DE102010010168B4

DE102010010168B4 - Verstrebungsanordnung zur Stabilisierung der Außenhaut eines aerodynamischen Flugzeugteils bei einem Verkehrsflugzeug

Info

Publication number: DE102010010168B4
Application number: DE102010010168A
Authority: DE
Inventors: Bernd TOMSCHKE; Pasquale Basso
Original assignee: Airbus Operations GmbH; Airbus SAS
Current assignee: Airbus Operations GmbH; Airbus SAS
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2030-03-04
Also published as: US20110215201A1; US8678315B2; DE102010010168A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstrebungsanordnung zur Stabilisierung der Außenhaut (2) eines aerodynamischen Flugzeugteils bei einem Verkehrsflugzeug, umfassend ein Paar innenseitig mit der Außenhaut (2) verbundene und einander gegenüberliegende Anschlussträger (4a, 4b), zwischen denen mehrere Streben (5) zur Bildung einer Fachwerkkonstruktion (3) verlaufen, die in je endseitigen Knotenpunkten (6a, 6b) unlösbar mit den Anschlussträgern (4a, 4b) verbunden sind, wobei die Flächenerstreckung der Fachwerkkonstruktion (3) derart zu einer mittleren Symmetrieebene (11) ausgerichtet ist, dass die mit einen offenen symmetrischen Querschnitt gebildeten Streben (5) als auch der Querschnitt der Anschlussträger (4a, 4b) symmetrisch hierzu angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind zur Verbindung des Anschlussträgers (4) an der Außenhaut (2) sich beidseits der Symmetrieebene (11) an dieser Stelle nach außen erstreckende Reihen von zueinander beabstandet angeordneten, einzelnen Befestigungswinkeln (10a, 10b, 10a', 10b') am Anschlussträger (4) vorgesehen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Verstrebungsanordnung zur Stabilisierung der Außenhaut eines aerodynamischen Flugzeugteils bei einem Verkehrsflugzeug, umfassend ein Paar innenseitig mit der Außenhaut verbundene und einander gegenüberliegende Anschlussträger, zwischen denen mehrere Streben zur Bildung einer Fachwerkkonstruktion verlaufen, die in je endseitigen Knotenpunkten unlösbar mit den Anschlussträgern verbunden sind, wobei die Flächenerstreckung der Fachwerkkonstruktion derart zu einer mittleren Symmetrieebene ausgerichtet ist, dass die mit einen offenen symmetrischen Querschnitt gebildeten Streben als auch der Querschnitt der Anschlussträger symmetrisch hierzu angeordnet sind.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf den Flugzeugbau, insbesondere den Bau von Verkehrsflugzeugen mit großvolumigem Rumpf, an dem aerodynamisch Flugzeugteile, wie Tragflächen, Seitenleitwerk und Höhenleitwerke angeordnet sind. All diese Flugzeugteile weisen ein aerodynamisches, abschnittsweise schwach gekrümmtes Profil auf und bestehen im Prinzip aus einer nicht-selbsttragenden Außenhaut aus Leichtmetall oder einem Faserverbundwerkstoff, welche innenliegend durch eine Verstrebungsanordnung derart ausgesteift wird, dass sich die recht dünne Außenhaut nicht verformt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aus der DE 43 15 600 A1 geht eine solche Verstrebungsanordnung für ein aerodynamisches Flugzeugteil hervor, das im Wesentlichen aus mehreren vorzugsweise parallel beabstandet nebeneinander angeordneten Holmen und quer hierzu verlaufenden Rippen besteht, welche eine Art Kastenstruktur bilden, auf der beidseitig die Außenhaut befestigt ist. Die Rippen erstrecken sich bei dieser technischen Lösung in Richtung der Profiltiefe der Verstrebungsanordnung. Die Längserstreckung der quer hierzu verlaufenden Holme entspricht annähernd der Spannweite der Verstrebungsanordnung.
Zwar gewährleistet eine solche Verstrebungsanordnung ein hohes Maß an Stabilität des Flugzeugteils, jedoch ist der herstellungstechnische Aufwand aufgrund der Vielzahl von Holmen und Rippen recht hoch.
Aus der Druckschrift US 1 924 881 A geht eine Verstrebungsanordnung für Luftfahrzeuge, bestehend aus Anschlussträgern und dazwischen angeordneten Streben hervor. Die Anschlussträger weisen ein sechseckiges Wabenprofil auf und sind als Hohlprofil ausgebildet. Die dazwischenliegenden Streben bestehen aus einem Metallblech und liegen mit drei an distalen Enden der Streben ausgebildeten Laschen an dem Anschlussträger an.
