DE19723112C1 - Connection element for a glued connection between two or more bars - Google Patents
Connection element for a glued connection between two or more barsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für eine geklebte Verbindung zwischen zwei oder mehr Stäben mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Das Verbindungselement ist für einen Fachwerksknoten eines Flächen- oder Raumfachwerks beispielsweise für starre oder halbstarre Luftschiffe sowie für weitere Gebiete der Luft- und Raumfahrt vorgesehen, wobei vorzugsweise mehrere Verbindungselemente gemeinsam an einem Fachwerksknoten Verwendung finden. Das Verbindungselement ist auch im Maschinen-, Anlagen- und Stahlbau, im Hauwesen oder beispielsweise im Möbelbau verwendbar. Als Stäbe finden für einen Leichtbau insbesondere Rohre aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) Verwendung, die einen Hartschaumkern aufweisen können. Es lassen sich allerdings auch Stäbe und Rohre aus anderen Materialien, beispielsweise auch aus Aluminium oder Stahl, miteinander verbinden. Die Querschnitte der Stäbe können beispielsweise rund, oval, elliptisch, polygonprofiliert oder mehrkantig sein, wobei die miteinander zu verbindenden Stäbe verschiedene Querschnitte und Querschnittsabmessungen haben können.The invention relates to a connecting element for a glued Connection between two or more bars with the characteristics of Preamble of claim 1. The connecting element is for one Truss node of a surface or spatial framework, for example for rigid or semi-rigid airships and for other areas of air and space travel provided, preferably several connecting elements can be used together on a truss node. The Connecting element is also in machine, plant and steel construction, in Household or usable for example in furniture construction. Find as rods for a lightweight construction, in particular pipes made of carbon fiber reinforced plastic (CFK) use that can have a rigid foam core. Leave it but also rods and tubes made of other materials, for example made of aluminum or steel. The Cross sections of the bars can be round, oval, elliptical, be polygonal or polygonal, with each other connecting rods of different cross-sections and cross-sectional dimensions can have.
Aus der DE 34 47 990 C2 ist ein derartiges Verbindungselement zur Verbindung zweier in einem Winkel zueinander angeordneter Rundstäbe bekannt. Das Verbindungselement weist eine Schale aus faserverstärktem Kunststoff auf, die eine ebene Fläche hat. An ihren Rändern geht die ebene Fläche einstückig in zwei sich tangential anschließende Viertel zylinder über. Gedachte Längsachsen der Viertelzylinder haben denselben Winkel zueinander wie die miteinander zu verbindenden Stäbe. Die Stäbe werden mit den Innenseiten der Viertelzylinder der Schale verklebt, die ebene Fläche der Schale verläuft tangential zu den Stäben. Zum Verbinden zweier V-förmig zueinander angeordneter Stäbe werden zwei der bekannten Verbindungselemente von beiden Seiten mit den beiden Stäben verklebt. Auch ein T-Stoß läßt sich mit zwei der bekannten Verbindungselemente verkleben, wobei die beiden Verbindungselemente zur selben oder zu verschiedenen Seiten vom gestoßenen zum durchlaufenden Stab angeordnet werden können. Das bekannte Verbindungselement hat den Nachteil, daß sich an einem Fachwerksknoten, an dem mehr als zwei Stäbe aneinander stoßen, jeweils zwei Stäbe nur mit einem Verbindungselement auf einer Seite der Stäbe miteinander verbinden lassen. Die Stäbe sind infolge dessen unsymmetrisch miteinander verbunden, weswegen die Belastbarkeit der hergestellten Verbindung und ihre Steifigkeit begrenzt sind. Weiterer Nachteil ist, daß die Herstellung der Verbindung aufwendig und kostenintensiv ist, da die Stäbe zum Verkleben mit den Verbindungselementen in ihrer gegenseitigen Ausrichtung fixiert und die Verbindungselemente bis zum Aushärten des Klebstoffs an den Stäben festgespannt werden müssen.DE 34 47 990 C2 describes such a connecting element for Connection of two round bars arranged at an angle to each other known. The connecting element has a shell made of fiber-reinforced Plastic that has a flat surface. It goes on its edges flat surface in one piece in two tangentially adjoining quarters cylinder over. Imagined longitudinal axes of the quarter cylinders have the same Angle to each other like the rods to be connected. The bars are glued to the inside of the quarter cylinder of the shell, the the flat surface of the shell is tangent to the bars. To connect two V-shaped rods are two of the known Fastening elements glued to the two rods from both sides. A T-joint can also be made with two of the known connecting elements glue, the two connecting elements to the same or to different sides from the pushed to the continuous bar can be. The known connecting element has the disadvantage that at a truss node where more than two bars meet, two rods each with only one connecting element on one side of the rods get connected. As a result, the bars are asymmetrical connected to each other, which is why the resilience of the connection made and their stiffness is limited. Another disadvantage is that the production of Connection is complex and costly because the rods for gluing to the Fixing elements fixed in their mutual orientation and the Fasteners until the glue on the rods has hardened must be tightened.
