DE69914974T2

DE69914974T2 - Ausleger aus Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE69914974T2
Application number: DE69914974T
Authority: DE
Inventors: Franz Paschke; Kurt Vohdin
Original assignee: Grove US LLC
Current assignee: Grove US LLC
Priority date: 1998-07-03
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: JP3214844B2; EP0968955B1; JP2000191281A; DE19829829A1; CA2276925A1; CA2276925C; US6586084B1; DE69914974D1; EP0968955A3; ES2215344T3; EP0968955A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Teleskopteil für einen Kran- bzw. Mobilkranausleger, mit einem umlaufenden Querschnitt aus Verbundwerkstoffen. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung einen Teleskopausleger, insbesondere für einen Kran bzw. einen Mobilkran, mit einem angelenkten Basisschuss und mindestens einem Teleskopschuss, der aus dem Verbundwerkstoff gebildet ist.
Teleskopausleger, beispielsweise solche von feststehenden oder mobilen Kranen sind aus mehreren ineinandergeschachtelten Teleskopteilen aufgebaut, die zur Verlängerung des Auslegers ausgefahren werden können. Die Teleskopteile sind gleitbar ineinander gelagert. Für die Tragfähigkeit der einzelnen Auslegerteile ist die Formtreue des Querschnitts von großer Wichtigkeit.
Diese Formtreue wird einerseits durch die Materialeigenschaften der Teleskopteile und andererseits durch Endrahmen gewährleistet, die eine entsprechende Steifigkeit aufweisen müssen und als Krafteinleitungen der einzelnen Teleskopteile dienen. Die letztgenannten Endrahmen werden im Allgemeinen als Kragen bezeichnet.
Herkömmliche optimierte Auslegerquerschnitte werden üblicherweise aus hochfesten, schweißbaren Feinkornstählen hergestellt. Das Eigengewicht des Auslegers, das bei Stahlkonstruktionen relativ hoch ist, spielt eine erhebliche Rolle. Bei großer Ausladung wird ein großer Teil der Tragfähigkeit des Querschnitts bereits für das Tragen des Eigengewichts gebraucht. Stahl-Teleskopteile sind deshalb im Grunde genommen zu schwer; wegen der hohen Festigkeit des Stahls ist dessen Verwendung aber nach dem Stand der Technik üblich.
Aus der EP 0 117 774 A1 ist ein Teleskopausleger bekannt, der Teleskopteile aus geschäumten Polyurethankernen mit einer überliegenden Haut aus einem Verbundwerkstoff bzw. aus Aluminium aufweist. Eine solche Sandwich-Konstruktion weist aber trotz ihrer strukturbedingten relativen Stabilität eine zu geringe Festigkeit für lange Teleskopausleger und schwere Lasten auf.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, gewichts- und festigkeitsoptimierte Teleskopteile und -ausleger zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Teleskopteil einen Verbundquerschnitt mit einer Stahlschicht und mindestens einer Faserverbundschicht aufweist.
Erfindungsgemäß wird also ein Teil des herkömmlicherweise verwendeten Feinkornstahl-Querschnitts durch eine Faserverbundschicht ersetzt, die bei gleicher Festigkeit und Steifigkeit ein deutlich geringeres spezifisches Gewicht aufweist. Das Verhältnis von Tragkraft zu Eigengewicht wird umso günstiger, je höher der Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffes ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Teleskopteils ist in der Tatsache begründet, dass die Schwingungen der Ausleger vermindert werden. Feinkornstahl-Ausleger haben so niedrige Eigenfrequenzen, dass Resonanzen allein durch den Betrieb oder durch Wind möglich werden. Wegen der besseren Dämpfung der erfindungsgemäß eingesetzten Faserverbundschicht können solche Resonanzen unterdrückt werden, und der Ausleger kommt schnell zur Ruhe. Bei genügend dicken Schichten ist eine Erregung von Schwingungen im Allgemeinen nicht mehr möglich.
Ein weiterer Vorteil erfindungsgemäßer Teleskopteile und Ausleger ist die geringe Verformung durch Erwärmung aus einseitiger Sonnenbestrahlung, die bei Stahlteleskopen unerwünschte große Verformungen hervorruft, welche die Traglast herabsetzt.
