DE102010062018B4

DE102010062018B4 - Stützstab zur Stützung einer Fussbodenstruktur eines Flugzeugs

Info

Publication number: DE102010062018B4
Application number: DE201010062018
Authority: DE
Inventors: David Fitzsimmons
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2030-11-27
Also published as: US20120132745A1; DE102010062018A1; US9090331B2

Abstract

Stützstab (10) zur Stützung einer Fußbodenstruktur (4) eines Flugzeugs, gekennzeichnet durch eine von einem Stababschnitt (12) gebildete lokale Instabilität zur Verbesserung der Sicherheit von Flugzeuginsassen, wobei der Stützstab (10) einen kopfseitigen Profilabschnitt (36), einen Stababschnitt (12) aus zwei parallelen Gurten (46a, 46b) sowie einen Steg (48) zum Verbinden der Gurte (46a, 46b) und einen fußseitigen Profilabschnitt (34) aufweist, wobei der Stützstab (10) eine lokale Instabilität durch Verformung des Stababschnitts (12) mittels Ausbeulens der Gurte (46a, 46b) aufweist, wobei dieses Ausbeulen durch die freie Länge Lc einstellbar ist, und wobei der Stababschnitt (12) mit zumindest einem Profilabschnitt (34, 36) einen Überlappstoß (50, 52) bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stützstab zur Stützung einer Fußbodenstruktur eines Flugzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Fußbodenstrukturen für Passagierflugzeuge bestehen gewöhnlich aus einer Vielzahl von Querträgern und Sitzschienen. Die Sitzschienen dienen zur Aufnahme von Passagiersitzen und verlaufen in Flugzeuglängsrichtung über die Querträger. Die Querträger sind endseitig an seitlichen Spantabschnitten des Flugzeugrumpfes angebunden. Zwischen den Sitzschienen sind auf den Querträgern Fußbodenplatten positioniert. Wie in 1 gezeigt können Stützstäbe 2 zur vertikalen Abstützung der Fußbodenstruktur 4 vorgesehen sein. Die Stützstäbe 4 stützen sich meistens mit einem Fußabschnitt 6 an einem unterbodenseitigen nicht gezeigten Spantabschnitt ab und sind mit einem Kopfabschnitt 8 an den Querträgern der Fußbodenstruktur 4 angebunden. Üblicherweise dienen sie zur Aufnahme axialer, im Kopfabschnitt 8 entlang der Hochachse z des Flugzeugs eingeleiteter Druckkräfte Fa. Im Crashfall bzw. im Falle einer Notlandung ohne ausgefahrenem Fahrwerk, d. h. bei einem direkten Bodenkontakt des Unterbodenbereichs, können durch eine Verformung der Spantabschnitte im Unterbodenbereich derart große Drucklasten Fn axial im Bereich des Fußabschnitts 6 in die Stützstäbe 2 eingeleitet werden, dass diese wie in 1b gezeigt aus ihrer kopfseitigen Verankerung gerissen werden und den auf der Fußbodenstruktur 4 abgelegten Kabinenboden durchstoßen, was eine Gefährdung des Bordpersonals bzw. der Fluggäste in diesem Bereich bedeutet.
In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 058 377 A1 der Anmelderin ist ein als zylinderförmige Samerstange ausgebildeter Stützstab gezeigt, die von einem Gewebenetz ummantelt ist. Das Gewebenetz dient bei einer außergewöhnlichen axialen Zugbelastung in Folge einer Notlandung quasi als Fangnetz und verhindert, dass im Falle einer Zerstörung der Samerstange die über die Samerstange miteinander verbundenden Strukturelemente voneinander getrennt werden. Die Samerstange und insbesondere das Gewebenetz eignen sich hervorragend zur Stabilisierung der Flugzeugstruktur bei außergewöhnlichen Zuglasten, jedoch nur bedingt zur Vermeidung einer Gefährdung für das Kabinenpersonal bzw. die Fluggäste beim Auftreten von außergewöhnlichen Drucklasten.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 028 098 A1 ist es bekannt, eine Fußbodenstruktur im Flugzeugrumpf nur durch horizontale Stäbe bzw. Streben abstützen, die sich endseitig von den Querträgern erstrecken. Die Querträger werden mittelbar über die Streben an seitlichen Spantabschnitten angebunden. Eine unmittelbare Befestigung der Querträger an den Spantabschnitten sowie vertikale Stützstäbe sind nicht vorgesehen. Diese Konstruktion ist im Crashfall jedoch insofern kritisch, als das keine vertikale Abstützung der Fußbodenstruktur erfolgt.
