DE4331460C1 - Zug- und/oder Druckstrebe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zug- und/oder Druckstrebe gerin­ ger Wärmeleitfähigkeit für vorübergehend hohe mechanische Belastun­ gen, insbesondere zur Aufhängung eines Tieftemperaturtanks in einem Außenbehälter, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der aus der DE-OS 29 03 787 bekannten Zugstrebe dieser Art zur Verankerung eines Tieftemperaturtanks für kryogene Flüssigkeiten an Bord eines Raumfahrzeuges sind zur Lastübertragung zwischen den Strebenenden Zugbänder in einer möglichst großen Baulänge aus lang­ faserverstärktem Verbundwerkstoff vorgesehen, um die hohe Festigkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit dieses Werkstoffs für eine sichere, thermisch verlustarme Tankaufhängung zu nutzen. Dabei liegen die Strebenlasten vor dem Start des Raumfahrzeuges relativ niedrig, näm­ lich im wesentlichen in Höhe der einfachen Erdbeschleunigung x der Eigenmasse des Tanks und seiner Füllung, und gehen im Orbit theore­ tisch sogar auf Null zurück, während in der Startphase unter Berück­ sichtigung der dann wirksamen hohen Beschleunigungen von etwa 15 g kurzzeitig sehr hohe Strebenlasten erreicht werden. Dementsprechend groß sind die hierfür erforderlichen Lastübertragungsquerschnitte der Zugbänder und damit auch ihr Wärmeleitquerschnitt, mit der Fol­ ge, daß im Laufe der wochen- bis jahrelangen Einsatzzeit des Raum­ fahrzeugs ein erheblicher Anteil des gesamten kryogenen Flüssig­ keitsvorrats über die als Wärmebrücke wirkende Zugstrebe ungenutzt verloren geht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zug- und/oder Druckstrebe der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die in einem längeren Zeitraum über die Strebe geleitete Wärmemenge auf baulich einfache Weise und unter Beibehalt einer hohen Streben-Lastfestigkeit deut­ lich reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichnete Zug- und/oder Druckstrebe gelöst.

Erfindungsgemäß wird die zeitlich ungleichförmige Belastung der Strebe in der Weise für eine Erhöhung des Wärmeleitwiderstandes ge­ nutzt, daß in den Phasen niedriger Strebenbelastung als Folge der dann wirksamen, an beiden Tellerfederrändern punkt- oder linienför­ migen Lastübertragung ein hoher Wärmeleitwiderstand erzielt wird und nur im oberen Strebenlastbereich der über die flächigen Kontaktzonen führende Anschlag-Lastpfad mit einem entsprechend erhöhten Lastüber­ tragungs- und damit Wärmeleitquerschnitt zur Wirkung kommt, wodurch der durchschnittlich über die Strebe im Laufe der Einsatzzeit gelei­ tete Wärmestrom deutlich verringert wird, mit dem zusätzlichen Ef­ fekt, daß das lastabhängige Einschalten des stärker belastbaren An­ schlagpfades auf baulich sehr einfache Weise selbsttätig nach Maßga­ be des Tellerfederhubs oberhalb einer vorgegebenen Streben-Teillast erfolgt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Tellerfeder ge­ mäß Anspruch 2 aus Gründen einer geringen Wärmeleitfähigkeit bei zu­ gleich hoher dynamischer Dauerlastfestigkeit aus Faserverbundwerk­ stoff hergestellt und gemäß Anspruch 3 am Innen- und am Außenrand jeweils mit einem schneidenförmig der zugeordneten Druckfläche zuge­ kehrten Metallring versehen, um Kerbwirkungen im Tellerfedermaterial infolge der punkt- oder linienförmigen Lastübertragung zu vermeiden. Ein besonders last- und faserverbundgerechter Faserlagenaufbau der Tellerfeder wird gemäß Anspruch 4 dadurch erreicht, daß diese eine quasiisotrope Faserorientierung besitzt.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Teller­ feder gemäß Anspruch 5 in Lastrichtung vorgespannt, um zu vermeiden, daß sich die Tellerfeder bei Strebenbelastungen, die entgegengesetzt zu ihrer Lastübertragungsrichtung wirken, lockert und unkontrollier­ te Schlackerbewegungen durchführt. Gemäß Anspruch 5 ist die Vorspan­ nung der Tellerfeder zweckmäßigerweise veränderlich einstellbar, so daß die Streben-Teillast, bis zu welcher der punkt- oder linienför­ mige Kontakt zwischen Tellerfeder und Druckflächen wirksam ist, auf baulich einfache Weise auf einen erwünschten Wert festgelegt werden kann.

