DE1216628B - Zylindrischer, druckdichter Hohlkoerper - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

F16j

Deutschem.: 47 f-18/50

Nummer: 1216 628

Aktenzeichen: H 37187 XII/47 f

Anmeldetag: 14. August 1959

Auslegetag: 12. Mai 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen zylindrischen, druckdichten Hohlkörper, der aus einem zylindrischen, als Wickelkörper ausgebildeten Mittelteil und zwei gewölbten Endteilen mit um die Rotationsachse liegenden Anschlußöffnungen besteht, wobei die Wicklung des Mittelteils aus schraubenförmig von einem Ende zum anderen und zurück verlaufenden Windungen gebildet ist.

Die erfindungsgemäßen Hohlkörper können starr oder nachgiebig ausgebildet sein. In starrer Form werden die erfindungsgemäßen Hohlkörper als Behälter für die Lagerung von Flüssigkeiten und Gasen unter Druck und als Behälter für Raketenmotoren verwendet. In nachgiebiger Form werden die erfindungsgemäßen Hohlkörper als Flugzeugräder und walzenartige Elemente zur Abstützung von Fahrzeugen, wie z. B. für Sumpf fahrzeuge, eingesetzt.

In der USA.-Patentsehrift 2 843153 sind aus Fäden gewickelte hohle Elemente und Verfahren zu deren Herstellung offenbart. Dabei wird eine schraubenförmige Wicklung von Fäden zur Herstellung von Elementen mit offenen Enden, wie beispielsweise Rohren oder Leitungen, beschrieben. Dieses Verfahren ist jedoch nur begrenzt anwendbar, insofern, als es ein Schließglied benötigt, welches nahezu den vollen Zylinderdurchmesser hat und welches durch die Fadenwindungen gehalten werden muß.

In der USA.-Patentschrift 2 788 836 ist ein kugeliges Hohlgefäß offenbart, welches durch Wicklungsstränge, die auf einem Großkreis um den kugeligen Wickelkern herumgeführt sind, gebildet ist. Bei einer solchen Wicklung kann das Hohlgefäß jedoch nur Innendrücke bis zu einer begrenzten Höhe aushalten, und aus diesem Grund wird der Wickelkern auch nicht entfernt, damit er einen Teil des Innendruckes zur Entlastung der gewickelten Außenhülle aufnehmen kann.

Aus der USA.-Patentschrift 2 718 583 ist ein zylindrischer Wickelkörper bekanntgeworden, bei dem die Wicklung des Mittelteils aus schraubenförmig von einem Ende zum anderen und zurück verlaufenden Windungen gebildet ist, dessen gewölbte Endteile jedoch nicht mit umwickelt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zylindrischen, druckdichten Hohlkörper zu schaffen, der hohe Innendrucke auszuhalten vermag, ein geringes Gewicht hat und widerstandsfähig gegen Abnutzung oder Zerstörung ist. Dabei soll die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit des Hohlkörpers an allen seinen Teilen gleichmäßig groß und unabhängig von der Richtung des auftretenden Druckes sein. Darüber hinaus muß die Faserbelastung bei der Herstellung

Zylindrischer, druckdichter Hohlkörper

Anmelder:

Hercules Powder Company,

Wilmington, Del. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. A. van der Werth, Patentanwalt,

Hamburg-Harburg, Wilstorfer Str. 32

Als Erfinder benannt:

Richard Elliott Young,
Rocky HiU, N. J. (V. St. A.)

as eines Wickelkörpers gleichmäßig sein. Schließlich soll

der erfindungsgemäße Hohlkörper auch einer axialen Außenbelastung an den Enden widerstehen können.

