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Die Erfindung betrifft eine Zugstange mit einem Stangenkörper aus faserverstärktem Werkstoff und mit einem Flanschkörper zur kraftübertragenden Anbringung weiterer Bauteile an wenigstens einem Ende, wobei sich wenigstens einzelne Fasern des faserverstärkten Werkstoffes aus dem Stangenkörper um den Flanschkörper und wieder zurück in den Stangenkörper erstrecken.
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Eine derartige Zugstange ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 038 082 A1 bekannt. Zur Verankerung eines Krafteinleitungselements am Ende der Zugstange wird bei dieser Druckschrift die Zugstange im Krafteinleitungsbereich von einem Spreizkörper radial aufgeweitet. Die radiale Aufweitung wird hinter dem Spreizkörper zusammengeführt, verdichtet und konsolidiert. Diese Art der Befestigung ist aufwändig und zudem mit einem Festigkeitsverlust verbunden. Die Aufweitung gefährdet die strukturelle Integrität des Faser-Matrix-Verbundes.
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Alternative Arten der Anbringung von Verankerungsgliedern am Ende von faserverstärkten, zugspannungsübertragenden Bauelementen sind aus der
DE 39 42 535 A1 , der
DE 100 10 564 C1 , der
EP 0 001 235 A1 , der
GB 2 279 085 A , der
WO 95/29308 A1 und der
WO 00/37749 A1 bekannt. Auch bei diesen Verbindungsarten sind der hohe Aufwand und der Verlust an Zugfestigkeit im Verbindungsbereich zwischen Verankerungsglied und Mittelteil der Zugstange nachteilig. Des Weiteren sind Faserverbundstrukturen mit Zugkörpern aus faserverstärkten Werkstoffen, bei denen sich die Fasern um einen Körper und wieder zurück erstrecken, bekannt aus der
DE 10 2006 047 412 A1 , der
DE 203 02 209 U1 und der
WO 2004 / 106 772 A2 .
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Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Zugstange der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass bei höchster Zugfestigkeit der Flanschkörper mit geringem Aufwand an den faserverstärkten Werkstoff des Stangenkörpers angebunden werden kann.
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Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Zugstange dadurch gelöst, dass der Flanschkörper mit einer Aufnahmenut versehen ist, deren Grund radial nach außen weist und in der die wenigstens einzelnen Fasern aufgenommen sind.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass der Flanschkörper unmittelbar durch die Fasern des Stangenkörpers gehalten ist. Dies führt zu einer extrem zug- und bruchfesten Anbindung des Flanschkörpers an den Stangenkörper. Gleichzeitig ist die Zugstange einfach in einem einzigen Fertigungsschritt zu fertigen. Im Gegensatz zu beispielsweise der Zugstange der
DE 10 2004 038 082 A1 wird der Flanschkörper nicht erst nachträglich, nach Fertigung des Stangenkörpers, angebracht und der Stangenkörper nicht verformt. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird also ein nachträglicher Eingriff in die Struktur des Stangenkörpers vermieden.
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Die Aufnahmenut verschafft zum einen den Fasern eine Seitenstabilität, so dass der Flanschkörper quer zum Faserverlauf gesichert ist. Zum anderen bilden die Wände der Aufnahmenut einen Schutz für die Fasern beispielsweise gegen Schläge. Vorzugsweise ragen deshalb die Wände der Aufnahmenut in radialer Richtung über die um den Flanschkörper gewickelten Fasern hinaus.
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Die erfindungsgemäße Zugstange kann durch die folgenden, jeweils für sich vorteilhaften und beliebig miteinander kombinierbaren Weiterbildungen verbessert sein.
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Der Flanschkörper ist bevorzugt ein zylindrischer Körper mit kreisförmigem Querschnitt, so dass er einfach gefertigt werden kann. Eine Längsachse des Flanschkörpers kann quer zu einer Längsachse des Stangenkörpers verlaufen, so dass die Fasern um die gekrümmte Umfangsfläche am Außenumfang des Flanschkörpers verlaufen.
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Die wenigstens einzelnen Fasern können auch am Außenumfang des Flanschkörpers in einer Werkstoffmatrix eingebettet sein. Die Werkstoffmatrix dient als Schutz und als Fixierung der Fasern gegeneinander. Die Fasern sind bei einer solchen Ausgestaltung durchgängig in der Werkstoffmatrix eingebettet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann sich der Werkstoff des Stangenkörpers der Zugstange vorzugsweise monolithisch um den Flanschkörper herum erstrecken. Der Flanschkörper kann in den faserverstärkten Werkstoff des Stangenkörpers eingebettet sein. Eine solche monolithische Struktur weist eine besonders hohe Zugfestigkeit auf.
