DE4335774C2 - Hohlbauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein biege- und/oder torsionselastisches, langgestrecktes Hohlbauteil.

Es ist allgemein bekannt, daß derartige Hohlbauteile, wie Kfz-Lenkwellen in Rohrform oder auch Biegeträger von Gerüsten, üblicherweise auf eine bestimmte Steifigkeit unabänderlich ausgelegt sind: Für die Dimensionierung und folglich das Baugewicht ist eine nicht zu überschreitende Höchstbelastung maßgebend, d. h. für den normalen Belastungsfall wird eine Überdimensionierung in Kauf genommen. Dies gilt auch für ein Hohlprofil gemäß der DE-OS 32 21 739 mit einer Verfüllung aus einem hohe Druckkräfte aufnehmenden festen Baustoff.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Hohlbauteil der eingangs genannten Gattung bzgl. dessen Steifigkeit auch im Höchstbelastungsfall mit einer Dimensionierung für den normalen Belastungsfall auszukommen.

Diese Aufgabe ist mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 2 gelöst.

Beiden Lösungen liegt einheitlich der Gedanke zugrunde, die Biege- und/oder Torsionssteifigkeit des Hohlbauteiles durch Erhöhung des Innendruckes der Flüssigkeit im Hohlraum mit der Folge einer reversiblen Formänderung der nicht kreisringförmigen Außenwand bzw. nicht ebenflächigen Platte einer Änderung der Belastung anzupassen, d. h. ein Hohlbauteil gemäß der Erfindung ist in der Steifigkeit variabel und steuerbar. Dabei läßt sich vorteilhafterweise die Steuercharakteristik durch die Dicke der nicht kreisringförmigen Außenwand bzw. nicht ebenflächigen Platte und, im Falle ihrer Ausbildung aus Faserverbundwerkstoff, auch durch die Faserorientierung vorbestimmen.

Die in den Unteransprüchen gekennzeichneten bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung verdeutlichen zudem die Anwendungsmöglichkeit von einfachen (bewährten) technischen Mitteln.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele weiter erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung in

Fig. 1 einen Abschnitt eines doppelwandigen Rohres in zwei bezüglich der Torsionssteifigkeit verschiedenen Zuständen,

Fig. 2 einen Abschnitt eines doppelwandigen Stabes in zwei bezüglich der Biegesteifigkeit verschiedenen Zuständen.

Gemäß Fig. 1 hat ein z. B. als Kfz-Lenkwelle verwendbares torsionssteifes Rohr einen doppelwandigen Aufbau aus einem Innenrohr 1 und einem hiervon beabstandeten Außenrohr 2 in konzentrischer Anordnung, wobei diese z. B. aus einem Metall, wie Aluminium, oder auch aus einem Faserverbund­ werkstoff, wie faserverstärkter Kunststoff, bestehen können. Im links dargestellten unbelasteten Zustand des Rohres weist nur dessen Innenrohr 1 einen kreisringförmigen Querschnitt auf, dagegen das Außenrohr 2 einen elliptischen Ringquerschnitt. Der Hohlraum 3 zwischen dem Innen- und Außenrohr 1 bzw. 2 ist mit einer inkompressiblen Flüssigkeit ausgefüllt, z. B. Silikonöl, also einer Flüssigkeit mit möglichst hohem Kompressionsmodul.

Wie Fig. 1 in der rechten Darstellung dieses Rohres zeigt, läßt sich durch eine entsprechende Druckerhöhung der Flüssigkeit des Hohlraumes 3 im Wege einer Flüssigkeitszufuhr, also durch eine Vergrößerung des Raumvolumens der Querschnitt des Außenrohres 2 der Kreisringform zumin­ dest annähern. Diese Formänderung des Außenrohres 2 vom elliptischen Ringquerschnitt (links) in den kreisringförmigen Querschnitt (rechts) erfolgt im elastischen Werkstoffbereich des Außenrohres 2, ist also reversibel, und ist zwangsläufig mit einer Erhöhung der Torsionssteifigkeit des Rohres verbunden. Folglich ist durch eine dosierte Änderung des Druckes der Flüssigkeit eine gezielte Einstellung der Torsionssteifigkeit möglich, wobei diese im Betrieb des Rohres erhöht werden kann und ebenso reversibel änderbar ist, weil der Werkstoff des Außenrohres 2 durch eine Druckerhöhung der Flüssigkeit nicht plastisch verformt wird, also das Außenrohr 2 rückfederbar bleibt.