Ferner geht aus dem Dokument US 1 791 827 A ebenfalls eine Verstrebungsanordnung für Luftfahrzeuge, bestehend aus Anschlussträgern und dazwischen angeordneten Streben hervor. An den Anschlussträgern sind sogenannte Flossen ausgebildet, die zur Befestigung und zur Stützung der Streben an die Anschlussträger dienen.
Aus der Druckschrift US 2 362 033 A geht eine Verstrebungsanordnung, insbesondere eine Konstruktion für Flugzeugflügel aus einem Fachwerk hervor. Diese Konstruktion weist ebenfalls Anschlussträger mit dazwischen angeordneten Streben auf. An den Anschlussträgern sind Platten zur Befestigung der Streben an die Anschlussträger vorgesehen. Durch Nietverbindungen können die Streben mittels der Platten an die Anschlussträger verbunden werden.
Aus der US 7 597 287 B2 geht eine andere Verstrebungsanordnung für die Außenhaut eines aerodynamischen Flugzeugteils hervor, welche die vorgenannte Problematik dadurch löst, dass die innenliegenden Streben nach dem Prinzip einer Fachwerkkonstruktion angeordnet sind und insoweit zwischen den einander gegenüberliegenden Anschlussträgern stabile Dreieckstrukturen schaffen. Eine solche Fachwerkkonstruktion kommt mit einer weitaus geringeren Anzahl einzelner Streben aus und besitzt dank der Dreiecksstruktur per se ein hohes Maß an Stabilität. Bei dieser Fachwerkkonstruktion sind die einzelnen Streben über Knotenplatten, sogenannte V-Laschen, miteinander und mit den Anschlussträgern verbunden. Hierzu weisen die einzelnen Streben je endseitig Bohrungen auf, durch welche ein Verbindungselement die Befestigung an der Knotenplatte ermöglicht, welches wiederum Bestandteil des Anschlussträgers ist.
Gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik bestehen Anschlussträger und Streben gewöhnlich aus einem Metallblech, welches in einfacher Weise umformbar ist. Es kommen gewöhnlich T-Querschnitte oder geschlossene Querschnitte zur Anwendung, um eine hohe Stabilität sicherzustellen. Daneben ist es jedoch auch möglich, faserverstärkte Kunststoffe zur Herstellung einer Verstrebungsanordnung zu nutzen. Es sind hierfür jedoch spezielle Herstellschritte erforderlich, da dieses Material nicht umformbar ist und einer speziellen Befestigungstechnik bedarf. Darüber hinaus werden im Falle von kohlefaserverstärkten Kunststoffen meist geschlossene Querschnitte verwendet, die recht aufwendig in der Herstellung sind. Diese geschlossenen Querschnitte gestatten bei den bisher bekannten aus Faserverbundwerkstoffen bestehenden Verstrebungsanordnungen zwar eine geeignete Kraftübertragung zwischen den miteinander verbundenen einzelnen Bauteilen, andererseits steigt auch das Bauteilgewicht durch aufwändige Anschlüsse an den zu verbindenden Bauteilen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Verstrebungsanordnung zur Stabilisierung der Außenhaut eines aerodynamischen Flugzeugteils zu schaffen, welche sich bei möglichst geringem Herstellungsaufwand durch ein geringeres Gewicht bei hoher Stabilität auszeichnet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Verstrebungsanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass dank der herrschenden Flächensymmetrie eine Krafteinleitung in die Fachwerkkonstruktion senkrecht zur Außenhaut erfolgt, welche frei von Versatzmomenten ist. Somit muss die Fachwerkkonstruktion auch nicht solche Versatzmomente abfangen und kann insoweit einfacher gestaltet werden. Insbesondere die vielen erforderlichen Streben zwischen den Anschlussträgern können mit offenen Querschnitten ausgebildet werden, was neben einer Materialeinsparung insbesondere eine entsprechende Gewichtseinsparung zur Folge hat, welche mit Hinblick auf die gesamte Verstrebungsanordnung signifikant ist. Die Wahl offener Querschnitte erleichtert die Inspizierbarkeit sichert hohe Fertigungsqualität und gute Inspizierbarkeit während der Nutzung. Durch die erfindungsgegenständliche mittlere Symmetrieebene der Fachwerkskonstruktion werden Kräfte innerhalb dieser Ebene aus der Außenhaut herausgenommen.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zur Verbindung des Anschlussträgers an der Außenhaut sich beidseits der Symmetrieebene an dieser Stelle am Anschlussträger nach außen erstreckende Reihen von zueinander beabstandet angeordneten, einzelnen Befestigungswinkelvorgesehen sind. Hierdurch wird ein ebenfalls symmetrisches Design für die zur Krafteinleitung in die Fachwerkkonstruktion vorgesehenen Befestigungswinkelrealisiert, um eine Ω-förmige Befestigungsstelle zu bilden. Diese Befestigungsstelle ist vorzugsweise durch ein Paar gegenüber liegender Befestigungswinkelrealisiert, die jeweils einen L-förmigen Querschnitt aufweisen und gemeinsam durch Niete oder dergleichen unter Einschluss des Anschlussträgers unlösbar hieran befestigt sind. Durch diese einfach herzustellenden Einzelteile lässt sich die gewünscht kraftsymmetrische Anbindung an die Außenhaut effizient umsetzen. Zudem bewirken die Anschlussträger im Verband mit der Außenhaut einen sehr steifen Querschnitt auch zwischen Knoten der inneren Versteifungsstreben.