Weiterer Stand der Technik ist aus der DE 20 2006 016 041 U1 , DE 10 2009 012 472 A1 , DE 10 2006 056 440 A1 , FR2927606A1 , US20090206202A1 , US20080093503A1 , US4593870A und aus der FR2954430A1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stützstab zur Stützung einer Fußbodenstruktur eines Flugzeugs zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile beseitigt und bei einer bspw. im Crashfall auftretenden außergewöhnlichen Druckbelastung den Fußboden nicht durchdringt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stützstab mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Erfindungsgemäß hat ein Stützstab zur Stützung einer Fußbodenstruktur eines Flugzeuges eine von einem Stababschnitt gebildete lokale Instabilität zur Verbesserung der Sicherheit von Flugzeuginsassen. Der Stababschnitt weist eine den Profilabschnitten entsprechende bzw. ähnliche Profilgeometrie mit zwei parallelen Gurten sowie einem Steg zum Verbinden der Gurte auf. Eine Verformung des Stababschnittes besteht in einem Ausbeulen der Gurte, was sich unter anderem durch die freie Länge Lc einstellen lässt. Der Stababschnitt bildet dabei mit zumindest einem Profilabschnitt einen Überlappstoß. Die lokale Instabilität bzw. der Stababschnitt bewirkt, dass ab einer bestimmten axialen Druckbelastung der an der Fußbodenstruktur angebundene Stützstab in einem definierten Stabbereich verformt werden kann bzw. bricht und somit nicht aus der kopfseitigen Verankerung mit der Fußbodenstruktur gerissen wird, wodurch ein Durchstoßen des Fußbodens verlässlich verhindert wird. Der erfindungsgemäße Stützstab wirkt als ein passiver Sicherheitsstab (passive safety strut), der auch im Crashfall die Fußbodenstruktur stützt und durch seine Verformung ein Durchstoßen der Fußbodenplatten verhindert. Somit werden das Fußbodenstruktur sowie die Fußbodenplatten nahezu bzw. nicht beschädigt und der erfindungsgemäße Stützstab ermöglicht die Unversehrtheit der Passagierkabine im Fußbodenbereich, was in einer verbesserten Sicherheit der Insassen gegenüber bekannten Lösungen resultiert. Gleichzeit wird durch die Verformung des bzw. der Stützstäbe Aufprallenergie absorbiert und der Aufprall für die Insassen abgeschwächt, wodurch ebenfalls die Sicherheit der Insassen verbessert wird. Ein Überlappstoß ist technisch einfach herstellbar und ermöglicht einen Ausgleich von Bauteil- bzw. Montagetoleranzen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Stababschnitt in einem mittleren Profilbereich des Stützstabs angeordnet, so dass der Stützstab in bzw. in nahezu zwei gleich große Teile unterteilt wird.
In Abhängigkeit von dem vorgegebenen Profil des Stützstabes kann der Stababschnitt eine ähnliche oder eine andersartige Profilgeometrie aufweisen. Ein ähnliches Profil ist aus fertigungstechnischer Sicht einfach zu fertigen, wohingegen ein andersartiges Profil eine besonders optimale Auslegung des Stababschnitts ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, den Stützstab einstückig mit einem integralen Stababschnitt auszubilden. Ein anderes Ausführungsbeispiel sieht vor, den Stützstab zumindest zweiteilig auszuführen, wobei der Stababschnitt mit dem einen Profilabschnitt integral bzw. einstückig ausgebildet ist und über eine entsprechende Verbindung mit dem anderen Profilabschnitt verbunden wird. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht der Stützstab aus zumindest zwei Einzelprofilen, die über einen getrennt hergestellten Stababschnitt miteinander verbunden sind. Die getrennte Herstellung des Stababschnittes von den sonstigen Stützstabprofilen ermöglicht die Nachrüstung bereits im Flugzeug installierter herkömmlicher Stützstäbe.
Im Bereich des zumindest einen Überlappstoßes kann der Stababschnitt mit dem Profilabschnitt durch Stoffschluss, Kraftschluss oder durch Formschluss verbunden sein. Dabei kann die jeweilige Verbindung derart ausgebildet sein, dass bei einer druckartigen axialen Überbelastung die Verbindung gelöst wird und nicht der Stababschnitt einknickt bzw. bricht.
