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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen Strömungskörper mit einem darin integrierten Lasteinleitungselement, ein Verfahren zum Herstellen eines Strömungskörpers und ein Flugzeug mit einem derartigen Strömungskörper.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Flugzeuge weisen zur Erzeugung von Auftrieb und zur Flugsteuerung Strömungskörper auf, die fest oder bewegbar gelagert werden. Neben rein rotatorisch bewegbaren Steuerflächen sind auch translatorisch bewegbare Landeklappen bekannt, welche über geeignete Mittel mechanisch mit einem Aktuator gekoppelt sind und auf einer vorgegebenen Bewegungsbahn bewegt werden. Geeignete Mittel, die im folgenden auch Lasteinleitungselemente genannt werden, sind oftmals metallische Bauteile, die ein relativ hohes Gewicht aufweisen und zur Befestigung an der Steuerfläche einen hohen Befestigungsaufwand nach sich ziehen.
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Strömungskörper moderner Flugzeuge werden oft aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt und können zwei oder mehr Holme besitzen. Die Verwendung metallischer Lasteinleitungselemente bei einer solchen kostengünstigen Bauweise zur differenziellen Lasteinleitung erfordert eine aufwändige Befestigung, da Komponenten, etwa Hauptrippen, einzeln gefertigt und mithilfe von Verbindungselementen zusammengefügt werden, was zu hohen Fertigungskosten in der Montage führt. Die Kostenvorteile der günstigen Fertigung einzelner Bauteile wird dadurch minimiert.
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Die
DE 10 2008 013 759 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines integralen Faserverbundbauteils, insbesondere einer aerodynamischen Wirkfläche, mit einer Vielzahl von mit einer Außenhaut umschlossenen Versteifungselementen. Das Verfahren umfasst die Schritte: a) Herstellen einer Vielzahl von entfernbaren Kernen in einer Kernform, wobei die Kerne im Wesentlichen eine innere Oberflächengeoemetrie des Faserverbundbauteils abbilden, b) Auflegen von mit Versärkungsfasern gebildeten Vorformlingen auf die Kerne zur Ausbildung der Versteifungselemente und Anordnen der Kerne zu einem Gesamtaufbau, c) Belegen der Kerne mit einem bahnförmigen Halbzeug zur Schaffung der Außenhaut, d)-f) Herstellen des fertigen Faserverbundbauteils in einem RTM-Prozess und Entfernen der Kerne.
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Die
US 8 453 972 B2 beschreibt Vorrichtung zur Verbindung von beweglichen Teilen mit Strukturbauteilen von Flugzeugen oder anderen Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen, mit mindestens einem mit mindestens einem Lager versehenen Beschlag. Der mindestens eine Beschlag ist aus einem synthetischen Material gefertigt und mit dem beweglichen Teil verklebt. Zur Herstellung des Beschlags ist das Resin-Transfer-Molding-Verfahren (RTM-Verfahren) besonders geeignet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen bewegbar an einem Flugzeug gelagerten Strömungskörper vorzuschlagen, welcher zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff herstellbar ist und ein Lasteinleitungselement aufweist, welches mit einem niedrigen Gewicht und insbesondere niedrigen Fertigungskosten bereitgestellt wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Strömungskörper mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird ein Strömungskörper für ein Luftfahrzeug mit einer Vorderkante und einer Hinterkante vorgeschlagen, der einen ersten Holm, einen zu dem ersten Holm parallel angeordneten und in einer Profilsehnenrichtung beabstandeten zweiten Holm und eine äußere Haut, die sich von der Vorderkante zu der Hinterkante spannt und beidseitig auf den Holmen aufliegt, aufweist. Mindestens einer des ersten Holms und des zweiten Holms weist jeweils einen Steg und zwei voneinander beabstandete und den Steg einschließende Flansche auf, auf denen die sich über den jeweiligen Holm spannende Haut angeordnet ist. Mindestens einer des ersten Holms und des zweiten Holms weist mindestens eine Lasteinleitungsfinne auf, die mit dem Steg ein integrales Bauteil bildet und sich über einen der Holme und die aufliegende Haut nach außen erstreckt. Die Lasteinleitungsfinne und der Steg sind aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, das ein Fasergewebe aufweist, das in ein Matrixmaterial eingebettet ist, und die Lasteinleitungsfinne und der Steg weisen ein zusammenhängendes, sich vollständig über die Lasteinleitungsfinne und den Steg erstreckendes Fasergewebe auf, wobei ein erstes Fasergewebe mehrere Schichten ausbildet, die parallel zueinander laufen und ein ebenes Laminat bilden.
