DE19701445C1 - Verbindungselement zur Verbindung von Stäben unterschiedlichen Durchmessers, Verfahren zur Herstellung dieser Verbindungselemente und längliches Strukturelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zur Verbindung von Stäben unter­ schiedlicher Durchmesser, von denen zumindest der größere zumindest im Verbindungsbereich ein Hohlstab ist, der Querschnitt des Verbindungselemen­ tes kreisringförmig ausgebildet ist, der Außendurchmesser des kreisringförmigen Verbindungselementes dem Innendurchmesser des Stabes mit dem größeren Durchmesser entspricht, und der Innendurchmesser des kreisringförmigen Verbindungselementes dem Außendurchmesser des Stabes mit dem kleineren Durchmesser entspricht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Her­ stellung dieser Verbindungselemente und ein längliches Strukturelement mit diesen Verbindungselementen.

Verbindungselemente zur Verbindung von Stäben sind in vielfacher Form be­ kannt. Beispielsweise schlägt die DE 43 30 857 C2 ein Verbindungselement aus einem Verbundwerkstoff mit Kohlenstoffasern vor, durch das Quer- oder Diago­ nalstäbe an einen durchgehenden Holm in Fachwerken angeschlossen werden können. Aus der DE 34 47 990 C2 ist ein Verbindungselement für eine geklebte Verbindung zwischen zwei unter einem Winkel zueinander liegenden Stäben mit rundem Querschnitt bekannt.

Es tritt jedoch auch der Fall auf, daß Stäbe nicht quer oder diagonal, sondern längs aneinander angeschlossen werden sollen. Neben standardmäßigen Über­ gängen, beispielsweise mittels Muffen oder durch Verschweißen, besteht ein Bedarf nach dem Verbinden auch von Stäben unterschiedlichen Durchmessers, wobei diese Verbindungen nicht unerheblichen Belastungen ausgesetzt sind.

Kurze Stäbe, bei denen der "Knickfall" ausgeschlossen werden kann, besitzen die höchste Druckbelastbarkeit. Bei Stablängen oberhalb einer kritischen Länge fällt das maximale Tragvermögen mit dem Quadrat der Länge ab. Will man nun auch bei größeren Längen ein Ausknicken des Stabes vermeiden, so kann dies nur durch eine größere Biegesteifigkeit E × I in Stabmitte erreicht werden. Eine Erhöhung der Biegesteifigkeit wäre also durch die Erhöhung des Trägheitsmo­ mentes I oder durch die Erhöhung des E-Moduls, also einer Materialkenngröße zu erreichen. Eine Vergrößerung des Stabdurchmessers führt bei rohrförmigen Querschnitten zu einer Erhöhung des Trägheitsmomentes, in die sie mit der drit­ ten Potenz eingeht, also ausgesprochen wirkungsvoll ist.

Würde man nun jedoch wegen der Knickgefährdung durchgängig große Stab­ durchmesser wählen, so müßten entsprechend große Krafteinleitungen an den Enden vorgesehen werden. Diese Krafteinleitungen sind erheblich überdimen­ sioniert und vergrößern demzufolge die Masse des Stabes deutlich.

Aus der DE-AS 14 75 036 ist ein Verbindungselement aus Kunststoff zum ko­ axialen Verbinden einer Welle mit einem Rohr und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Es wird radial zwischen Welle und Rohr eingesetzt und ist am Außenumfang in axialem Abstand mit ringförmigen Erhebungen versehen, die im eingebauten Zustand elastisch verformbar sind. Die Welle, die hier den geringeren Durchmesser besitzt, wird durch das Verbindungselement ge­ schoben und das Verbindungselement selbst dann innen in das Rohr hinein. Dabei werden die radial nach außen stehenden ringförmigen Erhebungen ver­ formt und klemmen das Verbindungselement auch im Rohr fest. Diese Kon­ struktion ist sehr schwer und eher schubweich. Die elastisch verformbaren kreisförmigen Ringe bleiben in ihrem verformten und damit empfindlichen Zu­ stand und sind damit empfindlich gegen wechselnde oder unterschiedliche Be­ lastungen. Gegen ein Eindringen in die ursprüngliche Einschubrichtung müssen zusätzliche Hilfsmittel vorgesehen werden.

