DE102007012167B4

DE102007012167B4 - Drillelastisches und biegesteifes Stabelement zum Lagern und Führen einer beweglichen Klappe gegenüber einem Flügel eines Luftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102007012167B4
Application number: DE102007012167A
Authority: DE
Inventors: Alois Wagner
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: US8640992B2; DE102007012167A1; WO2008110144A1; US20100090062A1

Abstract

Drillelastisches und biegesteifes Stabelement (10) zum Lagern und Führen einer beweglichen Klappe (24) gegenüber einem Flügel (26) eines Luftfahrzeugs, wobei das Stabelement (10) einen kreuzförmigen Profiquerschnitt sowie erste und zweite Befestigungsabschnitte (20, 22) aufweist und aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist, das Stabelement (10) über die ersten Befestigungsabschnitte (20) mit dem Flügel (26) und über die zweiten Befestigungsabschnitte (22) mit der Klappe (24) fest verbindbar ist, das Stabelement (10) und die Befestigungsabschnitte (20, 22) aus einer Vielzahl von unidirektionalen vorimprägnierten Faserschichten – Prepregschichten – laminiert sind, die im Bereich der Befestigungsabschnitte (20, 22) sowie im kreuzförmig ausgebildeten Querschnittskern-Bereich (28) miteinander verklebt sind und die außerhalb dieser Bereiche jeweils durch eine zwischen die Prepregschichten eingelegte Trennfolie voneinander getrennt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein drillelastisches und biegesteifes Stabelement zum Lagern und Führen einer beweglichen Klappe gegenüber einem Flügel eines Luftfahrzeugs gemäß Anspruch 1.
Im Folgenden werden unter dem allgemeinen Ausdruck ”Luftfahrzeuge” sowohl Starrflügelflugzeuge als auch Drehflügelflugzeuge verstanden, d. h. der Begriff ”Flügel” umfasst sowohl einen Tragflügel des Starrflügelflugzeuges als auch ein Rotorblatt des Drehflügelflugzeugs. Obwohl die Erfindung prinzipiell auch für Starrflügelflugzeuge anwendbar ist, wird nachfolgend lediglich ein Rotorblatt eines Drehflügelflugzeugs näher betrachtet.
Bekanntlich entstehen an Rotorblättern eines Drehflügelflugzeugs im laufenden Rotorbetrieb Luftwirbel, die Lärm und Vibrationen erzeugen. Diese sind insbesondere in einer Kabine des Drehflügelflugzeugs spürbar, beeinträchtigen den Komfort der Passagiere und beeinflussen nachteilig die Lebensdauer wesentlicher Bauteile des Drehflügelflugzeugs. Dadurch wiederum wird das Einsatzspektrum des Drehflügelflugzeugs eingeschränkt. Zur Vermeidung derartiger Luftwirbel werden Rotorblätter verwendet, die mit beweglichen, mit Hilfe von Aktuatoren ansteuerbaren Rotorblatt-Klappen ausgestattet sind.
Aus der DE 101 16 479 A1 ist ein Rotorblatt mit einer beweglich gelagerten Klappe bekannt. Die Klappe ist mit Hilfe von Wälzlagern beweglich an dem Rotorblatt befestigt. Die Ansteuerung der Klappe erfolgt über einen Piezoaktuator, der in Profiltiefenrichtung betrachtet beabstandet in einem vorderen Bereich des Rotorblattes angeordnet ist.
Bei bekannten Rotorblättern der zuvor genannten Art lässt bereits nach relativ kurzer Betriebsdauer die Wirksamkeit der Klappe nach und sie verliert schnell ihre Leistungsfähigkeit, weil durch Verschleiß der hochbelasteten Klappenlagerung rasch ein Spiel entsteht. Dadurch wird der verfügbare Klappenauschlagsbereich verringert, die aerodynamische und mechanische Klappenwirkung lässt nach und die Reibung in der Klappenlagerung wird stark erhöht. Dies wiederum beeinträchtigt auch die Leistungsfähigkeit des Aktuators, welcher die Klappe ansteuert. Es sind deshalb in relativ kurzen Zeitintervallen aufwendige Wartungs- oder Austauscharbeiten erforderlich.
