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Dokumentenidentifikation DE102005017569A1 12.10.2006
Titel Mast für ein Windsurf-Rigg sowie Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung des Masts
Anmelder Roleder, Jürgen, 73230 Kirchheim, DE
Erfinder Roleder, Jürgen, 73230 Kirchheim, DE
DE-Anmeldedatum 11.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005017569
Offenlegungstag 12.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.2006
IPC-Hauptklasse B63B 15/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Mast für ein Windsurf-Rigg, dessen Mastspitze gemäß Fig. 4a die erforderliche Kraft zum Einfädeln des Masts in die Masttasche reduziert. Außerdem tritt bei der erfindungsgemäßen Mastspitze eine geringe Flächenpressung aufgrund einer großen Kontaktfläche zwischen Mastspitze und Masttasche auf, wodurch Beschädigungen der Masttasche durch das Einfädeln des Masts verhindert werden. Die Mastspitze weist hierfür einen Krümmungsbereich mit einem im wesentlichen flachen Krümmungsverlauf auf. Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Masts einschließlich einer Mastspitze vor, bei dem wenigstens eine Teillänge des Krümmungsbereichs einer Mastspitze hergestellt wird. Zur Durchführung des Verfahrens ist ein Wickeldorn vorgesehen, der einen Krümmungsbereich aufweist, der sich in etwa gleichem Maße verjüngt wie der zu erzeugende Krümmungsbereich der Msstspitze 20.

Beschreibung[de]

Ein Windsurf-Rigg besteht im wesentlichen aus den Komponenten Segel, Mast und Gabelbaum. Zum einfachen Transport, zur platzsparenden Lagerung oder zur Mehrfachverwendung einzelner Komponenten für verschiedene Rigg-Größen ist ein Rigg in diese Komponenten zerlegbar. Zum Aufriggen, also zum Zusammenbauen des Riggs, müssen die einzelnen Komponenten in einer bestimmten Reihenfolge zusammengefügt werden. Moderne Segel weisen in nicht aufgebautem, flach ausgerolltem Zustand bereits eine starke Vorliekkrümmung auf. Ein solcher Segelschnitt verleiht dem Rigg ein aerodynamisch günstiges Profil und eine hohe Druckpunktstabilität, welche komfortables Windsurfen auch bei böigem Wind ermöglicht. Die Masten sind in nicht eingebautem Zustand gerade und erreichen ihre vollständige Krümmung erst in eingebautem, vollständig durchgetrimmtem Zustand. Zum Aufriggen wird der Mast mit der Mastspitze voraus am Segelhals in die Masttasche des Segels soweit eingeführt, bis die Mastspitze das Ende der Masttasche erreicht. Die Masttasche erstreckt sich entlang des gesamten Vorlieks und ist oben geschlossen. Der Verschluß dient als Widerlager für die aufzubringenden Trimmkräfte. Um eine aerodynamisch günstige Anströmung zu erreichen, ist der Umfang der Masttasche bei vollständig eingefädeltem Mast häufig nur geringfügig größer wie der Umfang des Masts. Die Masttasche liegt also mit wenig Spiel eng am Mast an. Beim Einfädeln des Masts bewegt sich die Mastspitze in der Masttasche entlang bis zu ihrer oberen Endposition, nämlich bis zum Verschluß der Masttasche am Segeltop. Dabei nimmt die Krümmung des Masts stetig zu. Die Einfädelbewegung erfordert bereits einigen Kraftaufwand, weil aufgrund der hohen Biegesteifigkeit von Masten insbesondere zwischen der Mastspitze und der Masttasche hohe Kräfte auftreten. Bei Mastspitzen nach dem Stand der Technik bildet sich in der Kontaktfläche zwischen Mastspitze und Masttasche beim Einfädeln ein Wulst aus, der dem Einfädeln des Masts eine besonders hohe Kraft entgegensetzt. Die Wulstbildung beginnt ungefähr ab der Mitte der Vorlieklänge und deren Größe bzw. Tiefe nimmt von dort an zu. Die Mastspitze schiebt den Wulst beim Einfädeln sozusagen vor sich her. Besonders hohe der Einfädelbewegung entgegen gerichtete Kräfte treten auf, wenn die Mastspitze bzw. der Wulst auf Nahtstellen trifft, die quer zur Bewegungsrichtung verlaufen. Solche Nähte sind oft im oberen Endbereich der Masttasche, also im Bereich des Segeltops, vorhanden, weil die vom Widerlager am Masttop aufzunehmenden sehr hohen Kräfte mehrere Materiallagen erfordern.

