DE102011109130A1

DE102011109130A1 - Flansch, Verbindungsanordnung und Verfahren zur axialen Anbindung eines Zug- und/oder Druckstabes

Info

Publication number: DE102011109130A1
Application number: DE102011109130A
Authority: DE
Inventors: Alexander Altmann
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2013-02-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flansch zur axialen Anbindung eines Zug- und/oder Druckstabes, vorzugsweise eines solchen aus Faserverbundwerkstoff, wobei der Flansch eine Hülse und einen Kragen aufweist, wobei die Hülse eine geneigte Angriffsfläche aufweist, die dem Kragen zugewandt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flansch und eine Verbindungsanordnung für die axiale Anbindung eines Zug- und/oder Druckstabes, sowie ein Verfahren zur Bereitstellung einer derartigen Verbindungsanordnung.
Zug- und Druckstäbe dienen in der Technik zur Übertragung von Kräften und werden axial auf Zug oder Druck beansprucht. Geeignete Materialien für die Fertigung derartiger Stäbe umfassen zugfeste Metalle oder Faserverbundwerkstoffe. Stäbe aus Faserverbundwerkstoffen haben eine hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit und erlauben eine signifikante Gewichtsreduktion gegenüber beispielsweise metallischen Bauweisen, wodurch sich Stäbe aus Faserverbundwerkstoffen für Leichtbauanwendungen wie z. B. im Flugzeugbau eignen.
Zur Anbindung eines Zug- oder Druckstabes (Verbindung zweier Stäbe, Verbindung des Stabes mit einem Lager, etc.) und zum Eintrag der axialen Zug- und/oder Druckkräfte ist es bekannt, die Endabschnitte der Stäbe mit einem Flansch zu versehen. Dabei bestehen grundsätzlich die Möglichkeiten einer integralen, einteiligen Fertigung des Stabes und des Flansches, oder einer Verbindung eines Endabschnittes des Stabes mit einem separaten Flansch(-bauteil). Die Anbindung eines separaten Flansches kann unter anderem durch Assoziation in situ vor der Verfestigung des Stabmaterials (z. B. Härten des Matrixmaterials eines Faserverbundwerkstoffs), durch Nietverbindungen, Pressverbindungen, Klebeverbindungen etc. erfolgen. Produktionstechnisch und zur Erweiterung des Verwendungsspektrums eines Stabes kann die nachträgliche Anbindung eines separaten Flansches vorteilhaft sein.
Beim Einsatz von Faserverbundwerkstoffen für die Zug- und Druckstäbe muss die Verbindung des Stabes mit einem separaten Flanschbauteil besonderen Anforderungen genügen. Dies ist unter anderem dadurch bedingt, dass Faserverbundwerkstoffe gegen mechanische Einflüsse wie Schläge oder punktuelle Belastungen empfindlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte (Flansch-)Verbindungsanordnung für Zug- und Druckstäbe bereitzustellen, die auch zur Anbindung von Zug- und Druckstäben aus Faserverbundwerkstoffen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Flansch gemäß Anspruch 1, eine Verbindungsanordnung gemäß Anspruch 7, sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So ist erfindungsgemäß ein Flansch vorgesehen, der eine Hülse und einen Kragen umfasst. Die Hülse ist so geformt, dass wenigstens ein Abschnitt von deren Mantelfläche eine gegenüber der Längsachse des Flansches geneigte Angriffsfläche bildet, die in Richtung des Kragens hin offen ist, bzw. dem Kragen zugewandt ist. Die geneigte Angriffsfläche ist also ein Oberflächenabschnitt am Mantel der Hülse, der bezogen auf die Längsrichtung des Flansches (die der Längsachse des Stabes entspricht) angeschrägt ist. Die Hülse verjüngt sich im Bereich der Angriffsfläche in Richtung des Kragens.
Unter dem Begriff „Flansch” ist ein separates Bauteil zu verstehen, das eine Hülse und einen Kragen aufweist. Der Kragen steht im Wesentlichen radial von der Hülse ab, und stellt den eigentlichen Flansch im konventionellen Sinn dar.
Der erfindungsgemäße Flansch dient zur Anbindung eines Zug- und/oder Druckstabes an einen Verbindungspartner und zur Einleitung und Weitergabe von axialem Zug und/oder Druck. Im Verlauf der folgenden Beschreibung werden die Zug- und/oder Druckstäbe unabhängig von deren Form oder Funktion als „Stab” bezeichnet. Der Flansch kann z. B. zur Verbindung zweier Stäbe, oder zur Verbindung eines Stabes mit einem Lager dienen.
Die Hülse des Flansches dient zur Verbindung des Flansches mit dem Stab. Der Kragen dient zur Anbindung des Flansches (und damit letztlich des Stabes) an den Verbindungspartner. Der Kragen weist gegebenenfalls Anschlußbohrungen oder ähnliche Verbindungsmittel auf.
Die drei möglichen Varianten für eine Flanschverbindung sind:

– Schräge am Flansch und Stab oder Rohr;
– Schräge am Flansch und der Manschette und
– Schräge am Flansch und der innen liegenden Manschette bzw. Hülse.