Aus der DE 199 09 257 C1 ist ein Verbindungsmittel bekannt, welches eine wälzlagerlose Lagerung einer beweglichen Klappe an einem Rotorblatt eines Drehflügelflugzeugs ermöglicht. Hierzu ist das Verbindungsmittel in dem Bereich zwischen Rotorblatt und Klappe angeordnet und über entsprechende Verbindungsbereiche mit dem Rotorblatt und der Klappe verbunden. Bei einer Auslenkung der Klappe erfolgt eine Torsion des Verbindungsmittels. Das gattungsgemäße Verbindungsmittel ist als ein drillelastisches und biegesteifes Stabelement aus Faserverbundwerkstoff ausgebildet und kann einen kreuzförmigen Profilquerschnitt aufweisen.
Aus der US 5 350 614 A ist ein Verbundgegenstand bekannt mit zwei Verbundteilen, die schwenkbar verbunden sind durch ein Verbundgelenk, das integral mit diesen hergestellt ist. Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundartikels wird auch beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein drillelastisches und biegesteifes Stabelement zum Lagern und Führen einer beweglichen Klappe derart weiter zu bilden, dass das Stabelement verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Drillelastizität und Biegesteifigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein drillelastisches und biegesteifes Stabelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche bilden eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Drillelastizität und Biegesteifigkeit des Stabelements durch eine entsprechende Werkstoffauswahl gezielt beeinflussbar ist.
Nach der Erfindung umfasst das drillelastische und biegesteife Stabelement zum Lagern und Führen einer beweglichen Klappe gegenüber einem Flügel eines Luftfahrzeugs einen kreuzförmigen Profilquerschnitt mit ersten und zweiten Befestigungsabschnitten und ist aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet. Über die ersten Befestigungsabschnitte ist das Stabelement mit dem Flügel und über die zweiten Befestigungsabschnitte mit der Klappe fest verbindbar. Erfindungsgemäss sind das Stabelement und die Befestigungsabschnitte aus einer Vielzahl von unidirektionalen vorimprägnierten Faserschichten – Prepregschichten – laminiert, die im Bereich der Befestigungsabschnitte sowie in einem kreuzförmig ausgebildeten Querschnitts-Kernbereich miteinander verklebt sind und die ausserhalb dieser Bereiche jeweils durch eine zwischen die Prepregschichten eingelegte Trennfolie von einander getrennt sind. Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung des Stabelements ist ein Stabelement zur Verfügung gestellt, das in vorteilhafter Weise Bereiche mit geringer Verdrehsteifigkeit, d. h. hoher Drillelastizität, nämlich die Bereiche, in denen zwischen zwei jeweils übereinander liegenden Prepregschichten eine Trennfolie eingelegt ist. Diese Bereiche zeichnen sich gleichzeitig durch eine hohe Biegesteifigkeit aus. Hierdurch ist auf eine einfache Art und Weise eine gezielte Dimensionierung des Stabelements, nämlich geringe Verdrehsteifigkeit im Bereich um die Klappenachse und hohe Biegesteifigkeit in Auftriebsrichtung, ermöglicht.
Weitere Vorteile liegen insbesondere darin, dass das Stabelement einfach und kostengünstig herstellbar ist und keine Wartung erfordert. Zudem ist eine derartige Lagerung einer Klappe an einem Flügel reibungsfrei und weist eine hohe Lebensdauer (> 2000 h) auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Stabelement einen in Profiltiefenrichtung des Flügels ausgerichteten ersten Schenkel mit einer Gesamtlänge L_T und einen senkrecht dazu angeordneten, in Auftriebsrichtung ausgerichteten zweiten Schenkel mit einer Gesamtlänge L_A, wobei die Gesamtlänge L_T des ersten Schenkels größer als die Gesamtlänge L_A des zweiten Schenkels ist. Die ungleichmäßige Ausgestaltung der beiden Schenkel erweist sich als vorteilhaft im Hinblick auf die für das Stabelement bereichsweise geforderte geringe Verdrehsteifigkeit und hohe Biegesteifigkeit.