Die für die Einfädelbewegung des Masts in die Masttasche erforderlichen Trimmkräfte werden in hohem Maße von der Form der Mastspitze beeinflußt. Bekannte Mastspitzen weisen an ihrem Ende eine stirnseitige Planfläche oder eine leicht gewölbte Fläche mit einem umfangsseitigen kleinen Radius auf. Diese Mastspitzen dienen primär zur Abdichtung des Masts und sollen das Eindringen von Wasser in den Mast verhindern. Sie sind meist separate Bauteile und als Stopfen ausgeführt, welcher oben in das Mastende eingepresst wird. Mastspitze und Masttasche berühren sich auf einer sehr kleinen Kontaktfläche, woraus hohe Flächenpressungen resultieren. In der Folge bildet sich in der Masttasche ein Wulst aus, der so tief sein kann, daß der umfangsseitige Radius der Mastspitze vollständig oder zumindest zum großen Teil überdeckt wird. Im Extremfall kommt sogar die Masttasche mit der stirnseitigen Plan- oder Wölbfläche in Berührung, so daß äußerst hohe Trimmkräfte aufgebracht werden müssen. In der Kontaktfläche können dabei derart hohe Spannungsspitzen auftreten, die zum Versagen des Werkstoffs der Masttaschen führen. Die Masttasche reißt dann beim Einfädeln des Masts ein. Die Wulstbildung ist umso stärker, je enger die Masttasche ist. Weil für moderne Segel Masten mit geringem Durchmesser zur Verfügung stehen, werden die Masttaschen entsprechend enger ausgeführt. Werden derartige Segel mit herkömmlichen Masten aufgebaut, ist das Spiel zwischen Masttasche und Mast meist nur noch sehr gering. Die zur Verfügung stehenden Masten verfügen jedoch nicht über Mastspitzen, mit denen eine Wulstbildung vermieden werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mast für ein Windsurf-Rigg zu schaffen, der den Kraftaufwand zum Einfädeln des Masts in die Masttasche eines Segels reduziert und der eine Beschädigung der Masttasche beim Einfädeln verhindert. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die einfache Herstellung eines erfindungsgemäßen Masts unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 20 und 23 vollkommen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung sieht vor, die Mastspitze so zu formen, daß die Trimmkräfte zum Einfädeln des Masts reduziert werden und die auftretenden Spannungen im Werkstoff der Masttasche gering bleiben und relativ gleichmäßig verteilt sind. Die Mastspitze weist dazu einen Krümmungsbereich mit einem im wesentlichen flachen Krümmungsverlauf auf. Durch den flachen Krümmungsverlauf und durch die längliche Erstreckung des Krümmungsbereichs liegt die Masttasche auf eine große Länge an der Mastspitze an. Daraus ergibt sich eine große Kontaktfläche zwischen der Masttasche und dem Krümmungsbereich der Mastspitze. Es entsteht nur eine geringe und über die Kontaktfläche recht gleichmäßig verteilte Flächenpressung. Die Bildung eines Wulstes wird wirkungsvoll verhindert und aufgrund der geringen Materialbelastung wird eine Beschädigung der Masttasche während des Einfädelvorgangs verhindert. Weil kein Wulst entsteht, ist die Trimmkraft zum Einfädeln des Masts gering. Die auf die Mastspitze einwirkende Kraft ist gerade wegen dem fehlenden Wulst niedrig. Hinzu kommt, daß die auf die Mastspitze einwirkende Kraft wegen des flachen Krümmungsverlaufs des Krümmungsbereichs der Mastspitze stärker in Querrichtung zur Mastachse ausgerichtet.

Die Kraftkomponente in Mastlängsrichtung, also die der Trimmkraft am stärksten entgegen wirkende Kraftkomponente, ist deshalb relativ niedrig. Besonders vorteilhaft wirkt sich der flache Krümmungsverlauf und die niedrige Flächenpressung dann aus, wenn die Mastspitze beim Einfädeln des Masts über eine Quernaht bewegt wird. Es ergibt sich dabei keine Erhöhung der Trimmkraft, weil die Mastspitze gewissermaßen über die Naht weich hinweggleitet.

Die Erfindung ist auch dann besonders vorteilhaft, wenn das Windsurf-Rigg häufig aufgebaut wird, weil das Material der Masttasche nur gering belastet wird und die Segel so eine hohe Lebensdauer erreichen. Die erfindungsgemäße Mastspitze kann einstückig mit dem Mast verbunden sein, es ist aber auch möglich, die Mastspitze als separates Bauteil vorzusehen, welches dann oben in den Mast eingepresst wird.

Die Erfindung sieht auch ein Herstellverfahren sowie eine Vorrichtung das Herstellverfahren für Masten vor, bei dem zumindest eine Teillänge des Krümmungsbereichs der erfindungsgemäßen Mastspitze zusammen mit dem Wickeln des eigentlichen Masts hergestellt wird.

Der Krümmungsbereich der Mastspitze und der konische bzw. zylindrische Bereich des Masts werden also in einem Arbeitsgang auf der Wickelmaschine hergestellt. Die zur Herstellung erforderliche Vorrichtung, nämlich der Wickeldorn, auf den die einzelnen Fasern (z.B. Glas- oder Kohlefasern) unter Zugabe von Kunstharzen aufgewickelt werden, weist dazu eine entsprechende Form im Bereich der Mastspitze auf. Weil der Dorn zweiseitig eingespannt ist, verbleibt in der Mastspitze nach dem Entfernen des Wickeldorns eine Bohrung, die dann mit einem Stopfen verschlossen wird, um das Eindringen von Wasser in den Mast zu vermeiden. Der Krümmungsbereich ist jedoch beim Wickeln des Masts zumindest auf eine Teillänge seiner vorgesehenen Erstreckung erzeugt worden.

