-Faser-Ringwicklungen versehen.
Obwohl es sich hier um einen quasi kontinuierlichen Fertigungsprozess handelt, ist der Aufwand relativ groß. Ein geringerer Herstellungsaufwand wäre gegeben, wenn die Faserverbundstäbe als Halbzeuge (Stangenmaterial) verwendet und nachträglich mit Krafteinleitungen versehen werden könnten. In diesem Fall ergäbe sich auch nicht die Notwendigkeit, die Länge der Einzelstäbe bereits während der Fertigung des Stangenmaterials zu definieren.
In dem Patent DE 34 08 650 A1 eine formschlüssig integrierte Krafteinleitung für einen Faserverbundstab beschrieben, bei der nachträglich in einen zylindrischen Stab ein metallisches Konusgewindeelement eingefügt wird. Der dabei entstehende Zwischenraum zwischen dem zylindrischen Ende des Stabes und dem Konuselement wird nach diesem Patent mit einer Harzmischung ausgefüllt. Bei einer Zugbelastung des Stabes wird das Konuselement in den Innenkonus aus Harzmischung gezogen. Dieser Innenkonus wird dabei sehr stark radial belastet und drückt gegen die Stabwand, deren Aufsprengen durch eine von außen auf den Stab geklebte Metallhülse verhindert wird. Die Harzmasse besitzt weder die erforderliche Festigkeit noch die nötige Steifigkeit in Längsrichtung, mit der die Biegespannungen in der Stabwand vermindert werden können, die durch das metallische Konusgewindeelement induziert werden. Im Gegensatz zu Faserverbundrohren bieten Metallrohre den Vorteil, dass auf einfache Weise Gewindeelemente oder sonstige metallische Krafteinleitungen an- oder eingeschweißt werden können. Da eine Schweißnaht in der Krafteinleitung allerdings auch immer eine Schwächung des Materials bedeutet, kann mit einer – in ein hochfestes Rohr – eingeschweißten Krafteinleitung die hohe Rohrfestigkeit nicht vollständig genutzt werden.
In „Aktive Stäbe mit Piezoaktuatoren” (archiviert in http://web.archive.org/web/20040212020511/http://www.schuetze-staebe.de am 12.2.2004, abgerufen am 15.9.2010) wird ein Anschluss für einen aktiven Stab mit integriertem Piezo-Aktuator gezeigt.
In Patent DE 40 29 008 C1 wird eine Krafteinleitung mit beweglichem inneren Konuselement dargestellt.
Lösung des Problems
Zur Lösung des Problems wird eine Krafteinleitung vorgeschlagen, die genauso hoch belastet werden kann wie die aus dem europäischen Patent EP 0 841 490 A2 , die jedoch durch Verwendung von Stabhalbzeugen mit einem wesentlich geringeren Aufwand gefertigt werden kann.
Die vorliegende Erfindung geht ebenfalls von einem zylindrischen Ende eines Faserverbundstabes (10) aus, in dem sich ein konisches Gewindeelement (11) befindet (Bild 1). Der Zwischenraum zwischen Konuselement und Stabwand wird in diesem Fall allerdings nicht mit einer isotropen Harzmasse von nur geringer Steifigkeit und Festigkeit gefüllt, sondern vielmehr von einem vorgefertigten Innenkonusteil aus Faserverbundwerkstoff mit zylindrischer Außenkontur (12, Konushülse), das in dem Ende des Stabes (10) fixiert wird. Bei Zugbelastung wird das metallische Konusgewindeelement (11) in die fixierte Konushülse aus Faserverbundwerkstoffen (12) gezogen und drückt mit diesem gegen die zylindrische Stabwand (10), deren Umfangssteifigkeit zu diesem Zweck durch eine Faserringwicklung (14) besonders versteift wird. Versuche haben gezeigt, dass die Festigkeit der so entstandenen Krafteinleitung die einer einfach eingeklebten Gewindehülse weit übertrifft. Durch den hohen Andruck einer eingeklebten Konushülse (12) gegen die Stabwand (10) wird die Klebhaftung soweit vergrößert, dass der Stab nicht mehr durch Überschreiten der Spannung in der Klebschicht versagt.
