DE19513381A1 - Leichtbauelement in Rohrverbundbauweise - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leichtbauelement in Rohrverbundbauweise, bestehend aus ei­ nem Kernrohr im Verbund mit einem Außen- und Innenrohr, wobei das Außen- und In­ nenrohr durch das Kernrohr mit definierter Rippenstruktur auf Distanz gehaltenen wird, welches die Vorteile der Sandwichkörper, der verrippten Schalenkörper und der Mehr­ schichtverbundschalenkörper verbindet und deren jeweilige Nachteile vermeidet, insbeson­ dere zum Einsatz als Leichtbauelement mit hoher Primärsteifigkeit (Zug-, Druck- sowie Biege- und Torsionssteifigkeit), Sekundärsteifigkeit (Formstabilität) und Tertiärsteifigkeit (Steifigkeit an Krafteinleitungsstellen) für die wirtschaftliche Fertigung von steifen Trag­ werkskonstruktionen für den Maschinen-, Kraftfahrzeug- und Flugzeugbau.

Bekannt sind verschiedene Bauweisen von Leichtbauelementen mit Rohrquerschnitt, deren Entwicklungen und Anwendungen hauptsächlich aus dem Flugzeugbau kommen. Hier ste­ hen in der Regel Festigkeitskennwerte in Form von Sicherheiten gegen Versagen im Vor­ dergrund, d. h., die Nachgiebigkeiten und teilweise auch die Herstellkosten sind von unter­ geordneter Priorität. Beispiele für diesen festigkeitsorientierten Leichtbau sind Sandwich- Bauweisen mit Honeycomb-Strukturen für Rohrprofile. Kennzeichnend hierfür sind auf­ wendige Fertigungsverfahren, insbesondere zur Herstellung der Kernschichten, welche oft aus Einzelelementen aufgebaut werden bzw. aus zusammengesetzten Kernschichten beste­ hen oder bei der Integralbauweise durch spanende Abtragung von bis zu 90% des Werk­ stückrohlingvolumens hergestellt werden. Leichtbauelemente in Sandwichbauweise wer­ den vorwiegend mit Klebeverbindungen zwischen der Kernschicht und dem äußeren und inneren Mantelrohr ausgeführt. Diese Klebeverbindungen zeichnen sich zwar durch hohe Festigkeit aus, weisen aber aufgrund der niedrigen E-Module der verwendeten Klebstoffe (beispielsweise gegenüber Stahlwerkstoffen) geringe Steifigkeiten in den Kontaktzonen zwischen Kernschicht und Mantelrohren auf. Weiterhin sind Klebeverbindungen unter thermischer Belastung und unter Fluideinwirkung, wie Öle und Säuren, problematisch. Beim Nieten der Schichtverbindungen (Kraft- bzw. Formschluß) treten weitere Probleme durch die punktuellen Kraftkonzentrationen im Nietbereich auf. Im Gegensatz hierzu wer­ den zunehmend neue Anwendungen des steifigkeitsorientierten Leichtbaus erschlossen, beispielsweise bei genauigkeitsbestimmenden Leichtbaugruppen in Maschinen, wo geringe Nachgiebigkeiten bei gleichzeitig minimierter Masse gefordert werden. Die Gestaltung und Ausführung der Fügeverbindung zwischen der Kernschicht und den Mantelrohren so­ wie die Gestaltung der Rippenstruktur selbst, beeinflussen wesentlich die Steifigkeit derar­ tiger Leichtbauelemente, besonders dann, wenn eine massenminimierte und steifigkeitsop­ timierte Bauweise angestrebt wird. Das Hauptproblem bei Leichtbauelementen für den steifigkeitsorientierten Leichtbau besteht einerseits in der wirtschaftlichen Herstellung schubsteifer bzw. torsionssteifer Kernschichten bei Rohrverbundbauweisen und der steifen Verbindung zwischen der Kernschicht und den Mantelrohren. Es existieren bisher noch keine ausgereiften konstruktiven Lösungen und Fertigungsverfahren für derartige Leicht­ bauelemente, die einfach herstellbar und somit für die industrielle Massenproduktion geei­ gnet sind. Bisherige Konstruktionslösungen im steifigkeitsoptimierten Leichtbau basieren auf Faserverbundwerkstoffen, gezogenen Rohrprofilen bzw. sind durch zerspanungsinten­ sive Integralbauweisen oder aufwendige Guß- sowie Schweißkonstruktionen gekennzeich­ net und häufig Einzelanfertigungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Leichtbauelement mit Rohrquer­ schnitt zu schaffen, welches wirtschaftlich herstellbar ist, bei geringem Materialeinsatz bzw. Bauteilgewicht hohe Steifigkeiten (Zug-, Druck-, Torsions- und Biegesteifigkeit) lo­ kal und global (Primärsteifigkeit, Sekundärsteifigkeit und Tertiärsteifigkeit) aufweist, des­ sen Steifigkeitsverlauf gezielt eingestellt werden kann und das hohen Temperaturen und Druckbelastungen standhält.