Nachfolgend wird der Stand der Technik und einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

1 ein zusammengebautes Rigg mit seinen wesentlichen Komponenten.

2 einen Mast einschließlich Mastspitze.

3a den Endabschnitt eines Masts mit einer Mastspitze nach dem Stand der Technik.

3b den Endabschnitt eines Masts mit einer weiteren Mastspitze nach dem Stand der Technik.

3c den Endabschnitt eines Masts mit der Mastspitze nach 3b und Wulstbildung an der Masttasche während des Einfädelvorgangs.

3d den Endabschnitt eines Masts mit der Mastspitze nach 3b mit den in der Kontaktfläche des Wulstes zwischen Mastspitze und Masttasche auftretenden Kräften.

4a den Endabschnitt eines Masts mit einer erfindungsgemäßen Mastspitze.

4b den Endabschnitt eines Masts mit der Mastspitze nach 4a sowie die Masttasche während des Einfädelvorgangs.

4c den Endabschnitt mit der Mastspitze nach 4a mit den in der Kontaktfläche zwischen Mastspitze und Masttasche auftretenden Kräften.

5 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mastspitze mit einem besonders flachen und langen Krümmungsbereich.

6 im Schnitt die Mastspitze nach 5 im Masttaschenende mit einer Druckverteilungsplatte.

7 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mastspitze mit einem flachen und relativ kurzen Krümmungsbereich.

8 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mastspitze mit einem flachen und geradlinigen Krümmungsbereich (ergibt Kegelmantelfläche).

9 einen Querschnitt durch den Mast und die Masttasche im Bereich der Kontaktfläche zwischen Mastspitze und Masttasche, einschließlich den auftretenden Kräfte.

10 in Diagrammform die erforderliche Trimmkraft einer erfindungsgemäßen Mastspitze im Vergleich zu einer Mastspitze nach dem Stand der Technik in Abhängigkeit von der Einfädelposition.

11 zeigt im Schnitt den Endabschnitt eines Masts 3 mit der erfindungsgemäßen Mastspitze 20 beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren.

12 zeigt im Schnitt den Endabschnitt eines Masts 3 mit einer Mastspitze 20, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

1 zeigt ein zusammengebautes Rigg 1 mit seinen wesentlichen Komponenten, nämlich Segel 2, Mast 3, Gabelbaum 4 und Mastfuß 5. Der Bereich zwischen dem Segelhals 8 und dem Segeltop 9 bildet das Vorliek 6. Über die gesamte Länge des Vorlieks 6 erstreckt sich die Masttasche 7 des Segels 2. Die Masttasche 7 weist am Segelhals 8 eine Öffnung 10 auf, durch die der Mast 3 mit der Mastspitze 11 (2) voraus in die Masttasche 7 eingefädelt wird. Am Segeltop 9 ist die Masttasche mit dem Verschluß 12 verschlossen. Gegen diesen Verschluß 12 stützt sich die Mastspitze 11 ab, wenn das Segel 2 getrimmt wird. Zur Aufnahme der hohen Trimmkraft sind im Bereich des Verschlusses 12 häufig sehr reißfeste Materialien mehrlagig übereinander genäht. Die Masttasche 7 ist so dimensioniert, daß der Mast 3 mit seiner Umfangsfläche (Mantelfläche) an keiner Stelle vollständig an der Masttasche 7 anliegt. Wäre dies der Fall, dann wäre das Einfädeln des Masts 3 nicht möglich, oder, wenn das Anliegen erst bei vollständig eingefädeltem Mast 3 auftreten würde, könnte der Mast 3 beim Abriggen wegen der auftretenden Selbsthemmung nur noch mit hohem Kraftaufwand aus der Masttasche 7 herausgezogen werden. Dennoch wird angestrebt, das Spiel zwischen Mast 3 und Masttasche 7 klein zu halten. Bei großem Spiel gelangt nämlich viel Wasser in die Masttasche 7, beispielsweise nach einem Sturz, was aufgrund der hohen Gewichtskraft des Wassers einen Wasserstart erschwert. Außerdem verschlechtern sich die aerodynamischen Eigenschaften des Riggs bei einer zu großen Masttasche.

2 zeigt einen Mast 3 mit einer Mastspitze 11 und Mastfuß 5. Die Längsachse 13 verläuft in nicht eingebautem Zustand geradlinig. Der Mast 3 weist eine bestimmte Biegesteifigkeit c auf, die auf das zugehörige Segel abgestimmt ist. Die Anpassung des anfangs noch geraden Masts 3 an die Vorliekkrümmung wird durch das Aufbringen der Trimmkraft beim Einfädeln des Masts erreicht. Der Mast 3 weist einen kreisringförmigen Querschnitt auf, das heißt, der Mast 3 ist innen weitgehend hohl. Der Außendurchmesser verringert sich meist von einem größeren Durchmesser am Mastfuß 5 zu einem geringeren Durchmesser in Richtung zur Mastspitze 11. Bekannt sind aber auch Masten mit zylindrischer Form. Der mit „X" gekennzeichnete Ausschnitt stellt den oberen Endabschnitt des Masts dar, der in einigen weiteren Figuren näher betrachtet wird.

