DE102008018772A1

DE102008018772A1 - Verbindungsanordnung zum Verbinden eines ersten und zweiten Versteifungselementes für ein Luft- oder Raumfahrzeug, und ein Schalenbauteil

Info

Publication number: DE102008018772A1
Application number: DE102008018772A
Authority: DE
Inventors: Stefan Tacke
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2009-10-22

Abstract

Bei einer Verbindungsanordnung zum Verbinden eines ersten und zweiten Versteifungselements (1, 2) eines Luft- oder Raumfahrzeugs weisen die Versteifungselemente (1, 2) Querschnittsprofile mit jeweils zumindest einem Fußabschnitt (3, 4) und zumindest einem Stegabschnitt (5, 6) auf. Sie sind an ihrer stirnseitigen Verbindungsstelle durch ein Laschenelement (7, 15) voneinander beabstandet. Die Verbindungsanordnung umfasst mindestens ein Fußabschnitt-Verbindungselement (20), welches an einer Seite an die geometrische Form des Fußabschnitts (3, 3') des ersten Versteifungselementes (1), an der anderen Seite an die geometrische Form des Fußabschnitts (4) des zweiten Versteifungselementes (2) und an das dazwischen angeordnete Laschenelement (7, 15) anpassbar und an diesen jeweils fest anbindbar ist; und mindestens ein Stegkopplungselement (23), welches an einer Seite an die geometrische Form des Stegabschnitts (5) des ersten Versteifungselementes (1) und an der anderen Seite an das Laschenelement (7, 15) anpassbar und an diesen jeweils fest anbindbar ist. Ein Schalenbauteil eines Luft- oder Raumfahrzeugs umfasst zumindest zwei an einer Quernaht (13) mit einem Laschenelement (7) verbundene Schalenelemente (10, 11), welche jeweils zumindest ein erstes und zweites Versteifungselement (1, 2) aufweisen, die mit einer Verbindungsanordnung verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungsanordnung zum Verbinden eines ersten und zweiten Versteifungselementes eines Luft- oder Raumfahrzeugs, und ein Schalenbauteil.
Obwohl auf beliebige Schalenbauteile anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik nachfolgend mit Bezug auf Faserverbundbauteile, beispielsweise Kohlefaserkunststoff(CFK)-Bauteile, zum Beispiel Hautschalen eines Flugzeugs, näher erläutert.
Es ist allgemein bekannt, CFK-Hautschalen mit Versteifungselementen, so genannten CFK-Stringern zu versteifen, damit den im Luft- oder Raumfahrzeugbereich auftretenden hohen Belastungen bei möglichst geringem zusätzlichen Gewicht standgehalten werden kann. Dabei werden im Wesentlichen zwei Arten von Stringern unterschieden: T- und Omega-Stringer.
T-Stringer weisen einen schmalen Kopfabschnitt und einen breiten Fußabschnitt auf. An dem Fußabschnitt sind sie mit der Hautschale verbunden und weisen den Vorteil einer einfachen Herstellbarkeit auf.
Omega-Stringer weisen in etwa ein Hutprofil auf, wobei dessen Enden als Fußabschnitt mit der Hautschale verbunden sind.
Die Verwendung von Faserverbundbauteilen ist im Flugzeugbau weit verbreitet. Sie werden zum Beispiel durch Vakuuminfusi onsverfahren zum Einbringen einer Matrix, beispielsweise eines Epoxidharzes, in Faserhalbzeuge und nachfolgendem Härten hergestellt. Infusionsverfahren können gegenüber anderen bekannten Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, wie beispielsweise dem Prepreg-Verfahren, kostengünstig sein, weil dies die Verwendung von kostengünstigeren Faserhalbzeugen erlaubt.
Daher sind bei der Herstellung von Schalenbauteilen für den Flugzeugbau versteifende Stringer verschiedener Profilformen derzeit unabdingbar. Auf Grund der statischen Lastanforderungen und dem Bestreben die Strukturen möglichst leicht, fertigungs- und wartungsgerecht zu konstruieren, kann an einem Querstoß von miteinander zu verbindenden Schalenelementen eine Kupplung von Stringern, die auch unterschiedliche Profilformen aufweisen können, nötig sein. Dabei können Probleme aufgrund von Fertigungstoleranzen der zu verbindenden Bauteile auftreten, welche einerseits zu entsprechenden Ausrichtungsarbeiten und andererseits zu zusätzlichen individuellen Anpassungen von Kupplungen führen können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsanordnung für Versteifungselemente bereitzustellen, welche die obigen Nachteile nicht mehr aufweist bzw. in einem erheblichen Maß reduziert und weitere Vorteile schafft.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Schalenbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst.
Demgemäß wird eine Verbindungsanordnung zum Verbinden eines ersten und zweiten Versteifungselementes eines Luft- oder Raumfahrzeugs bereitgestellt. Die Versteifungselemente besitzen Querschnittsprofile mit jeweils zumindest einem Fußabschnitt und zumindest einem Stegabschnitt und sind an ihrer stirnseitigen Verbindungsstelle durch ein Laschenelement voneinander beabstandet. Die Verbindungsanordnung weist mindes tens ein Fußabschnitt-Verbindungselement auf, welches an einer Seite an die geometrische Form des Fußabschnitts des ersten Versteifungselementes, an der anderen Seite an die geometrische Form des Fußabschnitts des zweiten Versteifungselementes und an das dazwischen angeordnete Laschenelement anpassbar und an diesen jeweils fest anbindbar ist. Weiterhin besitzt die Verbindungsanordnung mindestens ein Stegkopplungselement, welches an einer Seite an die geometrische Form des Stegabschnitts des ersten Versteifungselementes und an der anderen Seite an das Laschenelement anpassbar und an diesen jeweils fest anbindbar ist.