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Der Strömungskörper ist somit bevorzugt ein überwiegend hohles, gewichtsoptimiertes Bauteil, welches aus Versteifungsbauteilen und einer damit verbundenen Haut besteht. Aerodynamische Kräfte und Massenkräfte, die auf den Strömungskörper wirken, müssen durch dessen Lagerung aufgefangen werden, was durch eine Befestigung an der mindestens einen Lasteinleitungsfinne erfolgt. Die konkrete Ausführung des Strömungskörpers kann eine Vielzahl von Holmen aufweisen, oder eine klassiche Holm-Rippen-Konstruktion. Die äußere der Luftströmung ausgesetzte Oberfläche wird durch die äußere Haut gebildet und ist ihrerseits insbesondere für die aerodynamischen Kräfte verantwortlich, die durch ihre Verbindung mit den Holmen in die Versteifungsstruktur geleitet wird.
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Als Holm ist ein lasttragendes Element des Strömungskörpers zu verstehen, das eine im Wesentlichen längliche Form aufweist und dazu eingerichtet ist, Querkräfte und Biegemomente aufzunehmen. Das Querschnittsprofil mit einem Steg und zwei voneinander beabstandeten Flanschen sorgt für ein hohes Flächenträgheitsmoment bei gleichzeitig geringem Gewicht des Holms. Damit können folglich, abhängig von dem Abstand der beiden Flansche zueinander, sehr hohe Biegekräfte aufgenommen werden. Der Holm weist besonders bevorzugt eine I- bzw. Doppel-T-Profilkontur auf, wobei alternativ auch andere Profilkonturen denkbar sind, z.B. C- oder Z-Profile.
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Die Form der äußeren Hülle, welche sich von der Vorderkante zu der Hinterkante spannt, beidseitig auf den Holmen aufliegt und insbesondere nach aerodynamischen Kriterien gestaltet ist, gibt den Winkel der Flansche des betreffenden Holms zueinander vor, während der Steg winklig zu beiden Flanschen und der darauf aufliegenden Hülle angeordnet ist. Der Steg in dem Strömungskörper ist bevorzugt rechtwinklig zu den Flanschen angeordnet. Sollte dies aufgrund einer lokalen Nichtparallelität der Unterseite und der Oberseite des Profils des Strömungskörpers nicht möglich sein, könnte ein höherer oder niedrigerer Winkel zwischen Flansch und Steg vorgesehen werden. Der Steg könnte dabei insbesondere senkrecht auf einer Unterseite aufliegen oder, alternativ, senkrecht zu einer Oberseite des Strömungskörpers angeordnet sein und/oder jeweils einen Winkel möglichst nah an 90° zu beiden Flanschen einstellen.
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Die Lasteinleitungsfinne des betreffenden Holms ist als eine Art Verlängerung des Stegs des betreffenden Holms zu verstehen und erstreckt sich in einer Stegebene. Die Lasteinleitungsfinne ist somit selbst eine Art Flansch, die mit einem Beschlag oder dergleichen außerhalb des Strömungskörpers verbindbar ist, welcher von einem Aktuator indirekt über den Beschlag bewegt wird. Hierzu ragt die Lasteinleitungsfinne über den betreffenden Flansch des Holms und die sich daran anschließende äußere Haut nach außen hervor und weist eine an einen Beschlag oder anderes Element angepasste Fläche auf.
