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Auf Biegung beanspruchter rohrförmiger Körper
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Körper der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 angegebenen Art. Auf Biegung beanspruchte rohrförmige Körper verwendet
man als Masten, im Leichtbau als Träger, zum Beispiel im Flugzeugbau, Automobilbau
als Rahmenträger, aber auch als Kardanwelle, im Schiffbau, in der Architektur, als
Skistöcke und dergleichen. Ein rohrförmiger Körper der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Art ist für die Verwendung als Skistock bekannt. Dabei bilden hochzugfeste
Kohlenstoff-Fasern ein Schlauchgewebe, das an der Innenwand des dünnen Rohres unter
Druck angeklebt ist.
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Diese Herstellung ist verwickelt und auf große rohrförmige Körper,
wie Segelbootmaste und dergleichen, nicht anwendbar, insbesondere wenn der rohrförmige
Körper keine gleichmäßige Krümmung hat, sondern in das Innere ragende Ecken oder
Aussparungen aufweist, die ein sattes Anliegen des Schlauchgewebes vereiteln würden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den rohrförmigen Körper
so auszugestalten, daß er sich auch dann leicht herstellen läßt und eine hohe Biegefestigkeit
bei sehr geringem Gewicht erhält, wenn er sehr lang bemessen ist und ein verwickeltes
Querschnittsprofil hat. Außerdem soll durch die Anordnung der Verstärkungselemente
eine unterschiedliche, kontrollierte, leicht reproduzierbare Biegefestigkeit in
verschiedenen Ebenen erreichbar sein.
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Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 angegebene Ausgestaltung gelöst.
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Die Unteransprüche beziehen sich auf zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung.
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Der dadurch die Erfindung erzielte technische Fortschritt besteht
darin, daß sich der rohrförmige Körper verhältnismäßig
leicht fehlerfrei
herstellen läßt und eine hohe Biegefestigkeit sowie ein sehr geringes Gewicht aufweist.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele anhand von
Querschnitten des rohrförmigen Körpers dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen rohrförmigen
Körper, nämlich den Mast eines Segelbootes, der innen mit starr an seiner Wandung
sitzenden Längsrippen versehen ist, welche die Faserstränge unverschiebbar aufnehmen,
Fig. 2 einen rohrförmigen Körper, bei dem jeder Faserstrang außen zwei Längsnuten
hat, in die konvergierende Längsrippen der Wandung des rohrförmigen Körpers hineinreichen,
Fig. 3 einen rohrförmigen Mast eines Segel bootes mit drei Fasersträngen, die je
von zwei Längsrippen der Wandung gehalten werden, wobei Zwischenräume zwischen den
Strängen vorgesehen und durch Schaumstoff ausgefüllt sird, Fig. 4 einen rohrförmigen
Körper, bei dem die Faserstränge aneinanderstoßen, miteinander unverschiebbar verbunden
sind und je ein Querschnittsprofil haben, das außen gewölbt und innen hohl ist,
Fig. 5 den Querschnitt eines rohrförmigen Körpers, bei welchem die sich der Innenfläche
anschmiegenden Faserstränge das Innere des rohrförmigen Körpers ausfüllen und sich
in entgegengesetzten Längsrichtungen verjüngen, Fig. 6 einen Querschnitt eines rohrförmigen
Segelbootmastes in dessen Wandung Längskanäle vorgesehen sind, die
ringsum
geschlossen sind und die Faserstränge aufnehmen, Fig. 7 den iuerschnitt eines rohrförmigen
Segelbootmastes, der sich von demjenigen der Fig. 1 durch rohrförmige Gestalt der
einzelnen Faserstränge unterscheidet, Fig. 8 den Querschnitt eines Segelbootmastes,
bei dem die einzelnen Fasersträn-ge an einem inneren Rohr s-itzen, das in den hohlen
Mast eingeschoben ist, Fig. 9 einen Querschnitt eines Segelbootmastes, bei welchem