Wenn die Stahlschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine innere und die Faserverbundschicht eine äußere Schicht des Verbundquerschnitts bildet, ist der Stahlkern des Teleskopteils bzw. des Auslegers nicht mehr der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt. Dadurch sind die Temperaturdifferenzen und die resultierenden unterschiedlichen Wärmeausdehnungen im Stahl gering. Wegen der geringen Wärmeleitung und der Eigenschaft, dass Kunststoffe sich bei Erwärmung verkürzen, während Metalle sich verlängern, ist zu erwarten, dass solche Ausleger bei einseitiger Sonnenbestrahlung wesentlich gerader bleiben.
Weil der erfindungsgemäße Teleskopausleger bei gleicher Tragfähigkeit mit einem geringeren Gewicht ausgeführt werden kann, werden weniger Gegengewichte zum Momentenausgleich an der Kugeldrehverbindung eines Teleskopkrans benötigt.
Gemäß der Erfindung weist die Faserverbundschicht einen, bevorzugt inneren und an der Stahlschicht anliegend, ersten Faserverbund mit hauptsächlich unidirektionalen Fasern in Längsrichtung des Teleskopteils, sowie einen, bevorzugt äußeren und über der ersten Lage liegenden, zweiten Faserverbund mit hauptsächlich unidirektionalen Fasern, die in Querrichtung zur ersten Lage ausgerichtet sind, auf. Hierbei können der erste und/oder der zweite Unidirektional-Faserverbund aus unidirektionalen Fasermatten gebildet werden.
Bei einer solchen übereinanderliegenden Anordnung des Faserverbundes kann eine gegenseitige Abstützung und insbesondere ein Verklemmen des ersten Unidirektional-Faserverbundes durch den zweiten Unidirektional-Faserverbund erreicht werden. Ein Herausziehen der Längsfasern ist nicht möglich, da sich die Querfasern dabei schräg stellen und dehnen und dadurch der Anpressdruck auf den ersten Faserverbund größer wird. Die Längsanordnung der Fasern im ersten Unidirektional-Faserverbund erzeugt eine besonders biegesteife Struktur, da die Fasern nur in ihrer Längsrichtung gedehnt werden und sich nicht erst gerade ziehen müssen.
Der erste und/oder der zweite Faserverbund können erfindungsgemäß Faserlängsbündel aufweisen.
Der Einsatz solcher gewichts- und stabilitätsoptimierender Faserwerkstoffe scheiterte beim Bau von Teleskopteilen und Auslegern für Krane bislang daran, dass keine Möglichkeiten bekannt waren, diese Faserverbundwerkstoffe am Ausleger zu befestigen.
Erfindungsgemäß wird der erste Faserverbund schubfest auf der Stahlschicht angebracht. Dies kann grundsätzlich durch eine oder mehrere der folgenden Befestigungsoptionen bewirkt werden:
Zunächst besteht die Möglichkeit, den ersten Faserverbund formschlüssig mit der Stahlschicht zu verbinden, und zwar vorzugsweise durch von der Stahlschicht abstehende Ansätze, die von dem Faserverbund in Eingriff genommen werden, und/oder durch in der Stahlschicht ausgebildete Aufnahmen, in welche der Faserverbund eingreift.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den ersten Faserverbund an mindestens einem Ende des Teleskopteils, insbesondere an einem Kragen, zu befestigen, und zwar vorzugsweise durch Vergießen und/oder durch Ausbilden einer Befestigungseinheit mit dem Kragen und dem zweiten Faserverbund. Teleskopausleger, die ineinander verschachtelt sind, haben an den Enden der einzelnen Teleskopschüsse Bereiche, in denen die Biegespannungen zu Null werden. In diesen Bereichen, in denen sich auch die Kragen befinden, ist deshalb eine Verankerung des Faserverbundwerkstoffes mit dem Stahlteil vorteilhaft.
