DE102007033552B3

DE102007033552B3 - Flexibler Faserverbundstab

Info

Publication number: DE102007033552B3
Application number: DE200710033552
Authority: DE
Inventors: Eckart Dr. rer. nat. Schütze
Original assignee: Schuetze GmbH
Current assignee: Schuetze GmbH
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2027-07-20

Abstract

Bewegliche Zug- und Druckstäbe müssen bei geringem Gewicht eine hohe Biegesteifigkeit haben, um einerseits hohe Druckkräfte aufnehmen zu können und um andererseits auch eine hohe Eigenfrequenz zu haben. Hierfür eignen sich in besonderer Weise Faserverbundstäbe aus CFK. In einigen Anwendungen wie beispielsweise bei Krafteinleitungsstangen für Prüfsysteme - speziell Ermüdungsprüfsysteme - muss die Krafteinleitungsstange auch seitlich ausgelenkt werden können, um eine Änderung der Kraftrichtung zu ermöglichen. Dazu wird die Stange dann an den Enden mit biegeweichen Stababschnitten (11), s. g. Festkörpergelenken, ausgestattet. Die biegeweichen Abschnitte werden dadurch erzeugt, dass die unidirektionalen und in Stablängsrichtung verlaufenden Fasern (17) am Ende des Stabes zusammenlaufen, sich dann wieder auf den normalen Stabdurchmesser erweitern und hier in einer normalen, für den CFK-Stab verwendeten Krafteinleitung enden. Die Anzahl der Längsfasern bleibt dabei konstant; es ändern sich lediglich der Stabdurchmesser und mit ihm die Biegesteifigkeit. Da durch die Umlenkung der Fasern an den Übergangsstellen zwischen normalem Stabdurchmesser und den dünnen Stababschnitten unter Längsbelastung seitliche Kräfte entstehen, die im Druckfall die Fasern ausknicken lassen und im Zugfall die umgebogenen Fasern gerade ziehen wollen, ist es erforderlich, die Fasern in diesem Übergangsbereich von außen und innen zu stützen. Aus diesem Grund werden im Inneren des Stabes steife ...

