DE102004045845B3

DE102004045845B3 - Faserverbundstruktur mit einer Bolzenverbindung und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102004045845B3
Application number: DE102004045845A
Authority: DE
Inventors: Boris Dr. Kolesnikov; Lars Dr.-Ing. Herbeck
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-09-20
Filing date: 2004-09-20
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-09-21

Abstract

Eine Faserverbundstruktur mit einer Bolzenverbindung besitzt eine Faserverbundstruktur, die wenigstens ein Bauteil (10) aus Faserverbundwerkstoffen aufweist. Das Bauteil (10) ist mit Öffnungen (11 bis 16) für wenigstens eine im Wesentlichen in Belastungsrichtung (F) angeordnete Längsreihe (20) von Bolzen (21 bis 26) versehen. Zumindest eine der äußeren Öffnungen (11, 16) der Bolzenlängsreihe (20) weist eine größere Weite als der Durchmesser der dazugehörigen, durch die Öffnungen gesteckten Bolzen (21, 26) auf. In dem somit vorhandenen Zwischenraum (30) zwischen den Bolzen (21, 26) und dem Rand der Öffnungen (11, 16) ist ein Futter (31, 36) angeordnet. Das Futter (31, 36) besteht aus einem Werkstoff mit einem niedrigeren Elastizitätsmodul in der Belastungsrichtung als dem des Bauteils (10) aus dem Faserverbundwerkstoff in der Belastungsrichtung. Der Futterwerkstoff des Futters (31, 36) ist ein anisotroper Faserverbundwerkstoff. Die Futter (31, 36) bestehen aus vorgefertigten Bauelementen (40).

Description

Die Erfindung betrifft eine Faserverbundstruktur mit einer Bolzenverbindung, bei der die Faserverbundstruktur wenigstens ein Bauteil aus Faserverbundwerkstoffen aufweist, bei der das Bauteil mit Öffnungen für wenigstens eine im Wesentlichen in Belastungsrichtung angeordnete Längsreihe von Bolzen versehen ist, bei der zumindest eine der äußeren Öffnungen der Bolzenlängsreihe eine größere Weite als der Durchmesser der dazugehörigen, durch die Öffnungen gesteckten Bolzen aufweist, bei der in dem somit vorhandenen Zwischenraum zwischen den Bolzen und dem Rand der Öffnungen ein Futter angeordnet ist, bei der das Futter aus einem Werkstoff mit einem niedrigeren Elastizitätsmodul in der Belastungsrichtung als dem des Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff in der Belastungsrichtung besteht, sowie ein Herstellungsverfahren für die Bolzenverbindung.
Bei Faserverbundstrukturen stellt sich regelmäßig das Problem der Kraftübertragung bei der Verbindung mehrerer Bauelemente. Die einzelnen Bauelemente sind dabei meist scheiben- oder plattenförmig, liegen nebeneinander und werden mittels einer den Spalt zwischen den Platten überdeckenden weiteren Platte gleichen oder anderen Typs verbunden. Die Platten werden jeweils mit Öffnungen versehen, durch die Bolzen gesteckt werden.

Um die Gesamtzugfestigkeit in dem Verbindungsbereich von derartigen, beispielsweise mehrschichtigen Faserverbundstrukturen zu verbessern, schlägt die WO 00156541 A1 vor, die Schichten in dem Bereich, durch den die Bolzen gesteckt werden, versetzt aus Verstärkungsmaterial und durchgehenden Faserschichten auszubilden.

Aus der DE 198 34 772 C2 ist es bekannt, Faserverbundstrukturen zusätzlich mit sogenannten Inserts zu versehen, die als Lasteinleitungselemente dienen. Diese Inserts werden vor dem Einbetten in eine Kunststoffmatrix durch Fadennähte fest mit der übrigen Faserverstärkungsstruktur verbunden.

Eine Verbindungsanordnung mit einer Bolzenstruktur ist aus der DE 198 16 099 A1 bekannt. Dort wird der Bolzen durch einen vergrößerten Hohlraum geführt, der über eine Befüllungsöffnung und eine Entgasungsöffnung mit einem flüssigen, aushärtbaren Füllstoff auf Mineralbasis verfüllt ist.

In ähnlicher Form schlägt die DE 195 06 933 C2 eine Hülse zum Einsatz in eine zum Hindurchführen einer Schraube bestimmte Durchgangsbohrung vor. Hier geht es um das Befestigen der Schraube in einem Kunststoffteil. Die Hülse besteht aus speziellen Verstärkungseinlagen in einem Kunststoff, in dem sie zur Verstärkung untergebracht sind.

Bolzenverbindungen bestehen im allgemeinen aus mehreren Bolzen. Diese Bolzen sind in Querreihen quer zur Belastungsrichtung und in Längsreihen parallel zur Belastungsrichtung angeordnet. Bei zwei miteinander verbundenen Baugruppen läuft also jede Querreihe parallel zur Kante einer Baugruppe und eine Längsreihe senkrecht zur Kante. Im Fachsprachgebrauch nennt man eine aus mehreren Querreihen bestehende Bolzenverbindung unabhängig von der Zahl der Längsreihen eine "mehrreihige Bolzenverbindung".

Bei herkömmlichen mehrreihigen, also mehrere Querreihen aufweisenden, Bolzenverbindungen stellt sich eine nicht gleichmäßige Nietkraftverteilung ein. Ein Großteil der Last wird dabei über die äußeren Bolzen übertragen und zieht eine Verminderung der Festigkeit der gesamten Verbindung nach sich. Dies reduziert die gesamte Festigkeit und stellt zudem eine Gefahr dar, da ein Versagen der am höchsten belasteten äußeren Bolzen zu einem Versagen des gesamten Bauteils führt.

Dabei tritt als besonderes Problem der so genannte Kerbspannungsfaktor auf.

