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Die Erfindung betrifft einen Mast mit einer Tragvorrichtung zum Aufnehmen von Belastungen, die als Kräfte auf die Tragvorrichtung wirken, wobei die Tragvorrichtung zum Aufnehmen von vorgegebenen Biegebelastungen als eine erste Belastungsart und zum Aufnehmen von vorgegebenen Belastungen mindestens einer zweiten Belastungsart, die von der ersten Belastungsart verschieden ist, ausgebildet ist.
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Faserverbundwerkstoffe weisen den großen Vorteil auf, bei hoher Steifigkeit und Stabilität ein gegenüber herkömmlichen Werkstoffen sehr geringes Gewicht aufzuweisen. Daher werden Faserverbundwerkstoffe vermehrt auch zur Herstellung von sicherheitskritischen Bauteilen verwendet, um so Gewicht einzusparen.
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Nicht selten werden Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen auch dort eingesetzt, wo mehrere verschiedene Belastungsarten als Kräfte auf das Bauteil wirken. Diese Bauteile müssen dann so konzipiert und hergestellt werden, dass sie unter den vorgegebenen Randbedingungen die auf sie wirkenden Belastungen verschiedenster Belastungsarten aufnehmen können und gegebenenfalls abtragen.
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So wirken beispielsweise bei einem Mast neben Zug- und Druckbelastungen in axialer Richtung sowie radialen Torsionsbelastungen in der Regel auch Biegebelastungen, die der Mast aufnehmen muss, ohne zu brechen. Gerade bei einem Schiffsmast ergibt sich hierbei zusätzlich das Problem, dass die Richtung der Biegebelastung abhängig ist von der Stellung der Segel, so dass man auch von um gerichteten Biegebelastungen bzw. umlaufenden Biegebelastungen sprechen kann.
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Damit die vorgegebenen Belastungen einschließlich der Biegebelastungen sicher durch den Mast aufgenommen werden können, wird ein solcher Mast in der Regel in Richtung Mastwurzel umlaufend angedickt, damit der Mast die auf ihn wirkenden Biegebelastungen aufnehmen kann. Dabei müssen durch einen solchen Mast im Übrigen auch die anderen Belastungen, wie Zug- und Druckbelastungen sowie Torsionsbelastungen, sicher aufgenommen werden, was schließlich zu einem an vielen Stellen überdimensionierten Bauteil führt.
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Unter einer Zug- oder Druckbelastung im Sinne der vorliegenden Erfindung werden auf das Bauteil wirkenden Belastungen verstanden, die axial in der Bauteilebene in Richtung weg vom Bauteil oder in Richtung zum Bauteil hin wirken. Unter einer Torsionsbelastung werden dabei Belastungen verstanden, die radial um eine in der Bauteilebene liegenden Rotationsachse wirken. Bei einer Biegebelastung, die auch als Querbelastung bezeichnet werden kann, wirkt die Belastung hingegen auf das Bauteil so, dass sich das Bauteil um eine in dem Bauteil liegende Krümmungsachse krümmen oder verbiegen möchte. Je nach Elastizität des verwendeten Materials führt die Biegebelastung zu einer mehr oder weniger veränderten Bauteilform, da sich durch das Verbiegen das Bauteil aus seiner Bauteilebene bewegt.
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Sollen verschiedene Belastungsarten aufgenommen werden, so führt dies auch bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen zu an vielen Stellen überdimensionierten Bauteilen, was sich weder auf den Herstellungsprozess als solches als auch auf das Gewicht-Stabilitätsverhältnis ungünstig auswirkt. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Tragvorrichtung zum Aufnehmen von Belastungen anzugeben, bei denen verschiedene Belastungsarten aufgenommen werden können und gleichzeitig durch Optimierung der Bauteilform durch Reduzierung von Gewicht Material eingespart werden kann, und zwar unter der Voraussetzung, dass die vorgegebenen Belastungen durch die Tragvorrichtung auch aufgenommen werden können.
