DE4310825C1 - Stab mit einer rohrförmigen Wandung aus Kohlefaserverbundwerkstoff und beidseitig angeordnetem Anschlußelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stab mit einer rohrförmigen Wandung aus Kohlefaserverbundwerkstoffen (CFK) nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Stäben dieser Art werden über die beidseitig gegen eine ringförmige Schulter der Anschlußgarnitur stirnseitig anliegenden achsparallelen unidirektionalen Fasern die Druckkräfte direkt formschlüssig übertragen und damit eine hohe Dehnsteifigkeit der Stäbe erreicht. Die Zugkräfte werden durch Formschluß oder Kraftschluß zwischen den rotationssymmetrischen Anschlußelementen und den unidirektionalen Fasern übertragen (DE 40 29 008 C1). Stäbe der gattungsgemäßen Art werden z. B. als druck- und zugfeste Betätigungsstäbe verwendet. Sie finden aber auch Verwendung bei der Erstellung von ebenen oder räumlichen Fachwerkstrukturen.

Strukturen, die auf äußere Belastungen aktiv reagieren können, sogenannte adaptive Strukturen, gewinnen in vielen Bereichen der Technik zunehmend an Bedeutung. Sie sind in der Lage, durch entsprechende Sensoren ihre aktuelle Strukturform zu bestimmen und mittels Aktuatoren diese Form definiert zu ändern. Diese Fähigkeit kann beispielsweise wichtig sein, um störenden Strukturschwingungen entgegenwirken bzw. sie von Anfang an unterdrücken zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stabelement zu schaffen, mit dem sich adaptive Fachwerkstrukturen realisieren lassen.

Diese Aufgabe wird gelöst mit Stäben mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen solcher Stäbe sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt teilweise im Längsschnitt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Stab.

Fig. 2 zeigt den mittleren Bereich, der in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien umschlossen ist, in vergrößertem Maßstab.

Der in Fig. 1 dargestellte Stab 2 weist eine ringförmige Wandung 4 aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff auf einem Kern 6 aus einem druckfesten Schaumstoff auf. Die rohrförmige Wandung 6 enthält wenigstens eine Lage aus achsparallelen unidirektionalen Fasern und einen darüberliegenden Gewebeschlauch mit sich unter einem Winkel zur Achse des Stabes 2 kreuzenden Fasern. An den Stabenden sind Anschlußgarnituren angeordnet, von denen in der Zeichnung lediglich die für das Verständnis notwendigen Elemente dargestellt sind. Dies ist einmal ein rotationssymmetrisches Anschlußelement 8, das mit einer koaxialen Gewindebohrung 10 versehen ist und außen einen sich zum Stabende hin verjüngenden Konusabschnitt aufweist. Die achsparallelen unidirektionalen Fasern liegen über die gesamte Länge des Konusabschnittes des Anschlußelementes 8 an dessen Oberfläche an. Diese Fasern erstrecken sich bis über das äußere Ende des Anschlußelementes 8 hinaus. Gegen sie liegt stirnseitig eine Druckscheibe 16 an, die hier mit einem Kragen 18 das Ende der rohrförmigen Wandung 6 übergreift. Wenigstens im Konusbereich ist eine Umfangswicklung 20 aus hochfesten Kohlefasern in einer Kunststoffmatrix eingebettet angeordnet, mit der die Fasern formschlüssig gegen den konischen Oberflächenbereich des Anschlußelementes 8 gepreßt werden.

In die Gewindebohrung 10 ist in üblicher Weise ein Anschlußelement einschraubbar, das mit einer Arretierungsmutter gegen Verdrehen sicherbar ist, die ihrerseits gegen die Druckscheibe 16 wirkt.

Gemäß der Erfindung ist die rohrförmige Wandung 4 zwischen den Stabenden vorzugsweise mittig durchtrennt, und in den Stab 2 ist ein in Achsrichtung wirkendes aktiv steuerbares Druck erzeugendes Element 22 eingebaut, mit dem die Länge des Stabes 2 definiert änderbar ist. Durch dieses Element 22 erhält der Stab 2 adaptive Eigenschaften. Durch aktive Regelung der Stablängen lassen sich die Kraftverteilungen in einer Fachwerkstruktur optimal einstellen. Über die Elemente 22 können aber auch in eine solche Fachwerkstruktur Kräfte eingeleitet werden, die beispielsweise störenden Strukturschwingungen entgegenwirken. Die Elemente 22 sollen dabei möglichst schnellwirkend ausgebildet sein, damit solchen Schwingungen bereits im Entstehen entgegengewirkt werden kann.

Das Element 22 kann beispielsweise ein piezoelektrisches Element (Piezotranslator) 24 mit einem Stapel von Piezoelementen mit elektrischen Anschlüssen sein, wie bei dem Ausführungsbeispiel angenommen. Ein Piezotranslator 24 ist in seiner Länge abhängig von einer anliegenden Spannung veränderbar.

