Die Erfindung betrifft belastungsadapt iv ausgebildete, sich an punktuelle, linien- oder flächenhafte - ein- oder wechselseitige - Belastungen oder fluidische Anströmbe ^¬ dingungen anpassende Bauteile.

In den verschiedensten Bereichen der Technik kommen Kon ^¬ struktionselemente zum Einsatz, die unter Belastung ver ^¬ formt werden und deren aufgrund einer Krafteinwirkung nachgiebig-elastisches - konventionelles Verformungsver ^¬ halten mit der Richtung der auf das betreffende Bauteil wirkenden Kraft korreliert. Bei bestimmten Gestaltungsan ^¬ forderungen, beispielsweise im Fahrzeug- und Strömungsma ^¬ schinenbau sowie im Apparatebau, ist es jedoch wünschens ^¬ wert, dass eine der Kraftwirkungsrichtung entgegen ge ^¬ setzte Formänderung des Bauteils erzielt wird. Ein derart paradoxes - nicht eindeutig nachgiebig-elastisches - Ver ^¬ halten zwischen der Beaufschlagungsrichtung und der dar ^¬ aus resultierenden Formänderung des Bauteils ist insbe ^¬ sondere dann von Vorteil, wenn dadurch die Handhabungs ^¬ und Bedienungssicherheit verbessert werden kann, wie bei ^¬ spielsweise bei Armaturen und Griffen von Fahrzeugen und Fertigungsmaschinen oder auch bei Körperauflageflächen im medizinischen Apparatebau. Die Beaufschlagung des Bau ^¬ teils kann einseitig oder wechselseitig sein und die Sys ^¬ temantwort kann unsymmetrisch oder symmetrisch sein.

Ein paradoxes Kraftwirkungsrichtung-Formänderungs- Verhalten ist bisher nur mit komplexen mechatronischen Sensor-Aktor-Anordnungen und somit einem entsprechend ho ^¬ hen regelungstechnischen Kontrollaufwand realisierbar und zudem mit einem hohen Gewicht und hohen Kosten verbunden. Bei im Unterwasserbereich fluidisch beaufschlagten Bau ^¬ teilen von Wasserfahrzeugen, die üblicherweise symmet ^¬ risch ausgebildet und beidseitig fluidisch belastet sind, aber auch bei fluidbeaufschlagten Strömungsmaschinen und anderen in einem Fluid arbeitenden Systemen sind die an ^¬ geströmten Flächen bzw. die Leit- und Steuerflächen einer erheblichen mechanischen Belastung ausgesetzt. Auch hier folgt die Richtung der Formänderung der beaufschlagten Bauteilanströmflächen der Richtung des Lasteintrags und führt zu veränderten, strömungstechnisch ungünstigen An ^¬ strömbedingungen an den Leit- oder Steuerflächen. Der Än ^¬ derung der Anströmbedingungen durch eine der Lastbeauf ^¬ schlagungsrichtung folgende elastisch-nachgiebige Formän ^¬ derung versucht man bisher mit einem erheblichen rege- lungstechnischen und mithin kostenintensiven Aufwand zu begegnen .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein- oder beid ^¬ seitig punktuell oder linienartig belastete oder flächen- haft belastete bzw. angeströmte Bauteilstrukturen zu ent ^¬ wickeln, die unter Vermeidung des hohen regelungstechni ^¬ schen Aufwandes eigenständig ein der Lasteintragsrichtung entgegen wirkendes - paradoxes nachgiebig-elastisches bzw. strömungsgünstiges - Formänderungsverhalten zeigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Bauteil ^¬ struktur gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin ^¬ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein gemäß dem Grundgedanken der Erfindung belastungsadap- tiv ausgebildetes Bauteil umfasst mindestens ein integral in dieses eingebundenes trapezförmiges, elastisch beweg ^¬ liches Viergelenk zur Erzeugung eines der Kraftwirkungs- richtung entgegen gerichteten - anisotrop nachgiebig ^¬ elastischen - Formänderungsverhaltens des Bauteils. Die elastischen Viergelenke sind immanenter Bestandteil des Bauteils bzw. des Bauteilwerkstoffs. Die Viergelenke be ^¬ stehen aus in dem Bauteil ausgeformten ersten Ausnehmun ^¬ gen zur Bildung von durch Materialschwachstellen erzeug- ten, elastische Biegegelenke verkörpernden Gelenkpunkten sowie an die Gelenkpunkte angeschlossenen oder diese ver ^¬ bindenden zweiten, schlitzartigen Ausnehmungen. Eine Mehrzahl von im Abstand aufeinander folgenden Viergelen ^¬ ken stellt ein in das Bauteil integriertes, das heißt von dem Bauteil selbst bzw. durch die in dem Bauteil vorgese ^¬ henen Ausnehmungen gebildetes Mehrgelenkgetriebe dar, das ohne regelungstechnischen Aufwand und mit geringem Kos ^¬ tenaufwand bei einer auf das Bauteil wirkenden Last ein anisotrop nachgiebig-elastisches Formänderungsverhalten, das heißt ein der Richtung der auf das Bauteil wirkenden Kraft entgegen gerichtetes Formänderungsverhalten auf ^¬ weist.