zwei oder mehrere einander geaenüberliegende Strenge aus hochzugfesten Fasern zu
einem inneren Rohr des Mastes ergänzt sind, Fig. 10 einen Querschnitt eines Segelbootmastes,
bei welchem einander gegenüberliegende Faserstränge an einem inneren Rohr befestigt
sind, Fig. 11 einen Querschnitt eines Segelbootmastes mit drei i-nneren Fasersträngen,
Fig. 12 den (uerschnitt eines Segelbootmastes, bei welchem der Mast doppelwandig
ausgebildet ist und die Faserstränge in Falten des inneren Rohres liegen, Fig. 13
den Querschnitt durch einen unrunden Segelbootmast in den ein Rohr eingesetzt ist-,
Fig. 14 den Querschnitt eines Segelbootmastes mit einem eingesetzten profilierten
Rohres,
Fig. 15 den Querschnitt eines Segelbootmastes mit drei inneren
Fasersträngen, deren Zwischenräume entweder mit Schaumstoff gefüllt sind oder ein
entsprechend profiliertes Rohr enthalten, Fig. 16 den Querschnitt eines Segelbootmastes,
der sich von demjenigen der Fig. 12 dadurch unterscheidet, daß das innere Rohr mit
Schaumstoff gefüllt ist, Fig. 17 den Querschnitt eines Segelbootmastes, bei welchem
die Faserstränge von Rippen eines inneren Rohres gebildet werden, Fig. 18 einen
Querschnitt eines Segelbootmastes, bei welchem die Faserstränge im Inneren des Mastes
zusammenstoßen und vier Kammern bilden, die je durch ein entsprechend profiliertes
Rohr ausgekleidet sein können, Fig. 19 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der
die Faserstränge von den Flanschen zweier Längsschienen gebildet werden und Fig.
20 den Querschnitt durch einen unrunden rohrförmigen Körper, dessen Inneres durch
drei U-förmig pro-filierte Träger ausgefüllt ist, welche die verstärkenden~Faserstränge
enthalten.
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geführt, daß sich die Stränge in der Längsrichtung an der Wandung
des rohrförmigen Körpers nicht verschieben können.
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Der Mast ist in der üblichen Weise mit einer Längsnut 16 versehen,
die das Vorliek des Segels aufzunehmen vermag.
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Das in Fig. 2 gezeigte. Ausführungsbeispiel des rohrförmigen Körpers
unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 1 hauptsächlich durch die Querschnittsgestalt
der aus hochzugfesten Fasern bestehenden Stränge und der inneren Rippen des rohrförmigen
Körpers. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind drei solcher Stränge 212 vorgesehen.
Jeder. von diesen Strängen hat zwei Längsnuten. In jede Längsnut ragt eine Rippe
214 hinein. Diese beiden je einen Strang 212 tragenden Rippen 214 konvergieren und
bieten daher dem zwischen ihnen ergriffenen Teil des Stranges 212 festen Halt. -Ferner
bildet das Querschnittsprofil eines jeden Stranges 212 zwei seitliche Flanschen
218, die sich an die Wandung des rohrförmigen Körpers 210 anlegen. Auch in diesem
Falle ist jeder Strang 212 über seine ganze Breite hin an der Innenfläche des rohrförmigen
Körpers 210 und insbesondere an dessen inneren Rippen fest angeklebt.
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Damit man dem Strang 12 oder 212 das gewünschte Querschnittsprofil
geben kann, sind die Kohlenstoffasern in Kunststoff eingebettet.
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Der Zusammenbau der Stränge 212 mit dem rohrförmigen Körper 214 kann
in der Weise erfolgen, daß die drei Stränge jeder der Länge nach in den rohrförmigen
Körper 210 hineingezogen werden, wobei dann die Rippen 214 in den Nuten der Stränge
entlanggleiten. -In diesem Falle gelangt als Klebstoff ein Stoff zur Verwendung,
der nach Aufbringen auf die Stränge und auf die Innenfläche des rohrförmigen Körpers
noch einige Zeit flüssig bleibt und schmierend wirkt und erst dann erstarrt, wenn
die Stränge in den rohrförmig-en Körper eingebracht sind.