Sowohl die einzelnen Streben als auch die einander gegenüberliegenden Anschlussträger sind im Hinblick auf den angestrebten Leichtbau vorzugsweise mit einem offenen Profil versehen, das einen C-förmigen bis U-förmigen Querschnitt aufweist. Dabei ist die Öffnung dieses Profils stets in Symmetrie zur Symmetrieebene der Fachwerkkonstruktion ausgerichtet. Im Falle der Anschlussträger sollte deren Öffnung zur Außenhaut hin ausgerichtet sein, um günstige fertigungstechnische Voraussetzungen zum Anbau der benachbarten Bauteile, insbesondere der L-förmigen Befestigungswinkel sowie Knotenplatten zu bilden Die besagten Knotenplatten sind zur Ausbildung der Knotenpunkte der Fachwerkkonstruktion vorgesehen, zu welchen vorzugsweise zwei Streben zum Anschlussträger hin auslaufen. Diese Knotenpunkte sind vorzugsweise aus einander beidseits des Endbereichs der betreffenden Streben sowie des angrenzenden Anschlussträgers symmetrisch gegenüberliegende Knotenplatten gebildet. Die Knotenplatten sind dabei hinsichtlich Material und Geometrie derart konstruiert, dass eine unstarre Bauteilverbindung zwischen den betreffenden Streben und dem Anschlussträger entsteht. Diese unstarre Bauteilverbindung gewährleistet eine geringfügige scharnierartige Flexibilität quer zur Symmetrieebene der Fachwerkkonstruktion, um in vorteilhafterweise unerwünschte Momente zwischen Außenhaut und Fachwerkkonstruktion in dieser Wirkrichtung zu eliminieren. Derartige Momente könnten zu störenden Materialspannungen führen.
Vorzugsweise sind die einander gegenüberliegenden Knotenplatten gemeinsam durch Nieten unter Einschluss des Anschlussträgers sowie der Streben unlösbar hieran befestigt. Versuche haben ergeben, dass an dieser Stelle eine Nietreihe vollkommen ausreicht, um eine zuverlässige Befestigung sicherzustellen. Dies trägt zudem zur Gewichtseinsparung bei.
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Fachwerkkonstruktion derart ausgelegt ist, dass zwei benachbarte Streben mit einem Abschnitt eines der beiden Anschlussträger ein Dreieck bilden. Alle Eckpunkte solcher Dreiecke liegen dabei innerhalb der Kastenstruktur so, dass die Außenhaut keine Versatzmomente übertragen muss und somit lokale Überbeanspruchungen a prioi vermieden werden. Über die sich so aneinander reihenden einzelnen Dreiecke wird eine stabile Feldstruktur unter Verwendung relativ weniger einzelner Streben erreicht, was im Hinblick auf den Materialeinsatz sowie die Montage als auch für ein möglichst geringes Gesamtgewicht von Vorteil ist. Um diese Fachwerkkonstruktion stirnseitig in einfacher Weise zu schließen, wird vorgeschlagen dort je eine Querstrebe anzuordnen, um auch stirnseitig gelegene Dreiecke zu bilden.
