DE8300153U1 - Stabfoermiges bauelement grosser streckung aus mit kunstharz getraenkten faserwerkstoffen - Google Patents

Description

:-JMentanwalt ■•'Dipl.-Ing. Harro Gralfs

Grats Palentanwalt Am Bürgerpark 8 0 3300 Braunschweig Germany

Am Bürgerpark 8 D 3300 Braunschweig, Germany Telefon 0531-74798 Cable patmarks braunschweig

G 83 00 153-0 ^Q/^Ws - ^D 733

Deutsche Forschungs- und
Versuchsanstalt für Luft-
und Raumfahrt e.V.
Linder Höhe

5000 Köln 90

<^Stabförmiges Bauelement großer Streckung aus mit Kunstharz getränkten Faserwerkstoffen^>

Die Erfindung bezieht sich auf ein stabföriniges Bauelement großer Streckung, bei dem

auf einem die Innenkontur des Bauelementes bestimmenden, quer zu seiner Längserstreckung formstabilen Kern wenigstens eine Lage mit Kunstharz getränkter achsparalleler (unidirektionaler) Fasern - UD-Gelege - und darüber wenigstens ein mit Kunstharz getränkter Gewebeschlauch aufgebracht ist, der sich über die Länge des Bauelementes erstreckt, wobei das UD-Gelege und der Gewebeschlauch aus Fasern hoher Festigkeit bestehen, wenigstens an einem Ende des Bauelementes ein Krafteinleitungselement vorgesehen ist, das außen wenigstens über einen Teil seiner axialen Länge von den Faserlagen übergriffen ist

und im Bereich des Krafteinleitungselementes eine Umfangswicklung vorgesehen ist.

Bei einem bekannten Bauelement der genannten Art (DE-OS 28 55 638) liegt eine Umfangswicklung im Bereich des Bauelementes auf der äußersten Faserlage. Diese Umfangswicklung erhöht damit den Durchmesser des Bauelementes im Bereich des Krafteinleitungselementes in unerwünschter Weise. Darüber hinaus ist sie bei axialer Belastung des Bauelementes durch am Krafteinleitungselement angreifende Zug- oder Druckkräften praktisch wirkungslos.

Aufgabe der Erfindung ist es, Verbindungsanordnungen zu schaffen, mit denen es möglich ist, in optimaler Weise auch hohe Zug- und Druckkräfte zu übertragen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Krafteinleitungselement auf seinem Umfang mit einer muldenförmigen Vertiefung versehen ist, daß sich die unidirektionale Faserlage über die Vertiefung hinaus erstreckt und durch eine auf die unidirektionale Faserlage aufgebrachte Ringwicklung in Anlage auf dem Boden der Vertiefung gehalten ist, und daß die Ringwicklung außen von dem Gewebeschlauch übergriffen ist.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verbindungselement für die Ausbildung von Knoten an ebenen und räumlichen Strukturen aus stabförmigen Bauelementen großer Streckung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen zwei Bauelementen Verbindungselemente vorgesehen sind, die die zu verbindenden Bauelemente außen so übergreifen, daß die Bauelemente wenigstens über ein Viertel ihres Umfangs umschlungen sind, und daß die Verbindungselemente im Bereich der Umschlingung mit den Bauelementen über einen starr aushärtenden Kleber verbunden sind.

Zweckmäßige Ausgestaltungen eines solchen Verbindungselementes sind Gegenstand der Ansprüche 3 bis 5.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt in.Seitenansicht, teilweise geschnitten ein

Bauelement gemäß der Erfindung mit Krafteinleitungselementen konfektioniert.

Fig. 2 zeigt perspektivisch eine T-Stoß-Verbindung zweier stabförmiger Bauelemente.

Fig. 3 zeigt perspektivisch eine Eckverbindung zweier stabförmiger Bauelemente.

Fig. 4 zeigt in Draufsicht ein Verbindungselement gemäß-der Erfindung.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie V - V in Fig. 4.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt längs der Linie VI - VI· in Fig. in vergrößerter Darstellung.

Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt entsprechend dem gestrichelten Kreis E in Fig. 5.

Fig. 8 zeigt eine Tabelle mit Vergleichswerten.

In Fig. 1 ist ein Bauelement 2 gemäß der Erfindung dargestellt. Das Bauelement weist einen Kern *i und wenigstens einen Gewebeschlauch 6 auf der Außenseite des Kernes auf. Der Gewebeschlauch 6 ist mit Kunstharz versteift. An den Enden des Bauelementes sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils Krafteinlei-i tungselemente 8 angeordnet, die hier als Gewindebuchsen ausgebildet sind und von dem Gewebeschlauch 6 übergriffen werden.

Der Kern 4, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit rundem Querschnitt dargestellt ist, ist so ausgebildet, daß er in Querrichtung formstabil ist. In Längsrichtung werden an den Kern keine besonderen Stabilitätsanforderungen gestellt. Der Kern besteht vorzugsweise aus einem Hartschaum und kann entweder mit dem gewünschten Querschnitt geschäumt sein, oder aber auch aus Platten oder Blöcken geschnitten sein. Runde Querschnitte lassen sich dabei beispielsweise durch Schleifen mit hinreichender Genauigkeit herstellen. Die Kerne können aber beispielsweise auch hehl ausgebildet sein und beispielsweise aus aus Papier gewickelten Rollen bestehen. Volle Kerne wirken einer Beulung entgegen und sollten immer dann vorgesehen werden, wenn die Bauelemente durch Knickkräfte belastet werden.

Bauelemente gemäß der Erfindung lassen sich in einfacher Weise
dadurch herstellen₅ daß auf einen Kern 4 entsprechender Länge ein
Gewebeschlauch aufgezogen wird, dessen Fasern sich im Gewebe
unter einem Winkel von 45° zur Längsachse des Schlauches erstrecken. Ein solcher Gewebeschlauch läßt sich in seinem Durchmesser durch Stauchung leicht so weit aufweiten, daß das überstreifen auch auf lange Kerne problemlos ist. Der Gewebeschlauch
läßt sich dann durch Überstreifen von Hand leicht strecken und in
Anlage an den Kern bringen. Der Gewebeschlauch wird mit einem
aushärtbaren Kunstharz getränkt und beim Abstreifen des überschüssigen Kunstharzes weiter gestreckt und in dichte Anlage am
Kern gebracht. Dabei ist es zweckmäßig, den Gewebeschlauch an
einem Ende fest einzuspannen und am anderen Ende des Gewebeschlauches eine Zugkraft aufzubringen, beispielsweise durch
Anhängen eines Spanngewichtes oder dergleichen. Auf diese Weise
wird der Schlauch beim Aushärten des Kunstharzes in Anlage am
Kern gehalten.

Da der Kern keine Längssteifigkeit aufweist, muß das Bauelement

während des Aushärtens gestreckt geführt sein. Dies ist bei- |

spielsweise dadurch möglich, daß das Bauelement zum Aushärten mit I

senkrechter Achse aufgehängt wird, wobei die Streckung durch die |

Vorspannbelastung sichergestellt ist. Es ist aber auch möglich, P

das Bauelement beispielsweise in einem Prisma oder dergleichen |

als Führung gestreckt zu halten. Die Führung sollte dabei so |

ausgebildet sein, daß eine möglichst linienförmige Berührung ί

stattfindet. Soweit erforderlich, ist eine Antihaftbeschichtung f

vorzusehen. |

Die Bauelemente könnten auch gebogen ausgebildet sein, beispiels- f

weise kann ein als Stoßstange zu verwendendes Bauelement mit |

Etagenbögen versehen sein, über die ein paralleler Versatz von j Abschnitten des Bauelementes herbeigeführt wird. Bogen mit Radien

CI t ((

größer als der zwanzigfache Durchmesser eines Bauelementes mit rundem Querschnitt lassen sich ohne Querschnittsänderung biegen. Wenn kleinere Radien verlangt werden, kann der Kern in Längsrichtung lamelliert ausgeführt werden, so daß sich dann beim Biegen die einzelnen Lamellen gegeneinander verschieben können. Die einzelnen Lamellen können für die Handhabung durch eine Klebung mit geringem Scherwiderstand verbunden sein.