Aus der DE 39 31 478 C1 ist eine geklebte Verbindung zwischen zwei oder mehr in einem Winkel zu einander angeordneten Stäben bekannt. Diese Verbindung weist drei Verbindungselemente auf, nämlich zwei einander gegenüberliegende Verbindungselemente, die sich tangential von Stab zu Stab erstrecken, sowie einen Abschlußstab, der an einer offenen Seite zwischen die Verbindungs elemente eingesetzt und eingeklebt ist. Diese Verbindung hat zunächst den Nachteil, daß sie aus drei Verbindungselementen zusammengesetzt werden muß. Ihre Konstruktion ist nicht kraftflußgerecht und die Herstellung der Klebeverbindung ist aufwendig, da die zu verbindenden Stäbe in ihrer räumlichen Lage zueinander fixiert und die drei Verbindungselemente zum Verkleben an den Stäben festgespannt werden müssen, wozu eine Spannvorrichtung notwendig ist.DE 39 31 478 C1 describes a glued connection between two or more known at an angle to each other arranged bars. This connection has three connecting elements, namely two opposite one another Connecting elements that extend tangentially from rod to rod, and a closing rod, which is on an open side between the connection elements inserted and glued. This connection initially has the Disadvantage that it must be composed of three connecting elements. Their construction is not suitable for the flow of force and the manufacture of the Adhesive connection is complex because the rods to be connected are spatially Position fixed to each other and the three connecting elements for gluing to the Bars must be clamped, for which a clamping device is necessary.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungselement der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich unter seiner Verwendung eine geklebte Verbindung von Stäben herstellen läßt, die hinsichtlich Belastbarkeit, Steifigkeit, einfacher Montage und kostengünstiger Fertigung sowie hinsichtlich des Gewichts optimiert ist.The object of the present invention is to provide a connecting element at the beginning mentioned type so that a glued using it Connection of rods can be made, which with regard to resilience, rigidity, easy assembly and cost-effective production and in terms of weight is optimized.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Schale des erfindungsgemäßen Verbindungselements ist U-förmig ausgebildet. Schenkelwände der U-förmigen Schale haben den gleichen oder etwas weniger Abstand voneinander als die miteinander zu verbindenden Stäbe dick sind. Bei Stäben unterschiedlicher Querschnittsabmessungen ändert sich der Abstand der Schenkelwände voneinander. Die Schenkelwände verlaufen eben oder ganz bzw. teilweise konkav gewölbt von Stab zu Stab, und sie verlaufen im wesentlichen tangential an die Stäbe heran. Durch die tangentiale Ausrichtung der Schenkelwände werden Kräfte von den Stäben auf die Schale des Verbindungselements als Schubspannungen über eine Verklebung der Stäbe mit der Schale übertragen, so daß die Klebung und damit die Verbindung zwischen den Stäben und dem Verbindungselement hoch belastbar ist. Schälspannungen bei in den Schenkelwänden wirkenden Zugkräften, die die Schenkelwände am Übergang zu den Stäben mit einer Normalkraft von diesen Abheben und dadurch die Klebung an deren Rand ungünstig belasten würde, werden durch das erfindungsgemäße Verbindungselement vollständig oder zumindest weitestgehend vermieden.This object is achieved by the features of claim 1 solved. The shell of the connecting element according to the invention is U-shaped educated. Thigh walls of the U-shaped shell have the same or slightly less distance from each other than the rods to be connected are fat. With bars of different cross-sectional dimensions, the changes Distance of the leg walls from each other. The thigh walls are level or completely or partially concave from rod to rod, and they run in essentially tangential to the bars. Due to the tangential orientation of the Thigh walls are forces exerted by the bars on the shell of the Connecting element as shear stresses by gluing the rods transferred the shell, so that the adhesive and thus the connection between the rods and the connecting element is highly resilient. Peeling stresses with tensile forces acting in the leg walls, which the leg walls on Transition to the bars with a normal force lifting them off and thereby would adversely affect the adhesive on the edge of which are connecting element according to the invention completely or at least largely avoided.