Die Anwendung der Erfindung kann bei einseitig bean- spruchten oder wechselseitig beanspruchten - beispiels ^¬ weise strömungsmittelbeaufschlagten - Bauteilen erfolgen. Bei einem beid- oder wechselseitig beaufschlagten Bauteil haben die Viergelenke eine gleichschenklige, symmetrische Trapezform. Einseitig mit einer Last beaufschlagte Bau- teile haben hingegen ein Mehrgelenkgetriebe aus aufeinan ^¬ derfolgenden Viergelenken in der Form eines ungleich ^¬ schenkligen, unsymmetrischen Trapezes.

In einer spezifischen Ausführungsvariante - beispielswei- se für die von einem Strömungsmittel beaufschlagten Sei ^¬ tenwände von Wasserfahrzeugen - ist das Bauteil in Scha ^¬ lenbauweise gefertigt und umfasst zwischen zwei äußeren Seitenwangen zur Ausbildung der zweiten Ausnehmungen im Abstand angeordnete Kernleisten. Die zur Ausbildung der elastischen Biegegelenke oder Gelenkpunkte vorgesehenen ersten Ausnehmungen sind in der jeweils zwischen zwei Kernleisten verbleibenden zweiten Ausnehmung jeweils ge ^¬ genüberliegend an der Innenseite und an der strömungsmit- telbeaufschlagten Außenseite der Seitenwangen eingeform ^¬ te, nutenförmige innere und äußere Ausnehmungen. Die nu- tenförmigen Ausnehmungen sind bei einem Bauteil mit wech ^¬ selseitiger Strömungsmittelbeaufschlagung derart in die Seitenwangen eingeformt sind, dass die von den Ausnehmun ^¬ gen gebildeten elastischen Biegegelenke in der Form eines symmetrischen Trapezes angeordnet sind. Aufgrund dieser Merkmalskombination weist das Bauteil, beispielsweise ein Heckruder eines Wasserfahrzeugs, ein der Richtung der Strömungsbeaufschlagung entgegen gerichtetes, strömungs ^¬ mechanisch vorteilhaftes Formänderungsverhalten auf. In weiterer Ausbildung der Erfindung weist ein wechsel ^¬ seitig punktuell oder linienförmig belastbares, einstü ^¬ ckig ausgebildetes Biegebauteil mit symmetrischer Quer ^¬ schnittfläche jeweils eine randnahe äußere Bohrung und jeweils zwei in Längsrichtung versetzte innere Bohrungen auf, die die ersten Ausnehmungen zur Ausbildung der vier elastischen Biegegelenke oder Gelenkpunkte eines symmet ^¬ rischen, trapezförmigen elastischen Viergelenks darstel ^¬ len. Parallel zu den äußeren Bohrungen ist jeweils eine weitere innere Bohrung vorgesehen. Die als erste Ausneh- mungen fungierenden Bohrungen sind untereinander bzw. mit der oberen und unteren Außenfläche des Biegebauteils durch als zweite Ausnehmungen fungierende schlitzförmige Ausfräsungen verbunden. Auf diese Art werden elastische Viergelenke bzw. Mehrgelenkgetriebe gebildet, die inte- graler Bestandteil