In einer Ausführungsform ist die Hülse, beziehungsweise die Mantelfläche der Hülse starr und formstabil. So bleibt die Neigung und generell Ausrichtung der Angriffsfläche auch unter Einwirkung einer Kraft, z. B. einer radialen Kompressionskraft erhalten.
In einer Ausführungsform ist die Hülse aus einem Faserverbundwerkstoff oder Metall gefertigt. Gegebenenfalls ist der gesamte Flansch, umfassend die Hülse und den Kragen, vorzugsweise einteilig aus Metall gefertigt. Faserverbundwerkstoffe besitzen eine hohe mechanische Stabilität (Zugfestigkeit, Formstabilität,
Vorzugsweise können der Zug- und/oder Druckstab aus Faserverbundwerkstoff, der Flansch aus Metall und die Manschette aus Metall oder Faserverbundwerkstoff bestehen.
In einer Ausführungsform bildet der gesamte Mantel (die gesamte Manteloberfläche) in der Hülse die Angriffsfläche. Alternativ kann vorgesehen sein, dass nur ein Abschnitt die Angriffsfläche bildet, oder mehrere Abschnitte jeweils eine geneigte Angriffsfläche bilden. So kann eine Angriffsfläche durch einen sich in axialer Richtung nur über einen Abschnitt der Hülse erstreckenden, gegebenenfalls ringförmig um die Hülse verlaufende Mantelabschnitte gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich können Angriffsflächen durch umfänglich über den Mantel verteilte, gegebenenfalls streifenförmige Mantelabschnitte gebildet werden.
In einer Ausführungsform ist die Hülse abschnittsweise oder vollständig rotationssymmetrisch bezogen auf die Längsachse des Flansches. Im Bereich der Angriffsflächen kann diese, eine konstante Neigung der jeweiligen Angriffsflächen vorausgesetzt, die Form eines Kegelstumpfes annehmen. Der Mantel des Kegelstumpfes bildet also die Angriffsfläche. In einer Ausführungsform ist die gesamte Hülse kegelstumpfförmig.
In einer Ausführungsform ist die Neigung der Angriffsfläche(n) über deren Erstreckung konstant. Die Oberfläche ist in Längsrichtung linear. So erfolgt im Bereich der Angriffsfläche gegebenenfalls eine lineare Abnahme des Umfangs der Hülse in Richtung des Kragens.
In einer Ausführungsform weist die Hülse beginnend am Kragen einen sich über einen ersten axialen Abschnitt der Hülse erstreckenden und umfänglich durchgehend um die Hülse verlaufenden, geneigten ersten Mantelabschnitt auf. Ferner weist die Hülse einen sich über einen zweiten axialen Abschnitt der Hülse erstreckenden, umfänglich durchgehend um die Hüllse verlaufenden, und parallel zur Achse verlaufenden zweitenn Mantelabschnitt auf, der gegebenenfalls unmittelbar an der dem Kragen abgewandten Seite an den ersten Mantelabschnitt anschließt. Der erste Mantelabschnitt bildet eine Angriffsfläche. So kann die Hülse z. B. einen kegelstumpfförmigen ersten Abschnitt nahe des Kragens und einen zylinderförmigen zweiten Abschnitt im vom Kragen abgewandten Endbereich der Hülse aufweisen. Der zweite Mantelabschnitt kann als Stützfläche zur Vermeidung von lokalen Spannungsüberhöhungen beim nachstehend diskutierten Fügen einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung dienen.
In einer Ausführungsform beträgt der Neigungswinkel der Angriffsfläche relativ zur Längsachse zwischen 0° und 25°. Bevorzugte Neigungswinkel umfassen solche zwischen 0,1° und 2°. Im Falle einer wenigstens abschnittsweise kegelstumpfförmigen Ausbildung der Hülse entspricht der Neigungswinkel der Angriffsfläche dem halben Öffnungswinkel des Kegelstumpfes. Zu kleine Neigungswinkel bewirken eine Abnahme der Zugfestigkeit einer nachstehend diskutierten erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung. Zu große Neigungswinkel verlangen ein hohes Maß an Verformung der Aufnahme des Stabes beim nachstehend diskutierten Fügen der Verbindungsanordnung, was zu Stabilitätseinbußen und einer schlechte Handhabbarkeit, gegebenenfalls sogar einer Bruchanfälligkeit führen kann.
In einer Ausführungsform weist die Hülse zwischen der dem Kragen abgewandten Stirnseite und der Mantelfläche eine Anschrägung auf. So kann der Flansch gegebenenfalls beim nachstehend diskutierten Fügen der Verbindungsanordnung einfacher in die Aufnahme des Stabes eingeführt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verbindungsanordnung zur axialen Anbindung eines Stabes. Diese Verbindungsanordnung weist einen erfindungsgemäßen Flansch auf, dessen Hülse in einer umfänglich umwandeten Aufnahme im Endbereich des Stabes aufgenommen ist. Die Verbindungsanordnung weist ferner eine Manschette auf, welche die Umwandung der Aufnahme unter Ausübung einer Kompressionskraft umschließt. Wenigstens ein Teil der inneren Mantelfläche der Umwandung liegt formschlüssig an der Angriffsfläche der Hülse an. Der Stab und der Flansch sind vorzugsweise koaxial entlang derselben Längsachse angeordnet.
