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Title:
FRAMEWORK WITH HOLLOW MEMBERS, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME AND ITS USE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1994/004766
Kind Code:
A1
Abstract:
A framework, in particular an at least partially hollow framework, has nodes and members. The nodes (14) are formed by at least a projection (30) on a hollow framework member (12) and by at least a further hollow member mounted and secured thereon. Also disclosed is a process for producing this framework and its use in land, air and water vehicles, in building construction, in civil and underground engineering, scaffolds, shelving systems and furniture.

Inventors:
KAEHLER KLAUS (DE)
KLAAS FRIEDRICH (DE)
BOEGEL HELMUT (DE)
Application Number:
PCT/DE1993/000725
Publication Date:
March 03, 1994
Filing Date:
August 12, 1993
Export Citation:
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Assignee:
SCHNEIDER GESENKSCHMIEDE (DE)
KAEHLER KLAUS (DE)
KLAAS FRIEDRICH (DE)
BOEGEL HELMUT (DE)
International Classes:
E04B1/58; B21C37/29; B21D39/04; B21D47/00; B29C67/00; B62D21/08; B62D23/00; B62D27/00; E04C3/08; F16S3/00; (IPC1-7): E04B1/58; B21C37/29; B21D47/00; B29C67/14
Domestic Patent References:
WO1987001978A11987-04-09
Foreign References:
US4051704A1977-10-04
FR1154610A1958-04-14
US2995781A1961-08-15
GB2095147A1982-09-29
Other References:
See also references of EP 0658232A1
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Claims:
Patentansprüche
1. Fachwerk, insbesondere mindestens teilweise hohles Fach¬ werk mit Knoten und Stäben, gekennzeichnet durch Knoten (14) die durch mindestens eine Erhebung (30) auf einem hohlen Fachwerksteil und mindestens ein darauf aufgestecktes und be¬ festigtes weiteres Hohlteil gebildet sind, wobei dessen Ein¬ zelkomponenten aus gleichen oder unterschiedlichen Materia¬ lien bestehen.
2. Fachwerk mit Knoten und Stäben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverlauf des Materials im Knoten (14) im wesentlichen parallel zu den Außenkonturen des Kno¬ ten/Stabteiles (12) verläuft.
3. Fachwerk mit Knoten und Stäben nach Anspruch 1 oder 2, da¬ durch gekennzeichnet, daß mindestens die Knoten (14) aufweisenden Teile (12) mehrere parallel zueinander verlau¬ fende, aufeinanderliegende Schichten gleicher oder unter¬ schiedlicher Materialien aufweisen, deren Faserverlauf paral¬ lel zueinander ist.
4. Fachwerk mit Knoten und Stäben nach einem der vorangehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien eine oder mehrere Schichten aus kaltverformbarem Material, wie einem Metall, aufweisen.
5. Fachwerk mit Knoten und Stäben nach einem der vorangehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Stahl be¬ steht und die Wanddicke zwischen 0,1 und 1,5 cm, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,5 cm beträgt.
6. Fachwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß es im wesentlichen aus Leichtmetall, Aluminium oder einer Legierung desselben, oder Magnesium oder einer Le¬ gierung desselben, besteht.ERSATZBLATT.
7. Fachwerk mit Knoten und Stäben nach einem der vorangehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es faserverstärkte Werkstoffe aufweist.
8. Fachwerk mit Knoten und Stäben nach einem der vorangehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es unterschiedli¬ che Längsschnitte und oder unterschiedliche Querschnitte auf¬ weist.
9. Fachwerk mit Knoten und Stäben nach einem der vorangehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hohlteil Vertiefungen aufweist.
10. Fachwerk mit Knoten und Stäben nach einem dem vorange¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hohlteil eingeformte Öffnungen aufweist.
11. Verfahren zur Herstellung von Fachwerken nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fachwerksknoten aus einem umformbaren Hohlmaterial durch ein Umformverfahren hergestellt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Umformverfahren ein Innenhochdruckumformverfahren ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Fachwerk-Knotenteils nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch: Vorlegen eines Hohlprofils, ggf. mit unterschiedlichen Durchmessern; Einlegen eines Hohlprofilabschnitts in eine Form mit einer Erweiterung im Umformbereich; Anlegen eines Innenhochdrucks an das Rohr, so daß die Rohrwand im Bereich der Formerweiterung erweitert wird; Herausnehmen des in umgeformten Hohlteils mit Knotenbereich mit Erweiterungen sowie ggf.ERSATZBLATT - Befestigen von Fachwerkstababschnitten auf den Erweiterungen.
14. Verwendung des Fachwerks nach einem der vorangehenden An¬ sprüche für Land- Luft- und Wasserfahrzeuge, Fahrrad-, Motor¬ rad- sowie Autorahmen, Hoch- und Tiefbau, Gerüste, RegalSy¬ steme, Möbel.ERSATZBLATT.
Description:
Fachwerk mit Hohlteilen. Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung.

