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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen einer Kraft, insbesondere zum Tragen einer Last, mit zwei einander gegenüberliegenden, identisch gekrümmten Bogensegmenten, die durch zwei gleich lange gerade Schenkel miteinander verbunden sind, wobei die gekrümmten Bogensegmente und die geraden Schenkel an ihren Übergangsstellen durchgängig aus einem Material hergestellt sind, wobei eine Kraftein- und -ausleitung über zwei bolzenartige Strukturelemente erfolgt, welche eine an die zugeordneten Bogensegmente angepasste Außenkontur aufweisen und zum Übertragen der Kraft innerhalb der beiden Bogensegmente anzuordnen sind. Ferner betrifft die Erfindung ein bolzenartiges Strukturelement zur Kraftein- und -ausleitung in eine Vorrichtung der oben bezeichneten Art.
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Vorrichtungen zum Übertragen einer Kraft sind beispielsweise in Form von Tragschlaufen oder aus Kettengliedern gebildeten Ketten bekannt. Eine Vielzahl solcher Vorrichtungen wird beispielsweise zum Tragen großer Lasten verwendet. In der nachfolgenden Beschreibung wird vorwiegend auf Schlaufen zum Übertragen einer Kraft Bezug genommen. Dies erfolgt lediglich zur Vereinfachung der Beschreibung und ist nicht als einschränkend zu betrachten. Sämtliche Ausführungen lassen sich in entsprechender Weise auf Kettenglieder übertragen.
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Tragschlaufen (einfach: Schlaufen) bestehen in der Regel aus zwei halbkreisförmigen Segmenten, den sog. Schlaufenköpfen, und dazwischen liegenden geraden Bereichen. Ist die Schlaufe aus einem Verbundmaterial, beispielsweise in Harz getränkten (Kevlar)-Fasern, gebildet, so können die formstabilen Schlaufen ohne „Nahtstelle” einstückig ausgebildet sein. Formstabil bedeutet, dass die Schlaufen ohne Belastung und unabhängig von ihrer Orientierung (relativ zum Boden) die oben beschriebene Gestalt aufweisen. Eine Kraftein- und -ausleitung erfolgt über bolzenartige Strukturelemente, welche eine an die Halbkreisform der Schlaufenköpfe angepasste Außenkontur aufweisen und innerhalb der Schlaufenköpfe angeordnet sind, so dass die Strukturelemente gerade nicht mit den geraden Bereichen in Kontakt geraten. Über die Strukturelemente wird ein Radialdruck in die Schlaufenköpfe eingebracht. Der durch die Strukturelemente ausgeübte Radialdruck wird in den Schlaufenköpfen in Zugkräfte in Faserrichtung umgesetzt. Eine Kraftübertragung zwischen den beiden Schlaufenköpfen in den geraden Bereichen erfolgt durch eine Zugbelastung in Richtung der Fasern der Schlaufe.
