DE102005027173B4 - Tensile strut made of fiber composite material and used in aircraft and vehicle construction - Google Patents
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- F16C7/00—Connecting-rods or like links pivoted at both ends; Construction of connecting-rod heads
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- F16C7/026—Constructions of connecting-rods with constant length made of fibre reinforced resin
Abstract
Zug-Druckstrebe aus Faserverbundwerkstoff zur Kraftübertragung, aufweisend ein Zugkraftübertragungselement, ein Druckkraftübertragungselement und ein Krafteinleitungselement (3), wobei das Zugkraftübertragungselement als eine Zugschlaufe (1) ausgebildet ist, deren Innendurchmesser das Krafteinleitungselement (3) formschlüssig kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckkraftübertragungselement als eine Druckschlaufe (2) ausgebildet ist, deren Außendurchmesser an das Krafteinleitungselement (3) formschlüssig kontaktiert.A tensile compression strut made of fiber composite material for power transmission, comprising a tensile force transmission element, a pressure force transmission element and a force introduction element (3), wherein the tensile force transmission element is designed as a pull loop (1) whose inner diameter the force introduction element (3) positively contacted, characterized in that the pressure force transmission element as a pressure loop (2) is formed, the outer diameter of which is in positive contact with the force introduction element (3).
Description
Die Erfindung betrifft eine Zug-Druckstrebe aus Faserverbundwerkstoff zur Kraftübertragung und deren bevorzugten Verwendung im Flug- und Fahrzeugbau. The invention relates to a train-pressure strut made of fiber composite material for power transmission and their preferred use in aircraft and vehicle.
Der Einsatz von hoch belastbaren Faserverbundwerkstoffen, z. B. mit Kohlenstoff-, Glas-, Siliziumcarbid-, Aramid- oder Borfasern, sowie einer Matrix, z. B. aus Kunststoff, Metall oder Keramik, erfordert die Verwendung entsprechender Methoden zur werkstoffgerechten Krafteinleitung. Werkstoffgerecht bedeutet hierbei, dass die Anisotropie des Werkstoffs hinsichtlich der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften in Faserrichtung und quer hierzu zielgerichtet ausgenutzt wird. The use of high-strength fiber composites, eg. B. with carbon, glass, silicon carbide, aramid or boron fibers, and a matrix, for. As plastic, metal or ceramic, requires the use of appropriate methods for material-oriented force application. Appropriate for the material here means that the anisotropy of the material is exploited purposefully with regard to the different mechanical properties in the fiber direction and transversely thereto.
Seit vielen Jahren ist bereits die Methode der Schlaufenverbindung zur Krafteinleitung in zugbelastete Stabstrukturen bekannt. Nach dieser Konstruktionsmethode werden die Verstärkungsfasern schlaufenartig um einen Bolzen gelegt, sodass unter Zugbelastung des Bolzens eine formschlüssige Verbindung zwischen Verstärkungsfasern und krafteinleitendem Bolzen besteht. Durch diese Faseranordnung wird das Tragfähigkeitspotenzial der Faserverstärkung unter Zugbelastung optimal genutzt. Problematisch ist bei dieser Methode die Einleitung von Druckkräften. For many years, the method of loop connection for the introduction of force into tensile bar structures is already known. According to this construction method, the reinforcing fibers are looped around a bolt, so that under tensile load of the bolt there is a positive connection between reinforcing fibers and force-introducing bolt. This fiber arrangement makes optimum use of the load capacity potential of the fiber reinforcement under tensile load. The problem with this method is the introduction of compressive forces.