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kernschicht des Leichtbauele­ ments in Rohrverbundbauweise aus einem Kernrohr besteht, welches Ausschnitte mit vor­ gegebenem Konturverlauf zur Erzeugung von Rippen mit definiertem Konturverlauf und Querschnittsabmessungen aufweist und mit zwei koaxial ineinander angeordneten Mantel­ rohren (Außen- und Innenrohr) an den Kontaktflächen mittels eines Fügeverfahrens stoff­ schlüssig verbunden ist, so daß das Leichtbauelement bei geringer Masse eine hohe Zug-, Druck-, Biege- und Torsionssteifigkeit aufweist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß für die Herstel­ lung von steifen Leichtbaugruppen für den Maschinen- bzw. Fahrzeugbau sowie für den Flugzeugbau ein neues Leichtbauelement mit Rohrquerschnitt zur Verfügung steht, wel­ ches konventionelle Rohre substituiert. Dieses den konventionellen Rohren hinsichtlich Steifigkeit und Masse weit überlegene Leichtbauelement ermöglicht durch entsprechende Gestaltung der Rippenkonturen des Kernrohres eine steifigkeitsabgestimmte Bauweise, wodurch neue hochsteife Bauweisen eröffnet werden. Dies betrifft insbesonders Bauwei­ sen in Blech, die aufgrund der konstruktiv bedingten hohen Steifigkeit des neuen Leicht­ bauelements ohne zusätzliche aufwendige Verrippungen der beulgefährdeten Bauteilquer­ schnitte realisierbar sind. Zusätzlich können Krafteinleitungsstellen und Randverstärkun­ gen bereits in dem neuen Leichtbauelement integriert werden. Da das Fügeverfahren einen hochwertigen Stoffschluß herstellt, kann die Zug-, Druck-, Biege- und Torsionssteifigkeit des Leichtbauelements beispielsweise durch numerische Berechnungsverfahren, wie FEM, hinreichend exakt bestimmt werden. Durch den Einsatz moderner CAD/CAM-Werkzeuge in der Konstruktion und NC-gesteuerter Bearbeitungsmaschinen in der Fertigung ergibt sich die Möglichkeit der optimierten Gestaltung und genauen Bearbeitung der Bauteile, da sowohl bei der Schneid- als auch bei der Schweißbearbeitung des Leichtbauelements bzw. deren Komponenten selbst komplizierte Bauteilkonturen (Konturverläufe der Rippen) durch die NC-Kopplung vom CAD-System zu numerisch gesteuerten Bearbeitungsma­ schinen ohne großen Programmieraufwand durchgeführt werden können. Die Bauweise des Leichtbauelements in Kombination mit modernen Konstruktions- und Fertigungsme­ thoden bietet weiterhin den großen Vorteil einer wirtschaftlichen Fertigung der Einzelteile bzw. des gesamten Leichtbauelements.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 4 wiedergegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 5 führt zur Verbesserung des thermischen Verhaltens des Leichtbauelements durch die Integration von Kühlkanälen in die Rohrkernstruktur für Kühlmedien, wie Luft, Wasser, Öle und dergleichen. Weiterhin können Energieversor­ gungseinheiten in derartigen Kanälen untergebracht werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 9 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 9 ermöglicht ein hochgenaues, stoffschlüssiges Fügen mit entsprechender Verbesserungen der wirksamen Kernschubsteifigkeit, wodurch eine möglichst große Steifigkeit des gesamten Leichtbauelements sichergestellt wird. Wei­ terhin besteht durch die koaxiale Anordnung der Rohre bei Einhaltung enger Toleranzab­ messungen im Durchmesser der Rohre ein Formschluß zwischen den Rohren, so daß ein Verzug der einzelnen Rohre beim Fügen faktisch nicht möglich ist und somit ein enger Fü­ gespalt (Kontaktzone) zwischen den Rohren gewährleistet ist.