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Um die Zugfestigkeit der Zugstange weiter zu erhöhen, können die wenigstens einzelnen Fasern wenigstens am Flanschkörper parallel zueinander ausgerichtet sein. Die parallele Ausrichtung kann sich im Stangenkörper fortsetzen. Am Außenumfang verlaufen die Fasern bevorzugt in Umfangsrichtung. Im Stangenkörper sind die Fasern vorzugsweise in Richtung der Zugbelastung ausgerichtet. Die Richtung der Zugbelastung entspricht üblicherweise der Längsrichtung des Stangenkörpers. Bei einer solchen Ausrichtung werden in die Fasern ausschließlich eine Zugspannung und keine Scherspannungen eingeleitet. Die Fasern werden folglich in Richtung ihrer maximalen Tragfähigkeit belastet.
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Da bei der Anbringung der weiteren Bauteile an dem Flanschkörper die Gefahr besteht, dass die Oberfläche der Zugstange beschädigt wird und sich Risse in der Oberfläche bilden, ist es von Vorteil, wenn wenigstens eine der axialen Stirnflächen des Flanschkörpers zumindest abschnittsweise freiliegt.
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Wenn die Umfangsflächen der axialen Stirnflächen bzw. die Umfangsflächen der Wände der Aufnahmenut zumindest abschnittsweise freiliegen, können die Fasern und der Werkstoff, in dem die Fasern eingebettet sind, vor Schlägen in axialer Richtung geschützt werden. Bevorzugt überragt der Flanschkörper die um ihn herum reichenden Fasern und gegebenenfalls eine Werkstoffmatrix für die Fasern am Ende der Zugstange in radialer Richtung, um einen Schutz, insbesondere einen Kantenschutz, zu bilden.
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Der Flanschkörper ist bevorzugt aus einem Metall oder einer Metalllegierung wie beispielsweise Stahl oder Bronze gefertigt.
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Der Flanschkörper kann mit einer vorzugsweise durchgängigen Öffnung versehen sein. Die Öffnung kann zur Anbringung weiterer Bauelemente vorgesehen sein. Sie erlaubt das Durchstecken von beispielsweise Scherbolzen. Alternativ oder zusätzlich kann der Flanschkörper auch mit anderen Befestigungsmitteln, wie beispielsweise Einschrauböffnungen, versehen sein.
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Falls die Zugstange in rauen Umgebungen eingesetzt wird, kann es von Vorteil sein, wenn sie mit einer elastomeren Schutzhülle überzogen ist. Die elastomere Schutzhülle kann in einem Fertigungsschritt zusammen mit dem faserverstärkten Werkstoff beispielsweise durch mehrkomponentige Herstellverfahren erzeugt werden.
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In die Zugstange, insbesondere den Stangenkörper, kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ein vorzugsweise energieautarker Sensor, beispielsweise ein piezoelektrischer Sensor, eingebettet sein. Dieser ist bevorzugt in den faserverstärkten Werkstoff eingebettet, insbesondere wenn dieser Werkstoff dielektrisch ist. Bei einem solchen Werkstoff ergeben sich nur geringe Störungen elektromagnetischer Felder, wenn der Sensor berührungsfrei ausgelesen wird. Der Sensor ist bevorzugt von außerhalb des Zugstabes abfragbar ausgestaltet. Der energieautarke Sensor benötigt keine Energiezufuhr von außen, um Messungen durchzuführen. Der Sensor kann insbesondere eine im Stangenkörper herrschende Zugspannung erfassen. Der Sensor kann auch berührungsfrei aktivierbar und mit Energie versorgbar ausgestaltet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann ein Transponder in den faserverstärkten Kunststoff eingebettet sein. Ein solcher Transponder erlaubt es, berührungslos Daten ein- und/oder auszulesen. Derartige Daten können technische Daten der Zugstange, Informationen über Wartungsarbeiten und/oder Daten, insbesondere des im Stangenkörper eingebetteten Sensors, umfassen.
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Der Transponder und/oder der piezoelektrische Sensor sind bevorzugt so in den faserverstärkten Kunststoff eingebettet, dass die Oberfläche der Zugstange über dem Transponder und/oder dem piezoelektrischen Sensor geschlossen und durchgängig ist. Auf diese Weise ist die Oberfläche der Zugstange ungestört, so dass von der Oberfläche trotz eingebetteter Sensorik und/oder Transponder keine Rissbildung ausgeht. Hierzu können der Transponder und/oder der Sensor vor der Fertigstellung des Stangenkörpers in diesen oder eine Gussform eingelegt werden.