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Durch die Ausführung der Lasteinleitungsfinne als ein integrales Bauteil mit dem Steg kann wirkungsvoll zusätzliches Gewicht, welches durch das Anbringen einer separat gefertigten Lasteinleitungsfinne entsteht, begrenzt werden. Gleichzeitig ist aufgrund des integralen Aufbaus die Lasteinleitung von der Lasteinleitungsfinne in den Holm und damit den Strömungskörper und umgekehrt besonders wirkungsvoll.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen sowohl der erste als auch der zweite Holm eine Lasteinleitungsfinne auf, die sich zu der gleichen Seite des Strömungskörpers erstrecken. Ein etwa entlang der Profilerstreckung des Strömungskörpers gemessener Abstand zwischen den Lasteinleitungsfinnen unterstützt die Anordnung eines Beschlags zwischen den Lasteinleitungsfinnen, so dass dieser sich zwischen den beiden Lasteinleitungsfinnen erstreckt und an zwei gegenüberliegenden Enden befestigt ist oder die Lasteinleitungsfinnen umgreift. Während bei einer Befestigung eines Beschlags lediglich an einer einzelnen Lasteinleitungsfinne diese stark auf Biegung beansprucht werden könnte, kann dies bei der Befestigung an zwei entlang der Profilerstreckung beabstandeter Lasteinleitungsfinnen praktisch vermieden werden. Weiterhin kann bei der reinen Einleitung von Zug- und Schubkräften in die Lasteinleitungsfinnen die individuelle Belastung der einzelnen Lasteinleitungsfinnen reduziert werden, so dass die Anforderung an die mechanische Festigkeit der Lasteinleitungsfinnen sinkt.
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Zur zusätzlichen Verringerung des Gewichts des Strömungskörpers kann die mindestens eine Lasteinleitungsfinne eine Ausnehmung aufweisen. Diese könnte sich in einem mittleren Bereich der Lasteinleitungsfinne befinden und einen Raum zum Durchführen von für die Anordnung oder Bewegung des Strömungskörpers notwendigen kinematischen Elemente aussparen. Neben der Anordnung von Schlitzen oder anderen in eine Außenkante der Lasteinleitungsfinne ragenden Ausschnitten kommen auch Öffnungen mit einer geschlossenen Öffnungskontur, welche nicht in eine Außenkante der Lasteinleitungsfinne übergeht, in Frage.
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Die Festigkeit der mindestens einen Lasteinleitungsfinne kann durch eine sich von einer Außenkante zu der Haut, durch die sich die Lasteinleitungsfinne erstreckt, vergrößernde Breite verbessert werden. Insbesondere kann die Lasteinleitungsfinne eine Trapezform mit einer Basis, die an die Haut angrenzt, einer gegenüberliegend angeordneten, bevorzugt parallel zur Basis ausgerichteten, kürzeren Kante und zwei sich dazwischen erstreckenden Schenkeln, welche bevorzugt symmetrisch angeordnet sind, aufweisen.
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Gemäß der Erfindung bestehen die Lasteinleitungsfinne und der Steg aus einem Faserverbundwerkstoff, welches ein Fasergewebe aufweist, das in ein Matrixmaterial eingebettet ist. Die Lasteinleitungsfinne und der Steg enthalten ein zusammenhängendes, sich vollständig über die Lasteinleitungsfinne und den Steg erstreckendes Fasergewebe. Die beiden Teilbereiche des somit zusammenhängenden Bauteils weisen folglich ein Fasergewebe auf, welches nicht durchtrennt ist. Damit wird ein besonders homogener Kraftfluss zwischen der Lasteinleitungsfinne und dem Steg ermöglicht, beide Komponenten sind also ein einziges Bauteil.
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Im Allgemeinen kann ein Flansch aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen, alternativ dazu sind jedoch auch metallische Materialien oder Faser-Metall-Laminate möglich, so dass der Holm auch hybrid aufgebaut sein kann.
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Die Lasteinleitungsfinne und der Steg können aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein. Dies kann die Verwendung sowohl eines einzelnen Bauteils umfassen, das sowohl den Steg als auch die Lasteinleitungsfinne bildet. Ferner können beide Komponenten separat voneinander gefertigt und anschließend miteinander verbunden werden.