Vorzugsweise weisen dabei die beiden Schenkel bezogen auf die Gesamtlänge Lides ersten Schenkels ein Längenverhältnis L_A/L_T von 0,28 bis 0,34 auf. Das Längenverhältnis L_A/L_T von 0,28 bis 0,34 erweist sich als vorteilhaft, da hierdurch eine funktionale und kompakte Bauform gewährleistet ist.
In vorteilhafter Weise ist der kreuzförmige Profilquerschnitt des Stabelements in Profiltiefenrichtung betrachtet unsymmetrisch ausgebildet, d. h. der erste Schenkel des Stabelements weist einen dem Flügel zugeordneten ersten Abschnitt mit einer Länge L_T1 und einen der Klappe zugeordneten zweiten Abschnitt mit der Länge L_T2 auf, wobei die Länge L_T1 des ersten Abschnitts größer als die Länge L_T2 des zweiten Abschnitts ist. Dies hat den Effekt, dass für die durch einen Klappenausschlag bedingte/notwendige Torsion des Stabelements entsprechend groß dimensionierte Torsionsfelder mit hoher Drillelastizität vorliegen, sodass ein leichtgängiges Schwenken der Klappe um eine Rotorlängsachse gewährleistet ist.
Erste Auslegungsberechnungen haben gezeigt, dass die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn bezogen auf die Gesamtlänge LT des ersten Schenkels der erste Abschnitt ein Längenverhältnis LT1/LT von 0,6 bis 0,73 und der zweite Abschnitt ein Längenverhältnis LT2/LT von 0,3 bis 0,36 aufweist.
Vorzugsweise weisen der erste und der zweite Schenkel eine gleichgroße Querschnittsdicke d auf. Dies hat den Effekt, dass eine einfache und kostengünstige Herstellung gewährleistet ist.
Bezogen auf die Gesamtlänge LT des ersten Schenkels beträgt das Dickenverhältnis der beiden Schenkel d/LT jeweils 0,056 bis 0,068. Durch das Dickenverhältnis von 0,056 bis 0,068 ist eine kompakte und leichte Bauform sichergestellt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind das Stabelement und die ersten und zweiten Befestigungsabschnitte einteilig ausgebildet. Dies erweist sich wiederum vorteilhaft in Hinblick auf eine einfache und kostengünstige Herstellung des Stabelements.
Um ein einfaches Befestigen des Stabelements an dem Flügel respektive an der Klappe zu gewährleisten, sind die ersten und zweiten Befestigungsabschnitte des Stabelements jeweils stegförmig ausgebildet.
Die Befestigung zwischen den ersten Befestigungsabschnitten und dem Flügel bzw. zwischen zweiten Befestigungsabschnitten und der Klappe kann dabei stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig ausgebildet sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordnete Bezugszeichen verwendet.
In der Zeichnung bedeuten:
1 eine perspektivische Darstellung eines drillelastischen und biegesteifen Stabelements;
2 das Stabelement aus 1, das über seine Befestigungsabschnitte einerseits mit einem Strukturbereich eines Rotorblatts und andererseits mit einer Klappe fest verbunden ist;
3 ein Querschnitt entlang der Linie A-A in 1;
4 ein Querschnitt entlang der Linie B-B in 2, und
5 ein Querschnitt entlang der Linie C-C in 2.
In 1 ist mehr oder minder schematisch ein insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnetes drillelastisches und biegesteifes Stabelement dargestellt. Das Stabelement 10 weist ein kreuzförmiges Profil mit einem in Profiltiefenrichtung T ausgerichteten ersten Schenkel 12 mit einer Länge L_T und einem in Auftriebsrichtung A ausgerichteten zweiten Schenkel 14 mit einer Länge L_A auf.
Der erste in Profiltiefenrichtung T ausgerichtete Schenkel 12 ist durch den zweiten Schenkel 14 in zwei Abschnitte geteilt, nämlich einen ersten Abschnitt 16 mit einer Länge L_t1 und einen zweiten Abschnitt 18 mit einer Länge L_t2.
