DE10358308B4

DE10358308B4 - Holhlkammerrohr

Info

Publication number: DE10358308B4
Application number: DE2003158308
Authority: DE
Inventors: Uwe Seidel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: DE10358308A1; WO2005057069A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hohlkammerrohr, welches als Leichtbaukörper doppel- oder auch mehrwandig ausgebildet ist und zwischen seinem Außen- und Innenmantel als Stützkonstruktion in Längsrichtung des Rohres rippenartige, gerade Verstrebungen nach der Art eines Fachwerkes enthält. Durch Biegesteifigkeit und Zerreißfestigkeit bei gleichzeitig geringem Eigengewicht ist das erfindungsgemäße Hohlkammerrohr insbesondere auch als Rahmenrohr für Fahrräder, Erzeugnisse der Kfz-, Luft- und Raumfahrttechnik geeignet.The invention relates to a hollow chamber tube, which is designed as a lightweight body double or multi-walled and contains between its outer and inner shells as a support structure in the longitudinal direction of the tube rib-like, straight struts after the manner of a truss. By bending stiffness and tensile strength at the same time low weight, the hollow chamber tube according to the invention is particularly suitable as a frame tube for bicycles, products of automotive, aerospace technology.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hohlkammerrohr, das insbesondere anwendbar ist als Trägerrohr für Rahmenteile bei Fahrrädern, für Erzeugnisse der KfZ-, Luft- und Raumfahrttechnik sowie als Leitungsrohr zum Transport von flüssigen oder gasförmigen Stoffen. Es zeichnet sich vor allem durch sein geringes Gewicht und seine hervorragende Stabilität unter hohen mechanischen Belastungen aus. Hohlrohre, z. T. auch in mehrwandigen Ausführungen, sind allgemein bekannt und werden beispielsweise im Fahrzeugbau oder im Bauwesen, aber auch für die Anfertigung von Fahrradrahmen seit langem verwendet. Sie besitzen ein vergleichsweise geringes Eigengewicht und weisen zumeist eine große Widerstandsfähigkeit , wie hohe Festigkeit und Steifigkeit gegenüber mechanischen Belastungen auf. Trotzdem sind Metallrohre von geeigneter gleichmäßiger Wandstärke und vorzugsweise rundem oder ovalem Querschnitt, z. B. für Fahrradrahmen, noch immer zu schwer, um den von den Anwendern – hier den Sportgeräteherstellern – gestellten Forderungen an die Rohrstabilität bei vergleichsweise geringem Rohrgewicht ausreichend entsprechen zu können. Verringert man aber zur Gewichtsverminderung die Wanddicke des Rohres, kann oftmals die Bruchsicherheit und die Formstabilität bei den mitunter extremen Stoßbelastungen und anderen Krafteinwirkungen nicht mehr in ausreichendem Maße gewährleistet werden. Durch viele unterschiedliche Maßnahmen wurde deshalb mit mehr oder weniger großem Erfolg versucht, die mechanische Stabilität derartiger Rohrkonstruktionen günstig zu beeinflussen. So beschreibt die Patentschrift US 4513986 einen Rohrrahmen mit Längsrippen zur Versteifung und anderen strukturellen Elementen, um den auf das Zweirad einwirkenden unterschiedlichen Kräften wirksam begegnen zu können. Ebenso schlägt die Offenlegungsschrift DE 19755925 A1 Maßnahmen vor, bei denen zur Verbesserung der Zug- oder Druckbelastbarkeit sowie der Torsionssteifigkeit die Rohrwände ein spezielles Profil erhalten. Zur Gewichtsverminderung werden seit langem auch konifizierte Rohre eingesetzt, wie sie beispielsweise die Patentschrift US 5842712 beschreibt, wobei die Lösung zusätzlich noch eine Formveränderung des Rohrquerschnittes vornimmt. Jedoch lassen sich selbst mit diesen Maßnahmen Rahmenbrüche nicht gänzlich vermeiden, sofern diesem Mangel nicht durch erhöhte Rohrwandstärke mit den damit verbundenen Gewichtserhöhungen wieder entgegengewirkt wird. Die Offenlegungsschrift DE 19629740 A1 offenbart hierzu eine Lösungsvariante, bei der die Wandstärken entlang der Längserstreckung des Rohres den jeweils am Rohrkörper auftretenden mechanischen Belastungen entsprechend verschieden dimensioniert werden, wobei die Wandstärkenänderungen zwecks Vermeidung innerer Materialspannungen im wesentlichen im stetigen Übergang vorgenommen werden. Zusätzliche Versteifungen der Rahmenteile an hochbeanspruchten Rohrabschnitten, wie dem Tretlager, dem Lenkkopf oder der Sattelstütze sowie den Verbindungsstellen der einzelnen Rahmenelemente, sind auch Gegenstand der in der Offenlegungsschrift DE 10128796 A1 und der Gebrauchsmusterschrift DE 29604730 U1 beschriebenen Rahmenkonstruktionen für Zweiräder. Diese Maßnahmen sollen helfen, die dynamische Dauerfestigkeit entscheidend zu verbessern.The invention relates to a hollow chamber tube, which is particularly applicable as a carrier tube for frame parts in bicycles, for products of the automotive, aerospace technology and as a conduit for the transport of liquid or gaseous substances. It is characterized mainly by its low weight and excellent stability under high mechanical loads. Hollow pipes, z. T. in multi-walled versions, are well known and are used for example in vehicle or construction, but also for the production of bicycle frames for a long time. They have a relatively low weight and usually have a high resistance, such as high strength and rigidity against mechanical loads. Nevertheless, metal pipes of suitable uniform wall thickness and preferably round or oval cross-section, z. As for bicycle frame, still too heavy to the users - here the sports equipment manufacturers - made demands on the tube stability at relatively low pipe weight sufficiently. If, however, the wall thickness of the pipe is reduced in order to reduce weight, it is often no longer possible to sufficiently ensure the resistance to breakage and the dimensional stability of the sometimes extreme impact loads and other forces. By many different measures was therefore tried with more or less great success to influence the mechanical stability of such pipe structures low. This is how the patent describes US 4513986 a tubular frame with longitudinal ribs for stiffening and other structural elements to effectively counteract the forces acting on the bicycle different forces. Likewise, the publication proposes DE 19755925 A1 Measures in which to improve the tensile or compressive strength and the torsional rigidity of the pipe walls get a special profile. To reduce weight for a long time butted tubes are used, as for example the patent US 5842712 describes, wherein the solution additionally makes a change in shape of the pipe cross-section. However, even with these measures, frame fractures can not be completely avoided, unless this deficiency is counteracted by increased pipe wall thickness with the associated weight increases again. The publication DE 19629740 A1 discloses a solution variant in which the wall thickness along the longitudinal extent of the tube corresponding to the respective mechanical loads occurring on the tubular body are dimensioned differently, the changes in wall thickness in order to avoid internal material stresses are made essentially in a continuous transition. Additional stiffening of the frame parts on highly stressed pipe sections, such as the bottom bracket, the steering head or the seat post and the connection points of the individual frame elements, are also the subject of laid open in the publication DE 10128796 A1 and the utility model DE 29604730 U1 described frame structures for two-wheelers. These measures should help to decisively improve the dynamic fatigue strength.

