DE10141721A1 - Tragarm einer Passagiertür eines Flugzeuges - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Tragarm einer Passagiertür eines Flugzeuges, bestehend aus einer Hohlkammern bildenden, gewölbten Struktur, die die Passagiertür mit einem rumpfseitigen Rahmen beweglich verbindet, wobei der Tragarm Aufnahmemittel ausgebildet hat zur Aufnahme von Verbindungsmittel, die eine bewegliche Verbindung einerseits mit der Passagiertür und einem Schwenkantrieb und andererseits mit dem rumpfseitigen Rahmen ermöglichen, so daß die Tür mittels Tragarm auf einer Hubbahn und einer Schwenkbahn bewegbar ist.
- Die Passagiertür öffnet oder schließt die Rumpföffnung für den Passagierinnenraum (Passagierkabine) eines Flugzeuges.
- Die Passagiertür (nachfolgend auch Tür genannt) eines Flugzeuges ist mittels zweier Dreieckslenker beweglich an einem Tragarm gelagert und gehalten. Der Tragarm ist drehbar am rumpfseitigen Rahmen des Flugzeuges angeordnet. Im weiteren ist ein Notöffnungsantrieb z. B. Zylinder mit Schubstange einerseits am Tragarm und andererseits an der Tür befestigt. Dieser Notöffnungsantrieb ermöglicht im Notfall eine Bewegung der Tür.
- Bei im Betrieb befindlichen Flugzeugen ist dieser Tragarm in einem Stück aus einer Aluminiumlegierung gegossen oder gefräßt. Dieser in einem Stück hergestellte, metallische Tragarm besitzt eine Hohlkammer-Bauweise und ist hinsichtlich seiner Aluminiumlegierung und seiner Materialstärken konstruktiv optimiert. Der Tragarm stellt einen gewölbten Körper dar, der bei einer Draufsicht einen L-förmig gewölbten Grundriß besitzt.
- Zur Aufnahme von Verbindungsmitteln hat der Tragarm Aufnahmemittel ausgebildet, die an den Stirnseiten des Tragarms ausgebildet sind.
- Gegenüber dem rumpfseitigen Rahmen ist der Tragarm mit seinen stirnseitigen Aufnahmemitteln in einer am Rahmen angeordneten Drehachse gelagert.
- An der anderen Stirnseite des Tragarms tragen dortige Aufnahmemittel die Dreieckslenker, die beweglich mit der Tür verbunden sind.
- Der Notöffnungsantrieb wird ebenfalls in einem Aufnahmemittel des Tragarms gehalten und gelagert, wobei ein Kraftübertragungsmittel des Notöffnungsantrieb mit der Tür verbunden ist.
- Die Bewegung der Tür ist in der Regel verbunden mit der Bewegung des Tragarms.
- Der Tragarm führt die Tür während des Öffnungs- und Schließvorganges auf einer Hubbahn und einer Schwenkbahn. Dabei führt der Tragarm das gesamte Gewicht der Tür und nimmt Beanspruchungskräfte auf.
- Im geöffneten Zustand der Tür reduziert der Tragarm zwangsläufig den Notöffnungsquerschnitt der Türöffnung. Seine bisher gefundene, äußere Gestalt bildet ein Optimum zwischen der Einengung des Notöffnungsquerschnittes und seinen funktionellen Aufgaben. Es ist deshalb keine Veränderung der äußeren Gestalt des Tragarmes angestrebt.
- Dieser Tragarm bildet ein Gelenk, welches die Passagiertür mit dem rumpfseitigen Rahmen beweglich verbindet. Zu diesem Zweck hat der Tragarm Aufnahmemittel ausgebildet, die mittels Verbindungsmittel eine bewegliche Verbindung einerseits mit der Passagiertür und einem Notöffnungsantrieb und andererseits mit dem rumpfseitigen Rahmen ermöglichen.
- Dieser Tragarm erfüllt somit während eines Öffnungs- oder Schließvorganges eine Gelenkfunktion und Bewegungsfunktion und im Notfall eine sogenannte Notöffnungsfunktion.
- Der Tragarm muß komplizierte Kraftflüsse (Längs-, Querkräfte, Biege- und Torsionskräfte) in engem Raum Volumen bewältigen. Aus diesem Grund wurden bisher für den Tragarm nur Werkstoffe mit einem isotropen Gefüge eingesetzt.