Die Lösung dieser Aufgaben soll dadurch erfolgen,

daß zusätzlich zur schraubenförmigen Wicklung eine oder mehrere Wicklungen vorgesehen sind, die in bei kugelförmigen Wickelkörpern bekannter Weise den Körper allseitig umgibt und die Windungen so geführt sind, daß die beiden Wicklungsstränge jeder Wicklungsschleife sich jeweils nur einmal wendelförmig mit gleichbleibender Steigung um den Hohlkörper herum erstrecken und sich etwa in der Mitte auf dem Umfang des zylindrischen Mittelteils kreuzen. Vorzugsweise besteht die Wandung des Mittelteils aus sich einander abwechselnden Schichten von wendelförmigen, sich kreuzenden Wicklungssträngen und einer in Umfangsrichtung längs des Mittelteils aufgewickelten Verstärkungswicklung geringer Steigung. Die Hohlgefäßwandung kann aus einem elastisch nachgiebigen Material bestehen, und der Wickelkern kann so ausgebildet sein, daß er aus dem Inneren des gewickelten Hohlgefäßes entfernt werden kann. Die Wicklungsstränge sind vorzugsweise bandförmig ausgebildet, und die Bänder selbst bestehen aus einer Vielzahl von Fäden.

Die gewölbten Endteile des Hohlkörpers weisen vorzugsweise eine solche Wölbung auf, daß an jeder Stelle der Wicklungsschleifen bei Innendruckbela-

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stung eine im wesentlichen konstante Spannung Spannung jedes Fadens an jeder Stelle des Endes

herrscht. konstant sein, obwohl sich die Belastung auf Grund

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen des Innendruckes entsprechend der Krümmung an

noch näher erläutert. Es zeigt dem Ende ändert.

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen 5 Ein vollständiger Endteil, welcher aus einem Stück

Hohlkörpers, mit dem schraubenförmig gewickelten Zylinderkörper

Fig. 2 eine Endansicht des Hohlkörpers, besteht, kann durch eine einzige Schraubenwicklung

Fig. 3 eine Vorderansicht einer auf einen ent- mit konstantem Schraubenwinkel erzeugt werden,

sprechenden Kern aufgebrachten schraubenförmigen Der Winkel dieser Schraubenbahn, welcher durch die

Kreiswicklung, io Wicklung6 in Fig. 1 bis 4 wiedergegeben ist, muß

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Wicklung, im allgemeinen klein sein, da der Abschlußstutzen 4

Fig.5 eine perspektivische Ansicht eines End- normalerweise klein ist. Wenn jedoch ein Wickelteiles, kern 7 (strichpunktierte Linie in F i g. 3 und 4 ) an

F i g. 6 einen Schnitt durch den in F i g. 2 gezeig- den Enden 8, wie in diesen Figuren gezeigt, gekrümmt

ten Endteil längs der Linie 6-6, 15 und nach der Lehre der genannten USA.-Patent-

Fig. 7 einen radialen Teilschnitt durch einen er- Schriften geformt ist, so haben die nur durch die

findungsgemäßen Hohlkörper, welcher durch ein schraubenförmige Wicklung erhaltenen Enden eine

Ende und den sich anschließenden Körper gelegt ist. äußerst gleichmäßige Festigkeit. Die Krümmung des

Die Wicklungsstränge des erfindungsgemäßen Wickelkernendes 8 und demzufolge auch die darauf Hohlkörpers bestehen aus faserigem Material, die in ao befindliche Wicklung geht bei 10 tangential in den Verbindung mit einem sich hinreichend festigenden Zylinderteil des Wickelkerns über.
Bindemittel auf den Wickelkern aufgebracht werden, Die Festigkeit des zylindrischen Mittelteiles kann damit die Fasern jeder Schicht wie auch die der ver- durch zusätzliche Kreiswicklungen oder durch Wickschiedenen übereinanderliegenden Schichten der hingen ausgeglichen werden, „deren Schraubenwinkel Wicklungen zusammenkleben und jeden Zwischen- 25 gegenüber einer radial von der Zylinderachse liegenraum ausfüllen, welcher zwischen irgendwelchen den Ebene gering ist. Diese Wicklungen werden im Wicklungen oder Schichten besteht. Die Wicklung folgenden als Umfangswicklungen bezeichnet; sie liebesteht also in erster Linie aus faserigem Material gen zwischen den Schichten, welche aus den schrau- und möglichst wenig härtbarem Klebstoff] sie ist benförmigen Wicklungen gebildet werden,
nicht als eine bloße Verstärkung eines harzartigen 30 Der erste Schritt zur Bildung eines Hohlkörpers Körpers durch Fasern anzusehen. gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung