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Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform des rohr-
Der
in Fig. 1 im Querschnitt gezeigte Segelbootmast bildet einen rohrförmigen Körper
10, der durch fünf Stränge 12 hochzugfester Fasern versteift ist. Innen ist der
rohrförmige Körper 10 mit starr an seiner Wandung sitzenden Haltern versehen, welche
die Stränge 12 unverschiebbar aufnehmen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
bestehen diese Halter aus Längsrippen 14 der Wandung. Bei den Fasern, welche die
Stränge 12 bilden, kann es sich um Kohlenstoffasern oder auch um andere hochzugfeste
Fasern handeln, z.B. um diejenigen, die aus "Torayca-Pellets" hergestellt sind.
Der Körper 10 kann aus Metall, z.B. Alunlin1uln oder Kunststoff bestehen. Bei dem
in Fig. 1 dargestellten Beispiel haben die Stränge 12 einen ovalen Querschnitt.
Ihre Außenflächen schmiegen sich den Innenflächen des rohrförmigen Körpers 10 zwischen
den Rippen 14 eng an und haften an ihnen. Auch mit den Seitenflächen können die
Stränge 12 an den Rippen 14 anliegen und dort fest haften.
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Die feste Haftung kann durch Ankleben der Stränge erreicht werden.
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Unter dem Winddruck, der auf das Segel wirkt und unter den Zugspannungen
der Wanten und Stage wird der Mast bekanntlich stark auf Biegung beansprucht, was
dazu führt, daß eine Wandung auf der einen Seite unter eine Zugspannung und auf
der gegenüberliegenden Seite unter eine Druckspannung gesetzt wird. Wird nun der
Körper 10 sehr dünnwandig ausgeführt, um sein Gewicht zu verringern, dann bestünde
mangels besonderer Vorkehrungen die Gefahr, daß er der hohen Zugspannung nicht gewachsen
ist, während er Druckspannungen besser aufnehmen kann. Das ist nun der Grund,weshalb
die Wandung durch die Stränge 12 aus hochzugfesten Fasern versteift ist. Diese Stränge
vermögen sehr hohe Zugspannungen aufzunehmen, die sich von der Wandung des Mastes
insbesondere auch von Ihren Rippen 14 auf die Stränge 12 infolge der gegenseitigen
Unverschiebbarkeit übertragen. Durch das Ankleben der Stränge wird nämlich eine
so große Haftung herbeiförmigen
Körpers 310 ist dieser durch drei
Stränge 312 versteift, die je zwischen zwei inneren Längsrippen 314 des rohrförmigen
Körpers 310 eingebettet sind. Dabei verbleiben zwischen den Strängen erhebliche
Zwischenräume. Diese sind durch Schaumstoff ausgefüllt, wie bei 217 dargestellt.
Auch bei dem rohrförmigen Körper 310 handelt es sich um einen Segelbootmast mit
einer Längsnut 316.
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Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform hat jeder der zwölf Stränge
ein Querschnittsprofil in Gestalt eines Vierecks, das. innen und außen von konzentrischen
Kreisbögen und an den Seiten von radialen Linien gebildet wird. Infolgedessen ist
jeder Strang 412 außen gewölbt und innen hohl. Daher gestattet die Querschnittsprofilierung
der Stränge eine formschlüssige Halterung dieser Stränge an der Innenwandung des
rohrförmigen Körpers 410. Die Stränge liegen dabei an einem Schlauch 420 an, der
sich im Inneren des rohrförmigen Körpers 410 in dessen Längsrichtung erstreckt.