Ferner wird ein Schalenbauteil eines Luft- oder Raumfahrzeugs bereitgestellt. Es weist zumindest zwei an einer Quernaht mit einem Laschenelement verbundene Schalenelemente mit jeweils zumindest einem ersten und zweiten Versteifungselement auf. Die Versteifungselemente umfassen Profilquerschnitte, welche jeweils zumindest einen Fußabschnitt und zumindest einen Stegabschnitt besitzen. Diese Versteifungselemente sind in ihrer Längsrichtung mittels einer Verbindungsanordnung verbunden, wobei sie an ihrer stirnseitigen Verbindungsstelle durch das Laschenelement beabstandet sind. Mit diesem Laschenelement ist die Verbindungsanordnung auch verbunden.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung.
Eine grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, eine Verbindungsanordnung mit zumindest einem Fußabschnitt-Verbindungselement und einem Stegkopplungselement zu schaffen, wobei das Fußabschnitt-Verbindungselement an einer Seite an die geometrische Form des Fußabschnitts des ersten Versteifungselementes, an der anderen Seite an die geometrische Form des Fußabschnitts des zweiten Versteifungselementes und an das dazwischen angeordnete Laschenelement anpassbar und an diesen jeweils fest anbindbar ist, und das mindestens eine Stegkopplungselement an einer Seite an die geometrische Form des Stegabschnitts des ersten Versteifungselementes und an der anderen Seite an das Laschenelement anpassbar und an diesen jeweils fest anbindbar ist.
Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den eingangs genannten Ansätzen unter anderem den Vorteil auf, dass es in einer Ausführung möglich ist, Versteifungselemente über einen Querstoß zweier Schalenelemente hinweg mit einer Verbindungsanordnung zu koppeln. Dabei sind Fußabschnitte der Versteifungselemente mit dem dazwischen liegenden Laschenelement über Fußabschnitt-Verbindungselemente der Verbindungsanordnung verbunden. Weiterhin ist der Stegabschnitt des einen Versteifungselementes mit dem Laschenelement unabhängig von einem Fußabschnitt-Verbindungselement mit dem Laschenelement gekoppelt. Das Laschenelement verbindet die Schalenelemente am Querstoß, und somit ist die Verbindungsanordnung über das Laschenelement auch mit den Schalenelementen verbunden.
Damit ist es möglich, Fertigungs- und Montagetoleranzen der Versteifungselemente in der Verbindung auszugleichen, da das zumindest eine Fußabschnitt-Verbindungselement und das Stegkopplungselement als eine so genannte differenzielle Kupplung ausgeführt und nicht miteinander verbunden sind.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Verbindungsanordnung in drei einzelne Komponenten differenziert: zwei Fußabschnitt-Verbindungselemente und ein zentral zwischen diesen angeordnetes Stegkopplungselement. Dadurch wird eine erhöhte Variabilität vereinfachte Herstellung der Verbindungsanordnungselemente erreicht. Anpassungsarbeiten bei Montage der Verbindungsanordnung sind auf ein Minimum reduziert. Fußabschnitt-Verbindungselemente und Stegkopplungselement sind in Querrichtung, da nicht untereinander verbunden, so platzierbar, dass zwischen ihnen in Querrichtung Raum für weitere Anbindungselemente, wie zum Beispiel Befestigungswinkel für Spanten, verfügbar ist.
In einer anderen Ausführung besteht die Möglichkeit, Versteifungselemente mit unterschiedlichen Querschnittsprofil, zum Beispiel können die Versteifungselemente als T-Stringer und Omega-Stringer ausgebildet sein, über den Querstoß der Schalenelemente hinweg mit der gleichen erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung zu koppeln.
Weiterhin ist für den Fall, in welchem eine Längsnaht (Longitudinal-Joint) eines Schalenelementes und eine Quernaht (Butt-Joint) aufeinandertreffen, die Möglichkeit geschaffen, dass die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ebenfalls zum Einsatz kommen kann. Die Quernaht ist mit dem Laschenelement (Umfangsband, bzw. Butt-Strap) zur Kopplung versehen, die Längsnaht ist durch ein Bandelement (Longitudinal-Strap) gekoppelt. Auf dem Bandelement ist ein Versteifungselement angeordnet, zum Beispiel ein T-Stringer, durch dessen Befestigung, beispielsweise Nieten, die Längsnaht zusätzlich verstärkt wird. Im Bereich des Querstoßes kann das Bandelement verbreitert sein. Es bildet hier eine kraftschlüssige Verbindung mit dem Fußabschnitt des Versteifungselementes. Weiterhin kann die Stoßstelle zwischen Laschenelement und Bandelement durch ein zusätzliches Kreuzlaschenelement verbunden sein, welches auch zwischen den Stirnseiten der Versteifungselemente angeordnet ist.
