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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Bauteilverbindungsanordnung, insbesondere für großflächig flachbauende Bauteile, umfassend zumindest ein Plattenteil mit einem hieran zu befestigenden Anbauteil, welche beide in einem einander überlappenden Randbereich durch Einwirkung eines Durchsetzfügewerkzeugs umformtechnisch unlösbar miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Verfahren zum umformtechnischen Verbinden besagter Bauteile. Ferner betrifft die Erfindung als besonderen Anwendungsfall auch ein Luftfahrzeug, bei dem die erfindungsgegenständliche Bauteilverbindungsanordnung zur Herstellung der Außenhaut eingesetzt wird.
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Das bevorzugte Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung ist der Flugzeugbau, bei dem großflächige Plattenteile miteinander verbunden werden, um einen großvolumigen Rumpf oder auch die Außenhaut von Tragflächen und Leitwerken zu bilden. Dabei sind nicht allein benachbarte Plattenteile miteinander zu verbinden, sondern auch die die Außenhaut stützenden und verstärkenden innenliegenden Spanten und Streben. Insgesamt verursacht die Summe der vorgenannten Verbindungsstellen viele über die Außenhaut eines Luftfahrzeuges der hier interessierenden Art verlaufenden Längs- und Quernähte sowie Einzelverbindungsstellen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Aus der
DE 2 238 190 A1 geht eine Vorrichtung sowie ein Verfahren für die Verbindung dünner Plattenteile zur Bildung der Außenhaut eines Luftfahrzeuges hervor, welches auf dem Verbindungsverfahren des Nietens basiert. Dabei werden Nieten einzeln mittels Nietwerkzeug in vorbereitete Durchgangsbohrungen in überlappende Randbereiche benachbarter Plattenteile gepresst und anschließend vernietet. Zur Erzielung einer hohen Dauerfestigkeit sollte der Niet fest in die Bohrung eingepresst sein und andererseits sollte die Verwerfung an der Bohrungskante aufgrund der Nietstauchung minimal sein. Hierfür wird ein selbstkalibrierender presspassender Niet mit einem speziellen Kopf und einem sich von diesem weg erstreckenden Schaft vorgeschlagen, der schaftseitig verschieden große Durchmesserbereiche aufweist. Die einzelnen speziellen Nieten werden manuell mittels Nietpistolen montiert, um umformtechnisch eine unlösbare Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen.
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Das Nieten ist die vorrangige Fügemethode im Flugzeugbau. Bei der Vielzahl der über die Außenhaut eines Flugzeugs verlaufenden Längs- und Quernähte wirkt sich die dementsprechend hohe Anzahl an erforderlichen Nieten jedoch nachteilig auf das Gesamtgewicht des Luftfahrzeuges aus. Durch die Durchgangsbohrungen für die Montage der Niete wird zudem eine Strukturschwächung der miteinander zu verbindenden Bauteile herbeigeführt und wegen der meist manuellen Montage ist das Nieten recht zeitaufwendig. Eine Automatisierung ist nur beschränkt bei großflächigen Teilen möglich.
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Aus der
EP 0 523 134 B1 geht ein anderes umformtechnisches Fügeverfahren zur Verbindung von Plattenteilen hervor, welches auf dem Prinzip des Durchsetzfügens, fachsprachlich auch Clinchen genannt, benutzt. Im Gegensatz zum Nieten ist das Durchsetzfügen ein Verbindungsverfahren für Plattenteile und dergleichen, welches ohne Verwendung von Zusatzwerkstoffen auskommt. Die Verbindung wird allein durch das Umformen des Werkstoffs der miteinander zu verbindenden Bauteile erreicht. Ein anderer Vorteil des Clinchens gegenüber dem Nieten ist, dass kein Vorlochvorgang durchgeführt werden braucht. Die statische Festigkeit des Clinchens ist daneben auch höher als bei einer vergleichbaren Punktschweißverbindung. Die Dauerfestigkeit ist aufgrund von fehlender Kerbwirkung und nicht vorhandener Wärmeeinflusszone größer als bei Punktschweißverbindungen. Besonders wenn unterschiedliche Blechstärken verbunden werden müssen, bietet das Clinchen großes fertigungstechnisches Potenzial. Ein weiterer Vorteil ist, dass auch verschiedenartige Materialien und beschichtete Plattenteile miteinander gefügt werden können.
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Das im Stand der Technik für das Clinchen eingesetzte Durchsetzfügewerkzeug besteht im Prinzip aus einem Stempel und einer Matrize. Die zu verbindenden Plattenteile werden durch den Stempel ähnlich wie beim Tiefziehen unter plastischer Deformation in die Matrize gedrückt. Durch eine spezielle Gestaltung der Matrize entsteht eine durchgängige oder druckknopfähnliche Form, welche die Plattenteile im überlappenden Randbereich durch Hinterschneidungen form- und kraftschlüssig miteinander verbinden. Das Nachgeben beweglicher Matrizensegmente bewirkt, dass die Plattenteile im Fügebereich die besagten Hinterschneidungen ausbilden.