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Der Axialzug, d. h. die Zugkraft in Faserrichtung, und der Radialdruck, d. h. die Kraftwirkung senkrecht zur Faserrichtung, bewirken in den Schlaufenköpfen eine Mischbelastung. Diese limitiert einerseits die durch eine Schlaufe maximal übertragbare Kraft, die bei Schlaufen aus einem Faserverbundwerkstoff durch die maximale Druckbelastbarkeit des Materials senkrecht zur Faserrichtung definiert ist. Andererseits führt die Mischbelastung zu einer starken Überhöhung der Materialspannungen im Bereich des Übergangs vom Schlaufenkopf zu den geraden Bereichen. Die sog. Spannungsüberhöhung bewirkt bekanntermaßen, dass die Schlaufen im Bereich der Übergangsstellen versagen. Die Übergangsstellen limitieren daher die maximale Tragfähigkeit der Schlaufe. Dies bewirkt eine nur teilweise Ausnutzung der Materialfestigkeit in den übrigen Bereichen, da insbesondere bei Schlaufen aus Faserverbundmaterial die Fasern umlaufend sein sollen und andererseits die schwächste Stelle die notwendige Geometrie und damit den notwendigen Materialeinsatz bestimmt.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau einer typischen bekannten Schlaufe, wie diese weiter oben beschrieben wurde. Die als Schlaufe ausgebildete Vorrichtung 10 zur Kraftübertragung umfasst zwei einander gegenüberliegende, jeweils halbkreisförmige Bogensegmente 11, 12. Die Bogensegmente 11, 12 sind durch zwei gleich lange gerade Schenkel 13, 14 der Länge L miteinander verbunden. Mit den Bezugszeichen 15, 16, 17, 18 sind die Übergangsstellen gekennzeichnet. Je nach verwendetem Material für die Schlaufe könnten die Bogensegmente 11, 12 mit den Schenkeln 13, 14 im Bereich der Übergangsstellen mechanisch, beispielsweise stoffschlüssig, miteinander verbunden sein. Ist die Schlaufe aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet, so sind die gekrümmten Bogensegmente 11, 12 und die geraden Schenkel an den Übergangsstellen 15, 16, 17, 18 durchgängig aus einem Material, d. h. in Harz getränkten Fasern, hergestellt. Die Übergangsstellen 15, 16, 17, 18 stellen damit lediglich für den Kraftschluss von den Bogensegmenten 11, 12 zu den geraden Schenkeln 13, 14 relevante Bereiche der Schlaufen dar.
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Die Kraftein- und -ausleitung erfolgt über zwei im Querschnitt dargestellte bolzenartige Strukturelemente 19, 20. Nachdem die Bogensegmente 11, 12 die Gestalt eines Halbkreises aufweisen, ist die Außenkontur 21, 22 der Strukturelemente 19, 20 ebenfalls halbkreisförmig ausgebildet, so dass die Außenkontur 21, 22 vollständig in Kontakt mit den Bogensegmenten 11, 12 gerät. Die Außenkontur 21, 22 der Strukturelemente 19, 20 ist somit derart, dass diese unmittelbar an die Übergangsstellen 15 und 18 bzw. 16 und 17 angrenzen, aber gerade keinen Kontakt mit den geraden Schenkeln 13, 14 aufweisen. Hierdurch ist eine definierte Kraftein- und -ausleitung gewährleistet. Gezeichnet ist nur der Bereich der Krafteinleitungselemente, der für die Krafteinleitung relevant ist. Die Bolzen können sich natürlich auch in den Bereich der geraden Segmenten 13 und 14 hinein erstrecken.
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Die Länge L der Schenkel 13, 14 kann prinzipiell beliebig gewählt werden. Mit dem Bezugszeichen R ist ein Radius der Bogensegmente 11, 12 gekennzeichnet. In der schematischen Darstellung ist der Radius der beiden Bogensegmente 11, 12 identisch. In der Praxis könnten die Radien der Bogensegmente auch unterschiedlich sein, wobei dann das Bogensegment mit dem kleineren Radius die Tragfähigkeit bestimmt. Die Bogensegmente 11, 12 und die Schenkel 13, 14 weisen über den gesamten Verlauf eine identische Dicke D auf.