Eine Jochwand der U-förmigen Schale erstreckt sich im Zwischenraum zwischen den miteinander zu verbindenden Stäben. Sie bildet einen Zylinderflächen- oder Sattelflächenabschnitt. Bei in einem stumpfen Winkel zueinander angeordneten Stäben kann die Jochwand auch an den Stäben anliegen.A yoke wall of the U-shaped shell extends in the space between the rods to be connected. It forms a cylindrical surface or Saddle area section. When arranged at an obtuse angle to each other The yoke wall can also rest against the bars.
Die beiden Schenkelwände umfassen die Stäbe nach Art eines Mauls, dessen Backen auf einem Umschlingungswinkel an den Stäben anliegen und die Stäbe auf zwei gegenüberliegenden Seiten zwischen sich halten, indem sie über Stellen der Oberfläche, die ein relatives Abstandsmaximum in einer Schnittebene normal zu einer Stabachse darstellen, hinweg anliegen. Dadurch wird zum einen eine ausreichend große Klebefläche erzielt. Das Verbindungselement hält die Stäbe bereits bei ungeklebter Verbindung formschlüssig zwischen seinen Schenkelwänden. Die Stäbe lassen sich zwischen die die Backen des Mauls bildenden Schenkelwände nach Art einer Schnappverbindung drücken und werden in ihrer Stellung zueinander fixiert. Separate Fixiermittel zum Halten der Stäbe in ihrer räumlichen Anordnung während des Verklebens sind daher ebenso entbehrlich wie Spannmittel zum Spannen der Schale gegen die Stäbe während des Aushärtens des Klebstoffs.The two leg walls enclose the rods in the manner of a mouth, the Bake on a wrap angle on the rods and the rods hold on two opposite sides between them by hovering over places the surface, which is a relative distance maximum in a Display the cutting plane normal to a member axis, lie against it. On the one hand, this results in a sufficiently large adhesive surface. The The connecting element holds the rods even when the connection is not glued form-fitting between his thigh walls. The rods can be between the leg walls forming the jaws of the mouth in the manner of a Press snap connection and will be in position to each other fixed. Separate fixative to hold the bars in their spatial Arrangement during gluing is therefore as unnecessary as Clamping device for clamping the shell against the bars during curing of the adhesive.
Das erfindungsgemäße Verbindungselement stellt eine kraftflußgerechte Konstruktion dar. Eine Kraftübertragung zwischen den Stäben und den Verbindungselementen findet unter weitestgehender Vermeidung von Schälspannungen oder Kerbwirkungen statt. Deshalb können hohe Zug- und Druckkräfte sowie Biege- und Torsionsmomente von Stab zu Stab über das Verbindungselement übertragen werden. Durch den räumlichen Abstand der Schenkelwände weist das Verbindungselement eine hohe Steifigkeit auch senkrecht zur Ebene seiner Schenkelwände auf. Eine Knicktendenz der Stäbe eines Fachwerks wird dadurch erheblich reduziert. Mit dem Verbindungs element lassen sich auch in mehreren Ebenen angeordnete Stäbe an einem Fachwerksknoten eines Raumfachwerks miteinander verbinden. Das erfindungsgemäße Verbindungselement weist keine Trennebene in einer von den zu verbindenden Stäben aufgespannten Ebene auf.The connecting element according to the invention provides a force flow-compatible Construction represents. A power transmission between the bars and Fasteners take place with the greatest avoidance of Peeling stresses or notch effects take place. Therefore, high train and Compression forces as well as bending and torsional moments from rod to rod via the Connection element are transmitted. Due to the spatial distance of the Thigh walls, the connecting element also has high rigidity perpendicular to the plane of its thigh walls. A tendency of the bars to buckle of a truss is considerably reduced. With the connection element can also be arranged in several levels on one bar Connect the truss nodes of a space truss. The Connection element according to the invention has no parting plane in one of on the spanned plane to be connected.
Bei bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung liegen die Schenkelwände nach Art einer Federklammer unter Vorspannung an den Stäben an und klemmen die Stäbe zwischen sich fest. Dadurch werden sowohl die Fixierung der Stäbe aneinander als auch das Spannen der Schenkelwände gegen die Stäbe zum Verkleben verbessert.In a preferred embodiment of the invention, the leg walls lie behind Kind of a spring clip under tension on the rods and clamp the Rods stuck between them. This will both fix the rods to each other as well as the tensioning of the leg walls against the bars Gluing improved.