Als Rohrmaterialien sind heute wegen ihres geringen Gewichtes aber auch Leichtmetalle, wie Aluminium und Magnesium und deren Leichtmetalllegierungen, Titanlegierungen (Offenlegungsschrift DE 29604730 U1 ) oder mit Karbon- bzw. Glasfasern verstärkte Kunststoffe (Offenlegungsschrift DE 3782940 T2 und DE 19533111 A1 ) insbesondere für Fahrräder im Sportbike-Bereich, allgemein üblich. Und dennoch stellen die bislang gebräuchlichen Rohrkonstruktionen vor allem hinsichtlich ihres Eigengewichts, der hohen Materialpreise oder von deren mechanischer Belastbarkeit noch keine allgemein zufriedenstellende Lösung dar. Bekannt geworden sind weiterhin Ausführungen für Rohrleitungen auch in der Form von Doppelrohren für den Wärmetransport bzw. den Wärmeaustausch, bei denen, wie in DE 8631085 U1 beschrieben, vier diametral gegenüberliegende, das Außen– mit dem Innenrohr verbindende Stege die beiden Rohre gegenseitig abstützen. Ein derartiges Mehrfachrohr offenbart ferner die österreichische Patentschrift AT 363284 . Es soll sich durch eine hohe Stabilität und Wandsteifigkeit auszeichnen. Vor allem für Wärmerohrleitungssysteme konzipiert, ist es aber als Trägerelement unter Verwendung von Leichtmaterialien kaum geeignet.As tube materials are today because of their low weight but also light metals, such as aluminum and magnesium and their light metal alloys, titanium alloys (Offenlegungsschrift DE 29604730 U1 ) or reinforced with carbon or glass fibers plastics (Offenlegungsschrift DE 3782940 T2 and DE 19533111 A1 ) especially for bicycles in the Sportbike area, common practice. And yet, the previously used pipe constructions, especially in terms of their own weight, the high material prices or their mechanical strength is still not a generally satisfactory solution. Also known have become designs for pipes in the form of double tubes for heat transfer and heat exchange, at those, like in DE 8631085 U1 described, four diametrically opposite, the outer connecting with the inner tube webs mutually support the two tubes. Such a multiple tube further discloses the Austrian patent AT 363284 , It should be characterized by a high stability and wall stiffness. Especially designed for heat pipe systems, but it is hardly suitable as a support element using lightweight materials.

