WO1998055771A1 - Verbindungselement für eine geklebte verbindung zwischen zwei oder mehr stäben - Google Patents

Verbindungselement für eine geklebte verbindung zwischen zwei oder mehr stäben Download PDF

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WO1998055771A1
WO1998055771A1 PCT/DE1998/001495 DE9801495W WO9855771A1 WO 1998055771 A1 WO1998055771 A1 WO 1998055771A1 DE 9801495 W DE9801495 W DE 9801495W WO 9855771 A1 WO9855771 A1 WO 9855771A1
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Ulrich Rüger
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Rueger Ulrich
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    • F16B11/00—Connecting constructional elements or machine parts by sticking or pressing them together, e.g. cold pressure welding
    • F16B11/006—Connecting constructional elements or machine parts by sticking or pressing them together, e.g. cold pressure welding by gluing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F16B7/00—Connections of rods or tubes, e.g. of non-circular section, mutually, including resilient connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16B7/04—Clamping or clipping connections
    • F16B7/044—Clamping or clipping connections for rods or tubes being in angled relationship
    • F16B7/048—Clamping or clipping connections for rods or tubes being in angled relationship for rods or for tubes without using the innerside thereof
    • F16B7/0486—Clamping or clipping connections for rods or tubes being in angled relationship for rods or for tubes without using the innerside thereof forming an abutting connection of at least one tube

Definitions

  • the invention relates to a connecting element for a glued connection between two or more rods with the features of the preamble of claim 1.
  • the connecting element is for a truss node of a flat or space framework for a rigid or semi-rigid airship and for other areas of aerospace provided, preferably using a plurality of connecting elements together at a truss node.
  • the connecting element can also be used in machine, plant and steel construction, in construction or, for example, in furniture construction.
  • pipes made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) are used in particular, which can have a hard foam core.
  • rods and tubes made of other materials, for example also made of aluminum or steel can also be connected to one another.
  • D_e cross-sections of the rod can be, for example, round, oval, elliptical, polygon-shaped or polygonal, with the rods to be connected to one another having different cross-sections and cross-sectional dimensions can have.
  • the connecting element has a shell made of fiber-reinforced plastic, which has a flat surface. At ⁇ hre ⁇ Randern the flat surface merges in one piece into two tangentially connected quarter cylinders. Imagined longitudinal axes of the quarter cylinders have the same angle to one another as the rods to be connected to one another. The rods are glued to the inside of the quarter cylinder of the shell, the flat surface of the shell is tangent to the rods. To erbin ⁇ en two V-shaped rods arranged to each other, two of the known connecting elements are glued to the two rods from both sides.
  • a T-joint can also be glued to two of the known connecting elements, the two connecting elements being able to be arranged on the same or on different sides from the butted to the continuous rod.
  • the known connecting element has the disadvantage that at a truss node where more than two bars abut, have two bars connected to each other only with a connecting element on one side of the bar. As a result, the rods are connected asymmetrically to one another, which is why the load capacity of the connection produced and its rigidity are limited.
  • Another disadvantage is that the connection is complex and expensive, since the rod for gluing with the
  • the object of the present invention is to provide a connecting element of the type mentioned at the outset in such a way that it can be used to produce a bonded connection of rods which is optimized with regard to resilience, rigidity, simple assembly and cost-effective manufacture and with regard to weight.
  • the shell of the connecting element according to the invention is U-shaped.
  • Leg walls of the U-shaped shell are at the same or slightly less distance from each other than the bars to be connected are thick. With bars of different cross-sectional dimensions, the distance between the leg walls changes from one another.
  • the leg walls are flat or completely or partially concavely curved from rod to rod, and they run essentially tangentially to the rod. Due to the tangential alignment of the leg walls, forces are transmitted from the rods to the shell of the connecting element as shear stresses by gluing the rod to the shell, so that the adhesive and thus the connection between the rods and the connecting element is highly resilient.
  • a yoke wall of the U-shaped shell extends in the space between the rods to be connected. It forms a cylindrical surface or saddle surface section. In the case of bars arranged at an obtuse angle to one another, the yoke wall can also rest against the bars.
  • the two leg walls enclose the rod in the manner of a mouth, the jaws of which rest on a wrap around the rods and hold the rod between them on two opposite sides by passing over places on the surface which have a relative maximum distance in one Display the cutting plane normal to a member axis, lie against it. On the one hand, this results in a sufficiently large adhesive surface.
  • the connecting element holds the rod in a form-fitting manner between its leg walls even when the connection is not bonded.
  • the bars can be pressed between the leg walls forming the jaws of the mouth in the manner of a snap connection and are fixed in their position relative to one another. Separate fixing means for holding the bar in its spatial arrangement during the gluing are therefore just as unnecessary as tensioning means for tensioning the shell against the bar while the adhesive has hardened.
  • the connecting element according to the invention represents a construction that conforms to the force flow.
  • a force transmission between the bars and the connecting elements takes place with the greatest possible avoidance of formwork stresses or notch effects. Therefore high tensile and compressive forces as well as bending and torsional moments can be transmitted from bar to bar via the connecting element Distance between the leg walls, the connecting element also has a high degree of rigidity, perpendicular to the plane of its leg walls. This significantly reduces the tendency of the bars of a truss to buckle.
  • the connecting element can also be used to connect bars arranged in several planes to a truss node of a space truss.
  • the connecting element according to the invention has no parting plane in a plane spanned by the bars to be connected.
  • the leg walls bear against the bars in the manner of a spring clip and clamp the bar between them. This improves both the fixation of the rod to one another and the tensioning of the leg walls against the rod for gluing.
  • the yoke wall of the shell ends at a distance from the interconnected rods in order to prevent the shell from striking the rod at an obtuse angle, which, when the connection was subjected to high loads, resulted in shell stresses and possibly a crack .
