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Vorrichtung zum Halten von Zugbeanspruchungen unterworfenen Körpern
aus armiertem Kunststoff Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Halten
von Zugbeanspruchungen unterworfenen Körpern aus armiertem Kunststoff, wie Stangen,
Stäben oder Seilen, die aus einem Bündel von langgestreckten Fasern, die in einem
geeigneten Kunststoff eingebunden sind, bestehen.
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Es ist, wie ohne weiteres verständlich, von Vorteil, wenn der mechanische
Widerstand solcher Befestigungsvorrichtungen wenigstens der gleiche ist wie der
des Körpers, an dessen Enden sie angeordnet sind.
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Im Falle eines homogenen Werkstoffes, wie von Glas, einer Metallegierung,
eines Kunststoffs usw., kann diese Forderung leicht in bekannter Weise durch örtliche
Änderung des Querschnitts des Körpers, z. B. einen Schulteransatz oder eine einfache
Verstärkung der Endbereiche des Körpers, erzielt werden.
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Anders liegen aber die Voraussetzungen, wenn der Werkstoff, aus dem
der Körper besteht, nicht homogen ist, sondern aus in eine geeignete Masse, die
als Bindemittel dient, eingebetteten längsgerichteten Fasern besteht.
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In diesem Falle ergibt, unter der Voraussetzung, daß die Zahl der
Fasern von dem einen zu dem anderen Ende des Körpers die gleiche ist, jede Querschnittsänderung
des Körpers eine damit parallel verlaufende Änderung des Verhältnisses der Anzahl
der Fasern zu dem Stoff, in welchen diese eingebettet sind. Demzufolge ist dieses
Verhältnis, wenn es für den mittleren Teil, z. B. einer Stange auf den für den in
Betracht kommenden Anwendungsfall als optimal ermittelten Wert eingestellt ist,
infolge der Querschnittsänderung in den Endbereichen der Stange nicht mehr vorhanden,
so daß in diesen Bereichen die mechanische Festigkeit des Materials verringert ist.
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Ferner ergibt der Unterschied der mechanischen Eigenschaften, der
derart zwischen dem mittleren Teil der Stange und seinen Enden vorhanden ist, bei
der mechanischen Arbeit eine unregelmäßige Verteilung der Beanspruchungen, die sich
nachteilig für die Festigkeit der Gesamtheit auswirkt.
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In der Mehrzahl der Fälle ist der Bereich geringster Festigkeit von
Körpern der beschriebenen Art, wie sie zur Zeit hergestellt werden, derjenige, an
welchem die Endverdickung beginnt. Das ist leicht dadurch festzustellen, daß Probestäbe
Zugbeanspruchungen ausgesetzt werden, die ausreichen, um sie zu zerreißen, wobei
sich herausstellt, daß der Bruch immer in diesem Bereich erfolgt.
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Zweck der Erfindung ist es, diesen Mangel zu beseitigen und die Herstellung
von dem Gesichtspunkt der mechanischen Festigkeit aus völlig homogenen Körpern .der
beschriebenen Art zu ermöglichen. Gemäß der Erfindung werden zu diesem Zwecke die
Körper an ihren Enden mit einer der Befestigung dienenden Verdickung versehen, in
der ein Kern aus einem druckwiderstandsfähigen Werkstoff, wie Metall, Kunststoff
usw. eingebracht ist, dessen Außenfläche unter Berücksichtigung der Gestaltung der
Außenfläche der Verdickung so gestaltet ist, daJ3 die Größe eines beliebigen ringförmigen
Querschnitts durch den armierten Werkstoff in der Zone der Verdickung konstant und
gleich der des Querschnitts im normalen Bereich des Körpers ist.