Ähnliche Nachteile besitzt auch ein Rohr mit einer unlösbaren Steckverbindung gemäß dem DE-GM 74 17 689. Die dort vorgeschlagene Steckverbindung dient zur unlösbaren Schnellverbindung zweier Rohre miteinander oder mit einem zylindrischen Körper. Ein Verriegelungsglied ist vorgesehen, das die Form eines zylindrischen Hohlkörpers mit mehreren auf einer Mantelfläche angeordneten axial nach innen oder in entgegengesetzter Richtung nach außen hervor­ stehenden Verriegelungskanten aufweist. Auch hier wird eine künstliche, zusätzliche teilelastische Rauhigkeit erzeugt, die die Innenseite eines Rohres mit größerem Durchmesser mit der Außenseite eines Rohres mit kleinem Durchmesser zusammenhalten soll. Die Gewichte sind wiederum erheblich und die Herstellung ist nicht unkompliziert, da Verriegelungszungen nach innen und außen herausgestanzt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung wäre es daher, ein Verbindungselement zur Verbindung von Stäben unterschiedlichen Durchmessers vorzuschlagen, das zu einem ge­ ringeren Gewicht führt.

Das erfindungsgemäße Verbindungselement löst die Aufgabe dadurch, daß Schaumsegmente vorgesehen sind, deren Querschnitte Kreisringsektoren bil­ den, und daß die Schaumsegmente jeweils durch Schubwände voneinander getrennt sind.

Mit Hilfe eines derartigen Übergangsstückes können die Längskräfte eines Sta­ bes mit kleinem Durchmesser in einen solchen mit großem Durchmesser geleitet werden, natürlich auch umgekehrt. Es können also Stäbe mit unterschiedlichen Durchmessern konzentrisch miteinander verbunden werden. Das Ver­ bindungselement ist auch deutlich leichter als die Konzeptionen aus dem Stand der Technik.

Dieses Übergangsstück, vielleicht auch als Reduzierstück zu bezeichnen, be­ sitzt Schaumsegmente, deren Querschnitte Kreisringsektoren darstellen. Diese Kreisringsektoren sind voneinander durch Schubwände getrennt. Der gesamte Kreisring ist zwischen den beiden sich im Übergangsbereich überlappenden Stäben, also dem "dünnen" und dem "dicken", konzentrisch angeordnet.

Die Schubstege übernehmen dabei die Kraftübertragung vom dünnen auf den dicken Stab. Das Übergangsstück bzw. Verbindungselement ist dabei jeweils mit der Innenseite des äußeren Stabes, also des größeren, ebenso aber auch mit der Außenseite des inneren, kleineren, reibschlüssig verbindbar und im zu­ sammengebauten Zustand auch verbunden.

Bei der Verwendung des Materials "Faserverbundwerkstoff" bietet sich als reib­ schlüssige Verbindung des Verbindungselementes mit den beiden Stäben eine Verklebung an, die besonders zuverlässig und gleichzeitig kostengünstig und einfach geschaffen werden kann.

Die Schubstege zwischen den Schaumsegmenten werden bevorzugt dadurch geschaffen, daß die Schaumsegmente jeweils mit einem Fasergewebeschlauch überzogen sind, wobei die Fasergewebeschläuche zweier aneinander angren­ zender Schaumsegmente jeweils die zwischen den Schaumsegmenten liegende Schubwand bilden.

Jedes einzelne kreisringförmige Schaumsegment ist also mit einem Faserge­ webeschlauch überzogen. Dieser Fasergewebeschlauch ist bevorzugt ein Koh­ lenstoffasergewebeschlauch, er kann auch aus mehreren Lagen bestehen. Je zwei Fasergewebeschläuche liegen also parallel zueinander zwischen zwei Schaumsegmenten, und zwar in dem gesamten Bereich, wo diese beiden Schaumsegmente aufeinandertreffen.

Die Schubstege verlaufen also bevorzugt radial von dem inneren, dünneren Stab zu dem äußeren, dickeren Stab.

Die größte Schubsteifigkeit und -festigkeit wird erzielt, wenn die Fasern der Fa­ sergewebeschläuche ein Gewebe bilden, in welchem die Fasern zur Stablängs­ richtung jeweils einen Winkel von ± 45° bilden.

Die Aufteilung der Kreisringe in die Zahl der Sektoren oder Segmente ist eine Frage der gesamten Stabdimensionierung. Bevorzugt ist es dabei, wenn diese Zahl vier oder sechs beträgt. Dieses stellt bei den meisten Anwendungsfällen eine optimale Kombination aus Krafteinleitung einerseits und Komplexheit und Herstellungsvereinfachung für das Verbindungselement andererseits dar.

Eine feinere Teilung hat eine gleichmäßigere Krafteinleitung zur Folge, durch die höhere Zahl an Fasergewebeschläuchen wird das einzelne Verbindungs­ element jedoch komplexer.