  • the space between the shell and the rods is preferably filled with a core, in particular made of rigid foam, which is connected to the shell and the rods. It prevents large deformations of the shell and thus counteracts buckling of the shell under heavy loads.
  • the core can also have cutouts or cavities, and can only be partially connected to the shell and the rods. This special design specifically reduces the stiffening effect of the core, to shift the flow of force in the connecting element from less stable to more stable areas.
  • the curvature of the leg walls runs out in front of the area in which they wrap around the rod.
  • the leg walls run tangentially and evenly against the bar. Normal forces that would lead to formwork stresses in the bond between the leg walls and the bars are largely avoided.
  • the shell of the connecting element according to the invention preferably consists of a fiber-reinforced plastic, for example of CFRP, which has high strength and low weight.
  • CFRP fiber-reinforced plastic
  • glass, metal, aramid or other chemical fiber reinforcements as well as hybrid fiber reinforcements are also conceivable.
  • the connecting element can also be made of non-fiber-reinforced plastic, aluminum or steel sheet, for example.
  • a fiber-reinforced plastic of the shell can have one or more identical or different fabric layers, so-called rowings or unidirectional fiber fabrics, which are embedded in a synthetic resin matrix material.
  • the fiber content i.e. Weight of the fibers in relation to the weight of the fibers and the matrix material, towards the edge of the shell. This results in a deliberate change in the stiffness of the shell in its edge area. Stress peaks in the adhesive layer are reduced and the
  • the edge of the shell can have an oblique or rounded bevel.
  • the matrix material of the shell fills a part of a tapered joint between the leg walls and the bars. This also reduces stress peaks in the adhesive layer and, in particular, stresses that are normal to the bars on the region of the leg walls of the shell in which they move away from the bars, and increases the strength of the connection.
  • an adhesive which connects the leg walls and the rods to one another, fills a large part of the joints mentioned above by means of an appropriate adhesive process.
  • a diffusion-permeable material is preferably used for the core, in particular for space applications, in order to avoid excess pressure in the pores of the core.
  • a propellant gas such as helium or hydrogen, which diffuses well through the core and possibly through the shell can be used to foam the core.
  • the leg walls can have sections of greater thickness in order to form or enlarge relative distance maxima of the surface. This gives the connecting elements protruding outward thickening, which can be overlapped by another connecting element like a rod in a form-fitting manner after a kind of snap connection.
  • connection produced by means of connecting elements according to the invention can have a support which connects rods arranged at an angle to one another outside the respective connecting element.
  • the invention provides a connecting element, the shell of which surrounds the rod on a wrap, whereby it has at least a relative maximum distance
  • two such connecting elements are used, which are clipped onto the two rods from two opposite sides in the manner of a snap connection and which overlap at their edges.
  • the connecting element can be produced in an automated process. When using homogeneous materials for the shell, this can be produced by casting or forming processes.
  • a fiber-reinforced shell can be resm transfer molded, reaction molded, molded molded, or injected molded.
  • the fibers can be preformed for better processing. Manual lamination of the shell is also possible, as is manufacturing the shell with short, non-directional fibers using the injection molding process.
  • this can be foamed or machined in a mold.
  • the shell can then be applied to the core.
  • the core can also be produced by filling the core space in the shell.
  • the connecting element according to the invention can be produced outside in the two-component spraying process.
  • FIG. 1 shows a connecting element according to the invention in a perspective view
  • Figure la is an enlargement of a detail according to arrow la in Figure 1;
  • Figure lb an enlargement of a detail according to arrow lb in Figure 1;
  • Figure 2 shows a truss node with connecting elements according to the invention in side view
  • FIG. 3 shows a section along a kinked section line III-III in FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a truss node of a space truss with connecting elements according to the invention looking axially to a continuous main rod;
  • Figure 5 is a perspective view of the connection of two aligned rods by means of two connecting elements according to the invention.
  • the connecting element 10 according to the invention shown in FIG. 1 is a sandwich component with a shell 12 made of a fabric laminate, for example made of CFRP, and a core 14 made of rigid foam. Viewed in side view, the connecting element 10 has approximately the shape of a triangle.
  • the shell 12 is U-shaped, as the yoke wall of the "U” it has a saddle surface 16 which forms a concave side of the imaginary triangle.
  • the saddle surface 16 merges into two triangular leg walls 18 which are spaced apart.
  • leg walls 18 The space between the leg walls 18 is filled by the core 14, which is integrally connected to the leg walls 18 and the yoke wall 16 of the shell 12.
  • This design results in a very stiff connecting element 10 with low weight.
  • two cylinder sections 20 extend on opposite sides of an imaginary cylinder over lines 22 which represent a relative maximum distance in a cylinder jacket surface (cf. the sectional illustration in FIG. 3). These cylinder sections 20 thus form a type of spring clip which holds a rod 24 inserted in a form-fitting manner in the manner of a snap connection.
  • the cylinder sections 20 of the leg walls 18 are not exactly cylindrical in the longitudinal direction, their diameter is smaller in the axial direction of the imaginary cylinder in the middle of the cylinder sections 20 than at their edges. As a result, a clamping force with which the cylinder sections 20 hold on the rod 24 is greater in the long center of the cylinder sections 20 than at their ends. The purpose of this is to displace excess adhesive, including any gas bubbles present in the adhesive gap, towards the edge of the adhesive gap before the adhesive hardens.
  • the leg walls 18 are concavely curved, they merge tangentially into the cylinder sections 20 (see FIG. 3).
  • the purpose of this is to transmit forces essentially as shear stresses from the connecting element 10 to the rod to be glued to it, and thus to increase the load capacity of a rod connection produced with the connecting element 10 according to the invention.
