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Die Erfindung betrifft belastungsadaptiv ausgebildete, sich an punktuelle, linien- oder flächenhafte – ein- oder wechselseitige – Belastungen oder fluidische Anströmbedingungen anpassende Bauteile.
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In den verschiedensten Bereichen der Technik kommen Konstruktionselemente zum Einsatz, die unter Belastung verformt werden und deren aufgrund einer Krafteinwirkung nachgiebig-elastisches – konventionelles Verformungsverhalten mit der Richtung der auf das betreffende Bauteil wirkenden Kraft korreliert. Bei bestimmten Gestaltungsanforderungen, beispielsweise im Fahrzeug- und Strömungsmaschinenbau sowie im Apparatebau, ist es jedoch wünschenswert, dass eine der Kraftwirkungsrichtung entgegen gesetzte Formänderung des Bauteils erzielt wird. Ein derart paradoxes – nicht eindeutig nachgiebig-elastisches – Verhalten zwischen der Beaufschlagungsrichtung und der daraus resultierenden Formänderung des Bauteils ist insbesondere dann von Vorteil, wenn dadurch die Handhabungs- und Bedienungssicherheit verbessert werden kann, wie beispielsweise bei Armaturen und Griffen von Fahrzeugen und Fertigungsmaschinen oder auch bei Körperauflageflächen im medizinischen Apparatebau. Die Beaufschlagung des Bauteils kann einseitig oder wechselseitig sein und die Systemantwort kann unsymmetrisch oder symmetrisch sein.
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Ein paradoxes Kraftwirkungsrichtung-Formänderungs-Verhalten ist bisher nur mit komplexen mechatronischen Sensor-Aktor-Anordnungen und somit einem entsprechend hohen regelungstechnischen Kontrollaufwand realisierbar und zudem mit einem hohen Gewicht und hohen Kosten verbunden.
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Bei im Unterwasserbereich fluidisch beaufschlagten Bauteilen von Wasserfahrzeugen, die üblicherweise symmetrisch ausgebildet und beidseitig fluidisch belastet sind, aber auch bei fluidbeaufschlagten Strömungsmaschinen und anderen in einem Fluid arbeitenden Systemen sind die angeströmten Flächen bzw. die Leit- und Steuerflächen einer erheblichen mechanischen Belastung ausgesetzt. Auch hier folgt die Richtung der Formänderung der beaufschlagten Bauteilanströmflächen der Richtung des Lasteintrags und führt zu veränderten, strömungstechnisch ungünstigen Anströmbedingungen an den Leit- oder Steuerflächen. Der Änderung der Anströmbedingungen durch eine der Lastbeaufschlagungsrichtung folgende elastisch-nachgiebige Formänderung versucht man bisher mit einem erheblichen regelungstechnischen und mithin kostenintensiven Aufwand zu begegnen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein- oder beidseitig punktuell oder linienartig belastete oder flächenhaft belastete bzw. angeströmte Bauteilstrukturen zu entwickeln, die unter Vermeidung des hohen regelungstechnischen Aufwandes eigenständig ein der Lasteintragsrichtung entgegen wirkendes – paradoxes nachgiebig-elastisches bzw. strömungsgünstiges – Formänderungsverhalten zeigen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Bauteilstruktur gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein gemäß dem Grundgedanken der Erfindung belastungsadaptiv ausgebildetes Bauteil umfasst mindestens ein integral in dieses eingebundenes trapezförmiges, elastisch bewegliches Viergelenk zur Erzeugung eines der Kraftwirkungsrichtung entgegen gerichteten – anisotrop nachgiebigelastischen – Formänderungsverhaltens des Bauteils. Die elastischen Viergelenke sind immanenter Bestandteil des Bauteils bzw. des Bauteilwerkstoffs. Die Viergelenke bestehen aus in dem Bauteil ausgeformten ersten Ausnehmungen zur Bildung von durch Materialschwachstellen erzeugten, elastische Biegegelenke verkörpernden Gelenkpunkten sowie an die Gelenkpunkte angeschlossenen oder diese verbindenden zweiten, schlitzartigen Ausnehmungen. Eine Mehrzahl von im Abstand aufeinander folgenden Viergelenken stellt ein in das Bauteil integriertes, das heißt von dem Bauteil selbst bzw. durch die in dem Bauteil vorgesehenen Ausnehmungen gebildetes Mehrgelenkgetriebe dar, das ohne regelungstechnischen Aufwand und mit geringem Kostenaufwand bei einer auf das Bauteil wirkenden Last ein anisotrop nachgiebig-elastisches Formänderungsverhalten, das heißt ein der Richtung der auf das Bauteil wirkenden Kraft entgegen gerichtetes Formänderungsverhalten aufweist.
