-
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannträger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
-
STAND DER TECHNIK
-
Ein Spannträger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 ist aus der
DE 10 2005 018 428 A1 bekannt. Hier erhält die Außenhaut durch Spanten, die fest mit der Außenhaut verbunden sind, eine dreidimensionale Form. Die Außenhaut steht längs der Trägerlängsachse unter einer Zugvorspannung die durch zwei Druckrohre aufgebracht wird, die mit leicht unterschiedlichen Laufrichtungen innerhalb der Außenhaut längs der Trägerlängsachse verlaufen und einen Endspant von einer Anbindung der Außenhaut an eine Basis weg beaufschlagen. Durch die leicht unterschiedlichen Laufrichtungen der Druckrohre soll die Torsionssteifigkeit des Trägers erhöht sein. Die weiteren Spanten neben dem Endspant sind längsverschieblich auf den Druckrohren geführt. Die Außenhaut ist vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit in Richtung der Trägerlängsachse verlaufenen Fasern ausgebildet.
-
DE 952 594 B offenbart eine Anordnung einer vorgespannten Schale, insbesondere eines Flugzeugrumpfes. Die Anordnung weist dazu neben Spanten Druckstäbe zur Versteifung der Außenhaut auf, die um den Umfang der Außenhaut verteilt angeordnet und in den Spanten gelagert sind. Eine Zugvorspannung der Außenhaut wird hierbei durch eine Vorspannung der Druckstäbe erreicht.
-
Aus
DE 512 191 A ist ein einholmiger Flugzeugflügel bekannt, der mit Dreieckverspannungen versehen ist, die beiderseits des Holms angeordnet sind und an Stegen des Holms angreifen. Von den Stegen ausgehend laufen Schenkel der Dreieckverspannungen an parallel zum Holm verlaufenden Drähten zusammen, die über Druckstreben gegeneinander abgesteift sind. Durch diese Anordnung soll ein besonders torsionsfester Holm geschaffen sein.
-
AUFGABE DER ERFINDUNG
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannträger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, der eine grundsätzlich erhöhte Torsions- und Knicksteifigkeit aufweist.
-
LÖSUNG
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Spannträger mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Spannträgers sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 13 definiert.
-
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Bei dem neuen Spannträger sind die Spanten durch sich kreuzende innerhalb der Außenhaut verlaufende einachsige Kraftübertragungselemente miteinander verbunden. Diese Kraftübertragungselemente stützen die Spanten mit hoher Steifigkeit aneinander ab, so dass der Spannträger gegenüber äußeren Kräften, die durch die vorgespannte Außenhaut selbst nicht abgestützt werden können, ausgesteift wird. Dabei kann der Schwerpunkt der Aussteifung auf einer Erhöhung der Torsionssteifigkeit und/oder der Knicksteifigkeit des neuen Spannträgers liegen. Durch die Anordnung der Kraftübertragungselemente innerhalb der Außenhaut werden aerodynamische Vorteile erzielt, da der Strömungswiderstand eines neuen Spannträgers ausschließlich durch seine glatte Außenhaut bestimmt wird.
-
Als sich kreuzenden Kraftübertragungselementen zwischen den Spanten sind als Druckrohre ausgebildete Kraftübertragungselemente in gekreuzter Anordnung vorgesehen. Es ist möglich, ausschließlich solche Kraftübertragungselemente, d. h. Druckrohre zwischen den Spanten vorzusehen. Die Druckrohre sorgen dann sowohl für die Vorspannkraft auf die Außenhaut als auch für die Aussteifung des Trägers zwischen den Spanten, und zwar im Sinne einer Diagonalverstrebung anstelle einer Diagonalverspannung, wie sie durch Zugelemente erreicht wird.
-
Durch eine windschiefe Anordnung der Kraftübertragungselemente zu der Trägerlängsachse, d. h. durch eine Anordnung, bei der die Kraftübertragungelemente auch in ihrem nächsten Punkt von der Trägerlängsachse beabstandet sind, können besonders gut Torsionsmomente um die Trägerlängsachse aufgenommen werden.