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Aus der
AT 004 955 U1 ist ein aus Rohrprofilen zusammensetzbarer Mast bekannt, der in Inneren C-förmige Ausnehmungen aufweist, in die Versteifungselemente eingeführt werden können, um so den Mast lokal an bestimmten Stellen zu versteifen.
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Aus der
EP 0 939 055 B1 ist ein Hebemast für Fördergeräte bekannt, der ein C-förmiges Profil aufweist, in dessen Inneren Verstärkungsprofile verschweißt sind, um den Hebemast zu verstärken.
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Aus der
DD 278 758 A1 ist ein Schutzmast für Segelfahrzeuge bekannt, der eine dreieckige Querschnittsform aufweist, wobei in den Eckbereichen des dreieckigen Querschnitts zur Verstärkung ein Faserwerkstoff vorgesehen ist.
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Schließlich ist aus der
DE 2 026 271 ein ausfahrbarer Mast vorgesehen, bei dem der ausfahrbare Teil des Mastes in Form eines Zylinders ausgeführt ist, der mit Hilfen eines Kolbens ein- und ausfahrbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Demnach wird ein Mast mit einer Tragvorrichtung vorgeschlagen, die zum Aufnehmen von Belastungen verschiedenster Belastungsarten vorgesehen ist, wobei die Tragvorrichtung mindestens zum Aufnehmen von vorgegebenen Biegebelastungen als eine erste Belastungsart und zum Aufnehmen von Belastungen mindestens einer zweiten Belastungsart, die von der ersten Belastungsart verschieden ist, ausgebildet ist.
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Um eine möglichst hohe Gewichtsreduzierung durch Bauteiloptimierung zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zur Aufnahme der verschiedenen Belastungsarten jeweils separate Lastaufnahme-Bauelemente vorgesehen sein sollen. So sind bei der erfindungsgemäßen Tragvorrichtung mindestens zwei Lastaufnahme-Bauelemente zur Aufnahme der Belastungen vorgesehen, wobei mindestens eines der Lastaufnahme-Bauelemente im Inneren einen Hohlraum aufweist, in dem das mindestens andere Lastaufnahme-Bauelement angeordnet ist.
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Das erste Lastaufnahme-Bauelement ist nun so ausgebildet, dass es die Biegebelastungen optimal aufnehmen kann. Das mindestens zweite Lastaufnahme-Bauelement ist hingegen ausgebildet, die Belastungen der mindestens zweiten Belastungsart, wie beispielsweise Zug/Druckbelastungen und/oder Torsionsbelastungen, aufzunehmen. Das zweite Lastaufnahme-Bauelement ist jedoch nicht dazu vorgesehen und auch nicht dazu ausgebildet, die vorgegebenen Biegebelastungen aufzunehmen, da das zweite Lastaufnahme-Bauelement zur Aufnahme der Belastungen der zweiten Belastungsart optimiert wurde und dies unter Umständen zur Aufnahme der vorgegebenen Biegebelastungen entgegenstehen könnte.
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Es wird somit eine Tragvorrichtung mit geteilter Bauweise vorgeschlagen, bei dem die einzelnen Bauelemente jeweils speziell zur Aufnahme von vorgegebenen Belastungen mindestens einer Belastungsart ausgebildet sind. So kann ein Lastaufnahme-Bauelement zur Aufnahme von Zug/Druckbelastungen speziell hieran angepasst werden, wenn es zusätzlich keine Biegebelastungen aufnehmen muss. Im Gegensatz dazu kann ein Lastaufnahme-Bauelement, das ausschließlich zur Aufnahme von Biegebelastungen vorgesehen ist, speziell hieran angepasst werden, wobei es dann nicht mehr dazu geeignet sein muss, auch die Zug/Druckbelastungen aufnehmen zu können.
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Ein Befestigungselement, mit dem die Belastungen auf die Tragvorrichtung übertragen werden sollen, ist so angeordnet, dass Biegebelastungen auf das erste Lastaufnahme-Bauelement übertragen werden, während Belastungen anderer Belastungsarten auf das mindestens zweite Lastaufnahme-Bauelement übertragen werden.