Es wurde daher versucht, durch eine Aufdickung des Flügelbereiches oder eine komplette Verstärkung der entsprechenden Bauteile ein Versagen der Verbindung zu vermeiden. Beide Maßnahmen weisen eine Verminderung des spezifischen Wirkungsgrades auf, da eine lokale Aufdickung neben einer aufwändigeren Fertigung und Nachteilen für das aerodynamische Profil vor allem Exzentrizitäten und somit Biegemomente, d. h. zusätzliche örtliche Belastungen, sowie höhere Klemmlängen nach sich zieht. Bei dünnen Tragflügelprofilen führt eine Aufdickung der Außenhaut zur Verminderung der Bauhöhe und somit ebenso zur Steigerung der Kräfte des globalen Biegemomentes bezogen auf den gesamten Querschnitt.

Eine bewährte Lösung für diese Probleme ist in der DE 199 25 953 C1 vorgeschlagen worden. Gemäß diesem Vorschlag werden die äußeren Öffnungen einer jeden Bolzenlängsreihe mit einer größeren Weite als die dazugehörigen Bolzen versehen. Die äußeren Bolzen sind bekanntlich am höchsten belastet. Damit weisen die Öffnungen einen Zwischenraum zwischen der Öffnungswandung und dem durch die Öffnung hindurchführenden Bolzen auf. In diesem Zwischenraum wird ein Futter aufgebaut, das einen niedrigeren Elastizitätsmodul im Vergleich zu dem des übrigen Faserverbundbauteils aufweist.

Es entsteht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Futter und dem Faserverbundbauteil. Auf diese Weise kann ein erhöhtes Beanspruchen der äußeren Öffnungen der Bolzenlängsreihen vermieden und so die Festigkeit der gesamten Konstruktion gesteigert werden. Das einzelne Futter kann als Softeningsfutter bezeichnet werden. Der Begriff "Softening" oder "gesoftete Bol zenverbindung" in Zusammenhang mit derartigen und ähnlichen Verbindungen wird zunehmend auch in der deutschen Fachsprache verwendet.

Um das Futter in den einzelnen Öffnungen aufzubauen, werden gemäß der DE 199 25 953 C1 zunächst die Öffnungen in das Faserverbundbauteil in der gewünschten vergrößerten Form eingebracht, danach die Öffnungen entlang der Oberfläche des Faserverbundbauteils planeben abgeschlossen, und zwar unter Einschluss einzelner Kurzfasern oder einer Fasermatte. Danach wird dann Matrixmaterial in die abgeschlossene beziehungsweise gefüllte Öffnung injiziert und anschließend das Material ausgehärtet. Dann wird eine passgenaue Bolzenbohrung in das ausgehärtete Futtermaterial zentral gebohrt. Das Verfahren wird also insgesamt gesehen durch Nasstechnologie verwirklicht, was für jedes zu füllende und herzustellende Futter eine ganze Reihe von Fertigungsschritten mit sich bringt.

Obwohl der Vorschlag aus der DE 199 25 953 C1 daher zu einer sehr brauchbaren und funktionstüchtigen gesofteten Bolzenverbindung für Faserverbundstrukturen führt, bleibt es wünschenswert, Bolzenverbindungen und Verfahren zu ihrer Herstellung vorzuschlagen, die mindestens gleich gut sind, dafür aber günstiger herzustellen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Faserverbundstruktur dadurch gelöst, dass der Futterwerkstoff des Futters ein anisotroper Faserverbundwerkstoff ist, und dass die Futter aus vorgefertigten Bauelementen bestehen.

Mit diesen Gedanken wird es möglich, eine wesentlich kostengünstigere und vereinfachte Fertigung von so genannten gesofteten Bolzenverbindungen zu erzielen, also von Faserverbundstrukturen mit Bolzenverbindungen, bei denen eine bewusste Entlastung der äußeren Bolzen in Bolzenlängsreihen durch eine elastischere Struktur um diese äußeren Bolzen erzeugt wird. Es wird also möglich, gezielter derartige Bolzenverbindungen zur Übertragung von Querkräften in Faserverbundstrukturen zu schaffen. Neben der Vereinfachung und Kostenreduzierung ergeben sich aber auch weitere Vorteile. So können die Bauelemente für das „Softening Futter" universeller verwendet werden, bei gleich großen Öffnungen können beispielsweise identisch geschnittene Bauelemente in Serie gefertigt werden.

Durch das Verwenden vorgefertigter Bauelemente ist auch eine sicherere Dimensionierung der Bolzenverbindungen möglich als bei einer Herstellung in Nasstechnologie mit vielen einzelnen Fertigungsschritten. Es kann großflächig und gezielter das Elastizitätsmodul vorgegeben werden und es bleibt dabei sichergestellt, dass eben dieses Elastizitätsmodul in dem Bauelement auch so eingehalten wird und in einer bestimmten Orientierung eingebracht ist.

Damit zugleich reduziert sich auch die Zahl und Intensität von etwaigen Wartungsmaßnahmen für die „gesofteten" Bereiche der Bolzenverbindungen.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Futterwerkstoff der Futter der gleiche Faserverbundwerkstoff wie der des umgebenden Bauteils ist, und wenn das Futter mit einer anderen Orientierung als der des Bauteils so in die Öffnungen eingesetzt ist, dass durch die Anisotropie des Faserverbundwerkstoffs das Elastizitätsmodul des Werkstoffs in der Belastungsrichtung im Futter niedriger ist als im Bauteil.

Durch die Verwendung eines einheitlichen Faserverbundwerkstoffes wird von vornherein sichergestellt, dass das Material für die Bauelemente und damit für das Futter in den Zwischenräumen die physikalisch gleichen Eigenschaften, wie das umgebende Bauteil hat. Das ist für eine Vielzahl von Randbedingungen und Einsatzzwecken durchaus interessant, da so schon vor dem Einbau der Bauelemente über die durchschnittliche Dichte, das spezifische Gewicht und ähnliche Größen definitive Aussagen für das gesamte Bauteil einschließlich dieses Bereiches angegeben werden können.

Darüber hinaus ist die Verwendung von identischen Werkstoffen natürlich auch vereinfachend für die Herstellung, da die Bauelemente für das Futter zusammen mit den Faserverbundwerkstoffen für das umgebende Bauteil hergestellt werden können.