  • a matrix material fills a pointed joint between the actual leg wall 18 and the respective rod (see the enlargement illustration in FIG. 1 a).
  • connection between shell and rod (12/24 or 12/32) is reduced and the shawl tension is reduced.
  • the matrix material forms at this point a strip-shaped, inwardly projecting bead 26 with an almost triangular cross section, which continues the cylinder curvature of the cylinder section 20 for a short piece.
  • the Zvlmderflach sections 20 of the connecting element 10 may have different diameters or distances from each other, as shown in Figure 1.
  • the two cylindrical surface sections 20 provided for holding a rod can also be of different sizes and / or can be arranged offset to one another in the longitudinal direction of the rod (not shown).
  • the saddle surface 16 ends at a distance from the imaginary cylinder, of which the cylinder sections 20 of the shell 12 are a part, in order to O
  • Place voltage peaks of the rod to be inserted between the cylinder sections 20 and to be glued to them (see FIG. 2).
  • the formation of a bevel 28 along the edges of the shell 12 and / or a decrease in the fiber content towards the edge of the shell 12 also serve to reduce stress peaks, as in FIG.
  • the connecting element 10 according to the invention is the same or different for producing a glued connection between rods
  • FIG. 2 and 3 The production of a truss node is shown in Figures 2 and 3.
  • the connection shown has two rods 32 of smaller diameter arranged at right angles to one another, which are connected to one another and to a continuous rod 24 of larger diameter, against which they abut at an angle of 45 °. All three bars 24, 32 are in one plane.
  • the rods 24, 32 are known tubes made of carbon fiber reinforced plastic with a rigid foam core.
  • the inside of the cylinder sections 20 and the core 14 of the connecting elements 10 are first coated with adhesive and clipped onto the continuous rod 24, and the two thinner rods 32 are clipped into the connecting elements 10.
  • the three rods 24, 32 are thus already fixed in their position relative to one another.
  • the inside of the cylinder sections 20 and the core 14 of a third connecting element 34 are coated with adhesive and this connecting element 34 is clipped onto the two thinner rods 32, the cylinder sections 20 of which
  • Cylinder sections 20 of the two other connecting elements 10 overlap. This creates a very stiff and stable truss node.
  • Figure 4 shows a glued connection of a truss node of a spatial truss using inventions
  • This truss node has, compared to the truss node shown in FIGS. 2 and 3, in addition to the continuous rod 24 of larger diameter and the two rods 32 of smaller diameter, two further rods 36 of smaller diameter, which are also at an angle of 90 ° to one another and 45 ° are arranged to the continuous rod 24 and are in an imaginary plane which is at an angle to the imaginary plane spanned by the other two rods 32 of smaller diameter.
  • a connecting element 38 is used, which comprises two connecting elements 10, which are in one piece in their foot region 40.
  • the foot region 40 can rest against the continuous rod or can also run past it at a distance therefrom.
  • the connecting element 38 is constructed in the same way as the connecting element 10 shown in FIG. 1 and the truss node is designed in the same way as the truss node shown in FIGS. 2 and 3. To avoid repetition, the above statements are referred to.
  • One or more connecting pieces 42 can be provided for stiffening, in particular of spatial truss nodes using connecting elements 38.
  • This support 42 connects a rod 32 and a rod 36 at a distance from the respective connecting element 38 to one another.
  • the support 42 can be glued at its ends to the rods 32 or 36, for which purpose the end faces of the support 42 are the angle with which the support 42 abuts against the rod 32 or 36, cut off accordingly and the rounding of the rod 32 or 36 can be shaped correspondingly round.
  • the connection between the support 42 and the rods 32 and 36 can also be established with one or two connecting elements 10 according to the invention (not shown).
  • the connecting elements 46 are hollow-cylindrical with a wrap angle of over 180 °. After their inner sides have been coated with adhesive, they are clipped opposite one another on the butted ends of the rod 44, the connecting elements 46 overlapping (FIG. 5). With such a connection, rods of different diameters and cross-sections and also non-aligned rods can be connected to one another (not shown).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein in Sandwichbauweise hergestelltes Verbindungselement (10) für eine geklebte Verbindung an einem Fachwerksknoten eines Flächen- oder Raumfachwerks, insbesondere die Luft- oder Raumfahrt. Um ein steifes Verbindungselement (10) zu erhalten, schlägt die Erfindung vor, dessen insbesondere aus kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellte Schale (12) U-förmig auszubilden, wobei sich eine eine Sattelfläche (16) bildende Jochwand im Zwischenraum zwischen zwei im Winkel zueinander angeordneten Stäben von Stab zu Stab erstreckt und mit der Jochwand einstückige Schenkelwände (18) Abstand voneinander aufweisen und tangential in mit ihnen einstückige Zylinderabschnitte (20) übergehen, welche die Stäbe nach Art einer Federklammer unter Vorspannung zwischen sich festklemmen. Das Verbindungselement (10) hat neben seiner hohen Steifigkeit den Vorteil, daß die Schale (12) Kräfte überwiegend als für die Klebung günstige Schubspannungen auf die Stäbe überträgt und die Stäbe während des Abbindens des Klebstoffs aneinander fixiert.