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Besonders bevorzugt bilden die Lasteinleitungsfinne und der Steg ein zusammenhängendes, nicht gefügtes Bauteil.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Flansch, durch den sich die Lasteinleitungsfinne vom Steg aus nach außen erstreckt, eine Öffnung auf. Die Öffnung kann hierbei gefräst oder durch andere mechanische Verfahren zur Materialbearbeitung hergestellt sein, alternativ auch bereits bei der Herstellung eines Flansches, zum Beispiel mittels eines Faserverbundmaterials, ausgeformt werden.
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Bevorzugt ist die Öffnung des Flansches bei durchgeführter Lasteinleitungsfinne zu der Lasteinleitungsfinne hin abgedichtet. Das kann durch Einbringen von dauerelastischem, festem, hartem oder aushärtbarem Material erreicht werden, wobei alternativ oder zusätzlich dazu auch ein Verbundmaterial einen verbleibenden Spalt zwischen Flansch und Lasteinleitungsfinne zumindest teilweise abdeckt, indem das Verbundmaterial von einer oder mehreren zur Lasteinleitungsfinne benachbarten Regionen der Außenfläche und/oder der Innenfläche der Haut auf die daran anschließende Seite der Lasteinleitungsfinne verläuft. Somit können beispielhaft L-förmige Verstärkungslagen in einem Eck- oder Zwickelbereich Risse vermeiden, die sich ausgehend von einem freien Rand einer Komponente in einem Eck- oder Zwickelbereich gemäß einer anliegenden Belastung ausdehnen. Insbesondere ist bevorzugt, Flächenübergänge im Bereich der Öffnung des Flansches mit durchgeführter Lasteinleitungsfinne zwischen der Innenfläche oder Außenfläche der Haut, dem Steg und der Lasteinleitungsfinne mit Bahnen aus einem Faserverbundmaterial auszukleiden.
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Besonders bevorzugt weisen der Steg und die Lasteinleitungsfinne eine Auskleidung zur Ausbildung einer Art Innenflansch auf, der sich an einer zu dem Steg gewandten Innenfläche des Flansches, durch den sich die Lasteinleitungsfinne nach außen erstreckt, befindet. Damit wird eine sichere Verbindung zwischen dem Steg bzw. der Lasteinleitungsfinne und dem betreffenden Flansch ermöglicht und Kerbspannungen in den Flächenübergang reduziert.
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Zusätzlich oder alternativ hierzu ist an dem Steg jeweils eine Verstärkungslage aus einem Faserverbundmaterial angeordnet, die sich von dem Steg insbesondere zu der dem Steg zugewandten Fläche des Flansches erstreckt. Hiermit werden insgesamt vier Kantenverstärkungen vorgesehen, die an beiden voneinander beabstandeten Flanschen verlaufen. An jeweils einer Seitenfläche des Stegs können beide Kantenverstärkungen auch ineinander übergehen oder als eine einzige Verstärkungslage mit einem U-Querschnitt verlaufen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die parallel zu dem Steg verlaufende Erstreckung des Fasergewebes ausgehend von dem Flansch, durch den sich die Lasteinleitungsfinne erstreckt, zu dem gegenüberliegenden Flansch abgestufte Längen auf. Dies bedeutet, dass sich nur ein Teil der einzelnen Fasergewebe zu dem Flansch erstreckt, der gegenüber dem Flansch liegt, durch den sich die Lasteinleitungsfinne erstreckt.