Als Fasermaterial wird Glas bei starren Hohl- eines entsprechenden Wickelkerns, auf welchen die körpern verwendet. Die Erfindung erfaßt aber auch Wicklungen aufgelegt werden. Dieser Wickelkern beandere Fasermaterialien als Glas mit entsprechend steht im allgemeinen aus einem Material, welches günstigen Eigenschaften für besondere Zwecke. Bei 35 nach Fertigstellung des Hohlkörpers durch die Endeiner biegsamen Ausführung werden biegsame oder öffnungen entfernt werden kann. In manchen Fällen gummiähnliche Werkstoffe benötigt. kann jedoch das Material so beschaffen sein, daß es

Als härtbare Bindemittel werden Epoxydharze be- im Gefäß als Futter verbleibt. In beiden Fällen

vorzugt. Die Auswahl der entsprechenden Harze oder werden die Endstücke 4 auf den Wickelkern gebracht,

Plaste hängt aber von den gewünschten Eigenschaf- 40 bevor mit dem Wickeln begonnen wird, da die schrau-

ten, dem Preis und der Bearbeitungsmöglichkeit ab. benartigen Wicklungen über die Endstücke 4 gelegt

Auch hier wird für eine biegsame Ausbildung des werden müssen.

Hohlkörpers ein flexibles Harz benötigt. Die obere Fläche 12 des Flansches 13 des End-

Das Wickelmaterial kann Faser-, Faden- oder Stückes 4 muß nicht in Verlängerung der Endober-Bandform besitzen. Die Bänder können auch aus 45 fläche 8 des Wickelkerns verlaufen. Es genügt, wenn einer Mehrzahl von nebeneinanderliegenden Fäden die Oberfläche 12 eine flache konische Form hat, bestehen. welche tangential in die Fläche 8 am Punkt 14 aus-

Der erfindungsgemäße Hohlkörper besteht aus läuft, wo sich die Flächen treffen,

einem zylindrischen Mittelteil 1 und ovalförmig ge- Bei beginnender Aufbringung der Wicklungen auf

wölbten Endteilen 2 und 3. In gewissen Fällen kann 50 den Wickelkern 7,11 wird die obere Fläche 12 des

jedoch, wie später erwähnt wird, der zylindrische Endstückes mit einem Harz bestrichen, so daß das

Mittelteil weggelassen werden, so daß der Hohlkörper Wickelmaterial hier anhaftet. Unter der Annahme,

nur aus den Endteilen gebildet wird. Diese Endteile daß das Wickeln etwa bei 15 in F i g. 3 begonnen

weisen jedes eine Anschlußöffnung auf. wird, werden die Wicklungen dann durch Bewegung

Der gewickelte Mittelteil 1 und die gewickelten 55 eines Abspulträgers nach rechts durch geführt, und Endteile 2,3 ergeben einen Körper von durchgehend der Wickelkern wird gedreht, bis die Wicklung auf gleichmäßiger Festigkeit, solange man die genaue die Fläche 12 des Endstückes in der Stellung 16 und ovalförmige Ausbildung der Enden beibehält und tangential zum Hals 5 desselben zu liegen kommt, vorausgesetzt, daß sie gegenüber dem Durchmesser Die Bewegung des Abspulträgers wird dann umdes Körpers im richtigen Verhältnis steht. Diese 60 gekehrt, und die Wicklung 6 läuft über die hintere Formgebung oder Ausbildung der Enden wird durch Seite des Wickelkerns — immer noch mit einem ein Rechenverfahren und eine Vorrichtung erreicht, Schraubenwinkel 17 gegenüber der Achse 18 des welche in der USA.-Patentschrift 3 005 256 bzw. Wickelkerns — quer über die konische Oberfläche 12 3 063 650 beschrieben sind. Dort wird offenbart, wie des Endstückes zu dem anderen Ende 2 und wiederder Umriß ovalförmiger Enden für derartige Gefäße 65 um tangential zu dem Hals 5 dieses Endes und nach bestimmt werden kann, so daß eine gleichmäßige Kreuzen des Anfangsteiles bei 19 (wie in Fig.4 geFestigkeit der Enden im Bereich ihrer Krümmung zeigt) wieder zurück zu einer Stelle nahe dem Ausgeschaffen wird. Um dieses zu erreichen, muß die gangspunkt. Bei entsprechendem Anpassen der Ge-