So ist in der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung bedingt durch die Kompressionskraft der Manschette der Endbereich des Stabes bzw. die Umwandung der Aufnahme zwischen der Manschette und der Hülse des Flansches eingeklemmt. Die Umwandung der Aufnahme ist gegenüber deren Produktionszustand verformt und daher gespannt. Die Umwandung der Aufnahme umgreift die Hülse und deren innere Mantelfläche schmiegt sich wenigstens im Bereich der Angriffsfläche an die Hülse des Flansches an. So bilden die Angriffsfläche der Hülse und wenigstens ein Abschnitt der inneren Mantelfläche der Umwandung zwei aufeinander abgestimmte Schrägflächen, über die axiale Zugkräfte weitergegeben werden. Ein Formschluss zwischen den aufeinander abgestimmten Schrägflächen ist durch das Aufeinanderliegen der Flächen gegeben. Ein Kraftschluss entsteht im Falle einer Zugbelastung zusätzlich durch eine Verklemmung dieser Schrägflächen. Die Manschette verhindert ein Nachgeben der Umwandung und damit ein Aufweiten der Aufnahme, sodass ein Abziehen des Stabes von der Hülse unter Zugbelastung verhindert wird.
In einer Ausführungsform liegt die gesamte innere Mantelfläche der Umwandung an der Mentelfläche oder auch der Angriffsfläche der Hülse an.
Die (axiale) Tiefe der Aufnahme kann kleiner als die (axiale) Länge der Hülse sein, kann der Länge der Hülse entsprechen, oder kann größer als die Länge der Hülse sein. So ist es möglich, dass die dem Kragen abgewandte Stirnseite der Hülse am Boden der Aufnahme und/oder die Stirnseite des Stabes am Kragen des Flansches anstehen und Drucklasten weitergeben.
Der Stab der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung kann vorzugsweise vollständig aus Faserverbundwerkstoff bestehen. Er kann im Querschnitt rund und/oder über seine gesamte axiale Erstreckung oder einen Teil seiner axialen Erstreckung rohrförmig sein. Der Stab kann, gegebenenfalls einschließlich der Aufnahme, einstückig aus dem Faserverbundwerkstoff gefertigt sein.
Die Aufnahme im Endbereich des Stabes kann hohlzylinderförmig sein, wie z. B. eine zylinderförmige Ausnehmung im Endbereich des Stabes. Sollte das Ende eines durchweg rohrförmigen Stabes, oder weitgehend rohrförmigen Stabes die Aufnahme bilden, so ist es denkbar, dass die Umwandung der Aufnahme verglichen mit der Wandstärke des verbleibenden Rohres dünner ist.
Die bevorzugte Form des Stabes ist rund. Er kann aber auch beliebige andere Formen aufweisen. So kann die Flanschverbindung auch für eine Vierkant- oder andere Form ausgeführt sein.
In einer Ausführungsform weist die Umwandung der Aufnahme des Stabes eine oder mehrere umfänglich verteilte und durch Ritzen voneinander getrennte Zungen auf, oder besteht daraus. Die Zungen sind in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, streifenförmige Abschnitte der Umwandung. Deren Innenoberflächen entsprechen in dieser Ausführungsform der inneren Mantelfläche der Hülse. Mit anderen Worten kann die Umwandung durch eine Mehrzahl parallel zur Achse verlaufender Schlitze aufgefächert sein. So kommt es bei der Verformung der Wandung (dem Biegen nach innen) zu einer Verringerung der Eigenspannung und einer Verhinderung von Dehnungsüberhöhungen. Die einzelnen Zungen behindern sich bei der Verformung nicht.
In einer Ausführungsform wird zur Reduktion der beim Herstellen der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung entstehenden Eigenspannungen ein vorausgehärtetes, sogenanntes grünes Bauteil verwendet.
In einer Ausführungsform nimmt die Dicke der Umwandung in der axialen Richtung zum Ende des Stabes hin zu. Diese Zunahme kann linear und/oder über die gesamte axiale Erstreckung der Umwandung verlaufen. Der Zunahmewinkel, d. h. der Winkel, mit dem die Stärke der Umwandung zunimmt, kann dem Neigungswinkel der Angriffsfläche des Flansches entsprechen.
In einer anderen Ausführungsform ist die Stärke der Umwandung in axialer Richtung konstant.
Unter der Manschette ist in der Diskussion der vorliegenden Erfindung ein Körper mit einer zentralen Bohrung zu verstehen, in der der Endbereich des Stabes aufgenommen werden kann. Die Manschette ist nicht notwendigerweise, jedoch vorzugsweise, rotationssymmetrisch um die gemeinsame Längsachse der Anordnung, d. h. im Querschnitt rund. In dieser Ausführungsform hat die Manschette eine ringförmige bzw. hohlzylindrische Gestalt mit einer koaxial verlaufenden und runden, zentralen Bohrung.