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Bevorzugt sind die abgestuften Längen derart gewählt, dass sich der Steg von dem Flansch, durch den sich die Lasteinleitungsfinne erstreckt, zu dem gegenüberliegenden Flansch, verjüngt. Folglich konzentriert sich das Verbundmaterial an der Stelle der direkten Lasteinleitung aus der Lasteinleitungsfinne in das Innere des Strömungskörpers, so dass dort eine ausreichende Festigkeit vorliegt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der Strömungskörper zusätzlich einen Lasteinleitungsbeschlag auf, der mit einem Aktuator koppelbar ist. Der Lasteinleitungsbeschlag weist mindestens ein Aufnahmemittel zum Aufnehmen einer Lasteinleitungsfinne auf. Der Lasteinleitungsbeschlag kann besonders bevorzugt ein Gelenk, eine Öffnung zum Durchführen einer Achse oder eines Bolzens, ein Lager oder eine Ausnehmung aufweisen, die eine Kopplung mit einem Aktuator erlaubt. Durch die Kopplung mit dem Aktuator kann eine Bewegung des Lasteinleitungsbeschlags vorgenommen werden, der zumindest über mindestens eine Lasteinleitungsfinne mit der Struktur des Strömungskörpers verbunden ist. Bei der Existenz zweier Lasteinleitungsfinnen kann der Lasteinleitungsbeschlag selbstverständlich zwei Aufnahmemittel aufweisen, die mit beiden Lasteinleitungsfinnen in Eingriff bringbar sind.
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Der Lasteinleitungsbeschlag kann aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Es könnte sich anbieten, den Lasteinleitungsbeschlag aus einem metallischen Material, insbesondere einer hochfesten Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung, Titan oder auch Stahl herzustellen, wobei die Profilgebung des Lasteinleitungsbeschlags derart angepasst werden kann, dass ein möglichst geringes Gewicht durch eine geringe Materialdicke, dennoch eine ausreichende Steifigkeit durch ein großes Flächenträgheitsmoment in den gewünschten Richtungen bereitgestellt werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Lasteinleitungsbeschlag ebenfalls aus einem Faserverbundmaterial herzustellen, wobei dies nicht ausschließt, dass darin auch metallische Schichten, wie zum Beispiel in einem Faser-Metall-Laminat, eingebettet sind. Partiell können, beispielsweise an Lagerstellen, metallische Einsätze Verwendung finden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Lasteinleitungsbeschlag für die mindestens eine Lasteinleitungsfinne eine Vertiefung auf, die an die Form der Lasteinleitungsfinne angepasst ist. Diese Vertiefung kann die betreffende Lasteinleitungsfinne bevorzugt zangenartig umgreifen, so dass leicht Befestigungsmittel durchführbar sind. Wie vorangehend erläutert, können auch Stifte, Nadeln oder RHEA-Verbinder eingesetzt werden, um eine besonders kraftvolle, dauerhafte und zuverlässige Verbindung zwischen der mindestens einen Lasteinleitungsfinne und dem Lasteinleitungsbeschlag herzustellen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Lasteinleitungsbeschlag zwei parallel zueinander verlaufende Seitenwände auf, deren Erstreckungsebenen winklig zu den Erstreckungsebenen der Lasteinleitungsfinnen verlaufen. Dieser Winkel könnte im Wesentlichen 90° betragen, abhängig von der Ausrichtung der Holme in dem Strömungskörper, welche beispielsweise von der Pfeilung des den Strömungskörper aufweisenden Flugzeugflügels abhängt, auch um einen Pfeilungswinkel von 90° abweichen und beispielsweise in einem Bereich von 60 - 120° liegen. Diese beiden parallelen Seitenflächen, welche zudem in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, sind besonders dazu geeignet, Schwenkhebel oder ähnliches zu lagern oder durchzuführen, wobei durch die Lagerung ausschließlich symmetrische Kräfte in den Lasteinleitungsbeschlag eingeleitet werden und die Hebel oder Kurbelglieder zudem frei um den Lasteinleitungsbeschlag bewegbar sind. Hier ergibt sich im Übrigen ein besonderer Vorteil einer Ausnehmung einer stromaufwärts gelegenen Lasteinleitungsfinne, denn dort könnte sich ein Hebel, welcher zwischen den zwei Seitenflächen gelagert ist, hineinschwenken lassen oder sich dort hindurch erstrecken, wenn er starr ist. Damit wird eine besonders kompakte Ruhe- bzw. Neutralposition des Strömungskörpers erlaubt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Strömungskörpers mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs.