Gebogene Bauelemente werden in entsprechend geformten Vorrichtungen während des Aushärtens des Klebers gehalten.

Da der Kern keine Längssteifigkeit zu haben braucht, kann er weiter bei größeren Längen aus kurzen Kernabschnitten zusammengesetzt sein, die bei vollen Kernen jeweils an ihren Stirnseiten miteinander verklebt sind. In gleicher Weise lassen sich die Krafteinleitungselemente 8 in Form von Gewindebuchsen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, mit der angrenzenden Stirnseite des Kerns 4 verkleben. Der Gewebeschlauch erstreckt sich dann über- · die Krafteinleitungselemente 8 hinaus, die ihrerseits durch "' · Stopfen gegen Eindringen von Kunstharz in die Gewindegänge zu schützen sind. In die Krafteinleitungselemente 8 sind in bekannter Weise Anschlußelemente 14 einschraubbar, wie sie in Fig. 1 links dargestellt sind.

Bei höheren Anforderungen an die Festigkeit wird unter dem Gewebeschlauch 6 auf den Kern 4 ein unidirektionales Fasergelege 10 im nachstehenden kurz UD-Gelege genannt - aufgebracht, wobei je nach den angestrebten Festigkeitseigenschaften ein oder mehrere Schichten von UD-Gelegen vorgesehen werden können. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist das links dargestellte Krafteinleitungselement 8 mit einer flachen Kehle 12 versehen und das UD-Gelege kann in Anlage mit dem Boden dieser Kehle 12 durch eine

Ringwicklung 13 gehalten sein. Normalerweise genügt die Bindung, die über den Kleber mit einer zylindrischen Oberfläche des Krafteinleitungselementes erzielt wird, das eventuell an seiner Oberfläche gerauht sein kann.

Uni eine achsparallele Ausrichtung der Fasern des UD-Geleges sicherzustellen, wird das UD-Geiege nach Aufbringen des Gewebeschlauches 6 durch Zug gestreckt. Bei auf Druck zu beanspruchenden Bauelementen kann dabei die Zugkraft so erhöht aufgebracht werden, daß nach dem Aushärten in dem UD-Gelege eine Vorspannung vorhanden ist.

Der Kern 4 hat vorzugsweise über die Länge des Bauelementes einen konstanten Querschnitt. Zur Erzielung bestimmter Festigkeitseigenschaften können aber auch Kerne verwendet werden, die einen sich über die Länge ändernden Querschnitt aufweisen, um bestimmte Festigkeitseigenschaften des Bauelementes sicherzustellen. Örtliche Querschnittsvergrößerungen können beispielsweise dadurch durchgeführt werden, daß auf einen Kern äußere Kernschichten aufgebracht werden, die beispielweise aus Papier oder dünnen Schaumstoff schichten bestehen können.

Die erreichbare Länge gerader Bauelemente hängt im wesentlichen von den zur Verfügung stehenden Möglichkeiten ab, das Bauelement während des Aushärtens des Kunstharzes gestreckt zu haltern. Bei der Herstellung von kurzen Bauelementen mit Krafteinleitungselementen können die Kerne für diese Bauelemente mit den Stirnseiten der Krafteinleitungselemente über Zwischenstücke durch Kleben verbunden werden, so daß ein einheitlicher Kern entsteht, über den dann durchgehend der Gewebeschlauch und gegebenenfalls das bzw. die UD-Gelege aufgebracht werden. Das so hergestellte Mehrfach-Bauelement wird nach dem Aushärten durch Trennung an den Zwischenstücken in die einzelnen Bauelemente zerlegt.

