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Verfahren zur Herstellung von sich konisch verjüngenden Rohrstücken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von sich konisch verjüngenden Rohrstücken, die durch Über-bzw. Ineinaderstecken einen Rohrmast bilden und aus durch Längsnähte verbundenen, ein oder mehrteiligen gewölbten Metallblechen bestehen. Der gebildete Rohrmast ist zum Tragen von elektri- schen Leitungen, Antennen, Beleuchtungskörpern, Fahnen usw. geeignet.
Verschiedene solcher Bauarten sind bekannt, Autogen- oder Elektro-Schweissung sind angewandt wor- den. Sie eignen sich aber nur für Stehbleche niedriger Festigkeit, welche demzufolge schwere Maste ergeben und ausserdem einen kostspieligen Korrosionsschutz benötigen. Feuerverzinkung hat sich als un- erlässlich erwiesen. Schweissen von korrosionsbeständigenAluminiumblechen ist äusserst schwierig, kostspie- lig und ausserdem praktisch nur in Blechdicken von minimum zirka 3 bis maximum zirka 5 mm möglich.
Dies begrenzt die Mastendimensionen und bedeutet auch dann meist eine Materialvergeudung in einer bestimmten Mastpartie.
Ein anderes bekanntes System vermeidet die Schweissung, verwendet aber aus beiden zu verbinden- den Teilen herausgestanzte Zungen, wobei die beiden gegenüberliegenden Zungen miteinander verschränkt werden. Diese Verbindung hat den Nachteil, relativ schwach zu sein und an den Einsteckenden leicht herauszuspringen, insbesondere aber ist das Einfädeln von zwei gegenüberliegenden Zungen bei den vorkommenden Rohrsegmentlängen von 2-4 m eine äusserst delikate, die Zungen häufig beschädigende und mit ökonomisch untragbaren Arbeitsstunden verbundene Operation. Die praktische Anwendung ist dann auch wegen dieser Schwierigkeiten und der hohen Kosten eingestellt worden.
Auch die gewöhnliche Nietung kann angewendet werden, aber bei den Einsteckenden muss beidseitig versenkt genietet werden, und in der dazwischenliegenden Partie, wegen ihrer Unzugänglichkeit, sind die im Flugzeugbau angewendeten Spezial-Blindnietverfahren erforderlich, wodurch wiederum die Kosten auf eine für den Verwendungszweck nicht erträgliche Höhe steigen.
Abgesehen von den Schwierigkeiten der Verbindungsnaht, werden die (aus Materialersparnisgründen) möglichst kurz gewählten Einsteckpartien bei Biegungsbelastung des Mastes in tangentialer Richtung sehr stark belastet und führen leicht zu Knickungen und Nahtbrüchen.
Sämtliche oben angeführten Nachteile werden durch das erfindungsgemässe Verfahren vermieden.
Das Verfahren besteht darin, dass in jeder der einzelnen Längsnähte in die eine der teilhabenden Blechpartien ausschliesslich nur Löcher gestanzt und in der zweiten dazugehörigen Blechpartie ausschliesslich nur und aus dem Material derselben bestehende Nietschäfte herausgestanzt und hochgestellt werden, worauf diese Schäfte der einen Blechpartie in die entsprechenden Löcher der andern Blechpartie eingeführt und vernietet werden.
Die hochgestellten Nietschaftzungen werden hohl zurückgefalzt, wonach beim Vernieten die gefalzten Zungen sich durch die hohle Form nach beiden Seiten ausbreiten und entsprechende Riegelköpfe bilden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Fig. 1 zeigt den Längsschnitt eines gewöhnlichen konischen Segment-Rohrmastei-. mitVerriegelung. Fig. 2 stellt den Längsschnitt eines mehrschichtigen, ebenfalls konischen Segment-Rohrmastes mit progressiver Zunahme der Schichtenzahl von der Spitze zum Fuss dar. Fig. 3 stellt den Längsschnitt eines mehrschichtigen Segmentrohres mit konstantem Durchmesser dar. Fig. 4 stellt den Querschnitt eines einteiligen Rohrsegmentes mit einer einzigen Naht dar. Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines Rohrsegmentes in zweiteiliger, d. h. aus zwei Halbschalen bestehenden Bauart mit zwei Nähten. Fig. 6 stellt das Äquivalent zu Fig. 4 in vieleckigem anstatt
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rundem Querschnitt dar.