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Das Verfahren zum Herstellen eines Strömungskörpers kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Diese unterscheiden sich insbesondere durch ein gewähltes Konzept des Aushärtens, Vorhärtens oder Vorkompaktierens eines oder mehrerer Teilbereiche des Holms voneinander. Es wird ein grundlegendes Verfahren vorgeschlagen, das die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Stegs und der mindestens einen Lasteinleitungsfinne als integrales Rohbauteil, wobei die Lasteinleitungsfinne und der Steg aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sind, das ein Fasergewebe aufweist, das in ein Matrixmaterial eingebettet ist, und wobei die Lasteinleitungsfinne und der Steg ein zusammenhängendes, sich vollständig über die Lasteinleitungsfinne und den Steg erstreckendes Fasergewebe aufweisen, wobei ein erstes Fasergewebe mehrere Schichten ausbildet, die parallel zueinander laufen und ein ebenes Laminat bilden; Zusammenführen des Rohbauteils mit zwei Flanschen, so dass diese voneinander beabstandet sind, den Steg einschließen und einen zumindest vorgefertigten Holm ausbilden; Zusammenführen des zumindest vorgefertigten Holms und einer äußeren Haut, wobei ein Klebstoff und/oder ein härtbares Harz zwischen dem zumindest vorgefertigten Holm und der äußeren Haut aufgebracht wird; und Aushärten des Klebstoffs und/oder des härtbaren Harzes zwischen dem zumindest vorgefertigten Holm und der äußeren Haut zum Ausbilden zumindest eines Abschnitts des Strömungskörpers aufweist.
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Das Bereitstellen eines Stegs und der mindestens einen Lasteinleitungsfinne als Rohbauteil kann das Vorhärten mindestens einer Verbundstruktur aufweisen, die ein härtbares Harz mit darin eingebetteten Fasern aufweist, zum Ausbilden eines Stegs und der mindestens einen Lasteinleitungsfinne. Alternativ oder zusätzlich hierzu wäre auch möglich, ein nicht aus Faserverbundmaterialien hergestelltes Rohbauteil zu verwenden.
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Die vorgehärtete Verbundstruktur kann in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens neben dem Steg und der Lasteinleitungsfinne auch mindestens einen inneren Flansch aufweisen, der sich im Wesentlichen orthogonal von dem Steg nach außen erstreckt und auf eine Innenfläche der äußeren Hülle aufgelegt wird. Der mindestens eine innere Flansch kann hierbei beim Ausbilden des Stegs und der Lasteinleitungsfinne angeformt werden. Alternativ dazu kann der mindestens eine innere Flansch durch Einlegen der vorgehärteten Verbundstruktur in ein Formwerkzeug, des Aufbringens weiterer Lagen aus einem Faserverbundmaterial mit einem Fasergewebe und einem härtbaren Harz und des Vorhärtens des Verbunds aus Steg, Lasteinleitungsfinne und mindestens einem inneren Flansch ausgebildet werden.
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Das Bereitstellen von zwei Flanschen kann weiterhin das Ausformen einer vorgehärteten Verbundstruktur umfassen, bei der Flansche mit Fasergeweben und einem härtbaren Harz ausgeformt werden. Das Ausformen kann separat von dem Steg und der Lasteinleitungsfinne erfolgen, grundsätzlich aber auch als integraler Schritt.
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Zusätzlich dazu kann die vorgehärtete Verbundstruktur auch mindestens eine Verstärkungslage aufweisen, die sich über zumindest den inneren Flansch und den Steg erstreckt. Weist die vorgehärtete Verbundstruktur Flansche auf, kann sich die Verstärkungslage auch über die Innenseiten mindestens eines Flansches erstrecken.
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Ferner kann das Verfahren das Auskleiden von Flächenübergängen im Bereich einer Öffnung des Flansches, durch den die mindestens eine Lasteinleitungsfinne durchgeführt ist, einer Innenfläche oder Außenfläche der Haut, dem Steg und der Lasteinleitungsfinne mit Bahnen aus einem Faserverbundmaterial aufweisen.