Dieser Schlauch, der aus Kunststoff bestehen kann, kann bei dem Zusammenbau der
Teile unter Druckluft gesetzt werden, um auf diese Weise die einzelnen Stränge 412
an die Innenwand des rohrförmigen Körpers 410 fest anzupressen und auch die einzelnen
Stränge mit ihren Seiten flächen aneinanderzupressen, damit der dort befindliche
Klebstoff fest bindet.
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Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform der Erfindung füllen
die Stränge 512 und 513 das Innere des rohrförmigen Körpers 510 vollständig aus.
Ebenso wie bei der Ausführungsform der Fig. 4 ist die Innenwandung des rohrförmigen
Körpers völlig glatt ohne irge-ndwelche Vorsprünge oder Rippen. Die beiden Stränge
512 und 513 verjüngen sich in entgegengesetzten Längsrichtungen. Man führt sie mit
den- verjüngten Enden an entgegengesetzten Enden des rohrförmigen Körpers ein und
verschiebt sie dann in der Einführungsrichtung so lange, bis sie sich dank ihrer
keilförmigen Gestalt fest aneinander und an die Innenfläche des rohrförmigen Körpers
510 anlegen, wo si-e dann festgeklebt
werden.
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Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um einen
Segelbootmast, der einen etwa sichelförmigen Querschnitt hat. In diesem Falle füllen
die Stränge 612 und 613 Längskanäle aus, die in der Wandung des rohrförmigen Körpers
610 vorgesehen sind. Dabei befinden sich zwei solcher Kanäle an den Längskanten
des im Querschnitt sichelförmigen Körpers und der dritte Kanal in der Mitte gegenüberliegend.
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Dementsprechend hat der in dem mittleren Kanal befindliche Strang
613 einen flachen ovalen Querschnitt, während die beiden anderen Stränge 612 einen
kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
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Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um einen
Segelbootmast, der sich von demjenigen der Fig. 1 hauptsächlich dadurch unterscheidet,
daß die einzelnen Faserstränge 712 keinen massiven, sondern einen hohlen Querschnitt
haben, also rohrförmig ausgestaltet sind. Das bietet den Vorteil, daß für einen
Mast gleicher Festigkeit ein geringerer Querschnitt der Stränge ausreicht und daher
an der Menge der hochzugfesten Fasern gespart wird.
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Fig. 8 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform
hauptsächlich dadurch, daß die Faserstränge 812 an einem inneren Rohr 820 von vieleckigem
Querschnitt befestigt, z. B. angeklebt, sind. Dieses Rohr, das aus Aluminium bestehen
kann, dient zur weiteren Versteifung des Mastes.
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Auch die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform eines Segelbootmastes
zeichnet sich durch ein inneres Rohr 920 aus.
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Dieses besteht aus einem durch hochzugfeste Fasern verstärkten Kunststoff
und hat einen solchen Querschnitt, daß es seitliche Längsleisten 912 bildet, die
als Faserstränge wirken, deren
Außenflächen sich der Innenfläche
des rohrförmigen Körpers 910 anschmiegen und an ihr haften.
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ähnlich ist die in Fig. 10 gezeigte Ausführungsform ausgestaltet.
Das dort gezeigte innere Rohr 1020 aus Aluminium oder dergleichen, das sich gleichachsig
innerhalb des hohlen Mastes 1010 erstreckt, trägt zwei einander gegenüberliegende
leistenförmige Faserstränge 1012, deren innere Ränder am inneren Rohr 1020 befestigt,
z.B. an-geleimt,sind, während sich die äußeren Ränder an der Innenfläche des rohrförmigen
Körpers 1010 anschmiegen und an ihr haften.
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Bei der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform eines Segelbootmastes
sind drei Stränge 1112 aus hochzugfesten Fasern vorgesehen, deren Außenflächen sich
der Innenfläche des rohrförmigen. Körpers anschmiegen und an ihr haften. Dabei hat
der hohle Mast eine Querwand 1113, an der zwei der Stränge anliegen.