schwindigkeit des Abspulkopfes zu der Drehung des Wickelkörpers liegt jedoch die Schraubenlinie bei Rückkehr an ihren Ausgangspunkt in einer Stellung längs zu ihrer Ausgangsstellung. Nach einem kompletten Umlauf vom Punkt 15 bis 20, welche nebeneinanderliegen, hat die schraubenförmige Wicklung einen vollständigen Umgang durchgeführt und kann die nächste Umwicklung von einer Stellung ausführen, welche längs des Anfangspunktes der ersten Wicklung liegt. Die nächste Umwicklung soll wieder, genau wie die erste und alle folgenden, über den Flansch 12 des Endstückes 4 tangential zur Außenseite des zylindrischen Halses 5 verlaufen.
Wenn beim Umwickeln eine Wicklung neben der vorherigen liegt, so ist der gesamte Wickelkern schließlich mit einer vollständigen Schicht aus Wicklungsmaterial umwickelt. Längs des faserigen Materials der aus Fäden oder Bändern bestehenden Wicklung wird eine geregelte Menge eines geeigneten härtbaren Harzes aufgebracht.

Das Ausmaß der Umfangswicklung, beispielsweise 25, auf den zylindrischen Teil des Hohlkörpers hängt von der geforderten Umfangsfestigkeit ab. Diese steht ebenfalls in Zusammenhang mit der Form und der Größe des Gefäßes und demzufolge auch mit der schraubenförmigen Wicklung 6, da eine zylindrische Wand aus Wicklungen 6 mit einem kleinen Schraubenwinkel gegenüber der Gefäßachse keine große Umfangsfestigkeit ergibt. Demzufolge können die Umfangswicklungen so bald beginnen, wie die erste Schicht der Schraubenwicklungen beendet ist; die Umfangswicklung wird zwischen die erste und die zweite dieser Schichten gewickelt und kann notfalls in mehreren Schichten zwischen jeder schraubenförmigen Wicklungsschicht liegen. Andererseits können auch mehrere schraubenförmig gewickelte Schichten gelegt werden, bevor Umfangswicklungen angebracht werden, und es können dann mehrere weitere schraubenförmig gewickelte Schichten aufgebracht werden, bevor die nächste Umfangswicklung durchgeführt wird. Bei dem wiedergegebenen Ausführungsbeispiel verlaufen die Umfangswicklungen von dem einen Ende des zylindrischen Mittelteiles bis zu dem anderen Ende und liegen zwischen jeder vollständigen schraubenförmig gewundenen Wickelschicht. Die so gebildeten Schichten sind in F i g. 7 wiedergegeben, wobei die längs verlaufenden Schraubenwicklungen mit 6 und die Umfangswicklung mit 25 bezeichnet sind.