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Im Falle von Schlaufen aus einem Faserverbundwerkstoff wird der Mischbelastung aus Axialzug und Radialdruck dadurch begegnet, dass die Schlaufen gemäß der benötigten zu übertragenden Kraft und der zulässigen Spannungen unter Berücksichtigung der Stellen höchster Belastungen dimensioniert werden. Dies führt jedoch dazu, dass die Schlaufengeometrie, d. h. die Dicke D der Abschnitte der Schlaufe sowie der Radius R der Bogensegmente, starken Einschränkungen unterliegt. Eine solche Schlaufengeometrie kann Anwendungen, bei denen hoch belastete Schlaufen zum Einsatz kommen müssen, jedoch entgegenlaufen. Dies ist beispielsweise bei der Aufhängung einer supraleitenden Erregerwicklung eines HTS-Generators mit warmem Polkern über eine Vielzahl an Schlaufen der Fall. Da über die Schlaufen bei dieser Anwendung in unerwünschter Weise ein Wärmetransport erfolgt, wäre es eigentlich zweckmäßig, die Dicke D (allgemein den Querschnitt) der Schlaufenabschnitte möglichst gering zu halten. Um die Spannungsüberhöhung an den Übergangsstellen ausfallsicher gestalten zu können, muss der Schlaufenquerschnitt jedoch erheblich größer gewählt werden, als es zur Übertragung der Kräfte im geraden Teil notwendig ist. Um die dadurch bedingte Erhöhung des Wärmeeintrages im Kaltteil auszugleichen, muss wiederum die Länge L der geraden Schenkel der Schlaufe entsprechend vergrößert werden. Dies wiederum ist aus geometrischen und elektromagnetischen Gründen teilweise nicht möglich und zumindest nicht wünschenswert.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Übertragen einer Kraft, insbesondere zum Tragen einer Last, anzugeben, bei welcher im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen und gleichen Querschnitten eine größere Kraft übertragen werden kann. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hierzu korrespondierendes Strukturelement zum Übertragen einer Kraft anzugeben.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Strukturelement gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Übertragen einer Kraft, insbesondere zum Tragen einer Last, mit zwei einander gegenüberliegenden, identisch gekrümmten Bogensegmenten, die durch zwei gleich lange Schenkel miteinander verbunden sind, wobei die gekrümmten Bogensegmente und die geraden Schenkel an ihren Übergangsstellen durchgängig aus einem Material hergestellt sind, wobei eine Kraftein- und -ausleitung über zwei bolzenartige Strukturelemente erfolgt, welche eine an die zugeordneten gekrümmten Bogensegmente angepasste Außenkontur aufweisen und zum Übertragen der Kraft innerhalb der beiden Bogensegmente anzuordnen sind. Erfindungsgemäß ist der Verlauf der Krümmung an den Übergangsstellen von den Schenkeln zu den Bogensegmenten und entlang der jeweiligen Bogensegmente stetig.
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Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die „Krümmung” von geraden Schenkeln und die Krümmung der Bogensegmente stetig ineinander übergehen. Diesem Vorgehen liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein nicht unerheblicher Teil der Spannungsüberhöhung am Übergang zwischen dem geraden Schenkel und dem gekrümmten durch den Segment daher kommt, dass an dieser Stelle die Krümmung der Vorrichtungsabschnitte unstetig verläuft. Die Krümmung springt von einem Wert 1/R, wobei R der Radius des Kreisbogens ist, in dem Bogensegment auf die Krümmung 0 in dem geraden Schenkel. Durch den stetigen Übergang der Krümmung zwischen geradem Schenkel und Bogensegment kann dieses Problem vermieden werden. Hierdurch wird die eingangs beschriebene Mischbelastung aus Radialdruck und Axialzug reduziert. Im Ergebnis kann die gleiche Kraft – im Vergleich zu einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik – mit einem geringeren Materialquerschnitt übertragen werden.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn der Verlauf der Krümmung an den Übergangsstellen von den Schenkeln stetig und linear ist.
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Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn darüber hinaus, oder alternativ der Verlauf der Krümmung entlang der jeweiligen Bogensegmente stetig und linear ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Übergang der Krümmung an den Übergangsstellen von den Schenkeln zu den Bogensegmenten durch eine Klothoide gebildet. Der Krümmungsverlauf einer Klothoide kann auf bekannte Weise errechnet werden, da Klothoiden aus dem Straßen- und Schienenbau bekannt sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Vorrichtung eine Schlaufe, insbesondere aus einem Faserverbundmaterial. Eine aus Faserverbundmaterial gefertigte Schlaufe weist schlechte Wärmeübertragungseigenschaften auf, so dass sich diese insbesondere zur Verwendung in Anwendungen eignet, bei denen warme und kalte Elemente miteinander verbunden werden sollen, wobei gleichzeitig ein möglichst minimaler Wärmeaustausch stattfinden soll. Andererseits weisen Schlaufen aus einem Faserverbundwerkstoff den Vorteil eines homogenen Materialverlaufs, insbesondere im Bereich der Übergangsstellen, auf, so dass eine hohe Kraftübertragung und Stabilität der Schlaufe gewährleistet ist.