Eine dritte vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 11 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 11 führt auf ein Leichtbauelement mit geringerer Steifigkeit, verbunden mit einer jedoch wesentlich vereinfachten Herstellung, da nur ein Außen- bzw. Innenrohr mit dem Kernrohr gefügt werden muß.

Der Haupteinsatz dieses Leichtbauelements in Rohrverbundbauweise liegt bei technischen Anwendungen, wo Baugruppen mit hoher spezifischer (auf die Masse bezogener) Zug-, Druck-, Biege- und Torsionssteifigkeit und hoher lokaler Steifigkeit, beispielsweise an Krafteinleitungsstellen, benötigt werden. Dies sind beispielsweise schnell bewegte Maschi­ nenteile in Tragwerkausführung, wie sie bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsmaschinen mit schnell bewegten Achsbaugruppen eingesetzt werden können, um die bei hohen Achs­ beschleunigungen auftretenden Trägheitskräfte zu minimieren und durch geringe Nachgie­ bigkeiten, die Genauigkeit der Bearbeitungsmaschine zu garantieren. Weiterhin kommen Anwendungen im Fahrzeug- und Flugzeugbau in Betracht, wo hochsteife und leichte Tragwerkkonstruktionen aus diesem neuen Leichtbauelement hergestellt werden können, da die massenminimierte Bauweise eine Antriebsleistungsminimierung ermöglicht und so­ mit zur Kosten- und Energieeinsparung und damit zur Schonung der Energieressourcen beiträgt. Speziell im Fahrzeugbau werden zunehmend Leichtbauelemente eingesetzt, wo selbsttragende Karosseriekonstruktionen aus gefügten Blechformteilen durch Tragwerk­ konstruktionen mit Fachwerkelementen, wie Zug-, Druck-, Biege- und Torsionsstäbe (Rohre), ersetzt werden (Space Frame).

Darüber hinaus können mit diesem neuen Leichtbauelement bei Zweirädern, wie Fahrräder, Motoräder oder dergleichen, belastungsoptimierte und massenminimierte Rahmen kosten­ günstig hergestellt werden. Dies ist vor allem dem derzeitigen Entwicklungstrend zufolge für Hochleistungsgeräte, wie Rennräder oder Mountain-Bikes, von großem Interesse. Das neue Leichtbauelement kann hierbei aus Stahl-, Aluminium- oder Titanwerkstoffen bzw. deren Legierungen aufgebaut werden.

Außerdem kommen Anwendungen in der Antriebstechnik zur Drehzahl- bzw. Drehmo­ mentübertragung durch Antriebswellen in Betracht, welche aus dem neuen Leichtbauele­ ment in Rohrverbundbauweise aufgebaut werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nach­ stehend näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Leichtbauelement in Rohrverbundbauweise mit Außen-, Kern- und Innenrohr in 3D-Ansicht,

Fig. 2 Leichtbauelement in Rohrverbundbauweise mit Außen- und Kernrohr in 3D-Ansicht,

Fig. 3 Leichtbauelement nach Anspruch 10 mit mehrschichtigem Aufbau in 3D-Ansicht,

Fig. 4 die Schneidbearbeitung des Kernrohrs zur Herstellung der Rippenkontur am Beispiel des unter Anspruch 8 genannten Trennverfahrens "Laserschneiden",

Fig. 5 die Fügebearbeitung des Leichtbauelements am Beispiel des unter Anspruch 5 genannten Fügeverfahrens "Laserschweißen",

Fig. 6 die Darstellung einer Anwendung des neuen Leichtbauelements mit Rohrquer­ schnitt als hochsteife und leichte Tragstruktur eines Fahrradrahmens.