Von besonderem Vorteil hinsichtlich der Effektivität ist es dabei, wenn das Futter so orientiert ist, dass sein Futterwerkstoff in der Belastungsrichtung den niedrigsten Elastizitätsmodul dieses anisotropen Werkstoffes aufweist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die vorgefertigten Bauelemente des Futters aus Resten oder Überschussbereichen des umgebenden Bauteils geschnitten sind.

Es ist also möglich, das Futter aus einem Rest oder aus einer speziellen Zugabe oder einem Überschuss eines anisotropen Grundbauteils auszuschneiden, dessen Hauptbestandteil das eigentliche Bauteil ist. In einem einzigen Verfahrensgang kann also ein Grundbauteil als Faserverbundwerkstoff mehrschichtig und in beliebig komplizierter Form hergestellt werden, aus dem dann zum Einen wie beabsichtigt das Bauteil herausgeschnitten wird und aus dessen Randbereichen oder Überschussteilen oder auch nicht benötigten Ausschnitten und Resten dann ohne einen gesonderten Herstellungsaufwand für den Faserverbundwerkstoff die relativ kleinen Bauelemente für das Futter in den Öffnungen herausgeschnitten werden kann. Diese unterscheiden sich vom Bauteil ja lediglich in der Orientierung, sie sind also gegenüber dem Bauteil um einen bestimmten Winkel gedreht, sodass die Fasern der Faserverbundwerkstoffe in eine andere Richtung laufen und sich somit ein anderes Elastizitätsmodul ergibt.

Da keine spezielle Futterfertigung erforderlich ist, reduzieren sich die Fertigungskosten zusätzlich. Die Effekte treten bereits ein, wenn die Belastungsrichtungen für die Bolzenlängsreihe in irgendeine beliebige andere Richtung als die Richtung des niedrigsten Elastizitätsmoduls des anisotropen Grundbauteils verlaufen.

Die in dem Vergleich zum umgebenden Bauteil weicheren („gesofteten") Futter in den äußeren Öffnungen reduzieren den so genannten Transfer-Load, beziehungsweise die Spannungskonzentrationen an den äußeren Bolzen. Dadurch wird im Ergebnis die Tragfähigkeit der gesamten Bolzenverbindung der Faserverbundstruktur vergrößert.

Von weiterem Vorteil ist es, wenn das Futter und das umgebende Bauteil nicht stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

Die nicht stoffschlüssige Verbindung zwischen den Futtern und dem umgebenden Bauteil vereinfacht die Fertigung der Bauelemente für die Futter und erlaubt ihre Herstellung an sich aus einem Bauteil aus beliebigen Werkstoff, der einen niedrigen Elastizitätsmodul als den des Bauteils besitzt. Dies kann wie erwähnt der gleiche anisotrope Werkstoff mit anderer Orientierung sein. Da die Verbindung nicht stoffschlüssig ist, kann sie in die entsprechende Öffnung des Bauteils ohne Klebstoff oder mit einer sehr weichen Paste (nur für die leichte Fixierung) eingesetzt werden. Zu bedenken ist ja, dass die Belastungsrichtung parallel zur Ebene des Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff verläuft und nicht senkrecht zu diesem, sodass eine Festlegung des Futters im Bauteil gegen Herausziehen nur in geringem Maße benötigt wird.

Die nicht stoffschlüssige Verbindung zwischen dem oder den Futtern und dem umgebenden Bauteil liefert dem „Softeningsbereich" um die Bolzen herum eine noch größere Nachgiebigkeit, was zu einer weiteren Reduzierung des Transfer-Loads und der Spannungskonzentrationen an den äußeren Bolzen führt.

Eine vollständige Trennung, also eine nicht stoffschlüssige Verbindung, zwischen dem oder den Futtern und dem umgebenden Bauteil erlaubt es, von Wartungsmaßnahmen für die gesofteten Bereiche abzusehen beziehungsweise diese stark zu reduzieren und darüber hinaus ein klareres und deutlicheres strukturmechanisches Modell bei der Dimensionierung und den Tests zu verwenden und auszuwählen.

Wie sich herausstellte, ist eine weitere Erhöhung der Tragfähigkeit von Bolzenverbindungen bei Faserverbundstrukturen dann möglich, wenn man nicht nur an den äußeren Öffnungen der Bolzenlängsreihen eine größere Weite als die Durchmesser der dazu gehörigen Bolzen verwendet. Diese Verbesserung zeichnet sich dadurch aus, dass auch die inneren Öffnungen für die im Wesentlichen in Belastungsrichtung angeordnete Längsreihe von Bolzen eine größere Weite als der Durchmesser der dazugehörigen, durch die Öffnungen gesteckten Bolzen aufweisen, dass in dem somit vorhandenen Zwischenraum zwischen den Bolzen und dem Rand der Öffnungen ein Futter angeordnet ist, und dass das Futter aus einem Werkstoff mit einem höheren Elastizitätsmodul in der Belastungsrichtung als dem des Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff in der Belastungsrichtung besteht.

Hier erfolgt also kein „softening" sondern eher das Gegenteil. Es findet eine Versteifung dieser inneren Futter gegenüber dem Stand der Technik statt. Dieser innere Bereich der Bolzenlängsreihe am Bauteil wird Transfer-load dort zusammenziehen, wodurch die äußeren Bolzen bezüglich des Transferloads und der Spannungskonzentrationen noch weiter entlastet werden.

Von besonderem praktischen Vorteil ist es natürlich, wenn für diese inneren Öffnungen der gleiche anisotrope Futterwerkstoff wie für die äußeren Öffnungen verwendet wird, im besonders bevorzugten Fall wird damit also für das Bauteil wie auch für das verstärkte wie auch das gesoftete Futter in den äußeren und inneren Öffnungen jeweils der gleiche Faserverbundwerkstoff verwendet und jeweils nur die ausgeschnittenen Bauteile anders orientiert.