3a zeigt aus dem Stand der Technik einen oberen Endabschnitt eines Masts 3 mit einer Mastspitze 11. Die Mastspitze 11 weist an ihrem Ende eine konvexe Wölbung 19 sowie einen umfangsseitigen kleinen Radius 15 auf. Derartige Mastspitzen 11 sind funktionell in erster Linie zur Abdichtung gegen das Eindringen von Wasser konzipiert. Beim Einfädeln des Masts 3 bildet sich in der Masttasche 7 aufgrund der hohen Flächenpressung ein Wulst 16 (3c). Der Radius 15 vermindert lediglich die Kantenschärfe, so daß eine unmittelbare, sofortige Beschädigung der Masttasche 7 beim Einfädeln des Masts 3 verhindert wird. Eine Reduzierung der Flächenpressung auf ein verträgliches Maß wird durch diese Mastspitze nicht erreicht.

3b zeigt eine weitere Ausführungsform einer Mastspitze 11. Anstatt einer Wölbung 19 weist diese eine Planfläche 14 mit einem ebenfalls umfangsseitigen Radius 15 auf. Bezüglich der Wulstbildung sowie der auftretenden Kräfte weist diese Mastspitze 11 praktisch keinen Unterschied zur Ausführungsform gemäß 3a auf.

3c zeigt die Mastspitze 11 gemäß 3b beim Einfädeln in die Masttasche 7 im Schnitt gemäß 9. Die Mastspitze 11 hat im gezeigten Beispiel ihre Endposition noch nicht erreicht, d.h. die Mastspitze 11 liegt noch nicht am Verschluß 12 an. Weil der Mast 3 seiner Verformung bzw. Anpassung an die Vorliekkrümmung einen hohen Biegewiderstand entgegensetzt, treten insbesondere im Bereich der Mastspitze 11 hohe Kräfte auf. Diese Kräfte wirken hierbei in der Kontaktfläche AK zwischen der Mastspitze 11 und der Masttasche 7. Weil die Mastspitze 11 nur einen kleinen Radius 15 aufweist, ist die Kontaktfläche AK sehr klein. Dadurch wird die Spannung bzw. die Flächenpressung in der Masttasche 7 so hoch, daß sich im Kontaktbereich ein Wulst 16 bildet. Das Material der Masttasche 7 wird im Bereich der Kontaktfläche also sehr stark gedehnt. Der Wulst 16 wird dabei teilweise so groß, daß der an der Mastspitze 11 befindliche Radius 15 im Kontaktpunkt K0 vollständig oder zu einem großen Teil überdeckt wird. Im Extremfall überstreicht der Wulst teilweise die Planfläche 14. Die Krümmungswinkel &agr;i in der Kontaktfläche AK nehmen hierbei Werte von bis zu 90° an. Der mit der Mastspitze 11 bei der Einfädelbewegung mitwandernde Wulst 16 setzt der Einfädelbewegung deshalb eine hohe Kraft entgegen. Die erforderlichen Trimmkräfte FT sind dann entsprechend groß.

3c zeigt den Kraftverlauf 27 (Spannungsverlauf) entlang der Kontaktlänge LK. Die Kontaktlänge LK ist wegen der Form der Mastspitze 11, insbesondere wegen des kleinen Radius 15, sehr kurz. Die daraus resultierende hohe Flächenpressung, also die Verteilung der auf die Mastspitze 11 wirkenden Kräfte Fi auf die Kontaktfläche AK, ist sehr hoch. Außerdem sind die auftretenden Kräfte Fi um so höher, je näher sie an der Stirnseite 15 liegen. Dies leuchtet ein, denn der Krümmungswinkel &agr; nimmt in Richtung zur Stirnseite 15 immer mehr zu, d.h. er wird definitionsgemäß immer steiler. Ersetzt man die in der Kontaktfläche AK wirkenden Kräfte Fi durch eine Resultierende, nämlich durch die Kraft F, so zeigt sich, daß diese erstens sehr groß ist und zweitens einen kleinen Winkel &bgr; aufweist. Zerlegt man diese Kraft in die Komponenten Längskraft FL und Querkraft FQ, wird ersichtlich, daß die Komponente FL im Vergleich zur Komponente FQ größer ist. Weil FL der Trimmkraft FT entgegenwirkt, wird deutlich, daß die erforderliche Trimmkraft FT sehr groß wird. Die Ursache liegt, wie oben dargestellt, in der starken Wulstbildung. Die aus der Mastspitze 11 herrührende Kraft, die der Trimmkraft FT entgegen wirken, berechnet sich wie folgt: FT = FL + FQ × &mgr;, wobei &mgr; den Reibwert in der Kontaktfläche darstellt. Weil der Reibwert meist gering ist, wird die Trimmkraft FT im wesentlichen durch die Längskraft FL bestimmt. Typische Reibwerte &mgr; liegen im Bereich von ca. 0,08 bis 0,15.