Ein weiterer wichtiger Umstand ergibt sich aus der Fig.7: Mit Aufhören der Umfangswicklungen bei 10, dort wo der ovalförmige Endteil in den zylindrischen Mittelteil tangential einläuft, beginnt der dünnste Bereich der Gefäßwand. Tatsächlich ist dieser dünnste Teil bei 26 gerade außerhalb des Bereiches 10 erreicht, jedoch ist die Wandfestigkeit bei 26 allen Anforderungen hinsichtlich Innendruck als auch Außenbelastung auf Grund der Krümmung und des engen Aufeinanderliegens der Schraubenwicklungen gewachsen. Offensichtlich ist die Wand im Bereich von 27 in der Nähe des Endstutzens wegen des Kreuzens der Wicklung an dieser Stelle und wegen der Massierung der Wicklungen auf der Fläche 12 am dicksten, da alle Wicklungen tangential zu der Außenfläche des zylindrischen Teiles 5 liegen.

Der Schraubenwinkel der gezeigten Umfangswicklungen ist nur so groß, daß die Wicklungen nebeneinander um den Gefäßkörper umlaufen können. Die Anzahl der Umfangswicklungen ist auf ein Minimum beschränkt, da die Verwendungszwecke der erfindungsgemäßen Hohlkörper ein möglichst geringes Gewicht bei guter Festigkeit erfordern.
Die möglichen Formen der erfindungsgemäßen Hohlkörper reichen von langen Zylindern zu abgeflachten «Halbkugeln ohne zylindrischen Zwischenteil. Die letzteren dienen als vollständige reifenähnliche Räder für Flugzeuge, wenn das Gefäß aus

ίο biegsamen Fasern oder Bändern besteht, die mit einem biegsamen Bindemittel verbunden worden sind. Gleichermaßen lassen sich auch flexible Walzen aus langen zylindrischen Gefäßen herstellen.

Falls ein Gefäß mit einem Lochmuster in den Wänden gewünscht wird, so kann dieses durch Änderung des Wickelmusters erfolgen. Bei jeder Schraubenwicklung mit kleinem Winkel kann an Stelle eines wiederholten Wicklungsvorganges in genau darüberliegender Zuordnung, wie bei 15 und 20 in F i g. 3 gezeigt, der zweite und jeder nachfolgende Umwicklungsvorgang mit Abstand vom Ausgangspunkt der ursprünglichen oder der nächsten vorhergehenden Wicklung beginnen. Derartige Wicklungen erzeugen eine Reihe von Kreuzungsstellen, welche rautenförmige Öffnungen in der Gefäßwand belassen. Sollte eine Umfangsverstärkung erwünscht sein, so kann diese durch Aufbringung von kreisförmigen Wicklungen um den Mittelteil, welche durch die Kreuzungsstellen geführt wird, erfolgen. Dadurch werden die rautenförmigen Öffnungen zu dreieckigen umgebildet und verstärken die Festigkeit der Struktur.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Zylindrischer, druckdichter Hohlkörper, der aus einem zylindrischen, als Wickelkörper ausgebildeten Mittelteil und zwei gewölbten Endteilen mit um die Rotationsachse liegenden Anschlußöffnungen besteht, wobei die Wicklung des Mittelteiles aus schraubenförmig von einem Ende zum anderen und zurück verlaufenden Windungen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur schraubenförmigen Wicklung eine oder mehrere Wicklungen vorgesehen sind, die in bei kugelförmigen Wickelkörpern bekannter Weise den Körper allseitig umgibt und die Windungen so geführt sind, daß die beiden Wicklungsstränge jeder Wicklungsschleife (6) sich jeweils nur einmal wendelförmig mit gleichbleibender Steigung um den Hohlkörper herum erstrecken und sich etwa in der Mitte (19) auf dem Umfang des zylindrischen Mittelteiles (1) kreuzen.

2. Hohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Mittelteiles (1) aus sich einander abwechselnden Schichten von wendeiförmigen sich kreuzenden Wicklungssträngen (15,20) und einer in Umfangsrichtung längs des Mittelteiles aufgewickelten Verstärkungswicklung (25) geringer Steigung besteht.

3. Hohlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlgefäßwandung aus einem elastisch nachgiebigen Material besteht.

4. Hohlkörper nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsstränge bandförmig ausgebildet sind.

5. Hohlkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bandförmigen Wicklungsstränge aus einer Vielzahl von Fäden bestehen.