Technische Anwendungen, wie in
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein strebenartiges Bauelement für mechanisch hoch belastete stabartige Tragwerke aus Faserverbundwerkstoffen zu finden, das einerseits die hohe Tragfähigkeit der Faserverbunde in Faserrichtung unter Zuglast zur Geltung kommen lässt und andererseits die Einleitung hoher Drucklasten in das Tragwerk ermöglicht, sodass eine leichtbaugerechte Strukturbauweise erzielt wird. The object of the invention is therefore to find a strippenartiges device for mechanically highly loaded rod-like structures made of fiber composites, on the one hand, the high load capacity of the fiber composites in the fiber direction under tensile load to advantage and on the other hand allows the introduction of high pressure loads in the structure, so a lightweight construction Structural construction is achieved.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 beschrieben, vorteilhafte Verwendungen ergeben sich aus dem Anspruch 10. This object is achieved with the features of
Gemäß der Erfindung wird eine Zug-Druckstrebe aus einem Faserverbundwerkstoff bereitgestellt, die ein Zugkraftübertragungselement, ein Druckkraftübertragungselement und ein Krafteinleitungselement aufweist. Das Zugkraftübertragungselement ist als Zugschlaufe und das Druckkraftübertragungselement als Druckschlaufe ausgebildet. Das Krafteinleitungselement, welches z. B. aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist, kontaktiert die Zugschlaufe formschlüssig an deren Innendurchmesser und die Druckschlaufe formschlüssig an deren Außendurchmesser. Die Druckschlaufe ist derart innerhalb der Zugschlaufe positioniert, dass sich die Position der Krafteinleitung, an der beispielsweise ein Bolzen als Verbindungselement zu anderen Bauteilen angebracht ist, zwischen dem Scheitelpunkt der Zugschlaufe und dem Scheitelpunkt der Druckschlaufe befindet. According to the invention, there is provided a tension-strut of a fiber composite material comprising a tensile force transmitting member, a compressive force transmitting member and a force introduction member. The tensile force transmission element is designed as a pull loop and the pressure force transmission element as a pressure loop. The force introduction element, which z. B. is made of a metallic material, the pull loop contacted form-fitting manner to the inner diameter and the pressure loop form fit to the outer diameter. The pressure loop is positioned within the pull loop such that the position of force input to which, for example, a bolt is attached as a connector to other components is between the apex of the pull loop and the apex of the pressure loop.
Vorteil der Erfindung ist, dass die Zugkräfte durch die Zugschlaufe aufgenommen und die Druckkräfte über die Schlaufenstirnfläche der Druckschlaufe in die Druckschlaufe eingeleitet werden können. Durch den ununterbrochenen Faserverlauf an der Druckschlaufe ist die Aufnahme hoher Drucklasten in die Zug-Druckstrebe ermöglicht. Advantage of the invention is that the tensile forces absorbed by the Zugschlaufe and the pressure forces can be introduced via the loop end face of the pressure loop in the pressure loop. Due to the uninterrupted fiber flow on the pressure loop, it is possible to absorb high pressure loads into the tension-compression strut.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zug- und/oder die Druckschlaufe aus einem Fasermaterial, wie z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Borfasern, Siliziumcarbidfasern oder Aramidfasern, hergestellt sind. It can be provided that the tension and / or the pressure loop of a fiber material, such. As carbon fibers, glass fibers, boron fibers, Siliziumcarbidfasern or aramid fibers are made.
Im Kontaktbereich zwischen Zugschlaufe und Krafteinleitungselement bzw. Druckschlaufe und Krafteinleitungselement kann ein aus dem Stand der Technik bekannter Gleitfilm eingebracht sein. Alternativ kann das Krafteinleitungselement mit der Zug- und/oder Druckschlaufe stoffschlüssig, z. B. durch eine Klebeverbindung, verbunden sein. In the contact region between the pull loop and the force introduction element or pressure loop and the force introduction element, a sliding film known from the prior art can be introduced. Alternatively, the force introduction element with the tension and / or pressure loop cohesively, z. B. be connected by an adhesive bond.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet die stoffschlüssige Verbindung der Zug- und Druckschlaufe, sodass sich beide Schlaufen in ihrer Funktion ergänzen und auch Traganteile der jeweilig anderen Schlaufe übernehmen können. Dies kann einerseits durch eine integrale Fertigung der Schlaufenkörper und andererseits durch eine stoffschlüssige Verbindung der Zug- und Druckschlaufen erfolgen. Auch ermöglicht diese Verbindung das Erhöhen der Struktursteifigkeit, was gerade bei druckbelasteten Bauteilen hinsichtlich der Stabilität vorteilhaft ist. Another embodiment includes the cohesive connection of the tension and pressure loop, so that both loops complement each other in their function and can also take over Traganteile the respective other loop. This can be done on the one hand by an integral production of the loop body and on the other hand by a cohesive connection of the tension and pressure loops. This connection also makes it possible to increase the structural rigidity, which is advantageous in terms of stability, especially with components subjected to pressure.