4a zeigt den oberen Endabschnitt eines Masts 3 mit einem konischen bzw. zylindrischen Abschnitt 21 und einer sich daran anschließenden erfindungsgemäßen Mastspitze 20 im Schnitt gemäß 9. Die den Mast 3 einschließlich die Mastspitze 20 einhüllende Außenfläche stellt die Mantelfläche 28 dar. Im Beispiel sind der Abschnitt 21 und die Mastspitze 20 einstückig ausgeführt. Der Abschnitt 21 erstreckt sich vom nicht dargestellten Mastfuß bis zum Punkt P1. Beginnend im Punkt P1 erstreckt sich ein Krümmungsbereich 22 bis zum Punkt P2 der Mastspitze 20. Der Durchmesser im Punkt P1 ist D, derjenige im Punkt P2 ist d. D ist immer größer als d, beide Punkte liegen auf der Mantelfläche 28. Gemessen in der Längsachse 13 des Masts 3 erstreckt sich der Krümmungsbereich 22 über die Länge L. Gemessen in radialer Richtung erstreckt sich der Krümmungsbereich 22 über das Maß &Dgr;r, wobei gilt: &Dgr;r = (D – d)/2.

An den Krümmungsbereich 22 schließt sich nach Punkt P2 das Mastspitzenende 24 an. Die zugehörige Endfläche 25 ist in Richtung der Längsachse 13 um den Betrag &Dgr;L von P2 beabstandet und über einen Radius 26 mit P2 verbunden. Die Endfläche 25 kann sich alternativ ohne Abstand &Dgr;L an den Punkt P2 anschließen. Der Krümmungsbereich 22 weist einen relativ flachen Krümmungsverlauf auf. Die Krümmung wird durch den Krümmungswinkel &agr; definiert und kann verschiedene Werte &agr;i annehmen. Der Krümmungswinkel &agr;iist der Winkel in einem beliebigen Punkt einer den Krümmungsbereich 22 definierenden Kurve zur Längsachse 13. Im Beispiel schließt sich die Krümmung im Punkt P1 tangential an den konischen Abschnitt 21 an, der Krümmungswinkel &agr;P1 beträgt wegen der sehr geringen Konizität nur wenig mehr als 0°. Der Krümmungsbereich 22 weist im Beispiel eine gleichmäßige Kurvenkrümmung mit dem Krümmungsradius RK auf. Es ist aber möglich, beliebige Krümmungsverläufe zu verwenden. So kann der Krümmungsverlauf 22 beispielsweise als Klothoide ausgeführt sein, also einer Kurve mit einer stetigen Zunahme der Kurvenkrümmung, hier mit einer Zunahme der Kurvenkrümmung von P1 nach P2. Weiterhin sind auch Kombinationen verschiedener Krümmungsverläufe einsetzbar. So kann der Krümmungsbereich 22 auch geradlinige Kurvenabschnitte aufweisen, die sich an gekrümmte Kurvenabschnitte anschließen usw. Der Krümmungsbereich 22 bildet vorteilhaft eine um die Längsachse 13 rotationssymmetrische Fläche, d.h. die Mantelfläche ist im Querschnitt kreisförmig. Es ist aber auch möglich, andere Querschnittsformen vorzusehen, z.B. elliptische, besonders dann, wenn der Mast 3 selbst einen solchen Querschnitt aufweist. Der konische Abschnitt 21 und die Mastspitze 20 sind im wesentlichen als Hohlkörper rohrförmig aufgebaut, wobei die Mastspitze oben geschlossen ist und eine variable Wanddicke aufweist. Die Wandstärke W ist als strichpunktierte Linie eingezeichnet.

In 4b ist der Mast 3 wiederum beim Einfädeln in die Masttasche 7 dargestellt, wegen der besseren Vergleichbarkeit in etwa gleicher Position wie in 3b. Die Masttasche 7 berührt die Mastspitze im Krümmungsbereich 22 zwischen den Kontaktpunkten K1 und K2, woraus sich die Kontaktlänge LK ergibt. Kontaktpunkt K1 ist identisch mit dem Punkt P1, der Kontaktpunkt K2 liegt jedoch noch vor dem Punkt P2. Dies ist vorteilhaft, denn dadurch wird erreicht, daß die Masttasche nur mit flachen Kurvenabschnitten in Berührung kommt. Durch die flache Kurvenkrümmung schmiegt sich die Masttasche 7 beim Einfädeln des Masts 3 gleichmäßig im Krümmungsbereich 22 längs der Kontaktlänge LK an die Mastspitze an.

In 4c ist der Kraft- bzw. Spannungsverlauf 27 längs der Kontaktlänge LK aufgezeichnet, außerdem die resultierende Kraft F sowie deren Komponenten Längskraft FL und Querkraft FQ. Der Kraft- bzw. Spannungsverlauf 27 ist sehr gleichmäßig und weist nur niedrige Werte auf. Es treten keine Spannungsspitzen auf, die zu einem Versagen des Werkstoffs der Masttasche 7 führen können. Leitet man aus dem Kraft- bzw. Spannungsverlauf 27 die auf die Mastspitze 20 wirkende resultierende Kraft F ab, so zeigen sich gegenüber dem Stand der Technik zwei wesentliche Unterschiede:

  • 1. die Richtung der Kraft F weist wesentlich stärker in Querrichtung zur Längsachse 13, das heißt, der Winkel &bgr; ist deutlich größer.
  • 2. die Größe der Kraft F ist geringer.