des Bauteils sind und aus diesem selbst gebildet sind und ein der jeweiligen Lastauftrags ^¬ richtung entgegen gerichtetes - anisotrop nachgiebig ^¬ elastisches Formänderungsverhalten aufweisen. In weiterer Ausbildung der Erfindung weist ein als ein ^¬ seitig belastbares Biegebauteil mit symmetrischer Quer- Schnittfläche ein oder mehrere, jeweils als unsymmetri ^¬ sches, ungleichschenkliges Trapez ausgebildete Viergelen ^¬ ke auf, die als erste Ausnehmungen zwei gegenüberliegend angeordnete erste äußere Bohrungen sowie eine zweite - in Längsrichtung versetzte - äußere Bohrung und zwei benach ^¬ barte innere Bohrungen umfassen, die jeweils elastische Biegegelenke oder Gelenkpunkte bilden. Zwischen den ers ^¬ ten äußeren Bohrungen ist eine weitere mittige Bohrung angeordnet, wobei die Bohrungen untereinander bzw. mit der Außenseite des Biegebauteils über als schlitzartige Ausfräsung ausgeführte zweite Ausnehmungen verbunden sind. Bei einseitiger Belastung eines leisten - oder bal ^¬ kenartigen Bauteils kann somit durch integrale Einbindung eines Viergelenkgetriebes bzw. mehrteiligen Viergelenkge- triebes in einen Träger, einen Balken, einen Griff, eine Auflagefläche oder dgl . mit geringem Aufwand eine belas- tungsadaptive, der Lasteintragsrichtung entgegen gerich ^¬ tete Formänderung bewirkt werden. In Ausgestaltung der Erfindung ist die Form und Größe der ersten und zweiten Ausnehmungen und der Abstand zwischen den Gelenkpunkten in Längs- und Querrichtung des Bauteils in Abhängigkeit von der Art und Größe des Bauteils und der auf das Bauteil wirkenden Kräfte und dem jeweils ver- wendeten Werkstoff variabel. Die ersten und zweiten Aus ^¬ nehmungen können mit beliebigen geeigneten Verfahren her ^¬ gestellt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Wasser ^¬ fahrzeuges mit einem zu dessen Steuerung vorge ^¬ sehenen Heckruder als wechselseitig strömungsbe- aufschlagtes Bauteil; eine Schnittansicht des Heckruders längs der Li ^¬ nie AA in Fig. 1 ; eine Schnittdarstellung eines als einseitig be ^¬ lasteter Balken einstückig ausgebildeten Bau ^¬ teils mit integriertem Mehrgelenkgetriebe; eine vergrößerte Darstellung eines gemäß Fig. 3 durch die Ausnehmungen erzeugten Viergelenks in Form eines ungleichschenkligen, unsymmetrischen Trapezes ; eine Schnittansicht eines einstückigen, beidsei ^¬ tig belastbaren Balkens mit symmetrisch angeord ^¬ neten Ausnehmungen zur Ausbildung von Viergelen ^¬ ken in Form von gleichschenkligen, symmetrischen Trapezen; und eine vergrößerte Darstellung eines Viergelenks gemäß Fig. 5.