Während der erste Abschnitt 16 mehrere erste Befestigungsabschnitte 20 zur Befestigung an ein Rotorblatt aufweist, sind an dem zweiten Abschnitt 10 mehrere zweite Befestigungsabschnitte 22 zur Befestigung mit einer Klappe angeordnet. Das Stabelement 10 sowie die ersten und zweiten Befestigungselemente 20, 22 sind vorliegend einteilig ausgebildet.
Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, dient das Stabelement 10 zur Lagerung und Führung einer schwenkbeweglichen Klappe 24 an einem Rotorblatt 26. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist von dem Rotorblatt 26 lediglich ein Strukturelement dargestellt. Die Verbindung zwischen ersten Befestigungsabschnitten 20 und dem Rotorblatt 26 sowie zwischen zweiten Befestigungsabschnitten 22 und Klappe 24 ist vorliegend jeweils als eine Klebeverbindung ausgebildet.
Die Schwenkung der Klappe 24 wird in bekannter Art und Weise über mindestens einen Aktuator initiiert, der bzw. die über entsprechende Kraftübertragungsmittel mit der Klappe 24 in Wirkverbindung stehen. Aufgrund der Befestigung des Stabelements 10 über die ersten und zweiten Befestigungsabschnitte 20, 22 mit dem Rotorblatt 26 und der Klappe 24 erfolgt bei einer Auslenkung der Klappe 24 eine Torsion des Stabelements 10. Für eine einwandfreie Funktion des Stabelements 10 ist es daher erforderlich, dass das Stabelement 10 eine möglichst geringe Verdrehsteifigkeit bzw. hohe Drillelastizität entlang einer Rotorblatt-Längsachse R_L aufweist, um eine leichtgängige Schwenkbewegung der Klappe 24 zu ermöglichen, und dass das Stabelement 10 eine hohe Biegesteifigkeit in Auftriebsrichtung A und hohe Zugfestigkeit in Profiltiefenrichtung T aufweist, um eine ausreichende Stabilität zu gewährleisten.
Diese Anforderungen an das Stabelement 10 werden durch den erfindungsgemäßen Aufbau erfüllt:
Wie aus 3 ersichtlich ist, ist das Stabelement 10 aus einer Vielzahl von jeweils senkrecht zur Querschnittsebene angeordnet unidirektionalen vorimprägnierten CFK-Faserschichten, nachfolgend auch als Prepregschichten bezeichnet, laminiert.
Während in einem kreuzförmig ausgebildeten Querschnitts-Kernbereich 28 die einzelnen Prepregschichten miteinander verklebt sind, sind außerhalb dieses Querschnitts-Kernbereichs 28 die Prepregschichten jeweils durch eine zwischen zwei Prepregschichten eingelegte Folie voneinander getrennt.
Die in dieser Schnittdarstellung nicht gezeigten ersten und zweiten Befestigungsabschnitte 20, 22 sind ebenfalls aus einer Vielzahl von unidirektionalen CFK-Prepregschichten laminiert, die folienfrei ausgebildet sind, d. h. die, entsprechend zu dem Querschnitts-Kernbereich 28, miteinander verklebt sind.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Stabelements 10 weist es eine hohe Biegesteifigkeit in Auftriebsrichtung A und eine hohe Zugsteifigkeit in Profiltiefenrichtung T auf, während durch die eingelegte Trennfolie zwischen zwei Prepregschichten eine ausreichende Torsionsweichheit des Stabelements 10 um die Rotorblatt-Längsachse R_L gewährleistet ist.
4 und 5 zeigen nochmals in einer vergrößerten Darstellung die Anbindung des Stabelements 10 an die Klappe 24 bzw. an das Rotorblatt 26.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel des Stabelements 10 zur Lagerung einer 700 mm langen Klappe 24 beträgt die Länge L_T des ersten Schenkels 12 L_T = 45 mm und die Länge L_A des zweiten Schenkels 14 L_A = 14 mm. Während der erste Abschnitt 16 des ersten Schenkels 12 I_T1 = 30 mm lang ist, weist der zweite Abschnitt 18 des ersten Schenkels 12 eine Länge von L_T2 = 15 mm auf. Die Dicke d der beiden Schenkel 12, 14 beträgt jeweils d = 2,8 mm. Bezogen auf L_T als Referenzlänge weist das Stabelement 10 die folgenden dimensionslosen Kennzahlen auf: L_A/L_T = 0,31; L_T1/L_T = 0,66; L_T2/L_T = 0,33; d/L_T = 0,062.