In einer Ausführungsform besteht die Manschette teilweise oder vollständig aus einem Faserverbundwerkstoff. Die Manschette ist vorzugsweise starr und formstabil und besteht aus einem zugfesten Material. So erreicht die durch die Manschette ausgeübte radiale Kompressionskraft die notwendige Stärke und bleibt über die Lebensdauer der Verbindungsanordnung erhalten.
In einer Ausführungsform liegt die gesamte Bohrungswand der Manschette an der äußeren Mantelfläche der Umwandung an. Die Bohrungswand ist die innere Mantelfläche der Manschette, die die zentrale Bohrung definiert. Der Innenquerschnitt und/oder die Form der Bohrung kann dem Außenquerschnitt und/oder der Form der Wandung entsprechen. Mit anderen Worten kann der Endbereich des Stabes eine verlorene Form der Bohrung der Manschette darstellen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Bohrung und die Wandung zylinderförmig oder kegelförmig sind.
Die Bohrungswand kann gegebenenfalls erhabene Strukturen wie Rippen oder dergleichen aufweisen, die eine Kompressionskraft auf die Umwandung oder Abschnitte der Umwandung, z. B. nur auf die Zungen ausübt. Beispiele für erhabene Strukturen umfassen gegebenenfalls in axialer Richtung verlaufende und radial von der Bohrungswand abstehende Rippen. Die Angriffsflächen dieser erhabenen Strukturen sind funktionell mit der Bohrungswand gleichzusetzen.
In einer Ausführungsform ist die Größe bzw. der Durchmesser der Bohrung der Manschette nicht veränderbar. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Größe bzw. der Durchmesser der Bohrung veränderbar ist. Insbesondere kann die Manschette kontrahierbar und im kontrahierten Zustand starr fixierbar sein.
In einer Ausführungsform bildet wenigstens ein Abschnitt der Bohrungswand oder die gesamte Bohrungswand eine gegenüber der gemeinsamen Längsachse der Anordnung geneigte Druckfläche, die in Richtung des Stabes hin offen ist, bzw. dem Stab zugewandt ist. Der Querschnitt bzw. Durchmesser der Bohrung nimmt im Bereich der Druckfläche in Richtung des Stabes hin gegebenenfalls linear ab. Im Zusammenspiel mit dem Endbereich des Stabes können die Bohrungswand der so gestalteten Manschette und die äußere Mantelfläche der Umwandung der Aufnahme zwei aufeinander abgestimmte Schrägflächen bilden.
Eine so gestaltete Manschette kann im Zusammenspiel mit einem Stab eingesetzt werden, dessen Aufnahme so ausgebildet ist, dass die Dicke der Umwandung in axialer Richtung konstant ist. Dabei können die Neigungswinkel der Angriffsfläche der Manschette und der Bohrungswand der Manschette entsprechen. Alternativ kann eine so gestaltete Manschette im Zusammenspiel mit einem Stab eingesetzt werden, dessen Aufnahme so ausgebildet ist, dass die Dicke der Umwandung in axialer Richtung zum Ende des Stabes hin zunimmt. Dabei können sich der Neigungswinkel der Bohrungswand und der Zunahmewinkel der Umwandung zum Neigungswinkel der Angriffsfläche der Hülse ergänzen.
In einer Ausführungsform verläuft die Bohrungswand der Manschette parallel zur Längsachse. Eine so gestaltete Manschette kann im Zusammenspiel mit einem Stab eingesetzt werden, dessen Aufnahme so ausgebildet ist, dass die äußere Mantelfläche der Umwandung axial verläuft (wobei durch die geneigte Angriffsfläche an der Hülse des Flansches die Dicke der Umwandung in axialer Richtung zum Ende des Stabes hin notwendigerweise zunehmen würde). Eine so ausgestattete Verbindungsanordnung löst sich durch die horizontale Auflage der Bohrungswand der Manschette an der äußeren Mantelfläche der Umwandung auch unter der Einwirkung von Vibrationen kaum selbständig.
In einer Ausführungsform sind der Kragen des Flansches und die Bohrung der Manschette so dimensioniert und geformt, dass der Flansch bei koaxialer Anordnung beider Bauteile durch die Bohrung geführt werden kann. Mit anderen Worten sind die Außenabmessungen (ggf. der Außendurchmesser) des Kragens gleich groß oder kleiner als die Innenabmessungen (ggf. der Innendurchmesser) der Bohrung der Manschette. Die Möglichkeit, den Kragen des Flansches in koaxialer Stellung durch die Bohrung zu führen, kann beim nachstehend diskutierten Fügen einer erfindungsgemäßen Anordnung von Vorteil sein,
In einer Ausführungsform weist die Umwandung der Aufnahme Anschrägungen zwischen der Stirnfläche des Stabes und der äußeren und/oder Mantelfläche auf. Die Manschette kann eine Anschrägung zwischen der dem Stab zugewandten Stirnseite und der Bohrungswand aufweisen. Die Anschrägungen können das Fügen der Verbindungsanordnung erleichtern.