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Eine Tragvorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei eine Vorrichtung zum Aufnehmen von Belastungen, die als Kräfte auf das Bauteil wirken.
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Die Lastaufnahme-Bauelemente sind erfindungsgemäß relativ zueinander dreh- oder verschiebbar ausgeführt, wobei das erste Lastaufnahme-Bauelement, das zur Aufnahme der Biegebelastungen vorgesehen ist, in eine erste Biegerichtung ein erstes axiales Flächenträgheitsmoment aufweist und in mindestens eine zweite Biegerichtung ein von dem erste axialen Flächenträgheitsmoment verschiedenes zweites axiales Flächenträgheitsmoment hat.
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Unter dem axialen Flächenträgheitsmoment wird dabei ein Maß für die Biegesteifigkeit zur Aufnahme von Biegebelastungen verstanden.
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Hierdurch wird es möglich, dass das erste Lastaufnahme-Bauelement so ausgeführt ist, dass es in verschiedene Richtungen verschieden axiale Flächenträgheitsmomente aufweist, wobei durch die dreh- oder verschiebbare Anordnung der Lastaufnahme-Bauelemente das erste Lastaufnahme-Bauelement so ausgerichtet werden kann, dass es in eine Richtung zeigt, die dem axialen Flächenträgheitsmoment entspricht, das in diese Biegerichtung zur Aufnahme der Biegebelastungen notwendig ist.
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Somit kann das erste Lastaufnahme-Bauelement gewichtsoptimiert so hergestellt werden, dass es die maximale Biegesteifigkeit in eine bestimmte Richtung aufweist und das durch die dreh- oder verschiebbare Anordnung des ersten Lastaufnahme-Bauelementes dieses dann immer in die entsprechende Biegerichtung gedreht oder verschoben wird, damit eine definierte Biegesteifigkeit in Richtung der Biegebelastung ausgerichtet ist.
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Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn gerichtete oder umlaufende Biegebelastungen aufgenommen werden sollen. Durch diese Optimierung des ersten das Aufnahme-Bauelementes lässt sich erheblich Material und somit Gewicht gegenüber herkömmlichen Konstruktionen einsparen.
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Erfindungsgemäß ist hierbei das erste Lastaufnahme-Bauelement über dem zweiten Lastaufnahme-Bauelement dreh- oder verschiebbar ausgeführt, wobei das erste Lastaufnahme-Bauelement mit einem Befestigungsmittel zum Übertragen der Biegebelastung auf das erste Lastaufnahme-Bauelement verbunden ist. Das erste Lastaufnahme-Bauelement wirkt dabei mit dem Befestigungsmittel derart zusammen, dass bei einer um gerichteten bzw. umlaufenden Biegebelastung das erste Lastaufnahme-Bauelement mit der ersten Biegerichtung in Richtung der Biegebelastung ausgerichtet wird, so dass bei umlaufenden Biegebelastungen das erste Lastaufnahme-Bauelement mit der ersten Biegerichtung des ersten axialen Flächenträgheitsmomentes in die Richtung der Biegebelastung ausgerichtet wird.
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Dies ist beispielsweise bei einem Schiffsmast besonders vorteilhaft, bei dem je nach Stellung der Segel die Biegebelastung sich umlaufend ändert. Mit der vorliegenden Erfindung wird es dadurch möglich, dass das erste das Aufnahme-Bauelement zur Aufnahme der Biegebelastung optimal in die Richtung ausgerichtet wird, in der die Biegebelastung wirkt, wobei in diese Richtung das erste das Aufnahme-Bauelement vorteilhafterweise sein größtes axiales Flächenträgheitsmoment hat.
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Damit ist das Lastaufnahme-Bauelement immer optimal in Richtung der Biegebelastung ausgerichtet.