Fig. 7 ist das Äquivalent zu Fig. 5 in 12-eckigem Querschnitt mit zwei Nähten.
Fig. 8 zeigt den Querschnitt, wie zwei runde, aufeinander folgende Segmente ineinander gezogen wer- den. Fig. 9 ist das Äquivalent von zwei aufeinander folgenden sechseckigen Segmenten. Fig. 10,11,
12 und 13 stellen die Elemente der Nahtverbindung, einzeln, im Schnitt und in der Ansicht, dann zu- sammengesteckt und zum Schluss vernietet dar. Fig. 14 zeigt Beispiele der verschiedenen Anordnung- möglichkeiten der Nietschäfte entlang der Überlappungsnaht. Fig. 15 und 16 zeigen im Querschnitt die
T-Riegelnaht, zusammengesteckt und vernietet. Fig. 17 und 18 zeigen eine Spezialausführung der Niet- verbindung mit yersenktem Nietkopf. Fig. 19 und 20 zeigen den Querschnitt der Nietverbindung mittels separatem Nahtstreifen. Fig. 21 stellt verschiedene Rohrsegmente in gemischter Bauweise dar, d. h.
Ein- steckzonen punktgeschweisst und Mittelpartien genietet. Fig. 22 stellt die Zusammensetzung eines einsei- tig sich verjüngenden Segmentmastes dar, wobei je eine Zone (von oben nach unten) in einfacher, zwei- facher und dreifacher Schicht ausgeführt ist.
Die in der Fig. 1 gezeigte normale Bauart eines Rohrmastes besteht darin, dass die einzelnen koni- schen Segmente 1,2 und 3 ineinander gesteckt und in den Einsteckzonen oder Überlappungszonen 4 fest miteinander verbunden werden. Der Mast kann sich entweder einseitig oder nach beiden Enden zu vef- jungen.
Da insbesondere bei hohen Masten die Biegemomente äusserst progressiv zunehmen, würde dies anorma- le Blechdicken erfordern, die nicht mehr durch so einfache Mittel verbunden werden können. Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung, bei welcher auch bei der Anwendung von relativ dünnen und leicht zu verarbei- tenden Blechen durch Übereinanderstecken mehrerer Segmente am Fusse die notwendige Biegefestigkeit zu erzielen ist. Die einzelnen kegelsegmentförmigen Elemente werden mehrfach und mit der gesamten
Länge über- bzw. ineinandergesteckt, so dass an jedem beliebigen Querschnitt mindestens zwei übereinan- derliegende Schichten vorhanden sind.
Zwecks Vermeidung von Materialverlust wird zweckmässigerweise die Schichtenzahl gegen die Spitze zu progressiv verringert was jeweils erlaubt, nur mit dem absolut not- wendigen Material auszukommen und ausserdem bei Belastungen eine konstant verteilte Durchbiegung zu erzielen. Dies vermeidet die Konzentration der bei der Belastung auftretenden Verformung auf eine kleine Zone wie dies bei den einschichtigen Masten auftritt und verhindert somit die typischen Ermüdungsbrüche. Bei der mehrschichtigen Ausführung muss jeweils zwischen dem innersten und äussersten Seg- ment eine genügende Überlappungszone 5 bestehen, um innerhalb ihrer Zone die jeweils gewählte Schichtenzahl voll zum Einsatz zu bringen bzw. Bruchstellen zu eliminieren, wie sie ohne die genannte Überlappung unvermeidlich wären.
Dabei fällt noch ins Gewicht, dass die Mehrzahl von Lagen bei stärkerer Durchbiegung des Mastes Reibung unter sich erzeugen, was Schwingungen weitgehend dämpft und verhindert. Effektiv haben Masten solcher Bauart eine Sturmfestigkeit bewiesen, die von der Einschalenbauweise bei weitem nicht erreicht wird. Diese Bauart erlaubt, überaus schlanke Masten mit erstaunlichen Festigkeitseigenschaften herzustellen.