Zur Erhöhung der Belastbarkeit der Verbindung endet die Jochwand der Schale mit Abstand von den miteinander verbundenen Stäben, um zu vermeiden, daß die Schale in einem stumpfen Winkel auf die Stäbe stößt, was bei großer Belastung der Verbindung zu Schälspannungen und eventuell einen Riß zur Folge hätte.To increase the load capacity of the connection, the yoke wall ends Shell spaced from the interconnected bars to avoid that the shell hits the bars at an obtuse angle, what with great stress on the connection to peeling stresses and possibly would result in a crack.
Vorzugsweise ist der Raum zwischen der Schale und den Stäben mit einem Kern, insbesondere aus Hartschaum, ausgefüllt, der mit der Schale und den Stäben verbunden ist. Er behindert große Verformungen der Schale und wirkt so einem Beulen der Schale bei großen Lasten entgegen. Zur Vermeidung von ungünstigen Belastungen des Kerns oder zur Gewichtsreduktion kann der Kern auch Aussparungen bzw. Höhlräume aufweisen, sowie nur teilweise mit der Schale und den Stäben verbunden sein. Durch diese spezielle Ausgestaltung wird die versteifende Wirkung des Kerns gezielt, reduziert, um den Kraftfluß im Verbindungselement von weniger tragfähigen zu tragfähigeren Bereichen hin zu verlagern.Preferably, the space between the shell and the bars is one Core, especially made of rigid foam, filled with the shell and the Rods is connected. It prevents large deformations of the shell and works against a buckling of the shell under heavy loads. To avoid unfavorable loads on the core or for weight loss can Core also have recesses or cavities, as well as only partially be connected to the shell and the rods. Through this special Design, the stiffening effect of the core is targeted, reduced, to reduce the flow of force in the connecting element from less stable shift to more sustainable areas.
Bei der Verwendung eines Kerns läuft bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Wölbung der Schenkelwände vor dem Bereich in dem sie die Stäbe umschlingen aus. Hierdurch verlaufen die Schenkelwände tangential und eben an die Stäbe heran. Normalkräfte, die zu Schälspannungen in der Verklebung zwischen den Schenkelwänden und den Stäben führen würden, werden so weitestgehend vermieden.In a preferred embodiment, the use of a core runs the invention the curvature of the leg walls in front of the area in which they wrap the rods out. As a result, the leg walls run tangential and even to the bars. Normal forces leading to Peeling stresses in the bond between the leg walls and the Rods would be avoided as far as possible.
Die Schale des erfindungsgemäßen Verbindungselements besteht vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, beispielsweise aus CFK, das eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht aufweist. Es sind jedoch auch Glas-, Metall-, Aramid- oder andere Chemiefaserverstärkungen sowie hybride Faserverstärkungen denkbar. Bei Anwendungen, bei denen eine einheitliche Materialwahl im Vordergrund steht oder das Gewicht eine weniger entscheidende Rolle spielt, kann das Verbindungselement beispielsweise auch aus nicht faserverstärktem Kunststoff, Aluminium- oder Stahlblech hergestellt sein. Bei der Verwendung des gleichen Materials für die Stäbe und die Schale der Verbindungselemente werden Spannungen infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungen vermieden.The shell of the connecting element according to the invention is preferably made made of a fiber-reinforced plastic, for example made of CFRP, the one has high strength with low weight. However, they are also glass, Metal, aramid or other synthetic fiber reinforcements as well as hybrid ones Possible fiber reinforcements. For applications where a uniform The choice of material is in the foreground or the weight is less the connecting element can play a decisive role, for example also made of non-fiber-reinforced plastic, aluminum or steel sheet be made. When using the same material for the rods and the shell of the fasteners will be stressed as a result different thermal expansions avoided.
Ein faserverstärkter Kunststoff der Schale kann eine oder mehrere gleiche oder verschiedene Gewebelagen, sog. Rowings oder unidirektionale Fasergelege aufweisen, die in einen Kunstharz-Matrixwerkstoff eingebettet sind. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung nimmt der Faseranteil, d. h. Gewicht der Fasern im Verhältnis zum Gewicht der Fasern und des Matrix- Werkstoffs, zum Rand der Schale hin ab. Dadurch wird eine gewollte Steifigkeitsänderung der Schale in ihrem Randbereich erzielt. Spannungsspitzen in der Klebeschicht werden vermindert und die Belastbarkeit der Klebeverbindung wird erhöht. Zum gleichen Zweck kann der Schalenrand eine schräge oder gerundete Fase aufweisen.A fiber-reinforced plastic shell can be one or more of the same or different fabric layers, so-called rowings or unidirectional Have fiber fabrics embedded in a synthetic resin matrix material are. In one embodiment of the invention, the fiber content, i. H. Weight of the fibers in relation to the weight of the fibers and the matrix Material, towards the edge of the shell. This will be a deliberate one Stiffness change of the shell achieved in its edge area. Stress peaks in the adhesive layer are reduced and the Resilience of the adhesive connection is increased. Can do the same the edge of the shell has an oblique or rounded bevel.