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Gemäß der Erfindung erfolgt die Weitung des Körpers, beispielsweise
eines Stangenendes, vor ihrem Einbau, und das Einbringen des den Hohlraum ausfüllenden
Kerns erfolgt vor dem Zusammenbau, z. B. unmittelbar in der Herstellungsstätte für
den Körper. Eine Verformung dieses Einsatzes oder der den Einsatz umgebenden Außenwände
des eigentlichen Körpers, wie dies bei den bisher bekannten Anordnungen erfolgte,
ist gemäß der Erfindung nicht vorgesehen und wird vollkommen vermieden. Diese Verformungen
bergen die Gefahr in sich, daß Materialermüdungen auftreten und gefährliche Bruchquerschnitte
geschaffen werden, Nachteile der bekannten Konstruktionen, die gerade gemäß der
Erfindung vermieden werden sollen.
Während bei den bekannten Vorrichtungen
der einzusetzende Kern entweder lose innerhalb der Verbindung vorgesehen ist oder
fest mit dem Teil verbunden ist, mit welchem die Stangen zusammengcbr-#cl:t werden
sollen, ist dieser Kern gemäß der T_'rfi_id@@ng fest mit der Stange verbunden und
bewirkt weder eine Verformung noch unterliegt er selbst einer Verformung.
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Da im Falle der Erfindung weder der Nutzquerschnitt des armierten
Werkstoffs noch das Verhältnis des Werkstoffs, in welchem die Fasern eingebettet
werden, gegenüber den Fasern geändert wird, ergibt sich ein vom Gesichtspunkt seiner
mechanischen Festigkeit vollkommen homogener Körper, in welchem insbesondere der
Bereich am Anfang des verdickten Teils nicht eine Zone geringerer Festigkeit bildet.
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Wie aus den obigen Erläuterungen ersichtlich ist, wird das Profil
des Kerns genau durch das Außenprofil der Verdickung und umgekehrt dieses durch
das Profil des Kerns bestimmt. Im allgemeinen wird es sich als zweckmäßig erweisen,
das Außenprofil der Verdickung unter Berücksichtigung des Gesichtspunktes seiner
leichten Bearbeitung in den Körpern (inbesondere Metallkörpern, wie Ringen) zu gestalten,
auf denen sich bei der späteren Montage die Verdickung abstützt. Das genaue Kernprofil,
welches dem für die Verdickung gewählten Außenprofil entspricht, ist sehr leicht
durch Rechnung zu ermitteln. So kann z. B. im Falle einer konischen Verdickung des
Körpers der Kern ein Rotationshyperboloid und umgekehrt im Falle einer konischen
Gestaltung des Kerns die Außenfläche der Verdickung eine Rotationsfläche mit einer
Hyperbel als Erzeugenden sein.
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Selbstverständlich können auch andere Kernausbildungen als hyperboloidische
und konische gewählt bzw. miteinander vereinigt werden. Insbesondere können, wie
weiter unten erläutert werden wird, die Flächen auch als Rotationskörper von Erzeugenden,
die einen Wendepunkt aufweisen, gebildet werden, wobei die einzige Bedingung, die
zu beachten ist, die bleibt, daß ein beliebiger gerader Querschnitt durch den armierten
Werkstoff in der Zone der Verdickung und ein beliebiger gerader Querschnitt durch
die Stange gleiche Flächengröße aufweisen.
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Wenn der Werkstoff, der als Bindemittel verwendet wird, so beschaffen
ist, daß seine Haftwirkung an dem Kern ausreicht, um dessen Austreiben bei der mechanischen
Arbeit, die der Körper zu leisten hat, zu verhindern, so genügt gegebenenfalls eine
Vorrichtung der oben beschriebenen Art, z. B. in Gestalt eines mit einem Hyperboloid
vereinigten Kegels, bei welchem der Durchmesser der Verdickung von dem normalen
Stabbereich des Körpers an ständig wächst.
