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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Toleranzausgleich zwischen
zwei Bauteilen und ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE
727 196 ist es seit langem bekannt, Flugzeugrümpfe
aus einer Vielzahl von Rumpftonnen zu bilden. Benachbarte Rumpftonnen
werden im Querstoßbereich miteinander verbunden und bilden
dabei mit ihren Randabschnitten einen vernieten Überlappungsstoß. Aufgrund
von Fertigungs- bzw. Bauteiltoleranzen kann zwischen den sich überlappenden
Randschnitten zumindest abschnittsweise ein Radialspalt entstehen.
Bei Rümpfen in Metallbauweise können diese Spalte
durch eine entsprechende Verformung der Randabschnitte beim Vernieten
geschlossen werden.
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Problematisch
sind die Spalte jedoch insbesondere bei kohlenstofffaserverstärkten
Rümpfen (CFK-Rümpfe), da diese nahezu nicht verformt
werden dürfen. Bauteiltoleranzen sind somit durch eine Füllmasse
in den Spalten auszugleichen. Die genaue Dosierung und die genaue
Positionierung der Füllmasse sind jedoch aufgrund der beschränkten
Zugänglichkeit sehr schwierig, da insbesondere bei der Herstellung
des Überlappstoßes die Füllmasse wegfließen
oder durch Scherung beim Montageprozess verschoben werden kann.
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Alternativ
sieht die
US 2006/0060705
A1 vor, CFK-Rumpftonnen nebeneinander zu positionieren und
deren benachbarten Randabschnitte mittels einer Querstoßlasche
zu vernieten. Doch auch bei dieser bekannten Lösung ist
die genaue Dosierung und Positionierung der Füllmasse kritisch.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Toleranzausgleich
zwischen zwei Körperabschnitten benachbarter Bauteile bei
einem Überlappstoß, das die vorgenannten Nachteile
beseitigt und eine genaue Dosierung und Positionierung der Füllmasse
erlaubt, sowie ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Toleranzausgleich
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Werkzeug mit den
Merkmalen des Anspruchs 6.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zum Toleranzausgleich
zwischen zwei Körperabschnitten benachbarter Bauteile sieht
vor, in den einen Körperabschnitt zumindest eine Bohrung
einzubringen. Anschließend werden die Körperabschnitte
in Überlappung gebracht, wobei aufgrund von Toleranzunterschieden
zumindest abschnittsweise ein Spalt zwischen den Körperschnitten
entsteht. Sobald die Überlappung hergestellt ist, wird über
die Bohrung eine Füllmasse in den Spalt gespritzt. Nach
einer Aushärtung der Füllmasse werden die beiden
Körperabschnitte miteinander verbunden und somit ein Überlappstoß gebildet.
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An
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorteilhaft,
dass die Füllmasse genau dosiert und platziert in den Spalt
gefüllt werden kann. Überschüssige Füllmasse
wird aus dem Spalt herausgedrückt, so dass die Befüllung
des Spaltes beendet werden kann. Eine Verschwendung der Füllmasse
findet somit nicht statt. Ferner ist gewährleistet, dass
der jeweilige Spalt ausreichend mit der Füllmasse befüllt und
keine Hohlräume gebildet werden. Weiterhin wird die Füllmasse
beim Einspritzen verdichtet, so dass im ausgehärteten Zustand
die Füllmasse eine gleichmäßige Struktur
aufweist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel wird eine Vielzahl von Bohrungen über
den Umfang des einen Körperabschnitts, insbesondere des äußeren
Körperabschnitts, verteilt. Vorteilhafterweise entspricht die
Anord nung der Bohrungen bzw. das somit gebildete Bohrmuster einem
späteren Nietbild.
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Die
Füllmasse wird über ein Werkzeug eingespritzt,
das die von ihm bedeckten Bohrungen verschließt, so dass
die Füllmasse nicht aus diesen Bohrungen austreten kann.
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Vorzugsweise
erfolgt das Einspritzen der Füllmasse durch mehrere Bohrungen
gleichzeitig.