- Aus der Vielzahl der Beanspruchungsmöglichkeiten gegenüber einem Tragarm resultieren 2 gravierende Beanspruchungen. Eine dieser Beanspruchungen entsteht im Fehlerfall bei einer möglichen Blockade der Tür beim Anheben und die andere Beanspruchung entsteht beim Aufspreizen durch die Kraft des Notöffnungsantriebes während der Schwenkbewegung der Tür.
- Diesen starken Beanspruchungen widersteht der in Hohlkammer-Bauweise gefertigte Tragarm, dennoch wird im Flugzeugbau auch die Forderung nach einem verbesserten Leichtbau der Tür und damit einem zu reduzierenden Gewicht des Tragarms gestellt. Trotz einer Fertigung des Tragarms aus Aluminiumguß ist dieser Tragarm noch von relativ hohem Gewicht.
- Weiterhin ist die geringe Thermalisolation des Tragarms in Reiseflughöhe nachteilig. Bereits nach einer Stunde Flugzeit besitzt der Tragarm bei einer Kabineninnentemperatur von 23°C nur eine Oberflächentemperatur von etwa 8,5°C. Diese niedrige Temperatur beeinflußt das Wohlbefinden des unmittelbar in der Nähe sitzenden Passagiers.
- Aufgabe der Erfindung ist es, unter Beibehaltung hoher konstruktiven Sicherheitsanforderungen an einen Tragarm dessen Thermalisolation weiter zu verbessern und dennoch eine weitere Gewichtsreduktion des Tragarms zu erzielen.
- Die Erfindung betrifft einen Tragarm einer Passagiertür eines Flugzeuges. Dieser Tragarm besteht aus einem im wesentlichen L-förmig gewölbten Körper, der Hohlkammern ausgebildet hat. Der L-förmige Körper ist im wesentlichen gestreckt und relativ flach geführt, um dann in einem Endbereich im annähernd rechten Winkel abzubiegen. In seiner äußeren Kontur entspricht er der bekannten Kontur eines aus Aluminium gefertigten Tragarms. Die Struktur des Tragarmes ist erfindungsgemäß aus Faserverbundwerkstoff, einem anisotropen Werkstoff, gebildet.
- Faserverbundwerkstoff besteht aus Fasermaterial, welches in einer Matrix aus ausgehärteter Reaktionsharzmasse eingebettet ist. Der Tragarm kann beispielsweise aus Kohlefaserverbundwerkstoff (CFK) bestehen.
- Der die Struktur bildende Faserverbundwerkstoff ist aus einzelnen Strukturelementen gebildet. Diese Strukturelemente werden durch Fasertextilelemente gebildet, die in einem Fertigungsverfahren imprägniert und ausgehärtet werden.
- Der Tragarm aus Faserverbundwerkstoff wird in einem RTM-(Resin Transfer Molding)Verfahren hergestellt. Das RTM-Verfahren verwendet grundsätzlich ein Formwerkzeug, wobei das Formwerkzeug aus einem Oberformteil und einem Unterformteil besteht, in das paßgenau ein Vorformling einlegbar ist.
- Der aus Faserverbundwerkstoff hergestellte Tragarm wird mittels eines solchen RTM-Verfahrens hergestellt. Bei der Herstellung nach einem RTM-Verfahren wird der Tragarm aus einzelnen Fasertextilelementen zu einem Vorformling aufgebaut, d. h. konfektioniert.
- Fasertextilelemente bestehen aus einer Faseranordnung, die bereits von einer zu geringem Anteil vorimprägnierten Matrix gehalten wird. Fasertextilelemente bilden im Ergebnis des RTM-Verfahrens die Struktur des Tragarms.
- Um einen solchen Vorformling für das RTM-Verfahren aufzubauen, werden einzelne Fasertextilelemente beanspruchungsgerecht angeordnet. Der Vorformling bildet ein zu einem einzigen Stück konfektioniertes Fasertextilhalbzeug.