Die Leit- und Steuerflächen von Wasserfahrzeugen 1, bei ^¬ spielsweise des Heckruders 2, werden beidseitig durch das strömende Medium beaufschlagt und konventionell in Rich- tung des jeweiligen Lasteintrags verformt, so dass sich die Strömungsverhältnisse an den Leit- und Steuerflächen verändern und Strömungsverluste auftreten. Um das Verfor ^¬ mungsverhalten der beiderseitigen Leit- und Steuerflächen 3 des Heckruders 2 unter Lasteinwirkung vorteilhaft zu beeinflussen, umfasst das Heckruder 2 mehrere in Längs ^¬ richtung aufeinanderfolgende und integral in die Bauteil ^¬ struktur eingebundene Viergelenke 5, deren Gelenkpunkte 6 in der Bauteilstruktur in Form eines gleichschenkligen symmetrischen Trapezes angeordnet sind. Die Bauteilstruk- tur, hier das seitliche Leit- und Steuerflächen 3 aufwei ^¬ sende Heckruder 2, ist in Schalenbauweise gefertigt und umfasst zwei gegenüberliegende, am vorderen und hinteren Ende miteinander verbundene und durch mehrere, in regel ^¬ mäßigem Abstand angeordnete Kernleisten 4 voneinander beabstandete Seitenwangen 7. Die Kernleisten 4 sind steif und tragend ausgeführt und stoffschlüssig mit den Seiten ^¬ wangen 7 verbunden. Ein jeweils zwischen zwei benachbar ^¬ ten Kernleisten 4 vorgesehenes trapezförmiges Viergelenk 5 ist durch zwei von innen in die Seitenwangen 7 einge ^¬ formte, nutenförmige innere Ausnehmungen 8 und zwei von außen in die Seitenwangen 7 eingeformte nutenförmige äu ^¬ ßere Ausnehmungen 9 gebildet. Die durch die äußeren und inneren Ausnehmungen 8, 9 an der Außenseite und an der Innenseite der Seitenwangen 7 verbleibenden Material ^¬ schwachstellen entsprechen jeweils einem als elastisches Biegegelenk oder Filmscharniergelenk fungierenden Gelenk ^¬ punkt 6. Die aufeinanderfolgend in das in Schalenbauweise gefertigte Bauteil integrierten Viergelenke 5 bilden ein Mehrgelenkgetriebe. Bei einer auf die Leit- und Steuer ^¬ fläche 3 der Seitenwangen 7 auftreffenden Strömungsbeauf- schlagung führen die Seitenwangen 7, die in entlastetem Zustand eine neutrale symmetrische Lage einnehmen, eine örtliche elastische Knickbewegung aus, die der Lastein ^¬ tragsrichtung entgegengesetzt ist. Die hier als beidsei ^¬ tig strömungsbeaufSchlagtes Heckruder 2 ausgebildete Bau- teilstruktur weist aufgrund der höheren Elastizität in den Einzelgelenken 6 ein anisotrop nachgiebig ^¬ elastisches, sich an die Strömungsbedingungen selbsttätig anpassendes und strömungsmechanisch vorteilhaftes Formän ^¬ derungsverhalten auf.

Gemäß den Figuren 3 und 4 umfasst die Bauteilstruktur ein einseitig punktuell oder linienhaft beaufschlagtes Biege ^¬ bauteil 12 in Form einer Leiste oder eines Balkens, hier eines Kragträgers, mit paradoxer, das heißt der Kraftein- leitungsrichtung entgegen gerichteter Verformung. Derar ^¬ tige, sich nicht eindeutig nachgiebig-elastisch verhal- tende Biegebauteile werden vorteilhaft eingesetzt, wenn das nachgiebig-elastische Ausweichen bei Belastung zu Handlungs- und Bedienunsicherheiten führen kann. Wie die Figuren 3 und 4 zeigen, umfasst das Biegebauteil 12 einen einstückig ausgebildeten Balken mit symmetrischem Quer ^¬ schnitt, in den im Abstand aufeinander folgende Gruppen von Ausnehmungen 13 eingeformt sind, die in den Balken integrierte unsymmetrisch trapezförmige Viergelenke 10 darstellen. Die Ausnehmungen 13 werden von quer zur