Die Erfindung betrifft Fachwerke mit Hohlteilen aus Knoten und Stäben, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwen¬ dung.

Fachwerke sind für die verschiedensten Anwendungsgebiete be¬ kannt - so für Bauwerke, insbesondere Brücken oder auch Häu¬ ser - als stützende und tragende Elemente oder auch für den Bau von Luft - Land- und Wasserfahrzeugen, Regalsysteme u. dgl.

Sie haben unter anderem den Vorteil, eine leichte aber den¬ noch gegenüber Belastungen widerstandsfähige Bauweise zu er¬ möglichen.

Bei Kraftfahrzeugen, insbesondere dem alten "Flügeltür- erce- des-SL" wurden schon Gitterrohrrahmen eingesetzt, um eine be¬ sonders leichte, widerstandsfähige und torsionssteife Bau¬ weise zu ermöglichen. Auch bei Flugzeugen, bei denen Ge¬ wichtsersparnis ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Kon¬ struktion ist, wurde häufig eine Fachwerkbauweise eingesetzt.

Die bekannten Fachwerke waren insofern noch verbesserungsfä¬ hig, als in den Knoten des Fachwerks Schwachstellen beim An¬ fügen der Fachwerkskomponenten auftreten konnten. Üblicher¬ weise wurden dort die Einzelteile des Fachwerks übereinander oder stumpf aneinander befestigt, bspw. geschweißt. An den Schweißnähten, Klebestellen od. dgl. und auch an den Enden der zu verbindenden Hohlteile traten leicht Korrosionen auf - ein Korrosionsschutz war dort nur äußerst schwierig und häu¬ fig nicht zufriedenstellend anzubringen.

Diese Schweißstellen oder Befestigungsstellen von Querteilen am Längsteil waren stets Punkte der Schwächung und führten

ERSATZBLATT

außerdem dazu, daß ein aufwendiger Arbeitsvorgang bei der Herstellung notwendig war.

Ferner war es nachteilig, daß aufgrund des Erfordernisses der Befestigung weiterer Querhohlteile am Längshohlteil relativ hohe Wandstärken für die Hohlteile für die Herstellung einer zufriedenstellenden Verbindung verwendet werden mußten, die zu unerwünscht hohen Gewichten dieses Teils führten.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, Fachwerke sowie Einzelkomponenten für diese herzustellen, die gegenüber be¬ kannten Einzelkomponenten leichter verarbeitbar und gegenüber Korrosion beständiger sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Fachwerk, insbe¬ sondere mindestens teilweise hohlem Fachwerk mit Knoten und Stäben, durch Knoten gelöst, die durch mindestens eine Erhe¬ bung auf einem hohlen Fachwerkteil und mindestens ein darauf aufgestecktes und befestigtes weiteres Hohlteil gebildet sind.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Faserverlauf des Materials im Knoten im wesentlichen parallel zu den Außenkonturen des Hohlteils verläuft.

Es kann günstig sein, daß mindestens die Knoten aufweisenden Fachwerkteile mehrere parallel zueinander verlaufende, auf- einanderliegende Schichten gleicher oder unterschiedlicher Materialien aufweisen, deren Faserverlauf parallel zueinander ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen mindestens die Knoten/Stabteile aus Stahl mit einer Wanddicke zwischen 0,1 und 1,5 cm, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,5 cm.

ERSATZBLATT

Insbesondere zur Gewichtsersparnis kann das Fachwerk im we¬ sentlichen aus Leichtmetall bestehen.

Bspw. kann das Leichmetall Aluminium oder eine Legierung des¬ selben sein, womit auch eine günstige Korrosionsfestigkeit verbunden sein kann.

Es ist möglich und in vielen Anwendungsfällen erwünscht, daß das Fachwerk faserverstärkte Werkstoffe aufweist, die bei leichtem Gewicht eine hohe mechanische Belastbarkeit aufwei¬ sen.

Das Fachwerk mit Knoten und Stäben weist unterschiedliche Längsschnitte und auch unterschiedliche Querschnitte auf.