Claims

Drillelastisches und biegesteifes Stabelement (10) zum Lagern und Führen einer beweglichen Klappe (24) gegenüber einem Flügel (26) eines Luftfahrzeugs, wobei das Stabelement (10) einen kreuzförmigen Profiquerschnitt sowie erste und zweite Befestigungsabschnitte (20, 22) aufweist und aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist, das Stabelement (10) über die ersten Befestigungsabschnitte (20) mit dem Flügel (26) und über die zweiten Befestigungsabschnitte (22) mit der Klappe (24) fest verbindbar ist, das Stabelement (10) und die Befestigungsabschnitte (20, 22) aus einer Vielzahl von unidirektionalen vorimprägnierten Faserschichten – Prepregschichten – laminiert sind, die im Bereich der Befestigungsabschnitte (20, 22) sowie im kreuzförmig ausgebildeten Querschnittskern-Bereich (28) miteinander verklebt sind und die außerhalb dieser Bereiche jeweils durch eine zwischen die Prepregschichten eingelegte Trennfolie voneinander getrennt sind.
Drillelastisches und biegesteifes Stabelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabelement (10) einen in Profiltiefenrichtung (T) des Flügels (24) ausgerichteten ersten Schenkel (12) mit einer Gesamtlänge L_T und einen senkrecht dazu angeordneten, in Auftriebsrichtung (A) ausgerichteten zweiten Schenkel (14) mit einer Gesamtlänge L_A umfasst, wobei die Gesamtlänge L_T des ersten Schenkels (12) größer als die Gesamtlänge L_A des zweiten Schenkels (14) ist.
Drillelastisches und biegesteifes Stabelement nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf den ersten Schenkel (12) die beiden Schenkel (12, 14) ein Längenverhältnis L_A/L_T von 0,28 bis 0,34 aufweisen.
Drillelastisches und biegesteifes Stabelement nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kreuzförmige Profilquerschnitt des Stabelements (10) in Profiltiefenrichtung (T) betrachtet unsymmetrisch ausgebildet ist und der erste Schenkel (12) des Stabelements (10) einen dem Flügel (26) zugeordneten ersten Abschnitt (16) mit einer Länge L_T1 und einen der Klappe (24) zugeordneten zweiten Abschnitt (18) der Länge L_T2 umfasst, wobei die Länge L_T1 des ersten Abschnitts (16) größer als die Länge L_T2 des zweiten Abschnitts (18) ist.
Drillelastisches und biegesteifes Stabelement nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Gesamtlänge L_T des ersten Schenkels (12) der erste Abschnitt (16) des ersten Schenkels (12) ein Längenverhältnis L_T1/L_T von 0,6 bis 0,73 und der zweite Abschnitt (18) des ersten Schenkels (12) ein Längenverhältnis L_T2/L_T von 0,3 bis 0,36 aufweist.
Drillelastisches und biegesteifes Stabelement nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Schenkel (12, 14) eine gleich große Querschnittsdicke d aufweisen.
Drillelastisches und biegesteifes Stabelement nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Gesamtlänge L_T des ersten Schenkels (12) die beiden Schenkel (12, 14) jeweils ein Dickenverhältnis d/LT von 0,056 bis 0,068 aufweisen.
Drillelastisches und biegesteifes Stabelement nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabelement (10) und die ersten und zweiten Befestigungsabschnitte (20, 22) einteilig ausgebildet sind.
Drillelastisches und biegesteifes Stabelement nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Befestigungsabschnitte (20, 22) des Stabelements (10) jeweils stegförmig ausgebildet sind.
Drillelastisches und biegesteifes Stabelement nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Befestigungsabschnitte (20, 22) des Stabelements (10) stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit der Klappe (24) und dem Flügel (26) verbunden sind.