Die geringere Größe der Kraft F ist auf die Vermeidung der Wulstbildung in der Masttasche 7 zurückzuführen. Wie weiter oben dargelegt wurde, setzt ein Wulst dem Einfädeln des Masts 3 eine hohe Kraft FL entgegen. Die Vermeidung eines Wulstes beruht auf der flachen Kurvenkrümmung des Krümmungsbereichs 22, durch die sich der gleichmäßige Kurvenverlauf ergibt, sowie auf dessen Erstreckung über die große Kontaktlänge LK. Dadurch ergibt sich zwischen Masttasche 7 und Mastspitze 20 eine große Kontaktfläche AK mit einer geringen Flächenpressung, wodurch das Material der Masttasche 7 nur gering belastet und somit nur sehr gering verformt wird.

Die wesentlich stärker in Querrichtung zur Längsachse 13 gerichtete Kraft F resultiert ebenfalls aus der flachen Kurvenkrümmung, weil die Kräfte Fi im wesentlichen normal, also senkrecht auf die Kontaktfläche AK wirken. Die direkt in die Trimmkraft FT eingehende Längskraftkomponente FL wird aufgrund der Richtung der Kraft F (großer Winkel &bgr;) und aufgrund der geringen Größe der Kraft F sehr gering. Die Querkraftkomponente FQ wird wegen der Richtung der Kraft F (großer Winkel &bgr;) relativ gesehen zwar größer, aufgrund der absolut geringeren Größe der Kraft F wird diese komponentenbedingte Zunahme aber weitgehend ausgeglichen. Außerdem geht die Querkraft nicht direkt in die Trimmkraft FT ein, sondern wird über den Reibwert &mgr; in Richtung der Trimmkraft entsprechend geringer wirksam. Die Trimmkraft FT berechnet sich wie zuvor nach folgender Formel: FT = FL + FQ × &mgr;.

Der Bereich &Dgr;r liegt je nach Ausführungsform zwischen ca. 1/20 × D bis ca. 1/3 × D, der Krümmungswinkel &agr; zwischen 0° (bei tangentialer Anbindung an einen zylindrischen Mast) und ca. 60°. Die Ausgestaltung der Mastspitze und die sich daraus ergebenden Werte für &Dgr;r und &agr; hängen vor allem von der Masthärte, der Mastlänge, der Segelgröße und der Vorliekkrümmung ab. Die hier beschriebene Trimmkraft FT bezieht sich ausschließlich auf die in der Kontaktfläche AK wirkenden Kräfte. Selbstverständlich treten am Mast 3 während des Einfädelns weitere Reibkräfte auf, die hier jedoch nicht berücksichtigt sind, weil sie nicht wesentlich für die Erfindung sind. Die am Mastfuß 5 aufzubringende Gesamttrimmkraft ist demnach höher als die hier genannte Trimmkraft FT.

5 zeigt eine Ausführungsform einer Mastspitze 20 mit einem flachen Krümmungsverlauf des Krümmungsbereichs 22, der sich zudem über eine relativ große Länge L erstreckt. Das Verhältnis L/D liegt hier bei ca. 1. Das Maß &Dgr;r liegt ungefähr bei 1/3 × D, weil gerade wegen der flachen Kurvenkrümmung der Kontaktpunkt K2 sonst nicht mehr innerhalb des Krümmungsbereiches 22 liegen würde, sondern bereits dahinter. Allerdings würde sich selbst dann, wenn der Kontaktpunkt K2 hinter P2 liegen würde, aufgrund der großen Kontaktfläche AK und der daraus resultierenden geringen Flächenpressung kein Wulst bilden. Es hat sich nun als vorteilhaft herausgestellt, den Krümmungsbereich 22 bei den vorliegenden Verhältnissen von L/D und &Dgr;r mit von P1 ausgehend zunehmender Kurvenkrümmung zu versehen. Damit wird erreicht, daß Kontaktlänge LK wegen der geringen Anfangskrümmung stets hoch bleibt, gleichzeitig aber auch ein großer Bereich &Dgr;r ausgebildet werden kann, was für große Segel mit starker Vorliekkrümmung wichtig ist. Im Punkt P2 sind dabei Krümmungswinkel &agr;i bis 60° vorteilhaft, weil sie im Kontaktfall noch gute Gleiteigenschaften gewährleisten, aber nur deshalb, weil ein Großteil der auftretenden Kräfte bereits im Bereich mit mit geringer Krümmung aufgenommen werden. Dafür geeignete Kurven können beispielsweise Klothoidkurven sein. Bei dieser Ausführungsform tritt einer sehr geringe Trimmkraft FT auf. Allerdings erzeugt die Querkraft FQ in der sich lang erstreckenden Mastspitze 20 ein relativ hohes Biegemoment, was eine hohe Festigkeit der Mastspitze 20 erfordert. Vorteilhaft wird der Mast 3 und die Mastspitze 20 bei dieser Form einstückig ausgeführt. Bei zweistückiger Ausführung ist eine sehr stabile Verankerung im Mast 3 mit einer hohen Einpreßlänge LP erforderlich.