Ebenso trägt es zur Verbesserung der Klebeverbindung bei, wenn der Matrix-Werkstoff der Schale gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung eine spitz zulaufende Fuge zwischen den Schenkelwänden und den Stäben ein Stück weit ausfüllt. Auch dadurch werden Spannungsspitzen in der Klebeschicht und insbesondere normal zu den Stäben gerichtete Spannungen auf den Bereich der Schenkelwände der Schale, in dem sie sich von den Stäben entfernen, vermindert und die Festigkeit der Verbindung erhöht. Der gleiche positive Effekt wird erzielt, wenn nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, ein Klebstoff, der die Schenkelwände und die Stäbe miteinander verbindet, durch ein entsprechendes Klebeverfahren die oben genannten Fugen ein Stück weit ausfüllt. It also helps to improve the adhesive connection if the Matrix material of the shell according to an embodiment of the invention tapered joint between the leg walls and the bars Completely filled out. This also causes voltage peaks in the Adhesive layer and in particular stresses normal to the bars on the area of the thigh walls of the bowl in which they differ from the Remove rods, diminishes and increases the strength of the connection. The same positive effect is achieved when after another Embodiment of the invention, an adhesive that the leg walls and the Connects rods with each other by an appropriate adhesive process Fills the joints mentioned above to a certain extent.
Insbesondere für Weltraumanwendungen wird für den Kern vorzugsweise ein diffusionsdurchlässiger Werkstoff verwendet, um einen Überdruck in den Poren des Kerns zu vermeiden. Zum gleichen Zweck kann ein gut durch den Kern und ggf. durch die Schale diffundierendes Treibgas wie Helium oder Wasserstoff zum Aufschäumen des Kerns verwendet werden.In particular for space applications, a is preferably used for the core diffusion permeable material used to create an overpressure in the To avoid pores of the core. For the same purpose, a good can by the Core and possibly propellant gas diffusing through the shell such as helium or Hydrogen can be used to foam the core.
Die Vorspannung, mit der die Schenkelwände der als eine Art Federklammer ausgebildeten Schale an den Stäben anliegen, ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in Achsrichtung der Stäbe gesehen in der Mitte der Schale höher als zu ihren Enden hin, um überschüssigen Klebstoff und damit eventuell im Klebespalt vorhandene Gasbläschen aus dem Klebespalt heraus zu verdrängen.The preload with which the thigh walls act as a kind of spring clip trained shell on the rods, is a preferred Embodiment of the invention seen in the axial direction of the rods in the Middle of the bowl higher than towards its ends to excess Adhesive and any gas bubbles present in the adhesive gap to dislodge the adhesive gap.
Bei Verbindungselementen, deren Schenkelwände keine oder eine zu geringe Wölbung für die Befestigung weiterer Verbindungselemente besitzen, können die Schenkelwände zur Ausbildung oder Vergrößerung relativer Abstandsmaxima der Oberfläche Abschnitte größerer Dicke aufweisen. Dadurch erhalten die Verbindungselemente nach außen abstehende Verdickungen, die von einem weiteren Verbindungselement wie ein Stab formschlüssig nach einer Art Schnappverbindung übergriffen werden können.In the case of connecting elements whose leg walls have no or too little Can have curvature for the attachment of additional fasteners the thigh walls for training or enlargement relative Distance maxima of the surface have sections of greater thickness. This gives the connecting elements protruding outwards Thickening by another fastener like a rod can be positively gripped after a kind of snap connection.
Zur zusätzlichen Versteifung kann eine mittels erfindungsgemäßer Verbindungselemente hergestellte Verbindung eine Stütze aufweisen, die in einem Winkel zueinander angeordnete Stäbe außerhalb des jeweiligen Verbindungselements verbindet.For additional stiffening, one according to the invention Connection elements produced connection have a support that in bars arranged at an angle to each other outside of each Connecting element connects.