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Um
zu verhindern, dass durch einen Axialspalt zwischen den beiden Bauteilen
die Füllasse austritt, kann dieser mit einem luftdurchlässigen
Klebeband verschlossen werden. Ebenso kann ein Radialspalt stirnseitig
von einem luftdurchlässigen Klebeband verschlossen werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Werkzeug zum Toleranzausgleich
zwischen zwei Bauteilen hat zumindest eine Einspritzdüse
zum Einspritzen einer Füllmasse über eine Bohrung
in einen Spalt, wobei die Einspritzdüse in der Bohrung
dichtend einsetzbar ist.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Werkzeugs besteht
darin, dass die Füllmasse durch die Bohrung, in die die
Einspritzdüse eingesetzt ist, nicht austreten kann. Hierdurch
wird insbesondere der Verlust von Füllmasse im Arbeitsbereich
verhindert.
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Zur
Verbesserung der Dichtwirkung kann die Einspritzdüse eine
gummielastische Düsenspitze aufweisen.
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Weiterhin
kann die Düsenspitze an ihrem Innenumfang eine radiale
Verjüngung haben. Dies hat den Vorteil, dass der Druck
beim Austreten der Füllmasse erhöht und die Bohrung
zusätzlich abgedichtet wird.
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Vorzugsweise
ist eine Vielzahl von Einspritzdüsen vorgesehen, deren
Anordnung einem Bohrmuster in einem Körperabschnitt des
einen Bauteils entspricht.
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Um
bei einer Vielzahl von Einspritzdüsen Toleranzen zwischen
dem Bohrmuster und der Anordnung der Einspritzdüsen auszugleichen,
können die Einspritzdüsen relativ zueinander bewegbar
sein. Dies kann insbesondere entweder durch eine zumindest im Bereich
der Einspritzdüsen elastische Ausführung des Werkzeugs
oder durch eine elastische Ausführung der Einspritzdüsen
erfolgen.
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Sonstige
vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand von schematischen Darstellungen näher erläutert.
Es zeigen
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1 eine
Draufsicht auf benachbarte Körperabschnitte zweier nebeneinander
angeordneter Bauteile,
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2 einen
Querschnitt durch die Körperabschnitte aus 1 in Überlappung,
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3 einen
Querschnitt durch einen der Körperabschnitte aus 1 und
durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug, und
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4 einen
Querschnitt durch eine in eine Bohrung eintauchenden Einspritzdüse
des Werkzeugs nach 3.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf zwei Körperabschnitte 2, 4 benachbarter
Bauteile. Die Bauteile können zum Beispiel kohlenstofffaserverstärkte Rumpftonnen
(CFK-Rumpftonnen) sein, die zur Bildung eines Flugzeugrumpfes im
Querstoßbereich durch einen Überlappstoß miteinander
verbunden werden sollen. Die Körperabschnitte 2, 4 sind
als ein radial außenliegender Randabschnitt 2 und
ein radial innenliegender Randabschnitt 4 ausgebildet.
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In
dem radial außenliegenden Randabschnitt 2 ist
ein Bereich eines umlaufenden Bohrmusters 6 mit einer Vielzahl
von Bohrungen 8, 10 ausgebildet. Das Bohrmuster 6 entspricht
einem Nietbild, dass beim Vernieten der beiden Randabschnitte 2, 4 entsteht.
Somit kann zur Bildung des Bohrmusters 6 auf bestehende
Bohrschablonen zurückgegriffen werden. Die Bohrungen 8, 10 sind
in axialer Richtung und in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet. Zwei
in axialer Richtung benachbarte Bohrungen 8, 10 bilden
jeweils ein Bohrungspaar 12, 14.
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Gemäß 2 wird
beim Bilden des Überlappstoßes zwischen den Randabschnitten 2, 4 ein Radialspalt 16 und
ein Axialspalt 18 ausgebildet. Die Spalte 16, 18 stehen
in Wirkverbindung miteinander, wobei insbesondere der Radialspalt 16 durch
Fertigungs- bzw. Bauteiltoleranzen der Bauteile entsteht.
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Der
Toleranzausgleich erfolgt durch eine nicht dargestellte Füllmasse,
die über die Bohrungen 8, 10 in die Spalte 16, 18 eingespritzt
wird.
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Die
Füllmasse ist ein herkömmliches flüssiges
Verbundmaterial wie zum Beispiel ein Flüssigshimmaterial
oder ein Klebstoff.