Um auch an den Druckflächen eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und zugleich einen wirksamen Schutz gegen Kerbspannungsschäden zu ge­ währleisten, sind diese vorzugsweise gemäß Anspruch 7 jeweils an einem Faserverbund-Druckstück ausgebildet, welches zumindest im Be­ reich der punkt- oder linienförmigen Kontaktzone hartmetallisiert ist.

Nach Anspruch 8 ist die Tellerfeder zweckmäßigerweise in der gegen­ seitigen Anschlagposition der Druckflächen zwischen deren flächigen Kontaktzonen angeordnet, wodurch die geringe Wärmeleitfähigkeit der Faserverbund-Tellerfeder auch für den bei maximaler Strebenlast wirksamen Lastübertragungspfad ausgenutzt wird.

Gemäß einem weiteren, besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung sind die Druckflächen nach Anspruch 9 zwischen den punkt- oder li­ nienförmigen und den anschlagbildenden Kontaktzonen jeweils mit im Lastbereich zwischen Streben-Teillast und maximaler Strebenlast wirksamen Übergangsabschnitten versehen, deren jeweilige Anlagebe­ reiche an der Tellerfeder sich mit wachsender Strebenlast radial vom randseitigen zum mittleren, mit der anschlagbildenden Kontaktzone zusammenwirkenden Tellerfeder-Abschnitt verlagern. Hierdurch wird erreicht, daß die wirksame Tellerfederfläche bei Überschreiten der vorgegebenen Streben-Teillast kontinuierlich abnimmt und demzufolge die Federsteifigkeit im oberen Lastbereich progressiv bis zur Höhe der über die Anschläge bewirkten, in Lastrichtung im wesentlichen starren Verkoppelung der Strebenenden ansteigt, wodurch das dynami­ sche Ansprechverhalten der Strebe wesentlich verbessert wird. Um dabei im Lastbereich zwischen Streben-Teillast und maximaler Stre­ benlast auch den Wärmeleitquerschnitt mit hoher Genauigkeit der jeweils zur Lastübertragung erforderlichen Querschnittsgröße nach­ zuführen und dadurch die durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit der Strebe weiter abzusenken, empfiehlt es sich gemäß Anspruch 10 in besonders bevorzugter Weise, daß sich die jeweiligen Anlagebereiche der Übergangsabschnitte der Druckflächen an der Tellerfeder, ausge­ hend von der Größe der anschlagbildenden Kontaktzonen bei maximaler Strebenlast, stetig bis zum Erreichen des punkt- oder linienförmigen Kontaktes bei Streben-Teillast verkleinern, was gemäß Anspruch 11 auf baulich einfache Weise dadurch erreicht wird, daß die Übergangs­ abschnitte der Druckflächen entsprechend konvex gewölbt gestaltet sind.

Ferner läßt sich, wie gemäß Anspruch 12 bevorzugt, die erfindungs­ gemäße Strebe dadurch ohne weiteres sowohl als Zug- als auch als Druckstrebe ausbilden, daß sie mit zwei, jeweils in einer Lastrich­ tung wirkenden Druckflächenpaaren mit dazwischenliegender Tellerfe­ der versehen ist.

