DE102007049624B4

DE102007049624B4 - Leichter Druckstab mit zusätzlicher Versteifungsschicht

Info

Publication number: DE102007049624B4
Application number: DE102007049624.0A
Authority: DE
Inventors: Eckart Schütze
Original assignee: Schuetze GmbH
Current assignee: Schuetze GmbH
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: DE102007049624A1

Abstract

Druckstab mit Versteifungsrohr (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Biegesteifigkeit eines hochbelastbaren Druckstabes(-rohres) (12) mit einem zusätzlichen Faserverbundrohr(-stab) (11) erhöht ist, das mit dem Last tragenden Druckstab(-rohr) (12) nicht reibschlüssig verbunden ist, wobei durch eine Trennschicht (13) dafür gesorgt wird, dass es keine mechanische Kopplung zwischen dem lasttragenden Druckstab(-rohr) (12) und dem zusätzlichen Faserverbundrohr(-stab) (11) gibt und dadurch Längskräfte nur von dem hochfesten Druckstab(-rohr) (12) aufgenommen werden und das Faserverbundrohr/der Faserverbundstab (11) nur eine höhere Biegesteifigkeit liefert.

Description

Einleitung und Stand der Technik:
Für Stäbe oder Rohre, die auf Druck beansprucht werden, gilt bei gelenkiger Endlagerung die Formel: P_Kr = E·I·π²/L². Geringe Biegesteifigkeiten Exl und große Stablängen führen also zu kleinen Knicklasten. Da häufig Durchmesser und Länge eines Druckstabes vorgegeben sind, lässt sich die Biegesteifigkeit Exl nur noch durch die Dicke der Stabwand und durch das eingesetzte Material beeinflussen. Will man also eine hohe kritische Knicklast erzielen, muss man einen Werkstoff mit hohem Elastizitätsmodul E wählen. Das maximale Trägheitsmoment I erhält man, wenn aus einem Rohr ein Vollstab geworden ist. Leider führt dieser Vollstab im Allgemeinen zu einem hohen Gewicht, was für viele Anwendungen nicht akzeptabel ist. Einen großen Vorteil liefern in diesem Zusammenhang Carbonfaser-Stäbe (CFK-Stäbe), deren E-Moduln und Festigkeiten hoch sind und die außerdem ein geringes Gewicht besitzen. In der Patentschrift DE 44 35 856 C1 wird ein Metallrohr beschrieben, in dem sich zur Versteifung ein Faserverbundrohr befindet, das mit dem Metallrohr fest (schubsteif) verbunden ist. Hier werden zur Übertragung von Längskräften sowohl das äußere wie auch das innere Rohr herangezogen.
Nachteile des Standes der Technik
Bei den Carbonfasern unterscheidet man zwischen PAN-Fasern (Polyakrylnitrilfasern) und Pitch-Fasern (Pechfasern). Die PAN-Fasern besitzen eine hohe Festigkeit, jedoch eine vergleichsweise geringe Steifigkeit. Bei den Pitch-Fasern ist dieses Verhältnis genau umgekehrt. Wegen der geringen Druckfestigkeit der Pitch-Fasern scheiden diese für hoch belastbare Druckstäbe aus. Die hochfesten PAN-Fasern sind jedoch in ihrem E-Modul begrenzt und erlauben daher nur vergleichsweise geringe kritische Drucklasten.
Lösung des Problems
Zur Lösung des Problems wird ein CFK-Stab aus PAN-Fasern (10) vorgeschlagen, der mit einem zusätzlichen Versteifungsrohr aus Pitch-Fasern (11) kombiniert wird (1). Die entsprechenden Krafteinleitungen, die eine hohe Längskraft ermöglichen, wirken allein auf die Last tragende CFK-Schicht aus PAN-Fasern (12). Das zusätzliche Rohr aus Pitch-Fasern befindet sich in einem bestimmten Mittenbereich (14) des Druckstabes und verleiht diesem dort die notwendige Biegesteifigkeit. Leider lässt sich ein Stab aus PAN-Fasern nicht ohne weiteres mit einem auf- oder eingeklebten Rohr aus Pitch-Fasern kombinieren, da deren Steifigkeiten und insbesondere deren Bruchdehnungen zu unterschiedlich sind. Aus diesem Grund wird das Rohr aus Pitch-Fasern nicht mit dem Stab aus PAN-Fasern über eine Verklebung verbunden. Vielmehr wird durch eine Trennschicht (13) dafür gesorgt, dass es keine mechanische Kopplung zwischen den beiden Faserverbundrohren gibt. Die Längskräfte werden also allein von den hochfesten PAN-Fasern aufgenommen, während das Versteifungsrohr aus Pitch-Fasern unbelastet ist und nur eine höhere Biegesteifigkeit liefert. Da bei einem Druckstab eine hohe Biegesteifigkeit nur im mittleren Bereich des Stabes benötigt wird, erstreckt sich das zusätzliche Versteifungsrohr aus Gewichts- und Kostengründen nicht über den ganzen Stab, sondern nur über den erwähnten, mittleren Stabbereich (14), also dort, wo es erforderlich ist.