Das Stegkopplungselement ist an einer Seite an die jeweilige geometrische Form des Stegabschnitts und des Fußabschnitts des ersten Versteifungselementes und an der anderen Seite an das Laschenelement anpassbar und an diesen jeweils fest anbindbar ist. Dieses ist in einer bevorzugten Ausgestaltung dadurch ermöglicht, dass das Stegkopplungselement einen Stegkopplungsabschnitt zur Verbindung mit dem Stegabschnitt des ersten Versteifungselementes und einen Laschenverbindungsabschnitt zur Verbindung mit dem Laschenelement aufweist. Vorzugsweise sind Stegkopplungsabschnitt und Laschenverbindungsabschnitt zusammen verbunden, zum Beispiel in Art eines T-Profils.
In einer alternativen Ausführung, zum Beispiel für höhere Belastungen, kann das Stegkopplungselement zusätzlich zu dem Stegkopplungsabschnitt m zur Verbindung mit dem Stegabschnitt m des ersten Versteifungselementes und dem Laschenverbindungsabschnitt zur Verbindung mit dem Laschenelement einen Fußverbindungsabschnitt zur Verbindung mit dem Fußabschnitt des ersten Versteifungselementes aufweisen. Dabei ist es bevorzugt, dass der Fußverbindungsabschnitt eine Ausnehmung zur Aufnahme des Stegabschnitts des ersten Versteifungselementes aufweist. Die Ausnehmung kann so ausgeführt sein, dass der Stegabschnitt, zum Beispiel ein Abschnitt eines Stegs eines T-Stringers, aufgenommen werden kann. Andere Formen für unterschiedliche Stege sind natürlich möglich.
Zur Gewährleitung einer harmonischen Kraftübertragung kann das freie Ende des Stegkopplungsabschnitts des Stegkopplungselementes eine Abschrägung aufweisen. Diese kann in einem vorbestimmten Winkel, vorzugsweise im Bereich von 15° bis 45°, ausgeführt sein.
Die Fußabschnitt-Verbindungselemente sind in einer Ausführung als L-Profile ausgebildet, können aber auch zum Beispiel Flachmaterial sein oder andere Profilformen aufweisen. Durch die differenzielle, von den Stegkopplungselementen unabhängige Bauweise der Verbindungsanordnung, sind individuelle Verbindungen von Stringerfußabschnitten gleicher aber auch unterschiedlicher Profilformen von Stringern unabhängig von der Profilform ausführbar. Dadurch ist einen Teilevielfalt bei gleichzeitig großem Einsatzbereich begrenzt.
Das Fußabschnitt-Verbindungselement ist vorzugsweise als ein L-Profil ausgebildet, und somit kann ein kostengünstiges, ablängbares Standardprofil mit hoher Qualität zum Einsatz kommen. Andere Profilformen sind selbstverständlich denkbar. Die Fußabschnitt-Verbindungselemente können beispielsweise für beide Seiten der Verbindungsanordnung aus dem gleichen Pro filstab abgelängt werden, wobei keine spiegelbildlichen Ausführungen notwendig sind.
Auch hierbei können zur Gewährleitung einer harmonischen Kraftübertragung die freien Enden der hervorstehenden Schenkel der Fußabschnitt-Verbindungselemente jeweils eine Abschrägung aufweisen. Diese kann in einem vorbestimmten Winkel, vorzugsweise im Bereich von 15° bis 45°, ausgeführt sein.
Auch das freie Ende des zweiten Versteifungselementes kann diese Abschrägung aufweisen. Zum Beispiel kann in dem Fall, dass das zweite Versteifungselement ein Omega-Stringer ist, dessen freies Stegende eine elliptische Abschrägung in den vorgenannten Winkelbereichen erhalten.
Das Fußabschnitt-Verbindungselement und das Stegkopplungselement können aus Metall oder/und Verbundwerkstoff, zum Beispiel Faserverbundwerkstoff, oder aus einer Kombination davon ausgebildet sein. Ihre Anbindungen und Verbindungen können zum Beispiel durch Nieten erfolgen.
Bei einer Herstellung aus Metall kann durch entsprechende Durchsetzungen (Joggle) ein direkter Niveauausgleich im Verbindungsbereich (zum Beispiel mit den Laschenelementen und Fußabschnitten) erfolgen, wobei Shims nicht erforderlich sind. Im Fall von Faserverbundwerkstoffen erfolgt ein Niveauausgleich durch harte Unterlegplatten (Shim-Plates).
Es ist bevorzugt, dass zumindest ein Fußabschnitt der Versteifungselemente an der Verbindungsstelle der Versteifungselemente verbreitert ist. Dadurch wird eine größere Auflagefläche für die Fußabschnitt-Verbindungselemente für eine vorteilhaft große Kraftübertragung und Steifigkeitserhöhung geschaffen.
Durch einen maschinellen Beschnitt der Elemente der Verbindungsanordnung kann die Steifigkeit den Einsatzanforderungen angepasst und ein seitlicher Toleranzausgleich garantiert werden.