Neben der Geometrie und der Verbindungsart lässt sich ebenfalls das Material des Stababschnitts variieren bzw. an den jeweiligen Belastungsfall anpassen. So kann der Stababschnitt aus dem gleichen oder einem anderen Material als die Profilabschnitte des Stützstabes bestehen.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
1a und 1b einen herkömmlichen Stützstab zur Stützung einer Fußbodenstruktur eines Flugzeugs,
2a und 2b einen Stützstab, der nicht von der Erfindung umfasst ist,
3 und 4 eine bevorzugte Einbauposition des Stützstabes aus den 2a und 2b,
5 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stützstabes,
6 einen Belastungsfall des erfindungsgemäßen Stützstabes, und
7a, 7b und 7c beispielhafte Profilquerschnitte erfindungsgemäßer Stützstäbe, wobei der Profilquerschnitt nach 7c nicht von der Erfindung umfasst ist.
Gemäß der Darstellung in 2a hat ein Stützstab 10 zur vertikalen Stützung einer Fußbodenstruktur 4 eines Flugzeugs einen Fußabschnitt 6 zur Abstützung an einem nicht gezeigten Versteifungselement im Unterbodenbereich, einen Kopfabschnitt 8 zur Befestigung an der Fußbodenstruktur 4 und einen zwischen dem Fußabschnitt 6 und dem Kopfabschnitt 8 angeordneten eine lokale Instabilität definierenden Stababschnitt 12.
Der Fußabschnitt 6 und der Kopfabschnitt 8 bestehen aus dem gleichen Material wie Aluminium, Titan oder einem faserverstärktem Verbundwerkstoff wie CFRP und weisen eine gleiche Geometrie sowie eine gleiche axiale Länge auf.
Der Stababschnitt 12 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Fußabschnitt 6 und der Kopfabschnitt 8 und ist aufgrund der gleichen Axiallänge des Fußabschnitts 6 und des Kopfabschnitts 8 in einem mittleren Profilabschnitt des Stützstabes 10 angeordnet. Der Stützstab 10 ist in dem in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel einstückig mit einem integralen Stabschnitt 12 ausgebildet, jedoch kann der Stützstab wie in 5 gezeigt, auch mehrteilig ausgeführt sein.
Gemäß einer in 2b skizzierten Notfallsituation definiert der Stababschnitt 12 eine Sollbruchstelle, bei der der Stützstab 10 bei einer außergewöhnlichen axialen Druckbelastung FN, die über den fußseitigen Fußabschnitt 6 in den Stützstab 10 eingeleitet wird, beispielsweise aufgrund einer Bodenberührung des Flugzeugrumpfes bei einer Notlandung, bricht bzw. abknickt. Hierdurch wird verhindert, dass der Stützstab 10 aus seiner kopfseitigen Verankerung an der Fußbodenstruktur 4 gelöst wird und somit den Fußboden durchdringt. Der von dem Fußabschnitt 6 abgetrennte Kopfabschnitt 8 verbleibt vielmehr in seiner Verankerung mit der Fußbodenstruktur 4.
In den 3 und 4 ist eine bevorzugte Einbauposition des Stützstabs 10 in einem Flugzeug dargestellt. Der Stützstab 10 ist vorzugsweise in einem Heckbereich in Querrichtung y des Flugzeugrumpfes zentral zur vertikalen Abstützung der Fußbodenstruktur 4 angeordnet. Er stützt sich mit seinem Fußabschnitt 6 über ein nicht gezeigtes unterbodenseitigen Versteifungselement an einem heckseitigen Hautabschnitt 14 des Flugzeugrumpfes ab und ist mit seinem Kopfabschnitt 8 an der Fußbodenstruktur 4 angebunden.
Zusätzlich zur Abstützung der Fußbodenstruktur 4 dient der Stützstab 10 zur Befestigung eines Verkleidungselementes 16, das sich im Unterbodenbereich über dem Querschnitt des Flugzeugrumpfes erstreckt und mittels Nieten 18a, 18b, an dem Stützstab 10 angebunden ist. Das Verkleidungselement 16 bildet eine heckseitige Begrenzung eines Frachtraums 20 und eine cockpitseitige Begrenzung eines Systemraums 22.