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Alternativ kann die Vorrichtung ein Kettenglied, insbesondere aus einem Metall, sein. Auch das Kettenglied ist vorzugsweise durchgängig aus einem Material hergestellt, wobei dies beispielsweise durch einen Stanzvorgang oder ein Strangpressverfahren hergestellt werden kann.
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Die Erfindung schafft weiter ein bolzenartiges Strukturelement zur Kraftein- und -ausleitung in eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art. Das Strukturelement zeichnet sich dadurch aus, dass dieses eine an die zugeordneten gekrümmten Bogensegmente angepasste Außenkontur im Kontaktbereich aufweist, welche bei Verwendung in einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art mindestens bis an die Übergangsstellen ragt. Ein solchermaßen an die Vorrichtung zur Kraftübertragung angepasstes Strukturelement stellt sicher, dass die Kraft über die Strukturelemente optimiert – ohne einzelne Bereiche oder Stellen der Vorrichtung besonders zu beanspruchen – in die Vorrichtung zur Kraftübertragung ein- und ausgeleitet werden kann.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Krümmung der Außenkontur stetig. Ist der Übergang der Krümmung an den Übergangsstellen von den Schenkeln stetig und linear, so ist es zweckmäßig, wenn auch die Krümmung der Außenkontur (im Bereich der Übergangsstellen) stetig und linear ist. Insbesondere kann die Krümmung der Außenkontur durch eine Klothoide gebildet sein, wenn der entsprechende Übergang der Krümmung an den Übergangsstellen von den Schenkeln zu den Bogensegmenten ebenfalls durch eine Klothoide gebildet ist.
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Eine Mehrzahl an Vorrichtungen und Strukturelementen der oben beschriebenen Art kann insbesondere für die Aufhängung einer supraleitenden Erregerwicklung eines Generators mit warmem Polkern verwendet werden. Daneben eignet sich das erfindungsgemäße Befestigungssystem jedoch auch zur Aufhängung anderer Gegenstände. Insbesondere ist durch das erfindungsgemäße Vorgehen gegenüber dem Stand der Technik bei gleicher Kraftübertragung ein geringerer Bauraum notwendig.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine bereits beschriebene, schematische Darstellung einer als Schlaufe ausgebildeten Vorrichtung zur Kraftübertragung gemäß dem Stand der Technik, und
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2A und 2B schematische Darstellungen des Krümmungsverlaufs einer erfindungsgemäßen Schlaufe im Vergleich zu einer herkömmlichen Schlaufe gemäß dem Stand der Technik.
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Die 2A und 2B zeigen in einer schematischen Darstellung die Gestalt einer erfindungsgemäßen, als Schlaufe ausgebildeten Vorrichtung 10 zur Kraftübertragung (2A) im Vergleich zur Gestalt einer herkömmlichen Schlaufe (2B). Die Gestalt der in 2B gezeigten Schlaufe entspricht dabei der in 1 bereits beschriebenen Schlaufe. Der Übersichtlichkeit halber ist die Schlaufendicke in der gegenüber der auf die Strichdicke reduziert. In entsprechender Weise sind einander gegenüberliegende, identisch ausgebildete Bogensegmente 11, 12 halbkreisförmig ausgestaltet. Einander gegenüberliegende Enden der Bogensegmente 11, 12 sind mit geraden Schenkeln 13, 14 der Länge L verbunden. Die Übergangsstellen, d. h. diejenigen Stellen, an denen die Krümmung unstetig verläuft und von einem Wert 1/R im Bogensegment 11, 12 auf 0 in den Schenkeln 13, 14 verläuft, sind mit dem Bezugszeichen 15, 16, 17, 18 gekennzeichnet. R stellt dabei den Radius eines jeweiligen der Bogensegmente 11, 12 dar.