Unter Zugrundelegung einer solchen bevorzugten Fachwerkkonstruktion können die Streben als auch die Anschlussträger aus einem faserverstärkten Kunststoff, vorzugsweise einem kohlefaserverstärkten Kunstharzwerkstoff, bestehen. Diese spezielle Material-Struktur-Kombination hat sich vor dem Hintergrund der vorstehend formulierten Aufgabenstellung als besonders vorteilhaft erwiesen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere, die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine Seitenansicht eines Seitenleitwerks mit innenliegender Verstrebungsanordnung zur Stabilisierung,
2 eine Draufsicht auf eine der Verstrebungsanordnungen beim Seitenleitwerk nach 1,
3 eine perspektivische Detailansicht des Außenträgers der Fachwerkkonstruktion an der Verbindungsstelle zur Außenhaut, und
4 einen schematischen Längs- und Querschnitt im Bereich eines Knotenpunktes der Fachwerkkonstruktion.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß 1 besteht das hier dargestellte Seitenleitwerk 1 als aerodynamisches Flugzeugteil im Wesentlichen aus einer Außenhaut 2, die mit einer inneren Verstrebungsanordnung stabilisiert ist, in dem eine Mehrzahl einzelner und nebeneinander benachbart angeordneter Fachwerkskonstruktionen 3 integriert sind. Die einzelnen Fachwerkskonstruktionen 3 sorgen dafür, dass die relativ dünne Außenhaut 2 des Seitenleitwerks 1 ausreichend steif bleibt.
Gemäß 2 besteht jeder einzelnen Fachwerkskonstruktion 3 im Wesentlichen aus einem Paar innenseitig mit der Außenhaut 2 verbundene Anschlussträger 4a und 4b, die einander gegenüberliegen. Zwischen den Anschlussträgern 4a und 4b verlaufen mehrere Streben 5, die in je endseitigen Knotenpunkten 6a und 6b unlösbar mit den angrenzenden Anschlussträgern 4a bzw. 4b verbunden sind.
Der Fachwerkkonstruktion 3 wird dadurch eine stabile Feldstruktur verliehen, indem zwei benachbarte Streben 5 und 5' mit einem Abschnitt eines der beiden Anschlussträger 4a ein Dreieck bilden. Stirnseitig wird diese dreieckige Fachwerkskonstruktion 3 geschlossen, indem jeweils Querstreben 7 bzw. 7' die einander gegenüberliegenden Anschlussträger 4a und 4b direkt miteinander verbinden.
Sowohl die einzelnen Streben 5, 5', etc. als auch die beiden einander gegenüberliegenden Anschlussträger 4a und 4b sind in diesem Ausführungsbeispiel als offene Profile ausgeführt, welche aus Gründen des Leichtbaus aus einem kohlefaserverstärkten Kunstharzwerkstoff bestehen.
Die endseitig der Streben 5, 5', etc. gemeinsam mit dem Anschlussträger 4a oder 4b ausgebildeten Knotenpunkte 6a, 6b werden über einzelne – an späterer Stelle näher erläutert – Knotenplatten 9 gebildet, die mittels Nietverbindung mit den besagten Bauteilen einen stabilen Knotenpunkt 6a, 6b ausbilden.
Gemäß 3 sind zur Verbindung des Anschlussträgers 4 (exemplarisch) an der – nicht weiter dargestellten – Außenhaut sich beidseits hiervon nach außen erstreckende und zueinander beabstandet angeordnete einzelne Befestigungswinkel 10a und 10b, sowie 10a' und 10b' angeordnet. Jede der Befestigungswinkel 10a, 10b, 10a', 10b' besitzt einen L-förmigen Querschnitt und ist durch Nieten unter Einschluss des Anschlussträgers 4 unlösbar hieran befestigt.
Wie aus 4 deutlich wird, ist die Flächenerstreckung der Fachwerkkonstruktion 3 zu einer mittleren Symmetrieebene 11 ausgerichtet. Bei dieser speziellen Ausrichtung sind die mit einem offenen symmetrischen Querschnitt gebildeten Streben 5 als auch der Querschnitt der Anschlussträger 4 symmetrisch zu dieser mittleren Symmetrieebene 11 ausgerichtet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt der Anschlussträger 4 ein offenes Profil mit einem U-förmigen Querschnitt, dessen Öffnung zur Außenhaut 2 hin ausgerichtet ist. Die Strebe 5 besitzt ebenfalls einen U-förmigen Querschnitt, dessen Öffnung zur Symmetrieebene 11 der Fachwerkkonstruktion 3 hin ausgerichtet ist. Insgesamt ergibt sich so eine vollständige Symmetrie hinsichtlich der mittleren Symmetrieebene 11.