Es kann vorteilhaft sein, daß die Einzelkomponenten des Fach¬ werks aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

Es kann günstig sein, daß mindestens ein Hohlteil Vertiefun¬ gen und/oder eingeformte Öffnungen aufweist.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung von Fachwerken nach einem der vorangehenden Ansprüche besteht darin, daß die Fachwerksknoten aus einem umformbaren Hohlmaterial durch ein Umformverfahren hergestellt werden.

Bevorzugt ist das Umformverfahren ein Innenhochdruckumform- verfahren.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein Fachwerk-Knotenteils weist folgende Schritte auf:

Vorlegen eines Hohlprofils, ggf. mit unterschiedlichen Durch¬ messern;

ERSATZBLATT

Einlegen eines Hohlprofilabschnitts in eine Form mit einer Erweiterung im Umformbereich;

Anlegen eines Innenhochdrucks an das Rohr, so daß die Rohr¬ wand im Bereich der Formerweiterung erweitert wird;

Herausnehmen des in umgeformten Hohlteilε mit Knotenbereich mit Erweiterungen sowie ggf.

Befestigen von Fachwerkstabteilen auf den Erweiterungen.

Unter Innenhochdruckverfahren oder auch IHV-Verfahren wird hier das Verfahren verstanden, das beispielsweise im Indu¬ strieanzeiger Nr. 20 vom 9.3.1984 beschrieben worden ist oder auch in "Metallumformtechnik", Ausgabe 1D/91, Seite 15 ff: A. Ebbinghaus: Präzisionswerkstücke in Leichtbauweise, herge¬ stellt durch Innenhochdruckumformen" oder auch Werkstoff und Betrieb 123 (1990), 3, Seite 241 bis 243: A. Ebbinghaus: "Wirtschaftliches Konstruieren mit innenhochdruckumgeformten Präzisionswerkstücken" oder auch "Werkstoff und Betrieb 122, (1991), 11, (1989), Seite 933 bis 938. Nachfolgend wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf deren Offenbarung in vollem Umfang Bezug genommen. Dieses Verfahren wurde bisher für die Herstellung von Flanschen bzw. zur Herstellung von gebauten Nockenwellen zur Befestigung von Nocken an einem Rohr zur Herstellung von hohlen Nockenwellen eingesetzt.

überraschenderweise läßt sich durch dieses Innenhochdruckver¬ fahren nun ein völlig neues Fachwerkteil, bei dem der Knoten oder die "Kreuzung" bereits einstückig angeformt sind und der Faserverlauf im Bereich der Kreuzung sowie der Wände im we¬ sentlichen parallel zur Außenkontur verläuft, ohne daß Aus¬ knickungen oder andere Schwächungen vorliegen, bilden. Das erfindungsgemäße Fachwerk kann demzufolge aufgrund der hohen Wandfestigkeit durch den günstigen Faserverlauf in leichterer Form als bisher ausgebildet werden und ermöglicht dadurch

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eine erhebliche Gewichtsersparnis. Es ist auch möglich, lami¬ nierte Werkstoffe einzusetzen, sofern sich diese gemeinsam umformen lassen. Laminate können durch geeignete Materialaus¬ wahl leichter sein als Vollmaterialien und haben noch dazu den Vorteil, vibrationsdämpfend zu wirken, sodaß ein derarti¬ ges Teil noch dazu günstige Schwingungsdämpfungseigenschaften besitzt - also Verbindungsstellen weniger durch Schwingungen belastet werden.

Es kann auch ein mehrschichtiges Metallrohr als Ausgangsteil, je nach den Anforderungen an das Material, gewählt werden. Dabei haben mehrschichtige Ausgestaltungen den Vorteil unter¬ schiedlicher Beanspruchbarkeit der Oberflächen des Hohlteils und auch den Vorteil, Schwingungen aller Art schlechter zu leiten, was das Vibrationsverhalten des Hohlteils im Einsatz entscheidend verbessert.

Vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen Fachwerks sind Land- Luft- und Wasserfahrzeuge, Fahrrad-, Motorrad- so¬ wie Autorahmen, Hoch- und Tiefbau, Gerüste, RegalSysteme, Mö¬ bel.

