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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entfalten eines aufgerollten länglichen Hohlkörpers, insbesondere eines entfaltbaren Mastes.
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Seit Beginn der Raumfahrt werden Masten als Träger für Sensoren und Instrumente als Stützstruktur für Solar Arrays, Antennen und Solar Sails und für weitere Anwendungen eingesetzt. Da jedoch auch heute noch der Transport von Gütern, wie beispielsweise Satelliten, einer strengen Gewichts- und Platzrestriktion unterliegen, stellen aus dem Transportgut herausragende Masten ein nicht unerhebliches Problem dar. Deshalb werden sehr häufig entfaltbare Masten verwendet, die anfänglich in einem aufgerollten Zustand für den Transport ins All präpariert sind und dann am Bestimmungsort abgerollt und entfaltet werden, wodurch sie ihre entsprechende Stabilität erhalten und die entsprechenden Instrumente, Sensoren oder Solar Sails stützen können.
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Ein solcher entfaltbarer Mast besteht dabei in der Regel aus einem länglichen Hohlkörper, dessen Querschnitt so gestaltet ist, dass der längliche Hohlkörper zu einem flachen Band umgeformt werden kann. Je nach Konstruktion weist dieses flache Band die Tendenz auf, sich zu entfalten und somit den entsprechenden Hohlraum innerhalb des länglichen Hohlkörpers auszubilden.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird demzufolge unter einem länglichen Hohlkörper ein Bauteil verstanden, das sowohl im entfalteten als auch im aufgerollten Zustand vorliegen kann und im aufgerollten Zustand keinen Hohlraum aufweist. Die Bezeichnung „länglicher Hohlkörper“ definiert dabei im breitesten Sinne die Fähigkeit, einen solchen Hohlraum innerhalb des länglichen Hohlkörpers auszubilden, nämlich dann, wenn der längliche Hohlkörper abgerollt und entfaltet wird bzw. ist.
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Ein solcher länglicher Hohlkörper, der als entfaltbarer Mast insbesondere in der Raumfahrt eingesetzt werden soll, ist dabei meist auf einen Wickelkern aufgerollt, wodurch er zwangsläufig als flaches Band entsprechend auf den Wickelkern aufgerollt vorliegt. Wird der Wickelkern nun in eine vorgegebene Richtung gedreht, so wird der aufgerollte längliche Hohlkörper von seinem aufgerollten ersten Zustand in einen abgerollten und entfalteten zweiten Zustand überführt, wobei während des Abrollens von dem Wickelkern der längliche Hohlkörper seine ursprüngliche Querschnittsform wieder annimmt und sich entfaltet und somit den Hohlraum innerhalb des länglichen Hohlkörpers ausbildet.
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Derartige entfaltbare Masten werden dabei meist aus dünnwandigen Schalen aus Metall oder Faserverbundwerkstoffen hergestellt, wobei sich die einzelnen Schalen aufgrund ihrer geringen Wandstärke elastisch zu einem flachen Band verformen und dadurch auf den Wickelkern platzsparend aufrollen lassen. Man unterscheidet hierbei grundsätzlich zwei Arten von entfaltbaren Masten, die auch Schalenmasten genannt werden, nämlich jene mit einem offenen und einem geschlossen Querschnittsprofil. Bei einem offenen Querschnittsprofil weist der entfaltbare Mast eine längliche Öffnung bzw. Schlitzung in dem Querschnittsprofil auf, wodurch sich der Mast besser zusammenrollen und entfalten lässt. Derartige entfaltbare Masten mit einem offenen Querschnittsprofil können dabei zu einem einlagigen Band aufgefaltet werden, wodurch sie sich wesentlich platzsparender auf dem Wickelkern aufrollen lassen.
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Im Gegensatz hierzu weisen entfaltbare Masten mit einem geschlossenen Querschnitt keine derartige axiale Schlitzung auf, wodurch sich grundsätzlich eine stabilere Struktur entfaltet, die allerdings nicht mehr einlagig auf den Wickelkern aufgerollt werden kann. Der radiale Platz um den Wickelkern rum beschränkt somit die Länge des aufgerollten Schalenmastes bei einem geschlossenen Querschnitt deutlich mehr als beim entfaltbaren Mast mit offenem Querschnittsprofil.
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Strukturell kritisch bei derartigen länglichen Hohlkörpern, die als entfaltbare Masten eingesetzt werden sollen, ist der Übergangsbereich zwischen dem noch aufgerollten Teil des Hohlkörpers einerseits und dem bereits voll entfalteten Abschnitt des Hohlkörpers andererseits. In diesem Übergangsbereich ist der Querschnitt des länglichen Hohlkörpers noch nicht voll entwickelt, wodurch sowohl die Steifigkeit als auch die Stabilität wesentlich herabgesetzt wird. In der Praxis wird daher der Übergangsbereich von außen mit weiteren stützenden Elementen, wie externen Formschalen oder externen Führungsrollen stabilisiert, um so die allgemein höheren Lasten während der Entfaltung im Übergangsbereich entsprechend abtragen zu können.
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Schalenmasten mit offenem Querschnittsprofil erlauben es, von außen durch Formschalen und von innen durch einen mit den äußeren Formschalen verbundenen Kern gestützt zu werden, da der Kern durch die seitliche Öffnung des Mastes nach außen hin befestigt werden kann. Dadurch wird das Profil des Mastes sehr gut gegen Verformung unter Belastung, wie das Ausbilden von Beulen, geschützt und im Übergangsbereich eingeschränkt. Somit ergibt sich eine erstrebenswerte Steifigkeit und Stabilität. Nachteilig an Masten mit offenem Profil ist jedoch die geringere Torsionssteifigkeit, insbesondere während des Entfaltungsvorgangs. Dadurch ist dieser Typ empfindlich gegenüber Biegedrillknicken, insbesondere bei schlanken langen Masten.
