DE10358308B4

DE10358308B4 - Holhlkammerrohr

Info

Publication number: DE10358308B4
Application number: DE2003158308
Authority: DE
Inventors: Uwe Seidel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: DE10358308A1; WO2005057069A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hohlkammerrohr, welches als Leichtbaukörper doppel- oder auch mehrwandig ausgebildet ist und zwischen seinem Außen- und Innenmantel als Stützkonstruktion in Längsrichtung des Rohres rippenartige, gerade Verstrebungen nach der Art eines Fachwerkes enthält. Durch Biegesteifigkeit und Zerreißfestigkeit bei gleichzeitig geringem Eigengewicht ist das erfindungsgemäße Hohlkammerrohr insbesondere auch als Rahmenrohr für Fahrräder, Erzeugnisse der Kfz-, Luft- und Raumfahrttechnik geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hohlkammerrohr, das insbesondere anwendbar ist als Trägerrohr für Rahmenteile bei Fahrrädern, für Erzeugnisse der KfZ-, Luft- und Raumfahrttechnik sowie als Leitungsrohr zum Transport von flüssigen oder gasförmigen Stoffen. Es zeichnet sich vor allem durch sein geringes Gewicht und seine hervorragende Stabilität unter hohen mechanischen Belastungen aus. Hohlrohre, z. T. auch in mehrwandigen Ausführungen, sind allgemein bekannt und werden beispielsweise im Fahrzeugbau oder im Bauwesen, aber auch für die Anfertigung von Fahrradrahmen seit langem verwendet. Sie besitzen ein vergleichsweise geringes Eigengewicht und weisen zumeist eine große Widerstandsfähigkeit , wie hohe Festigkeit und Steifigkeit gegenüber mechanischen Belastungen auf. Trotzdem sind Metallrohre von geeigneter gleichmäßiger Wandstärke und vorzugsweise rundem oder ovalem Querschnitt, z. B. für Fahrradrahmen, noch immer zu schwer, um den von den Anwendern – hier den Sportgeräteherstellern – gestellten Forderungen an die Rohrstabilität bei vergleichsweise geringem Rohrgewicht ausreichend entsprechen zu können. Verringert man aber zur Gewichtsverminderung die Wanddicke des Rohres, kann oftmals die Bruchsicherheit und die Formstabilität bei den mitunter extremen Stoßbelastungen und anderen Krafteinwirkungen nicht mehr in ausreichendem Maße gewährleistet werden. Durch viele unterschiedliche Maßnahmen wurde deshalb mit mehr oder weniger großem Erfolg versucht, die mechanische Stabilität derartiger Rohrkonstruktionen günstig zu beeinflussen. So beschreibt die Patentschrift US 4513986 einen Rohrrahmen mit Längsrippen zur Versteifung und anderen strukturellen Elementen, um den auf das Zweirad einwirkenden unterschiedlichen Kräften wirksam begegnen zu können. Ebenso schlägt die Offenlegungsschrift DE 19755925 A1 Maßnahmen vor, bei denen zur Verbesserung der Zug- oder Druckbelastbarkeit sowie der Torsionssteifigkeit die Rohrwände ein spezielles Profil erhalten. Zur Gewichtsverminderung werden seit langem auch konifizierte Rohre eingesetzt, wie sie beispielsweise die Patentschrift US 5842712 beschreibt, wobei die Lösung zusätzlich noch eine Formveränderung des Rohrquerschnittes vornimmt. Jedoch lassen sich selbst mit diesen Maßnahmen Rahmenbrüche nicht gänzlich vermeiden, sofern diesem Mangel nicht durch erhöhte Rohrwandstärke mit den damit verbundenen Gewichtserhöhungen wieder entgegengewirkt wird. Die Offenlegungsschrift DE 19629740 A1 offenbart hierzu eine Lösungsvariante, bei der die Wandstärken entlang der Längserstreckung des Rohres den jeweils am Rohrkörper auftretenden mechanischen Belastungen entsprechend verschieden dimensioniert werden, wobei die Wandstärkenänderungen zwecks Vermeidung innerer Materialspannungen im wesentlichen im stetigen Übergang vorgenommen werden. Zusätzliche Versteifungen der Rahmenteile an hochbeanspruchten Rohrabschnitten, wie dem Tretlager, dem Lenkkopf oder der Sattelstütze sowie den Verbindungsstellen der einzelnen Rahmenelemente, sind auch Gegenstand der in der Offenlegungsschrift DE 10128796 A1 und der Gebrauchsmusterschrift DE 29604730 U1 beschriebenen Rahmenkonstruktionen für Zweiräder. Diese Maßnahmen sollen helfen, die dynamische Dauerfestigkeit entscheidend zu verbessern.