Das Verbindungselement läßt sich in einem automatisierten Prozeß herstellen. Bei der Verwendung von homogenen Werkstoffen für die Schale läßt sich diese durch Guß- oder Umformverfahren herstellen. Eine faserverstärkte Schale kann mit einem Resin-Transfer-Molding, Reaction- Injection-Molding-, Compression-Molding- oder ein Injectien-Molding- Verfahrengefertigt werden. Die Fasern können zur besseren Verarbeitung vorgeformt werden. Auch ein Handlaminieren der Schale ist möglich, ebenso ein Herstellen der Schale mit kurzen, ungerichteten Fasern im Spritzgußverfahren. Bei Verbindungselementen mit einem Kern, kann dieser in einer Form aufgeschäumt oder spanend hergestellt werden. Die Schale kann anschließend auf den Kern aufgebracht werden. Der Kern kann jedoch auch durch Auffüllen des Kernraums in der Schale hergestellt werden. Auch im Zweistoffspritzverfahren läßt sich das erfindungsgemäße Verbindungselement herstellen.The connecting element can be in an automated process produce. When using homogeneous materials for the shell this can be produced by casting or forming processes. A fiber-reinforced shell with a resin transfer molding, reaction Injection molding, compression molding or an injectien molding Process manufactured. The fibers can be used for better processing be preformed. Hand lamination of the shell is also possible making the shell with short, non-directional fibers in the Injection molding process. For fasteners with a core, this can can be foamed or machined in a mold. The shell can then be applied to the core. The core, however, can can also be produced by filling the core space in the shell. Also the inventive method can be used in a two-component spraying process Establish connecting element.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated below with reference to the drawing Exemplary embodiments explained in more detail. Show it:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Verbindungselement in perspektivischer Darstellung; Fig. 1 shows an inventive connecting element in perspective view;
Fig. 1a eine Vergrößerung einer Einzelheit gemäß Pfeil Ia in Fig. 1; FIG. 1a is an enlargement of a detail according to arrow Ia in Fig. 1;
Fig. 1b eine Vergrößerung einer Einzelheit gemäß Pfeil Ib in Fig. 1; FIG. 1b is an enlargement of a detail according to arrow Ib in Fig. 1;
Fig. 2 einen Fachwerksknoten mit erfindungsgemäßen Verbindungselementen in Seitenansicht; und Figure 2 shows a truss node with connecting elements according to the invention in side view. and
Fig. 3 einen Schnitt entlang einer geknickten Schnittlinie III-III in Fig. 2. Fig. 3 is a sectional view taken along a kinked line III-III in Fig. 2.
Das in Fig. 1 dargestellte, erfindungsgemäße Verbindungselement 10 ist ein Sandwichbauteil mit einer Schale 12 aus einem Gewebelaminat, beispielsweise aus CFK, und einem Kern 14 aus Hartschaum. In Seiten ansicht betrachtet hat das Verbindungselement 10 in etwa die Form eines Dreiecks. Die Schale 12 ist U-förmig, sie weist als Jochwand des "U" eine Sattelfläche 16 auf, die eine konkave Seite des gedachten Dreiecks bildet. Die Sattelfläche 16 geht einstückig in zwei dreiecksförmige Schenkelwände 18 über, die Abstand voneinander aufweisen. Ein Zwischenraum zwischen den Schenkelwänden 18 wird vom Kern 14 ausgefüllt, der stoffschlüssig mit den Schenkelwänden 18 und der Jochwand 16 der Schale 12 verbunden ist. Diese Bauweise ergibt ein sehr steifes Verbindungselement 10 mit geringem Gewicht. The connecting element 10 according to the invention shown in FIG. 1 is a sandwich component with a shell 12 made of a fabric laminate, for example made of CFRP, and a core 14 made of rigid foam. Viewed in side view, the connecting element 10 has approximately the shape of a triangle. The shell 12 is U-shaped and, as the yoke wall of the "U", has a saddle surface 16 which forms a concave side of the imaginary triangle. The saddle surface 16 merges in one piece into two triangular leg walls 18 which are spaced apart. An intermediate space between the leg walls 18 is filled by the core 14 , which is integrally connected to the leg walls 18 and the yoke wall 16 of the shell 12 . This design results in a very stiff connecting element 10 with low weight.