6 zeigt im Schnitt die Mastspitze 20 gemäß 5, jedoch in ihrer Endposition am Verschluß 12 der Masttasche 7. Aufgrund der relativ kleinen Endfläche 25 der Mastspitze 20 tritt dort eine hohe Flächenpressung auf, die den Verschluß 12 zerstören kann. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, bei dieser Ausführungsform eine Druckverteilungsplatte 32 zwischen dem Verschluß 12 und der Endfläche 25 einzufügen. Die Druckverteilungsplatte 32, vorzugsweise gefertigt aus Aluminium, ist aufgrund ihrer Dicke s biegesteif und verteilt die Trimmkraft FT somit über ihre gesamte Fläche auf den Verschluß 12. Sie weist umfangseitig Radien 39 auf, die die Kantenschärfe reduzieren und so ein Einschneiden des Verschlusses 12 verhindern.

7 zeigt eine Ausführungsform einer Mastspitze 20 mit einem flachen Krümmungsverlauf 22, der sich über eine kürzere Länge erstreckt. Das Maß &Dgr;r liegt ungefähr bei 1/20 × D, Das Verhältnis L/D liegt bei ca. 1/6. Bei dieser Ausführungsform kann sich die Kontaktlänge LK über den gesamten Krümmungsbereich 22 erstrecken. Unter Umständen kann der Kontaktpunkt K2 auch jenseits von P2 liegen, also beispielsweise in Richtung der Endfläche 25 im Bereich des Radius 26. Selbst wenn der Kontaktpunkt K2 hinter P2 liegen würde, würde sich aufgrund der immer noch relativ großen Kontaktfläche AK und der daraus resultierenden geringen Flächenpressung kein oder nur ein sehr kleiner Wulst 16 bilden. Die von der Biegesteifigkeit des Masts 3 auf die Masttasche 7 ausgeübte Kraft wird selbst bei dieser Ausführungsform nahezu vollständig über die Kontaktfläche AK abgefangen. Die Flächenpressung ist zwar höher als bei der Ausführungsform gemäß 5, sie ist dennoch relativ gleichmäßig und ohne ausgeprägte Kraftspitzen. Eine Beschädigung der Masttasche 7 wird wirkungsvoll vermieden. Die Kraft F ist auch hier noch relativ stark in Querrichtung zur Längsachse 13 gerichtet, d.h. der Winkel &bgr; ist immer noch relativ groß. Die Trimmkraft FT ist deshalb auch bei dieser Ausführungsform gering. Die Mastspitze 20 eignet sich vor allem für Segel mit geringerer Vorliekkrümmung.

8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Mastspitze 20 mit einem flachen, geradlinigen Krümmungsverlauf des Krümmungsbereichs 22. Das Maß &Dgr;r liegt im mittleren Bereich bei ca. 1/5 × D. Die Mantelfläche des Krümmungsbereichs 22 ist demnach kegelförmig (bei rundem Mastquerschnitt). Auch bei dieser Mastspitze 22 ist die entstehende Kontaktfläche AK so groß, daß nur eine geringe Flächenpressung auftritt.

9 zeigt einen Querschnitt durch den Mast 3 und die Masttasche 7 im Bereich der Kontaktfläche AK zwischen Mastspitze 20 und Masttasche 7. Die Masttasche 7 umschlingt den Mast 3 in einem Umschlingungswinkel von ungefähr 270° und ist mit ihren beiden Enden mit der Segelfläche 29 vernäht. Längs des Umschlängungswinkels sind die zwischen Mast 3 und Masttasche 7 wirkenden Kräfte Fi aufgetragen. Im vordersten Bereich ist die Kraft am größten, denn in diese Richtung wirken die Biegekräfte des Masts 3 am stärksten. Die Schnittdarstellungen in den 3c und 4b beziehen sich jeweils auf diese Ebene, in welcher die größte Kraft auftritt.

10 zeigt in Diagrammform die erforderliche Trimmkraft FT einer erfindungsgemäßen Mastspitze 20 (Kurve 31) im Vergleich zu einer Mastspitze 11 (Kurve 30) nach dem Stand der Technik in Abhängigkeit von der Einfädellänge (Einschublänge). Bis zur Hälfte der Einschublänge ist die Kraft FT sehr gering, der Mast 3 ist noch nicht gekrümmt und drückt deshalb nur schwach gegen die Masttasche. Mit zunehmender Einschublänge nimmt die Krümmung des Masts 3 zu und deshalb auch die Trimmkraft FT. Bei der Mastspitze 11 (Stand der Technik) steigt die Kraft FT stark an, besonders stark beim Überfahren von Quernähten im Bereich des Segeltops. Bei der Mastspitze 20 steigt die Trimmkraft FT über die gesamte Einschublänge deutlich geringer an, und selbst beim Überfahren der Quernähte steigt die Kraft FT weiter gleichmäßig an.