Als Rohrmaterialien sind heute wegen ihres geringen Gewichtes aber auch Leichtmetalle, wie Aluminium und Magnesium und deren Leichtmetalllegierungen, Titanlegierungen (Offenlegungsschrift DE 29604730 U1 ) oder mit Karbon- bzw. Glasfasern verstärkte Kunststoffe (Offenlegungsschrift DE 3782940 T2 und DE 19533111 A1 ) insbesondere für Fahrräder im Sportbike-Bereich, allgemein üblich. Und dennoch stellen die bislang gebräuchlichen Rohrkonstruktionen vor allem hinsichtlich ihres Eigengewichts, der hohen Materialpreise oder von deren mechanischer Belastbarkeit noch keine allgemein zufriedenstellende Lösung dar. Bekannt geworden sind weiterhin Ausführungen für Rohrleitungen auch in der Form von Doppelrohren für den Wärmetransport bzw. den Wärmeaustausch, bei denen, wie in DE 8631085 U1 beschrieben, vier diametral gegenüberliegende, das Außen– mit dem Innenrohr verbindende Stege die beiden Rohre gegenseitig abstützen. Ein derartiges Mehrfachrohr offenbart ferner die österreichische Patentschrift AT 363284 . Es soll sich durch eine hohe Stabilität und Wandsteifigkeit auszeichnen. Vor allem für Wärmerohrleitungssysteme konzipiert, ist es aber als Trägerelement unter Verwendung von Leichtmaterialien kaum geeignet.