Bevorzugt ist es außerdem, um einen gleichmäßigeren Übergang vom dicken zum dünnen Stab zu ermöglichen, die einzelnen Verbindungselemente konisch zulaufen bzw. kegelförmig auslaufen zu lassen. Dieses ermöglicht, daß der äu­ ßere Stab mit dem größeren Durchmesser in einem sanften Übergang von sei­ nem Ende zu der Außenseite des inneren Stabes mit dem kleineren Durch­ messer überführt wird. Der innere Stab ragt dabei in den äußeren Stab hinein, so daß sich ein Überlappungsbereich bildet.

Zusätzlich ist es noch bevorzugt, wenn ein weiterer Fasergewebeschlauch vor­ gesehen ist, der die gesamte Übergangsstelle abdeckt. Dadurch wird zusätzlich dem Stab eine gewisse Torsionssteifigkeit verliehen. Die Fasergewebe­ schläuche sind aufgrund ihrer Konstruktion auch in der Lage, sich den unter­ schiedlichen Stabdurchmessern anzupassen.

Alternativ kann der weitere Fasergewebeschlauch auch das Verbindungs­ element abdecken, aber mit diesem gemeinsam in den äußeren Stab einge­ bracht sein. Es würde sich dann eine Kante am Ende des äußeren Stabes er­ geben.

Schließlich ist es bevorzugt, die Verbindungselemente in einem Verfahren her­ zustellen, bei dem die Verbindungselemente als Langstab mit konstanter Quer­ schnittsausbildung hergestellt und erst dann in einzelne Stücke zertrennt wer­ den.

Dieses ist fertigungstechnisch besonders sinnvoll, da der Artikel Langstäbe mit ständig gleichem Querschnitt relativ einfach hergestellt und dann einfach einzel­ ne Stücke abgetrennt werden können. Auch der Langstab insgesamt kann dann gleich mit den integrierten Fasergewebeschläuchen geschaffen werden.

Besonders wertvoll werden Verbindungselemente der erfindungsgemäßen Art in Verbindung mit Krafteinleitungselementen für Faserverbundstäbe, die beispiels­ weise aus der DE 41 35 695 C2 bekannt sind. In dieser Druckschrift werden hochbelastbare Krafteinleitungselemente beschrieben, deren Druckfestigkeit allerdings nur bei Kurzstäben voll genutzt werden kann. Bei längeren, knickge­ fährdeten Stäben besteht nun die Möglichkeit, durch Einfügen von Stäben mit größeren Durchmessern insgesamt hochbelastbare Langstäbe zu erzeugen.

Dies ist mit den oben beschriebenen Übergangsstücken bzw. Verbindungsele­ menten ohne weiteres möglich. Dabei bestehen diese bevorzugt aus Faser­ verbundwerkstoffen.

Gerade bei diesem Beispiel zeigt sich, daß entsprechend groß dimensionierte Krafteinleitungen vorgesehen werden müßten, die an sich bei einem angestreb­ ten Langstab nicht erforderlich wären.

Die hier diskutierte Verwendung von Verbindungselementen zur konzentrischen und überlappenden Verbindung zweier Stäbe mit unterschiedlichen Durchmes­ sern führt dagegen zu einem insgesamt sehr leichten und trotzdem hoch belast­ baren, sehr langen Stab. Die Durchmesser dieses Stabes variieren entspre­ chend den Anforderungen, wobei die jeweiligen Stababschnitte mit den erfin­ dungsgemäßen Verbindungselementen verbunden werden.

Es entsteht auf diese Weise ein längliches Strukturelement, bestehend aus zwei oder mehr längs aneinandergefügten Stäben, die über Verbindungselemente gemäß den vorstehenden Überlegungen verbunden sind. Insbesondere kommt dabei ein längliches Strukturelement in Betracht, das zwei Stäbe mit relativ klei­ nem Durchmesser und zwischen diesen beiden Stäben einen dritten Stab mit deutlich größerem Durchmesser besitzt, wobei die Achsen dieser Stäbe iden­ tisch sind und sie längs aneinandergereiht sind. Die Übergänge zwischen den verschiedenen Durchmessern werden dann durch die Verbindungselemente hergestellt.

Die Verbindungselemente sind dabei jeweils mit den Stäben reibschlüssig ver­ bunden, also das Verbindungselement außen mit der inneren Oberfläche des äußeren Stabes und das Verbindungselement innen mit der äußeren Ober­ fläche des inneren Stabes. Diese reibschlüssige Verbindung wird insbesondere als Klebverbindung ausgeführt.