Schließlich empfiehlt es sich für den bevorzugten Anwendungsfall einer Tieftemperaturtank-Aufhängung an Bord eines Raumfahrzeuges mit beschleunigungsabhängigen Strebenbelastungen von kurzzeitig 15 g oder mehr, die Tellerfeder-Charakteristik so zu wählen, daß die punkt- oder linienförmigen Druckflächen-Kontaktzonen bis etwa 1 g wirksam sind und die in Lastrichtung im wesentlich starre Verkoppe­ lung über die anschlagbildenden Kontaktzonen bei etwa 15 g erreicht wird, woraus sich eine besonders wirksame Reduzierung der über die Strebe geleiteten Wärmemenge während der Lebensdauer des Raumfahr­ zeuges ergibt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1 eine Zug- und Druckstrebe im Längsschnitt; und

Fig. 2a-c die Strebe gem. Fig. 1 im Ausschnitt A unter Zugbe­ lastungen bis zur Höhe einer der einfachen Erdbe­ schleunigung entsprechenden Streben-Teillast (a), im oberen Lastbereich zwischen Streben-Teillast und maximaler Strebenlast (b) und in der Anschlagposi­ tion bei maximaler Strebenlast von 15 g und mehr (c).

In den Fig. ist eine von mehreren baugleichen Zug- und Druckstreben 2 gezeigt, über die ein in Fig. 1 ausschnittsweise angedeuteter Tieftemperaturtank 4 für eine kryogene Flüssigkeit, z. B. Helium, in allen sechs Freiheitsgraden lagestabil und mit hohem Wärmeleitwider­ stand an der in Fig. 1 ebenfalls ausschnittsweise angedeuteten Trag­ struktur 5 eines Raumfahrzeuges aufgehängt ist.

Jede Strebe 2 enthält zwei rohrförmige, koaxial zueinander mit ra­ dialem Zwischenraum ineinandergreifende, einerseits am Tieftempera­ turtank 4 und andererseits an der Tragstruktur 6 gelenkig befestigte Endstücke 8, 10 aus Faserverbundwerkstoff, die jeweils in Druckrich­ tung der Strebe 2 durch ein plattenförmiges, am Endstück 8 befestig­ tes Druckstück 12.1 und ein kreisringförmiges, am Endstück 10 befe­ stigtes Druckstück 12.2 sowie eine zwischen diesen wirksame, ringke­ gelförmige Tellerfeder 14 und in Zugrichtung der Strebe 2 gleich­ falls durch ein plattenförmiges, am Endstück 8 befestigtes Druck­ stück 16.1, ein am Endstück 10 befestigtes Druckstück 16.2 und eine dazwischenliegende, ringkegelförmige Tellerfeder 18 lastübertragend miteinander verkoppelt sind.

Die Tellerfedern 14 und 18 bestehen aus Carbon- oder Glasfaser-Ver­ bundwerkstoff mit einem quasiisotropen Faserlagenaufbau, also z. B. in Umfangs- und in Radialrichtung der Tellerfeder verlaufenden Uni­ direktionallagen und weiteren, die Unidirektionallagen unter ± 45° kreuzenden Faserlagen. Am Innen- und am Außenrand ist jede Teller­ feder 14, 18 durch einen Hartmetallring 20.1 bzw. 20.2 mit einer dem angrenzenden Druckstück 12 bzw. 16 zugekehrten, kreislinienförmigen Schneide 22 eingefaßt.

Die mit der Tellerfeder 14 bzw. 18 zusammenwirkenden Druckflächen 24.1 und 24.2 der Druckstücke 12 bzw. 16 bestehen jeweils aus einer linienförmigen Kontaktzone a, an der sich die Tellerfeder 14 bzw. 18 bis zu einer vorgegebenen Streben-Teillast über die am Tellerfeder­ rand befestigte Metallring-Schneide 22 abstützt, einem konvex ge­ wölbten Übergangs-Flächenabschnitt b, der mit der oberen bzw. unte­ ren Tellerfeder-Mantelfläche im Lastbereich zwischen vorgegebener Teillast und maximaler Strebenlast zusammenwirkt, sowie einer daran anschließenden, ebenflächigen, kreisringförmigen Kontaktzone c, wo­ bei die Kontaktzonen c jedes Druckflächenpaares 24 in Strebenlängs­ richtung fluchtend übereinanderliegen und bei maximaler Strebenlast auf die weiter unten näher erläuterte Weise unter Zwischenschaltung der Tellerfeder 14 bzw. 18 gegenseitig auf Anschlag verfahren.