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Diesen Nachteil besitzen entfaltbare Masten mit geschlossenem Querschnittsprofil nicht, wodurch sie bei hohen Schlankheitsgraden in großen Längen strukturell deutlich effizienter sind. Von Nachteil ist jedoch, dass die Stützung des Übergangsbereiches weiter schwieriger ist, da eine Stützung durch Formschalen hier nur aufgrund des geschlossenen Querschnittsprofils von außen erfolgen kann. Dies führt dazu, dass sich durch Belastung bildende Verformungen ungehindert nach innen ausbilden können, wodurch die Steifigkeit als auch die Stabilität des Mastes im Übergangsbereich bis dahin herabgesetzt sein kann.
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Die Entfaltung der Masten durch den Entfaltungsmechanismus erfolgt dabei durch direktes Antreiben des Wickelkerns oder anderen speziellen Fördermechanismen, die an den Masten oder parallel aufgewickelten Zuggurten angreifen. Bei der Entfaltung werden die Masten zumeist direkt und tangential von dem Wickelkern abgewickelt, wodurch die Mastachse einen gewissen Abstand zur Wickelkernachse besitzt. Durch diesen Abstand wirken bei Verwendung mehrerer Masten mit einem gemeinsamen Wickelkern stets Biegemomente auf diese auch im Falle rein axial eingeleiteter Kräfte. Bei der Entwicklung entfaltbarer Systeme mit entfaltbaren Hohlkörpern werden Biegelastfälle jedoch möglichst vermieden und Axiallastfälle angestrebt, da sich so leichtere Strukturen realisieren lassen und Anforderungen an die Stützung der Mastwurzel verringert werden.
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Schließlich muss am Ende der Entfaltung eine Verriegelung des Wickelkerns und der Mastwurzel des jeweiligen Hohlkörpers durch zusätzliche Komponenten erfolgen, um eine steife und stabile mechanische Verbindung zum jeweils tragenden System zu erzeugen.
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Die primäre Anwendung derartiger aufrollbarer Hohlkörper bzw. Masten erfolgt bei Missionen mit besonders starken Volumenrestriktionen an das gestaute System. Dadurch besteht das Problem, dass nicht genügend Platz zur Verfügung steht, um die Komponenten funktionsoptimal zu gestalten. Zudem führen bei Systemen mit mehreren Masten pro Wickelkern die aus Axialkräften resultierenden zusätzlichen Biegebelastungen zu einem für die Masten ungünstigen Lastfall, was in einer starken Reduktion der strukturellen Effizienz des Gesamtsystems resultiert.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zum Entfalten von aufgerollten länglichen Hohlkörpern, insbesondere entfaltbaren Masten für die Raumfahrt, anzugeben, die auch bei einer starken Volumenbeschränkung für das Gesamtsystem eine hohe strukturelle Effizienz während und nach Abschluss der Entfaltung erzielt.
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Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Gemäß Anspruch 1 wird eine Vorrichtung zum Entfalten eines aufgerollten länglichen Hohlkörpers vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung gattungsgemäß mindestens einen länglichen Hohlkörper aufweist, der entweder ein geschlossenes oder ein offenes Querschnittsprofil hat. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Entfaltungsmechanik auf, die mindestens einen Wickelkern hat, auf dem der mindestens eine längliche Hohlkörper in einem ersten Zustand aufgerollt ist und der durch den mindestens einen länglichen Hohlkörper von dem aufgerollten ersten Zustand in einen abgerollten und entfalteten zweiten Zustand überführt.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird demzufolge unter einem länglichen Hohlkörper ein Bauteil, insbesondere ein mastförmiges Bauteil verstanden, das sowohl zu einem flachen Band umgeformt als auch einen stabilisierenden Querschnitt mit einem Hohlraum aufweisen kann. Demzufolge ist der längliche Hohlkörper auf einen Wickelkern aufrollbar, wodurch der längliche Hohlkörper zu einem flachen Band umgeformt wird, beispielsweise durch Auffalten bei offenem Querschnittsprofil oder durch Zusammendrücken bei einem geschlossenen Querschnittsprofil. Wird der längliche Hohlkörper dann in diesen flachen bandförmigen Zustand abgerollt, so entfaltet er sich und bildet demzufolge einen Hohlraum innerhalb des länglichen Hohlkörpers aus. Demzufolge wird auch der auf dem Wickelkern aufgewickelte und aufgerollte Körper als Hohlkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, da er mindestens in dem zweiten Zustand den entsprechenden Hohlraum aufweist.
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Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Arretierungseinrichtung auf, die den Wickelkern in eine Endposition arretiert, wenn der mindestens eine längliche Hohlkörper vollständig abgerollt und in seinen zweiten Zustand überführt ist. Diese Arretierungseinrichtung dient somit letztlich dazu, eine steife und stabile mechanische Verbindung zu erzeugen.