Es folgt die Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnungen nach Aufbau, Herstellungs- und Anwendungsbeispiel der dargestellten Erfindung.

In Fig. 1 ist das Leichtbauelement in Rohrverbundbauweise in 3D-Ansicht dargestellt, wel­ ches aus dem Außenrohr (1), dem Kernrohr (2) und dem Innenrohr (3) in koaxialer An­ ordnung besteht, wobei das Außen- und Innenrohr mit dem Kernrohr an den Kontaktzo­ nen durch Stoffschluß fest verbunden ist. Die Rippenstruktur (4) des Kernrohres wird durch Ausschnitte mit vorgegebenem Konturverlauf aus einem Rohrhalbzeug hergestellt.

In Fig. 2 ist das Leichtbauelement nach Anspruch 11 in 3D-Ansicht dargestellt, welches aus dem Außenrohr (1) und dem Kernrohr (2) besteht, die an den Kontaktzonen (Innenfläche Außenrohr zu Außenfläche Kernrohr) durch ein Fügeverfahren fest miteinan­ der (Stoffschluß) verbunden sind. Die Rippenstruktur (4) wird ebenfalls durch Ausschnitte mit vorgegebenem Konturverlauf aus dem Rohrhalbzeug erzeugt.

In Fig. 3 ist das Leichtbauelement nach Anspruch 12 mit mehrschichtigem Aufbau in 3D-Ansicht dargestellt. Hier ist zu erkennen, daß das Leichtbauelement aus vier Kernroh­ ren (2, 5, 7, 9) und fünf Mantelrohren (1, 3, 6, 8, 10) besteht, die miteinander an den Kon­ taktflächen unter Anwendung eines unter Anspruch 5 bis 7 genannten Fügeverfahrens stoffschlüssig verbunden sind. Man erkennt, daß es ohne weiteres möglich ist, das Leichtbauelement mehrschichtig aufzubauen. Es ist lediglich darauf zu achten, daß eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Elementen erreicht wird. Bei dieser mehrschichtigen Bauweise können zusätzliche Aufgaben erfüllt werden, wie z. B. Stabili­ sierung sehr dickwandiger Leichtbauelemente in Rohrverbundbauweise, Trennung einge­ füllter Medien, Wärmetauschfunktionen sowie Einleitung bzw. Abtragung von Membran­ spannungen und Randverstärkungen.

In Fig. 4 ist die Schneidbearbeitung des Kernrohres am Beispiel des unter Anspruch 8 ge­ nannten Trennverfahrens "Laserschneiden" dargestellt. Die Fertigung der Rippenkonturen (4) des Kernrohres (2) wird mittels dem Strahlwerkzeug "Laser" (11) automatisiert durchgeführt.

In Fig. 5 ist die Fügebearbeitung des Leichtbauelements am Beispiel des unter Anspruch 5 genannten Fügeverfahrens "Laserschweißen" dargestellt. Hierbei werden die Außen- (1), Kern- (2) und Innenrohre (3) durch Tiefenschweißen mittels des Strahlwerkzeuges Laser (12) von außen (einseitige Bearbeitung) in einem Arbeitsgang entlang der Rippenkontur (13) (Schweißbahn) des Kernrohres durchgeschweißt.

In Fig. 6 ist eine Anwendung des neuen Leichtbauelements als hochsteife und leichte Tragstruktur eines Fahrradrahmens (14) dargestellt. Die Elemente des Rohrrahmens beste­ hen hierbei aus dem neu entwickelten Leichtbauelement in Rohrverbundbauweise.