Description

Beschreibung
Verbindungselement für eine geklebte Verbindung zwischen zwei oder mehr Stäben
Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für eine geklebte Verbindung zwischen zwei oder mehr Stäben mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Das Verbindungselement ist für einen Fachwerksknoten eines Flachen- oder Raumfachwerks oeisp elsweise für starre oder halbstarre Luftschiffe sowie für weitere Gebiete der Luft- und Raumfahrt vorgesehen, wobei vorzugsweise mehrere Verbindungselemente gemeinsam an einem Fachwerksknoten Verwendung finαen. Das Verbindungselement ist auch im Maschinen-, Anlagen- und Stahlbau, im Bauwesen oder beispielsweise im Mobelbau verwendbar Als Stabe finden für einen Leichtbau insbesondere Rohre aus kohlefaserverstarktem Kunststoff (CFK) Verwendung, die einen Hartschaumkern aufweisen können. Es lassen sich allerdings auch Stabe und Rohre aus anderen Materialien, beispielsweise auch aus Aluminium oder Stahl, miteinander verbinden D_e Querschnitte der Stabe können beispielsweise rund, oval, elliptisch, polygonprofliiert oder mehrkantig sein, wobei die 'Miteinander zu verbindenden Stabe verschiedene Querschnitte und Querschnittsab essungen haben können.
Aus der DE 34 47 990 C2 ist ein derartiges Verbindungselement zur Verbindung zweier in einem Winkel zueinander angeordneter Rundstabe bekannt. Das Verbindungselement weist eine Schale aus faserverstärktem Kunststoff auf, die eine ebene Flache hat. An ιhre^ Randern geht die ebene Flache einstuckig in zwei sich tangential anschließende Viertel- zylinder über. Gedachte Langsachsen der Viertelzylinder haben αenselben Winkel zueinander wie die miteinander zu verbindenden Stabe. Die Stabe werden mit den Innenseiten der Viertelzylinder der Schale verklebt, die ebene Flache der Schale verlauft tangential zu der Stäben. Zum erbinαen zweier V-formig zueinander angeordneter Stabe werden zwei der bekannten Verbindungselemente von beiden Seiten mit den beiαen Stäben verklebt. Auch ein T-Stoß laßt sich m t zwei der bekannten Verbindungselemente verkleben, wobei die beiden Verbindungselemente zur selben oder zu verschiedenen Seiten vom gestoßenen zum durchlaufenden Stab angeordnet werden können. Das bekannte Verbindungselement hat den Nachteil, daß sich an einem Fachwerksknoten, an dem mehr als zwei Stabe aneinander stoßen, jeweils zwei Stabe nur mit einem Verbindungselement auf einer Seite der Stabe miteinander verbinden lassen. Die Stabe sind infolge dessen unsymmetrisch miteinander verbunden, weswegen die Belastbarkeit der hergestellten Verbindung und ihre Steifigkeit begrenzt sind. Weiterer Nachteil ist, daß die Herstellung der Verbindung aufwendig und kostenintensiv ist, da die Stabe zum Verkleben mit den
Verbindungselementen in ihrer gegenseitigen Ausrichtung fixiert und die Verbindungselemente bis zum Ausharten des Klebstoffs an den Stäben festgespannt werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungselement der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich unter seiner Verwendung eine geklebte Verbindung von Stäben herstellen laßt, die hinsichtlich Belastbarkeit, Steifigkeit, einfacher Montage und kostengünstiger Fertigung sowie hinsichtlich des Gewichts optimiert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelost. Die Schale des erfindungsgemaßen Verbindungselements ist U-formig ausgebildet. Schenkelwande der U-formigen Schale haben den gleichen oder etwas weniger Abstand voneinander als die miteinander zu verbindenden Stabe dick sind. Bei Stäben unterschiedlicher Querschnittsabmessungen ändert sich der Abstand der Schenkelwande voneinander. Die Schenkelwande verlaufen eben oder ganz bzw. teilweise konkav gewölbt von Stab zu Stab, und sie verlaufen im wesentlichen tangential an die Stabe heran. Durch die tangentiale Ausrichtung der Schenkelwande werden Kräfte von den Stäben auf die Schale des Verbindungselements als Schubspannungen über eine Verklebung der Stabe mit der Schale übertragen, so daß die Klebung und damit die Verbindung zwischen den Stäben und dem Verbindungselement hoch belastbar ist. Schalspannungen bei in den Schenkelwanden wirkenden Zugkräften, die die Schenkelwande am Übergang zu den Stäben mit einer Normalkraft von diesen Abheben und dadurch die Klebung an deren Rand ungunstig belasten wurde, werden durch das erfmdungsgemaße Verbindungselement vollständig oder zumindest weitestgehend vermieden.
Eine Jochwand der U-formigen Schale erstreckt sich im Zwischenraum zwischen den miteinander zu verbindenden Stäben. Sie bildet einen Zylinderflachen- oder Sattelflachenabschnitt . Bei in einem stumpfen Winkel zueinander angeordneten Stäben kann die Jochwand auch an den Stäben anliegen.
Die beiden Schenkelwande umfassen die Stabe nach Art eines Mauls, dessen Backen auf einem Umschlingungswmkel an den Stäben anliegen und die Stabe auf zwei gegenüberliegenden Seiten zwischen sich halten, indem sie ber Stellen der Oberflache, die ein relatives Abstandsmaximum in einer Schnittebene normal zu einer Stabachse darstellen, hinweg anliegen. Dadurch w rd zum einen eine ausreichend große Klebeflache erzielt. Das Verbindungselement halt die Stabe bereits bei ungeklebter Verbindung formschlussig zwischen seinen Schenkelwanden. Die Stabe lassen sich zwischen die die Backen des Mauls bildenden Schenkelwande nach Art einer Schnappverbindung drucken und werden in ihrer Stellung zueinander fixiert. Separate Fixiermittel zum Halten der Stabe in ihrer räumlichen Anordnung wahrend des Verklebens sind daher ebenso entbehrlich wie Spannmittel zum Spannen der Schale gegen die Stabe wahrend des Aushartens des Klebstoffs.