Endseitig der Strebe 5 sind zur Anbindung an den angrenzenden Anschlussträger 4 symmetrisch einander gegenüberliegende Knotenplatten 9a und 9b vorgesehen, die mit dem besagten Bauteilen vernietet sind. Die Verbindungsstelle ist derart ausgebildet, dass eine geringfügige Bewegbarkeit aus der mittleren Symmetrieebene 11 heraus möglich ist, um unerwünschte Momente im Bereich des Knotenpunktes 6a; 6b zu eliminieren.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Seitenleitwerk
2: Außenhaut
3: Fachwerkkonstruktion
4: Anschlussträger
5: Strebe
6: Knotenpunkt
7: Querstrebe
9: Knotenplatte
10: Befestigungswinkel
11: mittlere Symmetrieebene

Claims

Verstrebungsanordnung zur Stabilisierung der Außenhaut (2) eines aerodynamischen Flugzeugteils bei einem Verkehrsflugzeug, umfassend ein Paar innenseitig mit der Außenhaut (2) verbundene und einander gegenüberliegende Anschlussträger (4a, 4b), zwischen denen mehrere Streben (5) zur Bildung einer Fachwerkkonstruktion (3) verlaufen, die in je endseitigen Knotenpunkten (6a, 6b) unlösbar mit den Anschlussträgern (4a, 4b) verbunden sind, wobei die Flächenerstreckung der Fachwerkkonstruktion (3) derart zu einer mittleren Symmetrieebene (11) ausgerichtet ist, dass die mit einen offenen symmetrischen Querschnitt gebildeten Streben (5) als auch der Querschnitt der Anschlussträger (4a, 4b) symmetrisch hierzu angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung des Anschlussträgers (4) an der Außenhaut (2) sich beidseits der Symmetrieebene (11) an dieser Stelle nach außen erstreckende Reihen von zueinander beabstandet angeordneten, einzelnen Befestigungswinkeln (10a, 10b, 10a', 10b') am Anschlussträger (4) vorgesehen sind.
Verstrebungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar gegenüberliegender Befestigungswinkel (10a, 10b; 10a', 10b') einen L-förmigen Querschnitt aufweisen und gemeinsam durch Nieten unter Einschluss des Anschlussträgers (4) unlösbar hieran befestigt sind.
Verstrebungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussträger (4) einen als ein offenes Profil mit einem C-förmigen bis U-förmigen Querschnitt ausgebildet ist, dessen Öffnung zur Außenhaut (2) hin ausgerichtet ist.
Verstrebungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strebe (5) einen C-förmigen bis U-förmigen Querschnitt aufweist, dessen Öffnung zur Symmetrieebene (11) der Fachwerkkonstruktion (3) hin ausgerichtet ist.
Verstrebungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Knotenpunkt (6a; 6b) aus einander beidseits des Endbereichs der Strebe (5) sowie des angrenzenden Anschlussträgers (4) symmetrisch gegenüberliegenden Knotenplatten (9a, 9b) gebildet ist, die hinsichtlich Material und Geometrie derart ausgebildet sind, dass eine unstarre Bauteilverbindung zwischen Strebe (5) und Anschlussträger (4) entsteht.
Verstrebungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einander gegenüberliegende Knotenplatten (9a, 9b) gemeinsam durch Nieten unter Einschluss des Anschlussträgers (4) sowie der Strebe (3) unlösbar hieran befestigt sind.
Verstrebungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fachwerkkonstruktion (3) einen stabile Feldstruktur aufweist, indem zwei benachbarte Streben (5, 5') mit einem Abschnitt eines der beiden Anschlussträger (4a; 4b) ein Dreieck bilden.
Verstrebungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stirnseitig der Fachwerkkonstruktion (3) je eine Querstrebe (7, 7') verläuft, um die stirnseitig gelegenen Dreiecke zu schließen.
Verstrebungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Streben (5, 5') als auch die Anschlussträger (4a, 4b) aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen.
Verstrebungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkter Kunststoff ein kohlefaserverstärkter Kunstharzwerkstoff ist.
Verstrebungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamische Flugzeugteil ein Seitenleitwerk (1), ein Höhenleitwerk oder eine Tragfläche eines Verkehrsflugzeuges ist.