- Als einzelne Fasertextilelemente für den Vorformling werden mindestens verwendet
- - Gurtelemente aus Gewebe als längsgeführte Stege zur Aufnahme von bevorzugt Längskräften,
- - dicke Laminate als Außenkantelemente (Wandungselemente) zur Aufnahme von Querkräften und der Lochleibung,
- - Gurtummantelungselemente,
- Alternativ können die einzelnen Fasertextilelemente auch so angeordnet werden, daß ein im einer horizontalen Ebene liegendes Gurtelement mit einem Ende in eine andere horizontale Ebene geführt ist und ein dort liegendes, anderes Gurtelement mit seinem Ende zurück in die Ebene des Gurtelements geführt ist, so daß sich beide Gurtelemente kreuzen und die Gurtelemente vertikal beabstandet von einem Deckengurtelement und einem Bodengurtelement begrenzt werden und die Gurtelemente im Bereich der Stirnseiten der Gurtelemente durch Gurtummantelungselemente beabstandet und verbunden sind und das Gurtgerüst mittels der Schmallseiten der Gurtelemente beidseitig mit je einem Außenhautelement verbunden ist.
- Mindestens die drei genannten Fasertextilelemente bilden ein Gurtgerüst, welches Hohlkammern ausbildet.
- Das Gurtelement hat als Fasertextilelement eine multidirektionale Faserorientierung. Das ist hinsichtlich der Beanspruchung besonders vorteilhaft.
- Diese einzelnen Fasertextilelemente werden beispielsweise durch Nähen, Kleben o. ä. zusammengefügt, so daß ein dreidimensionaler Körper, der Vorformling, entsteht, der mehrere Hohlkammern bildet. Der Vorformling entspricht der äußeren Gestalt und der Struktur des Tragarms. Dieser Vorformling wird in das Formwerkzeug für ein RTM-Verfahren eingelegt. Das Oberformteil und das Unterformteil sowie mögliche Einlegeteile (Formkerne) umschließen den Vorformling und ergeben ein geschlossenes und abgedichtetes Formwerkzeug. Es können einzelne Formkerne aus Formgebungsgründen im Formwerkzeug notwendig werden. Das ist jedoch nicht Bedingung. Das Formwerkzeug hat Anschlußmittel ausgebildet. Je ein Anschlußmittel ist mit einer Harzinjektionseinrichtung und einer Saugeinrichtung verbunden. Beide Einrichtungen sind steuerbar.
- Es wird die erhitzte und somit flüssige Reaktionsharzmasse unter Druck in die geschlossene Form injiziert. Dabei wird an gegenüberliegender Stelle der Form gesaugt. Nach vollständiger Imprägnierung wird der Vorformling ausgehärtet. Die Reaktionsharzmasse ist ein Gemisch aus Harz, Härter und Additiven und wird nachfolgend kurz "Harz" genannt. Nach dem Aushärten werden Oberformteil und Unterformteil getrennt und das erzeugte Bauteil ist ein Tragarm aus Faserverbundwerkstoff. Es folgt ein Verputzen des Tragarms. Es werden Bohrungen als Anschlußmittel für die Verbindungsmittel gemacht. In die Bohrungen werden metallische Buchsen eingeklebt.
- Eine Fertigung des Tragarms in Halbschadenbauweise ist alternativ auch nach einem Prepreg-Verfahren möglich.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand einzelner Ausführungsbeispiele und dazugehöriger Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen
- Fig. 1 Ansicht eines Tragarms aus Faserverbundwerkstoff,
- Fig. 1a Draufsicht mit Grundriss des Tragarms und Schnitt A-A,
- Fig. 2 Struktur des Tragarms aus Faserverbundwerkstoff entsprechend Schnitt A-A,
- Fig. 3 Strukturaufbau eines Tragarms aus Faserverbundwerkstoff mit sich kreuzenden Gurtelementen.
- Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Tragarm 1 aus Faserverbundwerkstoff. Deutlich ist der im wesentlichen L-förmig gewölbte Körper mit den Aussenhautelementen 5, 6 zu erkennen. An den Stirnseiten 3, 4 sind Aufnahmemittel 7 ausgebildet, die in Z-Richtung geführte Bohrungen besitzen. Diese U-förmig gestalteten Aufnahmemittel 7 dienen der Aufnahme von Verbindungsmitteln. Die Verbindungsmittel sind in der Figur nicht dargestellt.
- Die Aufnahmemittel 7 an der in der Figur gezeigten rechten Stirnseite 4 nehmen die mit dem Rumpf verbundene Schwenkachse AS auf. Die Aufnahmemittel 7 an der in der Figur gezeigten linken Stirnseite 3 nehmen die Verbindungsmittel in Form von Dreieckslenkern auf, die eine Drehachse AD bilden. Eines der Aufnahmemittel an der Stirnseite 3 dient der Aufnahme des Verbindungsmittels für den Notöffnungsantrieb.