11 zeigt im Schnitt den Endabschnitt eines Masts 3 mit der erfindungsgemäßen Mastspitze 20 beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren. Gezeigt ist außerdem der zugehörige Endabschnitt des für die Mastherstellung erforderlichen Wickeldorns 33. Der Wickeldorn 33 (nicht geschnitten) weist an seinen beiden Enden Einspannzapfen auf, an denen er jeweils in ein Spannfutter eingespannt wird. Gezeigt ist der obere Einspannzapfen 34 und das ortsfeste, aber drehbewegliche Spannfutter 35. Beim Wickeln des Masts werden verschiedene Lagen Glas- und/oder Kohlefasern unter Zugabe von Kunstharz auf den Dorn gewickelt. Das erfindungsgemäße Wickelverfahren sieht vor, zumindest eine Teillänge des Krümmungsbereichs 22 der Mastspitze 20 einstückig an den Abschnitt 21 anzuwickeln. Das heißt also, daß unter Umständen der Krümmungsbereich 22 nicht über seine gesamte Länge L mit diesem Verfahren hergestellt werden kann. Der Wickeldorn 33 weist zur Durchführung des Verfahrens einen Krümmungsbereich 36 auf, das heißt er verjüngt sich in etwa gleichem Maße, wie sich der Krümmungsbereich 22 verjüngt. Aus fertigungstechnischen Gründen ist es erforderlich, im Anschluß an den Krümmungsbereich 22 eine Überlänge 37 zu wickeln. Die Überlänge 37 kann nach dem Entfernen des Wickeldorns 33 aus dem Mast 3 durch ein mechanisches Bearbeitungsverfahren entfernt werden. Durch die einstückige Ausbildung wird eine sehr hohe Festigkeit erreicht. Um eine hohe Formgenauigkeit des Krümmungsbereichs 22 zu erhalten, kann im Anschluß an das Wickeln und nach erfolgter Aushärtung des Kunstharzes noch eine Nachbearbeitung mittels Schleifen oder dergleichen erfolgen.

12 zeigt im Schnitt den Endabschnitt eines Masts 3 mit einer Mastspitze 20, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Die sich einstückig an den Abschnitt 21 anschließende Mastspitze 20 weist den Krümmungsbereich 22 auf. Die beim Herstellungsverfahren entstandene Überlänge 37 ist bereits entfernt. Zur Abdichtung ist eine Stopfen 38 in die Bohrung 40 eingepresst. Der Krümmungsbereich 22 ist vorteilhaft so ausgebildet, daß der Stopfen 38 nicht mit der Masttasche 7 in Berührung kommt. Außerdem ist er vorteilhaft aus einem Werkstoff höherer Festigkeit gefertigt, um durch die Trimmkraft FT nicht verformt zu werden, wenn er am Verschluß 12 anliegt.


Anspruch[de]
Mast für ein Windsurfsegel, der im oberen Endabschnitt eine Mastspitze aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mastspitze 20 einen Krümmungsbereich 22 aufweist, der sich zwischen den Punkten P1 und P2 erstreckt. Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß P1 auf dem Durchmesser D der Mantelfläche 28 liegt. Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß P2 auf dem Durchmesser d der Mantelfläche 28 liegt. Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsbereich 22 einen im wesentlichen flachen Krümmungsverlauf aufweist. Mastspitze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsverlauf wenigstens einen Krümmungswinkel &agr;i aufweist. Mastspitze nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungswinkel &agr;i zwischen 0° und 60°, insbesondere zwischen 0° und 30°, insbesondere zwischen 0° und 15° liegt. Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Krümmungsbereich 22 über das Maß &Dgr;r erstreckt. Mastspitze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Maß &Dgr;r ergibt aus (D – d)/2. Mastspitze nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß &Dgr;r in einem Bereich von ca. 1/20 × D bis ca. 1/3 × D liegt. Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Krümmungsbereich 22 über die Länge L erstreckt. Mastspitze nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L mindestens ca. 1/6 × D beträgt Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Krümmungsbereich 22 tangential an den konischen oder zylindrischen Abschnitt 21 anschließt. Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsbereich 22 eine konstanten Krümmungsradius RK aufweist. Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsbereich 22 verschiedene Krümmungsradien RK aufweist. Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsbereich 22 als Klothoidkurve ausgebildet ist, deren Kurvenkrümmung von P1 nach P2 stetig zunimmt. Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsbereich 22 geradlinige Krümmungsabschnitte aufweist. Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsbereich 22 geradlinige und gekrümmte Krümmungsabschnitte aufweist. Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsbereich 22 eine um die Achse 13 rotationssymmetrische Mantelfläche bildet. Mastspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsbereich 22 eine um die Achse 13 nichtrotationssymmetrische Mantelfläche bildet. Verfahren zum Herstellen eines Masts 3 nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Teillänge des Krümmungsbereichs 22 der Mastspitze 20 einstückig an den Abschnitt 21 angewickelt wird. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wickelverfahren eine Überlänge 37 entsteht, die nachfolgend entfernt wird. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsbereichs 22 nach dem Wickeln und Aushärten mechanisch nachbearbeitet wird. Wickeldorn zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickeldorn 33 einen Krümmungsbereich 36 aufweist, der sich in etwa gleichem Maße verjüngt wie der zu erzeugende Krümmungsbereich 22 der Mastspitze 20.






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