An den beiden übrigen Seiten der Schenkelwände 18, die nicht an die Sattelfläche 16 angrenzen, setzen sich diese einstückig in Zylinderabschnitte 20 fort. Jeweils zwei Zylinderabschnitte 20 erstrecken sich auf gegenüberliegenden Seiten eines gedachten Zylinders über Linien 22 hinweg, die in einer Zylindermantelfläche ein relatives Abstands maximum darstellen (vgl. die Schnittdarstellung in Fig. 3). Diese Zylinderabschnitte 20 bilden so eine Art Federklammer, die einen in sie eingelegten Stab 24 formschlüssig nach Art einer Schnappverbindung halten.On the two other sides of the leg walls 18 , which do not adjoin the saddle surface 16 , these continue in one piece in cylinder sections 20 . Two cylinder sections 20 each extend on opposite sides of an imaginary cylinder via lines 22 which represent a maximum relative distance in a cylinder jacket surface (cf. the sectional illustration in FIG. 3). These cylinder sections 20 thus form a type of spring clip, which hold a rod 24 inserted therein in a form-fitting manner in the manner of a snap connection.
Die Zylinderabschnitte 20 der Schenkelwände 18 sind in Längsrichtung nicht exakt zylindrisch, ihr Durchmesser ist in axialer Richtung des gedachten Zylinders in der Mitte der Zylinderabschnitte 20 kleiner als an ihren Rändern. Dadurch ist eine Klemmkraft, mit der die Zylinderabschnitte 20 auf dem Stab 24 halten, in der Längsmitte der Zylinderabschnitte 20 größer als an ihren Enden. Dies hat den Zweck überschüssig aufgetragenen Klebstoff samt ggf. in dem Klebespalt vorhandene Gasbläschen zum Rand des Klebespaltes hin zu verdrängen, bevor der Klebstoff aushärtet.The cylinder sections 20 of the leg walls 18 are not exactly cylindrical in the longitudinal direction, their diameter is smaller in the axial direction of the imaginary cylinder in the middle of the cylinder sections 20 than at their edges. As a result, a clamping force with which the cylinder sections 20 hold on the rod 24 is greater in the longitudinal center of the cylinder sections 20 than at their ends. The purpose of this is to displace excess adhesive, including any gas bubbles present in the adhesive gap, towards the edge of the adhesive gap before the adhesive hardens.
Die Schenkelwände 18 sind konkav gewölbt, sie gehen tangential in die Zylinderabschnitte 20 über (siehe Fig. 3). Dies hat den Zweck, Kräfte im wesentlichen als Schubspannungen vom Verbindungselement 10 auf mit ihm zu verklebende Stäbe zu übertragen und so die Belastbarkeit einer mit dem erfindungsgemäßen Verbindungselement 10 hergestellten Stabverbindung zu erhöhen. Um bei einer gewölbter. Schale 12 den Rest an Normalkräften geeignet aufzunehmen füllt ein Matrix-Werkstoff eine spitze Fuge zwischen der eigentlichen Schenkelwand 18 und dem jeweiligen Stab aus (vgl. die Vergrößerungsdarstellung in Fig. 1a). Somit wird der ansonsten abrupte Steifigkeitsübergang von der Verbindung Schale/Kern (12/14) auf die Verbindung Schale/Stab (12/24 bzw. 12/32) abgemindert und Schälspannungen werden vermindert. Zum Ausfüllen der Fuge bildet der Matrix-Werkstoff an dieser Stelle einen leistenförmigen, nach innen stehenden Wulst 26 mit nahezu dreiecksförmigem Querschnitt, der die Zylinderwölbung des Zylinderabschnitts 20 ein kurzes Stück fortsetzt.The leg walls 18 are concavely curved, they merge tangentially into the cylinder sections 20 (see FIG. 3). The purpose of this is to transmit forces essentially as shear stresses from the connecting element 10 to rods to be glued to it, and thus to increase the load-bearing capacity of a rod connection produced with the connecting element 10 according to the invention. To at an arched. Shell 12 suitably absorbing the rest of normal forces, a matrix material fills a pointed joint between the actual leg wall 18 and the respective rod (cf. the enlargement in FIG. 1a). Thus, the otherwise abrupt transition in stiffness from the connection sheath / core (12/14) is mitigated to the connecting bowl / rod (12 / 24- and 12/32) and peel stresses are reduced. To fill the joint, the matrix material forms at this point a strip-shaped, inwardly extending bead 26 with an almost triangular cross section, which continues the cylinder curvature of the cylinder section 20 for a short distance.
Die Zylinderflächenabschnitte 20 des Verbindungselements 10 können verschiedene Durchmesser bzw. Abstände voneinander aufweisen, wie in Fig. 1 dargestellt. Auch körnen die beiden zum Halten eines Stabes vorgesehen Zylinderflächenabschnitte 20 verschieden groß ausgebildet und/oder in Längsrichtung des Stabes versetzt zueinander angeordnet sein (nicht dargestellt).The cylindrical surface sections 20 of the connecting element 10 can have different diameters or distances from one another, as shown in FIG. 1. The two cylindrical surface sections 20 provided for holding a rod can also be of different sizes and / or can be arranged offset to one another in the longitudinal direction of the rod (not shown).