Eine für die Verwendung als Strahlrohr vorgesehene Rohrausführung wurde nach DE 29920979 U1 bekannt, welche eine zwischen dem Innen- und dem Außenmantel eines Rohres mit vorzugsweise elliptischem Querschnitt angeordnete, wellenförmig ausgebildete Zwischenschicht zur Stabilisierung vorsieht. Aus statischen Gründen kann diese Rohrgestaltung jedoch nicht eine solche mechanische Stabilität gewährleisten, wie sie für die eingangs genannten Rahmenkonstruktionen erforderlich ist.A pipe version intended for use as a jet pipe became after DE 29920979 U1 known, which provides an arranged between the inner and outer sheath of a tube having a preferably elliptical cross-section, wavy intermediate layer for stabilization. For static reasons, however, this tube design can not guarantee such a mechanical stability as is required for the frame structures mentioned in the introduction.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein mechanisch hoch belastbares Leichtbaurohr zu schaffen, das sich insbesondere für leichtgewichtige Fahrradrahmen eignet, und das auch bei vergleichsweise großer Krafteinwirkung eine hohe Steifigkeit und Bruchfestigkeit besitzt.The Object of the present invention is therefore a mechanical To create a high load capacity lightweight ear, which is particularly for lightweight Bicycle frame is suitable, and even with relatively large force has a high rigidity and breaking strength.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Hohlkammerrohr nach Anspruch 1, bestehend aus einem doppel- oder mehrwandigen rohrförmigen Körper, dessen Außen- und Innenmantel im Rohrquerschnitt im wesentlichen die Gestalt eines regelmäßigen Vieleckes aufweist, wobei zwischen dem Außen- und Innenmantel als Stützkonstruktion in Rohrlängsrichtung rippenartige, gerade Verstrebungen vorgesehen sind, deren einander benachbart angeordnete Verstrebungen fachwerkartig so miteinander und mit der Außen- und Innenwand verbunden sind, dass diese im Rohrquerschnitt einen Ring, bspw. aus Dreiecken und/oder Trapezen zusammengesetzt, bilden und zusammen ein wandversteifendes räumliches Netzwerk ergeben.The solution of the problem is fiction according to a hollow chamber tube according to claim 1, consisting of a double or multi-walled tubular body whose outer and inner shells in the tube cross section has substantially the shape of a regular polygon, wherein provided between the outer and inner shells as a support structure in the tube longitudinal direction rib-like, straight struts are, whose mutually adjacently arranged braces are connected to each other like a truss with each other and with the outer and inner walls, that these in the tube cross-section a ring, for example. Composed of triangles and / or trapezoids and together form a wall-stiffening spatial network.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von mehreren Unteransprüchen.Further Embodiments of the invention are the subject of several subclaims.