Der Frachtraum 20 dient zur Aufnahme einer Vielzahl von Frachtcontainern 24, die auf einem Frachtraumboden 26 verzurrt sind. Darüber hinaus wird in dem Frachtraum 20 Handgepäck 28 transportiert, das in einem Freiraum zwischen den Frachtcontainern 24 und dem Verkleidungselement 16 positioniert wird. Das Handgepäck 28 wird meistens ohne eine strukturseitige Verzurrung in dem Frachtraum 20 gelagert, wodurch beispielsweise bei Turbulenzen dieses gegen das Verkleidungselement 16 gedrückt werden kann. Das Verkleidungselement 16 verhindert ein Eindringen des Handgepäcks 28 in den Systemraum 22, jedoch werden durch die Befestigung des Verkleidungselements 16 an dem Stützstab 10 die in das Verkleidungselement 16 in Flugzeuglängsrichtung x anliegenden Kräfte Fq in den Stützstab 10 eingeleitet, so dass dieser zusätzlich zu den Axialkräften auch Querkräfte Fq aufzunehmen hat.
Der Systemraum 22 wird heckseitig durch eine Druckkalotte 30 begrenzt und dient zur Aufnahme flugzeugsystemrelevanter Geräte wie z. B. einem Wassertank 32.
5 zeigt den erfindungsgemäßen Stützstab 10 in einer mehrteiligen Ausführung mit einem fußseitigen Profilabschnitt 34 und einem kopfseitigen Profilabschnitt 36, die über einen als eine lokale Instabilität wirkenden mittleren Stababschnitt 12 miteinander verbunden sind. Die Profilabschnitte 34, 36 bestehen vorzugsweise aus Aluminium bzw. aus einer Aluminiumlegierung und weisen jeweils einen U-förmigen Querschnitt mit zwei parallelen Gurten 38a, 38b und 40a, 40b auf, die über jeweils einen Steg 42 und 44 miteinander verbunden sind. Die Gurte 38a, 38b, 40a, 40b haben eine einheitliche Höhe hs und eine einheitliche Dicke bzw. Wandstärke ts. vorzugsweise wird an den Stegen 42, 44 das in den 3 und 4 gezeigte Verkleidungselement 16 angebunden.
Der Stababschnitt 12 besteht aus dem gleichen Material wie die Profilabschnitte 34, 35 und weist eine den Profilabschnitten 34, 36 entsprechende bzw. ähnliche Profilgeometrie mit zwei parallelen Gurten 46a, 46b sowie einem Steg 48 zum Verbinden der Gurte 46a, 46b auf. Die Gurte 46a, 46b habe eine Höhe hc und eine Dicke bzw. Wandstärke tc mit hc < hs und tc < ts. Der Stabschnitt 12 hat einen gegenüber den Profilabschnitten 34, 36 derart verkleinerten U-förmigen Querschnitt, dass der Stababschnitt 12 endseitig zwischen die Gurte 38a, 38b, 40a, 40b der Profilabschnitte 34, 36 eintaucht und mit diesen jeweils einen Überlappstoß 50, 52 bildet. Die Verbindung des Stababschnitts 12 mit den Profilabschnitten 34, 36 erfolgt bevorzugterweise über eine Vielzahl von Befestigungsmitteln wie Bolzen, Nieten 54a, 54b und 56a, 56b und drgl., die in entsprechende Aufnahmebohrungen der Gurte 38a, 38b, 40a, 40b der Profilabschnitte 34, 36 sowie der Gurte 46a, 46b des Stabschnittes 12 eingesetzt sind.
Das Verhältnis zwischen der Höhe hs und der Dicke ts der Gurte 38a, 38b, 40a, 40b der Profilabschnitte 34, 36 sowie der Höhe hc, der Dicke tc des Stababschnittes 12 und einer freien Länge Lc zwischen in axialer Richtung betrachtet den innenliegenden Befestigungsmitteln 54a, 56a sind derart gewählt, dass der Stützstab 10 eine ausreichende passive Steifigkeit aufweist, jedoch die Übertragung einer außergewöhnlichen Druckbelastung beispielsweise in Folge einer Notlandung mit heckseitiger Bodenbrührung durch ein Brechen bzw. durch eine Verformung des Stababschnittes 12 verhindert wird. Die Verformung kann zum Beispiel wie in 6 gezeigt in einem Ausbeulen der Gurte 46a, 46b des Stababschnitts 12 bestehen, was sich unter anderem durch die freie Länge Lc einstellen lässt.
Ferner verdeutlicht 5, dass der als lokale Instablität dienende Stabquerschnitt 12 auch nachträglich in einen in 1 gezeigten herkömmlichen Stützstab 2 integriert werden kann. Hierzu ist ein mittlerer Profilabschnitt des Stützstabes 2 zu entnehmen, so dass der Fußabschnitt 6 von dem Kopfabschnitt 8 getrennt ist. Anschließend wird der Stababschnitt 12 zwischen den Abschnitten 6, 8 positioniert und dieser dann mit den Abschnitten 6, 8 zum Stützstab 10 mit einer lokalen Instabilität verbunden.