Eine Schalenbauteil kann die oben beschriebene Verbindungsanordnung aufweisen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 eine schematische Perspektivansicht einer beispielhaften Verbindungsstelle mit Querstoß zweier Schalenelemente mit unterschiedlichen Versteifungselementen;
2 eine schematische Perspektivansicht einer beispielhaften Verbindungsstelle mit Querstoß zweier Schalenelemente mit unterschiedlichen Versteifungselementen, wobei eine Längsnaht eines Schalenelementes innerhalb der Verbindungsstelle liegt;
3 die Ansicht nach 2 mit einem Laschenelement;
4 die Ansicht nach 3 mit einem Kreuzlaschenelement;
5 die Ansicht nach 1 mit einem Laschenelement;
6 eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung;
7 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung; und
8 eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
In 1 ist eine schematische Perspektivansicht einer beispielhaften Verbindungsstelle mit Querstoß zweier Schalenelemente 10, 11 eines Schalenbauteils gezeigt. Die Schalenelemente 10, 11 sind zum Beispiel Hautschalen für ein Luftfahrzeug und sind aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, aber auch ein metallischer Werkstoff ist möglich. Sie sind mit unterschiedlichen Versteifungselementen 1, 2 in jeweiligen Versteifungsbereichen 9 bestückt. Der Querstoß ist mit einer Quernaht 13 gezeigt, die überdimensional groß dargestellt ist. Die Quernaht 13 wird auch als Butt-Joint bezeichnet. Die beiden Versteifungselemente 1, 2 weisen in diesem Beispiel unterschiedliche Profilquerschnitte auf. Versteifungselement 1 ist ein T-Stringer (T-Profil) und Versteifungselement 2 ist ein so genannter Omega-Stringer (Omega-Profil). Die Versteifungselemente 1, 2 sind in Längsrichtung 12 ausgerichtet.
Die beiden Versteifungselemente 1, 2 sind hier mit einem Abstand vom Rand der Verbindungsstelle bzw. der Quernaht 13 der Schalenelemente 10, 11 angeordnet, in welchem zur Verbindung der Schalenelemente 10, 11 ein Laschenelement 7 angeordnet ist, wie in 3 weiter erläutert wird. Die jeweiligen Fußabschnitte 3, 4 der beiden Versteifungselemente 1, 2 sind zum Verbindungsbereich bzw. zur Quernaht 13 hin in Bezug auf die Längsrichtung 12 verbreitert.
Das erste Versteifungselement 1 ist hier als ein T-Stringer mit einem Fußabschnitt 3 und einem Stegabschnitt 5 ausgebildet. Im Gegensatz dazu weist das zweite Versteifungselement 2 einen Hohlprofilquerschnitt in Art eines Omega mit einem Stegabschnitt 6 und Fußabschnitt 4 auf und wird in dieser Ausführung als Omega-Stringer bezeichnet.
2 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht der schon in 1 beschriebenen Verbindungsstelle eine weitere beispielhaften Verbindungsstelle mit Querstoß der zwei Schalenelemente 10, 11 mit den unterschiedlichen Versteifungselementen 1, 2, wobei eine Längsnaht 14 (auch als Longitudinal-Joint bezeichnet) eines Schalenelementes 10 innerhalb der Verbindungsstelle liegt. Diese Längsnaht 14 ist mittels eines Bandelementes 18, das als Longitudinal-Strap bezeichnet werden kann, beidseitig, zum Beispiel mittels Nieten, überdeckt (Bereich zur Quernaht hin gestrichelt angegeben) und verbunden und durch den darüber befestigten, zum Beispiel auch mit Nieten, T-Stringer als erstes Versteifungselement 1 zusätzlich versteift. Außerdem wirken die Nieten, mit denen der T-Stringer mit seinen Fußabschnitten 3 auf dem Bandelement 18 durch dieses hindurch auf beiden Seiten der Längsnaht 14 mit dem Schalenelement 10 zusätzlich befestigt ist, als Versteifung.
Auch in dieser Anordnung ist das zweite Versteifungselement 2 in seinem an der Quernaht 13 liegenden Fußabschnitt 4 verbreitert. Das Bandelement 18 ist hier dem zweiten Versteifungselement 2 in Längsrichtung 12 gegenüberliegend zu einem Verbindungsabschnitt 19 verbreitert, der weiter unten noch erläutert wird, und bilden Fußabschnitte 3', die kraftschlüssig mit den jeweiligen Fußabschnitten 3 des ersten Versteifungselementes 1 verbunden sind. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführung können auch die Fußabschnitte 3 des ersten Versteifungselementes 1 wie in 1 gezeigt verbreitert sein.
3 zeigt nun die Ansicht nach 2 mit einem Laschenelement 7, welches die Quernaht 13 überdeckt und die Laschenelemente 10, 11 verbindet, zum Beispiel durch Vernietung auf beiden Seiten der Quernaht 13. Das Laschenelement 7 wird auch als Butt-Strap bezeichnet und weist eine Querlaschennaht 8 auf, die hier in diesem Beispiel innerhalb des Verbindungsbereiches angeordnet ist.
Die Längsnaht 14 (gestrichelt im Verbindungsbereich gezeigt) wird in einem an die Quernaht 13 angrenzenden Abschnitt von dem Laschenelement 7 überdeckt und, zum Beispiel mittels Nieten, in diesem Abschnitt beidseitig zusammengehalten. Das Laschenelement 7 nimmt den zwischen der Stirnseite des zweiten Versteifungselementes 2 und der gegenüberliegenden Kante des Bandelementes 18 (siehe 2) Raum ein und bildet eine Beabstandung dieser Elemente.
In 4 ist 3 mit einem weiteren Laschenelement 15 gezeigt, welches als so genanntes Kreuzlaschenelement 15 die Stirnseiten der Versteifungselemente 1, 2 beabstandet und gleichzeitig die Querlaschennaht 8 mit einem Querlaschen-Verbindungsabschnitt 16 und über der an die Quernaht 13 angrenzenden Längsnaht 14 mit einem Bandelement-Verbindungsabschnitt 17 den Verbindungsabschnitt 19 des Bandelementes 18 koppelt.