Die Trennschicht (13) soll die zusätzliche Versteifungsschicht (11) von der Last tragenden CFK-Schicht (12) entkoppeln. Dies erfolgt im Fall einer in situ-Fertigung dadurch, dass der vorher ausgehärtete Versteifungsstab mit einer Trennfolie versehen und mit PAN-Fasern belegt wird. Erhält der Last tragende Stab nachträglich die zusätzliche Versteifungsschicht, wird in diesen der Versteifungsstab ohne Klebstoff hinein geschoben und mit entsprechenden, eingefügten Elementen (z. B. Schaumelemente) in Position gehalten.
Der hier betrachtete Druckstab (10) muss nicht notwendigerweise aus CFK bestehen. In gleicher Weise kann auch die Biegesteifigkeit eines Aluminium-Rohres durch ein zusätzliches Rohr aus Pitch-Fasern vergrößert werden.
Auch muss der Querschnitt des Druckstabes nicht notwendiger kreisförmig sein. Der Last tragende Stab sowie das zusätzliche Rohr können auch Rohre mit quadratischem Querschnitt sein.
1. Ausführungsbeispiel: Kolbenstange aus CFK mit zusätzlicher Versteifung
2 zeigt die Kolbenstange eines Hydraulikzylinders in CFK-Bauweise.
Die Kolbenstange ist ein typisches Beispiel für einen hochbelastbaren Druckstab. Angestrebt werden bei einer Kolbenstange ein möglichst kleiner Durchmesser, eine möglichst große Länge, eine möglichst große Druckbelastbarkeit und ein möglichst geringes Gewicht. Aus den hier genannten Gründen sind CFK-Werkstoffe für die Verwendung in Kolbenstangen sehr interessant.
In 2 ist eine CFK-Kolbenstange aus einer hochbelastbaren PAN-Faser dargestellt (20). Außen besitzt der Stab eine kalibrierte Schicht (24) mit einer glatten und verschleißfesten Oberfläche (beispielsweise Metall oder Keramik), die ein Gleiten im Zylinder ermöglicht. Darunter befindet sich eine Last tragende CFK-Schicht, die im Fall der Kolbenstange zur Aufnahme des Außendrucks aus Umfangswicklung (23) und zur Aufnahme der Längskräfte aus einer Schicht Längsfasern (22) besteht. Im Inneren ist in einem Bereich in der Mitte der Kolbenstange ein zusätzliches Versteifungsrohr aus Pitch-Fasern angeordnet (21). Dieser Stab ist von der übrigen CFK-Stange durch eine Trennfolie (25) mechanisch entkoppelt.
2. Ausführungsbeispiel: Hochbelastbarer Druckstab mit außen anliegendem Versteifungsrohr
3 zeigt einen leichten, hoch belastbaren CFK-Druckstab (30) mit entsprechenden Anschlusselementen und einem außen, im mittleren Stabbereich anliegenden Versteifungsrohr aus Pitch-Fasern (31). Das Pitch-Faserrohr ist auf den Druckstab (32) aufgeschoben, jedoch nicht mit diesem verklebt. Dadurch ergibt sich automatisch eine Trennschicht (33) zwischen Versteifungsrohr und Last tragendem Stab. In Position gehalten wird das Versteifungsrohr beispielsweise formschlüssig durch zwei Hülsenabschnitte (34), die auf den CFK-Druckstab aufgeklebt werden.
3. Ausführungsbeispiel: Hochbelastbarer Druckstab mit weiter außen liegendem Versteifungsrohr
4 zeigt ähnlich wie 2 einen leichten, hoch belastbaren CFK-Druckstab (40) mit entsprechenden Anschlusselementen. Bei diesem Stab reicht jedoch für die angestrebte kritische Knicklast die zusätzliche Biegesteifigkeit durch ein eng anliegendes Versteifungsrohr aus Pitch-Fasern nicht aus. Daher besitzt das Versteifungsrohr (41) einen Innendurchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser des Stabes (42), und stützt sich über eine leichte Abstands- und Trennschicht (Spante oder leichte Strukturschaumteile) (43) auf dem Last tragenden Stab ab. Unter der Voraussetzung, dass die leichte Abstands- und Trennschicht schubweich ist, kann sie sowohl mit dem Last tragenden Stab wie auch mit dem Versteifungsrohr verklebt sein.