Die Konushülse (12) besteht aus unidirektionalem Fasermaterial und erstreckt sich in Richtung Stabmitte deutlich weiter als der metallische Gewindekonus (11). Aufgrund des unidirektionalen Aufbaus besitzt die Konushülse (12) eine hohe Längssteifigkeit und kann so Biegespannungen in der Stabwand (10), die durch das Ende des Metallkonus (17) erzeugt werden, abbauen. Weiterhin hat die Konushülse (12) eine geringe Umfangssteifigkeit, sodass die durch den Metallkonus (11) erzeugte Drucklast nahezu ungehindert auf die verstärkte Stabwand (10) wirkt. Daraus ergibt sich eine hohe Druckbelastung der Klebschicht zwischen Innenkonus (12) und Stabwand (10). Die hohen Druckkräfte werden letztendlich durch Umfangskräfte der Faserringwicklung (14) aufgenommen, die sich im Bereich der Krafteinleitung außen auf dem Faserverbundstab befindet. Die Faserringwicklung (14) liegt nicht mehr in der Kontur des Stabes (10) und bildet damit eine Stabverdickung, die zumindest für einige Anwendungen störend sein kann. Zur Verminderung dieser Stabverdickung wird zwischen Konushülse (12) und Stabwand (10) eine zusätzliche Faserverbundzwischenschicht (18) vorgesehen, mit der die Umfangssteifigkeit der Konushülse (12) gezielt erhöht werden soll, um damit die Steifigkeit der äußeren Ringwicklung (14) und damit deren Dicke herabzusetzen. Ziel dieser Maßnahme ist es, die Druckbelastung der Klebschicht soweit herabzusetzen, dass unter maximal erreichbarer Zugbelastung gerade kein Ausziehen des Innenkonusteils (12) stattfindet.
Die gezielte Erhöhung der Umfangssteifigkeit der Konushülse (12), die aus unidirektionalen, in Stablängsrichtung orientierten Fasern besteht, kann dadurch erreicht werden, dass entweder die Konushülse an ihrer Außenseite eine zusätzliche Faserverbund-Zwischenschicht (18) erhält, deren Faserwinkel zwischen 0° und 90° variieren können oder dadurch, dass ein bestimmter, von 0° abweichender ±-Faserwinkel für die gesamte Konushülse ohne Zwischenschicht eingestellt wird.
Die hier vorgeschlagene Lösung ist nicht beschränkt auf Faserverbundrohre, sondern ebenso auf Metallrohre übertragbar. Sofern die erforderliche Ringsteifigkeit und Festigkeit von dem Metallrohr allein nicht bereitgestellt wird, kann sowohl durch zusätzliche Metallhülsen wie auch durch Faserringwicklungen die Umfangssteifigkeit des Metallrohres im Bereich der Krafteinleitung erhöht werden.
1. Ausführungsbeispiel: Anschluss für einen Zug- und Druckstab aus CFK
Bild 2 zeigt einen Zug- und Druckstab mit den oben beschriebenen Krafteinleitungen. Ausgehend von einem als Halbzeug vorliegenden CFK-Sandwichstab (10) sind an beiden Stabenden Aluminium-Gewindekonuselemente (11) gemeinsam mit CFK-Konushülsen (12) in den ausgefrästen Stab (10) eingefügt. Die Konushülsen (12) bestehen aus unidirektionalen, in Stablängsrichtung orientierten C-Fasern, ragen deutlich tiefer in den Stab hinein als die Al-Konuselemente (13) (17) und sind auf ganzer Länge mit dem Stab verklebt. Zwischen CFK-Konushülse und Al-Gewindekonus besteht keine Verklebung. Die Stabenden sind zur Erhöhung der Umfangssteifigkeit an ihrer Außenseite mit einer C-Faserringwicklung (14) versehen, die sich bis in den ungestörten Stabbereich (15) erstreckt und dort möglichst dünn ausläuft.
Die Zugkräfte des Stabes werden allein über den Al-Gewindekonus (11) in den Stab eingeleitet, während die Druckkräfte allein über eine gesonderte Druckscheibe (16) mit Kontermutter direkt in die Stabwand (10) eingeleitet werden.
Um eine nahezu hysteresefreie Belastung des Stabes im Zug- und Druckbereich zu erreichen, ist es erforderlich, den Stab mit einer Zugkraft zu belasten. Unter der Zugbelastung schlüpfen die Al-Konuselemente (11) nach außen und verklemmen sich in dem innen konischen Stab (12). Zur Vermeidung eines weiteren Schlüpfens der Al-Konuselemente (11) im Betrieb und der daraus entstehenden Hysterese muss die Vorbelastung immer höher sein als die maximale Betriebslast.