Ein Rohrmast nach dieser Mehrschichtenbauart mit konstantem Durchmesser ist in der Fig. 3 dargestellt. Der Mast eignet sich besonders für Stützelemente und solche Konstruktionselemente, wo en konstantes Widerstandmoment erforderlich ist. Auch hier sind Überlappungen 6 vorhanden, die mehrschichtig ausgeführt sind.
Die Segmente können je nach Durchmesser, Blechdicke usw. aus einem einzigen Blech 8 (Fig. 4) oder aber auch aus zwei Schalen 9,10 (Fig. 5) oder mehreren Schalen gebaut werden. Die Überlappungsund Stossstellen werden dabei so ausgewählt, dass sie beim Ineinanderstecken der Segmente 11,12 (Fig. 8) in den Überlappungen so entsprechen, dass Zwischenräume vermieden werden und gleichzeitig eine zusätzliche Torsionssicherung entsteht.
Die erwähnten Segmente oder Segmentschalen können wegen ihrer Konizität nicht oder nur sehr schwierig gerollt werden. Die Wölbung muss daher vermittelsAbkantpressen durch das Durchbiegen kleiner d. h. schmaler Zonen in der Längsrichtung geschehen wobei der Konizität Rechnung getragen werden'kann. Dies erfordert eine Operation mit jeweiliger Neueinstellung des Bleches für je zirka 2 cm Umfang, was das Wölben zeitraubend und somit kostspielig gestaltet. Dieser Nachteil word vermieden, indem die Schalen nicht rund, sondern im Querschnitt vieleckig gewählt werden, gewöhnlich 6-12-eckig. Dies erlaubt, die Wölbung mit einem kleinen Bruchteil der Zeit und Kosten zu erzielen und tut der Festigkeit !"praktisch keinen Abbruch.
Auch die Nietverbindung der Überlappungsnähte ist leichter ausführbar, da nicht mehr eine runde, sondern eine ebene Auflagebasis verwendet werden kann.
Das Nietverfahren selbst besteht darin, dass (Fig. 10-13) in den einen Blechrand 16 Löcher 17 eingestanzt werden, während-, den zweiten Blechrand 15 der Naht Nietschäfte 18 herausgestanzt und hochgestellt werden. Die Nietschäfte 18 werden dann in die Löcher 17 eingeführt (Fig. 12) und daraufhin vernietet, wobei die Nietköpfe 19 (Fig. 13) die Verbindung herstellen. Je nach der Art des verwendeten Ma-
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terials, meist Aluminiumlegierungen, aber auch Stahl, werden die Nietschäfte entweder ungefähr quadra- tisch oder länglich ausgeführt. Ähnlich wie bei den gewöhnlichen Nietungen kann die Anordnung der Nie- tung ein- zwei- oder mehrreihig, parallel oder gestaffelt durchgeführt werden. Fig. 14 zeigt einige der
Möglichkeiten in bezug auf die Anordnung der Nietlöcher bzw.
Nietschäfte, welche je nach Erfordernis gewählt werden.
Obige Art der Vernietung lässt sich, wie praktische Versuche erwiesen haben, leit bei Blechstärken von 2-6 mm in Aluminiumlegierung durchführen, wobei sowohl die beschriebene Art, als die in Fig. 17,
18 dargestellte, besondere, versenkte Ausführung angewendet werden kann, wo der Nietkopf 20 flach mit der Blechoberfläche verläuft.
Bei dünneren Blechen, beispielsweise 1mm, jedoch ist diese Art Vernietung praktisch nicht mehr durchführbar. In diesem Falle kommt eine abgeänderte Ausführungsart in Frage. In den einen Blechrand
22 wird weiterhin nur ein Loch gestanzt, aber der Nietschaft 23 aus Blechrand 21 (Fig. 15,16) wird nicht nur hochgestellt, sondern gleichzeitig auch zurückgefalzt. Beim Vernieten wird dieser dann T-förmig zu- sammengequetscht und ergibt eine flachköpfige Niete 24, welche die Verbindung herstellt. Bei besonders hochfesten Materialen bereitet die Integralnietung Schwierigkeiten, weil die zur Nietung erforderliche
Materialverformung entweder nicht stattfinden kann oder Risse erzeugt.