Eine für die Verwendung als Strahlrohr vorgesehene Rohrausführung wurde nach DE 29920979 U1 bekannt, welche eine zwischen dem Innen- und dem Außenmantel eines Rohres mit vorzugsweise elliptischem Querschnitt angeordnete, wellenförmig ausgebildete Zwischenschicht zur Stabilisierung vorsieht. Aus statischen Gründen kann diese Rohrgestaltung jedoch nicht eine solche mechanische Stabilität gewährleisten, wie sie für die eingangs genannten Rahmenkonstruktionen erforderlich ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein mechanisch hoch belastbares Leichtbaurohr zu schaffen, das sich insbesondere für leichtgewichtige Fahrradrahmen eignet, und das auch bei vergleichsweise großer Krafteinwirkung eine hohe Steifigkeit und Bruchfestigkeit besitzt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Hohlkammerrohr nach Anspruch 1, bestehend aus einem doppel- oder mehrwandigen rohrförmigen Körper, dessen Außen- und Innenmantel im Rohrquerschnitt im wesentlichen die Gestalt eines regelmäßigen Vieleckes aufweist, wobei zwischen dem Außen- und Innenmantel als Stützkonstruktion in Rohrlängsrichtung rippenartige, gerade Verstrebungen vorgesehen sind, deren einander benachbart angeordnete Verstrebungen fachwerkartig so miteinander und mit der Außen- und Innenwand verbunden sind, dass diese im Rohrquerschnitt einen Ring, bspw. aus Dreiecken und/oder Trapezen zusammengesetzt, bilden und zusammen ein wandversteifendes räumliches Netzwerk ergeben.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von mehreren Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Hohlkammerrohr zeichnet sich durch eine verbesserte Wandsteifigkeit bei gleichzeitig hoher Bruchfestigkeit aus. Die Verwendung von fachwerkartig angeordneten, sich gegenseitig abstützenden Verstrebungen zwischen Innen- und Außenrohr gestaltet den Rohrkörper erheblich widerstandsfähiger gegen Biegung, Torsion und Knickung als vergleichbare massive Rohre gleicher Dimensionierung. Es zeichnet sich außerdem durch ein geringeres Eigengewicht aus, wobei sich noch zusätzliche Gewichtseinsparungen durch entsprechende geringere Dimensionierung der Rohrwandstärken erzielen lassen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert werden. Es zeigen
die 1 einen Rohrabschnitt für ein erfindungsgemäßes Hohlkammerrohr in Seitenansicht,
die 2 im Rohrquerschnitt das doppelwandige Hohlkammerrohr nach 1,
die 3 im Rohrquerschnitt eine weitere Ausgestaltung des Hohlkammerrohres gemäß der Erfindung in einer mehrwandigen Ausführung und
die 4 eine Montagekonfiguration, bei der die Rohrverbindung zweier Rohrstücke gemäß der Erfindung mittels Rohrmuffen erfolgt.
Ein Hohlkammerrohr 1 nach 1 besitzt eine rohrförmige Außenwand 2 und im Abstand dazu eine konzentrisch angeordnete Innenwand 3 von geringerem Durchmesser. Die Außen- und Innenwand haben im Querschnitt die Gestalt von regelmäßigen, zur Längsache 4 des Rohres rotationssymmetrisch angeordneten Vielecken. Im ringförmigen Rohrzwischenraum bilden in Rohrlängsrichtung gerade rippenartige Verstrebungen 5, 6 und 7 zusammen mit den Seitenflächen von Außen– und Innenwand ein die Rohrwand versteifendes räumliches Netzwerk, vergleichbar einem einfachen Fachwerk mit Horizontal-, Vertikal- und Diagonalverstrebungen, die bei Belastung auf Zug und Druck beansprucht werden. Benachbarte Verstrebungen sind untereinander und/oder mit den Seitenteilen des Rohrmantels so verbunden, dass der Rohrquerschnitt des Hohlkammerrohres einen Ring aus miteinander verknüpften Dreiecken 8 ergibt, wie in 2 dargestellt. Trotz der vergleichsweise geringen Wandstärke von Außen- und Innenwand des Hohlkammerrohres 1 ist dieses bei entsprechender Belastung wesentlich widerstandsfähiger und vor allem auch viel leichter als eine vergleichbare massive Konstruktion. Durch die Verwendung eines Leichtmetalls als Rohmaterial, wie Al 6061, wird eine weitere Gewichtsminderung erzielt. So sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei einem Hohlkammerrohr mit einem äußeren Durchmesser von 50 mm, einer Wandstärke von 0,4 mm und einer spezifischen Zerreißfestigkeit des Materials von 350 N/mm² bei einer äußeren Belastung von 500 N nur sehr geringfügige Formveränderungen (statische Verschiebungen) festzustellen. Durch die rotationssymmetrische, fachwerkartige Struktur im Zwischenraum des Rohrmantels kann zudem das Auftreten von lokalen Unstetigkeiten im Spannungszustand bei mechanischen Belastungen weitgehend ausgeglichen bzw. das Entstehen von schädlichen Spannungsmaxima vermieden werden.
Ein zusätzlich verbessertes Verhältnis von Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften im Verhältnis zum jeweiligen Eigengewicht des Rohres erreicht man mit der Ausführungsform für ein derartiges Hohlkammerrohr nach 3, bei dem sich das wandversteifende fachwerkartige System, gebildet von den rippenartigen geraden Verstrebungen und den Seitenflächen der beiden Rohrflächen, ein innenwandig sich anschließender, aus weiteren Verstrebungen bestehender ebenfalls konzentrischer Versteifungsring anschließt. Die Versteifungen werden von Verstrebungen gebildet, die, zusammengesetzt, in der Querschnittsansicht einen Innenring ergeben, der aus nebeneinanderliegenden trapezförmigen Gebilden 9 besteht. In dieser Ausführungsform ist das Rohr somit dreiwandig ausgelegt und besitzt auch im Verhältnis zum Gewicht des benötigten Rohrmaterials eine nochmals verbesserte mechanische Widerstandfähigkeit.
Die 4 zeigt eine mögliche Konfiguration für die Rohrmontage eines Zweiradrahmens 10 einer gebräuchlichen Ausführungsform. Der Zweiradrahmen besteht aus einem Oberrohr 11, einem Sitzrohr 12, einem Lenkrohr 13, einem Unterrohr 14 sowie einem Tretlager 15. Mit seiner typischen dreieckigen Ausführung besitzt der Rahmen eine Rohrmuffe 16, die auch eine Lageraufnahme für die Hinterrad-Schwinge aufweist. Anstelle der Rohrverbindungen durch Rohrmuffen sind aber auch andere Möglichkeiten für eine Verbindung von einzelnen Hohlkammerrohren miteinander denkbar, beispielsweise durch Verkleben, Verschweißen oder auch durch Ineinanderstecken.
Die hier beschriebenen möglichen Ausgestaltungen für das erfindungsgemäße Hohlkammerrohr können nur beispielhaft das Wesen der Erfindung aufzeigen. Die Erfindung soll sich deshalb keineswegs nur auf die genannten Ausführungsbeispiele beschränken. Es sind vielmehr im Rahmen des Schutzumfanges der Ansprüche durchaus weitere Lösungsvarianten für ein derartiges, vorzugsweise aus einem Leichtmetall bestehendes Hohlkammerrohr möglich.