-
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Kraftübertragungselemente in mehreren Angriffspunkten jeweils zu mindestens zweit an den Spanten angreifen, wobei sich diese zwei Kraftübertragungselemente V-förmig von dem jeweiligen Angriffspunkt weg erstrecken. Derartige Kraftübertragungselemente sind ringförmig um die Trägerlängsachse zu verteilen, idealer Weise nicht nur in einer dreh- sondern sogar einer spiegelsymmetrischen Anordnung zu der Trägerlängsachse.
-
Durch die Möglichkeit, Vorspannkräfte bzw. diese hervorrufende Längen der Kraftübertragungselemente individuell einzustellen, können Hauptbelastungsrichtungen des neuen Spannträgers berücksichtigt werden und/oder geometrische Formen des neuen Spannträgers unter einer definierten Last auf eine Sollvorgabe eingestellt werden.
-
Besonders günstig ist es dabei, wenn die Vorspannkraft und/oder Länge mindestens eines Kraftübertragungselements von außerhalb der Außenhaut einstellbar ist, was bei dem neuen Spannträger besonders leicht realisiert werden kann.
-
Zusätzlich zu den Druckrohren als sich kreuzende Kraftübertragungselemente zwischen den Spanten können die Kraftübertragungselemente des neuen Spannträgers Zugelemente umfassen. Mit den sich kreuzenden Zugelementen werden die Spanten diagonal gegeneinander verspannt.
-
Besonders gut geeignet sind hoch zugfeste Zugelemente mit hohem Elastizitätsmodul, beispielsweise Zugelemente, die mit Glasfasern verstärkt sind.
-
Die Druckrohre kreuzen sich bei dem neuen Träger auf der Trägerlängsachse. Sie bilden zwei einander entgegen gerichtete pyramidenförmige Druckrohrteilanordnungen aus. Diese pyramidenförmigen Druckrohrteilanordnungen sind extrem knicksteif. Sie stellen dem Spannträger aber keine hohe Torsionssteifigkeit zur Verfügung. Diese ist durch seine Außenhaut und/oder weitere Kraftübertragungselemente in Form von Druckrohren, vorzugsweise in Form von Zugseilen herzustellen.
-
Da die Abschnitte der Druckrohre auf beiden Seiten ihres Kreuzungsbereichs auf der Trägerlängsachse jeweils fest miteinander verbunden sind, aber durch ein dreiachsiges Gelenk von den Abschnitten der Druckrohre auf der jeweils anderen Seite des Kreuzungsbereichs entkoppelt sind, sind die beiden pyramidenförmigen Druckrohrteilanordnungen um den Kreuzungsbereich gegeneinander verdrehbar. Die gesamte Druckrohranordnung weist so eine Torsionssteifigkeit um die Trägerlängsachse von null und als solche auch keine Knicksteifigkeit auf. Einerseits wird hierdurch aber eine wechselseitige Beeinträchtigung der Druckrohrteilanordnungen, die deren hohe Knicksteifigkeiten beeinträchtigen könnte, unter Last vermieden; und andererseits werden die fehlenden Steifigkeiten von der unter Zug stehenden Außenhaut und/oder weiteren sich zwischen den Spanten kreuzenden Kraftübertragungselementen leicht bereitgestellt. In Kombination mit Zugseilen als weiteren Kraftübertragungselementen, die möglichst weit von der Trägerlängsachse und windschief zu dieser angeordnet sind und die die Torsionssteifigkeit des neuen Spannsträgers auch bei asymmetrischen Belastungszuständen seiner Außenhaut bereitstellen, wird eine insgesamt maximal steife Konstruktion erzielt.