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Wenn im Gegensatz hierzu die Haftung zwischen dem Kern und dem Einbindemittel
für die Beanspruchungen, denen der Körper unterworfen werden muß, nicht ausreicht,
so können gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung der Kern und die Verdickung
so geformt sein, daß ihr Durchmesser nicht konstant wächst, sondern in dem mittleren
Bereich ein Maximum hat und derart ein Gleiten des Kerns vermieden wird. Zum Beispiel
kann die Außenfläche der Verdickung die Form von zwei einander entgegengerichteten,
mit ihren großen Grundflächen aufeinander aufruhenden Kegeln und der Kern die Form
von zwei Hyperboloiden in entsprechender Anordnung zueinander besitzen, wobei der
Kegel und das Hyperboloid, welche am weitesten von dem normalen Bereich der Stange
entfernt sind, gegebenenfalls abgestumpft werden können.
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Falls der Querschnitt der Verdickung von der Stange an konstant zunimmt
(z. B. im Falle einer konischen Verdickung), kann die metallische Abdekkung, welche
die Verdickung umschließt und die mit dem Angriffspunkt der Zugkräfte, denen der
Körper unterworfen werden soll, verbunden wird, z. B. ein einteiliger Ring sein,
dessen Innenbohrung sich der Außenform der Verdickung anschmiegt und der vor der
Bildung der Endverdickung auf den Körper aufgezogen wird.
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In den anderen Fällen, insbesondere dann, wenn der Querschnitt der
Verdickung von dem Hauptteil der Stange aus zunächst auf einen Maximalwert ansteigt
und dann abfällt (wie z. B. dem einer doppeltkonischen Verdickung), besteht der
metallische, die Verdickung umschließende Körper aus einem aus wenigstens zwei Schalen
zusammengesetzten Ring, dessen Innenbohrung in miteinander vereinigtem Zustand der
Schalen sich der Außenfläche der Verdickung anschmiegt. Die verschiedenen diesen
Ring bildenden Elemente werden während der Montage durch einen zweiten Ring auf
die Verdickung aufgespannt, der z. B., falls die Außenbohrung der den ersten Ring
bildenden Elemente konisch ist, eine konische Innenbohrung aufweist, jedoch andererseits
auch mit Gewinde versehen und dann auf den ersten Ring aufgeschraubt werden kann,
falls auf den Elementen des ersten Ringes ein Gewinde vorhanden ist.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im einzelnen an Hand
der Figuren beschrieben.
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F i g. 1 veranschaulicht eine vollständige Befestigungsvorrichtung
gemäß der Erfindung mit konischer Verdickung und einem in diese eingeschobenen Kern
von hyperboloidischem Querschnitt mit aus Metall bestehenden Anschlußelementen;
F i g. 2 zeigt in Teildarstellung das Ende eines Stabes gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung; F i g. 3 bis 6 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform der
Befestigungsvorrichtung gemäß der Erfindung in auseinandergebautem Zustande und
F i g. 7 eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der neuen Befestigungsvorrichtung.
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In F i g. 1 ist mit 1 der zylindrische Teil einer Stange bezeichnet,
der am Ende nach einer konischen Umfläche 2 gestaucht ist. In einem Hohlraum des
derart verdickten Endes ist ein Kern 3 von der Gestalt eines Rotationshyperboloids
untergebracht. Das derart verstärkte Ende des Stabes stützt sich gegen einen Ringkörper
4 mit konischer Innenbohrung 5 ab, der auf seiner Außenfläche ein Gewinde 6 aufweist,
auf welches das entsprechende Gewinde eines eine Aufhängeöse 8 tragenden Körpers
7 aufgeschraubt werden kann.
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Bei der in F i g. 2 dargestellten, nämlich der vorbeschriebenen ausgebildeten
Stange 1 ist jedoch abweichend hiervon der Kern 3 konisch, und die Außenfläche 2
der Verdickung ist eine Rotationsfläche mit einer Hyperbel als Erzeugenden. Demzufolge
ist auch die Innenbohrung des Ringes 4 nach einer Hyperbel als Erzeugenden
ausgebildet.