Das erfindungsgemaße Verbindungselement stellt eine kraftflußgerechte Konstruktion dar. Eine Kraftübertragung zwischen den Stäben und den Verbindungselementen findet unter weitestgehender Vermeidung von Schalspannungen oder Kerbwirkungen statt Deshalb können hohe Zug- und Druckkräfte sowie Biege- und Torsionsmomente von Stab zu Stab über das Verbindungselement übertragen werden Durch den räumlichen Abstand der Schenkelwande weist das Verbindungselement eine hohe Steifigkeit auch senkrecht zur Ebene seiner Schenkelwande auf Eine Knicktendenz der Stabe eines Fachwerks wird dadurch erheblich reduziert Mit dem Verbindungselement lassen sich auch in mehreren Ebenen angeordnete Stabe an einem Fachwerksknoten eines Raumfachwerks miteinander verbinden. Das erfindungsgemaße Verbindungselement weist keine Trennebene in einer von den zu verbindenden Stäben aufgespannten Ebene auf.
Bei bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung liegen die Schenkelwande nach Art einer Federklammer unter Vorspannung an den Stäben an und klemmen die Stabe zwischen sich fest. Dadurch werden sowohl die Fixierung der Stabe aneinander als auch das Spannen der Schenkelwande gegen die Stabe zum Verkleben verbessert.
Zur Erhöhung der Belastbarkeit der Verbindung endet die Jochwand der Schale mit Abstand von den miteinander verbundenen Stäben, um zu vermeiden, daß die Schale m einem stumpfen Winkel auf die Stabe stoßt, was bei großer Belastung der Verbindung zu Schalspannungen und eventuell einen Riß zur Folge hatte.
Vorzugsweise ist der Raum zwischen der Schale und den Stäben mit einem Kern, insbesondere aus Hartschaum, ausgefüllt, der mit der Schale und den Stäben verbunden ist. Er behindert große Verformungen der Schale unα wirkt so einem Beulen der Schale bei großen Lasten entgegen. Zur Vermeidung von ungunstigen Belastungen des Kerns oder zur Gewichtsreduktion kann der Kern auch Aussparungen bzw. Hohlräume aufweisen, sowie nur teilweise mit der Schale und den Stäben verbunden sein. Durch diese spezielle Ausgestaltung wird die versteifende Wirkung des Kerns gezielt reduziert, um den Kraftfluß im Verbindungselement von weniger tragfahigen zu tragfahigeren Bereichen hin zu verlagern.
Bei der Verwendung eines Kerns läuft bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Wölbung der Schenkelwande vor dem Bereich in dem sie die Stabe umschlingen aus. Hierdurch verlaufen die Schenkelwande tangential und eben an die Stabe heran. Normalkrafte, die zu Schalspannungen in der Verklebung zwischen den Schenkelwanden und den Stäben führen wurden, werden so weitestgehend vermieden.
Die Schale des erfindungsgemaßen Verbindungselements besteht vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, beispielsweise aus CFK, das eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht aufweist. Es sind jedoch auch Glas-, Metall-, Aramid- oder andere Chemiefaserverstarkungen sowie hybride Faserverstarkungen denkbar. Bei Anwendungen, bei denen eine einheitliche Materialwahl im Vordergrund steht oder das Gewicht eine weniger entscheidende Rolle spielt, kann das Verbindungselement beispielsweise auch aus nicht faserverstärktem Kunststoff, Aluminium- oder Stahlblech hergestellt sein. Bei der Verwendung des gleichen Materials für die Stabe und die Schale der Verbindungselemente werden Spannungen infolge unterschiedlicher Warmeausdehnungen vermieden.
Ein faserverstärkter Kunststoff der Schale kann eine oder mehrere gleiche oder verschiedene Gewebelagen, sog. Rowings oder unidirektionale Fasergelege aufweisen, die in einen Kunstharz-Matrixwerkstoff eingebettet sind. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung nimmt der Faseranteil, d.h. Gewicht der Fasern im Verhältnis zum Gewicht der Fasern und des Matrix- Werkstoffs, zum Rand der Schale hin ab. Dadurch wird eine gewollte Steifigkeitsanderung der Schale in ihrem Randbereich erzielt. Spannungsspitzen in der Klebeschicht werden vermindert und die
Belastbarkeit der Klebeverbindung wird erhöht. Zum gleichen Zweck kann der Schalenrand eine schräge oder gerundete Fase aufweisen.
Ebenso tragt es zur Verbesserung der Klebeverbindung bei, wenn der Matrix-Werkstoff der Schale gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung eine spitz zulaufende Fuge zwischen den Schenkelwanden und den Stäben ein Stück weit ausfüllt. Auch dadurch werden Spannungsspitzen in der Klebeschicht und insbesondere normal zu den Stäben gerichtete Spannungen auf den Bereich der Schenkelwände der Schale, in dem sie sich von den Stäben entfernen, vermindert und die Festigkeit der Verbindung erhöht. Der gleiche positive Effekt wird erzielt, wenn nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, ein Klebstoff, der die Schenkelwande und die Stäbe miteinander verbindet, durch ein entsprechendes Klebeverfahren die oben genannten Fugen ein Stuck weit ausfüllt. Insbesondere für Weltraumanwendungen wird für den Kern vorzugsweise ein diffusionsdurchlassiger Werkstoff verwendet, um einen Überdruck in den Poren des Kerns zu vermeiden. Zum gleichen Zweck kann ein gut durch den Kern und ggf. durch die Schale diffundierendes Treibgas wie Helium oder Wasserstoff zum Aufschäumen des Kerns verwendet werden.
Die Vorspannung, mit der die Schenkelwande der als eine Art Federklammer ausgebildeten Schale an den Stäben anliegen, ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in Achsrichtung der Stabe gesehen in der Mitte der Schale hoher als zu ihren Enden hin, um überschüssigen
Klebstoff und damit eventuell im Klebespalt vorhandene Gasblaschen aus dem Klebespalt heraus zu verdrangen.