Längsrichtung des Balkens (Biegebauteil 12) verlaufenden Bohrungen 14 und Ausfräsungen 15 (erste und zweite Aus ^¬ nehmungen) gebildet. Zwei erste - äußere - Bohrungen 14.1 verlaufen randnah an der unteren und der lastbeaufschlag ^¬ ten oberen Seite des Balkens. Eine zweite äußere Bohrung 14.2 verläuft im Abstand von der ersten Bohrung 14.1 randnah an der unteren Seite und parallel zu der zweiten Bohrung 14.2 verlaufen etwa mittig und in geringem Ab ^¬ stand übereinander zwei dritte Bohrungen 14.3 und 14.3'. Die Bohrungen 14.1, 14.2 und 14.3 sind über schlitzartige Ausfräsungen 15 miteinander verbunden. Die dritte - obere - Bohrung 14.3' ist über eine Ausfräsung 15 an die Ober ^¬ seite des Balkens (Biegebauteil 12) angeschlossen. Die so in Kombination mit den Ausfräsungen 15 angeordneten Boh ^¬ rungen 14.1, 14.2, 14.3 und 14.3' erzeugen Material- schwachstellen, die jeweils einem als elastisches Biege ^¬ gelenk oder Filmscharniergelenk fungierenden Gelenkpunkt 6' eines hier als ungleichschenkliges, unsymmetrisches Trapez ausgeführten Viergelenks 10 entsprechen. Die Aus ^¬ nehmungen 13 (14, 15) können durch spangebende Verfahren, Gießverfahren oder Prägeverfahren oder auch andere geeig ^¬ nete Verfahren hergestellt werden. Mit einem so ausgebil ^¬ deten, als trapezförmiges, aber ungleichschenkliges, un ^¬ symmetrisches Viergelenk 10 bzw. bei aufeinanderfolgenden Viergelenken 10 als Mehrgelenkgetriebe fungierenden Bie- gebauteil 12 kann unter Vermeidung eines erheblichen re ^¬ gelungstechnischen Aufwandes eine paradoxe, der Kraftwir- kungsrichtung entgegen gerichtete, nicht symmetrische Formänderung erreicht werden, die entsprechend der geo ^¬ metrischen Ausführung des Biegebauteils 12 und der Aus ^¬ nehmungen 13 (14, 15) bzw. der Viergelenke 10 variabel ist .

Gemäß einer dritten, in den Figuren 5 und 6 wiedergegebe ^¬ nen Ausführungsvariante weist ein anderes einstückiges, wechselseitig belastungsadaptiv ausgebildetes Biegebau- teil 16 ein bilateral-symmetrisches Belastungs-

Verformungs-Regime auf, das heißt, bei wechselseitiger Beaufschlagung erfolgt eine der Krafteinleitungsrichtung entgegen gesetzte - paradox nachgiebig-elastische - sym ^¬ metrische Verformungsantwort. Das in der Zeichnung als einstückige, schlanke Balkenkonstruktion mit symmetri ^¬ schem Querschnitt dargestellte Biegebauteil 16 umfasst eine Vielzahl von durch im Abstand aufeinanderfolgende Gruppen von Ausnehmungen 17 gebildeten, in die Balkenkon ^¬ struktion integral eingebundenen trapezförmigen Vierge- lenken 11. Aufgrund der Ausnehmungen 17 besitzt das - im Querschnitt geschwächte - Biegebauteil 16 eine hohe Elas ^¬ tizität und ein anisotrop-elastisches Formänderungsver ^¬ halten. Jedes Viergelenk 11, das heißt jede Gruppe von Ausnehmungen 17, wird durch in Querrichtung des Biegebau- teils 16 verlaufende Bohrungen 18 und Ausfräsungen 19

(erste und zweite Ausnehmungen) gebildet, die so angeord ^¬ net sind, dass durch die Erzeugung von Materialschwach ^¬ stellen elastische Biegegelenke oder elastische Film ^¬ scharniergelenke entstehen, die die Gelenkpunkte 6' ' des Viergelenks 11 darstellen. Durch nahe den waagerechten - oberen und unteren - Seitenflächen des Biegebauteils 16 verlaufende erste - äußere - Bohrungen 18.1 werden zwei äußere Gelenkpunkte 6'' des Viergelenks 11 gebildet. Zwei weitere - zweite - Bohrungen 18.2 sind nach innen ver- setzt zu den ersten Bohrungen 18.1 angeordnet und in

Längsrichtung versetzt zu den zweiten Bohrungen 18.2 sind dritte Bohrungen 18.3 angeordnet. Die ersten bis dritten Bohrungen 18.1 bis 18.3 sind über die Ausfräsungen 19 (schlitzartige Ausnehmungen) miteinander verbunden.