Die Druckstücke 12 und 16 sind zumindest im Bereich ihrer punkt- oder linienförmigen Kontaktzonen a etwa mittels des Verstärkungsrin­ ges 26 gem. Fig. 2 hartmetallisiert und können im übrigen ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff hergestellt sein. Das Druckstück 16.1 ist mit dem Streben-Endstück 8 einstellbar verschraubt, so daß die Tel­ lerfedern 14, 18 im entlasteten Zustand der Strebe 2 unter Vorspan­ nung gesetzt werden können. Die Vorspannung wird so groß gewählt, daß die Tellerfeder 14 in der Anschlagposition des in Streben-Zug­ richtung wirkenden (gem. Fig. 1 unteren) Druckflächenpaares 24 und die Tellerfeder 18 in der Anschlagposition des in Druckrichtung wir­ kenden Druckflächenpaares 24 mit der Schneide 22 noch in punkt- oder linienförmigen Kontakt an dem zugeordneten Verstärkungsring 26 bleibt.

Für den Zugbelastungsfall der Strebe 2 im unteren Lastbereich bis zu der vorgegebenen Streben-Teillast ist die Stellung der kraftübertra­ genden Teile 16, 18 in Fig. 2a dargestellt. Die Lastübertragung zwischen den Streben-Endstücken 8, 10 erfolgt über den für diesen Lastbereich ausreichenden, punkt- oder linienförmigen Kontakt zwi­ schen den Kontaktzonen a und den Tellerfederschneiden 22, also über sehr kleine Lastübertragungs- und damit auch Wärmeleitquerschnitte, so daß die Strebe 2 - unter Einbeziehung der geringen Wärmeleitfä­ higkeit des Faserverbundmaterials - in den Phasen niedriger Bela­ stung einen sehr hohen Wärmeleitwiderstand besitzt.

Wird die Teillastgrenze überschritten, so wird die Tellerfeder 18 so stark weiterverformt, daß die Übergangsabschnitte b der Druckflächen 16.1 und 16.2 mit den Mantelflächen der Tellerfeder 18 kraftübertra­ gend zusammenwirken (Fig. 2b), wobei sich die Tellerfederschneiden 22 von den Kontaktzonen a abheben. Infolge der zu den flächigen Kon­ taktzonen c hin abnehmenden Krümmung der Übergangsabschnitte b nimmt die Breite, x, der kreisringförmigen, tellerfederseitigen Anlagebe­ reiche K der Druckflächen 24.1 und 24.2 mit zunehmender Strebenlast kontinuierlich zu, so daß sich der wirksame Lastübertragungs- und Wärmeleitquerschnitt der Strebe 2 selbsttätig an die jeweils einwir­ kende Strebenlast anpaßt. Gleichzeitig wandern die Anlagebereiche K der Druckflächen 24.1 und 24.2 mit zunehmender Strebenlast radial nach innen bzw. außen zur Mitte der Tellerfeder 18 hin, wodurch sich die zwischen den Druckstücken 16.1 und 16.2 wirksame, radiale Tel­ lerfederlänge - unter entsprechender, hierzu umgekehrt proportiona­ ler Erhöhung der Federsteifigkeit - verringert und gegen Null geht, wenn die Strebe 2 die Anschlagposition maximale Flächenkontakts (Fig. 2c) erreicht, in der die ebenflächigen Kontaktzonen c der Druckflächen 24.1 und 24.2 unter Zwischenlage des mittleren Teller­ federabschnitts aufeinanderstoßen und eine im wesentlichen starre Verkoppelung der Streben-Endstücke 8, 10 bei maximaler Strebenlast bewirken. In gleicher Weise wird im Druckbelastungsfall eine last­ abhängige Anpassung der Lastübertragungs- und Wärmeleitquerschnitte mittels der dann kraftübertragenden Teile 12, 14 erreicht.