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Denkbar ist aber auch, dass alternativ oder zusätzlich das Lastaufnahme-Bauelement Nuten aufweist, die mit axial verschiebbaren Bolzen in Eingriff stehen und mit diesen so zusammenwirken, dass dabei eine axiale Verschiebung der Bolzen ein Drehen des ersten das Aufnahme-Bauelementes bewirkt wird. Hierzu können die Nuten beispielsweise eine radiale und axiale Komponente aufweisen, so dass eine axiale Verschiebung der Führungsbolzen zu einer Drehbewegung des ersten Lastaufnahme-Bauelementes führt. Hierdurch kann das erste Lastaufnahme-Bauelement manuell in die optimale Position zur Aufnahme der maximalen Biegebelastung eingestellt werden.
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Vorteilhafterweise ist die Tragvorrichtung an zumindest einem Ende zum Abtragen der aufgenommenen Belastungen fixierbar. Dies kann beispielsweise bei einem Mast wie Mastwurzel sein.
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Darüber hinaus ist das erste Lastaufnahme-Bauelement und/oder das zweite Lastaufnahme-Bauelement aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt oder weißt zumindest teilweise einen solchen Faserverbundwerkstoff auf. Denn es hat sich herausgestellt, dass insbesondere mit Hilfe von Faserverbundwerkstoffen eine Tragvorrichtung der vorliegenden Art besonders vorteilhaft ist, da ein hohes Maß an Gewichtsreduzierung erreicht wird, ohne dass die Aufnahme der vorgegebenen Belastungen eingeschränkt werden muss. Es lassen sich somit sehr belastbare und leichte Tragvorrichtungen der erfindungsgemäßen Art herstellen.
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Die Tragvorrichtung, das erste und/oder das zweite Lastaufnahme-Bauelement können stabförmig, mastförmig oder balkenförmig sein. Die Lastaufnahme-Bauelemente können dabei vorteilhafterweise im Wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wobei es insbesondere hierbei vorteilhaft ist, wenn das in dem Hohlraum angeordnete Lastaufnahme-Bauelement formschlüssig an der Innenwand des Hohlraumes anliegt. Hierdurch können dann die auf die Tragvorrichtung wirkenden Kräfte besonders gut aufgenommen werden.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das zweite Lastaufnahme-Bauelement den Hohlraum aufweist, in dem dann das erste das Aufnahme-Bauelement zur Aufnahme der vorgegebenen Biegebelastungen angeordnet ist. Denn soll besonders viel Gewicht eingespart werden und wird das erste Lastaufnahme-Bauelement zur Aufnahme der Biegebelastungen in zumindest eine Richtung stark optimiert, so ergibt sich meist ein Bauelement, das zwar Biegebelastungen besonders gut aufnehmen kann, Zug- oder Druckbelastungen sowie Torsionsbelastungen jedoch nur schwerlich verkraftet. Ein derartiges Bauteil ist somit gegenüber anderen Belastungen, auch Impact-Schäden, im Inneren des zweiten Lastaufnahme-Bauelementes geschützt, so dass das zweite Lastaufnahme-Bauelement wie eine Art Hülle wirkt.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das erste das Aufnahme-Bauelement im Wesentlichen ein höheres axiales Flächenträgheitsmoment als das zweite Lastaufnahme-Bauelement hat.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
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1: schematische Darstellung eines Querschnitts durch die erfindungsgemäße Tragvorrichtung;
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2: perspektivische Darstellung der Tragvorrichtung;
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3: schematische Darstellung einer auseinander gebauten Tragvorrichtung mit den beiden Hauptelementen.
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1 zeigt schematisch den Querschnitt durch die erfindungsgemäße Tragvorrichtung 10. Die Tragvorrichtung 10 weist ein erstes Lastaufnahme-Bauelement 11 und ein zweites Lastaufnahme-Bauelement 12 auf, wobei das erste Lastaufnahme-Bauelement zur Aufnahme von Biegebelastungen vorgesehen ist, während das zweite Lastaufnahme-Bauelement 12 zur Aufnahme anderer Belastungsarten wie beispielsweise Zug/Druckbelastungen oder Torsionsbelastungen vorgesehen ist.