Bezüglich der beiden nicht dargestellten Stirnseiten von Innen- und Außenrohr 1 bzw. 2 sind je nach Funktion des Innenrohres 1 folgende Konfigurationen möglich:

Wenn das Innenrohr 1 als reines Verdrängerrohr wirken soll, kann es in dem dann beidseitig abgeschlossenen Außenrohr 2 mit zentrierenden Distanzhaltern gelagert sein. Oder das Innenrohr 1 wird einseitig mit dem Außenrohr 2 fest verbunden, z. B. verschweißt, und bildet in sich ein abgeschlossenes Volumen.

Wenn das Innenrohr 1 als zusätzliches Torsionselement wirken soll, dann ist es an beiden Stirnseiten mit dem Außenrohr 2 fest verbunden, z. B. verschweißt.

Die Druckänderung bzw. -erhöhung der Flüssigkeit im Hohlraum 3 des Rohres (aus Innen- und Außenrohr 1, 2) wird vorzugsweise auf hydropneumatischem Wege erreicht. Beispielsweise über ein (nicht dargestelltes) Ventil im Innenrohr i ist dem Hohlraum 3 Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter durch pneumatische Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit zuführbar. Ober das Ventil wird weitere Flüssigkeit in den Hohlraum 3 gedrückt, bis der jeweils angestrebte Zustand, d. h. die jeweils gewollte Torsionssteifigkeitserhöhung erreicht ist. Selbstverständlich kann ebenso umgekehrt nach einer Druckerhöhung der Flüssigkeit durch bloßes Öffnen des Ventils Flüssigkeit in den Vorratsbehälter zurückströmen und damit eine Druckminderung der Flüssigkeit im Hohlraum bewirkt werden mit der Folge einer Querschnittsänderung des Außenrohres 2 in Richtung der elliptischen Ringform mit sinkender Torsionssteifigkeit des Rohres.

Demgemäß ist auch mit einem einfachen (nicht notwendigerweise dosierenden) Ventil durch Öffnen und Schließen desselben ein Umschalten zwischen hoher und niedriger Torsionssteifigkeit möglich. Hohe Torsionssteifigkeit wird bei geschlossenem Ventil dadurch erreicht, daß die Flüssigkeit im Hohlraum 3 bei einer erzwungenen Torsion des Rohres und damit verbundenen Querschnittsflächenverringerung des Außenrohres 2 nicht verdrängt werden kann.

Der hierdurch bewirkte Druckaufbau der Flüssigkeit wirkt einer Formänderung des Außenrohres 3 entgegen. Dagegen erscheint das Rohr (aus Innen- und Außenrohr 1, 2) bei geöffnetem Ventil "weich". Demnach läßt sich mit einem aktiv ansteuerbaren Ventil eine schnelle Änderung der Torsionssteifigkeit des Rohres bewirken, um, je nach Anwendung des Rohres, z. B. Schwingungen zu dämpfen oder anzuregen.

Es versteht sich, daß je nach Anwendung eines derartigen Rohres auch dessen Innenrohr 1 oder ein begrenzter Abschnitt desselben den Vorratsbehälter für die Flüssigkeit bilden, also auf einen gesonderten Vorratsbehälter außerhalb verzichtet werden kann.