In einer Ausführungsform sind Teile der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung, die aus Faserverbundwerkstoff gefertigt sind (z. B. der Stab und/oder Flansch und/oder die Manschette) aus einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt. Geeignete Faserverstärkungen umfassen beispielsweise Glasfaserverstärkungen, Kohlefaserverstärkungen, Aramidfaserverstärkungen und dergleichen. Besonders bevorzugt ist der Einsatz eines kohlefaserverstärkten Kunststoffes.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bereitstellen (Fügen) einer Verbindungsanordnung mit den Schritten:

(a) Einführen der Hülse des Flansches in die Aufnahme des Stabes, und
(b) das Anbringen der Manschette am Endabschnitt des Stabes, der die Aufnahme umfasst.

Beim Anbringen der Manschette wird auf die Umwandung der Aufnahme eine Kompressionskraft ausgeübt und so eine Verformung, im Wesentlichen ein Nachinnenbiegen bewirkt.
In einer Ausführungsform liegt die innere Mantelfläche der Umwandung vor der Verformung durch die Manschette nicht an der Angriffsfläche der Hülse an. Erst die Verformung bewirkt, dass die innere Mantelfläche der Umwandung formschlüssig an der Angriffsfläche der Hülse anliegt. Durch das Verformen der Wandung werden die Innenabmessungen der Aufnahme abschnittsweise verkleinert. Die innere Mantelfläche der Umwandung und die Angriffsfläche der Hülse bilden erst durch das Anbringen der Manschette nach Schritt (b) zwei aufeinander abgestimmten Schrägflächen.
In einer Ausführungsform wird die Hülse in Schritt (a) so tief in die Aufnahme eingeführt, bis die dem Kragen abgewandte Stirnseite der Hülse am Boden der Aufnahme ansteht und/oder bis der Kragen des Flansches an der Stirnseite des Stabes ansteht.
In einer Ausführungsform wird in Schritt (b) eine Manschette, deren Bohrungsquerschnitt (ggf. Bohrungsdurchmesser) nicht veränderbar ist, auf den Endabschnitt des Stabes aufgesteckt. Der Begriff des Aufsteckens umfasst hier ein Aufschieben, Überziehen, und insbesondere Aufpressen der Manschette. Die Manschette kann gegebenenfalls unter Nutzung von thermischen Ausdehnungen aufgesteckt werden. Zu diesem Zweck ist es denkbar, dass die Manschette vor dem Aufstecken erwärmt wird und/oder der Stab vor dem Aufstecken gekühlt wird.
In einer Ausführungsform wird die Verbindung des Flansches mit dem Stab und/oder des Stabes mit der Hülse mit Dichtstoffen versiegelt. Geeignete Dichtstoffe umfassen gummiartige Polymerharze, Epoxidkleber, Silikonmischungen und dergleichen. Die Dichtstoffe können vor dem Einführen der Hülse oder vor dem Anbringen der Manschette aufgebracht werden. So ist denkbar, dass die Dichtstoffe eine Gleithilfe beim Einführen der Hülse oder beim Aufpressen der Manschette darstellen.
In einer Ausführungsform verläuft die innere Mantelfläche der Umwandung vor dem Anbringen der Manschette und der damit einhergehenden Verformung der Wandung (d. h. im offenen Zustand der Verbindungsanordnung) parallel zur gemeinsamen Achse. Die Innenabmessungen der Ausnehmung (ggf. der Innendurchmesser) können im offenen Zustand über deren axiale Erstreckung konstant sein.
In einer Ausführungsform entsprechen der minimale oder konstante Innenquerschnitt (ggf. Innendurchmesser) der Aufnahme vor der Verformung und der maximale Außenquerschnitt (ggf. Außendurchmesser) der Hülse einander.
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ist sehr zugbeständig und bringt beim Eintrag von axialen Kräften keine punktuelle Belastung am Stab oder Flansch mit sich, sondern bewirkt eine über den Umfang der Aufnahme bzw. der Hülse des Flansches verteilte Belastung. So kann das Potential von Faserverbundstäben insbesondere hinsichtlich deren Zugfestigkeit voll ausgenutzt werden.
Durch die Verwendung von Leichtbaumaterialien wie Faserverbundwerkstoffen und die Kompatibilität mit Stäben aus derartigen Materialien eignet sich die Anordnung insbesondere zur Verwendung im Zusammenhang mit Stäben in Flugzeugen oder Schienenfahrzeugen, wo eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Verläßlichkeit der Verbindungen notwendig ist.
Die Verbindung umfasst nur einfache und leicht herstellbare Bauteile, und ist einfach zusammenzufügen.
Die rotatorische und/oder axiale Sicherung des Flansches kann über jedwede Art von Form- und/oder Reibschluß unterstützt werden. Hierfür kann beispielsweise ein Metallflansch mit Innengewinde in das CFK-Rohr eingebaut sein, der dann mit einer Mutter gegen Verdrehen gesichert wird. Dadurch können recht hohe Drehmomente übertragen werden.
Prinzipiell kann im Rahmen der Erfindung ein außen liegender Flansch vorgesehen sein, das heißt, dass das Rohr durch einen innen liegende eingepreßte Hülse geweitet wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden anhand der Figuren diskutierten Ausführungsbeispielen. In den Figuren zeigen:
1a: die Bauteile einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung vor dem Fügen im Längsschnitt,
1b: dieselbe Verbindungsanordnung nach dem Fügen,
2a: die Bauteile weiteren erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung vor dem Fügen im Längsschnitt, und
2b: dieselbe Verbindungsanordnung nach dem Fügen.
