DE2926493A1

DE2926493A1 - Zug-druck-strebe

Info

Publication number: DE2926493A1
Application number: DE19792926493
Authority: DE
Inventors: Jochen Ing Grad Glissmann; Herbert Dr Phil Heissler; Horst Dr Ing Wurtinger
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1979-06-30
Filing date: 1979-06-30
Publication date: 1981-01-15
Also published as: GB2054083B; DE2926493C2; GB2054083A; CH647833A5

Description

™o/fr - 4 -

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG 2 9_ 2 0 4 3

Aktiengesellschaft

München, 28. Juni 1979

Zug-Druck-Strebe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei dem durch die DE-PS 21 46 783 bekannten Längszug-Längsdruck -Bauteil dieser Art muß über den zylindrischen Teil der Bewicklung mit relativ großem Wickelwinkel gewickelt werden, weil über die Rundung bzw. geodätische Polkappenfläche gewickelt wird und außerdem der Außenzapfen vorhanden ist. So ist die Festigkeit der Fasern bei Längszug- und Längsdruckbeanspruchung des Längszug-Längsdruck -Bauteils relativ wenig ausgenutzt und ferner die Steifigkeit der Bewicklung nicht optimal. Der Kern ist ein Vollkern und besteht zur Erzielung eines möglichst leichten genannten Längszug-Längsdruck-Bauteils aus Schaumstoff- c&r Kern ist bei Längszug- und Längsdruckbe-

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anspruchung des Längszug-Längsdruck-Bauteils nicht an der Kraftaufnahme beteiligt.

Es ist ferner durch die DE-AS 11 88 793 ein innendruckfestes Rohr mit Endflanschen und aus einer auf einem nicht faserverstärkten Kunststoffkernröhr befindlichen Bewicklung bekannt. Diese besteht aus Umfangsfasern zur Aufnahme des Innendrucks und aus Längsfasern, die an den Endflanschen um Stifte geführt sind. Das Rohr wird nur durch den Innendruck beansprucht, nicht durch Längszug und nicht durch Längsdruck. Es handelt sich nicht um eine Strebe, erst recht nicht um eine Längszug-Längsdruck-Strebe. Erst bei erhöhtem Innendruck tritt eine Zugbeanspruchung der Längsfasern auf. Der Längsfaden mit seinem sehr kleinen Wickelwinkel erfährt durch einen Stift des Kranzes eine Richtungsänderung zu einem einige Stifte weiter befindlichen Stift dieses Kranzes, um welchen Stift er zum anderen Endflanschgebiet zurückführt. Bei diesen Radialstiften und den vorgesehenen Fadenauflagen im Umlenkgebiet ist die Fadenumlenkung recht scharf, trotz aufwendiger Milderungsmittel (u. a. zwei Stiftkränze je Rohrende mit Stiften auf Lücke), so daß die zulässige Zugspannung der Fasern relativ klein ist. Dies genügt hier auch, denn der Innendruck wird zum wesentlichsten Teil von den Ümfangsfasern aufgenommen.

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Aufgabe gemäß der Erfindung Ist es, die Strebe anfangs genannter Art so weiterzuentwickeln, daß größere Längsspannungen im Faserverbundwerkstoff zulässig sind und sie größeren Längszug und -druck aufnehmen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Längszug wird hier durch die Bewicklung oder diese und das Kernrohr, der Längsdruck durch das Kernrohr und die Bewicklung aufgenommen. Es wird im Gegensatz zu dem bekannten Längszug-Längsdruck-Bauteil und zu dem bekannten Flanschrohr bei dieser Strebe der Kern bzw. ein Kernrohr bei Längsbeanspruchung der Strebe zur Kraftaufnahme mit herangezogen, wobei das Kernrohr faserverstärkt, dessen Kraftaufnahmefähxgkeit also relativ groß ist. Es sind größere Zugspannungen im Faserverbundwerkstoff bzw. in der Bewicklung trotz der Rundung und des Außenzapfens zulässig, weil Längsfasern verwendet werden und diese durch Stifte vorbei am Außenzapfen umgelenkt sind und dabei die Stifte schräg nach außen gerichtet sind, wodurch der Umlenkwinkel am Stift und somit die dortige Scherbeanspruchung des Längsfadens relativ klein ist, kleiner als bei Radial- oder Axialstiften, und die schrägen Stifte auf der Rundung vorgesehen sind; je größer die