Hie schließlich Fig. 2 zeigt, ist die Erfindung nicht auf ein torsionssteifes Rohr bzw. auf Torsionssteifigkeitsänderungen bei langgestreckten Hohlbauteilen beschränkt. Ebenso kommen Bauteile mit der Funktion von Strukturelementen etwa des Flugzeugbaus in Betracht mit der dargestellten Stab- oder Plattenform, bei der es auf Biegesteifigkeit ankommt. In diesem Anwendungsfall ist eine doppelwandige Struktur aus zwei parallelen Platten 4 und 5 vorgesehen, wobei eine Platte 4 ebenflächig ist und die andere Platte 5 in Querrichtung ein Wellprofil oder ähnlich unebenes Profil aufweist. Auch in diesem Fall ist, wie bei dem Anwendungsfall "Rohr" der Hohlraum 6 zwischen den beiden Platten 4, 5 mit einer inkompressiblen Flüssigkeit ausgefüllt, mittels welcher in der vorbeschriebenen Weise durch entsprechende Druckerhöhung die Hellprofil-Platte 5 im elastischen Werkstoffbereich in Richtung der oder bis zur Ebenflächigkeit biegeformbar ist. Hierzu zeigt wieder die linke Darstellung (der Fig. 2) die Ausgangslage bzw. den unbelasteten Zustand des Bauteils und die rechte Darstellung einen Zustand erhöhter Biegesteifigkeit infolge Druckerhöhung durch Flüssigkeitszufuhr in den Hohlraum 6 mit der folge einer Profiländerung der Platte 5: Durch die Druckerhöhung wird die Steilheit der Plattenflanken erhöht und damit entsprechend die Biegesteifigkeit (analog zur T-Träger-Funktionsweise). Voraussetzung für die Erhöhung der Flankensteilheit ist die zu den Plattenflanken parallele Hellprofilierung der Platte.

Für diese erfindungsgemäße Ausführungsform "Stab oder Platte" gelten selbstverständlich die zu der Ausführungsform "Rohr" erwähnten Konfigurationsmöglichkeiten an den Stirnseiten.

Claims (9)

1. Biege- und/oder torsionselastisches, langgestrecktes Hohlbauteil, gekennzeichnet durch eine doppelwandige Struktur aus einer im Querschnitt kreisringförmigen Innenwand (Innenrohr 1) und einer hiervon im Querschnitt abweichenden Außenwand (Außenrohr 2) in konzentrischer Anordnung, wobei die Innen- und Außenwand (Innen- und Außenrohr 1 bzw. 2) einen mit einer inkompressiblen Flüssigkeit ausgefüllten Hohlraum (3) begrenzen und durch Druckerhöhung der Flüssigkeit die Außenwand (Außenrohr 2) im elastischen Werkstoffbereich in Richtung eines oder zu einem kreisringförmigen Querschnitt biegeformbar ist.

2. Biege- und/oder torsionselastisches, langgestrecktes Hohlbauteil, gekennzeichnet durch eine doppelwandige Struktur aus einer ebenflächigen Platte (4) und zumindest einer in Querrichtung ein Wellprofil aufweisenden Platte (5) in paralleler Anordnung, wobei die Platten (4, 5) einen mit einer inkompressiblen Flüssigkeit ausgefüllten Hohlraum (6) begrenzen und durch eine Druckerhöhung der Flüssigkeit die Hellprofil-Platte (5) im elastischen Werkstoffbereich in Richtung der oder bis zur Ebenflächigkeit biegeformbar ist.

3. Hohlbauteil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine pneumatische Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit.

4. Hohlbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (Außenrohr 2) einen elliptischen Ringquerschnitt aufweist.

5. Hohlbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Flüssigkeit dosiert steigerbar ist.

6. Hohlbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über ein Ventil dem Hohlraum (3 oder 6) Flüssigkeit unter Druck aus einem Vorratsbehälter zuführbar ist.

7. Hohlbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß über das Ventil aus dem Hohlraum (3 oder 6) Flüssigkeit in den Vorratsbehälter rückführbar ist.

8. Hohlbauteil nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß über das Ventil Flüssigkeit abwechselnd zu- und rückführbar ist.

9. Hohlbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (Innenrohr 1) einen Vorratsbehälter für Flüssigkeit bildet.