Dieser Piezotranslator 24 ist zwischen zwei Druckscheiben 26 angeordnet, deren Außendurchmesser dem Außendurchmesser der rohrförmigen Wandung 4 des Stabes 2 entspricht. Gegen die vom Piezotranslator 24 abgewandten Außenseiten dieser Druckscheiben 26 liegen die Enden der rohrförmigen Wandung 4 stirnseitig an, so daß hier Druckkräfte unmittelbar in die Druckscheiben 26 eingeleitet werden. Auf der Innenseite der Druckscheiben 26 sind kegelstumpfförmige Vorsprünge 28 vorgesehen, gegen deren Oberseite der Piezotranslator 24 anliegt. Die Basis dieser Vorsprünge 28 hat einen Durchmesser, der kleiner ist als der Außendurchmesser dieser Druckscheiben 26, so daß außen ringförmige Schultern 30 gebildet werden. Diese ringförmigen Schultern 30 bilden Anschlagflächen für eine um den Piezotranslator 24 herum angeordnete Druckhülse aus Kohlefaserverbundwerkstoff. Diese Druckhülse 31 ist mit einem Untermaß x angepaßt, das so gewählt ist, daß bei Überschreiten vorgegebener Druckkräfte in Achsrichtung die Druckhülse 31 die Druckübertragung zwischen den Druckscheiben 26 übernimmt und damit den gegen hohe Drücke empfindlichen Piezotranslator 24 entlastet.

Die beiden Stababschnitte mit dem Element 22 werden über eine äußere Muffe 34 aus Kohlefaserverbundwerkstoff miteinander verbunden, die außen auf die angrenzenden Enden des Stabes 2 aufgeklebt ist. Diese Muffe 34, die zur Übertragung der Zugkräfte beiträgt, besitzt relativ geringe Dehnsteifigkeit, damit über das Element 22 die gewollten Längenänderungen des Stabes 2 durchgeführt werden können. Dies kann erreicht werden durch geringe Dicke der Muffenwände, aber auch durch Verwendung von Fasern mit geringem E-Modul. Da die Zugfestigkeit unidirektionaler CFK-Schichten im allgemeinen wesentlich höher ist als ihre Druckfestigkeit, wird auch eine dünne dehnweiche Zugmuffe noch ausreichende Festigkeit besitzen.

Zur Messung der Druckkräfte, die sich u. a. in Form von Längenänderungen der Muffe 34 manifestieren, kann außen die Muffe 34 mit Dehnungsmeßvorrichtungen ausgerüstet sein, wie Dehnungsmeßstreifen 36 oder auch Glasfasern von opto-elektrischen Dehnungsmessern.

Die Anschlüsse des Piezotranslators 24 können durch eine der Druckscheiben 26 axial hindurchgeführt und durch radiale Bohrungen, vorzugsweise im Bereich der Überlappungsklebung zwischen Muffe 34 und Stab 2 nach außen geführt werden.

Statt eines Piezotranslators 24 lassen sich auch andere Elemente 22 verwenden, die ein kleines Einbauvolumen haben und mit denen hohe Druckkraftänderungen erzeugt werden können. Beispielsweise könnten dies Elemente 22 auf der Basis von Legierungen mit Formerinnerungsvermögen (Shape Memory Alloy) sein, deren Länge in Abhängigkeit von der auf sie einwirkenden Kraft und/oder Temperatur veränderbar ist. Wesentlich ist, daß durch die Elemente 22 das geringe Strukturgewicht, das für Stäbe 2 der gattungsgemäßen Art typisch ist, möglichst wenig erhöht wird.

Claims (5)

1. Stab mit einer rohrförmigen Wandung aus Kohlefaserverbundwerkstoff (CFK) auf einem Kern aus Schaumstoff mit wenigstens einer Lage aus achsparallelen unidirektionalen Fasern und einem darüberliegenden Gewebeschlauch mit sich unter einem Winkel zur Achse des Stabes kreuzenden Fasern, der beidseitig mit einer Anschlußgarnitur zum axialen Einleiten von Zug- und/oder Druckkräften versehen ist, wobei die Anschlußgarnitur mit einem rotationssymmetrischen Anschlußelement mit einem koaxialen Innengewinde versehen ist, in das ein Anschlußschraubelement einschraubbar ist, das über eine Arretierungsmutter gegen Drehen sicherbar ist, und das mit einer ringförmigen Schulter versehen ist, gegen die die unidirektionalen Fasern jeweils im Bereich des Anschlußelementes stirnseitig anliegen, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Stabenden ein in Achsrichtung des Stabes (2) wirkendes aktiv steuerbares druckerzeugendes Element (22) eingebaut ist,
daß beidseitig gegen die Innenseiten die unidirektionalen Fasern der in diesem Bereich durchtrennten rohrörmigen Wandung (4) des Stabes (2) stirnseitig anliegen, und
daß über dem Bereich des aktiv steuerbaren Elementes (22) auf der Außenseite der rohrförmigen Wandung (4) eine Muffe (34) angeordnet ist, welche die angrenzenden Stabenden übergreift, mit diesen verklebt ist und für die Aufnahme von Zugkräften ausgebildet ist.

2. Stab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als aktiv steuerbares Element (22) ein piezoelektrisches Element (24) vorgesehen ist, dessen Länge in Abhängigkeit von einer anliegenden Spannung veränderbar ist.

3. Stab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als aktiv steuerbares Element (22) ein Körper aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen vorgesehen ist.

4. Stab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Druckscheiben (26) eine das piezoelektrische Element (24) umgebende zylinderringförmige Druckhülse (31) aus Kohlefaserverbundwerkstoff angeordnet ist, die gegenüber dem durch das piezoelektrische Element (24) vorgegebenden Druckscheibenabstand in der Länge ein geringes Untermaß (x) aufweist.

5. Stab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den an die Druckscheiben (26) angrenzenden Stabenden ein zylinderringförmiges Versteifungselement (32) angeordnet ist, das innen gegen die rohrförmige Wandung (4) anliegt.