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Rundiong bzw. deren Radius oder dgl. im Stiftgebiet ist, desto höher kann die Längsfaser in Längsrichtung belastet werden. Die Zugfestigkeit der Längsfasern ist also sehr hoch ausnutzbar. Zwischen dem Rundungsteil der Bewicklung und der Rundung ist Formschluß in Längsrichtung vorhanden, weil die Fasern bei Längszug an den schrägen Stiften und der Rundung hängen. Die Rundung und die auf ihr ,vorgesehenen, schrägen Stifte sind gut geeignet zur fertigungstechnisch günstigen Umlenkung der Längsfäden beim Bewickeln. Die Längsfäden können dabei nicht von den Stiften abrutschen. Dies gilt auch bei Längszugbelastung der Strebe. In beiden Fällen nehmen die schrägen Stifte die seitlich auf die Längsfäden wirkenden Kräfte auf. - Die Bewicklung kann also größeren Längszug aufnehmen» Durch das Kernrohr darf dieser noeh größer sein. Es sind auch durch die Längsfasern größere Druckspannungen im Faserverbundwerkstoff- bzw.. in der Bewicklung zulässig. Die Bewicklung kann also auch größeren Längsdruck aufnehmen. Durch das Kernrohr darf auch dieser noch größer sein. Ferner ist die Steifigkeit der Strebe oder der Bewicklung größer als im Fall des bekannten Längszug-Längsdruck-Bauteils. - Durch die Erfindung ist also eine hohle, leichte Längszu.g-Längsdruck-Strebe geschaffen, die sehr hohen Anforderungen gerecht wird, und die Erfindung erfordert trotzdem relativ wenig Aufwand.

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Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der Erfindung sind aus den UnteranSprüchen ersichtlich. Im Anspruch 2 ist ein im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe besonders günstiger Winkelbereich bzw. Winkel für den schrägen Stift genannt. Bezüglich der Anordnung der schrägen Stifte wird im allgemeinen gemäß dem Anspruch 3 vorgegangen. Jener einzige Schrägstiftkranz je Ende genügt und ist einfach. Das Kennzeichen des Anspruchs 4 bringt einen noch größeren zulässigen Längszug; die schrägen Stifte und die Stiftabstutzumfangsfasern reichen radial im allgemeinen bis fast zum Außendurchmesser des zylindrischen Teils der Bewicklung. Der Anspruch 5 bringt eine einfache Axialfestlegung des Kernrohrs im Fall des Längsdrucks. Durch die Verklebung (Kraftschluß) gemäß dem Anspruch 6 nimmt das Kernrohr einen Teil des Längszugs auf. Sollte die Verklebung evtl. versagen, wird der Längszug nur von der Bewicklung aufgenommen. Wird gemäß dem Anspruch 7 vorgegangen, kann die Vergußmasse (Gießmasse) Längsdruck übertragen. Diese ist eine härtbare Masse, insbesondere Kunstharz, z. B. Epoxidharz, bzw. ein Kunstharzsystem, das aus Kunstharz und einem Härter und eventuell einem Härtungsbeschleuniger besteht. Dies gilt im allgemeinen auch für den Kunststoff der Bewicklung und des Kernrohrs. Längsfasern im Kunststoff des Kernrohrs - siehe

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den Anspruch 8 - wirken ebenfalls zur Erhöhung des für die Strebe zulässigen Längsdrucks und -zugs bei. Die Umwicklungen gemäß den Ansprüchen 9 und 10 dienen insbesondere als Schutz gegen Heraustreten von Längsfasern bei Längsdruck. Im allgemeinen sind die im Anspruch 4 genannten Stiftabstützumfangsfasern ein nach radial innen dickeres Ende der Umwicklung gemäß dem Anspruch 9.

Die Verstärkungsfasern der erfindungsgemäßen Strebe sind insbesondere Kohlenstoffasern. Genannte Längsfasern sind in Form einer Längsfadenlage oder mehrerer, radial unmittelbar aufeinanderfolgender Längsfadenlagen vorgesehen, genannte Umfangsfasern in der gleichen Art. Auch abwechselnde Anordnungen sind vorteilhaft.