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Als nachteilhaft bei der Anwendung des Clinchens im Flugzeugbau erweist sich oftmals die Situation, dass die hiermit hergestellten Fügenähte den Verlauf von Spanten und Stringern unterhalb der Außenhaut stören. Während das punktförmige Clinchen fertigungstechnisch recht aufwendig erscheint, führt das durchgängig nahtförmige Clinchen bei hoher Beanspruchung zu einer relativen Verschiebbarkeit der miteinander verbundenen Bauteile entlang der Clinchnaht.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Bauteilverbindungsanordnung zu schaffen, welche sich insbesondere für den Bereich des Flugzeugbaus eignet, in dem bei allen Belastungs- und Spannungssituationen in der Plattenebene eine feste umformtechnisch in einfacher Weise herstellbare Bauteilverbindung herstellbar ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Bauteilverbindungsanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Hinsichtlich eines zur Bauteilsverbindungsanordnung korrespondierenden Herstellungsverfahrens wird auf Anspruch 8 verwiesen. Ein spezieller Anwendungsfall für den Bereich der Luftfahrzeuge wird ab Anspruch 11 dargestellt.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass entlang des überlappenden Randbereichs der miteinander zu verbindenden vorzugsweise plattenartiger Bauteile eine Vielzahl von einander benachbarten und zumindest teilweise in unterschiedliche Richtungen verlaufende Clinchnahtabschnitte eingebracht sind.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass ein relatives Verschieben der so miteinander verbundenen Bauteile in Plattenebene unterbunden wird. Denn es gibt keine einheitliche Nahtrichtung mehr. Daneben eröffnet die erfindungsgemäße Lösung die Möglichkeit, die Ausrichtung der einzelnen Clinchnahtabschnitte an die örtliche Belastungs- und Spannungssituation der Bauteilverbindung anzupassen. Durch diese Anpassung können Spannungsspitzen an der Verbindungsstelle minimiert werden, in dem die Clinchnahtabschnitte beispielsweise möglichst quer zur Belastungsrichtung gelegt werden. Durch die in unterschiedliche Richtungen verlaufenden Clinchnahtabschnitte entsteht ein Bereich relativ hoher Steifigkeit in Bezug auf die gesamte Bauteilebene. Dies bewirkt beispielsweise, dass Längsnähte eines Flugzeugrumpfes eine höhere Biegesteifigkeit erhalten und Quernähte eine höhere Torsionssteifigkeit aufweisen. Hierdurch können in vorteilhafter Weise in der Praxis sogar einige Spanten und Streben eingespart werden.
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Zum Verhindern des Verschiebens der miteinander gefügten Bauteile wird vorgeschlagen, dass benachbarte Clinchabschnitte gemäß Längsachse im Winkelbereich zwischen 5° und 165° zueinander versetzt angeordnet werden, ganz vorzugsweise zwischen 45° bis 135°. Es ist jedoch auch denkbar, Clinchnahtabschnitte mehrfach parallel nebeneinander anzuordnen, wobei eine Gruppe derart benachbarter Clinchnahtabschnitte in eine entsprechend des vorgenannten Winkelbereichs andere Ausrichtung gebracht werden. Zumindest sollten Clinchabschnitte in mindestens zwei unterschiedliche Richtungen verlaufend in den Randbereich eingebracht werden, um die vorstehend erläuterten gewünschten Eigenschaften der Bauteilverbindung herbeizuführen.
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Ganz vorzugsweise sind die Clinchnahtabschnitte als durchgängige Strecken ausgebildet, welche in der Regel mit einem Rollen aufweisenden Durchsetzfügewerkzeug hergestellt werden. Daneben ist es jedoch auch denkbar die Clinchnahtabschnitte in Form einer Clinchpunktreihe auszubilden, wobei die einzelnen Clinchpunkte über punktförmige Stempel erzeugt werden.
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Um insbesondere für den Bereich des Flugbaus eine sichere Bauteilverbindung zu garantieren, sollten überlappende Randbereiche von Plattenteilen für die Außenhaut zwischen 50 mm bis 100 mm breit sein, die mit hierauf abgestimmten Clinchabschnitten von 5 mm bis 50 mm Länge versehen sind. Bei dieser speziellen Ausführungsform besitzen die Plattenteile eine Dicke von 1 bis 5 mm. Die vorgenannten Maßangaben unterliegen allerdings den fertigungstechnisch bedingten normalen Toleranzfeldern. Je nach Beanspruchung und Anwendungsfalls sind auch andere Parameter im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung realisierbar.
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Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der offene Nutbereich des Clinchnahtabschnitts zumindest teilweise mit einer aus Kunststoff bestehenden Ausgleichsmasse verfüllt ist. Hierdurch wird die Nuttiefe abgeflacht, so dass sich eine aerodynamisch günstigere Form ergibt.
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Um ein gleichmäßiges Verfüllen der Nutbereiche mit Ausgleichsmasse zu erreichen wird gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme vorgeschlagen, dass die Ausgleichsmasse zunächst im flüssigen oder pastösen Zustand in eine Vorbereitungsform gegeben wird, um dort vorzuhärten. Anschließend wird das vorgehärtete und für die Nutgeometrie passende Ausgleichsmassenstück in den zu verfüllenden Nutbereich der Clinchnaht eingefügt, um dort schließlich auszuhärten. Durch die Verfüllung der Nutbereiche mit Ausgleichsmasse entstehen genau definierte Einsenkungen auf der Außenoberfläche.