Zur Erzielung bestimmter Festigkeitseigenschaften kann außer der Zahl der UD-Gelege auch die Zahl der Fas.ergewebesehläuche variiert werden. Es ist weiter möglich, zusätzliche ÜD-Gelege bzw. Gewebeschlauchabschnitte vorzusehen, die sich nur über Teillängen des Bauelementes erstrecken.

Als Fasermaterialien können alle bekannten, für Faserverbundwerkstoffe benutzten Fasern verwendet werden, die dann jeweils mit ihren Materialkonstanten in die erzielbare Steifigkeit und Festigkeit eingehen. Typische Materialien sind beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstoffasern und dergleichen.

Bei Verwendung von Kernen aus Hartschaum sollte ein möglichst feinporiger Hartschaum verwendet werden, um die Harzaufnahme durch den Kern möglichst gering zu halten. Als zweckmäßig hat sich ein feinporiger Acrylschaum herausgestellt mit einem Raumgewicht von 50 kp/m³.

Bauelemente gemäß der Erfindung lassen sich mit relativ kleinen Durchmessern herstellen. Sie lassen sich daher beispielsweise als Stoß- bzw. Schubstangen zur Betätigung von Rudern und Klappen von Flugzeugen einsetzen, und zwar als Ersatz für die bisher üblichen Stahl- oder Aluminiumrohre.

In der Tabelle nach Fig. 8 sind verschiedene mit CFK hergestellte Bauelemente gemäß der Erfindung - Muster II - VI-, die als Stoßstangen für die Ruderbetätigung in Flugzeugen Verwendung finden können, Stoßstangen aus Stahl - Muster VII - IX - und aus Aluminium - Muster X - gegenübergestellt. Die Biegesteifigkeit EJ ist dabei für das Muster III in der vorletzten Spalte mit 100 % festgelegt. Auf diese Biegesteifigkeit sind die Biegesteifigkeiten der übrigen Muster prozentual bezogen. Die Tabelle zeigt die Überlegenheit der erfindungsgemäßtn Stoßstangen hinsichtlich des Verhältnisses EJ/M .

I > ·· · « 11.1' I r«·· «Ι ι ♦ I t *·· CB 1» I

Bauelemente gemäß der Erfindung lassen sich mit ihren kleinen erreichbaren Durchmessern vorteilhaft auch für Rahmenkonstruktionen anwenden. In Fig. 2 ist beispielsweise ein T-Stoß aus zwei Bauelementen dargestellt. An einen durchlaufenden Stab 20 ist hier senkrecht ein Stab 22 angeschlossen. Der Stab 22 stößt stumpf gegen den Stab 20, wobei es nicht erforderlich ist, daß er mit seiner Stirnfläche gegen den Stab 20 anstößt. Die Verbindung wird durch Verbindungselemente 24 hergestellt, die in ähnlicher Weise aufgebaut und hergestellt sind wie die Bauelemente selbst.

Einzelheiten der Verbindungselemente 24 sind in den Fig. 4 bis 7 dargestellt. ' ^.

Das Verbindungselement 24 weist einen blattförmigen Kern 26 auf, gegen den ein Fasergewebeschlauch 28 anliegt, wobei über den blattförmigen Kern 26, der- beispielsweise ein stsifes Blatt Papier sein kann, der Gewebeschlauch 28 in seiner Breite gegen Einschnürungen gesichert ist. Auf der einen Seite ist auf den Kern 26 ein UD-Gelege 30 angeordnet. Dem UD-Gelege 30 gegenüber ist auf dem blattförmigen Kern 26 eine Kernverstärkung 32 vor- ' gesehen, die aus einem Schaumstoff besteht. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, hat die Kernverstärkung 32 die Form eines Dreiecks, das mit einer Dreiecksseite an einen Längsrand des blattförmigen Kernes 26 angrenzt und an den beiden übrigen Kanten 34 zum blattförmigen Kern 26 hin abgeschrägt ist.