- Dieser Tragarm 1 aus Faserverbundwerkstoff erreicht beispielsweise gegenüber einer Gußtür eine Gewichtsreduzierung um mindestens 25%. Mit dem Einsatz von Faserverbundwerkstoff gelingt es dem im Stand der Technik geschilderten Nachteil zu geringer Thermalisolierung deutlich zu verbessern, d. h. den Passagierkomfort zu verbessern. Die Struktur des aus Faserverbundwerkstoff gefertigten Tragarms 1 ermöglicht auch eine kostengünstige Fertigung, in dem im Fertigungsverfahren eine rationelle Legetechnik und Modularbauweise für den Vorformling und somit letzlich für den Tragarm möglich wird.
- Die Fasertextilelemente zum Aufbau des Vorformlings sind beanspruchungsgerecht angeordnet. Die aus Faserverbundwerkstoff gefertigte Struktur des Tragarms kann dann bevorzugt Torsionskräfte bzw. Scherkräfte aus einer möglichen Blockade beim Anheben der Tür oder Biegekräfte, wie sie beim Aufschwenken der Tür durch die Kraft eines Öffnungsantriebs auftreten, aufnehmen und weiterleiten.
- Nachfolgend wird deshalb der Strukturaufbau eines Tragarms aus Faserverbundwerkstoff erläutert.
- Ausgehend von einer in Fig. 1a gezeigten Draufsicht eines Tragarms wird dort ein Schnitt A-A markiert. Dieser Schnitt A-A wird in Fig. 2 gezeigt.
- Fig. 2 läßt die im Faserverwundwerkstoff ausgebildete Struktur des Tragarms erkennen. Dieser Tragarm 1 ist einem räumlichen Koordinatensystem X,Y,Z zugeordnet.
- Um Biegekräfte in den Tragarm einzuleiten, sind Gurtelemente Gurtelemente 21, 22, 23, 24, 25, 26 angeordnet.
- Jeweils ein Gurt mit seiner Breitseite liegt in einer horizontalen Ebene (XY-Ebene). Die horizontalen Ebenen und damit die einzelnen Gurtelemente 21, 22, 23, 24, 25, 26 sind vertikal zueinander beabstandet, jedoch in einer Projektion auf eine horizontale Ebene (XY-Ebene) untereinander liegend angeordnet. Die obere Begrenzung dieser Anordnung wird gebildet durch einen Deckgurtelement 26 und die untere Begrenzung wird gebildet durch ein Bodengurtelement 20. Die Gurtelemente 21, 22, 23, 24, 25, 26 ein sogenanntes Gurtgerüst 2.
- Einige dieser Gurte 21, 22, 25, 26 sind dabei von der rumpfseitig am Rahmen angeordneten Drehachse AD bis zur Schwenkachse AS der Tür geführt.
- Das einzelne Gurtelement ist quasiisotrop ausgebildet, d. h. die Faserorientierung im Gurtelement ist multidirektional, z. B. ± 45° und 0°/90°.
- Im Bereich der Stirnseiten der Gurtelemente sind U-förmige Elemente eingefügt, die als Elemente der Gurtummantelung 31, 32, 33, 34, 35 bezeichnet werden. Ein Element der Gurtummantelung 30, 36 findet sich auch wieder, auf der äußeren Oberfläche des Deckgurtelements 26 und des Bodengurtelements 21. Die Gurtummantelung hat die Aufgabe, die Verbindung der Gurtelemente mit den Außenhautelementen (Außenwandung) durch vergrösserte Klebeflächen zu ermöglichen. Die Gurtummantelung wird gebildet aus Fasergewebe-Material (bevorzugt ± 45° Faserorientierung).
- Bereits in der von den Gurtelementen und den Elementen der Gurtummantelung gebildeten Struktur des Tragarms 1 sind in Z-Richtung hintereinander liegend, einzelne Hohlkammern 40, 41, 42, 43, 44 zu erkennen. In diese Hohlkammern können ummantelte Schaumkernelemente (nicht dargestellt) formschlüssig eingefügt werden. Deren Ummantelung ist ebenfalls ein Fasertextilelement. Die ummantelten Schaumkerne sind aber für die Erfindung nicht zwingend notwendig, jedoch verbessert der Einsatz ummantelter Schaumkerne als Formhilfe die Anbindung der beiden seitlichen Außenhautelemente 5, 6. Die Schaumkerne stellen eine nicht berücksichtigte, zusätzliche Sicherheitsreserve der Fertigkeit und Steifigkeit dar.