-
Weitere Druckrohre können bei dem neuen Spannträger vorgesehen werden, um die Spanten in ihrem Querschnitt auszusteifen. Diese weiteren Druckrohre können in denselben Angriffspunkten an den Spanten angreifen, an denen auch die sich zwischen den Spanten erstreckenden Druckrohre und/oder Zugelemente angreifen.
-
Besonders bevorzugt ist es, wenn bei dem neuen Spannträger die Außenhaut aus einem Faserverbundmaterial ausgebildet ist, das einen hohen Elastizitätsmodul in der Richtung der Zugvorspannung aufweist. Besonders günstig ist es aber, wenn die Verstärkungsfasern des Faserverbundmaterials in der durch die Kraftübertragungselemente festgelegten Hauptzugrichtung der Außenhaut ausgerichtet sind. Diese Richtungen können durch die Abstützung der Spanten untereinander, an denen die Außenhaut festgelegt ist, von parallelen Richtungen zur Trägerlängsachse abweichen.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
-
1 zeigt einen Querschnitt durch einen nicht unter die geltenden Ansprüche fallenden Spannträger in einer ersten Ausführungsform.
-
2 zeigt einen Längsschnitt durch den Spannträger gemäß 1.
-
3 zeigt einen perspektivischen Blick in Richtung der Trägerlängsachse bei einer gegenüber 2 und 3 durch Weglassung der Spanten stilisierten Ausführungsform des Spannträgers.
-
4 zeigt einen 1 entsprechenden Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Spannträger.
-
5 zeigt einen Längsschnitt durch eine gegenüber 4 durch Weglassung der Spannten stilisierten Ausführungsformen des neuen Spannträgers; und
-
6 zeigt einen den 1 und 4 entsprechenden Querschnitt durch einen neuen Spannträger in einer weiteren Ausführungsform.
-
FIGURENBESCHREIBUNG
-
Der in 1 und 2 dargestellte Spannträger 1 weist eine Trägerlängsachse 2 auf, um die sich eine Außenhaut 3 herum geschlossen erstreckt. Hier ist die Außenhaut 3 zylindermantelförmig angeordnet. Sie muss aber weder über die Länge des Spannträgers 1 einen konstanten Querschnitt aufweisen, noch muss dieser Querschnitt kreisrund sein. Die Außenhaut 3 ist auf Spanten 4 befestigt, die die dreidimensionale Form der Außenhaut 3 vorgeben. Dabei sind zwischen zwei einander längs der Trägerlängsachse 2 benachbarten Spanten 4 zum einen parallel zu der Trägerlängsachse 2 verlaufende Druckrohre 5 und zum anderen Zugelemente 6 in sich kreuzenden Paaren vorgesehen. Dabei greifen die Druckrohre 5 und die Zugelemente 6 in Angriffspunkten 7 an den Spanten 4 an, wobei von jedem Angriffspunkt 7 zu jeder Seite der Spanten 4 jeweils ein Druckrohr und zwei Zugelemente 6 abgehen. Die Zugelemente 6 verlaufen windschief zu der Trägerlängsachse 2 und stützen die Spanten 4 im Sinne einer Diagonalverspannung gegen relative Verdrehungen, d. h. Torsionen um die Trägerlängsachse 2 aneinander ab. Torsionsbelastungen werden entsprechend bei dem Spannträger 1 nicht über die Außenhaut 3 sondern über die Zugelemente 6 in Verbindung mit den Druckrohren 5 abgetragen.
-
Die perspektivische Ansicht der stilisierten Anordnung des Druckrohrs 1 gemäß 3, bei der die Spanten weggelassen sind, lässt die räumliche Anordnung der Druckrohre 5 und der Zugelemente 6 deutlich werden. Die Spanten 4 sind jedoch für den Spannträger 1 zur Formgebung der Außenhaut 3 und zur Vermeidung einer punktuellen Belastung der Außenhaut 3 im Bereich der Angriffspunkte 7 wichtig.