Man kann also durch die Veränderung der Orientierung beziehungsweise Positionierung von anisotropen Bauelementen für das Futter in den unterschiedlichen Öffnungen die Steifigkeit der Futter und den Transfer-load effektiv steuern.

Bei einem gattungsgemäßen Verfahren wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Grundbauteil aus einem anistropen Faserverbundwerkstoff geformt wird, dessen Fläche größer ist, als die des benötigten Bauteils, dass aus dem Grundbauteil das Bauteil mit seinen Öffnungen ausgeschnitten wird, dass aus den für das Bauteil nicht benötigten Teilen des Grundbauteils, Bauelemente ausgeschnitten werden, die als Futter einsetzbar sind und bei deren Zuschnitt die Anisotropie so berücksichtigt wird, dass die Bauelemente als Futter den Bedingungen aus einem der Ansprüche 1 bis 10 genügen, dass die Bauelemente als Futter eingesetzt werden, dass in die Futter vor oder nach dem Schritt des Einsetzens Durchgangsbohrungen für das Durchstecken der Bolzen geschaffen werden, und dass die Bolzen eingesteckt werden.

Dadurch wird eine besonders einfache Fertigung der erfindungsgemäßen Faserverbundstrukturen mit Bolzenverbindungen möglich.

Im Folgenden werden anhand der Zeichnung nähre Einzelheiten der Erfindung erörtert. Es zeigen:
1 eine teils geschnittene Seitenansicht einer Faserverbundstruktur mit einer Bolzenverbindung gemäß der Erfindung;
2 eine ausschnittsweise Ansicht der Faserverbundstruktur aus 1 mit geschnitten dargestellten Bolzen; gesehen in der in 1 definierten Ebene A;
3 ein Polardiagramm des Elastizitätsmoduls eines ersten Faserverbundwerkstoffs;
4 ein Polardiagramm des Elastizitätsmodul eines zweiten Faserverbundwerkstoffs;
5 eine schematische Darstellung für ein Herstellungsverfahren eines Futters;
6 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bolzenverbindung;
7 ein Graph mit der Nietkraftverteilung über die Bolzen einer Bolzenreihe für verschiedene Ausführungsformen;
8 ein Graph für den Bruttokerbfaktor über die Bolzen einer Bolzenreihe für verschiedene Ausführungsformen; und
9 ein Graph für die Zugfestigkeit bei verschiedenen Bolzenverbindungen.
In 1 ist in teilweise geschnittener Darstellung eine Faserverbundstruktur dargestellt. Zu erkennen ist insbesondere ein Bauteil 10 aus Faserverbundwerkstoff, das etwa plattenförmig ist, wobei die Plattenebene senkrecht zur Bildebene steht. Das Verbundbauteil 10 ist schraffiert dargestellt; die Schraffuren deuten nicht die Richtung der Fasern an. Es kann sich um ein Bauteil 10 aus einem geschichteten Faserverbundwerkstoff („Laminat") handeln, wobei die verschiedensten Schichtformen und Faserstrukturen denkbar sind.
Das Bauteil 10 befindet sich sandwichartig zwischen zwei weiteren Bauteilen 17 und 18, die es flächig umgeben. Wie man in der 1 schematisch erkennen kann, endet das Bauteil 10 kurz vor dem rechten Rand, während die Bauteile 17 und 18 das Bauteil 10 nach rechts überragen und sich außerhalb des Bildes fortsetzen. Sie können dort (nicht dargestellte) Befestigungsmöglichkeiten für ein weiteres Faserverbundbauteil 10 in ähnlicher Form besitzen. Die Bauteile 17 und 18 können, müssen aber keine Bauteile aus Faserverbundwerkstoff sein.
Die Verbindung des Faserverbundwerkstoffes des Bauteils 10 mit den Bauteilen 17 und 18 erfolgt über Bolzen, die sich senkrecht durch das Bauteil 10 erstrecken. Eine Querkraft F ist von den Bolzen aus dem Bauteil 10 in die Bauteile 17 und 18 (beziehungsweise umgekehrt) zu übertragen, wobei die Bauteile 17 und 18 diese Kraft dann jeweils auf die benachbarten, nicht dargestellten Bauteile weiterleiten.
Das Bauteil 10 aus dem Faserverbundwerkstoff weist eine Reihe von Öffnungen auf, durch die die Bolzen hindurchragen. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um sechs Öffnungen 11, 12, 13, 14, 15 und 16. Alle Öffnungen liegen in einer Längsreihe und sind zumindest in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in gleichem Abstand angeordnet, was aber nicht zwangsläufig so sein muss.
Durch die Öffnungen 11 bis 16 ragen dementsprechend sechs Bolzen 21, 22, 23, 24, 25 und 26, also jeweils ein Bolzen durch eine Öffnung.
Die Öffnungen 11 bis 16 sind zumindest teilweise größer oder weiter als der Durchmesser der Bolzen 21 bis 26 ist. Dies ist insbesondere für die beiden äußeren Bolzen 21 und 26 gut zu erkennen, die jeweils einen erheblichen Zwischenraum 30 zwischen sich und dem Rand der sie umgebenden Öffnung 11 beziehungsweise 16 erkennen lassen.
In ähnlicher Form sind die daneben, also im mittleren Bereich liegenden Bolzen 22 und 25 in Öffnungen 12 und 15 gesteckt, die ebenfalls weiter sind, als der Durchmesser der Bolzen 22 und 25 erfordert, aber nicht so weit, wie die äußeren Öffnungen 11 und 16.
Bei den inneren Öffnungen 13 und 14, die also in der Mitte der Bolzenlängsreihe 20 liegen, fehlt es an einem Zwischenraum 30, der zwischen den Bolzen 23 und 24 sowie den Rändern der Öffnungen 13 und 14 liegt.