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Wie ersichtlich, ist also im Falle der F i g. 1, in dem die Außenfläche
der Verdickung konisch gestaltet ist, die ihr entsprechende Oberfläche des Kerns
ein
Rotationshyperboloid, dessen Erzeugende eine Hyperbel ist, an deren Scheitel eine
zu der Achse der Stange rechtwinklige Tangente gelegt werden kann, während gemäß
F i g. 2 der Kern konisch ist und an die die Erzeugende der Umfläche der Verdickung
bildende Hyperbel in der Ebene der Figur eine zu der Achse der Stange parallele
Tangente gelegt werden kann, die sich an eine der Erzeugenden des zylindrischen
Teils der Stange anschließt. Demzufolge werden bei der Anordnung gemäß F i g. 2
die in den dadurch armierten Werkstoff eingebetteten Fasern in geringerem Grade
gekrümmt als im Falle der Anordnung gemäß F i g. 1, was in gewissen Fällen von Vorteil
sein kann.
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Die F i g. 3, 4, 5 und 6 veranschaulichen eine andere Ausführungsform
der Erfindung, gemäß welcher die Außenfläche der Verstärkung doppelkonisch gestaltet
und der obere Kegel abgestumpft ist. Hierbei ist der Kern doppelt hyperboloid gestaltet
und ebenfalls das obere Hyperboloid abgestumpft.
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F i g. 3 ist ein Schnitt durch die Stange, den Kern und die Verdickung.
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F i g. 4 zeigt im Schnitt die beiden Halbringe 4 und 4a, die in ihrer
Wirklage die doppelkonische Oberfläche der Verdickung umspannen.
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Die Halbringe 4 und 4 a sind außen konisch gestaltet. Auf der gebildeten
konischen Umfläche stützt sich die konische Innenbohrung des Ringes 6 a ab (F i
g. 5). Dieser Ring weist auf seiner Außenfläche ein Gewinde 6 b auf, auf
welches das Innengewinde 6 c des Körpers 7, an dem der Aufhängering 8 angebracht
ist, aufgeschraubt wird (F i g. 6).
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Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, bewirkt der die beiden Halbringe
4 und 4 a mit konischer Außenfläche umschließende Körper 6 a, sobald eine Zugwirkung
auf den Körper vorhanden ist, eine automatische Verspannung der Halbringe, welche
derart die doppelkonische Verdickung der Stange noch enger umfassen.
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F i g. 7 zeigt im Schnitt durch eine Stange, den Kern und die Verdickung
eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Außenflächen
des Kerns und der Verdickung Rotationsflächen sind, deren Erzeugende einen Wendepunkt
aufweist. Diese Ausführungsform ist von besonderem Vorteil, weil sich bei ihr eine
sehr regelmäßige Verteilung der Beanspruchungen im Bereich der Verdickung ergibt,
ohne daß die eingebetteten Fasern zu starken Biegungen unterworfen werden. Insbesondere
werden hierbei die scharfen Winkel vermieden, die im Falle der F i g. 3 an der Grenze
der beiden mit ihren Grundflächen aneinanderliegenden Konen oder Hyperboloide vorhanden
sind. Ferner ist diese Ausführungsform der Erfindung diejenige, bei welcher die
Resultierende der auf den Kern wirkenden Kräfte ein Minimum und dadurch jede Gefahr
eines Gleitens des Kerns ausgeschaltet wird. Auch kann hierbei ohne jede Schwierigkeit
die dem Ende der Stange am nächsten liegende der beiden Hälften des Kerns 3 nach
der Linie x-y abgestumpft werden. Die vorstehend im einzelnen beschriebenen und
in den Abbildungen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf
den Fall, daß die Stange kreisförmigen Querschnitt hat. Selbstverständlich können
aber die Stangen, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen, auch vom kreisförmigen
abweichenden (elliptischen, quadratischen, poly-. gonalen usw.) Querschnitt aufweisen
bzw. die Erfindung ist auch auf Stangen von solchem Querschnitt anwendbar, vorausgesetzt,
daß die Vorschrift erfüllt ist, daß der Querschnitt des armierten Werkstoffs in
der Zone der Verstärkung und der Querschnitt der Stange immer gleich sind.