DE102009048748A1 - Verbindungsanordnung für Sandwichschalenelemente eines Luftfahrzeugs - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung für die Stoßverbindung zweier Sandwichelemente eines Luftfahrzeugs, die jeweils aus einer Kernlage und zwei beiderseitigen Decklagen bestehen.
- Der Rumpf eines Verkehrsflugzeugs muss häufig aus fertigungstechnischen Gründen in Umfangsrichtung in mehrere Schalen unterteilt werden. Üblicherweise werden diese Längsnähte an Flugzeugrümpfen konstruktiv als Überlappungsverbindungen ausgebildet. Für doppelschalige Flugzeugrümpfe (Sandwichbauweise) scheidet jedoch eine direkte Überlappung der Schalen aufgrund deren erheblicher Dicke aus.
- Herkömmlicherweise werden derartige Sandwichelemente mit sogenannten „Abrampungen” versehen, bei denen jeweils eine der beiden Decklagen über die Kernlage und die zweite Decklage hinaus ragt und diese beiden dann aneinanderstoßen freiliegenden Decklagenabschnitte mittels eines flächigen Verbindungsteiles miteinander verbunden (vorzugsweise vernietet) sind. Darüber hinaus sind zwei Z-Profile vorgesehen, welche jeweils die freien Enden der Kernlagen abdecken und mit jeweils einer Profilflanke auf der zweiten Decklage befestigt sind und mit der zweiten Profilflanke am Verbindungsprofil.
1 der Zeichnung zeigt eine derartige herkömmliche Verbindungsanordnung. Bei dieser Ausführung ist jedoch die hohe Biegesteifigkeit der Sandwich-Rumpfschale im Bereich der Verbindung in einem Maße reduziert, das zum Ausgleich zusätzliche Strukturversteifungselemente erfordert. - Eine alternative vorbekannte Verbindungsanordnung ist in
2 dargestellt, bei der die miteinander zu verbindenden Sandwichbauteile jeweils verkürzte Kernlagen aufweisen und ein Hohlprofil in dem Hohlraum zwischen benachbarten Kernlagen angeordnet und mit den jeweiligen Decklagen verbunden ist. Diese Anordnung hat den Nachteil einer komplizierten Montage, die zudem durch Fertigungstoleranzen erschwert wird. Ferner ist die Anzahl der notwendigen Verbindungsnieten doppelt so hoch wie bei der erstgenannten Ausführung. - Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsanordnung für ein Luftfahrzeug bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile vermeidet und eine baulich einfache sowie Fertigungstoleranzen ausgleichende Verbindung von Sandwichelementen ermöglicht, wobei darüber hinaus die Biegesteifigkeit im Bereich der Verbindungsstellen nicht signifikant vermindert ist.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Durch die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ist eine Verbindung der jeweils beiden Decklagen bei geringem Abstand zwischen den jeweiligen Kernlagen möglich, wodurch nur eine geringe bzw. gar keine Verminderung der Biegesteifigkeit der Gesamtkonstruktion an der Nahtstelle einhergeht. Im Gegenteil ist durch Überlappungen der jeweils inneren und äußeren Decklagen eine erhöhte lokale Biegesteifigkeit erzielbar. Da bei der Montage die überlappende Verbindung der beiden benachbarten Z-Profile einen Freiraum zwischen den jeweiligen Stegabschnitten ermöglicht, kann dadurch ein Toleranzausgleich erfolgen, wodurch Toleranzprobleme bei der Herstellung und Montage vermieden werden. Ferner wird eine seitliche Stützung der Kernlage im Bereich der Überlappungsverbindung durch den Stegabschnitt des jeweiligen Z-Profils erreicht.
- Da die jeweiligen Z-Profile bereits bei der Herstellung der Sandwichelemente angebracht werden, ergibt sich ein Schutz der Schalenkanten bzw. eine verminderte Gefahr von Beschädigung beim Transport bzw. der Montage des daraus gefertigten Luftfahrzeugs. Sofern die benachbarten Sandwichelemente mit Nieten verbunden werden, sind nur zwei Nietenfelder erforderlich. Alternativ ist es natürlich auch möglich, die Z-Profile miteinander zu verkleben oder zu verschweißen.
- Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass man einen definierten Freiraum zwischen den benachbarten Stegabschnitten lassen kann und so Hohlräume beispielsweise zur Be- und/oder Entlüftung, Drainage oder Hindurchführung von Leitungen bereitstellen kann. Gleichzeitig erfolgt eine doppelte Abdichtung des aus derartigen Sandwichschalenelementen gefertigten Rumpfes sowohl an der inneren als auch der äußeren Decklage.
- Die erfindungsgemäße Anordnung ist für eine Vielzahl von Materialien für die Kernlage einsetzbar, Schäume, Pinverstärkte Schäume, (Honig-)Waben oder belüftete Kerne wie Faltwaben oder Pins. Es sind ferner keine zusätzlichen Verbindungselemente (wie beispielsweise Doppler etc.) nötig.
- Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Stegabschnitte der beiden Z-Profile im montierten Zustand zur Bildung eines Hohlraumes von einander beabstandet. Dies ermöglicht eine Nutzung des Hohlraumes für die Führung von Leitungen (Hydraulik oder elektrische Leitungen).
- Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausbildung weist der Stegabschnitt des Z-Profils mindestens einen Durchbruch für die Durchleitung von Fluiden, insbesondere Gasen auf. Somit ist es möglich, über die Hohlräume und die Durchbrüche eine Be- und/oder Entlüftung und/oder Drainage von Flüssigkeiten wie Kondenswasser der Kernlagen zu erreichen.
- Gemäß noch einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Profilflanken mit den jeweiligen Decklagen verklebt.
- Dies ermöglicht eine feste Verbindung, die bereits bei der Fertigung der Sandwichelemente erfolgen kann.
- Besonders bevorzugt ist die Erfindung anwendbar für die Rumpfschalenelemente, also im wesentlichen eindimensional gekrümmte Rumpfelemente eines Verkehrsflugzeugs. Dabei ist die Verbindungsanordnung vorzugsweise entlang der geradlinigen Schalenkanten (also bei einem Flugzeugrumpf die Kanten in Längsrichtung) vorzusehen.
- Die Z-Profile werden vorzugsweise aus dem selben oder ähnlichen Material der Decklagen, Leichtmetall, insbesondere faserverstärkten Kunststoffen wie CFK gefertigt. Die Dicke beträgt vorzugsweise ein viertel bis zur Hälfte der Decklagendicke.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
-
1 : eine erste herkömmliche Verbindungsanordnung; -
2 : eine zweite herkömmliche Verbindungsanordnung; -
3 : die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung; -
4 : das Verfahren zur Herstellung von Sandwichelementen mit Z-Profil; -
5 : eine schematische Darstellung einer Verbindungsanordnung mit Belüftung; -
6 : eine schematische Darstellung eines ersten Anwendungsbereiches der Erfindung in einem Luftfahrzeug; und -
7 : eine schematische Darstellung eines zweiten Anwendungsbereiches der Erfindung in einem Luftfahrzeug. - In
1 ist eine erste herkömmliche Verbindungsanordnung10a dargestellt, bei der zwei Sandwichelemente12a ,12b miteinander verbunden werden, die jeweils aus einer Kernlage14a ,14b sowie zwei Decklagen16a ,16b und18a ,18b bestehen. Die eigentliche Verbindungsanordnung10a besteht aus einer Verbindungslage20 , die auf der jeweils unteren Decklage18a ,18b aufliegt und damit verbunden ist. Diese unteren Decklagen18a ,18b erstrecken sich dabei um die Hälfte der Breite der Verbindungslage20 weiter als die Kernlagen14 bzw. die gegenüberliegenden Decklagen16 . Ferner sind zwei Z-Profile22a ,22b vorgesehen, deren jeweils eine Profilflanke auf der Verbindungslage20 aufliegt und damit verbunden ist und die jeweils gegenüberliegende Profilflanke oben auf der jeweiligen Decklage16 aufliegend verklebt ist. Der Stegabschnitt zwischen den beiden Profilflanken verschließt dabei die Kernlagen14 . - In
2 ist eine zweite herkömmliche Verbindungsanordnung10b dargestellt. Gleiche Bezugszeichen zeichnen gleiche Teile wie in1 . Bei der Verbindungsanordnung10b erstrecken sich beide Decklagen16 ,18 über die Kernlage14 hinaus, so dass ein länglicher Hohlraum gebildet ist, in dem ein Verbindungsprofil24 angeordnet ist, das mit allen vier Decklagen16a ,16b ,18a ,18b verbunden, vorzugsweise vernietet ist. - In
3 ist die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung10c dargestellt, wobei wiederum gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bezeichnen wie in den1 und2 . Diese Verbindungsanordnung10c umfaßt zwei Z-Profile26a ,26b , die jeweils aus einem Stegabschnitt28a ,28b und zwei beiderseitigen Profilflanken30a , b und32a , b bestehen. Dabei erstreckt sich bei den Sandwichschalenelementen12a ,12b jeweils eine Decklage16a bzw.18b um die Länge der Profilflanken30a ,32b weiter als die Kernlagen14 und die jeweils gegenüberliegenden Decklagen16b ,18a . Die Profilflanken30 ,32 sind dabei vorzugsweise mit den jeweiligen Decklagen16 ,18 verklebt. In der in3 dargestellten Ausführungsform verbleibt zwischen den beiden Z-Profilen26 ein Spalt34 , der sowohl als Toleranzausgleich dienen kann als auch bewußt gelassener Hohlraum zur Durchführung von beispielsweise Leitungen dienen kann. Die Sandwichelemente12 sind dabei bereits bei deren Herstellung mit den Z-Profilen26 versehen, so dass zur Montage der Sandwichelemente die beiden Z-Profile26 ineinander gelegt und dann diese miteinander verbunden werden. Als bevorzugte Verbindungsart sind Nietverbindungen36 im oberen Bereich von3 angedeutet. Auf gleiche Weise würde man die beiden gegenüberliegenden Profilflanken32 miteinander verbinden. Alternativ zu Nietverbindungen ist natürlich auch ein Verkleben oder Verschweißen möglich. - In