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Erfindungsgemäß weist die Arretierungseinrichtung mindestens einen Arretierungsarm auf, der gegenüber dem Wickelkern beweglich ausgeführt ist und mittels eines elastischen Federelementes in Richtung des Wickelkerns gedrückt wird, und wobei in der Mantelfläche des Wickelkerns mindestens eine Aussparung vorgesehen ist, in die der mindestens eine Arretierungsarm durch das elastische Federelement formschlüssig eingreift, wenn der mindestens eine längliche Hohlkörper von dem Wickelkern abgerollt und in seinen zweiten Zustand überführt ist, sodass der Wickelkern durch den mindestens einen Arretierungsarm in der Endposition formschlüssig arretiert wird.
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Hierdurch wird es möglich, die Entfaltungsmechanik in der Endposition fest zu arretieren und gleichzeitig entsprechende Zwangskräfte auf den oder die aufgerollten Hohlkörper auszuüben, um ein radiales Abrollen der aufgerollten Hohlkörper zu verhindern. Denn der Arretierungsarm, der mithilfe eines elastischen Federelementes in Richtung des Wickelkerns gedrückt wird, arretiert den Wickelkern nicht nur beim Erreichen der Endposition, sondern drückt auch bei den noch aufgerollten Hohlkörpern diese an den Wickelkern, sodass die noch auf dem Wickelkern aufgerollten Hohlkörper aufgrund des elastischen Federelementes sich nicht von selbst von diesem abwickeln können.
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Es können somit mithilfe des Arretierungsarmes zwei Funktionen integriert werden, nämlich die Aufbringen von Zwangskräften auf die noch aufgerollten Hohlkörper sowie die Arretierung in der Endposition nach der Entfaltung, wodurch derartige Entfaltungsmechaniken sehr robust und platzsparend sind und sich besonders gut für Anwendungen mit einer großen Volumenrestriktion eignen.
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Die Drehachse des Arretierungsarmes ist dabei parallel zu der Drehachse des Wickelkerns, sodass der Arretierungsarm aufgrund des elastischen Federelementes immer in Richtung Wickelkern gedrückt wird. Werden die Hohlkörper von dem Wickelkern abgerollt, so verringert sich der Durchmesser des Wickelkerns mit den aufgerollten Hohlkörpern kontinuierlich, wobei diese Verringerung des Durchmessers durch das elastische Federelement, mit dem der Arretierungsarm an den Wickelkern gedrückt wird, entgegengewirkt wird, und zwar solange, bis alle Hohlkörper von dem Wickelkern abgerollt und entfaltet sind und der Arretierungsarm in die entsprechend vorgesehene Aussparung in der Mantelfläche des Wickelkerns eingreift und diesen in der Endposition arretiert.
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Demzufolge wird der Arretierungsarm im aufgerollten ersten Zustand mithilfe des elastischen Federelementes in Richtung Wickelkern auf die noch aufgerollten Hohlkörper gedrückt und berührt diese kontinuierlich während des Entfaltungsvorgangs, bei dem der oder die länglichen Hohlkörper von dem aufgerollten ersten Zustand in den abgerollten und entfalteten zweiten Zustand überführt werden. Nachdem der letzte noch verbleibende Abschnitt der länglichen Hohlkörper von dem Wickelkern abgerollt wurde, berührt der Arretierungsarm die Manteloberfläche des Wickelkerns, da er kontinuierlich aufgrund des Federelementes in Richtung des Wickelkerns gedrückt wird. Dreht sich der Wickelkern nun noch ein Stück weiter, so greift der Arretierungsarm in die in der Mantelfläche des Wickelkerns vorgesehene Aussparung ein und arretiert formschlüssig die Drehbewegung des Wickelkerns in der vorgegebenen Endposition.
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Der Wickelkern ist insbesondere ein Kreiszylinder, dessen Querschnitt durch die in der Mantelfläche des Kreiszylinders vorgesehenen Aussparungen entsprechend deformiert ist.
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Der Arretierungsarm kann dabei beispielsweise ein längliches, gerades oder gebogenes Element sein, das an seiner der drehbaren Lagerung gegenüberliegenden Spitze den Wickelkern bzw. die darauf aufgerollten Hohlkörper kontaktiert und eine entsprechende Form hat, die in die in der Mantelfläche des Wickelkerns vorgesehenen Einsparungen passgenau einführbar ist.
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Die Vorrichtung kann dabei so ausgebildet sein, dass auf dem Wickelkern zwei, drei, vier oder mehr längliche Hohlkörper in einen jeweils ersten Zustand aufgerollt oder aufrollbar sind, wobei durch Drehen des Wickelkerns alle länglichen Hohlkörper von dem ersten Zustand in den jeweils abgerollten und entfalteten zweiten Zustand überführbar sind. Aufgrund der Tatsache, dass alle länglichen Hohlkörper an einer Wurzelseite an dem Wickelkern befestigt sind, wird beim Aufrollen der länglichen Hohlkörper, d.h. durch Drehen des Wickelkerns entgegengesetzt der Drehrichtung zum Entfalten der länglichen Hohlkörper, jeder längliche Hohlkörper über den jeweils nachfolgenden Hohlkörper abgelegt, sodass alle länglichen Hohlkörper in Art einer Schnecke auf den Wickelkern aufgerollt werden.