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Fig. 12 zeigt schließlich den Querschnitt eines Segelbootmastes,
bei welchem in den hohlen Mast ein an seiner Innenwand anliegendes Rohr 1220 eingesetzt
ist, das auf einer Seite abgeflacht ist. Die Stränge 1212 aus-hochzugfesten Fasern
liegen im Inneren von Längsfalten, die von der Wandung des Rohres 1220 gebildet
werden. Die Stränge 1212 reichen bis an die Außenwandung des Mastes heran und schmiegen
sich an diese und an die Innenwandungen der Falten und haften fest daran.
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Die Falten bilden innere Längsrippen des Rohres 1120, und zwischen
diesen Längsrippen können Leisten 1221 angeordnet werden, die sich an die Innenwandung
des Rohres 1120 und- an die Falten anlegen und diese versteifen. Diese Leisten 1121
können aus Kunststoff bestehen.
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Bei dem in Fig. 13 gezeigten Ausfü-hrungsbeispiel der
Erfindung
handelt es sich um einen Segelbootmast, dessen Querschnittsgestalt nicht rund sondern
etwa halbelliptisch ist.
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ähnlich wie bei der Ausführungsform der Fig. 8 ist in den rohrförmigen
Mast ein Aluminiumrohr 1320 eingeschoben, an dem haftend die Stränge 1312 mit ihren
gewölbten inneren Flächen angeklebt sind. Mit ihren äußeren Flächen liegen diese
Stränge an der Wandung 1310 des Mastes an und haften fest daran. Auf diese Weise
ergibt sich für das innere Rohr 1320 ein unrunder Querschnitt der in Fig. 13 gezeigten
Gestalt.
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Auch das in Fig. 14 gezeigte Ausführungsbeispiel eines rohrförmigen
Mastes zeichnet sich durch ein inneres Rohr 1420 aus, das aus Aluminium bestehen
kann und ähnlich wie in Fig. 13 die Innenflächen der Stränge 1412 aus hochzugfesten
Fasern berührt und daran haftet. Mit ihren Außenflächen liegen diese Stränge an
der Innenwandung des rohrförmigen Mastes 1410 ai Das Innenrohr ist bei den beiden
Ausführungsformen der Fig. 13 und 14 so profiliert, daß es mit breiten Längsflächen
am rohrförmigen Mast 1310 bzw. 1410 anliegt und sich daran abstützt. An diesen Berührungsflächen
kann das innere Rohr an der Innenwandung des hohlen Mastes haftend befestigt sein,
z.B. durch einen Klebstoff.
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Die dargestellten Ausführungsbeispiele können in mannigfacher Hinsicht
abgewandelt werden. So besteht die Möglichkeit, auch den in Fig. 3 gezeigten rohrförmigen
Körper mit einem inneren Schlauch zu versehen, der etwa dem Schlauch 420 entspricht.
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Während bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 - 3 die starr an
der Wandung sitzenden Halter, welche die Faserstränge unverschiebbar aufnehmen,
von Längsrippen gebildet werden,
können sie auch von Buchsen oder
Schellen gebildet werden, die im Abstand voneinander auf jedem Faserstrang sitzen
und starr an der Wandung des rohrförmigen Körpers befestigt sind.
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Fig. 15 zeigt den Querschnitt eines Segelbootmastes, bei welchem
die Faserstränge 1512 ähnlich wie bei der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform in
den Falten eines Rohres 1520 eingebettet sind. Dieses Rohr ist so profiliert, daß
es die Zwischenräume zwischen den an der Innenwandung des Rohres 1510 anliegenden
Strängen 1512 auskleidet, also an der Innenwand des Rohres 1510 anliegt. Das Innere
des Rohres 1520, das vorzugsweise aus Kunststoff besteht, bildet infolgedessen drei
Kammern. Diese können durch getrennte Schaumstoffkörper 1517 ausgefüllt sein. Jeder
dieser Körper oder einzelne von ihnen kann einen äußeren Mantel 1519 haben, der
aus Leichtmetall oder Kunststoff, insbesondere aus PVC,- besteht.