Claims

Hohlkammerrohr, als hochbelastbarer Leichtbaukörper insbesondere als Rahmenrohr für Fahrräder und Erzeugnisse der KfZ-, Luft und Raumfahrttechnik, sowie als Leitungsrohr zum Transport von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen oder zur Wärmeleitung, gekennzeichnet durch einen doppel- oder auch mehrwandigen rohrförmigen Körper, dessen Außen– und Innenmantel im Rohrquerschnitt im wesentlichen die Gestalt eines regelmäßigen Vieleckes aufweist, wobei zwischen dem Innen- und Außenmantel als Stützkonstruktion in Rohrlängsrichtung rippenartige gerade Verstrebungen vorgesehen sind, deren einander benachbart angeordnete Verstrebungen fachwerkartig so miteinander und mit der Außen- und Innenwand verbunden sind, dass diese im Rohrquerschnitt einen Ring, der bspw. aus Dreiecken und/oder Trapezen zusammengesetzt ist, bilden und zusammen ein wandversteifendes Netzwerk ergeben.
Hohlkammerrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung besteht.
Hohlkammerrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper aus einem Kunststoff oder Kunststoffgemisch besteht, die zur Verstärkung Fasereinlagerungen aufweisen können.
Hohlkammerrohr nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper mit Verschleiß- oder Korrosionsschutzschichten beschichtet ist.
Hohlkammerrohr nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrmantel ein- oder mehrschichtig aufgebaut ist, wobei die Schichten aus unterschiedlichen Materialien bestehen können.
Verfahren zur Herstellung eines Hohlkammerrohres nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper vorzugsweise durch eine spanlose Formgebung, wie Kammerpressen, Kammerziehen, Ziehen oder Extrudieren hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Hohlkammerrohres nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper durch eine spanende Formgebung, wie z. B. durch Erodieren hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Hohlkammerrohres nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der rohrförmigen Körper miteinander durch Kleben, Löten, Schweißen, Stecken, Verhaken oder mittels weiterer Fügetechniken erfolgt.