Für die Herstellung des Verbindungselementes können auf einem durchgehenden blattförmigen Kern in entsprechenden Abständen die KernVerstärkungen 32 aufgeklebt sein. Auf der gegenüberliegenden Seite des Kerns wird das UD-Gelege 30 festgelegt werden. Auf einen derartig vorbereiteten Kernstreifen wird dann der Gewebeschlauch 28 aufgezogen. Aus einem so gebildeten Grundelement werden dann in Draufs.icht trapezförmige Abschnitte ausgeschnitten, wobei die Kernverstärkung 32 jeweils in der Mitte

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liegt. Diese Rohlinge werden mit Kunstharz getränkt. Auf die
Seite mit der Kernverstärkung wird ein Nylonabreißgewebe aufgelegt und dieses wird mit einer Trennfolie abgedeckt. So vorbereitet wird das Element dann über die beiden zu verbindenden
Stäbe gelegt, wobei sie im Bereich ihrer Schrägseiten so um die
Stäbe herumgelegt werden, daß sie diese wenigstens über ein
Viertel ihres Umfangs umgreifen. Die Endkante liegt dann auf
einer Mantellinie der Stäbe. Bei einer größeren Fertigung können
für diese Formgebung der Verbindungselemente auch entsprechende
Lehren vorgesehen werden.

Nach dem Aushärten des Kunstharzes werden die Verbindungselemente
abgehoben und erforderlichenfalls beschnitten. Anschließend
werden die Trennfolie sowie das Abreißgewebe abgezogen, über das
Abreißgewebe"erhält das Verbindungselement wenigstens im Bereich
der Verklebung eine rauhe Oberfläche. Nach Auftrag eines entsprechenden Klebers wird das Verbindungselement 24 dann mit den
Stäben 20, 22 verklebt. Bei stärker beanspruchten Verbindungen
werden zweckmäßig zwei Verbindungselemente vorgesehen, wobei ..das
zweite Verbindungselement 24* dann von der gegenüberliegenden j Seite aufgebracht wird. Durch den beschriebenen Aufbau des Ver- j bindungselementes wird ohne direkte Verbindung zwischen den j

beiden Stäben eine Stoßverbindung erzielt, die eine hohe Festig- I

i keit aufweist, über die Kernverstärkung wird dabei die notwendige j Knicksteifigkeit des Verbindungselementes erzielt. Die in Längs- j richtung verlaufenden Fasern des ÜD-Geleges sichern die notwen- j dige Zug- und Druckfestigkeit. i

In ähnlicher Weise ist die in Fig. 3 dargestellte Eckverbindung ] aufgebaut. Der Stab 23 stößt hier seitlich gegen das Ende des i Stabes 21, das beispielsweise mit einem Krafteinleitungselemenf

versehen sein kann, über den beispielsweise ein Anschluß an weitere Rahmenwerke oder dergleichen hergestellt werden kann. Die Verbindung der beiden Stäbe 21 und 23 erfolgt hier über ein Verbindungselement 24, das wie oben beschrieben aufgebaut und hergestellt ist. Ein zweites Verbindungselement - gestrichelt angedeutet - kann hier spiegelbildlich dem ersten Verbindungselement 24 gegenüberliegend angeordnet sein, wenn erhöhte Anforderungen gestellt werden.

Eine spiegelbildlich gegenüberliegende Anordnung zweier Verbindungselemente 24 wäre auch bei der T-Stoß-Verbindung nach Fig. 2 möglich. ~~~"

In ähnlicher Weise lassen sich mit dem beschriebenen Verbindungselement auch Knotenverbindungen herstellen.