Bei Verbindungselementen, deren Schenkelwande keine oder eine zu geringe Wölbung für die Befestigung weiterer Verbindungselemente besitzen, können die Schenkelwande zur Ausbildung oder Vergrößerung relativer Abstandsmaxima der Oberflache Abschnitte größerer Dicke aufweisen. Dadurch erhalten die Verbindungselemente nach außen abstehende Verdickungen, die von einem weiteren Verbindungselement wie ein Stab formschlussig nach einer Art Schnappverbindung übergriffen werden können.
Zur zusätzlichen Versteifung kann eine mittels erfindungsgemaßer Verbindungselemente hergestellte Verbindung eine Stutze aufweisen, die in einem Winkel zueinander angeordnete Stabe außerhalb des jeweiligen Verbindungselements verbindet.
Für die Verbindung zweier miteinander fluchtender oder nicht-fluchtender Stabe gleichen oder verschiedenen Querschnitts sieht die Erfindung ein Verbindungselement vor, dessen Schale die Stabe auf einem Umschlingungs- wmkel umfaßt, wobei sie mindestens ein relatives Abstandmaximum der
Oberflache übergreift. Vorzugsweise finden zwei derartige Verbindungselemente Verwendung, die von zwei gegenüberliegenden Seiten nach Art einer Schnappverbindung auf die beiden Stabe aufgeklippst werden und die sich an ihren Randern überlappen.
Das Verbindungselement laßt sich in einem automatisierten Prozeß herstellen. Bei der Verwendung von homogenen Werkstoffen für die Schale laßt sich diese durch Guß- oder Umformverfahren herstellen. Eine faserverstärkte Schale kann mit einem Resm-Transfer-Molding, Reaction- In ection-Molding-, Compression-Molding- oder ein Injection-Moldmg-
Verfahrengefertigt werden. Die Fasern können zur besseren Verarbeitung vorgeformt werden. Auch ein Handlaminieren der Schale ist möglich, ebenso ein Herstellen der Schale mit kurzen, ungerichteten Fasern im Spritzgußverfahren. Bei Verbindungselementen mit einem Kern, kann dieser in einer Form aufgeschäumt oder spanend hergestellt werden. Die Schale kann anschließend auf den Kern aufgebracht werden. Der Kern kann jedoch auch durch Auffüllen des Kernraums in der Schale hergestellt werden. Auen im Zweistoffspritzverfahren laßt sich das erfindungsgemaße Verbindungselement herstellen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausfuhrungsbeispiele naher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein erfmdungsgemaßes Verbindungselement in perspektivischer Darstellung,
Figur la eine Vergrößerung einer Einzelheit gemäß Pfeil la in Figur 1;
Figur lb eine Vergrößerung einer Einzelheit gemäß Pfeil lb in Figur 1 ;
Figur 2 einen Fachwerksknoten mit erfindungsgemaßen Verbindungselementen in Seitenansicht;
Figur 3 einen Schnitt entlang einer geknickten Schnittlinie III - III in Figur 2 ;
Figur 4 einen Fachwerksknoten eines Raumfachwerks mit erfindungsgemaßen Verbindungselementen mit Blickrichtung axial zu einem durchgehenden Hauptstab; und
Figur 5 eine perspektivische Darstellung der Verbindung zweier fluchtender Stabe mittels zweier erfmdungsgemaßer Verbindungselemente.
Das in Figur 1 dargestellte, erfindungsgemaße Verbindungselement 10 ist ein Sandwichbauteil mit einer Schale 12 aus einem Gewebelaminat, beispielsweise aus CFK, und einem Kern 14 aus Hartschaum. In Seitenansicht betrachtet hat das Verbindungselement 10 in etwa die Form eines Dreiecks. Die Schale 12 ist U- formig, sie weist als Jochwand des "U" eine Sattelflache 16 auf, die eine konkave Seite des gedachten Dreiecks bildet. Die Sattelflache 16 geht emstuckig in zwe dreiecksformige Schenkelwande 18 über, die Abstand voneinander aufweisen. Ein
Zwischenraum zwischen den Schenkelwanden 18 wird vom Kern 14 ausgefüllt, der Stoffschlussig mit den Schenkelwanden 18 und der Jochwand 16 der Schale 12 verbunden ist. Diese Bauweise ergibt ein sehr steifes Verbindungselement 10 mit geringem Gewicht. An den beiden übrigen Seiten der Schenkelwande 18, die nicht an die Sattelflache 16 angrenzen, setzen sich diese einstuckig in Zylinderabschnitte 20 fort. Jeweils zwei Zylinderabschnitte 20 erstrecken sich auf gegenüberliegenden Seiten eines gedachten Zylinders über Linien 22 hinweg, die in einer Zylindermantelflache ein relatives Abstandsmaximum darstellen (vgl. die Schnittdarstellung in Figur 3). Diese Zylinderabschnitte 20 bilden so eine Art Federklammer, die einen m sie eingelegten Stab 24 formschlussig nach Art einer Schnappverbindung halten .
Die Zylinderabschnitte 20 der Schenkelwande 18 sind in Längsrichtung nicht exakt zylindrisch, ihr Durchmesser ist in axialer Richtung des gedachten Zylinders in der Mitte der Zylinderabschnitte 20 kleiner als an ihren Randern. Dadurch ist eine Klemmkraft, mit der die Zylinderabschnitte 20 auf dem Stab 24 halten, in der Langsmitte der Zylinderabschnitte 20 großer als an ihren Enden. Dies hat den Zweck überschüssig aufgetragenen Klebstoff samt ggf. in dem Klebespalt vorhandene Gasblaschen zum Rand des Klebespaltes hin zu verdrangen, bevor der Klebstoff aushärtet.