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Der
Radialspalt 16 ist an seinem von dem Axialspalt 18 abgewandten
Bereich stirnseitig geöffnet. Je nach den auszugleichenden
Toleranzen ist der Radialspalt 16 ein ringartiger Einzelspalt
oder er besteht aus mehreren, voneinander getrennten Spalten. Er
wird durch eine Innenumfangsfläche 20 des außenliegenden
Randabschnitts 2 und durch eine gegenüberliegende
Außenumfangsfläche 22 des innenliegenden
Randabschnitts 4 begrenzt. Die Bohrungen 8, 10 durchsetzen
den außenliegenden Randabschnitt 2 radial und
münden somit in den Radialspalt 16.
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Der
innenliegende Randabschnitt 4 ist durch eine Kröpfung
bzw. Abstufung entstanden. Die Außenumfangsfläche 22 des
innenliegenden Randabschnitts 4 ist geschlossen ausgebildet
und nicht von Bohrungen durchsetzt.
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Der
Axialspalt 18 wird von gegenüberliegenden Ringflächen 24, 26 der
Randabschnitte 2, 4 begrenzt. Er ist umfangsseitig
nach außen geöffnet.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch den außenliegenden Randabschnitt 2 im
Bereich seiner in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Bohrungen 8.
Des Weiteren zeigt die Figur einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Werkzeug 28 zum Einspritzen der Füllmasse.
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Das
Werkzeug 28 hat eine Vielzahl von Einspritzdüsen 30, 32,
die entsprechend dem in 1 gezeigten Bohrmuster 6 angeordnet
sind. Die Einspritzdüsen 30, 32 ragen
aus den Werkzeug 28 heraus und tauchen wie in 4 gezeigt
im Betrieb abschnittsweise in die jeweilige Bohrung 8, 10 ein.
Das Werkzeug 28 ist elastisch ausgeführt, so dass
die einzelnen Einspritzdüsen 30, 32 relativ
zueinander bewegt werden können. Hierdurch können
Toleranzen zwischen dem Bohrmuster 6 und den Einspritzdüsen 30, 32 ausgeglichen
werden und das Einführen der Einspritzdüsen 30, 32 in
die jeweilige Bohrung 8, 10 wird erleichtert.
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Die
Strömungsrichtung der Füllmasse durch das Werkzeug 28 in
den Einspritzdüsen 30, 32 ist durch die
Pfeile 34, 36 in der 3 angezeigt.
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4 zeigt
einen Querschnitt durch den Randabschnitt 2 im Bereich
der Bohrung 8 mit aufgesetztem Werkzeug 28. Gemäß der
Darstellung in der Figur ist das Werkzeug 28 im Betrieb
vom gegenüberliegenden Außenumfang 38 des
außenliegenden Randabschnitts 2 beabstandet. Es
taucht lediglich die Einspritzdüse 30 abschnittsweise
in die Bohrungen 8 ein. Dies bzw. die folgende Erläuterung
gilt selbstverständlich für sämtliche
Bohrungen 8, 10 und sämtliche Einspritzdüsen 30, 32.
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Um
das Einsetzen der Einspritzdüse 30 in die Bohrung 8 zu
erleichtern, ist der Außendurchmesser dA der
Einspritzdüse 30 kleiner als der Innendurchmesser
dI der Bohrung 8. Somit wird im
eingesetzten Zustand zwischen dem eintauchenden Abschnitt der Einspritzdüse 30 und
einem Innenumfang 40 der Bohrung 8 ein Ringspalt 42 gebildet.
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Die
Einspritzdüse 30 hat in ihrem Mündungsbereich
eine gummielastische Düsenspitze 44. Die Düsenspitze 44 besteht
aus einem weicheren Material als die Einspritzdüse 30 an
sich. Beim Einspritzen der Füllmasse gemäß der
in der 4 dargestellten Strömungsrichtung 34 wird
die Düsenspitze 44 radial aufgeweitet, schließt
den Ringspalt 42 und legt sich dichtend am Innenumfang 40 der
Bohrung 8 an.