1a zeigt die Bauteile einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung 1 im Längsschnitt.
Die Bauteile umfassen einen erfindungsgemäßen Flansch 100, eine Manschette 300 und einen rohrförmigen Endabschnitt eines Zug- und Druckstabes 200, der durch die hohlzylinderförmig verlaufende Wandung 210 definiert ist.
Der Flansch 100 weist eine Hülse 110 und einen Kragen 150 auf. Er ist rotationssymmetrisch um die Achse A ausgebildet. In der gezeigten Darstellung ist der Flansch hohl und weist eine zentrale, im Bereich der Achse liegende und den Flansch durchdrigende Ausnehmung auf. Der Kragen 150 bildet an dessen dem Rohr 200 abgewandten Seite die Stirnseite 101 des Flansches 100 und dient zur Anbindung des Stabes 200 an den gewünschten Verbindungspartner. Die dem Stab 200 zugewandte Stirnseite 102 bildet das gegenüberliegende Ende der Hülse 100.
Die Hülse 110 hat in einem ersten axialen Abschnitt, der direkt an den Kragen 150 anschließt und den größeren Teil der axialen Erstreckung der Hülse einnimmt, eine kegelstumpfförmige Gestalt. Der Außendurchmesser des Kegelstumpfes nimmt zum Kragen 150 hin ab. So steht der zu diesem axialen Abschnitt der Hülse gehörige Abschnitt des Mantels 111 unter einem Neigungswinkel α (entsprechend dem dem halben Öffnungswinkel des Kegelstumpfes) von zwischen etwa 0,1° und etwa 2° zur Achse und bildet eine geneigte Angriffsfläche.
In einem zweiten axialen Abschnitt der Hülse 110, an den ersten Abschnitt anschließt und den kleineren Teil der axialen Erstreckung der Hülse einnimmt, hat diese eine zylindrische Gestalt. In diesem Abschnitt verläuft der Mantel 111 parallel zur Achse A und bildet eine Stützfläche 160 aus, welche zur Vermeidung von lokalen Spannungsüberhöhungen beim Aufziehen der Hülse dient.
Der Stab 200 weist einen hohlyzlinderförmigen Endbereich auf, der bezüglich der Achse A rotationssymmetrisch ist und im Wesentlichen durch die Wandung 210 gebildet wird. Die Wandung 210 definiert die Aufnahme und umgibt diese umfänglich. Die Stärke dieser Wandung 210 nimmt zur Stirnseite 210 des Stabes 200 hin mit einem Zunahmewinkel 13, der dem halben Öffnungswinkel α der Hülse 110 des Flansches 100 entspricht, zu. Der Stab 200 ist jenseits des durch die Wandung 210 gebildeten Endbereichs ebenfalls rohrförmig ausgeführt, jedoch mit einer stärkeren Wandung.
An der Stirnseite 201 weist die Wandung 210 eine außen liegende Abschrägung 201b auf, sodass beim Fügen der Verbindungsanordnung 1 die Hülse 100 leichter in die Aufnahme eingeführt werden kann.
Im in 1a dargestellten Zustand, d. h. vor dem Aufpressen der Manschette 300, verläuft die innere Mantelfläche 212 der Wandung 210 parallel zur Achse A, während die äußere Mantelfläche 211 der Wandung 210 im Zunahmewinkel β schräg zur Achse A steht.
Die Manschette 300 ist ein hohlzylindrisches und bezüglich der Achse A rotationssymmetrisch ausgebildetes Bauteil. Die axiale Erstreckung der Manschette 300 entspricht in etwa der axialen Erstreckung der Hülse 110 des Flansches 100, und kann gegebenenfalls etwas kleiner sein.
Die Manschette 300 weist eine zentrale Bohrung 350 auf, die ebenfalls zylinderförmig und rotationssymmetrisch bezüglich der Achse A ist. Der Bohrungsmantel 312 definiert die radiale Begrenzung der Bohrung 350 und verläuft parallel zur Achse A. Der Innendurchmesser der Bohrung 350 entspricht dem Außendurchmesser des Kragens 150 des Flansches 100, oder ist geringfügig größer. Er entspricht dem minimalen Außendurchmesser und ist kleiner als der maximale Außendurchmesser der Umwandung 210 im in 1a dargestellten Zustand, d. h. vor dem Aufpressen der Manschette 300.
Die Manschette 300 weist zwischen der dem Stab 200 zugewandten Stirnseite und der Bohrungswand eine Abschrägung 302a auf, sodass beim Fügen der Verbindungsanordnung 1 die Manschette 300 leichter auf den Stab 200 aufgepresst werden kann.
Beim Fügen der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung wird zunächst die Hülse 110 des Flansches in die Aufnahme im Endbereich des Stabes 200 entlang der Achse A eingeführt, bis die Stirnfläche des Stabes 201 am Kragen 150 des Flansches 100 ansteht. Dies ist bereits in 1a so dargestellt.