Das erfindungsgemäße Hohlkammerrohr zeichnet sich durch eine verbesserte Wandsteifigkeit bei gleichzeitig hoher Bruchfestigkeit aus. Die Verwendung von fachwerkartig angeordneten, sich gegenseitig abstützenden Verstrebungen zwischen Innen- und Außenrohr gestaltet den Rohrkörper erheblich widerstandsfähiger gegen Biegung, Torsion und Knickung als vergleichbare massive Rohre gleicher Dimensionierung. Es zeichnet sich außerdem durch ein geringeres Eigengewicht aus, wobei sich noch zusätzliche Gewichtseinsparungen durch entsprechende geringere Dimensionierung der Rohrwandstärken erzielen lassen.The hollow chamber tube according to the invention by an improved wall stiffness and at the same time high Breaking strength. The use of truss-like arranged, mutually supportive Struts between inner and outer tube designed the tube body considerably more resistant against bending, torsion and buckling than comparable massive tubes same dimensioning. It is also characterized by a lower Deadweight, with additional weight savings achieve by correspondingly smaller dimensions of the pipe wall thicknesses to let.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert werden. Es zeigenThe Invention will be described below with reference to schematic figures be explained in more detail. It demonstrate

die 1 einen Rohrabschnitt für ein erfindungsgemäßes Hohlkammerrohr in Seitenansicht,the 1 a pipe section for a hollow chamber pipe according to the invention in side view,

die 2 im Rohrquerschnitt das doppelwandige Hohlkammerrohr nach 1,the 2 in the pipe cross-section the double-walled hollow chamber pipe after 1 .

die 3 im Rohrquerschnitt eine weitere Ausgestaltung des Hohlkammerrohres gemäß der Erfindung in einer mehrwandigen Ausführung undthe 3 in the pipe cross section, another embodiment of the hollow chamber tube according to the invention in a multi-walled design and

die 4 eine Montagekonfiguration, bei der die Rohrverbindung zweier Rohrstücke gemäß der Erfindung mittels Rohrmuffen erfolgt.the 4 a mounting configuration in which the pipe connection of two pipe sections according to the invention by means of pipe joints.