Die Schenkelwande 18 sind konkav gewölbt, sie gehen tangential in die Zylinderabschnitte 20 über (siehe Figur 3) . Dies hat den Zweck, Kräfte im wesentlichen als Schubspannungen vom Verbindungselement 10 auf mit ihm zu verklebende Stabe zu übertragen und so die Belastbarkeit einer mit dem erfindungsgemaßen Verbindungselement 10 hergestellten Stabverbindung zu erhohen. Um bei einer gewölbten Schale 12 den Rest an Normalkraften geeignet aufzunehmen füllt ein Matrix-Werkstoff eine spitze Fuge zwischen der eigentlichen Schenkelwand 18 und dem jeweiligen Stab aus (vgl. die Vergroßerungsdarstellung in Figur la) . Somit wird der ansonsten abrupte Steifigkeitsubergang von der Verbindung Schale/Kern (12/14) auf die
Verbindung Schale/Stab (12/24 bzw. 12/32) abgemindert und Schalspannungen werden vermindert. Zum Ausfüllen der Fuge bildet der Matrix-Werkstoff an dieser Stelle einen leistenformigen, nach innen stehenden Wulst 26 mit nahezu dreiecksformigem Querschnitt, der die Zylmderwolbung des Zylinderabschnitts 20 ein kurzes Stuck fortsetzt.
Die Zvlmderflachenabschnitte 20 des Verbindungselements 10 können verschiedene Durchmesser bzw Abstände voneinander aufweisen, wie in Figur 1 dargestellt. Auch können die beiden zum Halten eines Stabes vorgesehnen Zylmderflachenabschnitte 20 verschieden groß ausgebildet und/oder in Längsrichtung des Stabes versetzt zueinander angeordnet sein (nicht dargestellt) .
Die Sattelflache 16 endet mit Abstand von dem gedachten Zylinder, dessen Bestandteil die Zylinderabschnitte 20 der Schale 12 sind, um an dιese__ o
Stelle Spannungsspitzen des zwischen die Zylinderabschnitte 20 einzulegenden und mit ihnen zu verklebenden Stabes zu vermeiden (vgl. Figur 2) . Ebenso dienen der Verminderung von Spannungsspitzen die Ausbildung einer Fase 28 entlang der Rander der Schale 12 und/oder eine Abnahme des Faseranteils zum Rand der Schale 12 hin, wie in der
Vergroßerungsdarstellung von Figur lb anhand des dort angedeuteten Gewebes 30 dargestellt.
Das erfindungsgemaße Verbindungselement 10 ist zur Herstellung einer geklebten Verbindung zwischen Stäben gleichen oder unterschiedlichen
Querschnitts und Querabmessung an Fachwerksknoten, insbesondere für Luft- und Raumfahrt vorgesehen. Die Herstellung eines Fachwerksknotens ist in Figuren 2 und 3 dargestellt. Die dargestellte Verbindung weist zwei rechtwinxlig zueinander angeordnete Stabe 32 kleineren Durchmessers, die miteinander und mit einem durchgehenden Stab 24 größeren Durchmessers verbunden sind, gegen den sie unter einem Winkel von 45° stoßen, auf. Alle drei Stabe 24, 32 befinden sich in einer Ebene. Die Stabe 24, 32 sind an sich bekannte Rohre aus kohlefaserverstarktem Kunststoff mit einem Hartschaumkern.
Zur Herstellung der geklebten Verbindung des in Figuren 2 und 3 dargestellten Fachwerksknotens werden zunächst die Innenseiten der Zylinderabschnitte 20 und des Kerns 14 der Verbindungselemente 10 mit Klebstoff bestrichen und auf den durchgehenden Stab 24 aufgeklippst sowie die beiden dünneren Stabe 32 in die Verbindungselemente 10 eingeklipps . Die drei Stabe 24, 32 sind dadurch bereits in ihrer Stellung zueinander fixiert. Anschließend werden die Innenseiten der Zylinderabschnitte 20 und des Kerns 14 eines dritten Verbindungselements 34 mit Klebstoff bestrichen und dieses Verbindungselement 34 auf die beiden dünneren Stabe 32 aufgeklippst, wobei dessen Zylinderabschnitte 20 die
Zylinderabschnitte 20 der beiden anderen Verbindungselemente 10 überlappen. Auf diese Weise wird ein sehr steifer und stabiler Fachwerksknoten geschaffen.
Figur 4 zeigt eine geklebte Verbindung eines Fachwerksknotens eines räumlichen Fachwerks unter Verwendung erfmdungsgemaßer
Verbindungselemente. Dieser Fachwerksknoten weist, verglichen mit dem m Figuren 2 und 3 dargestellten Fachwerksknoten, außer dem durchgehenden Stab 24 größeren Durchmessers und den beiden Stäben 32 kleineren Durchmessers zwei weitere Stabe 36 kleineren Durchmessers auf, die ebenfalls unter einem Winkel von 90° zueinander und von 45° zum durchgehenden Stab 24 angeordnet sind und sich in einer gedachten Ebene befinden, welche in einem Winkel zu der von beiden anderen Stäben 32 kleineren Durchmessers aufgespannten, gedachten Ebene steht. Zur Herstellung dieses räumlichen Fachwerks dient ein Verbindungselement 38, das zwei Verbindungselemente 10 umfaßt, die in ihrem Fußbereich 40 e nstuckig miteinander sind. Hierbei kann der Fußbereich 40 am durchgehenden Stab anliegen oder auch in einem Abstand davon vorbeilaufen. Im übrigen ist das Verbindungselement 38 ebenso aufgebaut wie das in Figur 1 dargestellte Verbindungselement 10 und der Fachwerksknoten ist ebenso ausgebildet wie der in Figuren 2 und 3 dargestellte Fachwerksknoten. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden die vorstehenden Ausfuhrungen in Bezug genommen.