Description

Einleitung und Stand der Technik:
Bewegliche Zug- und Druckstäbe müssen eine hohe Biegesteifigkeit haben, um einerseits hohe Druckkräfte aufnehmen zu können und um andererseits auch eine hohe Eigenfrequenz zu haben. Hierfür eignen sich in besonderer Weise Faserverbundstäbe aus CFK (vgl. hierzu auch die Druckschriften AZ 10 2004 021 144.2 , AZ 102 47 003.0 , AZ 102 49 591.2 ). In einigen Anwendungen wie beispielsweise bei Krafteinleitungsstangen für Prüfsysteme – speziell Ermüdungsprüfsysteme – muss die Krafteinleitungsstange auch seitliche ausgelenkt werden können, um eine Änderung der Kraftrichtung zu ermöglichen. Dazu wird die Stange dann an den Enden mit s. g. Festkörpergelenken ausgestattet.
Festkörpergelenke haben im Vergleich zu anderen Gelenken den Vorteil, spielfrei zu sein. Dies wird dadurch erreicht, dass biegeweiche Stellen eingefügt werden, um eine elastische Verbiegung zu ermöglichen. Diese biegeweichen Stababschnitte befinden sich an den Enden, wo sie die Knicksteifigkeit des Stabes nicht beeinträchtigen. Üblicherweise bestehen die biegeweichen Abschnitte oder auch Festkörpergelenke aus zwei um 90° gedrehte Stahlplatten, die Verbiegungen in allen Richtungen ermöglichen.
Nachteile des Standes der Technik
Für die beweglichen Krafteinleitungsstangen werden oftmals schon CFK-Stäbe verwendet, da sie bei hoher Biegesteifigkeit ein geringes Gewicht haben und dadurch die Massenkräfte klein halten. Die vorhandenen Festkörpergelenke besitzen mit ihren gekreuzten Stahlplatten ein relativ hohes Gewicht und benötigen stabseitig eine entsprechende metallische und damit schwere Krafteinleitung, so dass infolge der schweren Festkörpergelenken die Gewichtseinsparungen auch durch Verwendung leichter CFK-Stangen minimal sind. Darüber hinaus ist die Ermüdungsfestigkeit von Stahlplatten begrenzt. Die Aufgabe besteht darin, die beim Stand der Technik vorhandenen Nachteile zu beseitigen.
Lösung des Problems
Zur Lösung des Problems wird ein CFK-Sandwichstab (10) gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zur Herstellung des Stabes gemäß Anspruch 7 vorgeschlagen, dessen unidirektionalen und in Stablängsrichtung verlaufenden Fasern am Ende des Stabes zusammenlaufen (11), sich dann wieder auf den normalen Stabdurchmesser erweitern und hier in einer normalen, für den CFK-Stab geeigneten Krafteinleitung enden (1). Die Anzahl der Längsfasern bleibt dabei konstant; es ändern sich lediglich der Stabdurchmesser und mit ihm die Biegesteifigkeit.
Da durch die Umlenkung der Fasern (12) an den Übergangsstellen zwischen normalem Stabdurchmesser und den dünnen Stababschnitten unter Längsbelastung seitliche Kräfte entstehen, die im Druckfall die Fasern ausknicken lassen und im Zugfall die umgebogenen Fasern gerade ziehen wollen, ist es erforderlich, die Fasern in diesem Übergangsbereich von außen und innen zu stützen. Aus diesem Grund werden im Inneren des Stabes steife Formteile (13) vorgesehen, die die gewünschte Kontur hinreichend genau abbilden.
Von außen wird eine Faserumfangswicklung (14) angebracht, die ein Ausbrechen der unidirektionalen Fasern verhindert bzw. erst bei ausreichend hohen Drucklasten zulässt.
Die Integration des biegeweichen Abschnittes (Festkörpergelenk) in den Faserverbundstab führt insgesamt zu einer deutlichen Massenreduktion und damit zu geringeren Massenkräften und trägt gleichzeitig durch eine vergleichsweise einfache Fertigung auch zu einer Kostenersparnis bei.
Unidirektionale, in Kraftrichtung orientierte Fasern verleihen dem CFK-Stab darüber hinaus eine hohe Ermüdungsfestigkeit.
Ausführungsbeispiel
1 zeigt zwei CFK-Sandwichstäbe mit Stabverjüngungen.
Eine Stabverjüngung kann sowohl an einem (10) wie auch an beiden Ende des Stabes (20) vorgenommen werden. Wenn nur ein Ende des Stabes mit einem solchen „dünnen" Stababschnitt versehen ist, ändert sich die Kraftrichtung bei einer Verbiegung des Stabes. Wenn jedoch beide Enden des Stabes einen solchen Abschnitt aufweisen, kann die Kraftrichtung bei einer Parallelverschiebung der Stabachse beibehalten werden.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine oben beschriebene Stabverjüngung dargestellt. In diesem Fall wurden zwei sich gegenüberliegende Aluminium-Kegel mit einer dünnen Gewindestange (15) verbunden und dann mit den entsprechenden Schaumkernstababschnitten (16) versehen.
Die Fertigung eines langen CFK-Sandwichstabes, der aus mehreren Einzelstäben besteht (3), erfolgt in üblicher Weise in einem Strangziehprozess. In diesem Prozess werden Schaumkernabschnitte (16), zwischen denen sich gegenüberliegende und mit einer dünnen Gewindestange (15) verbundene, kegelförmige Stützelemente (13) befinden, mit Harz getränkten, unidirektionalen C-Faserfäden (17) belegt, die von Spulen abgezogen und gleichmäßig über dem Umfang verteilt werden. In dieser Form durchläuft der Stab ein Rohr, auf dem sich ein zusammen geschobenes dünnes Glasfaserschlauchgewebe (18) befindet, welches kontinuierlich von diesem Rohr abgezogen wird und sich dabei eng an den mit C-Fasern (17) belegten Schaumkernstab anlegt. Zum Aushärten wird der Stab auf einem Richtprofil abgelegt. An den Stellen der Stabverjüngungen (11) werden die unidirektionalen Fasern (17) durch provisorische Wicklungen bis auf den kleinstmöglichen Durchmesser zusammengezogen. Der Langstab wird nach dem Aushärten auf einem Richtprofil in die Einzelstäbe (19) zerteilt. Anschließend erhalten die Enden der Einzelstäbe, aber insbesondere die Verjüngungen, eine Schicht von Faserringwicklungen (14), die ein Ausknicken der unidirektionalen Fasern auch bei höheren Drucklasten verhindern.
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

