DE3007859C2 - Hohlprofil-Segelmast - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hohlprofil-Segelmast der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art, Ein derartiger HohlprofiWSegelmast ist aus der US-PS 5t 275 bekannt.

Bei Hochleistungs-Segelyachten stellt der Vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung bestehende Mast eines der am schwierigsten zu beherrschenden Bauele-

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65 niente dar. Der Mast soll einerseits als Haupttrageelement für die Segel der Yacht in der Lage sein, große Kräfte aufzunehmen, und soll andererseits möglichst leicht, schlank und sich verjüngend ausgebildet sein. Da der Mast mit seiner oberhalb der durch den Schwerpunkt des Schiffes verlaufenden Längsachse befindlichen Masse zum Krängungsmomenx beiträgt und ein zu großer Mastquerschnitt einen unnötigen Windwiderstand darstellt, sollten beide Größen um so kleiner sein je höher sie angeordnet sind. Die von den Wanten und Spieren aufgebrachten Kräfte werden nahezu punktförmig in den Mast eingeleitet, während sich der Druck auf das Großsegel in Form einer linienförmigen Belastung in Mastrichtung verteilt Die vom Großsegel erzeugten Kräfte sind — in Mastrichtung gesehen — nicht konstant, sondern nehmen einerseits aufgrund des Kegelschnitts zur Mastspitze hin ab, während die mit zunehmender Höhe größeren Windgeschwindigkeiten Segelangriffskräfte mit in Richtung auf die Mastspitze zunehmender Tendenz erzeugen.

In der Vergangenheit hat man sich bemüht, den unterschiedlichen Anforderungen dadurch Rechnung zu tragen, daß der Segelmast eine sich vorn Mastfuß zur Spitze verjüngende Form erhielt.

Nun bereitet aber die Herstellung — aus Festigkeitsgründen optimaler — sich verjüngender Hohlprofile fertigungstechnisch große Schwierigkeiten und im Falle von Aluminiumlegierungen lassen sich die berechneten Festigkeitseigenschaften nicht über die gesamte Länge des Mastes sicherstellen, so daß die Bemessung mit einem Sicherheitsfaktor erfolgen muß, aus dem wiederum eine unerwünschte Gewichtszunahme des Mastes resultiert.

Eine Möglichkeit, eine Verjüngung der vorgenannten Art zu erzielen, ist beispielsweise in der US-PS 23 51 275 angegeben. Bei dieser Konstruktion besteht aber der Nachteil, daß die zwischen den Mas'elementen zu übertragenden Kräfte über ein die Elemente verbindendes Zwischenelement übertragen werden müssen, wodurch Einschränkungen der Festigkeit hervorgerufen werden. Insbesondere we^rden b..i einer Herstellung des Masts aus Aluminium infolge der oft infolge Böeneinfalls schlagartigen Belas;ungen beim Segeln bleibende Verformungen im Übergangsbereich erzeugt, welche die Festigkeit der Verbindung im Bereich des Übergangs herabsetzen wurden.

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohlprofil-Segelmast so zu verbessern, welcher bei größter Festigkeit ein minimales Gewicht hat.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für einen Hohlprofil-Segelmast der oben angegebenen Art mil den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Besonders vorteilhaft ist dabei, daß dadurch, daß der Mast aus verschiedenen Elementen zusammengesetzt ist. ein Ersetzen einzelner Mastabschnitte bei Reparatu ren kostengünstig möglich ist. ohne daß es der Erneuerung des gesamten Mastes bedarf, wie es bei einem aus einem einzigen Stück gefertigten Mast erforderlich wäre.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung Sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß durch die Umwicklung der Übergangsstelle infolge der »e^-Umschiingung« unter Vorspannung eine Festig·' keitserhöhüng des Materials in diesem Bereich erzeugt wird, weiche sich über den gesamten Querschnitt erstreckt, also nicht nur eine Verbesserung der