Außerdem besteht gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Befestigung die Möglichkeit, den ersten Faserverbund durch die Klemmwirkung des darüber liegenden zweiten Faserverbundes zu halten. Bei solchen „fest umwickelten" Faserbündeln ist ein Herausziehen der Längsfasern nicht möglich, da sich die Quer- und Längsfasern verklemmen. Je größer die Vorspannung in der Querfaser und je größer der Zug in der Längsfaser ist, desto höher ist der Anpressdruck. Das Stahlteil, Längs- und Querfasern bilden somit eine ausreichende reibschlüssige Verbindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Teleskopteils ist der Verbundquerschnitt und insbesondere der ersten Faserverbund nur an einem Teil des umlaufenden Querschnitts und bevorzugt im Wesentlichen in der Zugbelastungszone angeordnet. Die Zugfestigkeit von Faserverbundmaterialien ist wesentlich höher als ihre Druckfestigkeit, so dass es von Vorteil sein kann, den ersten Faserverbund lediglich in der zugbeanspruchten Zone des Querschnitts anzuordnen. Im Allgemeinen hat jede Auslegerhülle bei Verwendung eines Verbundwerkstoffes bei gleichem Gewicht eine größere Wanddicke als bei einem Stahlquerschnitt. Dies bewirkt eine höhere Stabilität gegen örtliches Versagen, z. B. Beulen in Platten und Durchschlagen in Schalen.
Der zweite unidirektionale Faserverbund mit in Querrichtung zum ersten Verbund ausgerichteten Fasern verhindert einerseits ein seitliches Verschieben oder ein Abschälen des ersten Faserverbundes vom Ende her und schützt außerdem den ersten Faserverbund vor Beschädigungen. Bevorzugt kann erfindungsgemäß über dem zweiten Faserverbund noch eine Materialschicht, insbesondere eine Schutzschicht und/oder Gleitschicht aufgebracht werden, welche die stark querdruckempfindlichen Fasern schützt, ausreichende Gleiteigenschaften beim Austeleskopieren und Einteleskopieren bereitstellt und insbesondere bezüglich der Sonneneinstrahlung optimierte Verhältnisse schafft.
Ein erfindungsgemäßer Teleskopausleger, der für einen Kran bzw. einen Mobilkran Verwendung findet, weist einen angelenkten Basisschuss und mindestens einen Teleskopschuss auf und ist so ausgeführt, dass mindestens einer der Schüsse als Teleskopteil gemäß der vorhergehenden Beschreibung und den beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sind.
Der weitere Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich. Es versteht sich jedoch, dass die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, nur zu Erläuterungszwecken gegeben werden, da verschiedene Änderungen und Modifizierungen innerhalb des Geistes und des Umfangs der Erfindung für Fachleute aus dieser detaillierten Beschreibung ersichtlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen vollständiger verständlich, welche nur zu Darstellungszwecken gegeben werden und somit nicht bezüglich der vorliegenden Erfindung einschränkend sind. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht des Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen Teleskopteils sowie eine erste Befestigungsart für den ersten Unidirektional-Faserverbund auf der Stahlschicht;
1A eine Querschnittsansicht des Teleskopteils der 1;
2 eine der 1 entsprechende Ansicht eines Teleskopteils mit einer zweiten Befestigungsart;
2A eine Querschnittsansicht der Struktur der 2;
3 einen perspektivischen Halbschnitt in Schichtaufbau-Darstellung für ein Teleskopteil mit einem Kragen;
3A eine Querschnittsansicht des Kragens der 3;
4 eine Ansicht gemäß 3 für ein Teleskopteil mit einem Kragen als Faserverbundkonstruktion;
5 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Teleskopteils mit einer Faserverbundschicht im Zugbereich;
6 eine Schichtaufbaudarstellung für ein erfindungsgemäßes Teleskopteil; und
7 eine perspektivische Schichtaufbau-Ansicht eines Teleskopteils mit Faserbündeln in Stabform.
Die 1 zeigt ein Teleskopteil 10 in perspektivischer Ansicht und mit freigelegtem Schichtaufbau. Als innerstes Grundbauteil weist das Teleskopteil 10 die Stahlhülle 11 auf. Über der Stahlhülle 11 liegt zunächst der erste Unidirektional-Faserverbund 12, dessen Fasern in Richtung der Längsachse des Teleskopteils ausgebildet sind. Im Weiteren wird dieser Verbund auch als Längsfaserverbund 12 bezeichnet; er kann als Fasermatte ausgebildet sein.
Über dem Längsfaserverbund 12 liegt der zweite Unidirektional-Faserverbund 13 mit in Querrichtung, also in Umfangsrichtung ausgerichteten Fasern. Dieser wird im Weiteren auch als Querfaserverbund 13 bezeichnet. Auch er kann als Fasermatte ausgebildet sein. Er umgreift den Längsfaserverbund 12 und legt ihn damit an der Stahlhülle 11 fest.