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2A zeigt die Gestalt einer erfindungsgemäßen Schlaufe. Für einen einfachen Vergleich weisen die die Bogensegmente 11, 12 miteinander verbindenden geraden Schenkel 13, 14 die gleiche Länge L wie die der Schlaufe gemäß 2B auf. Die einander gegenüberliegenden Bogensegmente 11, 12 sind nach Art einer Klothoide ausgebildet und weisen einen stetigen und linearen Übergang der Krümmung an den Übergangsstellen von den Schenkeln 13, 14 zu den Bogensegmenten und auch im weiteren Verlauf auf. Dies bedeutet, die Krümmung, die an den Übergangsstellen 15, 16, 17, 18 in den geraden Schenkeln 0 beträgt, geht stetig und linear in die Krümmung der jeweiligen Bogensegmente 11, 12 über.
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Alternativ zu der im Ausführungsbeispiel gezeigten Klothoiden-Kurve ist auch jede andere Kurvenform geeignet, die einen stetigen Übergang von den geraden Schenkeln zu den Bogensegmenten 11, 12 ermöglicht.
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Durch das vorgeschlagene Vorgehen kann die Spannungsüberhöhung an den Übergangsstellen 15, 16, 17, 18 reduziert werden. Der Querschnitt der erfindungsgemäßen Schlaufe kann hierdurch gegenüber der herkömmlichen Schlaufe in 2B verringert werden.
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Um die vorgeschriebene Kraft zuverlässig übertragen zu können, ist es notwendig, dass auch Strukturelemente 19, 20, welche eine Kraftein- und -ausleitung in die Schlaufe übernehmen, an den Krümmungsverlauf der Bogensegmente 11, 12 angepasst sind. Aus diesem Grund weisen die Strukturelemente 19, 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 eine an die Krümmung der Bogensegmente 11, 12 angepasste Außenkontur 21, 22 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Außenkontur der Strukturelemente 19, 20 damit ebenfalls Klothoidenförmig.
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Die Gestalt der Strukturelemente 19, 20 ist derart, dass diese vollständig an den Bogensegmenten 11, 12 anliegen, jedoch keinen Kontakt zu den geraden Schenkeln 13, 14 aufweisen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Strukturelemente 19, 20 die letzte Berührung im Bereich der Übergangsstellen 15, 16, 17, 18 zu der Schlaufe aufweisen. Dies ist jedoch nicht zwingend. Die Strukturelemente könnten ebenso auch Kontakt zu den Schenkeln 13, 14 aufweisen.
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Prinzipiell kann die Länge L einer erfindungsgemäßen Schlaufe beliebig gewählt werden. So ist es in einer extremen Ausgestaltung möglich, dass die Länge L sogar 0 beträgt. Soll die erfindungsgemäße Schlaufe jedoch zum Tragen einer Last eingesetzt werden, bei denen die gegenüberliegenden Strukturelemente mit einer warmen und mit einer kalten Umgebung in Kontakt sind, so kann ein Wärmeübertrag durch das Vorsehen einer bestimmten Schenkellänge L verringert werden. Das genaue Maß der Länge L kann rechnerisch oder in Versuchen ermittelt werden.
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Der Radius der gegenüberliegenden Bogensegmente 11, 12 ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft (aber auch bevorzugt) identisch. In der Praxis können die Radien der Bogensegmente auch unterschiedlich sein, wobei dann das Bogensegment mit dem kleineren Radius die Tragfähigkeit bestimmt.
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Der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Schlaufe liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Spannungsüberhöhung an den Übergangsstellen 15, 16, 17, 18 mit der Unstetigkeit des Krümmungsübergangs korreliert ist. Durch eine stetige Gestaltung dieses Überganges kann die Belastbarkeit nicht optimierter Schlaufen erheblich gesteigert werden. Bei optimierten Schlaufen ist eine entsprechende Reduzierung der Wandstärke möglich.
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Als Material für die Schlaufe ist es zweckmäßig, wenn ein Faserverbundmaterial zum Einsatz kommt. Bekanntermaßen sind bei diesem einzelne Fasern in einem Harz eingebettet. Hierdurch ergibt sich auch im Bereich der kritischen Übergangsstellen eine durchgängige Ausführung der Schlaufe ohne Fügestellen.