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In vorteilhafter Weise können diese Einsenkungen an definierte Stellen der Außenhaut eines Luftfahrzeuges angeordnet werden, um dort aufgrund der durch die Nutbereiche erzeugten ungleichmäßigen Oberflächenstruktur einen gezielten Übergang von laminarer Strömung in turbulente Strömung zu bewirken. Durch diese Funktionsintegration von Verbindung mit Aerodynamik kann ohne zusätzliche technische Maßnahmen an den Fügestellen der Außenhaut eine verbesserte Aerodynamik herbeigeführt werden.
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Im Bereich der Luftfahrzeugtechnik lässt sich die erfindungsgemäße Bauteilverbindunganordnung sowohl zur Bildung von Quer- oder Längsnieten der Außenhaut des Rumpfes oder der Flügel verwenden, als auch für eine Spant-Clips- oder Stringerverbindung und dergleichen mit der Außenhaut.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere, die Verbindung bessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine Seitenansicht eines als Verkehrsflugzeug ausgebildeten Luftfahrzeugs mit großvolumigem Rumpf,
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2 eine Detailansicht der Außenhaut des Luftfahrzeugs nach 1 mit einer Bauteilverbindung zwischen zwei Plattenteilen,
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3 einen Querschnitt durch die Bauteilverbindung im Bereich eines durchgängigen Clinchnahtabschnittes, und
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4 einen Querschnitt durch die Bauteilverbindung im Bereich eines Clinchnahtabschnittes mit Ausgleichsmassenfüllung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gemäß 1 besitzt das dargestellte Verkehrsflugzeug einen großvolumigen Rumpf 1, an dem Tragflächen 2 sowie heckseitig Leitwerke 3 angebracht sind. Diese Flugzeugbestandteile bilden eine geschlossene Außenhaut 4, welche innenseitig – mit hier nicht erkennbaren – Spanten und Streben verstärkt ist.
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Nach 2 wird eine Bauteilverbindungsanordnung durch die Außenhaut 4 bildendes Plattenteil 5 mit einem ebenfalls plattenförmigen und hieran zu befestigenden Anbauteil 6 gebildet. Zwischen dem Plattenteil 5 und dem Anbauteil 6 ist ein gemeinsamer überlappender Randbereich 7 gebildet.
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Entlang des überlappenden Randbereichs 7 ist eine Vielzahl von einander benachbarten und in unterschiedliche Richtungen verlaufende Clinchnahtabschnitte 8a bis 8c (exemplarisch) eingebracht. Benachbarte Clinchabschnitte 8a und 8b oder 8b und 8c sind in Längsrichtung gesehen in einem spitzen Winkel zueinander versetzt angeordnet, um ein relatives Verschieben des Plattenteils 5 gegenüber dem Anbauteil 6 durch den Formschluss der jeweiligen Clinchnahtabschnitte 8a bis 8c zu verhindern. Die einzelnen Clinchnahtabschnitte 8a bis 8c sind hier umformtechnisch als jeweils durchgängige Strecken zwischen Plattenteil 5 und Anbauteil 6 eingebracht.
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Gemäß 3 erfolgt das umformtechnische Verbinden des Plattenteils 5 mit dem hier ebenfalls plattenförmigen Anbauteil 6, indem zunächst der gemeinsame überlappende Randbereich 7 gebildet wird, worin durch Einwirkung eines – hier nur schematisch angedeuteten – Durchsetzfügewerkzeugs 9 umformtechnisch die erfindungsgemäße Vielzahl von einander benachbarten und unterschiedliche Richtung verlaufenden Clinchnahtabschnitte 8 (exemplarisch) einzubringen.
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Nach 4 ist der durch den Clinchnahtabschnitt 8 erzeugte nach außen hin offene Nutbereich 10 größtenteils mit einer Ausgleichsmasse 11 aus Kunststoff verfüllt, welche innerhalb des Nutbereichs 10 vollständig aushärtet und durch die dargestellte Wölbung einen sogenannten Dimpels-Effekt auf der Außenhaut des Luftfahrzeugs zur Verbesserung der Aerodynamik erzeugt.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch denkbar, die erfindungsgegenständliche Bauteilverbindungsanordnung zur umformtechnischen Verbindung eines Plattenteils mit einer Verstärkungsstrebe 6' zu nutzen, welche beispielsweise als Stringer der gesamten Struktur des Rumpfes oder eines anderen Flugzeugteils eine ausreichende Stabilität verleiht.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rumpf
- 2
- Tragfläche
- 3
- Leitwerke
- 4
- Außenhaut
- 5
- Plattenteil
- 6
- Anbauteil
- 7
- Randbereich
- 8
- Clinchnahtabschnitt
- 9
- Durchsetzfügewerkzeug
- 10
- Nutzbereich
- 11
- Ausgleichsmasse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2238190 A1 [0003]
- EP 0523134 B1 [0005]