Als Anwendungsbereich kommen in ersten Linie Stäbe aus kohlen­ stoffaserverstärkten Kunststoffen in Betracht. Denkbar ist es aber auch, Alumi­ niumstäbe unterschiedlichen Durchmessers so zu verbinden. Dann würde aller­ dings bevorzugt anstelle der Ummantelung der Schaumsegmente mit harzge­ tränkten Fasergewebeschläuchen auch hier eine Bildung der Schubwände aus Aluminium erfolgen. Die Schaumsegmente dienen in diesem Fall ebenfalls noch zur Verhinderung des Beulens der Schubwände.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele der Er­ findung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Verbindungsbereiches zweier Stäbe;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II aus Fig. 1; und

Fig. 3 einen Schnitt durch eine leicht abgewandelte Ausführungsform.

Ein Stab 10 kleinen Durchmessers befindet sich in der Fig. 1 links. Zu erken­ nen ist, daß sein Querschnitt 11 mit Material ausgefüllt ist, es sich also nicht um einen Hohlstab handelt, was jedoch ebenfalls möglich wäre. Der Stab 10 ist zylindrisch und besitzt einen Außendurchmesser 12 bzw. eine entsprechende runde Außenfläche.

Dieser Stab 10 soll nun mit einem weiteren Stab 20 mit größerem Durchmesser verbunden werden. Der Stab 20 ist ein Hohlstab, was der strichlinierten Darstel­ lung des Querschnitts 21 rechts in der Fig. 1 entnommen werden kann. So­ wohl der Außendurchmesser 22 als auch der Innendurchmesser 23 des hohlen Stabes 20 sind größer als der Außendurchmesser 12 des inneren Stabes 10. Auch der Stab 20 ist zylindrisch und besteht wie der Stab 10 bevorzugt aus ei­ nem Faserverbundwerkstoff.

Zur Verbindung der Stäbe 10 und 20 dient ein Verbindungselement 30. Das Verbindungselement 30 besitzt über den größten Teil seiner Längserstreckung einen konstanten Querschnitt 31, der insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist. Der Außendurchmesser des Verbindungselementes 30 ist so groß wie der In­ nendurchmesser 23 des äußeren Stabes 20 und ist mit diesem in der Fig. 1 reib­ schlüssig verbunden, beispielsweise geklebt. In der Fig. 2 ist der äußerste Ring mit dem Außendurchmesser 22 und dem Innendurchmesser 23 des Stabes 20 ebenfalls zu erkennen, genauso in der Fig. 3.

Das Verbindungselement 30 besteht insbesondere in volumenmäßiger Hinsicht in erster Linie aus mehreren Schaumsegmenten 32. Diese Schaumsegmente sind kreisringsegmentförmig; dabei sind die einzelnen Segmente in den darge­ stellten Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 deutlich als mathematisch ex­ akte Segmente zu erkennen. Das bedeutet, daß ihre Ränder jeweils radial an­ einander angrenzen.

Die einzelnen Schaumsegmente 32 sind voneinander jeweils durch entspre­ chende radiale Schubwände 33 getrennt. Eine andere als radiale Ausbildung wäre denkbar.

Diese Schubwände 33 erstrecken sich von der Innenseite des Verbindungs­ elements 30 bis zu seiner Außenseite und verbinden daher den inneren Stab 10 mit dem äußeren Stab 20 und dienen der Kraftübertragung.

Die Schubwände 33 entstehen dadurch, daß jedes einzelne Schaumsegment 32 von einem Fasergewebeschlauch 34 umgeben ist. Dieser Fasergewebe­ schlauch kann seinerseits aus mehreren Schichten oder Lagen bestehen. Diese Fasergewebeschläuche 34 von je zwei aneinander angrenzenden bzw. benach­ barten Schaumsegmenten 32 bilden dann jeweils die Schubwand 33.

Die Fasergewebeschläuche 34 bilden natürlich außerdem noch genau die bei­ den Bereiche, die außen auf der Außenfläche bzw. dem Außendurchmesser 12 des inneren Stabes 10 aufliegen und diejenigen, die innen auf der Innenfläche bzw. dem Innendurchmesser 23 des äußeren Stabes 20 anliegen und diesen abstützen. Sie haben also eine Mehrfachfunktion. Die Einzelheiten sind insbe­ sondere wiederum in den Fig. 2 und 3 zu erkennen. Die Zahl der Schaum­ segmente beträgt in der Ausführungsform der Fig. 2 vier, in der Fig. 3 dage­ gen sechs. Genau die gleiche Zahl Schubwände 33 liegt natürlich entsprechend vor.