Anschließend wird die in 1b dargestellte Verbindungsanordnung durch ein axiales Aufpressen der Manschette 300 erhalten. Das Aufpressen erfolgt bei koaxialer Stellung der Bauteile in in Richtung des in 1a dargestellten Pfeiles.
Die Hülse wird zunächst über den Kragen 150 des Flansches 100 geschoben, bis die Schrägflächen 201b am Stab 200 und 302a an der Manschette 300 aneinander anliegen. Wird nun auf die Manschette ein Druck ausgeübt, so so bewirken die Schrägflächen 201b am Stab 200 und 302a an der Manschette 300 eine radiale Druckkraft, welche die Umwandung 210 biegt. Beim Biegen der Umwandung 210 können Dehnungsüberhöhungen und Eigenspannungen auftreten, die durch die Materialverformung und insbesondere die Reduktion des Durchmessers des Hohlzylinders bedingt sind. Um dies zu vermeiden können in axialer Richtung verlaufende Schlitze in die Wandung 210 eingebracht werden, sodass die Wandung im wesentlichen aus zwischen diesen Schlitzen befindlichen, umfänglich verteilten Zungen besteht. Eine weitere Möglichkeit der Reduktion von beim Fügen entstehenden Eigenspannungen kann auch durch die Verwendung eines vorausgehärteten, sogenannten grünen Bauteils erreicht werden. Des weiteren dient in der gezeigten Ausführungsform die Stützfläche 160 an der Hülse des Flansches zur Vermeidung von lokalen Spannungsüberhöhungen.
Letztlich wird der Endbereich des Stabes 200 vollständig in die Bohrung 350 der Manschette 300 gepresst, sodass die Manschette 300 die Wandung 210 des Endbereichs unter Ausübung einer Druckkraft umschließt. Der Endabschnitt des Stabes 200 wird vom Flansch 100 und der Manschette 300 sandwichartig eingeklemmt. Die Druckkraft ist vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt und wirkt an jeder Stelle in radialer Richtung nach innen zur Achse A hin.
Der Kragen 150 des Flansches 100 bildet den stirnseitigen Abschluss des Rohres 200. Bedingt durch die Kompressionskraft der Manschette 300 und durch die aufeinander abgestimmten Winkel, der Neigungswinkel α der Hülse einerseits und der Zunahmewinkel β der Wandung 210 andererseits, entstehen zwei aufeinander abgestimmte Schrägflächen, der Mantel 111 der Hülse 110 einerseits und die innere Mantelfläche 212 der Wandung 210 der Aufnahme andererseits. Diese formschlüssig aneinander liegenden Schrägflächen dienen insbesondere zur Weitergabe von Zuglasten. Denn werden am Flansch und am Rohr zwei in entgegengesetzte Richtungen zeigende, axial verlaufende Zuglasten angelegt, so verhindern die zwei aufeinander abgestimmten Schrägflächen ein Auseinanderziehen des Flansches 100 und des Rohres 200. Druckkräfte werden durch die Auflage der Stirnfläche 201 des Rohres 200 am äußeren Ende der Aufnahme, sowie durch die innere Stirnfläche 152 des Kragens 150 des Flansches weitergegeben.
Die Wandung 210 des Rohres ist leicht nach innen verbogen und daher in einem gespannten Zustand. Die Grenzfläche zwischen der Manschette 300 und der Wandung 210 liegt axial und wird durch die äußere Mantelfläche 312 der Wandung 210 der Aufnahme einerseits, und durch den Bohrungsmantel 312 der Manschette andererseits gebildet. Die Manschette 300 verhindert ein Zurückbiegen in den ursprünglichen Zustand der Wandung 210 der Aufnahme, und stellt sicher, dass der Mantel 111 der Hülse 110 sowie die innere Mantelfläche 212 der Wandung 210 zwei aufeinander abgestimmte Schrägflächen bilden und auch unter Einwirkung einer Zugspannung nicht ausreichen können.
2a zeigt die Bauteile einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung im Längsschnitt, die zu einer Verbindungsanordnung gemäß 2b zusammengefügt werden können.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1a und 1b gezeigten Ausführungsform durch die Ausgestaltung der Wandung 210 der Aufnahme und der Manschette 300. Die Ausgestaltung aller anderen Bauteile und der Vorgang beim Fügen der Verbindungsanordnung wurden bereits im Zusammenhang mit 1a und 1b beschrieben. Auf die dortige Beschreibung wird insoweit verwiesen.
In der in 2a und 2b gezeigten Ausführungsform hat die Ummantelung 210 der Aufnahme eine konstante Stärke, und vor dem Fügen verlaufen sowohl die innere Mantelfläche 212 als auch die äußere Mantelfläche 211 parallel zur Achse A.
Der Bohrungsmantel 312 der Manschette 300 steht unter einem Neigungswinkel γ geneigt zur Achse A, sodass die Bohrung 350 eine konische Gestalt hat. Der Neigungswinkel γ der Manschette 300 entspricht dem Neigungswinkel α der Hülse 110 des Flansches 100. Die Materialstärke der Manschette 300 nimmt von der dem Stab 200 zugewandten Stirnseite bis zur gegenüberleigenden Stirnseite linear zu.