Schließlich sind in unmittelbarer Nähe der beiden dritten Bohrungen 18.3 vierte - innere - Bohrungen 18.4 zur Aus ^¬ bildung von inneren elastischen Biegegelenken bzw. inne ^¬ ren Gelenkpunkten 6'' angeordnet. Von den vierten Bohrun ^¬ gen 18.4 gehen zu den Außenseiten hin verlaufende Ausfrä ^¬ sungen 19 aus. Die inneren und äußeren Gelenkpunkte 6'' bilden ein Viergelenk 11 in Form eines gleichschenkligen symmetrischen Trapezes. Mehrere, in bestimmtem Abstand aufeinanderfolgend in das wechselseitig belastbare Biege ^¬ bauteil 16 integrierte Viergelenke 11 bilden ein Mehrge ^¬ lenkgetriebe, durch das eine der Krafteinleitungsrichtung entgegen gerichtete elastische Verformung, das heißt ein paradoxes Belastungs-Verformungs-Regime des Biegebauteils 16, realisiert werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf die zuvor dargestellten Aus- führungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen des Grundgedan ^¬ kens der Erfindung, wonach in einem einseitig oder wech ^¬ selseitig belastbaren Bauteil 2, 12, 16 in bestimmter Weise angeordnete erste und zweite Ausnehmungen zur Aus ^¬ bildung von unsymmetrisch oder symmetrisch trapezförmi- gen, integral in das Bauteil eingebundenen Viergelenken 5, 10, 11 bzw. Viergelenkgetrieben vorgesehen sind und dadurch ein der Krafteinleitungsrichtung entgegen gerich ^¬ tetes - anisotrop nachgiebig-elastisches - Verformungs ^¬ verhalten des Bauteils erreicht wird, sind verschiedene Modifikationen denkbar. Die Bauteile können mehrteilig - beispielsweise in Schalenbauweise - oder einstückig - beispielsweise als Balken, Leiste oder dgl . - ausgeführt sein. Entsprechend dem gewünschten Verformungsverhalten und in Abhängigkeit vom Bauteilmaterial und von der Form und Dimensionierung des Bauteils kann die Form und Größe der ersten und zweiten Ausnehmungen und der Abstand zwi- sehen diesen sowohl in ein und demselben Viergelenk als auch zwischen benachbarten Viergelenken variieren, um so ein variables anisotrop-elastisches, das heißt der Kraft ^¬ einleitungsrichtung entgegen gerichtetes paradoxes Ver ^¬ formungsverhalten zu realisieren.

Bezugszeichenliste

I Wasserfahrzeug

2 beid-/wechselseitig strömungsmittelbeauf- schlagtes Bauteil; Heckruder v. 1

3 Leit- und Steuerfläche, lastbeaufschlagte

Bauteilfläche

4 Kernleisten

5 Viergelenk, symmetrisch-trapezförmig

6 Gelenkpunkte v. 5, elastisches Biegege ^¬ lenk/Filmscharniergelenk

6' Gelenkpunkte v. 10, elastische Biege- oder

Filmscharniergelenk

6'' Gelenkpunkte v. 11, elastisches Biege- oder

Filmscharniergelenk

7 Seitenwangen v. 2

8 innere nutenförmige Ausnehmungen v. 7

9 äußere nutenförmige Ausnehmungen v. 7

10 unsymmetrisch trapezförmiges Viergelenk v. 12

II symmetrisch trapezförmiges Viergelenk v. 16

12 einstückiges Biegebauteil, einseitig belast ^¬ bar

13 Gruppe von Ausnehmungen v. 12 = Viergelenk 10 14 Bohrungen, erste Ausnehmungen v. 12

14.1 erste äußere Bohrung

14.2 zweite äußere Bohrung

14.3 dritte mittige Bohrung

14.3' dritte mittige Bohrung

15 Ausfräsungen, schlitzförmige zweite Ausneh ^¬ mungen v. 12

16 einstückiges Biegebauteil, wechselseitig be ^¬ lastbar

17 Gruppe von Ausnehmungen v. 16 = Viergelenk 11 18 Bohrungen, erste Ausnehmungen v. 16

18.1 erste (äußere) Bohrungen zweite (innere) Bohrungen

dritte (innere) Bohrungen

vierte (innere) Bohrungen

Ausfräsungen, schlitzförmige zweite Ausneh- mungen v. 16

zweite Ausnehmung v. 2