4 ist das Verfahren zur Herstellung der Sandwichelemente12 dargestellt. Wie anhand des Sandwichelements12a dargestellt ist, werden die Decklagen16a ,18a und die Kernlage14a miteinander verbunden (vorzugsweise verklebt oder alternativ durch gleichzeitige Infiltration mit einem Schaum als Kernmaterial) wobei anschließend die Profilflanken des Z-Profils26a mit den beiden Decklagen16a ,18a verklebt werden. Rechts in4 ist schematisch ein fertiges Sandwichelement12b mit befestigtem Z-Profil26b dargestellt. - In
5 ist eine fertig montierte Verbindungsanordnung schematisch dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bezeichnen wie in den vorgenannten Darstellungen. Die Ausführung gemäß5 zeichnet sich dadurch aus, dass die Stegabschnitte28a ,28b der Z-Profile26a ,26b Perforationen38 aufweisen, so dass eine Luftströmung über den Schlitz34 erfolgen kann. Auf diese Weise ist eine aktive oder passive Ventilation der Kernlage14 möglich, beispielsweise wenn bei einem Schlitz34 Luft eingepumpt und bei der benachbarten Verbindungsanordnung über den dort ebenfalls vorhandenen Schlitz Luft abgesaugt wird. In5 ist ferner zwischen den jeweils benachbarten Decklagen, also jeweils am Ende der äußeren Decklage eine Abdichtung40 schematisch angeordnet. - In
6 ist ein Beispiel für die Befestigung von Kabinengepäckaufbewahrungsbehältern (overhead storage compartments)42 an der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung10c dargestellt. Diese sind mittels Halteplatten44 so mit der Verbindungsanordnung10c verbunden, dass Zuglasten auf die Anbindungsstelle einwirken und damit durch die doppelten Decklagen und doppelten Z-Profile kernablösende Zugkräfte und Kerbwirkungen durch Nietbohrungen in geringerem Maße auftreten. - In
7 ist eine weitere Anwendung dargestellt, bei der ein Kabinenboden50 über eine Verbindungsplatte52 mit der Verbindungsanordnung10c verbunden ist. Mit dem gebogenen Pfeil im Kabinenboden50 ist das maßgebende Biegemoment im Kabinenboden50 angedeutet, der zu einer Druckbelastung im unteren Teil der Verbindungsplatte52 und zu einer Zugbelastung im oberen Teil der Verbindungsplatte52 führt, was durch entsprechende Pfeile angedeutet ist. Zu diesem Zweck kann es von Vorteil sein, wenn die Kernlage im druckbelasteten Bereich eine höhere Dichte bzw. Steifigkeit aufweist. - Das damit zu verbindende (obere) Sandwichelement
12d , welches die Fenster der Kabine aufweist, wird vorzugsweise erst dann mit dem unteren Sandwichelement12c bzw. der Verbindungsplatte52 verbunden (vernietet), wenn der Kabinenboden50 mit dem unteren Sandwichelement12c verbunden ist.
Claims (8)
- Verbindungsanordnung für die Stoßverbindung zweier Sandwichelemente (
12 ) eines Luftfahrzeugs, die jeweils aus einer Kernlage (14 ) und zwei beiderseitigen Decklagen (16 ,18 ) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßstellen der zu verbindenden Sandwichelemente (12 ) jeweils ein Z-Profil (26 ) mit einem Stegabschnitt (28 ) und zwei Profilflanken (30 ,32 ) aufweisen, wobei der Stegabschnitt (28 ) die Kernlage (14 ) überdeckt, ferner dessen eine Profilflanke (30b ,32a ) außenseitig an einer der Decklagen (16b ,18a ) befestigt ist und die andere Profilflanke (30a ,32b ) innenseitig an der anderen Decklage (16a ,18b ) befestigt ist, die über die Kernlage (14 ) hinausragt, wobei die beiden Z-Profile (26 ) miteinander überlappend anordenbar sind und die dabei jeweils aufeinander liegenden Profilflanken (30 ,32 ) miteinander verbindbar sind. - Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegabschnitte (
28 ) der beiden Z-Profile (26 ) im montierten Zustand zur Bildung eines Hohlraumes (34 ) von einander beabstandet sind. - Verbindungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegabschnitte (
28 ) der Z-Profile (26 ) mindestens einen Durchbruch (38 ) für die Durchleitung von Fluiden aufweisen. - Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen der aufeinander liegenden Profilflanken (
30 ,32 ) Nietverbindungen sind. - Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflanken (
30 ,32 ) mit den jeweiligen Decklagen (16 ,18 ) verklebt sind. - Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Z-Profile (
26 ) aus einem Faserverbundwerkstoff, vorzugsweise CFK bestehen. - Verbindungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Z-Profile (
26 ) aus dem gleichen Material bestehen wie die Decklagen (16b ,18a ). - Verwendung der Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Rumpfschale eines Zivilflugzeugs oder Hubschraubers.
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