Oberflädienfestigkeit dnrsielli. Weite/hin wurde berücksichtigt, daß bei statisch und dynamisch hoch beanspruchten Teilen die Konstruktionsweise den verschiedenen auftretenden Belastungen dadurch Rechnung tragen muß. daß die Gesamtkonsiruktion aus mehreren Einzelteilen zusammengefügt ist, die die notwendigen Funktionen jeweils einzeln übernehmen und hierfür optimal dimensioniert sind. Das Gegenteil dazu bildet der Versuch, mög'ichst ein nur aus einem einzigen Werkstück bestehendes Teil zu schaffen, welches allein durch seine Formgestaltung den konstruktiven Anforderungen durch Querschnittsänderungen, Ausnehmungen und dergl. gerecht wird, wofür Formteile unterschiedlichster Gestaltung im Falle von kräftemäßig nicht besondeis hoch belastbaren Bauelementen ein Beispiel sind. Geht es dagegen darum, hohe Festigkeiten bei geringen Materialquerschnitten zu erreichen, so ist es — wie am Beispiel des Segelmasies herausgefunden wurde — wesentlich günstiger, mehrere Bauelemente, welche in sich homogen gestaltet sind und dem vorliegenden Belastungsfall optimal angepaßt sein können, vorzusehen, wenn es gelingt, diese Teile so miteinander zu verbinden, daß der Mast ^;n den Übergangsbereichen der aneinandergrenzenden Bauelemente eine ausreichende Festigkeit aufweist. Ein Beispiel dafür, daß auch in der Natur von diesem Prinzip Gebrauch gemacht wird, stellt ein einfacher Grashalm dar. bei dem röhrenförmige Elemente verschiedener Stärke ineinander geschoben und in den die Blattachseln bildenden Knotenbereichen miteinander verbunden sind.

Dieses Prinzip wird bei dem erfindungsgemäßen Segelmast dadurch in vorteilhafter Weise realisiert, daß der Profüquerschnitt des Mastes selbst (als tragendes Element) derart ausgebildet ist, daß er ausschließlich im Hinblick auf die wichtigste zu erzielende Eigenschaft — die Festigkeit — optimal dimensioniert ist. Zu diesem Zweck sind einfache runde bzw. ovale oder elliptische Hohlquerschnitte besonders geeignet.

Durch die Überdeckung in denjenigen Bereichen, in denen aufeina~derfolgende Masteleniente ineinandergesteckt sind, bietet sich die Möglichkeit. Kräftt in den Mast einzuleiten, wie es bei Wanten oder Stagen b/w. dem Anbringungspunkt von Spieren wie Bäumen oder Salinge der Fall ist. (Das Analogon in der Natur hierzu bilden die an den Knoten des Halms entspringenden Blätter.)

Die in ihren Endbereichen ineinandergeschobenen Mastelemente werden vorzugsweise im überlappenden Bereich bandagenartig mit einem bandförmigen Material unter Vorspannung vmwickelt. welches große Spannungen in Längsrichtung aufnehmen kann. Besonders geeigne^; dafür ist Stahldraht, wie er beispielsweise als »Klaviersaitendraht« handelsüblich ist. Die Bandage bildet eine geschlossene, den Bereich der Überlappung einschließlich deren Nachbarbereichc überdeckende Packung hoher Festigkeit, welche ihrerseits durch eine weich verlötete streifenförmige Ummantelung gesichert werden kann, wie sie beispielsweise für Kollekto rcn von Elektromotoren verwendet wird. Die miteinander /u verbindenden Elemente werden günstigerweise in ihren Endbereichen so angepaßt, daß der Vorgang des Irteinancferstcckens präzise ausführbar ist und die Teile spielfrei miteinander verbunden werden können. Dazu wefdien die zusammenzufügenden Endteile bevorzugt durch Rohrwalzen konisch -cforml Und/oder mit Schlilzein versehen.