Beim Fügen wird die Wandung 210 beim Aufpressen der Manschette 300 fortlaufend bis zum Ende des Fügevorganges immer stärker nach innen gebogen, da die schräg zur Achse A verlaufende Bohrungswand 312 mit zunehmender Überlappung mit dem Endbereich des Rohres die Wandung 210 immer weiter nach innen verdrängt.
Die Grenzfläche zwischen der Wandung 210 und der Manschette 300 verläuft in diesem Ausführungsbeispiel nicht parallel zur Achse, sondern schräg zu dieser Achse, und zwar mit einem Winkel α.

Claims

Flansch (100) zur axialen Anbindung eines Zug- und/oder Druckstabes (200), vorzugsweise eines solchen aus Faserverbundwerkstoff, wobei der Flansch (100) eine Hülse (110) und einen Kragen (150) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (110) eine geneigte Angriffsfläche (111) aufweist, die dem Kragen (150) zugewandt ist.
Flansch gemäß Anspurch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (100) teilweise oder vollständig aus Metall gefertigt ist.
Flansch gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (110) nicht verformbar ist, und/oder dass die Neigung der Angriffsfläche (111) an jeder Stelle konstant ist, und/oder dass die Hülse (110) wenigstens abschnittsweise rotationssymmetrisch ist, und vorzugsweise wenigstens abschnittsweise kegelstumpfförmig ist.
Flansch gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Mantel der Hülse (110) die Angriffsfläche (111) bildet, oder dass die Hülse (110) in ihrem dem Kragen (150) abgewandten Endbereich einen axial und vorzugsweise ringförmig um die Hülse (110) verlaufenden Mantelabschnitt (160) aufweist.
Flansch gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) der Angriffsfläche relativ zur Längsachse, gegebenenfalls der halbe Öffnungswinkel (α) des kegelstumpfförmigen Hülsenabschnitts zwischen 0° und 25°, vorzugsweise zwischen 0,1° und 2° beträgt.
Flansch gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale und rotatorische Sicherung des Flansches über einen Form- oder Reibschluß unterstützt wird.
Verbindungsanordnung (1) zur axialen Anbindung eines Zug- und/oder Druckstabes (200), vorzugsweise eines solchen aus Faserverbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsanordnung (1) einen Flansch (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, dessen Hülse (110) in einer umfänglich wenigstens teilweise umwandeten Aufnahme im Endbereich des Stabes (200) aufgenommen ist, und dass die Verbindungsanordnung (1) ferner eine Manschette (300) aufweist, welche die Umwandung (210) der Aufnahme unter Ausübung einer Kompressionskraft umschließt, sodass wenigstens ein Teil der inneren Mantelfläche (212) der Umwandung (210) formschlüssig an der Angriffsfläche (111) der Hülse (110) anliegt.
Verbindungsanordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Flansch (100) oder am Rohr (200) eine Schräge angeordnet ist, oder dass am Flansch (100) und an der Manschette (300) eine Schräge angeordnet ist oder dass am Flansch (100) oder an der innen liegenden Manschette (300) oder Hülse (400) eine Schräge angeordnet ist.
Verbindungsanordnung gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme und/oder der Endbereich des Stabes (200) aus einem Faserverbundwerkstoff, dass der Flansch (100) aus Metall und die Manschette (300) aus Metall oder Faserverbundwerkstoff gefertigt sind.
Verbindungsanordnung gemäß Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandung (210) eine oder mehrere umfänglich verteilte Zungen aufweist oder daraus besteht, und die Innenoberflächen (212) der Zungen an der Angriffsfläche (111) der Hülse (110) anliegen.
Verbindungsanordnung gemäß gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Umwandung (210) in der axialen Richtung zum Ende des Stabes (200) hin zunimmt, oder dass die Stärke der Umwandung (210) in axialer Richtung konstant ist.
Verbindungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungswand (312) der Manschette (300) wenigstens abschnittsweise eine geneigte Angriffsfläche bildet, die dem Stab (200) zugewandt ist, oder dass die Bohrungswand (312) der Manschette (300) axial verläuft.
Verfahren zu Bereitstellung einer Verbindungsanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Einführen der Hülse (110) des Flansches (100) in die Aufnahme des Stabes (200); und (b) Anbringen der Manschette (300) am Endabschnitt des Stabes (200), der die Aufnahme umfasst, sodass die Manschette (300) auf zumindest Teile der Umwandung (210) der Aufnahme eine Kompressionskraft ausübt und eine Verformung bewirkt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Mantelfläche (212) der Umwandung (210) vor der Verformung durch die Manschette (300) nicht an der Angriffsfläche (111) der Hülse (110) anliegt, und erst die Verformung bewirkt, dass die innere Mantelfläche (212) der Umwandung (210) formschlüssig an der Angriffsfläche (111) der Hülse (110) anliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) eine Manschette (300) mit einem nicht veränderbaren Bohrungsdurchmesser auf den Endabschnitt des Stabes (200) aufgesteckt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Mantelfläche (212) der Umwandung (210) vor dem Anbringen der Manschette (300) axial verläuft.