In ähnlicher Art und Weise zeigt 5 die Ansicht nach 1 mit dem Laschenelement 7, wobei in diesem Beispiel keine Längsnaht 14 in dem Verbindungsbereich vorhanden ist. Dabei sind die Stirnseiten der Versteifungselemente 1, 2 durch das Laschenelement 7 beabstandet, welches die Schalenelemente 10, 11 über die Quernaht 13 verbindet.
Bei den Verbindungen der Schalenelemente 10, 11 gemäß der in den 4 und 5 gezeigten Beispiele ist auch eine Verbindung der Versteifungselemente 1, 2 zur Kraftüberleitung und Versteifung notwendig. Dazu sollen die zu verbindenden Versteifungselemente 1 und 2 möglichst in der Längsrichtung 12 fluchten und keinen Versatz seitlich dazu aufweisen.
Bei diesen oben beschriebenen Verbindungen von Schalenelementen ist auch eine Verbindung der Versteifungselemente 1, 2 notwendig, die im Folgenden erläutert wird.
6 illustriert eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung zum Verbinden des ersten und zweiten Versteifungselementes 1 und 2, die durch das Laschenelement 7 beabstandet sind, wie es in 5 dargestellt ist.
In 5 sind die Schalenelemente der Übersicht wegen nicht mit gezeigt. Die Verbindungsanordnung besteht aus zwei Fußabschnitt-Verbindungselementen 20, welche die Fußabschnitte 3 und 4 der zu verbindenden Versteifungselemente 1 und 2 auf beiden Längsseiten der Versteifungselemente 1, 2 verbinden. Gleichzeitig sind die zwei Fußabschnitt-Verbindungselemente 20 auch mit dem zwischen den Stirnseiten der Versteifungselemente 1, 2 angeordneten Laschenelement 7 verbunden. Die Verbindungen sind in diesem Beispiel Befestigungselemente 28, zum Beispiel Nieten.
Das Fußabschnitt-Verbindungselement 20 ist hier aus einer L-förmigen Profilstange abgelängt. Es weist einen Befestigungsabschnitt 21 und einen davon an dessen Rand im Wesentlichen senkrecht hervorstehenden Schenkel 22 auf. Der Befestigungsabschnitt 21 eines jeden Fußabschnitt-Verbindungselementes 20 wird hier als Verbindung mit den Fußabschnitten 3, 4 und dem Laschenelement 7 benutzt. Es sind natürlich auch andere Profilformen für das Fußabschnitt-Verbindungselement 20 denkbar.
Um eine große Kraftübertragungsfläche zu erhalten, sind die jeweiligen Fußabschnitte 3, 4 der gegenüberstehenden Enden der Versteifungselemente 1, 2 in diesem Beispiel verbreitert.
Die Verbreiterung an dieser Verbindungsstelle kann jedoch entsprechend der Ausführung vorher korrespondierend angepasst werden. Hierdurch ist auch ein bestimmter Freiraum rechtwinklig zur Längsrichtung 12 gegeben, um zum Beispiel Toleranzen auszugleichen. Das Fußabschnitt-Verbindungselement 20 kann aus Metall und/oder Faserverbundwerkstoff hergestellt sein.
Die Verbindungsanordnung weist weiterhin ein Stegkopplungselement 23 auf, welches in diesem Ausführungsbeispiel zentral zwischen den Fußabschnitt-Verbindungselementen 20 angeordnet ist. Es verbindet den Stegabschnitt 5 des ersten Versteifungselementes 1 mit dem Laschenelement 15 und somit mit den über das Laschenelement 7 verbundenen Schalenelementen. In dem dargestellten Beispiel ist das Stegkopplungselement 23 auch mit den Fußabschnitten 3 des ersten Versteifungselementes 1 gekoppelt.
Das Stegkopplungselement 23 weist zur Ankopplung an den Stegabschnitt 5 einen Stegkopplungsabschnitt 24 auf, welcher senkrecht im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung 12 auf einem Laschenverbindungsabschnitt 25 des Stegkopplungselementes 23 angeordnet ist. Der Laschenverbindungsabschnitt 25 dient zur Verbindung des Stegkopplungselementes 23 mit dem Laschenelement 7. Zur Verbindung mit den Fußabschnitten 3 des ersten Versteifungselementes 1 ist der Laschenverbindungsabschnitt 25 in Längsrichtung 12 zu einem Fußverbindungsabschnitt 26 erweitert, der zur Verbindung mit den Fußabschnitten 3 des ersten Versteifungselementes 2 fungiert. In diesem Beispiel weist der Fußverbindungsabschnitt 26 im mittleren Bereich parallel zur Längsrichtung 12 eine Ausnehmung 27 zur Aufnahme des Stegabschnitts 5 des ersten Versteifungselementes 1 auf.
Der Stegkopplungsabschnitt 24 ist versetzt zur Längsrichtung 12, die hier gleichzeitig die Längsmittellinie des Stegkopplungselementes 23 ist, angeordnet. Andere Ausführungen sind denkbar. So können zum Beispiel zwei Stegkopplungsabschnitte 24 parallel im Abstand der Dicke des Stegabschnitts 5 angeordnet sein.