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Die Anwendung der Erfindung kann bei einseitig beanspruchten oder wechselseitig beanspruchten – beispielsweise strömungsmittelbeaufschlagten – Bauteilen erfolgen. Bei einem beid- oder wechselseitig beaufschlagten Bauteil haben die Viergelenke eine gleichschenklige, symmetrische Trapezform. Einseitig mit einer Last beaufschlagte Bauteile haben hingegen ein Mehrgelenkgetriebe aus aufeinanderfolgenden Viergelenken in der Form eines ungleichschenkligen, unsymmetrischen Trapezes.
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In einer spezifischen Ausführungsvariante – beispielsweise für die von einem Strömungsmittel beaufschlagten Seitenwände von Wasserfahrzeugen – ist das Bauteil in Schalenbauweise gefertigt und umfasst zwischen zwei äußeren Seitenwangen zur Ausbildung der zweiten Ausnehmungen im Abstand angeordnete Kernleisten. Die zur Ausbildung der elastischen Biegegelenke oder Gelenkpunkte vorgesehenen ersten Ausnehmungen sind in der jeweils zwischen zwei Kernleisten verbleibenden zweiten Ausnehmung jeweils gegenüberliegend an der Innenseite und an der strömungsmittelbeaufschlagten Außenseite der Seitenwangen eingeformte, nutenförmige innere und äußere Ausnehmungen. Die nutenförmigen Ausnehmungen sind bei einem Bauteil mit wechselseitiger Strömungsmittelbeaufschlagung derart in die Seitenwangen eingeformt sind, dass die von den Ausnehmungen gebildeten elastischen Biegegelenke in der Form eines symmetrischen Trapezes angeordnet sind. Aufgrund dieser Merkmalskombination weist das Bauteil, beispielsweise ein Heckruder eines Wasserfahrzeugs, ein der Richtung der Strömungsbeaufschlagung entgegen gerichtetes, strömungsmechanisch vorteilhaftes Formänderungsverhalten auf.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung weist ein wechselseitig punktuell oder linienförmig belastbares, einstückig ausgebildetes Biegebauteil mit symmetrischer Querschnittfläche jeweils eine randnahe äußere Bohrung und jeweils zwei in Längsrichtung versetzte innere Bohrungen auf, die die ersten Ausnehmungen zur Ausbildung der vier elastischen Biegegelenke oder Gelenkpunkte eines symmetrischen, trapezförmigen elastischen Viergelenks darstellen. Parallel zu den äußeren Bohrungen ist jeweils eine weitere innere Bohrung vorgesehen. Die als erste Ausnehmungen fungierenden Bohrungen sind untereinander bzw. mit der oberen und unteren Außenfläche des Biegebauteils durch als zweite Ausnehmungen fungierende schlitzförmige Ausfräsungen verbunden. Auf diese Art werden elastische Viergelenke bzw. Mehrgelenkgetriebe gebildet, die integraler Bestandteil des Bauteils sind und aus diesem selbst gebildet sind und ein der jeweiligen Lastauftragsrichtung entgegen gerichtetes – anisotrop nachgiebigelastisches Formänderungsverhalten aufweisen.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung weist ein als einseitig belastbares Biegebauteil mit symmetrischer Querschnittfläche ein oder mehrere, jeweils als unsymmetrisches, ungleichschenkliges Trapez ausgebildete Viergelenke auf, die als erste Ausnehmungen zwei gegenüberliegend angeordnete erste äußere Bohrungen sowie eine zweite – in Längsrichtung versetzte – äußere Bohrung und zwei benachbarte innere Bohrungen umfassen, die jeweils elastische Biegegelenke oder Gelenkpunkte bilden. Zwischen den ersten äußeren Bohrungen ist eine weitere mittige Bohrung angeordnet, wobei die Bohrungen untereinander bzw. mit der Außenseite des Biegebauteils über als schlitzartige Ausfräsung ausgeführte zweite Ausnehmungen verbunden sind. Bei einseitiger Belastung eines leisten – oder balkenartigen Bauteils kann somit durch integrale Einbindung eines Viergelenkgetriebes bzw. mehrteiligen Viergelenkgetriebes in einen Träger, einen Balken, einen Griff, eine Auflagefläche oder dgl. mit geringem Aufwand eine belastungsadaptive, der Lasteintragsrichtung entgegen gerichtete Formänderung bewirkt werden.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist die Form und Größe der ersten und zweiten Ausnehmungen und der Abstand zwischen den Gelenkpunkten in Längs- und Querrichtung des Bauteils in Abhängigkeit von der Art und Größe des Bauteils und der auf das Bauteil wirkenden Kräfte und dem jeweils verwendeten Werkstoff variabel. Die ersten und zweiten Ausnehmungen können mit beliebigen geeigneten Verfahren hergestellt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht eines Wasserfahrzeuges mit einem zu dessen Steuerung vorgesehenen Heckruder als wechselseitig strömungsbeaufschlagtes Bauteil;
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2 eine Schnittansicht des Heckruders längs der Linie AA in 1;
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3 eine Schnittdarstellung eines als einseitig belasteter Balken einstückig ausgebildeten Bauteils mit integriertem Mehrgelenkgetriebe;
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4 eine vergrößerte Darstellung eines gemäß 3 durch die Ausnehmungen erzeugten Viergelenks in Form eines ungleichschenkligen, unsymmetrischen Trapezes;
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5 eine Schnittansicht eines einstückigen, beidseitig belastbaren Balkens mit symmetrisch angeordneten Ausnehmungen zur Ausbildung von Viergelenken in Form von gleichschenkligen, symmetrischen Trapezen; und
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6 eine vergrößerte Darstellung eines Viergelenks gemäß 5.