Zur Aussteifung, insbesondere von raumlichen Fachwerksknoten unter der Verwendung von Verbindungselementen 38, können ein oder mehrere Stutzen 42 vorgesehen werden. Diese Stutze 42 verbindet jeweils einen Stab 32 und einem Stab 36 mit Abstand vom jeweiligen Verbindungselement 38 mit- einander Die Stutze 42 kann an ihren Enden mit den Stäben 32 bzw. 36 verklebt sein, wozu die Stirnseiten der Stutze 42 dem Winkel, mit dem Stutze 42 gegen die Stabe 32 bzw. 36 stoßt, entsprechend abgeschnitten und der Rundung der Stabe 32 bzw. 36 entsprechend hohlrund geformt werden. Die Verbindung zwischen Stutze 42 und den Stäben 32 bzw. 36 kann auch mit ein oder zwei erfindungsgemaßen Verbindungselementen 10 hergestellt werden (nicht dargestellt).
Zur Herstellung einer geklebten Verbindung zweier miteinander fluchtender Stabe 44 sind die erfindungsgemaßen Verbindungselemente 46 hohlzylindπsch mit einem Umschlingungswmkel von über 180° ausgebildet. Sie werden, nachdem ihre Innenseiten mit Klebstoff bestrichen worden sind, einander gegenüber auf die gestoßenen Enden der Stabe 44 aufgeklippst, wobei sich die Verbindungselemente 46 überlappen (Figur 5) . Mit einer derartigen Verbindung lassen sich Stabe unterschiedlichen Durchmessers und Querschnitts und auch nicht fluchtende Stabe miteinander verbinden (nicht dargestellt) .

Claims

Patentansprüche
1. Verbindungselement für eine geklebte Verbindung zwischen zwei oder mehr in einem Winkel zueinander angeorαneten Stäben, wobei das
Verbindungselement eine Schale aufweist, die sich in einem Zwischenraum zwischen zwei Stäben von Stab zu Stab erstreckt und im wesentlichen tangential an die Stabe heran verlauft und diese um einen Umschlmgungswinkel umschlingt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (12) U-formig ausgebildet ist, daß sich eine Jochwand (16) der Schale
(12) in dem Zwischenraum zwischen zwei Stäben (24, 32) von Stab zu Stab erstreckt, und daß Schenkelwande (18) der Schale (12), die sich in dem Zwischenraum zwischen zwei Stäben (24, 32) von Stab zu Stab erstrecken und im wesentlichen tangential an die Stabe (24, 32) heran verlaufen, Abstand voneinander aufweisen und die Stabe (24, 32) auf zwei gegenüberliegenden Seiten über Steller (22) der Oberflache, die eir relatives Abstandsmaximum darstellen, hinweg anliegend zwischen sich halten.
2 Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkelwande (18) die Stabe (24, 32) nach Art einer Federklammer unter Vorspannung zwischen sich festklemmen
3. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Jochwand (16) mit Abstand von den Stäben (24, 32) endet.
4. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (12) aus faserverstärktem Kunststoff besteht .
5. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Raum zwischen den Schenkelwanden (18) und αen Stäben mit einem Kern (14), der die Schenkelwande (18) und die StaDe (2^, 32) miteinander verbindet, gefüllt ist.
6. Verbindungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (14) den Raum zwischen den Schenkelwanden (18) und den Stäben (24, 32) nur teilweise ausfüllt bzw. Aussparungen aufweist.
7. Verbindungselement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (14) nur teilweise mit den Schenkelwanden (18) oder den Stäben (24, 32) verbunden ist.
8. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (14) diffusionsdurchlassig ist.
9. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (12) in einem oder mehreren Abschnitten ihres Randes eine Fase (28) aufweist.
10. Verbindungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Matrix-Werkstoff der Schale (12) eine spitze Fuge (26) zwischen den Schenkelwanden (18) und den Stäben (24, 32) in dem Bereich, in dem die Schenkelwande (18) im wesentlichen tangential an die Stabe (24, 32) heran verlaufen auf einem begrenzten Umfangsabschnitt der Stabe (24, 32) ausfüllt .
11. Verbindungselement nach Anspruch 4 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faseranteil in einem oder mehreren Abschnitten des Randes der Schale (12) zu ihrem Rand hin abnimmt.
12. Verbindungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vorspannung in Achsrichtung der Stabe (24, 32) von einer Mitte zu Enden der Schale (12) hm verringert.
13. Geklebte Verbindung zwischen zwei oder mehr Stäben mit einem Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung mindestens eine Stutze (42) aufweist, die zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Stabe (32, 36) außerhalb des Verbindungselements (38) miteinander verbindet.
14. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Klebstoff eine spitze Fuge (26) zwischen den Schenkelwanden (18) und den Stäben (24, 32) in dem Bereich, in dem die Schenkelwande (18) im wesentlichen tangential an die Stabe (24, 32) heran verlaufen auf einem begrenzten Umfangsabschnitt der Stabe (24, 32) ausfüllt .
15. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei konkav gewölbten Schenkelwanden (18) die Wölbung zu den Stäben (24,32) hin abnimmt.
16. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (12) Abschnitte größerer Dicke aufweist, die relative Abstandsmaxima der Oberflache bilden oder vergrößern.
17. Verbindungselement für eine geklebte Verbindung zwischen zwei Stäben, das eine Schale aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (12) die
Stabe (24, 32) auf einem Umschlinngungswmkel umfaßt, wobei sie mindestens ein relatives Abstandsmaximum der Oberflache übergreift.
18. Geklebte Verbindung zwischen zwei Stäben mit einem Verbindungselement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung ein zweites
Verbindungselement (46) aufweist, das dem ersten Verbindungselement (46) gegenüberliegend die Stabe (44) umschlingt, wobei Rander der Verbindungselemente (46) einander überlappen.
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