Das Stegkopplungselement 23 ist mit dem Stegkopplungsabschnitt 24 über Befestigungselemente 29 verbunden. Befestigungselemente 28 stellen die Verbindungen zwischen Laschenverbindungsabschnitt 25 und Laschenelement 7 und zwischen Fußverbindungsabschnitt 26 und Fußabschnitten 3 des ersten Versteifungselementes 1 her. Die Befestigungselemente 28, 29 können hier ebenfalls Nieten sein.
Das Stegkopplungselement 23 kann ebenfalls aus Metall und/oder Verbundwerkstoff wie das Fußabschnitt-Verbindungselement 20 hergestellt sein.
Durch eine maschinelle Bearbeitung der Verbindungsanordnung kann die Steifigkeit ihrer Komponenten den Einsatzanforderungen angepasst und ein seitlicher Toleranzausgleich garantiert werden. Im vorliegenden Beispiel nach 6 kann ein seitlicher Versatz der Versteifungselemente 1, 2 leicht in einem bestimmten Bereich dadurch ausgeglichen werden, dass das Stegkopplungselement 23 unabhängig von den Fußabschnitt-Verbindungselementen 20 angeordnet werden kann. Diese Art einer differenziellen Kupplung bietet einen solchen Vorteil.
Bei einer Fertigung der Verbindungsanordnung in Metall kann ein Niveauausgleich durch entsprechende Durchsetzungen, so genannte Joggles, erreicht werden, harte Shim-Platten bzw. -Plates wie bei einer Fertigung aus Faserverbundwerkstoffen sind dabei nicht erforderlich. Ein Niveauausgleich kann notwendig sein, wenn Höhenunterschiede zwischen Laschenelement(en) und Fußabschnitten vorhanden sind.
Die Verbindungsanordnung verbindet mit den Fußabschnitt-Verbindungselementen 20 die Fußabschnitte 3, 4 der Versteifungselemente über den Querstoß mit der Quernaht 13 der Schalenelemente 10, 11 hinweg, wobei gleichzeitig eine Verbindung mit dem den Querstoß koppelnden Laschenelement 7 hergestellt wird. Mit dem Stegkopplungselement 23 wird der Stegabschnitt 5 des ersten Versteifungselementes mit dem Laschenelement 7 gekoppelt. Gleichzeitig können die Fußabschnitte 3 des ersten Versteifungselementes 1 auch zusätzlich über das Stegkopplungselement 23 mit dem Laschenelement 7 gekoppelt sein, wodurch eine höhere Belastung bzw. Kraftübertragung möglich ist.
Die freien Enden von Stegkopplungsabschnitt 24 und der Schenkel 22 der Fußabschnitts-Verbindungselemente 20 sind zur Gewährleistung einer harmonischen Kraftübertragung abgeschrägt. Dies ist aus den 7 und 8 ersichtlich. Auch das freie Stegende des zweiten Versteifungselementes 1, hier ein Omega-Stringer, wird abgeschrägt bzw. elliptisch abgeschrägt. Ein Abschrägungswinkel im Bereich von 15° bis 45° wird zum Beispiel bevorzugt, andere sind möglich.
Treffen eine Längsnaht 14 und eine Quernaht 13 in dem Verbindungsbereich der Schalenelemente 10, 11 zusammen, wie dies in den 2 bis 4 illustriert ist, so werden die Versteifungselemente 1, 2 mit einer Verbindungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel verbunden, welches 7 in einer perspektivischen Ansicht darstellt, wobei Befestigungselemente 28 nicht gezeigt sind.
Die Fußabschnitt-Verbindungselemente 20 der Verbindungsanordnung verbinden die Fußabschnitte 4 des zweiten Versteifungselementes 2 mit Fußabschnitten 3', die Bestandteil des verbreiterten Verbindungsabschnitts 19 des Bandelementes 18 sind und mit den Fußabschnitten 3 des ersten Versteifungselementes 1 kraftschlüssig verbunden sind. In diesem Beispiel weist das erste Versteifungselement 1 keine verbreiterten Fußabschnitte 3 auf, es ist jedoch in einer anderen Ausführung selbstverständlich möglich. Weiterhin sind die Fußabschnitt-Verbindungselemente 20 sowohl mit dem Laschenelement 7 als auch mit dem darüber angeordneten Kreuzlaschenelement 15, dessen Funktion oben erläutert ist, verbunden. Hierbei können Niveauausgleiche wie oben beschrieben notwendig werden.
Das Stegkopplungselement 23 weist nur den Stegkopplungsabschnitt 24 und den Laschenverbindungsabschnitt 25 auf. Der Stegkopplungsabschnitt 24 erstreckt sich in Längsrichtung von dem Laschenverbindungsabschnitt 25 um ein bestimmtes Maß heraus, um eine Ankopplung an den Stegabschnitt 2 des ersten Versteifungselementes 1 zu bilden. Der Laschenverbindungsabschnitt 25 ist über das Kreuzlaschenelement 15 und das darunter liegende Laschenelement 7 mit den Schalenelementen 10, 11 (nicht gezeigt) verbunden.
Die Verbindungen mit dem Kreuzlaschenelement 15 mit der Verbindungsanordnung sind sowohl im Bereich seines Querlaschen-Verbindungsabschnitts 16 als auch seines Bandelement-Verbindungsabschnitts 17 angeordnet.