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Die Entfaltungsmechanik weist in der Regel eine von dem Wickelkern beabstandet angeordnete Führungseinrichtung für jeden länglichen Hohlkörper auf, durch den der jeweilige längliche Hohlkörper in die vorgegebene Entfaltungsrichtung entfaltet und von der Entfaltungsmechanik wegbewegt wird. Diese Führungseinrichtung erzeugt gewünschte Zwangskräfte, durch die beim Aufrollen der länglichen Hohlkörper diese immer an einer vorgegebenen tangentialen Position auf den Wickelkern aufgewickelt werden. Gleichzeitig werden durch diese Führungseinrichtungen, beispielsweise Führungsschienen oder Hülsen oder Schalen mit entsprechendem Querschnitt des Hohlkörpers, erreicht, dass sich beim Abrollen und Entfalten des jeweiligen Hohlkörpers durch Drehen des Wickelkerns sich der jeweilige Hohlkörper in die vorgegebene Richtung erstreckt. Wie noch später erklärt wird, kann es hierbei vorteilhaft sein, wenn der Arretierungsarm drehbar an einer solchen Führungseinrichtung eines jeweiligen Hohlkörpers angeordnet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Arretierungseinrichtung zwei, drei, vier oder mehr Arretierungsarme auf, wobei in der Mantelfläche des Wickelkerns mindestens genauso viele Aussparungen vorgesehen sind, wie Arretierungsarme vorhanden sind. Jeder der Arretierungsarme greift dabei in eine entsprechende Aussparung ein, wenn der mindestens eine längliche Hohlkörper von dem Wickelkern abgerollt und in seinen zweiten Zustand überführt ist, sodass der Wickelkern durch die jeweiligen Arretierungsarme in der Endposition formschlüssig arretiert wird.
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Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn genauso viele Arretierungsarme vorhanden sind, wie längliche Hohlkörper auf dem Wickelkern aufgerollt sind, wobei jeder Arretierungsarm im aufgerollten ersten Zustand der länglichen Hohlkörper jeweils einen der länglichen Hohlkörper kontaktiert, wobei die Arretierungsarme jeweils verschiedene längliche Hohlkörper kontaktieren. Sind beispielsweise vier längliche Hohlkörper auf dem Wickelkern aufgerollt, so weist die Arretierungseinrichtung bevorzugter Weise auch vier Arretierungsarme auf, wobei die Mantelfläche des Wickelkerns insgesamt vier Aussparungen hat. Der erste Arretierungsarm kontaktiert dabei im aufgerollten ersten Zustand den ersten länglichen Hohlkörper, während der zweite Arretierungsarm einen zweiten länglichen Hohlkörper kontaktiert, während der dritte Arretierungsarm ein jeweils dritten länglichen Hohlkörper und der vierte Arretierungsarm ein jeweils vierten länglichen Hohlkörper kontaktiert. Nach dem Abrollen aller länglichen Hohlkörper greifen alle vier Arretierungsarme dann in die jeweilige Aussparung in der Mantelfläche des Wickelkerns ein und arretieren so zusammen den Wickelkern in seiner vorliegenden Endposition.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die mindestens eine Aussparung eine erste Seitenwand und eine der ersten Seitenwand gegenüberliegende zweite Seitenwand auf, wobei die Seitenwände eine radiale Begrenzung der in den Wickelkern vorhandenen Vertiefung der Aussparung bilden. Die Seitenwände erstrecken sich somit von der äußeren Mantelfläche in Richtung inneren Wickelkern, müssen dabei jedoch nicht zwangsläufig direkt in Richtung Mittelpunkt des Wickelkerns zeigen.
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Zwischen den beiden Seitenwänden greift nun der jeweilige Arretierungsarm ein, wenn der mindestens eine längliche Hohlkörper von dem Wickelkern abgerollt und in seinen zweiten Zustand überführt ist, wobei vorteilhafterweise die zweite Seitenwand in Drehrichtung gekrümmt ist, sodass der jeweilige Arretierungsarm an die die zweite gekrümmten Seitenwand in die arretierende Endposition mittels einer Drehbewegung des Wickelkerns entlang geführt wird. Hierdurch wird das Einführen des Arretierungsarmes in die Aussparung in den Wickelkern vereinfacht, wobei bevorzugter Weise dann der Arretierungsarm an der gegenüberliegenden ersten Seite formschlüssig anschlägt und so den Wickelkern in der Endposition arretiert.
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Demzufolge ist in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass sich die Seitenwände ausgehend von der Mantelfläche hin in Richtung inneren Wickelkern aufeinander zubewegen und so die Aussparung ausgehend von der Mantelfläche in Richtung inneren Wickelkern verjüngt. Hierdurch kann der Arretierungsarm sanft aufgrund der Krümmung der zweiten Seitenwand in die Aussparung eingeführt werden und schließlich am Grund der Aussparung formschlüssig in diese eingreifen.
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Vorteilhafterweise ist dabei die erste Seitenwand gerade ausgebildet und weist keine Krümmung auf, sodass der Arretierungsarm vier entsprechend anschlagen kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann aber auch vorgesehen sein, dass die erste Seitenwand eine Form hat, die der Form des Arretierungsarmes entspricht, sodass ein solcher Arretierungsarm dann in der arretierenden Endposition formschlüssig und vollflächig an der ersten Seitenwand anliegt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine längliche Hohlkörper an einer Wurzelseite bzw. einem Wurzelbereich in der mindestens einen Einsparung befestigt, wobei vorzugsweise alle länglichen Hohlkörper in einer der Aussparungen befestigt ist. Dabei kann ganz besonders vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der mindestens eine längliche Hohlkörper an der Wurzelseite in einem Grundbereich der Aussparung befestigt ist.