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Zur
Verbesserung der Dichtwirkung weist die Düsenspitze 44 innenumfangsseitig
eine radiale Verjüngung 46 auf. Die Verjüngung 46 ist
konusartig ausgebildet und bewirkt beim Einspritzen der Füllmasse einen
Druckanstieg in der Düsenspitze 42, wodurch diese
verstärkt aufgeweitet und mit einer größeren Kraft
gegen den Innenumfang 40 der Bohrung 8 gedrückt
wird.
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Die
konusartige Verjüngung 46 hat eine, dem Radialspalt 16 zugewandte
ringartige Stirnfläche 48. In dem Fall, in dem
sich die Einspritzdüse 30 in einer Ruheposition
befindet und die Füllmasse über benachbarte Bohrungen 8 eingespritzt
wird, bewirkt die Stirnfläche 48, dass durch die
gegen sie strömende Füllmasse ebenfalls ein Aufweiten
der Düsenspitze 44 und somit eine dichtende Anlage
am Innenumfang 40 der Bohrung 8 erfolgt. Der Ringspalt 42 wird
geschlossen und die Füllmasse kann auch nicht über die
Bohrungen 8 in Ruheposition austreten. Somit sind die Bohrungen 8, 10 unabhängig
von der Ansteuerung der Einspritzdüsen 30 dicht
verschlossen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren wird in den
radial außenliegenden Randabschnitt 2 ein Bohrmuster 6 eingebracht.
Anschließend werden die beiden Randabschnitte 2, 4 der
benachbarten Bauteile in Überlappung miteinander gebracht.
Dann wird der Axialspalt 18 umfangsseitig und der Radialspalt 16 stirnseitig
mit einem luftdurchlässigen Klebeband abgedeckt, so dass
beim Einspritzen der Füllmasse durch die Bohrungen 8, 10 die
Luft aus den Spalten 16, 18 austreten kann und
sich keine Lufteinschlüsse bzw. Hohlräume in den
Spalten 16, 18 bilden können. Das Werkzeug 28 wird
auf einem Bereich des Bohrmusters 6 derart positioniert,
dass die Einspritzdüsen 30, 32 in die
gegenüberliegenden Bohrungen 8, 10 eintauchen.
Das Werkzeug 28 wird angesteuert und die Füllmasse
wird über die Einspritzdüsen 30, 32 in
den Radialspalt 16 und in den Axialspalt 18 gespritzt.
Die Ansteuerung des Werkzeugs 28 erfolgt bevorzugterweise
derart, dass die Füllmasse über jeweils ein axiales
Bohrungspaar 12 in die Spalte 16, 18 eingespritzt
wird. Sobald die Spalte 16, 18 in dem Bereich
dieses Bohrungspaares 12 geschlossen und die Füllmasse
aus den Spalten 16, 18 heraustritt, wird die Zufuhr
der Füllmasse unterbrochen und über das umfangsseitig
benachbarte axiale Bohrungspaar 14 die Füllmasse
in die Spalte 16, 18 eingespritzt. Nachdem durch
sämtliche Einspritzdüsen 30, 32 des
Werkzeugs 28 die Füllmasse in diesen Bereich des
Bohrmusters 6 eingespritzt worden ist, wird das Werkzeug 28 auf
dem angrenzenden Bereich des Bohrmusters 6 positioniert
und das Einspritzen der Füllmasse beginnt erneut, solange
bis über das gesamte Bohrmuster 6 und somit über
den gesamten Umfang des außenliegenden Randabschnitts 2 die
Füllmasse in den Radialspalt 16 und den Axialspalt 18 eingespritzt
wurde. Nach dem Aushärtung der Füllmasse werden
auf bekannte Art und Weise die Randabschnitte 2, 4 für
eine Vernietung vorbereitet, miteinander vernieten und somit der Überlappstoß gebildet.
Dabei kann sich aufgrund der ausgehärteten Füllmasse
beim Bohren der Nietlöcher kein Span zwischen den Randabschnitten 2, 4 anlagern.
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Die
Füllmasse hat sich in den Bereichen der Randbereiche 2, 4 angesammelt,
in denen Fertigungs- bzw. Bauteiltoleranzen zwischen den Bauteilen
vorlagen, so dass beim folgenden Bilden des Überlappstoßes,
beispielsweise beim Vernieten der Randabschnitte 2, 4,
diese nicht verformt werden und somit keine nachteiligen Spannungen
in die Bauteile eingeleitet werden.