In dem Zwischenraum 30 zwischen den Bolzen 21, 22, 25 und 26 und dem Rand der Öffnungen 11, 12, 15 und 16 sind Futter 31, 32, 35 und 36 vorgesehen.
In der 2 ist in einer Draufsicht auf die Ebene A aus der 1 der gleiche Sachverhalt nochmals dargestellt. Man sieht zwei parallel angeordnete Bolzenlängsreihen 20 und sechs zu diesen beiden Bolzenlängsreihen 20 senkrecht verlaufende Bolzenquerreihen. Jede Bolzenlängsreihe 20 im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt also jeweils sechs Bolzen 21, 22, 23, 24, 25 und 26.
Wie man sieht, sind die Bolzen durch die entsprechenden Öffnungen 11 bis 16 im Bauteil 10 geführt; die Bauteile 17 und 18 besitzen ebenfalls darauf ausgerichtete Öffnungen, die aber an die Bolzen 21 bis 26 angepasst sein können, also keine Zwischenräume 30 aufweisen müssen.
Wie man in der Draufsicht in der 2 gut erkennen kann, sind die Öffnungen 11, 12, 13, 14, 15, 16 von unterschiedlicher Größe. Sie sind in Langlochform aufgebaut, wobei die Längsachsen der Langlöcher sich in Richtung der Belastungsrichtung F ausgerichtet haben. Dabei weisen die näher an den inneren Öff nungen 13 und 14 angeordneten Langlochöffnungen 12 und 15 geringere Mittelpunktabstände auf als die ganz außen liegenden Öffnungen 11 und 16. Somit ist die Länge der Langlöcher der Öffnungen 11 bis 16 gemäß der Darstellung in der 2 L, > L₂ beziehungsweise L₆ > L₅. Die Ausgestaltung der Öffnungen 11 bis 16 ist symmetrisch zur Mitte jeder Bolzenlängsreihe 20 ausgeführt. Auch zur Achse der Bolzenlängsreihe 20 sind die Öffnung symmetrisch ausgebildet.
Die in der Bolzenverbindung eingesetzten Bolzen 21 bis 26 der Bolzenlängsreihe 20 weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel sämtlichst den gleichen Durchmesser auf. Zur Verstärkung der Spannungsreduktion an den äußeren Bereichen der Verbindung könnten gegebenenfalls die Bolzen auch aus eine Material mit anderem Durchmesser oder mit einem anderen Elastizitätsmodul gefertigt sein. Für die angestrebte praktische Fertigungsvereinfachung wird jedoch bevorzugt, wenn alle Bolzen aus dem gleichen Material sind und die gleiche äußere Form aufweisen.
Durch die als längliche Löcher ausgebildeten äußeren Öffnungen 11, 16 in dem Bauteil 10 bildet sich zwischen den dort eingefügten Bolzen 21 und 26 und der jeweiligen Öffnungswandung ein Zwischenraum 30 aus. In dem Zwischenraum 30 ist jeweils ein Futter eingebracht; in den beiden erwähnten Öffnungen also ein Futter 31 beziehungsweise Futter 36. Dieses Futter 31 beziehungsweise Futter 36 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff, das einen niedrigeren Elastizitätsmodul als den des Bauteils 10 hat.
Dabei werden in die Öffnungen 11 bis 16 jeweils fertige Bauelemente 40 (in 2 nicht dargestellt) eingesetzt, die genau die äußere Form der Öffnungen 11 bis 16 besitzen. Sie sind also formschlüssig in den Öffnungen angeordnet. Eine Stoffschlüssigkeit ist jedoch nicht erforderlich, es muss also keine Verklebung oder sonstige Fixierung in den Öffnungen 11 bis 16 erfolgen.
Um die Bolzen 21 bis 26 durch die als Futter 31 bis 36 in den Öffnungen 11 bis 16 angeordneten Bauelemente 40 führen zu können, sind diese Bauelemente ihrerseits nochmals durchbohrt. Diese Durchbohrungen können vor oder nach dem Einsetzen der Bauelemente 40 in die Öffnungen 11 bis 16 erfolgen.
Jedes Bauelement 40 besteht aus einem anisotropen Faserverbundwerkstoff. Dies ist bevorzugt der gleiche anisotrope Faserverbundwerkstoff aus dem auch das Bauteil 10 besteht. Da er anisotrop ist, ist sein Elastizitätsmodul in den einzelnen Richtungen unterschiedlich. Dreht man also ein Bauelement 40 und würde es in unterschiedlicher Form ausschneiden, so hätte es in der Belastungsrichtung F jeweils ein anderes Elastizitätsmodul, das vorausbestimmbar und auch vorausberechenbar ist.
Es ist also möglich, für jedes Bauelement 40 vor dem Einsetzen genau zu bestimmen, wie groß sein Elastizitätsmodul ist. Es kann also genau gesteuert werden, da das Elastizitätsmodul in den einzelnen Futtern 31 bis 36 in den Öffnungen 11 bis 16 eine bestimmte Größe hat und es kann natürlich bestimmt werden, ob dieses Elastizitätsmodul größer ist als das Elastizitätsmodul des umgebenden Bauteils 10.
Um die inneren Bolzen 23 und 24 ist in der unteren Bolzenlängsreihe 20 in der dargestellten Ausführungsform keine Anordnung von Futtern 33, 34 eingezeichnet. Möglich wäre dies aber. Das ist durch eine punktierte Linie in der oberen dargestellten Bolzenlängsreihe 20 angedeutet. Es ist nämlich in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, auch hier Bauelemente 40 anzuordnen, die aus dem gleichen Faserverbundwerkstoff wie die Futter 31, 32, 35, 36 bestehen, jedoch wiederum anders orientiert sind. Die Orientierung wäre hier so, dass die Anisotropie das Elastizitätsmodul gerade in der Belastungsrichtung F höher ist als das Elastizitätsmodul des Faserverbundwerkstoffes in der Orientierung wie sie im Bauteil 10 verwendet wird.