- Die beiden seitlichen Außenhautelemente 5, 6 sind verbunden mit den Schmalseiten der Gurtelemente 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36 und schließen somit die vorhandenen Hohlkammern 40, 41, 42, 43, 44 dicht ab. Die seitliche Außenhaut ist als Halbschale ausgebildet. Beide Halbschalen treffen sich und werden dicht verbunden. Somit werden Hohlkammern gebildet.
- Die Hohlkammerbauweise ist von Vorteil bei einer Torsionsbeanspruchung, wie sie beispielsweise bei der geschilderten Blockade beim Anheben der Tür am Tragarm auftreten kann. Die Einleitung der Torsionskräfte wird unterstützt durch die die Kammern schließenden, seitlichen Außenhautelemente. Die seitlichen Außenhautelemente ermöglichen eine Beulabstützung und die Torsionssteifigkeit.
- Das Gurtummantelungselement das Außenhautelement, die Ummantelung eines Schaumkernes sind vorteilhafterweise aus einem Laminat mit einer Faserorientierung von ± 45° gebildet.
- Die gewählte Anordnung der Gurtelemente ermöglicht es in vorteilhafter Weise die Biegekräfte, die beim Aufspreizen durch die Kraft eines Schwenkantriebes entstehen, in den Tragarm einzuleiten.
- Die gewählte Anordnung zwischen Gurtelementen, Gurtummantelungselementen sowie den seitlichen Außenhautelementen und optional den (ummantelten) Schaumkernelementen ergibt eine Synthese zur optimalen Beherrschung der eingangs genannten beiden Belastungsfälle.
- Gemäß Fig. 3 kann ein Gurtgerüst 20 mit den vorhandenen Gurtelementen 210, 220, 230, 240, 250, 260 auch in einer anderen Anordnung aufgebaut sein. Fig. 3 entspricht dabei auch einem Schnitt nach Fig. 1a.
- Es ist möglich einzelne, zwischen Deckgurtelement 260 und Bodengurtelement 210 liegende Gurtelemente über Kreuz zu führen. Schematisch wird dieser Sachverhalt in Fig. 3 dargestellt. Das bedeutet, daß beispielsweise ein in einer ursprünglichen, horizontalen Ebene liegendes Gurtelement 230 mit einem seiner Enden in eine andere horizontale Ebene z. B. in positiver (+) Z-Richtung verlegt wird, so daß das verschobene Ende des Gurtelements 230 einen Winkel mit seiner ursprünglichen, horizontalen Ebene einschließt.
- Andererseits wird ein in der dortigen, ursprünglichen Ebene liegendes Gurtelement 240 mit einem Ende in eine in negativer (-) Z-Richtung liegende Ebene geführt und angeordnet. Beide Gurtelemente 230,240 bilden bei Blick in X-Richtung eine Kreuzung. Diese Anordnung mit Kreuzung von zwei Gurtelementen 230,240 kann für weitere Gurtelemente gemacht werden.
- Eine solche Anordnung mit Kreuzung einzelner Gurtelemente ist sinnvoll, wenn besonders extreme Torsionsbeanspruchungen auftreten können. Eine solche Anordnung der Gurtelemente ist dann besonders vorteilhaft.
- In Ergänzung zu einem Fertigungsverfahren sei abschließend noch vermerkt, daß eine Fertigung neben dem RTM-Verfahren auch in einem sogenannten Prepreg- Verfahren möglich ist. Bei Anwendung eines Prepreg-Verfahrens ließe sich eine sogenannte Schalenbauweise des aus Faserverbundwerkstoff zu fertigen Tragarms realisieren. In einem ersten Arbeitsschritt würden 2 als Prepreg ausgehärtete Teilschalen hergestellt. Jede Teilschale wird unter Verwendung von vorimprägnierten Textilenprodukten (Gewebe, Gestricke) hergestellt. Das sind Laminate mit bereits etwa 50% Harzanteil. Eine Halbschale wird beispielsweise aus einem Außenhautelement mit integrierten Gurtelementen und Gurtummantelungselementen gebildet und die zweite Halbschale wird ebenfalls aus einem Außenhautelement mit integrierten Gurtummantelungselementen gebildet.
- In einem zweiten Arbeitsschritt werden beide Teilschallen miteinander verklebt und bilden die in Fig. 2 dargestellte Struktur eines Tragarms.
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