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Hierdurch kann erreicht werden, dass der Abstand zwischen der Achse des Wickelkerns einerseits und der Befestigung des jeweiligen länglichen Hohlkörpers an dem Wickelkern andererseits verringert wird und insbesondere kleiner wird als der Radius des Wickelkerns, wodurch aus Axialkräften entstehende Biegemomente signifikant verringert werden. Da in der Regel die Achse des Wickelkerns das kraftübertragende Element für derartige Axialkräfte darstellt, kann durch die Verringung des Abstandes die entstehenden Biegemomente reduziert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist jeder der länglichen Hohlkörper jeweils eine Stützeinrichtung auf, die auch zusammen mit der bereits beschriebenen Führungseinrichtung zusammenwirkend sein kann. Die Stützeinrichtung weist dabei eine längliche Stützschale auf, die beabstandet zu dem Wickelkern drehbar angeordnet ist und sich in axiale Richtung bzgl. des länglichen Hohlkörpers zu dem Wickelkern hin erstreckt. Die Stützschale bildet dabei gleichzeitig den jeweiligen Arretierungsarm und greift in die entsprechende Aussparung in der Mantelfläche des Wickelkerns ein, wenn der jeweilige längliche Hohlkörper von dem Wickelkern abgerollt und in seinen zweiten Zustand überführt ist, sodass der Wickelkern durch die jeweilige Stützschale als Arretierungsarm in die Endposition formschlüssig arretiert wird.
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Die Stützschale der Stützeinrichtung dient dabei dazu, den sich entfaltenden Mast im bereits angesprochenen Übergangsbereich zu stützen, da in diesem Übergangsbereich der längliche Hohlkörper noch nicht sein endgültiges Querschnittsprofil ausgebildet hat und demzufolge auch noch nicht seine Endstabilität erreicht hat. Die Stützschale dient dabei insbesondere dazu, die Biegemomente, die sich aus den beim Entfalten des länglichen Hohlkörpers wirkenden Axialkräfte ergeben, aufzunehmen und so gerade in dem noch strukturell schwachen Übergangsbereich des länglichen Hohlkörpers ein Abknicken, Beulen oder Eindrücken des länglichen Hohlkörpers zu vermeiden.
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Wird der Arretierungsarm in Form einer Stützschale ausgebildet, die an einer Innenseite eine Negativform eines Teils des länglichen Hohlkörpers im Übergangsbereich nachbildet, so kann durch eine solche Konstruktion eine weitere Funktionsintegration, nämlich die Stützung des Übergangsbereiches, mit nur einer einzigen Mechanik realisiert werden, da mithilfe der Stützschale als Arretierungsarm Zwangskräfte auf die noch aufgerollten länglichen Hohlkörper aufgebracht werden können, der Übergangsbereich beim Entfalten entsprechend gestützt und das Gesamtsystem dann in einer Endposition mithilfe der Aussparungen im Wickelkern arretiert werden kann.
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Die Stützschalen können dabei an einer vorgesehenen Führungseinrichtung angeordnet sein, wobei die Führungseinrichtung wiederum drehbar gelagert und der sich entfaltende längliche Hohlkörper zwingend aufgrund der Führungseinrichtung an der Führungsschale entlanggeführt wird.
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Das elastische Federelement übt dabei ein Drehmoment auf die jeweilige Stützschale in Richtung des Wickelkerns aus.
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Die jeweilige Stützschale kann dabei den länglichen Hohlkörper zumindest abschnittsweise vollständig umschließen und bildet so neben einer reinen stützenden Funktion auch eine führende Funktion aus.
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Die Stützeinrichtung kann des Weiteren ein innenliegendes Stützelement haben, das in einem Hohlraum innerhalb des länglichen Körpers angeordnet ist und zumindest teilweise an der Innenwandung des länglichen Hohlkörpers anliegt, und ein äußeres Fixierelement aufweisen, das im Bereich des innenliegenden Stützelementes außerhalb des länglichen Hohlkörpers angeordnet ist, so dass zwischen dem äußeren Fixierelement und dem innenliegenden Stützelement der längliche Hohlkörper hindurchführbar ist, wobei das innenliegende Stützelement mit dem äußeren Fixierelement in axialer Richtung form- und kraftschlüssig zur axialen Positionsfixierung des innenliegenden Stützelementes zusammenwirkt, ohne direkt mechanisch mit diesem verbunden zu sein. Hierdurch kann von innen heraus der längliche Hohlkörper gestützt werden, ohne dass das innenliegende Stützelement direkt mechanisch mit dem äußeren Fixierelement verbunden ist. Hiermit lassen sich insbesondere auch längliche Hohlkörper mit einem geschlossenen Querschnittsprofil von innen heraus stützen, wobei das innenliegende Stützelement aufgrund des Kraft- und/oder Formschlusses mit dem äußeren Fixierelement an seiner axialen Position fixiert wird. Dadurch kann insbesondere der längliche Hohlkörper in einen Übergangsbereich von innen heraus gestützt werden, wo sich die spätere Querschnittsform noch nicht vollständig ausgebildet hat.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Stützeinrichtung mindestens eine Formschlussmechanik auf, die jeweils mindestens zwei Formschlusselemente aufweist, wobei das erste Formschlusselement an dem Stützelement und das zweite Formschlusselement an dem Fixierelement angeordnet ist, so dass zwischen dem ersten und dem zweiten Formschlusselement der längliche Hohlkörper hindurchführbar ist, wobei das erste Formschlusselement mit dem zweiten Formschlusselement in axialer Richtung des länglichen Hohlkörpers einen Formschluss bildet.
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Durch diesen Formschluss wird der längliche Hohlkörper im Bereich des Stützelementes und Fixierelementes leicht eingedrückt, wobei er durch das formschlüssige Zusammenspiel der beiden Formschlusselemente axial in seiner Position gehalten wird.