In dieser Figur sind die oben angegebenen Abschrägungen der freien Enden der Verbindungsanordnung und des zweiten Versteifungselementes 2 illustriert.
Die differenzielle Verbindungsanordnung ermöglicht durch unabhängige Anordnung der einzelnen Komponenten wie oben bereits angegeben, dass in den entstehenden Zwischenräumen zwischen Fußabschnitt-Verbindungselementen 20 und dem zentralen Stegkopplungselement 23 eine Montage weiterer Elemente zur Anbindung anderer Komponenten möglich ist.
8 zeigt hierzu eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung (ohne Darstellung von Befestigungselementen aus Übersichtlichkeitsgründen). Hierbei ist die Anordnung der 7 gezeigt, wobei nur die Unterschiede zur 7 erläutert werden.
Das Stegkopplungselement 23 weist hier Fußverbindungsab schnitt 26 zur Anbindung an die Fußabschnitte 3 des ersten Versteifungselementes 1 auf. Der Fußverbindungsabschnitt 26 umgibt den Stegabschnitt 2, der in der Ausnehmung 27 des Fußverbindungsabschnitts 26 aufgenommen ist.
Auf den Laschenelementen 7 und 15 sind Anbindungselement 30 in einer Art Winkel angeordnet, welche auch in den Zwischenräumen in der Verbindungsanordnung wie oben erläutert angeordnet werden können. Die Anbindungselemente 30 dienen zum Beispiel zur Anbindung eines Spants.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise kombinierbar und modifizierbar.
Beispielsweise können auch Versteifungselemente gleichen Querschnittprofils mit der Verbindungsanordnung verbunden werden.
Es ist denkbar, dass das Stegkopplungselement 23 aus zwei Koppelprofilen besteht, die unabhängig voneinander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der Stegkopplungsabschnitt des ersten Koppelprofils mit dem Stegabschnitt des ersten Versteifungselementes und der Stegkopplungsabschnitt des zweiten Koppelprofils mit dem Stegabschnitt des zweiten Versteifungselementes verbunden ist.
Bei einer Verbindungsanordnung zum Verbinden eines ersten und zweiten Versteifungselementes 1, 2 eines Luft- oder Raumfahrzeugs. weisen die Versteifungselemente 1, 2 Querschnittsprofile mit jeweils zumindest einem Fußabschnitt 3, 4 und zumindest einem Stegabschnitt 5, 6 auf. Sie sind an ihrer stirnseitigen Verbindungsstelle durch ein Laschenelement 7, 15 voneinander beabstandet. Die Verbindungsanordnung umfasst mindestens ein Fußabschnitt-Verbindungselement 20, welches an einer Seite an die geometrische Form des Fußabschnitts 3, 3' des ersten Versteifungselementes 1, an der anderen Seite an die geometrische Form des Fußabschnitts 4 des zweiten Versteifungselementes 2 und an das dazwischen angeordnete Laschenelement 7, 15 anpassbar und an diesen jeweils fest anbindbar ist; und mindestens ein Stegkopplungselement 23, welches an einer Seite an die geometrische Form des Stegabschnitts 5 des ersten Versteifungselementes 1 und an der anderen Seite an das Laschenelement 7, 15 anpassbar und an diesen jeweils fest anbindbar ist. Ein Schalenbauteil eines Luft- oder Raumfahrzeugs umfasst zumindest zwei an einer Quernaht 13 mit einem Laschenelement 7 verbundene Schalenelemente 10, 11, welche jeweils zumindest ein erstes und zweites Versteifungselement 1, 2 aufweisen, die mit einer Verbindungsanordnung verbunden sind.

1, 2: Versteifungselement
3, 3', 4: Fußabschnitt
5, 6: Stegabschnitt
7: Laschenelement
8: Querlaschennaht
9: Versteifungsbereich
10, 11: Schalenelement
12: Längsrichtung
13: Quernaht
14: Längsnaht
15: Kreuzlaschenelement
16: Querlaschen-Verbindungsabschnitt
17: Bandelement-Verbindungsabschnitt
18: Bandelement
19: Verbindungsabschnitt
20: Fußabschnitt-Verbindungselement
21: Befestigungsabschnitt
22: Schenkel
23: Stegkopplungselement
24: Stegkopplungsabschnitt
25: Laschenverbindungsabschnitt
26: Fußverbindungsabschnitt
27: Ausnehmung
28, 29: Befestigungselement
30: Anbindungselement

Claims

Verbindungsanordnung zum Verbinden eines ersten und zweiten Versteifungselementes (1, 2) eines Luft- oder Raumfahrzeugs, wobei die Versteifungselemente (1, 2) Querschnittsprofile mit jeweils zumindest einem Fußabschnitt (3, 4) und zumindest einem Stegabschnitt (5, 6) aufweisen und an ihrer stirnseitigen Verbindungsstelle durch ein Laschenelement (7, 15) voneinander beabstandet sind, mit: mindestens einem Fußabschnitt-Verbindungselement (20), welches an einer Seite an die geometrische Form des Fußabschnitts (3, 3') des ersten Versteifungselementes (1), an der anderen Seite an die geometrische Form des Fußabschnitts (4) des zweiten Versteifungselementes (2) und an das dazwischen angeordnete Laschenelement (7, 15) anpassbar und an diesen jeweils fest anbindbar ist; und mindestens einem Stegkopplungselement (23), welches an einer Seite an die geometrische Form des Stegabschnitts (5) des ersten Versteifungselementes (1) und an der anderen Seite an das Laschenelement (7, 15) anpassbar und an diesen jeweils fest anbindbar ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Versteifungselement (1) und das zweite Versteifungselement (2) unterschiedliche Querschnittsprofile aufweisen.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Versteifungselement (1) ein T-Stringer und das zweite Versteifungselement (2) ein Omega-Stringer ist.
Verbindungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Fußabschnitt (3) eines Versteifungselementes (1) ein Fußabschnitt (3') eines mit dem zumindest einen Fußabschnitt (3) des jeweiligen Versteifungselementes (1) kraftschlüssig verbundenen Bandelementes (18) ist.
Verbindungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stegkopplungselement (23) an einer Seite an die jeweilige geometrische Form des Stegabschnitts (5) und des Fußabschnitts (3, 3') des ersten Versteifungselementes (1) und an der anderen Seite an das Laschenelement (7, 15) anpassbar und an diesen jeweils fest anbindbar ist.
Verbindungsanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stegkopplungselement (23) einen Stegkopplungsabschnitt (24) zur Verbindung mit dem Stegabschnitt (5) des ersten Versteifungselementes (1) und einen Laschenverbindungsabschnitt (25) zur Verbindung mit dem Laschenelement (7, 15) aufweist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stegkopplungselement (23) einen Stegkopplungsabschnitt (24) zur Verbindung mit dem Stegabschnitt (5) des ersten Versteifungselementes (1), einen Laschenverbindungsabschnitt (25) zur Verbindung mit dem Laschenelement (7, 15) und einen Fußverbindungsabschnitt (26) zur Verbindung mit dem Fußabschnitt (3, 3') des ersten Versteifungselementes (1) aufweist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fußverbindungsabschnitt (26) eine Ausnehmung (27) zur Aufnahme des Stegabschnitts (5) des ersten Versteifungselementes (1) aufweist.
Verbindungsanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Stegkopplungsabschnitts (24) des Stegkopplungselementes (23) in einem vorbestimmten Winkel abgeschrägt ist.
Verbindungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Fußabschnitt-Verbindungselement (20) beiderseits der Stegabschnitte (5, 6) der zu verbindenden Versteifungselemente (1, 2) an den korrespondierenden Fußabschnitten (3, 3', 4) und dem Laschenelement (7, 15) verbindbar ist.
Verbindungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stegkopplungselement (23) als T-Profil ausgebildet ist.
Verbindungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fußabschnitt-Verbindungselement (20) als L-Profil ausgestaltet ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden des hervorstehenden Schenkels des L-Profils des Fußabschnitt-Verbindungselementes (20) in einem vorbestimmten Winkel abgeschrägt sind.
Verbindungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fußabschnitt-Verbindungselement (20) und das Stegkopplungselement (23) aus einem Metall- und/oder Verbundwerkstoff hergestellt sind.
Verbindungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fußabschnitt-Verbindungselement (20) und das Stegkopplungselement (23) für Nietverbindungen mit den zu verbindenden Versteifungselementen (1, 2) und dem Laschenelement (7, 15) verbindbar ausgebildet sind.
Verbindungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Stegabschnitts (6) des zweiten Versteifungselementes (2) in einem bestimmten Winkel abgeschrägt ist.
Schalenbauteil eines Luft- oder Raumfahrzeugs, welches zumindest zwei an einer Quernaht (13) mit einem Laschenelement (7) verbundene Schalenelemente (10, 11) aufweist, die jeweils zumindest ein erstes und zweites Versteifungselement (1, 2) umfassen, wobei die Versteifungselemente (1, 2) Querschnittsprofile mit jeweils zumindest einem Fußabschnitt (3, 4) und zumindest einem Stegabschnitt (5, 6) aufweisen, an ihrer stirnseitigen Verbindungsstelle durch das Laschenelement (7) voneinan der beabstandet sind und in ihrer Längsrichtung mittels einer Verbindungsanordnung über die Quernaht (13) hinweg verbunden sind, wobei die Verbindungsanordnung mit dem Laschenelement (15) verbunden ist.
Schalenbauteil nach Anspruch 17, wobei zumindest eins der zumindest zwei Schalenelemente (10, 11) eine Längsnaht (14) mit einem Bandelement (18) aufweist, auf welchem das erste Versteifungselement (1) angeordnet ist, und wobei ein Kreuzlaschenelement (15) das Laschenelement (7) und einen Verbindungsabschnitt (19) des Bandelementes (18) verbindet.
Schalenbauteil nach Anspruch 18, wobei die Verbindungsanordnung mit dem Laschenelement (7) und mit dem Kreuzlaschenelement (15) verbunden ist.
Schalenbauteil nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Versteifungselement (1) ein T-Profil-Stringer ist, und dass das zweite Versteifungselement (2) ein Omega-Stringer ist.
Schalenbauteil nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fußabschnitt (3, 4) der Versteifungselemente (1, 2) an der Verbindungsstelle der Versteifungselemente (1, 2) verbreitert ist.
Schalenbauteil nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Fußabschnitt (3, 4) eines Versteifungselementes (1, 2) ein Abschnitt des mit dem zumindest einen Fußabschnitt (3, 4) des jeweiligen Ver steifungselementes (1, 2) kraftschlüssig verbundenen Bandelementes (18) ist.
Schalenbauteil nach zumindest einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsanordnung eine Verbindungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16 ist.