Dadurch, daß erfindungsgemäß weitestgehend abgeschlossene Hohlteile zur Herstellung des Fachwerks eingesetzt werden, ist es möglich, in den Bereichen der Knoten des Fachwerks einfachste Anbindung von weiteren Fachwerksteilen zu ermögli¬ chen. Im Bereich der Überlappung einer Erhebung eines Hohl¬ teils mit dem Endabschnitt eines weiteren Hohlteilε des Fach¬ werks kann die Verbindung durch Anschweißen, Ankleben, Annie¬ ten, Schrauben, sowie andere geeignete, dem Fachmann geläu¬ fige Befestigungsverfahren hergestellt werden, wobei auch lösbare Verbindungen, wie sie beispielsweise für Gerüste er¬ wünscht sind, durch Durchschrauben od. dgl. hergestellt wer¬ den können.

Dadurch, daß ein Innenhochdruckumformverfahren eingesetzt wird, ist es möglich, bereits in einem Formvorgang Erhebungen

ERSATZBLATT

und Vertiefungen, Öffnungen u. dgl. am Hohlteil herzustellen. Dadurch ist es möglich, Nachbehandlungsschritte zu reduzie¬ ren.

Als Hohlteile können dabei unterschiedlichste Hohlprofile nämlich Reckteckprofile, Winkelprofile, Rohre, etc. einge¬ setzt werden.

Es wird somit ein Teil mit einem gegenüber bisherigen Teilen geringerem Gewicht bei gleicher Belastbarkeit oder auch höhe¬ rer Belastbarkeit bei gleichem Gewicht geschaffen; das noch dazu mit hoher Produktionsgenauigkeit bei verminderter Aus- εchußguote hergestellt werden kann.

Das erfindungsgemäße Hohlteil kann bevorzugt nach dem Innen- hochdruckverfahren hergestellt werden.

überraschenderweiεe läßt εich durch dieses Innenhochdruckver- fahren nun ein völlig neuer Fachwerkteil, bei dem der Knoten des Fachwerks bereits einstückig angeformt ist und der Faser¬ verlauf im Bereich der Kreuzung sowie der Wände im wesentli¬ chen parallel zur Außenkontur verläuft, ohne daß Ausknickun¬ gen oder andere Schwächungen vorliegen, bilden. Das erfin¬ dungsgemäße Fachwerk kann demzufolge aufgrund der hohen Wandfestigkeit durch den günstigen Faserverlauf in leichterer Form als bisher ausgebildet werden und ermöglicht dadurch ine erhebliche Gewichtsersparnis. Es ist auch möglich, laminierte Werkstoffe einzusetzen, sofern sich diese gemeinsam umformen lassen. Laminate haben noch dazu den Vorteil, Vibrationsdämp- fend zu wirken, sodaß ein derartiges Teil noch günstige Schwingungsdämpfungseigenschaften besitzt.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Hohlteils erfolgt wie folgt: Es wird ein Rohrteil mit unterschiedlichen Durchmes¬ sern hergestellt, (bspw. durch Rundkneten) wobei nachfolgend der Knotenbereich unter Innendruck gegen eine Außenform ge-

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drückt wird, um ein Kreuzteil mit zwei geschlossenen Enden zu erhalten.

Es ist erwünscht, während des Umformens Material in Richtung Kreuzungsteil in Richtung der Rohrlängsachse nachzuführen, um das Entstehen von Materialausdünnungen im Kreuzungsbereich zu vermeiden.

Nachfolgend soll die Erfindung näher anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert werden, in der

Figur 1: Ausschnitt eines Fachwerks schematisch in perspek¬ tivischer Darstellung;

Fig. 2: das hohle Fachwerk aus Vollmaterial mit mehreren Kno¬ tenbereichen im Längsschnitt;

Fig. 3. einen Teil des hohlen Fachwerks aus Laminat mit einem Knotenbereich im Längsschnitt;

Figur 4: einen innenhochdruckumgefor ten Knoten aus Vollmate¬ rial im Detail;

Fig. 5: einen Querschnitt durch einen Knotenbereich eines Rechteckprofil-Hohlteils;

Fig. 6: einen Querschnitt durch den Knotenbereich eines run¬ den Rohres als Hohlteil; und

Fig. 7: einen Querschnitt durch den Knotenbereich eines Mehr¬ kantrohres.

Wie aus Fig. 1, die einen Ausschnitt aus einem Fachwerk gemäß der Erfindung zeigt, ersichtlich, besteht das Fachwerk aus Knoten/Stabteilen 12 und weiteren Knoten/Stabteilen 12 oder Stabteilen 18. Auf den Knoten-Stabteilen 12 sind im Knotenbe-

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reich 14 Erhebungen 30 ausgeformt, auf die bspw. Stabteile 18, aber auch Knoten/Stabteile 12 aufgesteckt werden können, die sodann lösbar oder unlösbar mit der Erhebung 30 verbunden werden können.