Die Dicke der Bewicklung ist im allgemeinen größer als die Dicke des Kernrohrs, z. B. etwa doppelt so groß.

Die erfindungsgemäße Strebe kann als leichter Stab oder leichtes Stabelement z. B. für Fachwerkgerüste - beispielsweise eine Weltraumstrukturplattform -, Steuergestänge im Flugzeug- und Fahrzeugbau oder eine Struktur im Satelliten- und Raketenbau angewendet werden.

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In der Zeichnung ist in Fig. 1 ein Ausführungbeispiel der erfindungsgemäßen Strebe, und zwar gegen das eine Ende hin und dieses Ende selbst, im Längsschnitt dargestellt. Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt A dieses Endes vergrößert.

Die Strebe besteht aus einem zylindrischen Kernrohr 10, je einer im Querschnitt kreisrunden Zugkappe 11 an jedem Ende, einer zylinderrohrförmigen Bewicklung 12 (Außenrohr) und je einer im Querschnitt kreisrunden Druckkappe 13 und je einem Gelenkstangenkopf 14 an jedem Ende. Das Kernrohr 10 und die Bewicklung 12 bestehen aus faserverstärktem Kunstharz. Die Bewicklung hat einen Außendurchmesser von etwa 50 mm; ihre Länge beträgt z. B. 220 mm, 400 mm oder 1000 mm.

Das Kernrohr 10 ist auf einem nicht dargestellten Wickeldorn hergestellt (gewickelt) und besteht aus einer Lage aus Längsfasern (UD(Unidirektional)-Gewebe zur Zug- und Drucklastaufnähme) und einer diese Lage umgebenden Lage aus Umfangsfasern. Die Wanddicke des Kernrohrs 10 beträgt 0,5 mm. Jede Zugkappe 11 weist einen außen zylindrischen Innenzapfen 15 auf, dessen Außenradius um die Wanddicke des Kernrohrs 1O kleiner ist als der Radius des zylindrischen Außenumfangs der Zugkappe 11 zwischen dem Absatz

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und dem Beginn der Rundung 17 der Zugkappe 11. Das Kernrohr 10 befindet sich an jedem Ende bis zum Absatz 16 auf dem Innenzapfen 15 und ist mit dem Innenzapfen 15 verklebt.

Die Rundung 17 ist im dargestellten Längsschnitt kreisförmig, und ihr Radius beträgt etwa 1/6 des Außendurchmessers des außen zylindrischen Teils 18 der Zugkappe 11, also etwa 8 mm. Die Rundung 17 geht in eine Steilkegelfläche 19 über, die mit der am dargestellten Strebenende axial nach außen weisenden Längsrichtung 2.3 (auf der Achse 2O des Kernrohrs 10) einen stumpfen Winkel bildet. Fest im Rundungsteil 21 der Zugkappe 11 befinden sich gerade, metallische Stifte 22, die in Form eines einzigen Kranzes je Ende angeordnet sind und schräg nach außen gerichtet sind, d. h. der Winkel o< zwischen dem Stift 22 und der genannten Längsrichtung 23 am dargestellten Strebenende beträgt etwa 30°. Die Stifte 22 sind auf der Rundung näher dem radial inneren Ende der Rundung 17 als dem radial äußeren Ende der Rundung 17 vorgesehen. Die Zucfkappe 11 weist einen Außenzapfen 24 auf.

Die Bewicklung 12 ist cuif der aus dem Kernrohr 10 und den Zugkappen 11 bestehenden Einheit hergestellt (gewickelt)

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und; besteht aus einer Lage 25 aus Längsfasern (Rovings) und einer die Lage 25- umgebenden Lage 26 aus Umfangsfasern. Der Wickelwinkel der Längsfasern ist sehr klein oder gleich Null (parallel zur Achse 20}. Die Dicke des zylindrischen Teils der Bewicklung Ϊ2 heträgt 1_#0l mn. Die Längsfäden der Bewicklung 12 sind durchgehend über die Rundung 17 und. um die Stifte 22 gewickelt, wobei der Längsfaden um einen Stift führt und dann dicht am Außenzapfen 24" vorbei - siehe die Lä-ngsfädenabschnitte 27 - zu einem anderen Stift 22 führt, um den herum er zurück zu der Rundung 17 und den Stiften 22 der anderen Zugkappe 11 führt. Zur Abstützung der Stifte 22 dienen die Umfangsfasern 26 im Zwickel 28, Die Druckkappe 13 ist auf den Außenzapfen 29 bisvan eine gehärtete Vergußmasse 2 9 geschraubt. Ein Hohlzylinderteil 30 der Druckkappe 13 ist mit dem Ende-des zylindrischen Teils der Bewicklung 12- verklebte