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Es
sei erwähnt dass unter dem Vernieten der Randabschnitte 2, 4 nicht
nur eine Nietverbindung per se verstanden wird, sondern sämtliche
kraft-, form- und/oder stoffschlüssigen Verbindungen wie Verschrauben,
Verstiften, Verschweißen oder Verlöten mit umfasst
sind.
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Es
sei ferner erwähnt, dass es ebenfalls vorstellbar ist,
nicht nur die Düsenspitze 44 der Einspritzdüse 30, 32 aus
einem gummielastischen Material herzustellen, sondern den gesamten
aus dem Werkzeug 28 herausragenden Düsenbereich.
Dies hat den Vorteil, dass die Einspritzdüse 30, 32 bzw. der
Düsenbereich in sich verformt werden kann, so dass das
Einführen der Einspritzdüsen 30, 32 in
die Bohrungen 8, 10 noch weiter erleichtert wird.
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Ebenso
ist es möglich, das Werkzeug 28 lediglich im unmittelbaren
Bereich der Einspritzdüsen 30, 32 elastisch
auszuführen. Beispielsweise können in dem Werkzeug
gummielastische Ringe eingesetzt sein, in denen die Einspritzdüsen 30, 32 angeordnet sind.
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Ferner
sei erwähnt, dass das Werkzeug 28 in seiner Größe
und Anzahl der Einspritzdüsen 30, 32 frei
wählbar ist.
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Des
Weiteren ist es ebenfalls vorstellbar, das Bohrmuster 6 in
dem radial innenliegenden Randabschnitt 4 auszubilden.
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Die
Einspritzdüsen 30, 32 können
auch einen Außendurchmesser dA haben,
der etwas größer als der Innendurchmesser dI der Bohrungen 8, 10 ist, so
dass die Einspritzdüse 30, 32 bereits
beim Einsetzen bzw. beim Positionieren des Werkzeugs 28 die Bohrungen 8, 10 verschließen.
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Ebenso
ist es vorstellbar, dass das Werkzeug 28 nicht beabstandet
von dem Außenumfang 38 des äußeren
Randabschnitts 2 positioniert wird, sondern an diesem anliegt.
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Weiterhin
sei erwähnt, dass das erfindungsgemäße
Verfahren und das erfindungsgemäße Werkzeug nicht
auf die Verbindung von CFK-Bauteilen beschränkt sind, sondern
grundsätzlich unabhängig von dem Werkstoff der
zu fügenden Bauteile angewendet werden kann. So können
die Bauteile beispielsweise auch aus anderen faserverstärkten
Verbundmaterialien, wie zum Beispiel aus einem glasfaserbasierten
Schichtmaterial wie GLARE®, oder
aus einer Metalllegierung bestehen.
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Offenbart
ist ein Verfahren zum Toleranzausgleich zwischen zwei Bauteilen,
wobei die Bauteile abschnittsweise in Überlappung gebracht
werden, eine Füllmasse über zumindest eine Bohrung
(8, 10) zwischen die Bauteile gespritzt wird und
die Bauteile nach dem Aushärten der Füllmasse
im Überlappstoß miteinander verbunden werden,
sowie ein Werkzeug (28) zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens mit zumindest einer Einspritzdüse
(30, 32), die dichtend in die Bohrung (28)
eintauchbar ist.
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- 2
- radial
außenliegender Randabschnitt
- 4
- radial
innenliegender Randabschnitt
- 6
- Bohrmuster
- 8
- Bohrung
- 10
- Bohrung
- 12
- Bohrungspaar
- 14
- Bohrungspaar
- 16
- Radialspalt
- 18
- Axialspalt
- 20
- Innenumfangsfläche
- 22
- Außenumfangsfläche
- 24
- Ringfläche
- 26
- Ringfläche
- 28
- Werkzeug
- 30
- Einspritzdüse
- 32
- Einspritzdüse
- 34
- Strömungsrichtung
- 36
- Strömungsrichtung
- 38
- Außenumfang
- 40
- Innenumfang
- 42
- Ringspalt
- 44
- Düsenspitze
- 46
- Verjüngung
- 48
- Stirnfläche
- dA
- Außendurchmesser
- dI
- Innendurchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 727196 [0002]
- - US 2006/0060705 A1 [0004]