Claims (14)

1. Leichtbauelement in Rohrverbundbauweise, bestehend aus einem Verbund von koaxial ineinander angeordnetem Außen-, Kern- und Innenrohr, wobei das Außen- und Innen­ rohr durch das dazwischenliegend angeordnete Kernrohr auf Distanz gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernrohr (2) aus einem Rohr besteht, welches Ausschnitte mit vorgegebenem Konturverlauf zur Erzeugung von Rippen (4) mit defi­ niertem Konturverlauf und Querschnittsabmessungen aufweist und mit dem Außenrohr (1) und Innenrohr (3) an den Kontaktflächen durch Stoffschluß fest verbunden ist, so daß das Leichtbauelement eine hohe Zug-, Druck-, Biege- und Torsionssteifigkeit bei geringem Bauteilgewicht aufweist.

2. Leichtbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Ausschnit­ te aus dem Kernrohr erzeugten Rippen des Kernrohres einen regelmäßigen geometri­ schen Kontur- und Querschnittsverlauf besitzen.

3. Leichtbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Ausschnit­ te aus dem Kernrohr erzeugten Rippen des Kernrohres einen entsprechend den Kraft­ pfaden und Krafteinleitungsstellen abgestimmten Kontur- und Querschnittsverlauf besitzen.

4. Leichtbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Ausschnit­ te aus dem Kernrohr erzeugten Rippenkonturen Kanäle für Kühlmedien oder Versor­ gungseinheiten, wie Kabel, bilden.

5. Leichtbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ bindungen zwischen dem Kernrohr und dem Außen- und Innenrohr an den Auflageflä­ chen (Kontaktzonen) durch Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Punkt­ schweißen, Rollnahtschweißen, Unterpulverschweißen, Schutzgasschweißen, Metal­ lichtbogenschweißen, Gasschmelzschweißen oder dgl. herstellbar sind.

6. Leichtbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ bindungen zwischen dem Kernrohr und dem Außen- und Innenrohr an den Auflageflä­ chen (Kontaktzonen) Lötverbindungen sind.

7. Leichtbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ bindungen zwischen dem Kernrohr und dem Außen- und Innenrohr an den Auflageflä­ chen (Kontaktzonen) durch Kleben herstellbar sind.

8. Leichtbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ schnitte aus dem Kernrohr zur Erzeugung von Rippen durch ein Trennverfahren mit numerisch gesteuerter Schneidkonturerzeugung, wie Laserschneiden, Wasserstrahl­ schneiden, Plasmaschneiden, Stanzen/Nibbeln oder dgl., herstellbar sind.

9. Leichtbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß fluchten­ de Durchbrüche, wie beispielsweise Bohrungen, in das Außen- und Innenrohr bzw. in das Kernrohr eingebracht sind, welche Fixierelemente, wie Schrauben, Nieten, Stifte und dergleichen, aufnehmen können, um die Komponenten des Leichtbauelements für die nachfolgende Fügebearbeitung zu fixieren bzw. zu spannen.

10. Leichtbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume zwischen dem Außen- und Innenrohr für Zwecke der Schwingungsdämp­ fung oder Hohlraumkonservierung für Korrosionsschutz ausgeschäumt bzw. mit Kle­ ber oder Lacken gefüllt sind.

11. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtbauelement aus nur einem Außenrohr bzw. Innenrohr im Verbund mit einem Kernrohr besteht.

12. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Leichtbauelemente zu einem mehrschichtigen Leichtbauelement zu­ sammengefaßt sind.

13. Leichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Außen-, Kern- und Innenrohr aus metallischen Rohren besteht.

14. Verfahren zur Herstellung von Leichtbauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Ausschnitte zur Bildung der Rippenkontu­ ren des Kernrohres aus einem Rohr mittels der unter Anspruch 8 genannten Trennver­ fahren hergestellt werden und daß anschließend das Kern-, Außen- und Innenrohr in­ einander montiert werden, um nach erfolgter Fixierung der Komponenten des Leicht­ bauelements zueinander durch ein nachfolgendes, unter Anspruch 5 bis 7 genanntes Fügeverfahren das Kernrohr mit dem Außen- und Innenrohr an den Kontaktzonen mit­ tels Stoffschlusses fest verbunden wird.