Die Fasergewebeschläuche 34 werden harzgetränkt. Diese Tränkung kann ent­ weder vor dem Aufziehen auf die Schaumsegmente 32 erfolgen, aber auch nachdem die Fasergewebeschläuche auf die Schaumsegmente 32 gezogen sind. Das anschließende Aushärten führt dann zur entstehenden Steifigkeit der Schubwände 33.

Aus der Fig. 1 ist noch zu erkennen, daß dieser Querschnitt 31 des Verbin­ dungselementes 30 von rechts nach links abnimmt, so daß ein konischer Be­ reich 36 entsteht. Dieser konische Bereich 36 beginnt von rechts gesehen ge­ nau dort, wo der äußere Stab 20 endet und nimmt in seinem Durchmesser re­ gelmäßig und kontinuierlich ab, bis der Außendurchmesser 12 des kleineren Stabes 10 erreicht ist. Der kleinere Stab 10 erstreckt sich im übrigen natürlich um einen gewissen Abschnitt 15 bis in den äußeren Stab 20 hinein, was eben­ falls in der Fig. 1 gut zu erkennen ist.

Außen ist der Übergangsbereich, also der konische Bereich 36, ebenso aber auch noch die unmittelbar angrenzenden Abschnitte des inneren Stabes 10 und des äußeren Stabes 20 von einem Fasergewebeschlauch 40 umgeben. Dieser sorgt für eine Torsionssteifigkeit des gesamten Übergangsbereiches und schützt auch den von ihm umgebenen Teil des Verbindungselements 30.

Nicht dargestellt ist eine weitere praktikable Variante. Bei dieser umgibt der Fa­ sergewebeschlauch 40 - auch er übrigens harzgetränkt, siehe oben - ebenfalls das gesamte Verbindungselement. Er wird dann allerdings mit diesem in den hohlen Stab 20 eingeklebt, das heißt, daß der Fasergewebeschlauch 40 mit seiner Außenseite innen an die Innenfläche des äußeren Stabes 20 geklebt wird. Es entsteht bei dieser Variante zwar eine stufenförmige Kante am Ende des Stabes 20, diese stellt jedoch keine Beeinträchtigung der strukturellen Stei­ figkeiten und sonstigen Vorteile der Erfindung dar.

Claims (9)

1. Verbindungselement zur Verbindung von Stäben (10, 20) unterschiedlicher Durchmesser, von denen zumindest der größere Stab (20) zumindest im Verbindungsbereich ein Hohlstab ist,
der Querschnitt (31) des Verbindungselementes (30) kreisringförmig ausgebildet ist,
der Außendurchmesser des kreisringförmigen Verbindungselementes (30) dem Innendurchmesser (23) des Stabes (20) mit dem größeren Durchmesser entspricht, und
der Innendurchmesser des kreisringförmigen Verbindungselementes (30) dem Außendurchmesser (12) des Stabes (10) mit dem kleineren Durch­ messer entspricht,
dadurch gekennzeichnet,
daß Schaumsegmente (32) vorgesehen sind, deren Querschnitte Kreisring­ sektoren bilden, und
daß die Schaumsegmente (32) jeweils durch Schubwände (33) voneinander getrennt sind.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumsegmente (32) jeweils mit einem harzgetränkten Fasergewe­ beschlauch (34) überzogen sind, wobei die Fasergewebeschläuche (34) zweier aneinanderangrenzender Schaumsegmente (32) jeweils die zwischen den Schaumsegmenten (32) liegende Schubwand (33) bilden.

3. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement mit den angrenzenden Bereichen der Stäbe (10, 20) außen mit einem weiteren harzgetränkten Fasergewebe­ schlauch (40) abgedeckt ist.

4. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement mit einem weiteren harzgetränkten Faserge­ webeschlauch (40) abgedeckt und mit diesem in den äußeren Stab (20) mit dem größeren Durchmesser eingelassen ist.

5. Verbindungselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der Fasergewebeschläuche (34) ein Gewebe bilden, in welchem die Fasern zur Stablängserstreckung jeweils einen Winkel von ± 45° bilden.

6. Verbindungselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise vier oder sechs Schaumsegmente (32) vorgesehen sind.

7. Verbindungselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es auf einer Seite einen konischen Bereich (36) aufweist, mit dem der Übergang vom Stab (20) größeren Durchmessers zum Stab (10) kleineren Durchmessers vergleichmäßigt werden kann.

8. Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements nach einem der vor­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente als Langstab mit konstanter Querschnitts­ ausbildung hergestellt und erst dann in einzelne Stücke zertrennt werden.

9. Längliches Strukturelement, bestehend aus zwei oder mehr längs aneinander gefügten Stäben, die über Verbindungselemente nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verbunden sind.