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Die Leit- und Steuerflächen von Wasserfahrzeugen 1, beispielsweise des Heckruders 2, werden beidseitig durch das strömende Medium beaufschlagt und konventionell in Richtung des jeweiligen Lasteintrags verformt, so dass sich die Strömungsverhältnisse an den Leit- und Steuerflächen verändern und Strömungsverluste auftreten. Um das Verformungsverhalten der beiderseitigen Leit- und Steuerflächen 3 des Heckruders 2 unter Lasteinwirkung vorteilhaft zu beeinflussen, umfasst das Heckruder 2 mehrere in Längsrichtung aufeinanderfolgende und integral in die Bauteilstruktur eingebundene Viergelenke 5, deren Gelenkpunkte 6 in der Bauteilstruktur in Form eines gleichschenkligen symmetrischen Trapezes angeordnet sind. Die Bauteilstruktur, hier das seitliche Leit- und Steuerflächen 3 aufweisende Heckruder 2, ist in Schalenbauweise gefertigt und umfasst zwei gegenüberliegende, am vorderen und hinteren Ende miteinander verbundene und durch mehrere, in regelmäßigem Abstand angeordnete Kernleisten 4 voneinander beabstandete Seitenwangen 7. Die Kernleisten 4 sind steif und tragend ausgeführt und stoffschlüssig mit den Seitenwangen 7 verbunden. Ein jeweils zwischen zwei benachbarten Kernleisten 4 vorgesehenes trapezförmiges Viergelenk 5 ist durch zwei von innen in die Seitenwangen 7 eingeformte, nutenförmige innere Ausnehmungen 8 und zwei von außen in die Seitenwangen 7 eingeformte nutenförmige äußere Ausnehmungen 9 gebildet. Die durch die äußeren und inneren Ausnehmungen 8, 9 an der Außenseite und an der Innenseite der Seitenwangen 7 verbleibenden Materialschwachstellen entsprechen jeweils einem als elastisches Biegegelenk oder Filmscharniergelenk fungierenden Gelenkpunkt 6. Die aufeinanderfolgend in das in Schalenbauweise gefertigte Bauteil integrierten Viergelenke 5 bilden ein Mehrgelenkgetriebe. Bei einer auf die Leit- und Steuerfläche 3 der Seitenwangen 7 auftreffenden Strömungsbeaufschlagung führen die Seitenwangen 7, die in entlastetem Zustand eine neutrale symmetrische Lage einnehmen, eine örtliche elastische Knickbewegung aus, die der Lasteintragsrichtung entgegengesetzt ist. Die hier als beidseitig strömungsbeaufschlagtes Heckruder 2 ausgebildete Bauteilstruktur weist aufgrund der höheren Elastizität in den Einzelgelenken 6 ein anisotrop nachgiebigelastisches, sich an die Strömungsbedingungen selbsttätig anpassendes und strömungsmechanisch vorteilhaftes Formänderungsverhalten auf.