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Die vorgehärtete Verbundstruktur kann anschließend auf die äußere Hülle aufgelegt werden, wobei ein Klebstoff oder ein Harz zwischen der vorgehärteten oder vorkompaktierten Verbundstruktur und der äußeren Hülle eingebracht wird, um anschließend durch Aushärten zumindest einen Teil des Strömungskörpers herzustellen.
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Der Holm des Strömungskörpers, der einen Steg mit daran angeordneter Lasteinleitungsfinne aufweist, kann separat vorgefertigt werden, wobei ein Steg mit daran integrierter Lasteinleitungsfinne durch die Öffnung des Flansches in den Holm einschiebbar ist, um anschließend gemeinsam mit den anderen Holmkomponenten ausgehärtet zu werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
- 1a und 1b zeigen einen Strömungskörper mit mehreren Holmen und integrierter Lasteinleitungsfinne in einer Seitendarstellung (1a) und in einer dreidimensionalen Ansicht (1b).
- 2 zeigt einen Holm mit einer Lasteinleitungsfinne in einem Querschnitt.
- 3a bis 3e zeigen alternative Holme, jeweils mit einer Lasteinleitungsfinne, in einem Querschnitt.
- 4a bis 4c zeigen einen Strömungskörper mit daran angeordnetem Lasteinleitungsbeschlag.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1a und 1b zeigen einen Strömungskörper 2 mit mehreren parallelen, in Profilsehnenrichtung voneinander beabstandeten Holmen 4, 6, 8 und 10, über die sich eine äußere Haut 12 von einer Vorderkante 14 zu einer Hinterkante 16 spannt. Exemplarisch weisen die Holme 6 und 10 jeweils eine Lasteinleitungsfinne 18 bzw. 20 auf, die sich an einer Unterseite 22 des Strömungskörpers 2 über die Haut 12 nach außen erstrecken, um mit einem externen, hier nicht dargestellten Beschlag verbunden zu werden.
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Beide Lasteinleitungsfinnen 18 und 20 sind voneinander beabstandet und erlauben die Integration und bevorzugt auch die Befestigung des genannten Beschlags zwischen zueinander gewandten Seiten der Lasteinleitungsfinnen 18 und 20.
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In 1b werden die Holme 6 und 10 in einer isolierten, dreidimensionalen Ansicht näher dargestellt. Der Holm 6 weist einen Steg 24, einen ersten Flansch 26, einen hiervon beabstandeten zweiten Flansch 28 sowie die Lasteinleitungsfinne 18 auf. Der Steg 24 ist als ein flächiges Bauteil ausgeführt, an dessen Längskanten die Flansche 26 und 28 symmetrisch angebracht sind und der Holm 6 folglich eine I- bzw. Doppel-T-Form besitzt.
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Die Lasteinleitungsfinne 18 ist als eine lokale Verlängerung des Stegs 24 über den ersten Flansch 26 hinaus anzusehen, die sich durch eine Öffnung 30 des ersten Flanschs 26 erstreckt. Die Ausdehnungsweite der Lasteinleitungsfinne 18 ausgehend von dem ersten Flansch 26 nach außen kann den Abstand zwischen den Flanschen 26 und 28 übersteigen.
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Beispielhaft weist die Lasteinleitungsfinne 18 eine leichte Trapezform auf, wobei eine längere Kante 32, d.h. die Basis, an dem ersten Flansch 26 und eine hiervon beabstandete kürzere Kante 34 an einem freien Ende der Lasteinleitungsfinne 18 vorgesehen ist.
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Die Lasteinleitungsfinne 20 des vorderen Holms 10 ist grundsätzlich ähnlich gestaltet und geht in einen Steg 36 des Holms 10 über. Allerdings weist die Lasteinleitungsfinne 20 eine markante Ausnehmung 38 auf, welche zum Durchführen mechanischer Komponenten zur Steuerung der Bewegung des Strömungskörpers 2 und/oder zur Reduktion des zusätzlichen Gewichts vorgesehen ist.