In der 3 ist eine Polardiagramm wiedergegeben. In dem Polardiagramm ist für einen beispielhaften Faserverbundwerkstoff eingetragen, wie sich das Elastizitätsmodul in verschiedenen Richtungen innerhalb einer Ebene anordnet.
Von innen nach außen ist in fünf Ringen jeweils die Höhe des Elastizitätsmoduls aufgetragen, wobei der innere Ring A ein Elastizitätsmodul von 22 GPa angibt, der zweite Ring B ein Elastizitätsmodul von 44 GPa, der dritte Ring C ein Elastizitätsmodul von 66 GPa, der vierte Ring D ein Elastizitätsmodul von 88 GPa und der äußere Ring E ein Elastizitätsmodul von 110 GPa.
Das Elastizitätsmodul ist eine Einheit mit der Dimension des Druckes; sie wird im Regelfall im Gigapascal (GPa) angegeben.
Dargestellt ist als Faserverbundwerkstoff ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, bei dem die Fasern sich in den üblichen Richtungen wie 75 % zu 25 % zu 0 % verteilen. Es entsteht also ein Laminat CFK 75/25/0. Wie man sieht, entsteht entsprechend der sehr unterschiedlichen Verteilung der Faserverläufe in diesem Werkstoff auch ein sehr unterschiedliches Elastizitätsmodul. In der Darstellung in 3 schwankt mithin das Elastizitätsmodul zwischen einem Minimum von 16,4 GPa in der Richtung 90° und einem Elastizitätsmodul von 110,0 GPa in der Richtung 180°.
Wird dieses Laminat nun als Faserverbundwerkstoff für ein Futter 31 verwendet, kann durch Drehen des Faserverbundwerkstoffes vor dem Ausschneiden der Form für das Langloch für das Futter 31 genau bestimmt werden, wie groß das Elastizitätsmodul gerade in der Richtung F für die Hauptbelastung sein soll.
In der 4 ist ein in gleicher Form aufgebautes Polardiagramm wiedergeben. Hier sind die Einheiten der fünf Ringe von innen nach außen geringfügig anders, um die Werte vollständig auftragen zu könne. Der innere Ring A liegt bei 16,5 GPa, der zweite Ring B bei 33 GPa, der dritte Ring C bei 49,5 GPa, der vierte Ring D bei 66 GPa und der äußere Ring E bei 82,5 GPa.
Dargestellt ist das Elastizitätsmodul bei einem anderen Faserverbundwerkstoff, hier einem Laminat aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff CFK 50/40/10. Man sieht, dass hier zwischen einem minimalen Wert von 33 GPa und einem maximalen Wert von etwa 82 GPa geschwankt wird.
Nimmt man nun an, dass das Bauteil 10 aus dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff CFK 50/40/10 aufgebaut wird und zwar in einer Anordnung, in der das Elastizitätsmodul praktisch maximal in der Belastungsrichtung F ist, so liegt dort also ein Material mit einer 50 % unidirektionalen Richtung vor. Darin sind die Öffnungen 11 bis 16 eingebracht.
Nun werden die äußeren Öffnungen 11 und 16 mit einem Futter 31 beziehungsweise 36 aus CFK 75/25/0 gefüllt, beziehungsweise mit Bauelementen 40 aus diesem Material, und zwar wird in den Bauelementen 40 dieser Faserverbundwerkstoffe so orientiert, dass in der gleichen Richtung das niedrigste Elastizitätsmodul von 16,4 GPa entsteht.
In der bevorzugten Ausführungsform können darüber hinaus nun die inneren Futter 33 und 34 ebenfalls aus dem Material CFK 75/25/0 ausgeschnitten werden und so orientiert werden, dass sie dort in der Achse der Bolzenlängsreihe 20, zugleich also der Hauptbelastungsrichtung F, den größten Wert des Elastizitätsmoduls von 110,0 GPa aufweisen.
In der Bolzenlängsreihe 20 aus den 1 und 2 ergibt sich sofort, dass die äußeren Bolzen 21, 22, 25, 26 „gesoftet" sind, also von einem Futter 31, 32, 35, 36 mit gegenüber der Umgebung niedrigerem Elastizitätsmodul eingefasst sind, während die inneren Bolzen 23, 24 in der Mitte der Bolzenlängsreihe 20 versteift sind, also von einem Futter 33, 34 mit einem gegenüber der Umgebung höheren Elastizitätsmodul eingefasst sind.
Die Öffnungen 11 bis 16 müssen nicht zwingend Langlochform aufweisen, auch andere Formen sind möglich. Die Langlochform hat den Vorteil, dass sich in ihr die Hauptbelastungsrichtung F besonders gut geometrisch widerspiegeln lässt. Außerdem ist die Langlochform deshalb günstig, weil der Kerbspannungskoeffizient besonders niedrig ist; auch niedriger als bei einer Kreisform oder einer Ellipsenform.
In der 5 wird schematisch ein Herstellungsverfahren für die Faserverbundstruktur mit der Bolzenverbindung angedeutet. Ein Bauelement 40 wird ausgeschnitten und besitzt eine entsprechende Langform. Es besteht aus einem anisotropen Faserverbundwerkstoff. Es wird mit einer Durchbohrung versehen, in die ein Bolzen 21 gesteckt werden kann.
Zugleich wird ein Bauteil 10 mit einer Öffnung 11 versehen, deren Umrisse die gleiche Langlochform, wie das Bauelement 40 haben. Allerdings sind die Elastizitätsmodule des Bauelements 40 und des Bauteils 10 nicht die gleichen.
Anschließend werden in der rechten Hälfte der Darstellung das Bauelement 40 in die Öffnung 11 eingesetzt und anschließend der Bolzen (hier nicht dargestellt) durch die Bohrung gesteckt. Das Einsetzen des Bauelementes 40 als Futter 31 in die Öffnung 11 mit der Langlochform erfolgt ganz einfach ohne Klebstoff oder mit einer sehr weichen Paste, die für eine nur leichte Fixierung geeignet ist.