In diesem Fall kann das Prinzip weiterhin verwendet werden, indem in die beiden Enden der Schalen des Bleches 25,26 (Fig. 19) nur Lö- cher gestanzt werden, was auch bei härterem Material leicht möglich ist. Die Nietschäfte 28 werden aus einem besonderen Deckstreifen 27 herausgearbeitet, welcher aus einem weicheren und für Nietung geeigneten Material besteht, (Fig. 19, 20). Dieser wird zufolge der geringeren Festigkeit des weichen Materials aus entsprechend dickerem Blech hergestellt. Da der Deckstreifen nur einen kleinen Prozentsatz des Gesamtgewichtes ausmacht, erlaubt dieses System von den Eigenschaften hochfester Bleche Gebrauch zu machen, was bei den in der Einleitung erwähnten bisherigen Verfahren von Verschränkung von kongruenten Zungen nicht möglich ist.
Endlich können die Nietschäfte bei ein-oder mehrreihiger Anordnung auch abwechselnd oder in sonstigen Kombinationen jeweils aus verschiedenen Blechen gewählt werden.
Das Verfahren vereinigt nun sämtliche Vorteile aller Verbindungsarten, ohne deren Nachteile aufzuweisen. Gemäss dem Verfahren werden die Nähte der Einsteckzonen 40, Fig. 21, durch irgendwelche elektrische Punktschweissmaschinen entweder mit Hand- oder mit automatischer Programmsteuerung, zusammen verbunden. Da die Einsteckzonen normalerweise das ein-bis zweifache des Durchmessers betragen, bietet diese Art von Schweissung keinerlei Schwierigkeiten und kann mit bestehenden Maschinen ohne weiteres durchgeführt werden. Es ist an einer belasteten Nahtstelle ohne irgendwelche Schwierigkeiten eine Nahtfestigkeit zu erreichen, die nahezu diejenige des Vollbleches erreicht.
Der dazwischen liegende und tangential nur schwach belastete Teil der Naht 41 wird nach dem Nietverfahren verbunden, wobei die Naht selbst weitgehend vereinfacht und mit wenigen Nietschäften hergestellt werden kann. Dies ergibt im Vergleich zu der erwähnten verschränkten Zungennahtverbindung eine Kostenersparnis in der Nahtherstellung von zirka 60-80'%. Gleichzeitig sind wesentliche Materialersparnisse zu erzielen, da an der kritischen Stelle, d. h. Einsteckzone leicht eine Nahtfestigkeit von 90 % und mehr erreicht wird, gegenüber einer durch praktische Versuche ermittelten Nahtfestigkeit von zirka 35 bis 40 % des erwähnten Zungennahtverfahrens.
Entsprechend den verschiedenen Durchmessern, Belastungen, Blechdicken usw. verschiedener Segmente kann auch die Vernietung in verschiedenen Zonen auf verschiedene Weise ausgeführt werden, s.
36, 37, 38, um in jedem Fall die geringsten Kosten zu erzielen.
Der in Fig. 22 gezeigte mehrschalige Mast 45 ist in zwei Abschnitten dargestellt. Br. erläutert insbesondere die Art, wie durch die beschriebene Bauweise zonenweise das Widerstandsmoment der Mastkonstruktion ohne Schwierigkeit den sich berechnungsmässig ergebenden Biegemomenten angepasst werden kann. Somit zeigt die obere Zone 46 eine Ein-Schalen-Bauweise, die mittlere Zone 47 eine zweischalige Bauweise, und die unterste Zone 48, wo das grösste Biegemoment auftritt, eine dreischalige Bauweise. Selbstverständlich kann dies in allen Variationen und mit noch grösserer Schalen-Zahl durchgeführt werden, ohne die Vorteile der Verwendung von verarbeitbaen Blechdicken und tragbaren Einheitsgewichten zu verlieren.
Es ist wichtig in diesem Zusammenhang, dass auch insbesondere bei Aluminium, den Blechdicken für Punktschweissung Grenzen von zirka 4-5 mm gezogen sind und somit die beschriebene Bauart die einzige Möglichkeit darstellt, die Vorteile dieses Verbindungsverfahrens bei hohen und stark beanspruchten Masten überhaupt ausnützen zu können.