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Die Formschlusselemente können dabei rollenförmig ausgebildet sein. Denkbar ist aber auch, dass die Formschlusselemente Gleitelemente sind, die zumindest abschnittsweise eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, mit der sie mit dem länglichen Hohlkörper kontaktieren.
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Dabei kann ein drittes Formschlusselement vorgesehen sein, das entweder an dem Stützelement angeordnet ist und formschlüssig in Art des ersten Formschlusselementes mit dem zweiten Formschlusselement zusammenwirkt oder das an dem Fixierelement angeordnet ist und formschlüssig in Art des zweiten Formschlusselementes mit dem ersten Formschlusselement zusammenwirkt.
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Denkbar ist auch, dass die Stützeinrichtung eine Mehrzahl von derartigen Formschlussmechaniken hat, die jeweils mindestens zwei Formschlusselemente aufweisen.
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Dabei können mindestens zwei der Formschlussmechaniken derart angeordnet sein, dass die Ebene der Kontaktfläche der Formschlusselemente der ersten Formschlussmechanik unter einem Winkel kleiner als 180° zu der Ebene der Kontaktflächen der Formschlusselemente der zweiten Formschlussmechanik verlaufen.
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Denkbar ist allerdings auch, dass die Ebenen parallel verlaufen.
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Des Weiteren ist es denkbar, dass das innenliegende Stützelement eine Gleitfläche aufweist, an der die Innenwandung des länglichen Hohlkörpers beim Überführen des länglichen Hohlkörpers von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zur Formstabilisierung entlanggleitet. Die Gleitfläche kann dabei in Entfaltungsrichtung konisch geformt sein.
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Des Weiteren kann das innenliegende Stützelement ein oder mehrere Stützrollen bzw. Stützgleiter haben, die mit der Innenwandung des länglichen Hohlkörpers beim Überführen des länglichen Hohlkörpers von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zur Formstabilisierung kontaktieren. Dabei können auch Gegenrollen bzw. Gegengleiter an dem Fixierelement vorgesehen sein, die so angeordnet sind, dass zwischen einer Stützrolle/Stützgleiter und einer Gegenrolle/Gegenleiter das Fixierelement des länglichen Hohlkörpers kontaktbehaftet hindurchführbar ist, ohne dass ein Formschluss gebildet wird.
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Der oder die länglichen Hohlkörper können dabei aus einem Faserverbundwerkstoff, aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, hergestellt sein. Denkbar ist aber auch, dass der längliche Hohlkörper aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist.
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Vorteilhafterweise sind dabei alle Komponenten der Vorrichtung, d.h. die Entfaltungsmechanik mit dem Wickelkern sowie die Arretierungseinrichtung, an einer festen Tragstruktur angeordnet und so relativ zueinander unbeweglich, mit Ausnahme des drehbar gelagerten Arretierungsarmes. Allerdings ist auch hier die Drehachse des Arretierungsarmes relativ zu der Drehachse des Wickelkerns unbeweglich.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1a, 1b) - perspektivische Darstellung der Vorrichtung mit Entfaltungsmechanismus;
- 2 - Querschnittdarstellung eines Wickelkerns;
- 3a), 3b) - Draufsicht auf den Entfaltungsmechanismus in zwei Zuständen;
- 4a), 4b), 4c) - Vereinfachte Darstellung des Verriegelungsvorgang.
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In der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird von einer Vorrichtung ausgegangen, mit der sich insgesamt vier längliche Hohlkörper in Form von entfaltbaren Masten von einem aufgerollten ersten Zustand in einen entfalteten zweiten Zustand bringen lassen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anzahl von vier entfaltbaren Masten beschränkt. Vielmehr ist der erfindungsgemäße Mechanismus separat und einzeln auf jeden einzelnen länglichen Hohlkörper anzuwenden, sodass das dargestellte Wirkprinzip auch auf einen, zwei, drei oder mehr als vier Masten angewendet werden kann.
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1a) zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Vorrichtung 10, die einen Entfaltungsmechanismus 11 hat. Die Vorrichtung 10 weist hierfür eine Tragstruktur 12 auf, an der der entsprechende Entfaltungsmechanismus 11 angeordnet ist. Für eine bessere Darstellung des Entfaltungsmechanismus 11 sind in 1b) einige Teile der Tragstruktur 12 nicht gezeigt.
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An der Tragstruktur 11 ist ein drehbar gelagerter Wickelkern 13 vorgesehen, auf dessen Mantelfläche 14 die vier länglichen Hohlkörper 15, genau 15a), 15b), 15c), 15d) die gemeinsam als 15 bezeichnet werden, fest angeordnet und in einem nicht dargestellten aufgerollten ersten Zustand auf dieser Mantelfläche 14 aufgerollt. Die 1a) und 1b) zeigen dabei den abgerollten und entfalteten zweiten Zustand der länglichen Hohlkörper 15, die von dem Wickelkern 13 abgewickelt bzw. abgerollt und wobei der Wickelkern 13, wie später noch gezeigt wird, in seiner Endposition formschlüssig arretiert ist.