2. Ausführungsbeispiel: Aktiver CFK-Stab
In Bild 3 ist ein Stab dargestellt, der durch einen eingebauten Piezo-Aktuator (20) seine Länge ändern kann. Der Stab besitzt den gleichen Aufbau wie der im 1. Ausführungsbeispiel beschriebene. Hier werden allerdings zwischen den beiden metallischen Konusgewindeelementen (11) ein Piezo-Aktuator (20) und ein dehnsteifer Druckstab (21) angeordnet. Zur Einstellung einer geeigneten Vorlast befindet sich zwischen dem Piezo (20) und dem metallischen Konusgewindeelement (11) ein Feingewindetrieb (22), der aus einer Gewindehülse (23) und einer Druckplatte mit Gewindebolzen (24) besteht. Der Gewindebolzen hat einen Innensechskant (25) und kann mit einem Inbusschlüssel angezogen werden. Dazu ist es erforderlich, den Stab in einer Zugprüfmaschine mit einer bestimmten Last zu ziehen und den Feingewindebolzen mit seiner Druckplatte (24) gegen den Piezo-Aktuator (20) zu drehen. Zu diesem Zweck muss die Schraube, mit der der Stab an der Traverse der Prüfmaschine befestigt wird, durchbohrt werden, so dass der Inbusschlüssel durch diese Bohrung in den Feingewindebolzen gesteckt werden kann. Nach dem Entlasten des Stabes ist im Piezo-Aktuator (20) eine Druckbelastung eingeprägt. Piezo-Aktuator (20) und dehnsteifer Stab (21) werden durch entsprechende Führungshülsen (26) im Stab geführt und bleiben selbst dann in ihrer ausgerichteten Lage, wenn durch hohe Zugkräfte die Druckplatte des Gewindebolzens (24) abhebt. Die elektrischen Kabel (27) des Piezo-Aktuators werden zweckmäßig dort seitlich aus dem Stab herausgeführt, wo durch Faserringwicklung (14) und CFK-Konushülse (12) ohnehin eine Versteifung der Stabwand (10) vorliegt.
3. Ausführungsbeispiel: Ein mit Innendruck belasteter Zylinder aus Faserverbundwerkstoffen
Bild 4 zeigt einen mit Innendruck belasteten Zylinder (Hydraulik- bzw. Gaszylinder) aus CFK, bei dem ein CFK-Rohr (30) als Halbzeug verwendet wird. Das in einem Strangziehverfahren hergestellte CFK-Rohr (30) mit unidirektionalen, in Längsrichtung orientierten C-Fasern (31) besitzt ein metallisches Innenrohr (32, Metall-Liner) und auf seiner Außenseite eine CFK-Ringwicklung (33) zur Umfangsversteifung des innendruckbelasteten Rohres (30). Ähnlich wie in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen werden an den Rohrenden innere Konuselemente (34) gemeinsam mit den entsprechenden CFK-Konushülsen (35) eingesetzt. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen 1 und 2 werden in diesem Fall die CFK-Konushülsen (35) nicht mit dem Rohr (30) verklebt, sondern vielmehr durch Innendruck fixiert, der ein Verklemmen von innerem Konuselement (34) und Konushülse (35) mit der Zylinderwand (30) bewirkt. Die dabei entstehenden Umfangskräfte werden durch eine zusätzliche Faserringwicklung (36) aufgenommen.
Die inneren Konuselemente sind nach außen hin verlängert und haben dort ein Außengewinde (39), auf das ein Metallring (37) mit Innengewinde bis zur Zylinderwand (38) aufgeschraubt wird. Die inneren Konuselemente (34) besitzen in Umfangsrichtung verteilte Kanäle (43), die am Ende des Konus seitlich austreten (44). Der Metallring (37) enthält einen seitlichen Gewindeanschluss für eine Medienzuführung (40) und im Bereich des Innengewindes eine umlaufende Nut (41) zur Verbindung der Kanäle (43) mit der Zuführung (40).
Die Rohranschlüsse beider Seiten unterscheiden sich darin, dass der eine Anschluss eine Bohrung für die Kolbenstange (42) und der andere ein Innengewinde (45) besitzt.
Da die Konushülsen (35) in diesem Fall nicht im Rohr (30) eingeklebt, sondern nur eingeklemmt werden, kann der Druckzylinder in alle Einzelteile zerlegt werden. Hierzu müssen die beiden Metallringe (37) abgeschraubt und die inneren Konuselementen (34) zurückgedrückt werden.
Eine weitere Ausführungsform eines mit Innendruck belasteten Zylinders zeigt Bild 5. Dieser Zylinder hat zusätzlich zu dem oben beschriebenen eine metallische Überwurfhülse (46), die an einer Seite einen nach innen gerichteten Anschlag (47) hat und auf der anderen Seite ein Innengewinde (48) besitzt, das mit einem weiteren Metallring (49) verschraubt ist. Zwischen Metallring (49) und Anschlag (47) der Überwurfhülse befindet sich auf der Außenseite des Zylinders eine weitere, mit dem Zylinder fest verbundene Hülse (50). Der mit der Überwurfhülse verschraubte Metallring ragt in den Zylinder hinein, bildet einen Anschlag (51) für die nicht eingeklebte Konushülse (35) und verhindert so durch Formschluss ein Herausrutschen der Konushülse (35) für den Fall, dass die Reibung zwischen Konushülse und Zylinder infolge von Gleitmitteln (z. B. Öl) sehr gering ist.