Durch diii Stufung des Waslquerschnittes ergibt sich

vorteilhafterweise die Möglichkeit, die Stellen an denen der Mastquerschnitt durch Übergang auf ein Element mit verringertem Durchmesser im Querschnitt abnimmt, derart mit Befestigungspunkten für Wanten, Stagen oder Spieren abzustimmen, daß der Kraftangriff noch in einem Bereich erfolgt, der einen größeren Querschnitt aufweist, so daß — beispielsweise im Falle von Wanten — die Querschnittsabnahme stufenweise mit der Verringerung der konstruktiv erforderlichen Festigkeit einhergeht. Die sich überlappenden und bandagierten Teile stellen Bereiche dar, die einen großen Widerstand gegen Knickung aufweisen, so daß an diesen Stellen vorzugsweise Kräfte in den Mast eingeleitet werden können, welche durch Zug oder Druck quer zur Mastrichtung eine den Mast aus seiner Längsrichtung auslenkende Tendenz haben, wie es für die Anbringungspunkte von Stagen oder Wanten zutrifft. Damit ergeben sich insbesondere Vorteile für den Fall, daß durch das Brechen eines Wants oder Stags eine unsymmetrische Belastung auftritt.

Die Verjüngung des Mastes läßt sich durch Verwendung von querschnittsverkleiuvrnden Elementen an die konstruktiven Erfordernissi.- zusätzlich dadurch in vorteilhafter Weise anpassen, daß im Bereich der Überlappung eine Zwischenlage aufgebracht vird. weiche es ermöglicht, den Sprung des Mastdurchmessers zwisviien aufeinanderfolgenden Elementen zusätzlich zu vergrößern.

Beim erfindungsgemäßen Segelmast ist es weiterhin möglich, die konstruktive Ausbildung des Mastquerschnittes unabhängig von der Form des Mastprofils aerodynamisch günstig zu gestalten. Eine Umspannung aus einem gummielastischen Werkstoff — vorzugsweise segeltuchartiger Beschaffenheit — wird dabei zur Ummantelung des Masies verwendet, wobei diese freitragend zwischen den Nutenbereichen — gegebenenfalls in gewissen Abständen von spantenartigen Trägerelemcnten unterstützt — über ein oder mehrere Mastelemente reicht und dem Mastquerschnitt ein Profil gibt, welches für das Gesamtsystem Mast-Großsegel optimiert ist. Auf diese Weise läßt sich auch der konstruktiv bedingte Querschnittsunterschied der einzelnen Mastelemente aerodynamisch in bezug auf den Übergang zum Großsegel harmonisieren.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Bespannung dient als hinterer Abschluß zum Großsegel hin eine Schiene, welche einerseits Nuten zur Aufnahme der verdickten Endkanten der Bespannung (sogenannte Keder) aufweist und andererseits eine Führungsschiene für die Befestigungsmittel des Großsegels am Mast (Rutscher oder Vorliek) bildet. Diese Schiene wird in vorgegebenen Abstär.den am Mast gehalten, v/obei die Befestigung durch den Mast umsei.ließende manschettenförmige Formteile — auch in der Ausführung nach Art vol. Stellringen - erfolgen kann. Dabei ergibt sich zusätzlich die vorteilhafte Möglichkeit, im Bereich der Mastspit/e eine durch Druckluft aufblasbare Kammer zu bilden, welche im falle starker Krängung mit Luft gefüllt wird und da/u beiträgt. Durchkenterungen /u verhindern.

Der erfindungsgemäße Segelmast läßt sich bevorzugt durch Strangpressen elementweise herstellen, wobei — insbesondere für einzelne Teile — auch aridere Werkstoffe verwendbar sind. Aus Gewichtsgründen kann die Maslspitze aus kohlensloffaserverstärktem kunststoff bestehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher

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beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä-Den SegeliTiastes in Teildarstellimg mit zwei unterschiedlichen Varianten der Verbindung aufeinanderfolgender Elemente im Längsschnitt sowie

Fig.2 den in Fig. 1 dargestellten Segelmast im Querschnitt.