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Gemäß den 3 und 4 umfasst die Bauteilstruktur ein einseitig punktuell oder linienhaft beaufschlagtes Biegebauteil 12 in Form einer Leiste oder eines Balkens, hier eines Kragträgers, mit paradoxer, das heißt der Krafteinleitungsrichtung entgegen gerichteter Verformung. Derartige, sich nicht eindeutig nachgiebig-elastisch verhaltende Biegebauteile werden vorteilhaft eingesetzt, wenn das nachgiebig-elastische Ausweichen bei Belastung zu Handlungs- und Bedienunsicherheiten führen kann. Wie die 3 und 4 zeigen, umfasst das Biegebauteil 12 einen einstückig ausgebildeten Balken mit symmetrischem Querschnitt, in den im Abstand aufeinander folgende Gruppen von Ausnehmungen 13 eingeformt sind, die in den Balken integrierte unsymmetrisch trapezförmige Viergelenke 10 darstellen. Die Ausnehmungen 13 werden von quer zur Längsrichtung des Balkens (Biegebauteil 12) verlaufenden Bohrungen 14 und Ausfräsungen 15 (erste und zweite Ausnehmungen) gebildet. Zwei erste – äußere – Bohrungen 14.1 verlaufen randnah an der unteren und der lastbeaufschlagten oberen Seite des Balkens. Eine zweite äußere Bohrung 14.2 verläuft im Abstand von der ersten Bohrung 14.1 randnah an der unteren Seite und parallel zu der zweiten Bohrung 14.2 verlaufen etwa mittig und in geringem Abstand übereinander zwei dritte Bohrungen 14.3 und 14.3'. Die Bohrungen 14.1, 14.2 und 14.3 sind über schlitzartige Ausfräsungen 15 miteinander verbunden. Die dritte – obere – Bohrung 14.3' ist über eine Ausfräsung 15 an die Oberseite des Balkens (Biegebauteil 12) angeschlossen. Die so in Kombination mit den Ausfräsungen 15 angeordneten Bohrungen 14.1, 14.2, 14.3 und 14.3' erzeugen Materialschwachstellen, die jeweils einem als elastisches Biegegelenk oder Filmscharniergelenk fungierenden Gelenkpunkt 6' eines hier als ungleichschenkliges, unsymmetrisches Trapez ausgeführten Viergelenks 10 entsprechen. Die Ausnehmungen 13 (14, 15) können durch spangebende Verfahren, Gießverfahren oder Prägeverfahren oder auch andere geeignete Verfahren hergestellt werden. Mit einem so ausgebildeten, als trapezförmiges, aber ungleichschenkliges, unsymmetrisches Viergelenk 10 bzw. bei aufeinanderfolgenden Viergelenken 10 als Mehrgelenkgetriebe fungierenden Biegebauteil 12 kann unter Vermeidung eines erheblichen regelungstechnischen Aufwandes eine paradoxe, der Kraftwirkungsrichtung entgegen gerichtete, nicht symmetrische Formänderung erreicht werden, die entsprechend der geometrischen Ausführung des Biegebauteils 12 und der Ausnehmungen 13 (14, 15) bzw. der Viergelenke 10 variabel ist.
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Gemäß einer dritten, in den 5 und 6 wiedergegebenen Ausführungsvariante weist ein anderes einstückiges, wechselseitig belastungsadaptiv ausgebildetes Biegebauteil 16 ein bilateral-symmetrisches Belastungs-Verformungs-Regime auf, das heißt, bei wechselseitiger Beaufschlagung erfolgt eine der Krafteinleitungsrichtung entgegen gesetzte – paradox nachgiebig-elastische – symmetrische Verformungsantwort. Das in der Zeichnung als einstückige, schlanke Balkenkonstruktion mit symmetrischem Querschnitt dargestellte Biegebauteil 16 umfasst eine Vielzahl von durch im Abstand aufeinanderfolgende Gruppen von Ausnehmungen 17 gebildeten, in die Balkenkonstruktion integral eingebundenen trapezförmigen Viergelenken 11. Aufgrund der Ausnehmungen 17 besitzt das – im Querschnitt geschwächte – Biegebauteil 16 eine hohe Elastizität und ein anisotrop-elastisches Formänderungsverhalten. Jedes Viergelenk 11, das heißt jede Gruppe von Ausnehmungen 17, wird durch in Querrichtung des Biegebauteils 16 verlaufende Bohrungen 18 und Ausfräsungen 19 (erste und zweite Ausnehmungen) gebildet, die so angeordnet sind, dass durch die Erzeugung von Materialschwachstellen elastische Biegegelenke oder elastische Filmscharniergelenke entstehen, die die Gelenkpunkte 6'' des Viergelenks 11 darstellen. Durch nahe den