Claims

Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren mit a) einem inneren, ersten Konuselement (11) in einem zweiten, außen zylindrischen Element (12, Konushülse), welches mit einem dem inneren Konuselement entsprechenden Innenkonus versehen ist, wobei b) das zweite Element (12) gemeinsam mit dem eingesteckten inneren (ersten) Konuselement (11) in einem zylindrischen Stab (10) oder innendruckbelasteten Rohr (30) fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass c) dass das zweite Element (12) ein gesondert hergestelltes Faserverbundteil mit gezielter Faserorientierung ist und außen noch eine weitere Faserverbundschicht (18) besitzt, deren Faserorientierung zwischen 0° und 90° eingestellt werden kann.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (10) oder innendruckbelasteten Rohre (30) aus isotropen Werkstoffen (Metall, Kunststoff) bestehen.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (10) oder innendruckbelasteten Rohre (30) aus anisotropen Werkstoffen (Faserverbundwerkstoffen) bestehen.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung des außen zylindrischen zweiten Elementes (12, Konushülse) in dem zylindrischen Stab oder Rohr durch Verklebung und Verklemmung erfolgt.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung des außen zylindrischen zweiten Elementes (12) in dem zylindrischen Stab nur durch Verklemmung erfolgt.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung des außen zylindrischen zweiten Elementes (12) in dem zylindrischen Stab durch Verklemmung und durch Andruck gegen einen aufgeschraubten Ring (49) erfolgt.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das innere Konuselement (34) ein Konuselement mit einer Durchgangsbohrung (42) ist.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das innere Konuselement (11) ein Konusgewindeelement mit einem Durchgangsgewinde ist.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das innere Konuselement (34) ein Konusgewindeelement mit einem Sacklochgewinde (45) ist.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 7–9 dadurch gekennzeichnet, dass das innere Konuselement (34) mit einem Außengewindeteil (39) verlängert ist, auf dem ein Metallring (37) aufgeschraubt ist, der sich gegen die Stab- bzw. Rohrwand abstützt.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das innere Konuselement (34) mit konzentrisch angeordneten Zuführungsbohrungen (43) für Medien versehen ist, die seitlich im Bereich des Gewindeteils aus dem Konuselement austreten (44) und dass auf dem Gewindeteil ein Metallring (37) mit einer seitlichen Zuführung (40) und einem umlaufenden Kanal (41) aufgeschraubt ist, der Zugang zu den seitlichen Austrittsöffnungen des Konuselementes (44) hat.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich außen auf dem zylindrischen Stab oder Rohr auf ganzer Länge eine Faserringwicklung (33) und innen ein metallischer Liner (32) befindet.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich außen auf dem zylindrischen Stab oder Rohr nur abschnittsweise Faserringwicklungen (14, 36) befinden.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich außen auf dem zylindrischen Stab oder Rohr an den Enden Metallhülsen befinden.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich außen auf dem zylindrischen Stab oder Rohr an den Enden Überwurfhülsen (46) befinden, die auf einer Seite einen Anschlag (47) besitzen, mit dem sie gegen eine mit der Zylinderwand fest verbundenen Hülse (50) stoßen, und die auf der anderen Seite mit einem Gewindering (49) verschraubt sind, der gegen die Innenkonushülse (35) drückt.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Zylinderaußenwand fest verbundenen Hülsen (50) aus Faserverbundwerkstoff bestehen, deren Fasern sich in Zylinderlängsrichtung erstrecken.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element mit Innenkonus (12, 35, Konushülse) aus unidirektionalen, in Längsrichtung orientierten C-Fasern besteht.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element mit Innenkonus (12, 35, Konushülse) aus C-Fasern besteht, die in einem bestimmten ±-Winkel zur Längsachse angeordnet sind.
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich das zweite Element mit Innenkonus (12, 35) deutlich weiter zur Stab- oder Rohrmitte hin erstreckt (13), als das innere Konuselement (11).
Anschluss zur Übertragung von Zugkräften in Stäben oder innendruckbelasteten Rohren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass zwischen den beiden inneren Konusgewindeelementen (11) eines längskraftübertragenden Stabes ein Piezo-Stapelaktuator (20), ein dehnsteifer Stab (21) und ein von außen verstellbares Druckelement (22) angeordnet sind.