Ein Hohlkammerrohr 1 nach 1 besitzt eine rohrförmige Außenwand 2 und im Abstand dazu eine konzentrisch angeordnete Innenwand 3 von geringerem Durchmesser. Die Außen- und Innenwand haben im Querschnitt die Gestalt von regelmäßigen, zur Längsache 4 des Rohres rotationssymmetrisch angeordneten Vielecken. Im ringförmigen Rohrzwischenraum bilden in Rohrlängsrichtung gerade rippenartige Verstrebungen 5, 6 und 7 zusammen mit den Seitenflächen von Außen– und Innenwand ein die Rohrwand versteifendes räumliches Netzwerk, vergleichbar einem einfachen Fachwerk mit Horizontal-, Vertikal- und Diagonalverstrebungen, die bei Belastung auf Zug und Druck beansprucht werden. Benachbarte Verstrebungen sind untereinander und/oder mit den Seitenteilen des Rohrmantels so verbunden, dass der Rohrquerschnitt des Hohlkammerrohres einen Ring aus miteinander verknüpften Dreiecken 8 ergibt, wie in 2 dargestellt. Trotz der vergleichsweise geringen Wandstärke von Außen- und Innenwand des Hohlkammerrohres 1 ist dieses bei entsprechender Belastung wesentlich widerstandsfähiger und vor allem auch viel leichter als eine vergleichbare massive Konstruktion. Durch die Verwendung eines Leichtmetalls als Rohmaterial, wie Al 6061, wird eine weitere Gewichtsminderung erzielt. So sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei einem Hohlkammerrohr mit einem äußeren Durchmesser von 50 mm, einer Wandstärke von 0,4 mm und einer spezifischen Zerreißfestigkeit des Materials von 350 N/mm² bei einer äußeren Belastung von 500 N nur sehr geringfügige Formveränderungen (statische Verschiebungen) festzustellen. Durch die rotationssymmetrische, fachwerkartige Struktur im Zwischenraum des Rohrmantels kann zudem das Auftreten von lokalen Unstetigkeiten im Spannungszustand bei mechanischen Belastungen weitgehend ausgeglichen bzw. das Entstehen von schädlichen Spannungsmaxima vermieden werden.A hollow chamber tube 1 to 1 has a tubular outer wall 2 and at a distance to a concentrically arranged inner wall 3 of smaller diameter. The outer and inner wall have the shape of regular in cross-section, the longitudinal axis 4 of the tube rotationally symmetrically arranged polygons. In the annular tube gap form straight rib-like struts in the tube longitudinal direction 5 . 6 and 7 together with the side surfaces of the outer and inner walls of the pipe wall stiffening spatial network, comparable to a simple framework with horizontal, vertical and diagonal struts, which are loaded under load to train and pressure. Adjacent struts are connected to each other and / or with the side parts of the tube shell so that the tube cross-section of the hollow chamber tube a ring of interlinked triangles 8th results as in 2 shown. Despite the comparatively small wall thickness of the outer and inner wall of the hollow chamber tube 1 this is much more resistant and, above all, much lighter than a comparable massive construction. By using a light metal as a raw material, such as Al 6061, a further weight reduction is achieved. Thus, in the present embodiment, in a hollow tube with an outer diameter of 50 mm, a wall thickness of 0.4 mm and a specific tensile strength of the material of 350 N / mm ² at an external load of 500 N only very minor changes in shape (static displacements) determine. Due to the rotationally symmetrical, truss-like structure in the space of the tubular jacket also the occurrence of local discontinuities in the stress state under mechanical stress can be largely compensated or the emergence of harmful stress maxima are avoided.

Ein zusätzlich verbessertes Verhältnis von Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften im Verhältnis zum jeweiligen Eigengewicht des Rohres erreicht man mit der Ausführungsform für ein derartiges Hohlkammerrohr nach 3, bei dem sich das wandversteifende fachwerkartige System, gebildet von den rippenartigen geraden Verstrebungen und den Seitenflächen der beiden Rohrflächen, ein innenwandig sich anschließender, aus weiteren Verstrebungen bestehender ebenfalls konzentrischer Versteifungsring anschließt. Die Versteifungen werden von Verstrebungen gebildet, die, zusammengesetzt, in der Querschnittsansicht einen Innenring ergeben, der aus nebeneinanderliegenden trapezförmigen Gebilden 9 besteht. In dieser Ausführungsform ist das Rohr somit dreiwandig ausgelegt und besitzt auch im Verhältnis zum Gewicht des benötigten Rohrmaterials eine nochmals verbesserte mechanische Widerstandfähigkeit.An additional improved ratio of stiffness and strength properties in relation to the respective weight of the tube is achieved with the embodiment of such a hollow chamber tube after 3 , in which the wall-stiffening truss-like system, formed by the rib-like straight struts and the side surfaces of the two tube surfaces, an internally adjoining, consisting of further struts also concentric stiffening ring connects. The stiffeners are formed by struts, which, when assembled, result in an inner ring in the cross-sectional view, which consists of adjacent trapezoidal structures 9 consists. In this embodiment, the tube is thus designed with three walls and also has a further improved mechanical resistance in relation to the weight of the required tube material.