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Der piezoelektrische Sensor und/oder der Transponder sind bevorzugt auf einer Längsachse der Zugstange angeordnet. Um zu vermeiden, dass sie in Bereichen hoher Zugspannung zu liegen kommen und die Festigkeit der Zugstange beeinträchtigen, ist es von Vorteil, wenn sie nicht mehr als zwei Durchmesser der Faserbiegung um den Flanschkörper, dies kann beispielsweise der Durchmesser am Grund der Aufnahmenut sein, vom Flanschkörper entfernt sind.
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Da die Zugstange im täglichen Betrieb starken Belastungen und oft auch rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, ist es von Vorteil, wenn Überschreitungen der Umgebungsbedingungen, für die die Zugstange ausgelegt ist, dem Bedienpersonal angezeigt werden. Zu diesem Zweck kann die Zugstange wenigstens bereichsweise mit einer von außen einsehbaren Markierung versehen sein, deren Farbe sich in Abhängigkeit von einer in der Zugstange herrschenden Spannung und/oder Temperatur ändert. Beispielsweise kann eine Markierung aus einem Lack vorgesehen sein, der seine Farbe dauerhaft bei Überschreiten bestimmter Temperaturen ändert. Ebenso kann in die Zugstange von außen einsehbar ein Material eingebettet sein, dessen optische Eigenschaften sich zugspannungs- und/oder temperaturabhängig ändert. Dieses Material kann Teil der Werkstoffmatrix sein, so dass sich die Farbe der gesamten Zugstange ändert.
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Sofern in den vorangegangenen Ausführungen davon die Rede ist, dass wenigstens einzelne Fasern sich um den Flanschkörper erstrecken, so bedeutet dies, dass der Stangenkörper weitere Fasern aufweisen kann, die nicht oder nur zum Teil um den Flanschkörper herum reichen. Je mehr Fasern um den Flanschkörper reichen, umso zugfester ist die Anbindung des Flanschkörpers an den Stangenkörper.
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Wenigstens zum Teil weisen die Fasern des Stangenkörpers eine Länge auf, die größer ist als ein Umfang des Flanschkörpers an der Stelle, an der die Fasern um den Flanschkörper herum reichen. Auch hier ist die Anbindung des Flanschkörpers an den Stangenkörper umso zugfester, je länger die Fasern sind.
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Am anderen Ende der Zugstange kann ein weiterer Flanschkörper angeordnet sein, der wenigstens teilweise die oben beschriebenen Merkmale aufweist. Sind zwei Flanschkörper an den beiden Enden der Zugstange vorgesehen, sind diese bevorzugt gleich ausgestaltet, so dass sie die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweisen und bei der Handhabung keine Verwechslungsgefahr zu befürchten ist.
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Bei einer Ausgestaltung mit zwei Flanschkörpern kann es für eine besonders hochfeste Zugstange von Vorteil sein, wenn zumindest einzelne Fasern um beide Flanschkörper an beiden Enden herum reichen. Diese Fasern weisen dann eine Länge auf, die größer ist als die Länge der Zugstange.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert. In den Abbildungen sind der Einfachheit halber für Elemente, die sich hinsichtlich Aufbau und Funktion entsprechen, dieselben Bezugszeichen verwendet. Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, müssen bei einer bestimmten Anwendung nicht sämtliche anhand des Ausführungsbeispiels dargelegten Merkmale vorhanden sein. Kommt es bei einer bestimmten Anwendung nicht auf das mit einem Merkmal verbundenen Vorteil an, so kann dieses Merkmal auch weggelassen werden.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zugstange;
- 2 eine schematische Ansicht des Ausführungsbeispiels der 1 mit Blickrichtung senkrecht zur Ansicht der 1;
- 3 eine schematische Darstellung des Schnittes III-III der 1 .
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Zunächst wird der Aufbau einer erfindungsgemäßen Zugstange 1 anhand der 1 und 2 dargestellt. Die Zugstange 1 weist an wenigstens einem in Richtung 2 der Zugbelastung gelegenen Ende 3 einen Flanschkörper 4 auf. Die Richtung 2 entspricht der Längserstreckung der Zugstange 1.
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Lediglich beispielhaft sind im dargestellten Ausführungsbeispiel an beiden Enden 3 Flanschkörper 4 in vorzugsweise identischer Ausgestaltung vorhanden.
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Die Flanschkörper 4 sind bevorzugt aus einem Metall oder einer Metalllegierung, beispielsweise aus Stahl oder Bronze, gefertigt.