Eine Ausführungsform beinhaltet die Kombination der Zug- bzw. Druckschlaufe mit einem oder mehreren Schubfeldern dergestalt, dass diese zwischen den Schlaufen angeordnet sind und die Zug-Druckstrebe eine Kastenform aufweist. Die Parallelität der Zug- und Druckschlaufen kann ebenso durch eine Bandage sichergestellt sein. Durch die Schubfelder und/oder die Bandage ist die Aufnahme von Quer- oder Torsionslasten ermöglicht. Dies ist insbesondere bei druckbelasteten oder auch gekrümmten Schlaufenausgestaltungen zu bevorzugen, da hierdurch allfällige Imperfektionen bzw. zu hohe transversale Verformungen ausgeglichen werden können. Derartige Verformungen würden zu einem frühzeitigen Stabilitätsversagen der Schlaufen führen. One embodiment involves the combination of the pull or pressure loop with one or a plurality of shear fields such that they are arranged between the loops and the tension strut has a box shape. The parallelism of the tension and pressure loops can also be ensured by a bandage. The shear fields and / or the bandage enable the absorption of transverse or torsional loads. This is to be preferred in particular in the case of pressure-loaded or even curved loop configurations, as this can compensate for any imperfections or excessive transverse deformations. Such deformations would lead to early stability failure of the loops.
Vorteilhaft sind die Zugschlaufe, die Druckschlaufe und das Krafteinleitungselement durch optimierte Toleranzfestlegung und Fügung derart miteinander verbunden, dass die Druckschlaufe bereits im Einbauzustand unter einer Druckvorspannung und die Zugsschlaufe unter einer Zugvorspannung stehen. Dies ist erreichbar, indem z. B. Zugschlaufe, Druckschlaufe und Krafteinleitungselement mit einem Übermaß gefügt werden, z. B. durch Abkühlung des Krafteinleitungselements vor dem Fügen in einem flüssigen Stickstoffbad. Die Vorspannung ermöglicht das Ausgleichen allfälliger Setzeffekte und führt zu einem gleichmäßigen Tragbild der Schlaufen. Advantageously, the pull loop, the pressure loop and the force introduction element are interconnected by optimized tolerance definition and joining in such a way that the pressure loop already under a compressive prestress and the pull loop are under a tensile prestress in the installed state. This can be achieved by z. B. Zugschlaufe, pressure loop and force introduction element are joined with an oversize, z. B. by cooling the force introduction element before joining in a liquid nitrogen bath. The preload makes it possible to compensate for any settling effects and leads to a uniform contact pattern of the loops.
Eine kraftschlüssige Verbindung (Presspassung) ist bevorzugt mit einer stoffschlüssigen Verbindung (Klebeverbindung) kombinierbar. A frictional connection (press fit) is preferably combined with a material connection (adhesive connection).
Vorteilhafterweise kann die Druckschlaufe ferner durch einen Klemmkeil ergänzt sein, der selbsthemmend zwischen den Schlaufensträngen appliziert ist und eine zusätzliche Stützung bzw. sogar positive transversale Druckvorspannung ermöglicht. Hiermit lässt sich die Tragfähigkeit u. a. durch die gezielte Einbringung von Eigenspannungen weiter erhöhen ohne jedoch hohe Gewichtsnachteile zu haben. Advantageously, the pressure loop can also be supplemented by a clamping wedge, which is applied in a self-locking manner between the loop strands and allows additional support or even positive transverse compressive prestressing. Hereby, the carrying capacity u. a. through the targeted introduction of residual stresses further increase without having high weight penalties.
Weiterhin kann das Krafteinleitungselement einen zusätzlichen Teilbereich innenliegend im gesamten Krümmungsbereich der Druckschlaufe aufweisen. Hierdurch wird eine zusätzliche Stützung gegen lokale Biegeeffekte erzielt. Diese Ausführungsform bietet außerdem den Vorteil, dass die Druckschlaufe über den am Schlaufeninnenrand liegenden Bereich des Krafteinleitungselements bei Zugbelastung einen Traganteil aufnehmen kann, wenn z. B. der Elastizitätsmodul der Fasern in der Zugschlaufe deutlich geringer ist als der Elastizitätsmodul der Fasern der Druckschlaufe. Gleiches gilt umgekehrt, sodass erfindungsgemäß je nach geometrischen Anforderungen oder Belastungsniveau eine optimale Faserausnutzung und somit maximaler Leichtbau, erfolgen kann. Furthermore, the force introduction element may have an additional portion inside lying in the entire curvature region of the pressure loop. This provides additional support against local bending effects. This embodiment also has the advantage that the pressure loop can absorb a supporting share over the lying on the inner edge of the loop region of the force transmission element under tensile load when z. B. the modulus of elasticity of the fibers in the Zugschlaufe is significantly lower than the modulus of elasticity of the fibers of the pressure loop. The same applies vice versa, so that according to the invention, depending on geometric requirements or load level optimal fiber utilization and thus maximum lightweight construction, can be done.