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Bei der Herstellung dieses Segelbootmastes geht man so vor, daß man
zunächst die Elemente 1512 und 1517 in das profilierte Rohr 1520 einschiebt und
dieses dann in das äußere Rohr 1510 einsetzt. Dabei werden die einzelnen Teile zweckmäßig
miteinander verklebt.
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Die einzelnen Stränge 1512 können dabei auch einen anderen Querschnitt
erhalten, als in Fig. 15 gezeigt ist. Sie können beispielsweise halbkreisförmig-
oder trapezförmig profiliert sein. Die Hauptaufgabe des profilierten Rohres 1520
besteht darin, die Lage der Verstärkungsstränge 1512 zu bestimmen. Aus diesem Grunde
kann das profilierte Rohr 1520 sehr dünn bemessen sein und aus einem sehr-elastischen
Werkstoff bestehen.
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Bei der in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform des Segelbootmastes
sitzen ebenfalls die drei Faserstränge 1612, die mit breiten Flanschen an der Innenwand-
des äußeren Rohres 1610 anliegen, in den Falteh eines profilierten Rohres 1620,
das
den gesamten Innenraum des Mastes auskleidet, aus Kunststoff
bestehen kann und gegebenenfalls mit einem Schaumstoff gefüllt ist.
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Die Ausführungsform der Fig. 17 stellt einen Segelbootmast dar, bei
welchem die Faserstränge, deren Außenflächen sich der Innenfläche des rohrförmigen
Körpers 1710 anschmiegen und an ihr haften von äußeren Rippen 1712 eines inneren
Rohres 1713 gebildet werden, das sich innen in der Längsrichtung des Mastes 1710
erstreckt und aus einem Stück mit den Rippen besteht. Diese Rippen können unterschiedlich
profiliert sein, wie es in Fig. 17 ersichtlich ist. Auch in diesem Fall können die
Innenräume des Rohres 1710 zwischen den einzelnen Rippen 1712 durch einen Schaumstoff
ausgefüllt sein.
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Die in Fig. 18 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen
der Fig. 17 hauptsächlich dadurch, daß das innere Rohr 1813 ein dreieckiges Querschnittsprofil
hat und aus getrennten lose aneinanderliegenden Wänden besteht, welche die Rippen
1812 tragen und aus einem Stück mit diesen Rippen bestehen, die je einen Flansch
haben, der innen am Rohr 1810 bzw. dessen Querwand 1811 anliegt. Auch in diesem
Falle können die einzelnen Kammern durch einen Körper aus Schaumstoff ausgefüllt
sein oder je durch ein profiliertes Rohr 1819 ausgefüllt werden, das gegebenenfalls
seinerseits ausgeschäumt ist.
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Auch bei dieser Ausführungsform sind die einzelnen Elemente des Mastes
miteinander verklebt.
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Die in Fig. 19 gezeigte Ausführungsform entspricht weitgehend derjenigen
der Fig. 17. Hier jedoch werden die Stränge aus längsverlaufenden hochzugfesten
Fasern, die durch Kunststoff miteinander verklebt sind, an den Armen 1912 zweier
U-förmig profilierter Leisten 1913 gebildet, die an der Innenfläche des äußeren
Rohres 1810 anliegen und dort verklebt sind.
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Fig. 20 schließlich zeigt den Querschnitt durch einen rohrförmigen
Körper von etwa rechteckigem Querschnitt, der durch auf seiner Innenfläche haftende
längsverlaufende hochzugfeste Fasern versteift ist. Diese Fasern, die durch Kunststoff
verklebt sind, bilden drei C-förmig profilierte Träger 2013, deren Schenkel an dem
äußeren Rohr 2010 anliegen und die hochzugfesten Fasern enthalten.
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L e e r s e i t e