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Zwischen den Enden 3 befindet sich ein Stangenkörper 5 der Zugstange 1. Der Stangenkörper 5 kann stangenförmig in Richtung 2 längsgestreckt sein. Der Stangenkörper 5 ist bevorzugt aus einem faserverstärkten Werkstoff gefertigt.
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Die Zugstange 1 kann wenigstens im Bereich des Stangenkörpers 5 mit einer elastomeren Schutzhülle 6 versehen sein, die sich auch um die Enden 3 erstrecken kann. Ein zentraler Abschnitt 7 kann zur Anbringung von weiteren Bauteilen (nicht dargestellt) dienen und nicht mit der elastomeren Schutzhülle überzogen sein. Wie durch die gestrichelten Linien dargestellt ist, kann jedoch auf einen solchen zentralen Abschnitt auch verzichtet werden.
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Einzelne Fasern 8 erstrecken sich vom Stangenkörper aus um den Flanschkörper 4 und wieder zurück in den Stangenkörper 5.
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Die Länge 9 der Fasern 8 ist bevorzugt größer als der Durchmesser 10 an der Stelle des Flanschkörpers 4, um die die Fasern 8 gewickelt sind. Die Länge 9 beträgt insbesondere ein Mehrfaches des Durchmessers 10. Fasern, die kürzer als eine Länge 11 der Zugstange sind, werden nicht um den Flanschkörper 4 herum reichen. Einige Fasern 12 können somit vollständig im Stangenkörper 5 liegen.
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Sind an beiden Enden Flanschkörper 4 vorgesehen, so können wenigstens einzelne Fasern 13, deren Länge 14 die Länge 11 der Zugstange 1 überschreitet, um beide Flanschkörper 4 herumgewickelt sein.
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Der Flanschkörper 4 kann mit einer Durchgangsöffnung 15 zur zugkraftübertragenden Anbringung weiterer Bauteile (nicht dargestellt) an der Zugstange 1 versehen sein. Anstelle oder zusätzlich zu der Durchgangsöffnung 15 können auch andere Befestigungsmöglichkeiten, wie beispielsweise ein Kranz von Einschrauböffnungen, vorgesehen sein.
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Wie aus der schematischen Schnittdarstellung der 3 hervorgeht, kann der Flanschkörper 4 eine Aufnahmenut 16 aufweisen, die sich in radialer Richtung 17 öffnet, so dass ein Grund 18 in radialer Richtung nach außen weist. Um den Grund 18 sind die Fasern 8, 13 wenigstens abschnittsweise gewickelt. Die Fasern 8, 13 liegen in der Aufnahmenut 16. Bevorzugt sind die Fasern 8, 13 nicht nur im Stangenkörper 5, sondern auch um den Flanschkörper 4 herum in einer Werkstoffmatrix 19 eingebettet. Der Stangenkörper 5 mit seinen in der Werkstoffmatrix 19 eingebetteten Fasern 8, 13 erstreckt sich bevorzugt monolithisch um den Flanschkörper 4 herum. Die innerste, auf dem Grund aufliegende Lage der Fasern 8, 13 bzw. der Werkstoffmatrix 19 liegt auf dem Durchmesser 10.
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Seitlich, zu den in axialer Richtung 20 gelegenen Stirnseiten 21 des Flanschkörpers 4, ist die Aufnahmenut 16 von radial vorspringenden Seitenwänden 22 begrenzt. Die Seitenwände 22 sichern die in der Werkstoffmatrix 19 eingebetteten Fasern 8, 13 in axialer Richtung 20.
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Die Stirnflächen 21 des Flanschkörpers 4 liegen bevorzugt frei, um eine plane, schlagfeste Fläche zur Anbringung weiterer Bauteile an der Zugstange 1 bereitzustellen. Die Stirnfläche 21 schützt gleichzeitig die Fasern 8, 13 und die Werkstoffmatrix 19 durch Beschädigungen beim Anbringen der weiteren Bauteile am Flanschkörper 4. Die Seitenwände 22 erstrecken sich in radialer Richtung vorzugsweise etwas über eine Umfangsfläche 23 der sich um den Flanschkörper 4 erstreckenden Fasern 8, 13 bzw. Werkstoffmatrix 19. Eine Umfangsfläche 24 der Seitenwände 22 kann hierbei ebenfalls freiliegen, so dass Schläge auf die Umfangsfläche 24 nicht die Oberfläche der Umfangsfläche 23 beschädigen.
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In der dargestellten Ausführungsform wird die Zugstange 1 in einem einzigen Herstellungsschritt gefertigt. Der Stangenkörper 5 wird um den wenigstens einen Flanschkörper 4 herum hergestellt.