In der 6 wird nochmals ein Bauteil 10 gezeigt, das mit einem weiteren Bauteil 17 verbunden werden soll. Während das Bauteil 10 in der Zeichnung auch über den linken Rand hinaus fortgesetzt gedacht werden kann, liegt das Bauteil 17 in der 6 hinter dem Bauteil 10, endet in der dunkel gestrichelten Linie links von der Öffnung 21 und kann nach rechts fortgesetzt gedacht werden.
Das Bauteil 10 ist „gesoftet", also mit entsprechend gefütterten Öffnungen versehen, während das zweite Bauteil 17 als Lasche aufgebaut und nicht gesoftet ist.
Die Bolzenlängsreihe 20 mit ihrer Längsachse, zu der die Bezugszeichenlinie führt, besteht hier nur aus drei Bolzen 21, 23 und 26, die aber zur Verdeutlichung nicht explizit zu sehen sind. Dafür sind die drei Öffnungen 11, 13 und 16 eingezeichnet. Es sei wieder angenommen, dass das Bauteil 10 aus einem Faserverbundwerkstoff CFK 50/40/10 besteht. Eine weitere nicht gesoftete Lasche als Bauteil 18 ist in dieser Darstellung weggelassen.
Von den drei Öffnungen 11, 13 und 16 ist hier nur die erste äußere Öffnung 11 für den Bolzen 21 mit einem Futter 31 versehen, also „gesoftet". Die Öffnung 11 hat hierzu eine Langlochform, welche in der Kraftrichtung, beziehungsweise Belastungsrichtung F orientiert ist. Die Hauptbelastungsrichtung F und die Orientierung der 50 % UD-Schichten des Faserverbundwerkstoffes, beziehungsweise Laminates CFK 50/40/10 im Bauteil 10 sind parallel. Das langlochförmige Futter 31 ist aus einem Rest oder Überschuss oder einer Zugabe des Grundbauteils für das Bauteil 10 ausgeschnitten, sodass die Orientierung der 50 % UD-Schichten senkrecht zur Längsachse des langlochförmigen Futters 31 verläuft. Das Futter 31 ist in die Öffnung 11 einfach ohne Verbindungs- und Fixierungsmittel eingesetzt.
Diese Anordnung aus 6 ist in den folgenden Figuren rechnerisch ausgewertet worden, um Vergleichswerte der Erfindung zum Stand der Technik zu bekommen.
Als Bolzen 21 ist für die erfindungsgemäße Konzeption dabei ein Bolzen aus einer Titanlegierung mit 4 mm Durchmesser für die Öffnung 11 verwendet worden. Für die Öffnungen 13 und 16 sind Bolzen 23 und 26 aus Stahl mit einem Durchmesser von 6 mm eingesetzt worden.
Auf der Grundlage dieser vereinfachten Struktur sind Messungen für verschiedene Varianten in der 7 durchgerechnet worden. 7 zeigt eine durch die Finite-Elemente-Methode (FEM) gerechnete Nietkraftverteilung (transferload) für die in der 6 dargestellte Konstruktion mit dem Bauteil 10 und der Bolzenverbindung. Dargestellt sind nach rechts die Bolzen 21, 23 und 26 und darüber nach oben die Nietkraftverteilung in Prozent zwischen den einzelnen Bolzen. Zu sehen sind drei Kurven, von denen die erste Kurve 51, die Nietkraftverteilung bei einer derartigen erfindungsgemäßen Konzeption zeigt.
Als Vergleich sind in einer weiteren Kurve 52 die gleichen Bolzen 21, 23 und 26, wie in der Kurve 51 eingesetzt worden, aber ohne das Vorsehen der erfindungsgemäßen Öffnungen mit eingesetzten Bauelementen 40 und schließlich als wei terer Vergleich eine Kurve 53, bei der drei Stahlbolzen mit je 6 mm Durchmesser ohne Softening, also ohne Öffnungen und Futter für die Bolzen vorgesehen sind.
Eindeutig sieht man, dass die Nietkraftverteilung der Kurve 51 im Vergleich zu den Nietkraftverteilungen in den Kurven 52 und 53 den niedrigsten Transferload gerade bei der gefährlichsten ersten Bolzenreihe für die Bolzen 21 aufweist.
In der 8 ist für den gleichen Versuch aus 6 ebenfalls von links nach rechts die Bolzenreihe mit den drei Bolzen 21, 23 und 26 dargestellt und darüber nach oben der Bruttokerbfaktor K_tθ,brutto aufgetragen. Auch der Bruttokerbfaktor ist mit der Finiteelementemethode (FEM) errechnet worden. Es sind die gleichen drei Versuche vorgenommen worden. Die Kurve 61 zeigt die erfindungsgemäße Konzeption, die Kurve 62 eine Konzeption mit den gleichen Bolzen, aber ohne Softening, die Kurve 63 schließlich wiederum drei Stahlbolzen mit 6 mm Durchmesser ohne Softening.
Der Bruttokerbfaktor ist dabei in seinem Einfluss auf die Ränder der Öffnungen des Bauteils 10 dargestellt. Eindeutig ist der Kerbfaktorverlauf 61 in Vergleich zu den beiden anderen Verläufen 62 und 63 gerade der für die Bolzenverbindung hinsichtlich der meisten gefährdeten ersten Bolzen 21 niedrigste Bruttokerbfaktor.
Schließlich zeigt 9 die Zugfestigkeit in Megapascal (MPa) nach oben dargestellt über die gleichen drei Bolzenkonzeptionen wie in den vorhergehenden Beispielen. In der linken Reihe sind die drei Stahlbolzen, in der mittleren Reihe die nicht gesoftete Konzeption der Bolzen aus Titan mit 4 mm Durchmesser und Stahl aus 6 mm und in der rechten Spalte die erfindungsgemäße Konzeption dargestellt, die einen deutlichen Zugfestigkeitsgewinn von 125 Megapascal gegenüber der zweitbesten Lösung aufweist.