-
Bei der Ausführungsform des neuen Spannträgers 1 gemäß 4 ist der grundsätzliche Aufbau mit der Außenhaut 3 und den Spanten 4 derselbe wie bislang beschrieben. Allerdings sind die Spanten 4 in ihrer jeweiligen Haupterstreckungsebene senkrecht zu der Trägerlängsachse 2 durch weitere Druckrohre 8 ausgesteift. Weiterhin verlaufen zwischen den Angriffspunkten 7 benachbarte Spanten 4 ausschließlich Druckrohre 5, die sich sämtlich im Bereich der Trägerlängsachse 2 kreuzen und in diesem Kreuzungsbereich 9 miteinander verbunden sind. Diese Aussteifung zwischen den Spanten 4, die in 5 wieder unter Weglassung der Spanten 4 selbst stilisiert wiedergegeben ist, sorgt für eine hohe Knicksteifigkeit des Spannträgers 1. Die räumlich pyramidenartig zulaufenden Druckrohre 5 weisen größere Winkel zwischen ihrer Haupterstreckungsrichtung, d. h. der Druckrohrachse und der Trägerlängsachse 2 auf als bei der Ausführungsform gemäß den 1 bis 3.
-
Bei der Ausführungsform des Spannträgers gemäß den 4 und 5 ist der Kreuzungsbereich 9 so ausgebildet, dass die Abschnitte der Druckrohre 5 auf beiden Seiten des Kreuzungsbereichs zwar jeweils starr untereinander verbunden sind, dass aber in dem Kreuzungsbereich 9 selbst ein dreiachsiges Drehgelenk vorgesehen ist, das es erlaubt, die beiden pyramidenförmigen Druckrohrteilanordnungen auf beiden Seiten des Kreuzungsbereichs 9 um den Kreuzungsbereich 9 gegeneinander zu verdrehen und zu verschwenken. Dies sorgt für eine Entkopplung der Druckrohrteilanordnungen mit Vorteilen hinsichtlich der Knicksteifigkeit des gesamten Spannträgers 1 insbesondere unter Torsionsbelastung. Eine derartige Torsionsbelastung wird bei dem entsprechenden Spannträger 1 entweder durch die Außenhaut 3 und/oder durch zusätzliche sich kreuzende Zugelemente 6 zwischen den Spanten 4 entsprechend der Ausführungsform des Spannträgers gemäß den 1 bis 3 aufgenommen. Die dort vorgesehenen, parallel zu der Trägerlängsachse 2 verlaufenden Druckrohre sind dabei jedoch nicht zusätzlich erforderlich.
-
Bei der Ausführungsform des neuen Spannträgers 1, die in 6 skizziert ist, weist die Außenhaut 3 keinen kreisrunden, sondern einen elliptischen Querschnitt auf. Entsprechend ist der Außenumfang der Spanten 4 ausgebildet. Weiterhin sind einander benachbarte Spanten 4 hier einerseits durch zwei spiegelsymmetrisch zu der Trägerlängsachse 2 angeordnete, sich in Kreuzungsbereichen 9 kreuzende Paare von Druckrohren 5 und durch zwei ebenfalls spiegelbildlich zu der Trägerlängsachse 2 angeordnete Paare von sich in Kreuzungsbereichen 10 kreuzenden Zugelementen 6 gegeneinander verspannt, wobei aus jedem Angriffspunkt 7 auf jeder Seite jedes Spants 4 (außer den Endspanten) je ein Zugelement 6 und ein Druckrohr 5 abgeht. Der dabei verbleibende freie Querschnitt um die Trägerlängsachse 2 kann bei dem Spannträger 1 gemäß 6 frei genutzt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Spannträger
- 2
- Trägerlängsachse
- 3
- Außenhaut
- 4
- Spant
- 5
- Druckrohr
- 6
- Zugelement
- 7
- Angriffspunkt
- 8
- Druckrohr
- 9
- Kreuzungsbereich
- 10
- Kreuzungsbereich