Der Gelenkstangenkopf (oder Gelenkkopf) T4 ist durch die Zugkappe 11 geschraubt und mit dem Außenzapfen 24 durch eine Mutter 31 verspannt. Die Krafteinleitungselemente, d. h. die Zugkappen 11 und die Druckkappen 13, bestehen aus Metall, insbesondere Leichtmetall, z. B. Aluminium.

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Die Zugfestigkeit des Faserverbundwerkstoffs der Bewicklung und des Kernrohrs ist größer als die Druckfestigkeit dieses Werkstoffs. Im Fall dieses Ausführungsbeispiels ist sie um 50 % größer? die Höchstzugkraft ist gleich der Höchstdruckkraft , bzw. das Produkt aus der Zugfestigkeit und dem Querschnitt der Bewicklung 12 (bei angenommen nicht zugbelastetem Kernrohr 10) ist gleich dem Produkt aus der Druckfestigkeit und dem Querschnitt der Bewicklung 12 und des Kemrohrs 10

*^P max ^{= P}Druck max ⁼ *"zug * ^F12 ⁼ ^Druck ' ^F12 + 1O* *

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Claims

"wo/fr
MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG
Aktiengesellschaft 2926 49
München, 2£. Juni 1979
Patentan s ρ r ü c ±l
Strebe für Längszug und -druck aus einer rohrförmigen Bewicklung aus Verstärkungsfasern in Kunststoff auf einem Kern^ mit je einer an jedem Ende vorgesehenen, gerundeten, einen zentralen Außenzapfen aufweisenden Kappe, auf deren Rundung die Bewicklung endet und die als Zugkappe dient, und mit je einer auf dem .Außenzapfen befestigten Druckkappe., die den Rundungsteil der Bewicklung umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewicklung (121 der Strebe Längsfasern (25) aufweist, die über die beiden Rundungen {170 um Stifte {22) geführt sind, welche auf den Rundungen (17) fest vorgesehen und schräg nach außen gerichtet sind, und der Kern ein aus faserverstärktem Kunststoff bestehendes, jeweils auf einem Innenzapfen (15) der Zugkappe (11) festgelegtes Rohr {TO) zur Mitaufnahme des Längsdrueks oder LängsdrucTcs und -zugs ist.
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2. Strebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel («>C} zwischen dem schrägen Stift (22) und der Längsrichtung (23) der Strebe 45° bis 15% insbesondere etwa 30°, beträgt.

3. Strebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schrägen Stifte (22) in Form eines einzigen Kranzes auf der Rundung (17) angeordnet sind.

4* Strebe nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schrägen Stifte (22) gegenüber dem Längszug der Längsfasern (25) durch Oiafangsfasern {27), die auf xler Rundung (17) axial innen neben den Stiften (22) um die Längsfasern (25) gewickelt sind, abgestützt sind.

5. Strebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der am Beginn des Innenzapfens ^15) befindliche Absatz (16) Axialanlage für das Kernrohr (1O) ist.

6. Strebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernrohr (10) mit dem Innenzapfen (15) verklebt ist.

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7~ Strebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (28) zwischen dem Rundungsteil (21) der Bewicklung (12) und den Stiften. (22Ϊ einerseits und der Druckkappe (13) andererseits mit einer erhärteten Vergußmasse (29) ausgefüllt ist.
8. Strebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernrohr (10) Längsfasern aufweist. .
9. Strebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewicklung von den schrägen Stiften (22) der einen (11) bis zu denen (221 der anderen Zugkappe (11) Umfangsfasern (261 aufweist, die um die Längsfeisern (25) gewickelt sind.
10. Strebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernrohr (10) Umfangsfasern aufweist, die um dessen Längsfasern gewickelt sind.

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