Der in F i g. I im Längsschnitt wiedergegebene Segelmast besieht aus drei Elementen I₁2 und 3, welche aus unterschiedlichen Hohlprofileri konstanten Q Schnitts hergestellt sind. Die Elemente sind derart ineinandergesteckt, daß sich von unten nach oben die gewünschte Verjüngung des Mastes ergibt. In den Überlappungsbereichen is' das jeweils äußere Ende leicht konisch aufgeweitet, während das innere Ende verjüngend ausgebildet ist. Auf diese Weise entstehen spielfreie Passungen, welche eine optimale Festigkeit gewährleisten. Die Montierbarkeit läßt sich dadurch erleichtern, daß die Endbereiche mit an ihrem Ende verrundeten Schlitzen versehen sind, wie es für das Element 2 am Beispiel eines Schlitzes 4 in Fig. 1 dargestellt ist. Der Überlappungsbereich zwischen den Elementen 1 und 2 ist mit einer gewickelten Manschette 5 aus dünnem Stahldraht nach Art einer Bandage umgeben, welche auch den an den Überlappungsbereich angrenzenden Bereich überdeckt. Diese Bandage stellt eine Verdickung dar, wie «-!e den Knoten des Grashalms entspricht und füi maximale Festigkeit in einem Bereich sorgt, der der Gefahr der Knickung besonders unterliegt. Die Manschette 5 ist mit einer zusätzlichen streifenförmigen Ummantelung 6 versehen, die mit Zinn weich verlötet ist und die Manschette zusammenhält, so daß selbst beim Bruch einzelner Windungen des die Manschette bildenden Stahldrahtes die Festigkeit nahezu unvermindert erhalten bleibt. Eine außerdem vorhandene, den Mast umschließende Ummantelung 7 wird weiter unten anhand von Fig.2 näher erläutert werden. Die in F i g. I dargestellte Verbindung zwischen den Elementen 2 und 3. wobei das Element 3 als Endteil aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff gefertigt ist. ist in F i g. I oben wiedergegeben.

Zum Ausgleich eines an dieser Übergangsstelle vergrößerten Durchmesserunterschiedes zwischen den aufeinanderfolgenden Elementen 2 und 3 ist eine zusätzliche Zwischenlage 8 vorgesehen, welche es ermöglicht, den Durchmesser des Segelmastes beim Übergang von Element 2 auf das Element 3 stärker zu verringern, als es allein aufgrund der Differenz der Außendurchmesser möglich wäre. Der Überlappungsbereich ist von einer Manschette 9 umgeben, welche als einheitliches Formteil ausgebildet ist und zur Festigkeitserhöhung — beispielsweise in Form eines Verbundwerkstoffes — ein in Umfangsrichtung verlaufendes Fäsermaierial enthalten kann. An der Manschette 9 ist eine (teilweise dargestellte) aus zwei Teilen 10 und 11 bestehende Saling angeordnet, weiche zur Aufnahme von Kräften geeignet ist, die über nicht dargestellte Wanten angreifen. Die Einleitung dieser Kräfte in den Mast erfolgt ohne daß den Mast schwächende Beschläge vorhanden sind, optimal an einer Stelle, an der er infolge der Überlappung der Elemente 2 und 3 eine große Steifigkeit aufweist Die Stellen der Einleitung von Kräften in den Mast erzwingen keine Änderung des tragenden Querschnitts des Mastprofils, Welches in Form der einzelnen Elemente 1 bis 3 allein nach Belangen der Festigkeit des Mastes ausgelegt werden konnte.

In Fig.2 ist der obere Bereich des in Fig. 1 dargestellten Segelmastes im Querschnitt wiedergegeben. Die Manschette 9 kann in ihrem hinteren Bereich nach Art einer Schelle geteilt sein, so daß sie ohne - ίο Schwierigkeiten aufgeschoben werden, mittels einer Spannschraube (nicht dargestellt) festgezogen werden kann und somit die Elemente 2 und 3 unter Vorspannung fest zusammenhält.

Die Manschette 9 weist weiterhin zwei Nuten 12 und 13 auf, in weiche die Keder 14 und 15 bildenden verdickten Endkanten der Ummantelung 7. die aus einem gummielastischen Werkstoff von im übrigen vorzugsweise scgeltucharliger Beschaffenheit besteht, eingeführt sind, die eine Verkleidung des Mastes nach aerodynamischen Gesichtspunkten bildet. (Dieser Teii der Manschette 9 setzt sich in einer — in der Zeichnung im Schnitt erkennbaren — durchlaufenden Schiene 16 fort, weiche den Bereich zwischen jeweils benachbarten Trennstellen aufeinanderfolgender Mastelemente überbrückt.) Zur Unterstützung können dabei in vorgegebenen Abständen weitere Trägerelemente nach Art von Stellringen auf Mastelementen angeordnet sein, welche gleichzeitig Spanten bilden, die die Form der Ummantelung 7 bestimmen. Die Ummantelung 7 umschlingt die jo Elemente des Mastes schlauchartig und gleicht dabei die Sprünge der Durchmesser der einzelnen Mastelemente in bezug auf den Anschluß zum Großsegel aus, so daß Mast und Großsegel eine aerodynamisch optimal gestaltete Oberfläche erhalten, ohne daß Rücksicht auf die aus Festigkeitsgründen notwendige Bemessung genommen werden muß — tragende und formende Elemente sind also konstruktiv nahezu vollständig getrennt. Mittels der sich im Bereich der Mastspitze ergebenden durch Druckluft aufblasbaren Kammer. werden im Falle starker Krängung infolge des dadurch erzielten Auftriebs Durchkenterungen vermieden.