Gemäß den Querschnittsdarstellungen in den 7A, 7B, 7C kann der Stützstab 10 eine Vielzahl von Querschnittsprofilen aufweisen. Wie in 7A und bereits in den 5 und 6 gezeigt, sieht ein Ausführungsbeispiel vor, den Stützstab 10 mit einem U-förmigen Querschnitt auszubilden. Alternativ ist in 7B ein Stützstab 10 gezeigt, der einen I-förmigen bzw. Doppel-T-förmigen Querschnitt aufweist. Des Weiteren ist in 7C ein Stützstabes 10 mit einem kreis- bzw. zylinderförmigen Querschnitt gezeigt.
Offenbart ist ein als passiver Sicherheitsstab ausgebildeter Stützstab zur Stützung einer Fußbodenstruktur eines Flugzeuges mit einer von einem Stababschnitt gebildeten lokalen Instabilität bspw. zur Definierung einer Sollbruchstelle bei einer außergewöhnlichen Druckbelastung zur Verbesserung der Sicherheit der Insassen.
Bezugszeichenliste

2: Stützstab
4: Fußbodenstruktur
6: Fußabschnitt
8: Kopfabschnitt
10: Stützstab
12: Stababschnitt
14: Hautabschnitt
16: Verkleidungselements
18a, b: Niet
20: Frachtraum
22: Systemraum
24: Frachtcontainer
26: Frachtraumboden
28: Handgepäck
30: Druckkalotte
32: Wassertank
34: Profilabschnitt
36: Profilabschnitt
38a, b: Gurt
40a, b: Gurt
42: Steg
44: Steg
46a, b: Gurt
48: Steg
50: Überlappstoß
52: Überlappstoß
54a, b: Befestigungsmittel
56a, b: Befestigungsmittel
Fa: axiale Drucklast
FN: Überbelastung
Fq: Querkraft
hs: Höhe Gurt Profilabschnitte
ts: Breite Gurt Profilabschnitte
hc: Höhe Gurt Stabschnitt
tc: Breite Gurt Stabschnitt
Lc: freie Länge (Abstand zwischen innenliegenden Befestigungsmitteln)

Claims

Stützstab (10) zur Stützung einer Fußbodenstruktur (4) eines Flugzeugs, gekennzeichnet durch eine von einem Stababschnitt (12) gebildete lokale Instabilität zur Verbesserung der Sicherheit von Flugzeuginsassen, wobei der Stützstab (10) einen kopfseitigen Profilabschnitt (36), einen Stababschnitt (12) aus zwei parallelen Gurten (46a, 46b) sowie einen Steg (48) zum Verbinden der Gurte (46a, 46b) und einen fußseitigen Profilabschnitt (34) aufweist, wobei der Stützstab (10) eine lokale Instabilität durch Verformung des Stababschnitts (12) mittels Ausbeulens der Gurte (46a, 46b) aufweist, wobei dieses Ausbeulen durch die freie Länge Lc einstellbar ist, und wobei der Stababschnitt (12) mit zumindest einem Profilabschnitt (34, 36) einen Überlappstoß (50, 52) bildet.
Stützstab nach Anspruch 1, wobei der Stababschnitt (12) in einem mittleren Profilbereich angeordnet ist.
Stützstab nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stababschnitt (12) eine ähnliche Profilgeometrie wie angrenzende Profilabschnitte (6, 8; 34, 36) aufweist.
Stützstab nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stababschnitt (12) eine andersartige Profilgeometrie als angrenzende Profilabschnitte (6, 8; 34, 36) aufweist.
Stützstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Einzelprofilen (34, 36) vorgesehen ist.
Stützstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stababschnitt (12) zumindest mit einem Profilabschnitt (34, 36) durch Stoffschluss verbunden ist.
Stützstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stababschnitt (12) zumindest mit einem Profilabschnitt (34, 36) durch Kraftschluss verbunden ist.
Stützstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stababschnitt (12) zumindest mit einem Profilabschnitt (34, 36) durch Formschluss verbunden ist.
Stützstab nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei bei einer axialen Überbelastung (Fn) der Stoffschluss, der Kraftschluss oder der Formschluss öffnet.
Stützstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stababschnitt (12) aus einem anderen Material als die Profilabschnitte (6, 8; 34, 36) besteht.