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Für jeden der einzelnen länglichen Hohlkörper 15 ist dabei eine Führungseinrichtung 16 vorgesehen, genauer Führungseinrichtung 16a für den länglichen Hohlkörper 15a usw, die in Form einer schalenförmigen Hülse so ausgebildet ist, dass der jeweilige längliche Hohlkörper 15 durch einen Innendurchgang der Führungseinrichtung 16 hindurchführbar ist. Die Innenwandung der Führungseinrichtung 16 weist dabei eine Form auf, die der äußeren Form des jeweiligen sich entfaltenden länglichen Hohlkörpers 15 an dieser Position entspricht. Im Ausführungsbeispiel der 1a) und 1b) sowie auch in den nachfolgenden Darstellungen sind die Führungseinrichtungen dabei in einem Eckbereich der Tragstruktur 12 angeordnet und sollen dabei insbesondere bewirken, dass die länglichen Hohlkörper 15 in ihre vorgegebene und bestimmungsgemäße Entfaltungsrichtung abgerollt werden.
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An diesen schalenförmigen Führungseinrichtungen 16 schließt sich dabei jeweils ein Stützelement 17 an, das sich von der Führungseinrichtung 16 in Richtung des Wickelkerns 13 länglich erstreckt und schalenförmig ausgebildet ist. Dieses Stützelement 17 kann dabei durch Rollen, Walzen oder Gleitelemente unterstützt werden.
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Dieses Stützelement 17, das an der jeweiligen Führungseinrichtung 16 angeordnet ist, hat dabei im Wesentlichen drei Hauptaufgaben. Als erstes soll durch das Stützelement 17 der sich entfaltende längliche Hohlkörper 15 in dem Übergangsbereich zwischen dem Wickelkern 13 und Führungseinrichtung 16 gestützt werden, sodass insbesondere laterale Kräfte und Biegemomente, die in diesem Übergangsbereich aufgrund von eingeleiteten Kräften auf den jeweiligen länglichen Hohlkörper 15 wirken, abgetragen werden können.
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Des Weiteren dient das Stützelement 17 als Verriegelungsarm bzw. Arretierungsarm einer Art Arretierungseinrichtung, um den Wickelkern 13 in einer Endposition formschlüssig zu arretieren. Hierfür greift das freie Ende des Stützelementes 17 in Aussparungen des Wickelkerns 13 ein, wie in 1b) gezeigt ist, und arretiert diesen in seine Endposition formschlüssig.
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Schließlich soll mithilfe des Stützelementes 17 entsprechende Zwangskräfte auf die aufgerollten Hohlkörper in Richtung Wickelkern ausgeübt werden, damit diese sich nicht innerhalb der Tragstruktur 12 unfreiwillig abrollen. Hierfür ist die Führungseinrichtung 16, an der das Stützelement 17 angeordnet ist, mittels eines Drehlagers drehbar an der Tragstruktur 12 angeordnet, sodass mithilfe eines nicht dargestellten Federelementes das Stützelement 17 in Richtung Wickelkern 13 gedrückt werden kann.
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Da die Führungseinrichtung 16 drehbar gelagert ist, ist demzufolge auch das Stützelement 17 drehbar gelagert. Demzufolge bilden das Stützelement 17 und die drehbar gelagerte Führungseinrichtung 16 einen drehbar gelagerten Arretierungsarm im Sinne der vorliegenden Erfindung. Selbstverständlich ist es ebenfalls denkbar, dass das Stützelement 17 ohne die Führungseinrichtung 16 existiert und drehbar insbesondere an der Tragstruktur 12 angeordnet ist, so dass das Stützelement 17 alleine den Arretierungsarm bildet. Für den Erfolg der technischen Lehre ist es darüber hinaus vorteilhaft, aber nicht entscheidend, wenn die Führungseinrichtung vorhanden ist und wenn die Führungseinrichtung 16 vollständig den länglichen Hohlkörper umschließt.
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2 zeigt eine Draufsicht auf den Wickelkern 13 mit seiner durch die Aussparungen 19 unterbrochenen Mantelfläche 14. Der Wickelkern 13 ist dabei um eine Achse 20 drehbar gelagert und wird zum Abrollen meist durch einen nicht dargestellten Elektromotor oder Servomotor angetrieben. Denkbar ist aber auch ein Antriebsstrang, bei dem der Wickelkern 13 nicht direkt angetrieben wird, sondern ein zusätzliches Zugband vorgesehen ist, mit dem der Wickelkern gedreht bzw. gerollt wird.
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Der Wickelkern 13 weist dabei so viele Aussparungen 19 auf, wie längliche Hohlkörper aufgewickelt werden sollen. Da in den Ausführungsbeispielen insgesamt vier aufrollbare Hohlkörper entfaltbar sind, weist der hier dargestellte Wickelkern 13 auch vier Aussparungen 19a) bis 19d) auf (entsprechend korrespondierend zu den länglichen Hohlkörpern 15a) bis 15d) und den Stützelementen bzw. Arretierungsarmen 17a) bis 17d)).
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Wird der Wickelkern 13 nun in Drehrichtung R1 gedreht, so werden die auf dem Wickelkern 13 aufgerollten länglichen Hohlkörper abgerollt. Sind alle Hohlkörper 15 abgerollt, so greift das jeweilige Stützelement in seine jeweilige Aussparung 19 ein und arretiert somit den Wickelkern 13 in seine Endposition.
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Um ein einfaches Einführen des Stützelementes 17 in Form eines Arretierungsarmes in die jeweilige Aussparung 19 einführen zu können, sind die Aussparungen 19 so ausgebildet, dass sie sich ausgehend von der Mantelfläche 14 in Richtung Inneres des Wickelkerns 13 verjüngen. So weist jede Aussparung eine erste Seitenwand 21a) und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand 21b) auf, die in der Darstellung der 1 aus der Betrachtungsebene herausragen würden. Die zweite Seitenwand 21b) liegt dabei in Abwickelrichtung R1 und weist eine gekrümmte Oberfläche auf, sodass sich die Aussparung 19 in Richtung des Wickelkerns bzw. in Richtung der Achse 20 verjüngt.