Um die schubfeste Verbindung des Längsfaserverbundes 12 weiter zu unterstützen, also zu verhindern, dass der Längsfaserverbund 12 in Längsrichtung auf der Stahlhülle 11 abgleiten kann, ist in der Ausführungsform nach 1 noch eine weitere Befestigung vorgesehen. Diese Befestigung besteht aus nach außen von der Stahlhülle 11 wegragenden Ansätzen 21, die in 1 nur an einem Längsabschnitt gezeigt sind, sich jedoch über den gesamten Umfang verteilen können. Der Längsfaserverbund 12 weist Ausnehmungen 22 auf, in die die Ansätze 21 im montierten Zustand eingreifen.
Veranschaulicht wird diese Befestigung durch die 1A, die einen Querschnitt (in Richtung der Längsachse des Teleskopteils 10 gesehen) des oberen flachen Abschnitts des Teleskopteils 10 zeigt. In dieser Schnittansicht ist zu erkennen, dass auf der Stahlhülle 11 die Ansätze 21 nach oben abragen und dabei vom Längsfaserverbund in dessen Ausnehmungen umgriffen werden. Oberhalb des Längsfaserverbundes schließt der Querfaserverbund 13 ab. Durch die formschlüssige Verbindung zwischen Längsfaserverbund 12 und Stahlhülle 11 über die Ansätze 21 wird eine schubfeste Anordnung des Längsfaserverbundes 12 gewährleistet.
Eine weitere Befestigungsart für den Längsfaserverbund 12 ist in 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weist die Stahlhülle 11 Ausnehmungen 23 auf, in die, wie in der Querschnittsansicht der 2A zu sehen ist, Materialvorsprünge 24 eingreifen, die nach unten aus dem Längsfaserverbund 12 abstehen. Hier ist also der umgekehrte Fall zu 1 dargestellt; auch hier ist die schubfeste Verbindung gewährleistet.
Die 3 zeigt in perspektivischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Teleskopteil mit Stahlhülle 11, Längsfaserverbund 12, (teilweise dargestelltem) Querfaserverbund 13 und einem Stahlkragen 30. Die 3A zeigt einen Längsschnitt im Kragenbereich. Der Längsfaserverbund 12 ist nur im oberen Bereich, d. h. im Zugbelastungsbereich dargestellt. Die Befestigung des Längsfaserverbundes 12 erfolgt gemäß dieser Ausführungsform durch ein Eingießen der Fasern in den Kragen 30. Wie aus der Längsschnittansicht der 3A hervorgeht, kann der Kragen 30 zur Aussteifung auch mit Fasermaterial 31 ausgefüllt werden. Teleskopausleger, wie der, der in 3 dargestellt ist, haben am Kragenende einen Bereich, in dem die Vergleichsspannungen klein sind. Aus diesem Grund ist im Kragenbereich die Verankerung des Längsfaserverbundes 12 im Stahlkragen 30 einfacher.
Die 4 zeigt eine der oberen Ansicht in 3 entsprechende Darstellung eines Teleskopauslegers mit Stahlhülle 11, Längsfaserverbund 12 und Querfaserverbund 13. Der Kragen 40 ist bei der Ausführungsform nach 4 als Faserverbundkonstruktion ausgeführt und die Enden des Längsfaserverbundes 12 sind in diesen Kragen 40 eingeflochten, wodurch eine ausreichende Befestigung gewährleistet wird.
Bei allen vorgenannten Befestigungsbeispielen umgreift der Querfaserverbund 13 den Längsfaserverbund 12 und hält ihn schon durch Reibschluss im Wesentlichen schubfest auf der Stahlhülle 11 fest. Der Querfaserverbund 13 dient außerdem als Schutz vor dem Abschälen der Enden des Längsfaserverbundes 12.
Die 5 zeigt nunmehr eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Teleskopteils, bei dem lediglich im Zugbereich Z eine Längsfaserverbundstruktur vorgesehen ist. Der Aufbau von innen nach außen zeigt wiederum die Stahlhülle 11, den Längsfaserverbund 12, den Querfaserverbund 13 und eine über dem Querfaserverbund 13 aufgebrachte Gleit- und Schutzschicht 14. Die 6 zeigt diesen Aufbau nochmals ausschnittsweise.
Das Teleskopteil gemäß 5 weist im Druckbereich D keinen Längsfaserverbund 12 auf. Die Druckfestigkeit von Fasern in Längsfaserrichtung ist wesentlich geringer als ihre Zugfestigkeit. Daher kann es von Vorteil sein, wie bei der Ausführungsform nach 5 in der druckbeanspruchten Zone auf den Längsfaserverbund zu verzichten. Um die Halterung des Längsfaserverbundes zu gewährleisten, umgreift jedoch der Querfaserverbund 13 den gesamten Querschnittsumfang.