	Werkstoff	D Cm]	NSchl C-]	Nuo C-]	HSchl Cq/-]	MÜD Cg/ffl".	MSchau« Cg/«]	MKraft Eg/20«-]	M ges [g/m]	EJ EH	EJ/H ges Bfa/g]
I	Schau·	20	-	-	-	-	15	-	-15	-	-
II	CFK	20	1	-	50	-	15	23	88		0*5
III	CFK	20	1	1	50	26	15	23	TU	100	0,88
IV	CFK	20	1	2	50	52	15	23	HO	156	1,11
V	CFK	20	1	3	50	78	15	23	166	212	1,28
VI	CFK	25	1	1	63	33	23		153	195	1,27
VII	Stahl	16x0,5	-	-	-	-	-	-	185	93	0,50·
VIII	Stahl	16x0,8	-	-	-	-	-	-	290	136	0,^7 "
IX	Stahl	16x1,0	-	-	-	-	-	-	360	166	0,<t6
χ	Aluminium	16x1,0	-	-	-	-	-	-	137	56	0,Vl

O = Durchmesser EJ = Biegesteifigkeit N- .., Ν... = Anzahl der Schläuche, UD-Gelege

^HSchl' ^HUD ^{= Masse der Schläuche}> UD-Gelege f-L = Masse von 2 Krafteinleitungen

M = Gesamtmasse ges

Fig. 8

Claims (1)

1. • ·«· · ·ΐιι

   G 83 OO 153.0

   Ansprüche

   1.· Stabförmiges Bauelement großer Streckung, bei dem auf einem die Innenkontur des Bauelementes bestimmenden, quer zu seiner Längserstreckung formstabilen Kern wenigstens eine Lage mit Kunstharz getränkter achsparalleler (unidirektionaler) Fasern - ÜD-Gelege - und darüber wenigstens ein mit Kunstharz getränkter Gewebeschlauch aufgebracht ist, der sich über die Länge des Bauelementes erstreckt, wobei das UD-Gelege und der Gewebeschlauch aus Fasern hoher Festigkeit bestehen,

   wenigstens an einem Ende des Bauelementes ein Krafteinleitungselement vorgesehen ist, das außen wenigstens über — einen Teil seiner axialen Länge von den Faserlagen übergriffen ist

   und im Bereich des Krafteinleitungselementes eine Umfangswicklung vorgesehen ist,

   dadurch gekennzeichnet, daß das Krafteinleitungselement auf seinem Umfang mit einer muldenförmigen Vertiefung (12) . versehen ist, daß sich die unidirektionale·Faserlage (10) ' über die Vertiefung hinaus erstreckt und durch eine auf die unidirektionale Faserlage aufgebrachte Ringwicklung in Anlage auf dem Boden der Vertiefung gehalten ist, und daß die Ringwicklung außen von dem Gewebeschlauch (6) übergriffen ist.

   2. Verbindungselement für die Ausbildung von Knoten an ebenen und räumlichen Strukturen aus stabförmigen Bauelementen großer Streckung, bei denen auf einem die Innenkontur des Bauelementes bestimmenden, quer zu seiner Längserstreckung formstabilen Kern wenigstens eine Lage mit Kunstharz getränkter achsparalleler (unidirektionaler) Fasern - UD-Gelege - und darüber wenigstens ein mit Kunstharz getränkter Gewebeschlauch aufgebracht ist, der sich über die

   Länge des Bauelementes erstreckt, wobei das UD-Gelöge und der Gewebeschlauch aus Fasern hoher Festigkeit bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Bauelementen (20,22,23) Verbindungselemente (2¹I) vorgesehen sind, die die zu verbindenden Bauelemente außen so übergreifen, daß die Bauelemente wenigstens über ein Viertel ihres Umfangs umschlungen sind, und daß die Verbindungselemente im Bereich der ümschlingung mit den Bauelementen über einen starr aushärtenden Kleber verbunden sind.

   - Verbindungselement für einen T-Stoß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (24) einen flaeh-liegenden Gewebeschlauch (28) und einen blattförmigen Kern (26) aufweist.

   4. Verbindungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

   daß der Kern (26) im Bereich des Zwickels in den zu verf bindenden Bauelementen (21,22,23,24) einseitig mit einem.·

   |I dreieckförmigen Kern (32) aus einem Hartschaum verstärkt

   ]· ist.

   5- Verbindungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens auf einer Flachseite des Kerns (26) des Verbindungselementes (24) eine Schicht eines unidirek-

   ' tionalen Fasergeleges (30) angeordnet ist.