Claims

Druckstab mit Versteifungsrohr (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Biegesteifigkeit eines hochbelastbaren Druckstabes(-rohres) (12) mit einem zusätzlichen Faserverbundrohr(-stab) (11) erhöht ist, das mit dem Last tragenden Druckstab(-rohr) (12) nicht reibschlüssig verbunden ist, wobei durch eine Trennschicht (13) dafür gesorgt wird, dass es keine mechanische Kopplung zwischen dem lasttragenden Druckstab(-rohr) (12) und dem zusätzlichen Faserverbundrohr(-stab) (11) gibt und dadurch Längskräfte nur von dem hochfesten Druckstab(-rohr) (12) aufgenommen werden und das Faserverbundrohr/der Faserverbundstab (11) nur eine höhere Biegesteifigkeit liefert.
Druckstab mit Versteifungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Last tragende Druckstab (12) aus CFK mit PAN-Fasern besteht.
Druckstab mit Versteifungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Last tragende Druckstab (12) aus einem metallischen Rohr besteht.
Druckstab mit Versteifungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Versteifungsrohr (11) aus im Wesentlichen längs gerichteten, unidirektionalen Hochmodul-Fasern besteht.
Druckstab mit Versteifungsrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Versteifungsrohr (11) aus hochsteifen Pitch-Fasern besteht.
Druckstab mit Versteifungsrohr nach Ansprüchen 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Versteifungsrohr (21) im Inneren des Last tragenden Druckstabes angeordnet ist.
Druckstab mit Versteifungsrohr nach Ansprüchen 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Versteifungsrohr (31) außen auf dem Last tragenden Druckstab (32) in direktem Kontakt angeordnet ist.
Druckstab mit Versteifungsrohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Versteifungsrohr (41) einen Innendurchmesser besitzt, der größer ist als der Außendurchmesser des Last tragenden Stabes (42) und mit diesem über eine leichte Zwischen- oder Abstandsschicht (43) verbunden ist.
Druckstab mit Versteifungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Versteifungsrohr (11) sich nicht über die ganze Länge des Druckstabes erstreckt, sondern nur über einen mittleren Bereich (14).
Druckstab mit Versteifungsrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Last tragende Druckstab aus CFK (22, 23) an seiner Oberfläche mit einer harten, verschleißfesten Schicht (24) (Metall oder Keramik) versehen ist.
Druckstab mit Versteifungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte von Druckstab (12) und Versteifungsrohr (11) kreisförmig sind.
Druckstab mit Versteifungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte von Druckstab (12) und Versteifungsrohr (11) rechteckig sind.