Die Schutz- bzw. Gleitschicht 14 schützt einerseits den stark querdruckempfindlichen Querfaserverbund 13 vor Beschädigung und ermöglicht andererseits ein einwandfreies Gleiten der jeweiligen Teleskopteile, wenn sie in einem Ausleger ineinander angeordnet sind. Des Weiteren kann die Schicht 14 noch so ausgestaltet sein, dass sie nachteiligen Wirkungen der Sonneneinstrahlung entgegenwirkt.
Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Teleskopteils. Über der Stahlhülle 11 befindet sich hier ein Verbund aus Längsfasern in Stabform 12' sowie darüber liegend ein Querfaserbündel zur Fixierung. Bei solchen fest umwickelten Faserbündeln ist ein Herausziehen der Längsfasern nicht möglich, dass sich die Quer- und die Längsfasern 12' und 13' gegenseitig verklemmen. Bei einem stärkeren Zug in den Längsfasern 12' erhöht sich der Anpressdruck durch die Querfasern 13'. Stahlhülle 11, Längs- und Querfasern 12', 13' bilden eine reibschlüssige Verbindung.
Während die Erfindung so beschrieben wurde, sollte offensichtlich sein, dass sie auf verschiedene Art und Weise abgeändert werden kann. Solche Abänderungen sind nicht als ein Abweichen von dem Geist und dem Umfang der Erfindung anzusehen und alle Modifikationen, die für Fachleute offensichtlich wären, sollen im Umfang der folgenden Ansprüche umfasst sein.

Claims

Teleskopteil für einen Kran- bzw. Mobilkranausleger, mit einem umlaufenden Querschnitt, wobei das Teleskopteil einen Verbundquerschnitt mit einer Stahlschicht (11) und mindestens einer Faserverbundschicht (12, 13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundschicht (12, 13) einen bevorzugt an der Stahlschicht (11) anliegenden, ersten Unidirektional-Faserverbund (12) mit in Längsrichtung des Teleskopteils ausgerichteten Fasern, sowie einen, bevorzugt äußeren und über dem ersten Verbund liegenden, zweiten Unidirektional-Faserverbund (13) mit in Querrichtung zum ersten Verbund (12) ausgerichteten Fasern aufweist.
Teleskopteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlschicht (11) eine innere und die Faserverbundschicht (12, 13) eine äußere Schicht des Verbundquerschnitts bilden.
Teleskopteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Unidirektional-Faserverbund aus unidirektionalen Fasermatten gebildet werden.
Teleskopteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Faserverbund Faserlängsbündel aufweisen.
Teleskopteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Faserverbund (12) schubfest auf der Stahlschicht (11) angeordnet ist.
Teleskopteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Faserverbund (12) formschlüssig mit der Stahlschicht (11) verbunden ist, und zwar vorzugsweise durch von der Stahlschicht abstehende Ansätze (21), die von dem Faserverbund (12) in Eingriff genommen werden, und/oder durch in der Stahlschicht (11) ausgebildete Aufnahmen (23), in welche der Faserverbund (12) eingreift.
Teleskopteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Faserverbund (12) an mindestens einem Ende des Teleskopteils, insbesondere an einem Kragen (30, 40), befestigt ist, und zwar vorzugsweise durch Vergießen und/oder durch Ausbilden einer Befestigungseinheit mit dem Kragen (30, 40) und dem zweiten Faserverbund.
Teleskopteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Faserverbund (12) durch die Klemmwirkung des darüber liegenden zweiten Faserverbundes (13) gehalten wird.
Teleskopteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundquerschnitt und insbesondere der erste Faserverbund (12) nur an einem Teil des umlaufenden Querschnitts und bevorzugt im wesentlichen in der Zugbelastungszone (Z) angeordnet sind.
Teleskopteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über dem zweiten Faserverbund (13) eine Materialschicht (14), insbesondere eine Schutzschicht und/oder eine Gleitschicht aufgebracht ist.
Teleskopausleger für einen Kran bzw. einen Mobilkran, mit einem angelenkten Basisschuss und mindestens einem Teleskopschuss, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Schüsse als Teleskopteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet sind.