Bevorzugt sind die Druckschlaufe und die Zugschlaufe im Bereich des Krafteinleitungselements seitlich gestützt. Dadurch erhöht sich die Tragfähigkeit der Zug- Druckstrebe. Preferably, the pressure loop and the pull loop are laterally supported in the region of the force introduction element. This increases the load capacity of the tension strut.
Vorteilhaft ist das Krafteinleitungselement derart gestaltet, dass die Zug- und Druckschlaufen frei von Biegebelastungen sind. Advantageously, the force introduction element is designed such that the tension and pressure loops are free of bending loads.
Ferner können Zugschlaufe und Druckschlaufe mit verschiedenen Wanddicken ausgeführt sein. Dies ermöglicht den Ausgleich der Tragfähigkeit für den Fall, dass die Zug-Druckstrebe mit unterschiedlichen Lasthöhen im Zug und Druckbereich belastet ist - aber auch bei einer gleichen Höhe der Drucklasten und Zuglasten, um den typischerweise unterschiedlichen Zug- und Druckfestigkeiten der Faserverbunde gerecht zu werden. Furthermore, the drawstring and pressure loop can be designed with different wall thicknesses. This allows the compensation of the load capacity in the event that the train strut is loaded with different load heights in the train and pressure range - but also at an equal level of pressure loads and tensile loads to meet the typically different tensile and compressive strengths of the fiber composites.
Es kann vorgesehen sein, dass die Faserstruktur der Zugschlaufe und Druckschlaufe eine doppelt gekrümmte Struktur aufweisen. Dies wird bei der Herstellung der Zug-Druckstrebe durch das Fixieren in einem Werkzeugsystem ermöglicht. It can be provided that the fiber structure of the pull loop and pressure loop have a double-curved structure. This is made possible in the manufacture of the tension-strut by fixing in a tooling system.
Vorteilhaft können an beiden Endbereichen eines Bolzens je ein Krafteinleitungselement mit Zug- und Druckschlaufe angebracht sein. Advantageously, a force introduction element with tension and pressure loop can be attached to both end regions of a bolt.
Ferner kann die Zug-Druckstrebe an beiden Endbereichen mit Krafteinleitungselementen derart ausgeführt sein, dass sowohl die Zug- als auch die Druckschlaufe vollständig geschlossen sind. Furthermore, the tension-strut can be designed at both end regions with force introduction elements such that both the tension and the pressure loop are completely closed.
Die Zug-Druckstrebe entsprechend der Erfindung kann u. a. an Teilen des Fahrwerks von Flugzeugen, an Flugtriebwerksaufhängungen oder an Motorenaufhängungen im Fahrzeugbau verwendet werden. The tension strut according to the invention can u. a. used on parts of the landing gear of aircraft, on aircraft engine suspensions or on engine suspensions in vehicle construction.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen The invention is explained in more detail by means of embodiments and with reference to the schematic drawings. Show this
Die
In der
Die
In den
Die
Gemäß der
Weiterhin kann das Krafteinleitungselement
Mittels der in der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Zugschlaufe pull tab
- 2 2
- Druckschlaufe pressure loop
- 3 3
- Krafteinleitungselement Force application element
- 3a, 3b 3a, 3b
- geteilte Halbschale divided half shell
- 3c, 3d 3c, 3d
- seitliches Schlaufenstützelement lateral loop support element
- 4 4
- Bolzen bolt
- 5 5
- Bandage bandage
- 6 6
- Klemmkeil clamping wedge
- 7 7
- Hülse shell
- 8 8th
- Schubfeld thrust field
- 9 9
- Drucksteg pressure bar
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