Infolge des lastabhängig variablen Wärmeleitwiderstandes der Strebe 2 wird der im zeitlichen Durchschnitt über die Strebe 2 geleitete Wärmestrom - bei entsprechender Bemessung der Tellerfedern 14, 18 und der Streben-Teillastgrenze - maßgeblich durch den vergleichswei­ se hohen Wärmeleitwiderstand der punkt- oder linienförmigen Druck­ stück-Kontaktzonen a bestimmt. In dem bevorzugten Anwendungsfall einer Tieftemperatur-Aufhängung an Bord eines Raumfahrzeuges wird die Strebe 2 so ausgelegt, daß bis zur Höhe der Ruhemasse des ge­ füllten Tieftemperaturtanks, also unter der Wirkung der einfachen Erdbeschleunigung und im Orbit, die Kraftübertragung über die punkt- oder linienförmigen Kontaktzonen a erfolgt und der Anschlag-Lastpfad über die flächigen Kontaktzonen c nur kurzzeitig, vor allem beim Start, wo Beschleunigungen von 15 g und mehr erreicht werden, zur Wirkung kommt. Im Vergleich zu der Wochen bis Jahre dauernden Le­ benszeit eines Raumfahrzeuges fällt die in der Startphase bewirkte Verringerung des Wärmeleitwiderstandes der Strebe 2 kaum ins Ge­ wicht.

Claims (13)

1. Zug- und/oder Druckstrebe geringer Wärmeleitfähigkeit für vor­ übergehend hohe mechanische Belastungen, insbesondere zur Auf­ hängung eines Tieftemperaturtanks in einem Außenbehälter, mit jeweils in Lastrichtung der Strebe kraftübertragend zwischen den Strebenenden angeordneten, paarweise einander zugekehrten Druckflächen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einander zugekehrten Druckflächen (24) mindestens eine bis zu einer vorgegebenen Streben-Teillast punkt- oder linien­ förmig mit dem Innenrand an der einen und mit dem Außenrand an der anderen Druckfläche anliegende Tellerfeder (14, 18) ange­ ordnet ist und die Druckflächen zusätzlich zu den punkt- oder linienförmigen Kontaktzonen (a) mit flächigen, tellerfederwegabhängig als Anschläge bei maximaler Strebenlast wirkenden Kontaktzonen (c) versehen sind.

2. Zug- und/oder Druckstrebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (14, 18) aus Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.

3. Zug- und/oder Druckstrebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (14, 18) am Innen- und am Außenrand jeweils mit einem schneidenförmig der zugeordneten Druckfläche (24) zuge­ kehrten Metallring (20) versehen ist.

4. Zug- und/oder Druckstrebe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (14, 18) eine quasiisotrope Faserorientierung aufweist.

5. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (14, 18) in Lastrichtung vorgespannt ist.

6. Zug- und/oder Druckstrebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Tellerfeder (14, 18) veränderlich einstell­ bar ist.

7. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckflächen (24) jeweils an einem zumindest im Bereich der druck- oder linienförmigen Kontaktzone (a) hartmetallisierten Faserverbund-Druckstück (12, 16) ausgebildet sind.

8. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die flächigen Kontaktzonen (c) unter Zwischenlage der Tellerfe­ der (14, 18) in die gegenseitige Anschlagposition verfahrbar sind.

9. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckflächen (24) zwischen den punkt- oder linienförmigen und den anschlagbildenden Kontaktzonen (a, c) jeweils mit im Lastbereich zwischen Streben-Teillast und maximaler Strebenlast wirksamen Übergangsabschnitten (b) versehen sind, deren jewei­ lige Anlagebereiche (K) an der Tellerfeder (14, 18) sich mit wachsender Strebenlast radial vom randseitigen zum mittleren Tellerfeder-Abschnitt verlagern.

10. Zug- und/oder Druckstrebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die jeweiligen Anlagebereiche (K) der Übergangsabschnitte an der Tellerfeder (14, 18) mit zunehmender Strebenlast stetig bis zur Größe der anschlagbildenden Kontaktzone (c) ver­ größern.

11. Zug- und/oder Druckstrebe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsabschnitte (b) entsprechend der Vergrößerung ihres jeweiligen Anlagebereichs (K) konvex gewölbt sind.

12. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung sowohl von Zug- als auch von Drucklasten zwei, jeweils in einer Lastrichtung wirkende Druckflächenpaare (24) mit dazwischenliegender Tellerfeder (14, 18) vorgesehen sind.

13. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che zur Übertragung beschleunigungsabhängiger Lasten von 15 g und mehr, dadurch gekennzeichnet, daß die punkt- oder linienförmigen Druckflächen-Kontaktzonen (a) bis etwa 1 g und die anschlagbildenden Kontaktzonen (c) ab etwa 15 g wirksam sind.