waagerechten – oberen und unteren – Seitenflächen des Biegebauteils 16 verlaufende erste – äußere – Bohrungen 18.1 werden zwei äußere Gelenkpunkte 6'' des Viergelenks 11 gebildet. Zwei weitere – zweite – Bohrungen 18.2 sind nach innen versetzt zu den ersten Bohrungen 18.1 angeordnet und in Längsrichtung versetzt zu den zweiten Bohrungen 18.2 sind dritte Bohrungen 18.3 angeordnet. Die ersten bis dritten Bohrungen 18.1 bis 18.3 sind über die Ausfräsungen 19 (schlitzartige Ausnehmungen) miteinander verbunden. Schließlich sind in unmittelbarer Nähe der beiden dritten Bohrungen 18.3 vierte – innere – Bohrungen 18.4 zur Ausbildung von inneren elastischen Biegegelenken bzw. inneren Gelenkpunkten 6'' angeordnet. Von den vierten Bohrungen 18.4 gehen zu den Außenseiten hin verlaufende Ausfräsungen 19 aus. Die inneren und äußeren Gelenkpunkte 6'' bilden ein Viergelenk 11 in Form eines gleichschenkligen symmetrischen Trapezes. Mehrere, in bestimmtem Abstand aufeinanderfolgend in das wechselseitig belastbare Biegebauteil 16 integrierte Viergelenke 11 bilden ein Mehrgelenkgetriebe, durch das eine der Krafteinleitungsrichtung entgegen gerichtete elastische Verformung, das heißt ein paradoxes Belastungs-Verformungs-Regime des Biegebauteils 16, realisiert werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf die zuvor dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen des Grundgedankens der Erfindung, wonach in einem einseitig oder wechselseitig belastbaren Bauteil 2, 12, 16 in bestimmter Weise angeordnete erste und zweite Ausnehmungen zur Ausbildung von unsymmetrisch oder symmetrisch trapezförmigen, integral in das Bauteil eingebundenen Viergelenken 5, 10, 11 bzw. Viergelenkgetrieben vorgesehen sind und dadurch ein der Krafteinleitungsrichtung entgegen gerichtetes – anisotrop nachgiebig-elastisches – Verformungsverhalten des Bauteils erreicht wird, sind verschiedene Modifikationen denkbar. Die Bauteile können mehrteilig – beispielsweise in Schalenbauweise – oder einstückig – beispielsweise als Balken, Leiste oder dgl. – ausgeführt sein. Entsprechend dem gewünschten Verformungsverhalten und in Abhängigkeit vom Bauteilmaterial und von der Form und Dimensionierung des Bauteils kann die Form und Größe der ersten und zweiten Ausnehmungen und der Abstand zwischen diesen sowohl in ein und demselben Viergelenk als auch zwischen benachbarten Viergelenken variieren, um so ein variables anisotrop-elastisches, das heißt der Krafteinleitungsrichtung entgegen gerichtetes paradoxes Verformungsverhalten zu realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wasserfahrzeug
- 2
- beid-/wechselseitig strömungsmittelbeaufschlagtes Bauteil; Heckruder v. 1
- 3
- Leit- und Steuerfläche, lastbeaufschlagte Bauteilfläche
- 4
- Kernleisten
- 5
- Viergelenk, symmetrisch-trapezförmig
- 6
- Gelenkpunkte v. 5, elastisches Biegegelenk/Filmscharniergelenk
- 6'
- Gelenkpunkte v. 10, elastische Biege- oder Filmscharniergelenk
- 6''
- Gelenkpunkte v. 11, elastisches Biege- oder Filmscharniergelenk
- 7
- Seitenwangen v. 2
- 8
- innere nutenförmige Ausnehmungen v. 7
- 9
- äußere nutenförmige Ausnehmungen v. 7
- 10
- unsymmetrisch trapezförmiges Viergelenk v. 12
- 11
- symmetrisch trapezförmiges Viergelenk v. 16
- 12
- einstückiges Biegebauteil, einseitig belastbar
- 13
- Gruppe von Ausnehmungen v. 12 = Viergelenk 10
- 14
- Bohrungen, erste Ausnehmungen v. 12
- 14.1
- erste äußere Bohrung
- 14.2
- zweite äußere Bohrung
- 14.3
- dritte mittige Bohrung
- 14.3'
- dritte mittige Bohrung
- 15
- Ausfräsungen, schlitzförmige zweite Ausnehmungen v. 12
- 16
- einstückiges Biegebauteil, wechselseitig belastbar
- 17
- Gruppe von Ausnehmungen v. 16 = Viergelenk 11
- 18
- Bohrungen, erste Ausnehmungen v. 16
- 18.1
- erste (äußere) Bohrungen
- 18.2
- zweite (innere) Bohrungen
- 18.3
- dritte (innere) Bohrungen
- 18.4
- vierte (innere) Bohrungen
- 19
- Ausfräsungen, schlitzförmige zweite Ausnehmungen v. 16
- 20
- zweite Ausnehmung v. 2