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Das erste Lastaufnahme-Bauelement zur Aufnahme der Biegebelastungen ist dabei in einem Hohlraum 13 im Inneren des zweiten Lastaufnahme-Bauelementes angeordnet und liegt formschlüssig an einer Innenwand 14 des Hohlraumes 13 des zweiten Lastaufnahme-Bauelementes 12 an.
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Das erste Lastaufnahme-Bauelement ist dabei so ausgebildet, dass es seine optimale Biegesteifigkeit in die mit dem Pfeil B1 gekennzeichnete Richtung hat. In diese Richtung B1 ist das erste Lastaufnahme-Bauelement 11 so ausgebildet, dass es sein höchstes axiales Flächenträgheitsmoment hat.
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Zur Gewichtsreduzierung ist das erste das Aufnahme-Bauelement so ausgebildet, dass es in zumindest eine weitere Richtung B2 ein anderes, in der Regel geringeres, axiales Flächenträgheitsmoment aufweist, so dass dies für die maximale Biegetraglast keine optimale Richtung darstellt. Da das erste Lastaufnahme/Bauelement 11 in dem Hohlraum dreh- bzw. auch verschiebbar gegenüber dem zweiten Lastaufnahme-Bauelement 12 angeordnet und ausgeführt ist, sollte das erste Lastaufnahme-Bauelement 11 mit der Richtung b1 immer in die Richtung der aktuellen Biegebelastung ausgerichtet sein.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Tragvorrichtung 10 in einer perspektivischen Darstellung, wobei an einem ersten Ende der Tragvorrichtung 10, die hier mast- oder stabförmig ausgebildet ist, mit Hilfe einer Fixierung 15 fixierbar ist, um so die aufgenommenen Belastungen abzutragen. An einem anderen Ende weist die Tragvorrichtung 10 ein Befestigungselement 16 auf, das zum einen mit dem äußeren zweiten Lastaufnahme-Bauelement kraftübertragend in Verbindung steht und zum anderen mit dem innen liegenden ersten Lastaufnahme-Bauelement verbunden ist. Wie durch die Pfeile der 2 dargestellt, ist das Befestigungselement 16 um die Achse des Stabes rotierbar, wobei hierbei das innen liegende erste Lastaufnahme-Bauelement mitgedreht wird.
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Dies ist beispielsweise bei umlaufenden Biegebelastungen besonders vorteilhaft, da sich nun das innen liegende erste Lastaufnahme-Bauelement zur Aufnahme der Biegebelastungen immer optimal mit seinem maximalen Flächenträgheitsmoment in Richtung der Biegebelastung ausrichtet. Dadurch muss nicht mehr das gesamte Bauteil für die umlaufenden Querbelastungen ausgebildet sein, sondern es reicht aus, wenn das zur Aufnahme der Biegebelastung vorgesehene Bauelement immer optimal in Richtung der Biegebelastung ausgerichtet wird.
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Dies kann durch das Befestigungselement 16 entsprechend erfolgen.
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3 zeigt die Tragvorrichtung 10 mit seinen im Wesentlichen Elementen, nämlich dem ersten Lastaufnahme-Bauelement 11 und dem zweiten Lastaufnahme-Bauelement 12 in einer Explosionsdarstellung. Bei den ersten Lastaufnahme-Bauelementen sind dabei radial und axial verlaufende Nuten 17 zu erkennen, die mit an dem zweiten Lastaufnahme-Bauelement angeordneten Führungsbolzen 18 in Eingriff bringbar sind, so dass durch eine axiale Verschiebung der Führungsbolzen 18 eine Drehbewegung des ersten Lastaufnahme-Bauelementes 11 im Inneren des zweiten Lastaufnahme-Bauelementes 12 erreicht werden kann. Hierdurch lässt sich die Ausrichtung der optimalen Biegesteifigkeit manuell einstellen.