- AZ 102004021144 [0001]
- AZ 10247003 [0001]
- AZ 10249591 [0001]

Claims

Flexibler Faserverbundstab, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab aus einem runden Schaumkernstab (16) besteht, an dem sich mindestens auf einer Seite ein Formkörper (13) mit einer Verjüngung als innerem Stützelement befindet, dass Schaumkernstab und Stützelemente mit unidirektionalen, mit Harz getränkten Fasern (17) belegt sind, die durch ein dünnes Faserschlauchgewebe (18) zusammengehalten werden, dass der Stab in einem Bereich, der etwas größer ist, als der Bereich des Formkörpers, mit einer Faserringwicklung (14) als äußerem Stützelement versehen ist, dass der Stab an beiden Enden mit Krafteinleitungen versehen ist.
Flexibler Faserverbundstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (13) aus zwei sich gegenüberliegenden kegelförmigen Übergangsstücken besteht, die durch eine dünne Stange (15) zusammen- und auf Abstand gehalten werden.
Flexibler Faserverbundstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der unidirektionalen Fasern (17) über der Länge des Stabes konstant bleibt.
Flexibler Faserverbundstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unidirektionalen Fasern des Stabes (17) auf den kleinstmöglichen Durchmesser zusammengeführt sind.
Flexibler Faserverbundstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unidirektionalen Fasern des Stabes (17) durch entsprechend ausgebildete, kegelförmige Stützelemente auf einen gewünschten, kleineren Durchmesser zusammengeführt sind.
Flexibler Faserverbundstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (20) an beiden Enden eine Durchmesserverjüngung (11) aufweist
Verfahren zur Herstellung eines flexiblen Faserverbundstabes nach Anspruch 1, dargestellt in den Fertigungsschritten a) bis f) a) Es wird ein Kernstab aus in Reihe angeordneten, rund geschliffene Schaumkernstababschnitten (16) und kegelförmigen Stützelementen (13) in großer Länge zusammengefügt und mit gleichmäßig um den Umfang verteilten unidirektionalen Fasern (17) belegt, die von Spulen abgezogen und vor dem Ablegen auf dem Kernstab mit Harz getränkt werden. b) Der mit unidirektionalen Fasern belegte Kernstab (13 + 16) wird durch ein Rohr gezogen, auf dem sich ein dünnes Faserschlauchgewebe (18) befindet. c) Das Faserschlauchgewebe (18) wird von diesem Rohr kontinuierlich abgezogen, legt sich dabei eng um den Kernstab (13 + 16) mit den unidirektionalen Fasern (17) und fixiert so die Fasern auf dem Kernstab. d) Die unidirektionalen Fasern und das dünne Faserschlauchgewebe werden jeweils dort, wo durch kegelförmige Stützelemente Stabverjüngungen (11) vorgesehen sind, durch provisorische Wicklungen bis auf den kleinstmöglichen bzw. den gewünschten Durchmesser zusammengezogen und härten in dieser Form auf einem Richtprofil aus. e) Nach dem Aushärten wird der lange Stab in die Einzelstäbe (19) zerteilt. f) Die noch vorhandenen, provisorischen Wicklungen der Einzelstäbe werden entfernt und durch definierte Faserringwicklungen (14) ersetzt.