Wie in Fig. 2 gezeigt, können die Knoten sich je nach Erfor¬ dernis räumlich erstrecken, sodaß ein dreidimensionales Fach¬ werkgerüst mit hoher Haltbarkeit erzielt werden kann.

Es ist zu beachten, daß in die durch das Umformverfahren her¬ gestellten Fachwerkteile Soll-Stauchstellen durch gezielt eingeformte Rillen ausgebildet werden können - bspw. um bei Fahrzeugen im Falle eines Unfalls durch gezielte Verformung Energie aufzunehmen - oder auch Verεtärkungsprofile eingear¬ beitet werden können - bspw. durch das Ausformen von Längs- rippen (Fahrgastzelle)..

Dabei können die Hohlprofile des Fachwerkes unterschiedliche Durchmesser über ihre Längserstreckung besitzen, sowie unter¬ schiedliche Querschnitte.

In Fig. 3 ist detailliert im Längsschnitt die Ausbildung ei¬ nes Knotens gezeigt. Hier wurde eine Ausführungsform gewählt, bei der ein aus mehreren Schichten bestehendes Kno¬ ten/Stabteil 12 mit einem aus nur einem Material bestehenden Stabteil kombiniert wurde - bspw. kann dies Teil eines lei¬ terartigen Teils mit Laminat-Längsholmen sowie Trittstufen aus einem anderen Material sein.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Verbindung zwischen Knoten/Stabteil 12 und Stabteil 18 im Schnitt gezeigt, bei der beide Teile aus einem einschichtigen Material bestehen.

In beiden Fällen ist die Befestigung der Stabteile 18 oder auch weiterer Knoten/Stabteile 12 am Knoten/Stabteil 12 nur schematisch dargestellt und kann in der Praxis durch Ankle-

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ben. Anschweißen oder auch Anschrauben, Annieten od. dgl. er¬ folgen.

Als Hohlprofile können unterschiedlichste Formen eingesetzt werden, wie aus den Fig. 5 - 7 ersichtlich.

Je nach Anwendungsform kann es sinnvoll sein, ein Rechteck¬ profil 22 mit einer Erhebung 30 auszubilden. Genauso ist es möglich, ein rundes oder ovales Profil 24 mit einer Erhebung 30 zum Verbinden mit einem Stabteil auszubil¬ den, wie aus Fig. 6 zu sehen. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, können derartige Erhebungen zur Vereinfachung der Befestigung von Stäben am Knoten auch an rechtwinkligen Hohlprofilen 26 ausgebildet sein.

Dabei können die Hohlprofile sowohl aus einem einzigen Mate¬ rial, bspw. Stahl oder eine Leichtmetallegierung, bestehen, es ist aber je nach Einsatzverfahren auch möglich, Laminatma¬ terial, auch kunststoffbeschichtete oder überzogene Rohre um¬ zuformen, je nach Anwendungszweck.

Durch das Vorsehen entsprechender Schichten ist es möglich, korrosionsbeständigkeit oder auch Farbgebung zu erreichen, ohne daß weitere Arbeitsschritte notwendig sind.

Wie bekannt, kann durch das Innenhochdruckverfahren der Kno¬ tenbereich sozusagen aus dem Hohlteilvorläuferläufer "herausgedrückt" werden, so daß mehrere Erhebungen 30 am Hohlteil entstehen, wie in den Figuren gezeigt. Es ist mög¬ lich, durch Nachführen von Material entlang der Rohrlängsach- sen während des Umformens, bspw. durch bewegliche Formele¬ mente, eine im wesentlichen gleichbleibende Wandstärke zu er¬ zielen, so daß Schwächungen der Wandstärke durch die Anfor- mung derartiger Erhebungen zumindest teilweise ausgeglichen werden können, so daß eine Anformung des Kreuzungsbereiches ohne Schwächung erfolgt. Aufgrund des günstigen Faserverlaufs

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ist dieses Teil leicht und weist keine Schweißstellen oder dergleichen im Kreuzungsbereich auf.

Somit wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung insbesondere des Knotenbereichs eines Fachwerks ein widerstandsfähigeres, leichteres Fachwerk als bisher möglich, geschaffen.

Weitere Ausgestaltungen und Fortentwicklungen sind im Rahmen des Schutzumfangs der Ansprüche dem Fachmann offensichtlich und der Schutzumfang ist keineswegs auf die hier beispielhaft aufgeführten Ausführungsformen begrenzt, die lediglich zur Erläuterung dienen sollen.

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