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Liegt nun das jeweilige Stützelement 17 an der Mantelfläche 14 des Wickelkerns 13 an, so gleitet es aufgrund der Krümmung der zweiten Seitenwand 21b in die entsprechende Aussparung 19 hinein, bis es an der gegenüberliegenden ersten Seitenwand 21a anschlägt und so in der jeweiligen Aussparung formschlüssig eingreift. Das jeweilige Stützelement 17, das in die jeweilige Aussparung 19 arretierend eingreifen soll, ist dabei mindestens so lang, dass es in der jeweiligen Aussparung 19 derart formschlüssig eingreift, dass sich der Wickelkern 13 nicht weiter in Richtung R1 drehen kann.
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Nicht dargestellt in 2, was jedoch hier schon erwähnt werden sollte, ist die Tatsache, dass die einzelnen länglichen Hohlkörper 15 in den jeweiligen Aussparungen 19, so tief wie möglich, fest an dem Wickelkern 13 angeordnet sind, wodurch sich in der arretierten Endposition eine Verringerung des Abstandes der Befestigung der länglichen Hohlkörper 15 in Bezug zur Drehachse 20 ergibt. Hierdurch können die aufgrund von Axialkräften induzierten Biegemomente am Mastfuß verringert werden.
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In den 3a und 3b ist dabei die Position der länglichen Hohlkörper 15 sowie der Stützelemente 17 unmittelbar vor und nach der Arretierung in der Endposition zu erkennen. Wie in 3a zu erkennen ist, sind die länglichen Hohlkörper 15 allesamt von der Mantelfläche 14 abgerollt, sodass nunmehr die Arretierung des Wickelkerns 13 erfolgen kann. Zu erkennen in 3a ist dabei das Wirkprinzip der Stützelemente 17, die den jeweiligen länglichen Hohlkörper 15 innerhalb des Entfaltungsmechanismus 11 stützen. Ausgehend von der 3a dreht sich der Wickelkern nunmehr noch ein Stück weiter, wobei aufgrund der gekrümmten Seitenwand 21b der jeweiligen Aussparungen 19 das jeweilige Stützelement 17 in die jeweilige Aussparung 19 hineingleitet und dann, wie in 3b zu erkennen ist, formschlüssig in dieser jeweiligen Aussparung arretiert. Ein Weiterdrehen des Wickelkerns 13 ist dann nicht mehr möglich. Gleichzeitig wird der Mastfuß bzw. die Mastwurzel des länglichen Hohlkörpers im Übergangsbereich weiterhin durch das Stützelement 17 gestützt, sodass die hier auftretenden Kräfte nicht zu einer Beschädigung des noch nicht voll entfalteten länglichen Hohlkörpers führen. Denn aufgrund des noch nicht voll entfalteten Querschnitts kann in diesem Bereich, der durch das Stützelement 15 gestützt wird, die auftretenden Kräfte noch nicht voll abgetragen werden. Damit erfüllt das Stützelement 17 in der arretierten Endposition zweierlei Aufgaben, nämlich zum einen die Arretierung des Wickelkerns 13 und die Stützung der jeweiligen länglichen Hohlkörper im Übergangsbereich, d.h. im Mastfuß bzw. Wurzelbereich.
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Des Weiteren lässt sich aus den 3a und 3b die weitere Funktion der Stützelemente 17 ableiten, nämlich das Aufbringen von Zwangskräften im aufgerollten Zustand der länglichen Hohlkörper 15. Sind diese länglichen Hohlkörper 15 noch nicht entfaltet und auf dem Wickelkern 13 noch aufgerollt, so drückt das jeweilige Stützelement 17 den jeweiligen länglichen Hohlkörper auf den Wickelkern 13, wodurch verhindert wird, dass sich die länglichen Hohlkörper 15 in radialer Richtung nach außen abrollen. Dadurch werden die länglichen Hohlkörper 15 fest und kompakt innerhalb des Entfaltungsmechanismus 11 gehalten.
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In den 4a, 4b und 4c ist noch einmal ausführlich das Einschwenken und Arretieren der Stützelemente 17 zu erkennen, wobei in der Darstellung der 4 auf die Abbildung der länglichen Hohlkörper verzichtet wurde. Aufgrund der gekrümmten Seitenwand 21b werden die Spitzen der Stützelemente 17 nach dem vollständigen Abrollen aller länglichen Hohlkörper in die jeweilige Aussparung zwangsgeführt und werden so zwangsläufig in die jeweilige Aussparung eingeschwenkt. Dort greifen sie formschlüssig ein und arretieren den Wickelkern 13 an seiner vorgegebenen Endposition.
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Bezugszeichenliste
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- 10 -
- Vorrichtung
- 11 -
- Entfaltungsmechanismus
- 12 -
- Tragstruktur
- 13 -
- Wickelkern
- 14 -
- Mantelfläche
- 15 -
- längliche Hohlkörper
- 16 -
- Führungseinrichtung
- 17 -
- Stützelement
- 18 -
- Drehlager
- 19 -
- Aussparungen
- 20 -
- Achse des Wickelkerns
- 21a -
- erste Seitenwand
- 21b -
- zweite Seitenwand