10: Bauteil aus Faserverbundwerkstoff
11: erste äußere Öffnung
12: zweite mittlere Öffnung
13: dritte innere Öffnung
14: vierte innere Öffnung
15: fünfte mittlere Öffnung
16: sechste äußere Öffnung
17: weiteres Bauteil
18: weiteres Bauteil
20: Bolzenlängsreihe
21: erster Bolzen
22: zweiter Bolzen
23: dritter Bolzen
24: vierter Bolzen
25: fünfter Bolzen
26: sechster Bolzen
30: Zwischenräume
31: erstes Futter
32: zweites Futter
33: drittes Futter
34: viertes Futter
35: fünftes Futter
36: sechstes Futter
40: Bauelemente
51: Kurve
52: Kurve
53: Kurve
61: Kurve
62: Kurve
63: Kurve

Claims

Faserverbundstruktur mit einer Bolzenverbindung, – bei der die Faserverbundstruktur wenigstens ein Bauteil (10) aus Faserverbundwerkstoffen aufweist, – bei der das Bauteil (10) mit Öffnungen (11 bis 16) für wenigstens eine im Wesentlichen in Belastungsrichtung, (F) angeordnete Längsreihe (20) von Bolzen (21 bis 26) versehen ist, – bei der zumindest eine der äußeren Öffnungen (11, 16) der Bolzenlängsreihe (20) eine größere Weite als der Durchmesser der dazugehörigen, durch die Öffnungen gesteckten Bolzen (21, 26) aufweist, – bei der in dem somit vorhandenen Zwischenraum (30) zwischen den Bolzen (21, 26) und dem Rand der Öffnungen (11, 16) ein Futter (31, 36) angeordnet ist, – bei der das Futter (31, 36) aus einem Werkstoff mit einem niedrigeren Elastizitätsmodul in der Belastungsrichtung als dem des Bauteils (10) aus dem Faserverbundwerkstoff in der Belastungsrichtung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Futterwerkstoff des Futters (31, 36) ein anisotroper Faserverbundwerkstoff ist, und dass die Futter (31, 36) aus vorgefertigten Bauelementen (40) bestehen.
Faserverbundstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Futterwerkstoff der Futter (31, 36) der gleiche Faserverbundwerkstoff wie der des umgebenden Bauteils (10) ist, und dass das Futter (31, 36) mit einer anderen Orientierung als der des Bauteils (10) so in die Öffnungen (11, 16) eingesetzt ist, dass durch die Anisotropie des Faserverbundwerkstoffs das Elastizitätsmodul des Werkstoffs in der Belastungsrichtung (F) im Futter (31, 36) niedriger ist als im Bauteil (10).
Faserverbundstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Futter (31, 36) so orientiert ist, dass sein Futterwerkstoff in der Belastungsrichtung (F) den niedrigsten Elastizitätsmodul dieses anisotropen Werkstoffes aufweist.
Faserverbundstruktur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgefertigten Bauelemente (40) des Futters (31, 36) aus Resten oder Überschussbereichen des umgebenden Bauteils (10) geschnitten sind.
Faserverbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Futter (31, 36) und das umgebende Bauteil (10) nicht stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Faserverbundstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Futter (31, 36) und das umgebende Bauteil (10) zwar nicht stoffschlüssig, jedoch formschlüssig miteinander verbunden sind.
Faserverbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch die inneren Öffnungen (13, 14) für die im Wesentlichen in Belastungsrichtung (F) angeordnete Längsreihe (20) von Bolzen (21 bis 26) eine größere Weite als der Durchmesser der dazugehörigen, durch die Öffnungen (13, 14) gesteckten Bolzen (23, 24) aufweisen, dass in dem somit vorhandenen Zwischenraum (30) zwischen den Bolzen (23, 24) und dem Rand der Öffnungen (13, 14) ein Futter (33, 34) angeordnet ist, und dass das Futter (33, 34) aus einem Werkstoff mit einem höheren Elastizitätsmodul in der Belastungsrichtung (F) als dem des Bauteils (10) aus dem Faserverbundwerkstoff in der Belastungsrichtung (F) besteht.
Faserverbundstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Futterwerkstoff dieser Futter (33, 34) in den inneren Öffnungen (13, 14) ein anisotroper Faserverbundwerkstoff ist, dass die Futter (33, 34) aus vorgefertigten Bauelementen bestehen, dass der Futterwerkstoff der gleiche Faserverbundwerkstoff wie der des umgebenden Bauteils (10) ist, und dass das Futter mit einer anderen Orientierung als der des Bauteils (10) so in die innere Öffnung (13, 14) eingesetzt ist, dass durch die Anisotropie des Faserverbundwerkstoffs das Elastizitätsmodul des Werkstoffs in der Belastungsrichtung (F) im Futter (33, 34) höher ist als im Bauteil (10).
Faserverbundstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Futter (33, 34) in den inneren Öffnungen (13, 14) so orientiert ist, dass sein Futterwerkstoff in der Belastungsrichtung (F) den höchsten Elastizitätsmodul dieses anisotropen Werkstoffes aufweist.
Faserverbundstruktur nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgefertigten Bauelemente des Futters (33, 34) in den inneren Öffnungen (13, 14) aus Resten oder Überschussbereichen des umgebenden Bauteils (10) geschnitten sind.
Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundstruktur mit einer Bolzenverbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundbauteil aus einem anistropen Faserverbundwerkstoff geformt wird, dessen Fläche größer ist, als die des benötigten Bauteils (10), dass aus dem Grundbauteil das Bauteil (10) mit seinen Öffnungen (11 bis 16) ausgeschnitten wird, dass aus den für das Bauteil (10) nicht benötigten Teilen des Grundbauteils, Bauelemente (40) ausgeschnitten werden, die als Futter (31, 36) einsetzbar sind und bei deren Zuschnitt die Anisotropie so berücksichtigt wird, dass die Bauelemente (40) als Futter (31 bis 36) den Bedingungen aus einem der Ansprüche 1 bis 10 genügen, dass die Bauelemente (40) als Futter (31 bis 36) eingesetzt werden, dass in die Futter (31 bis 36) vor oder nach dem Schritt des Einsetzens Durchgangsbohrungen für das Durchstecken der Bolzen (21 bis 26) geschaffen werden, und dass die Bolzen (21 bis 26) eingesteckt werden.