In den hinteren Bereich der Schiene 16 läßt sich in einer weiteren Ausnehmung 17 ein Befestigungselement für das Großsegel 18 einfügen, welches beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch sein Vorliek 19 gebildet wird. Die Ummantelung 7 überspannt damit im wesentlichen freitragend den Bereich zwischen zwei die Verbindungen aufeinanderfolgender Elemente bildenden Mastknoten und stellt damit ein gleichmäßiges so Profil sicher, welches in bezug auf den Übergang zum Segel 18 optimal gestaltet sein kann. Die Schien" 16 selbst ist über eine Schwalbenschwanzführung 20 mit der Manschette 9 verbunden.

Die Durchmesser und Materialquerschnitte für die einzelnen Elemente sind gewählt, daß sich bei Biegebeanspruchung des gesamten Mastes im Mittel für die einzelnen Teile der Elemente eine konstante Materialbeanspruchung ergibt, wobei bei unterschiedlichen Materialien ein gleichbleibender Sicherheitsfaktor bezüglich der Beanspruchung (gegebenenfalls unter Anpassung an die besonderen Anforderungen in einzelnen Mastteilen) zugrundegelegt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Hohlprofil-Segelmast, insbesondere aus A.luminium bestehend zur Verwendung bei einer Hochleistungs-Yacht, der einen sich in Richtung auf die Mastspitze verringernden Durchmesser aufweist und aus mindestens zwei Elementen zusammengesetzt ist, die im wesentlichen jeweils einen konstanten Durchmesser aufweisen, wobei der Obergangsbereich jeweils mittels einer Manschette verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aufeinanderfolgende Elemente (1 bis 3) unterschiedlichen Durchmessers ineinandergesteckt sind und die einen Obergangsbereich umgebende Manschette (5, 9) aus einer gewickelten Bandage besteht, welche unter Vorspannung angebracht ist

2. Segelmast nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (1 bis 3) durch Strangpressen aus einer Aluminiumlegierung erzeugt sind.

3. Segelmast nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (5) aus feinem Stahldraht, insbesondere Kiaviersaitendraht, besteht.

4. Segelmast nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (5) aus Stanldraht ihrerseits mit einer slreifenförmigen Ummantelung (6) versehen im. weiche weich verlötet ist.

5. Segelmast nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen benachbarter Elemente (1, 2) konisch aneinander angepaßt sind.

6. Segelm^jt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein*" der Elemente (2) in seinem Endbereich mindestens einen Schlitz (4) aufweist.

7. Segelmast nach Anspruch 5 oder 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (9) von einer aerodynamisch geformten Ummantelung (7) aus gummielastischem Material umgeben ist. -to

8. Segelmast nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Mastrichtung verlaufende Schienen vorgesehen sind, die zwei oder mehrere aufeinander folgende Manschetten (5, 9) miteinander verbinde, und die Nuten (12, 13) aufweisen, in welche die Ummantelung mittels an ihren Endbereichen angeordneten, ebenfalls in Mastrichtung verlaufenden Kedern (14,15) eingreift.

9. Segelmast nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Elemente (1 bis 3) aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff besieht.

10. Segelmast nach einem der Ansprüche 1 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Vergrößerung der Differenz des Durchmessers zweier aufeinanderfolgender Elemente (2, 3) eine Zwischenlage (8) vorgesehen ist.