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Alternativ kann die Zugstange 1 auch in einem zweistufigen Verfahren hergestellt werden, bei der zunächst der Stangenkörper 5 und die Enden 4 mit den um die Enden herum reichenden Fasern 8, 13 ohne eingelegtem Flanschkörper gefertigt werden. Dabei kann an den Enden 3 bereits bei der Fertigung eine Durchgangsöffnung vorgesehen sein, oder eine solche Durchgangsöffnung wird nachträglich hergestellt. In die Durchgangsöffnung kann dann von beiden Seiten her ein geteilter Flanschkörper 4 eingesetzt werden, wie er durch die Teilungslinie 25 in 3 angedeutet ist. Die zweistufige Herstellung führt allerdings zu einer weniger innigen Anbindung des Flanschkörpers 4 an die Fasern 8, 13 bzw. die Werkstoffmatrix 19 als das einstufige Verfahren.
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Die Zugstange 1 kann mit einem energieautarken Sensor 26, beispielsweise einem piezoelektrischen Sensor, versehen sein. Der Sensor 26 erfasst einen für die Zugspannung im Stangenkörper repräsentativen mechanischen Kennwert. Der Sensor 26 ist vorzugsweise im Stangenkörper 5 eingebettet, so dass der Stangenkörper bevorzugt eine durchgängige, glatte Oberfläche besitzt. Der Sensor 26 kann von außerhalb der Zugstange 1 fernabfragbar und/oder mit Energie versorgbar ausgestaltet sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Zugstange 1 mit einem Transponder 27 versehen sein, durch den Daten berührungslos ein- und auslesbar sind. Der Transponder 27 kann mit einem Speicher (nicht gezeigt) versehen oder verbunden sein, in dem neben technischen Daten der Zugstange 1 auch Messdaten des Sensors 26 abgelegt sein können. Der Transponder 27 kann ebenfalls im Stangenkörper 5 eingebettet sein, ohne die Oberfläche der Zugstange 1 zu stören.
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Der Sensor 26 und/oder der Transponder 27 können insbesondere bei der Fertigung des Stangenkörpers 5 eingelegt worden sein.
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Damit der Sensor 26 und/oder der Transponder 27 die Zugfestigkeit der Zugstange 1 nicht beeinträchtigen, sind sie bevorzugt auf einer Mittel- bzw. Symmetrielinie 29 der Zugstange 1 nahe an einem der Flanschkörper 4 angeordnet. Der Sensor 26 und/oder Transponder 27 sollte etwa ein bis drei Durchmesser 10 von einem Kraftangriffspunkt 30 der Zugkraft 31 bzw. vom Flanschkörper 4 beabstandet sein.
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Eine von außen einsehbare Markierung 32 kann vorgesehen sein, um den Benutzer unmittelbar auf eine Überschreitung zulässiger Einsatzbedingungen hinzuweisen. Beispielsweise kann die Markierung 32 ein Material aufweisen, dessen Farbe sich bevorzugt dauerhaft zugspannungs- und/oder temperaturabhängig ändert. Ein solches Material kann auch in der Werkstoffmatrix wenigstens des Stangenkörpers 5 enthalten sein, so dass sich die Farbe des Stangenkörpers 5 ändert, wenn eine vorbestimmte Zugspannung und/oder Temperatur in der Zugstange 1 überschritten wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zugstange
- 2
- Richtung der Zugbelastung
- 3
- Ende der Zugstange
- 4
- Flanschkörper
- 5
- Stangenkörper
- 6
- elastomere Schutzhülle
- 7
- zentraler Abschnitt
- 8
- Fasern
- 9
- Länge der Fasern 8
- 10
- Durchmesser an der Stelle der Umwicklung des Flanschkörpers
- 11
- Länge der Zugstange
- 12
- Fasern
- 13
- Fasern
- 14
- Länge der Fasern 13
- 15
- Durchgangsöffnung
- 16
- Aufnahmenut
- 17
- radiale Richtung
- 18
- Grund der Aufnahmenut
- 19
- Werkstoffmatrix
- 20
- axiale Richtung
- 21
- Stirnseiten des Flanschkörpers
- 22
- Seitenwände der Aufnahmenut
- 23
- Umfangsfläche von 8, 13, 19 im Bereich des Flanschkörpers
- 24
- Umfangsfläche der Seitenwände
- 25
- Teilung des Flanschkörpers
- 26
- energieautarker Sensor
- 27
- Transponder
- 29
- Mittellinie
- 30
- Kraftangriffspunkt
- 31
- Zugkraft
- 32
- Markierung