Die Sattelfläche 16 endet mit Abstand von dem gedachten Zylinder, dessen Bestandteil die Zylinderabschnitte 20 der Schale 12 sind, um an dieser Stelle Spannungsspitzen des zwischen die Zylinderabschnitte 20 einzulegenden und mit ihnen zu verklebenden Stabes zu vermeiden (vgl. Fig. 2). Ebenso dienen der Verminderung von Spannungsspitzen die Aus bildung einer Fase 28 entlang der Ränder der Schale 12 und/oder eine Abnahme des Faseranteils zum Rand der Schale 12 hin, wie in der Vergrößerungsdarstellung von Fig. 1b anhand des dort angedeuteten Gewebes 30 dargestellt.The saddle surface 16 ends at a distance from the imaginary cylinder, of which the cylinder sections 20 of the shell 12 are part, in order to avoid stress peaks at this point of the rod to be inserted between the cylinder sections 20 and to be glued to them (cf. FIG. 2). Likewise, the reduction of stress peaks from the formation of a chamfer 28 along the edges of the shell 12 and / or a decrease in the fiber content towards the edge of the shell 12 , as shown in the enlarged view of FIG. 1b using the fabric 30 indicated there.
Das erfindungsgemäße Verbindungselement 10 ist zur Herstellung einer geklebten Verbindung zwischen Stäben gleichen oder unterschiedlichen Querschnitts und Querabmessung an Fachwerksknoten, insbesondere für Luft- und Raumfahrt vorgesehen. Die Herstellung eines Fachwerksknotens ist in Fig. 2 und 3 dargestellt. Die dargestellte Verbindung weist zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Stäbe 32 kleineren Durchmessers, die miteinander und mit einem durchgehenden Stab 24 größeren Durchmessers verbunden sind, gegen den sie unter einem Winkel von 45° stoßen, auf. Alle drei Stäbe 24, 32 befinden sich in einer Ebene. Die Stäbe 24, 32 sind an sich bekannte Rohre aus kohlefaserverstärktem Kunststoff mit einem Hartschaumkern.The connecting element 10 of the invention is for making a glued joint between rods same or different cross-section and transverse dimension of truss nodes, intended in particular for aerospace applications. The manufacture of a truss node is shown in FIGS. 2 and 3. The connection shown has two rods 32 of smaller diameter arranged at right angles to one another, which are connected to one another and to a continuous rod 24 of larger diameter, against which they abut at an angle of 45 °. All three bars 24 , 32 are in one plane. The rods 24 , 32 are known tubes made of carbon fiber reinforced plastic with a rigid foam core.
Zur Herstellung der geklebten Verbindung des in Fig. 2 und 3 dargestellten Fachwerksknotens werden zunächst die Innenseiten der Zylinderabschnitte 20 und des Kerns 14 der Verbindungselemente 10 mit Klebstoff bestrichen und auf den durchgehenden Stab 24 aufgeklippst sowie die beiden dünneren Stäbe 32 in die Verbindungselemente 10 eingeklippst. Die drei Stäbe 24, 32 sind dadurch bereits in ihrer Stellung zueinander fixiert. Anschließend werden die Innenseiten der Zylinderabschnitte 20 und des Kerns 14 eines dritten Verbindungselements 34 mit Klebstoff bestrichen und dieses Verbindungselement 34 auf die beiden dünneren Stäbe 32 aufgeklippst, wobei dessen Zylinderabschnitte 20 die Zylinderabschnitte 20 der beiden anderen Verbindungselemente 10 überlappen. Auf diese Weise wird ein sehr steifer und stabiler Fachwerksknoten geschaffen.For producing the bonded joint of the truss node shown in Fig. 2 and 3 be coated 14 of the connectors 10 with adhesive and clipped onto the continuous rod 24, first the inner sides of the cylinder portions 20 and the core and the two thinner rods clipped into the connecting elements 10 32nd The three rods 24 , 32 are thus already fixed in their position relative to one another. Then, the inner sides of the cylinder portions 20 and the core 14 of a third connecting member 34 coated with adhesive and this connection member clipped onto the two thinner rods 32 34, wherein the cylinder portions 20 overlap the cylinder portions 20 of the other two connecting elements 10th This creates a very stiff and stable truss node.
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