Die 4 zeigt eine mögliche Konfiguration für die Rohrmontage eines Zweiradrahmens 10 einer gebräuchlichen Ausführungsform. Der Zweiradrahmen besteht aus einem Oberrohr 11, einem Sitzrohr 12, einem Lenkrohr 13, einem Unterrohr 14 sowie einem Tretlager 15. Mit seiner typischen dreieckigen Ausführung besitzt der Rahmen eine Rohrmuffe 16, die auch eine Lageraufnahme für die Hinterrad-Schwinge aufweist. Anstelle der Rohrverbindungen durch Rohrmuffen sind aber auch andere Möglichkeiten für eine Verbindung von einzelnen Hohlkammerrohren miteinander denkbar, beispielsweise durch Verkleben, Verschweißen oder auch durch Ineinanderstecken.The 4 shows a possible configuration for the tube mounting of a bicycle frame 10 a common embodiment. The bicycle frame consists of a top tube 11 , a seat tube 12 , a steering tube 13 , a down tube 14 as well as a bottom bracket 15 , With its typical triangular design, the frame has a tubular sleeve 16 which also has a bearing mount for the hind Rad-swingarm has. But instead of the pipe connections through pipe joints other possibilities for a connection of individual hollow-walled tubes are conceivable with each other, for example by gluing, welding or by nesting.

Die hier beschriebenen möglichen Ausgestaltungen für das erfindungsgemäße Hohlkammerrohr können nur beispielhaft das Wesen der Erfindung aufzeigen. Die Erfindung soll sich deshalb keineswegs nur auf die genannten Ausführungsbeispiele beschränken. Es sind vielmehr im Rahmen des Schutzumfanges der Ansprüche durchaus weitere Lösungsvarianten für ein derartiges, vorzugsweise aus einem Leichtmetall bestehendes Hohlkammerrohr möglich.The possible described here Embodiments for the hollow chamber tube according to the invention can only exemplify the nature of the invention. The invention should therefore by no means only on the aforementioned embodiments restrict. Rather, they are within the scope of the claims other solution variants for a Such, preferably made of a light metal hollow chamber tube possible.

Claims

Hollow tube, as heavy-duty lightweight body in particular as a frame tube for Cycles and products of automotive, aerospace engineering, and as a conduit for the transport of liquid and / or gaseous Substances or for heat conduction, characterized by a double or multi-walled tubular body whose Outer and inner sheath in the tube cross-section substantially the shape of a regular polygon having, between the inner and outer shells as a support structure in the tube longitudinal direction rib-like straight struts are provided, one another adjacent struts trussed together like this and with the outside and inner wall are connected, that these in the pipe cross-section a Ring, for example, composed of triangles and / or trapezoids is, and together form a wall-stiffening network.

Hollow tube according to claim 1, characterized that the tubular body made of a light metal or a light metal alloy.

Hollow tube according to claim 1, characterized that the tubular body made of a plastic or plastic mixture, which reinforces fiber retention can have.

Hollow tube according to one or more of the preceding Claims, characterized in that the tubular body with wear or Corrosion protection layers is coated.

Hollow tube according to one or more of the preceding Claims, characterized in that the pipe jacket one or more layers is constructed, the layers of different materials can exist.

Method for producing a hollow chamber tube according to at least one of the preceding claims, characterized that the tubular body preferably by non-cutting shaping, such as chamber presses, Retracting, drawing or extruding is made.

Method for producing a hollow chamber tube according to at least one of the preceding claims 1 to 5, characterized that the tubular body by a cutting shaping, such. B. produced by erosion becomes.

Method for producing a hollow chamber tube according to claim 6 or 7, characterized in that the compound the tubular body with each other by gluing, soldering, Welding, sticking, Hooking or using other joining techniques he follows.