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Die Integration der Lasteinleitungsfinnen 18 und 20 in den jeweiligen Holm 6 bzw. 10 kann auf mehrere unterschiedliche Arten erfolgen, die weiter nachfolgend insbesondere am Beispiel des hinteren Holms 6 beschrieben werden. Gemeinsam ist jedoch allen unterschiedlichen Konzepten, dass die Lasteinleitungsfinne 18 bzw. 20 und der jeweils zugehörige Steg 24 bzw. 36 ein zusammenhängendes und sich über die Lasteinleitungsfinne 18, 20 und den Steg 24, 36 erstreckendes Fasermaterial aufweist. Damit wird ein sehr homogener Kraftfluss von der Lasteinleitungsfinne 18 und 20 in den Steg 24 bzw. 36 und umgekehrt ermöglicht. Es finden keine Belastungssprünge bei der Übertragung insbesondere von Zugkräften zwischen diesen beiden Teilkomponenten statt, da Diskontinuitäten vermieden werden.
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2 zeigt einen Querschnitt des Holms 6, der aus einem Faserverbundmaterial hergestellt ist, nebst ersichtlichem Faserverlauf. Der Steg 24 und die darin integrierte Lasteinleitungsfinne 18 weisen ein erstes Fasergewebe 40 auf, welches sich von einer ersten Begrenzungsfläche 42 zu einer zweiten Begrenzungsfläche 44 hin erstreckt und dabei die äußeren Dimensionen des Stegs 24 und der Lasteinleitungsfinne 18 definieren. Das erste Fasergewebe 40 bildet mehrere ebene Schichten aus, die parallel zueinander verlaufen und ein ebenes Laminat bilden.
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Durch die fehlende strukturelle Trennung zwischen der Lasteinleitungsfinne 18 und dem Steg 24 kann ein optimaler Kraftfluss zwischen diesen gewährleistet werden.
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Zur Lastübertragung zwischen dem Steg 24, der Lasteinleitungsfinne 18 und den Flanschen 26 und 28 wird ein zweites Fasergewebe 46 eingesetzt, welches sich an Seitenflächen des Stegs 24 parallel hierzu erstreckt, weiterhin an Innenflächen 48 und 50 der Flansche 26 und 28 vertikal zu dem ersten Fasergewebe 40 verläuft. Hierbei können einzelne Faserlagen ausgehend von der Innenfläche 48 entlang dem ersten Fasergewebe 40 auf die gegenüberliegende Innenfläche 50 verlaufen und somit eine C-förmige Verstärkungsstruktur ausbilden. Das erste Fasergewebe 40, das zweite Fasergewebe 46 und die Anschlussbereiche an den Innenflächen 48 und 50 können durch eine zusätzliche, äußere Faserlage 52 vollständig abgedeckt werden, so dass ein homogener Abschluss zwischen den Innenflächen 48, 50 und dem Steg 24 vorliegt.
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Beispielhaft weist das zweite Fasergewebe 46 mit zunehmendem Abstand von der jeweiligen Innenfläche 48 bzw. 50 der Flansche 26 und 28 eine etwas geringere Erstreckung von dem ersten Fasergewebe 40 auf, so dass sich von den Flanschen 26 und 28 nach innen eine leicht verjüngende Struktur bildet. Damit kann der Kraftfluss beim Übergang zwischen den Flanschen 26 und 28 in den Steg 24 unter Verringerung von Kerbspannungen in den Grenzflächen zwischen Steg 24 und den Flanschen 26 und 28 verbessert werden.
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Die Elemente, welche sich ausgehend von dem Steg 24 nach außen an den Innenflächen 48 bzw. 50 erstrecken, werden im Folgenden auch Innenflansche 54 und 56 genannt.
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Die Anordnung des ersten Fasergewebes 40, des zweiten Fasergewebes 46 und die äußere Faserlage 52 kann auf vielfältige Weise variiert werden. In den 3a bis 3e werden abweichend von 2 mögliche, aber nicht beschränkende Lagenaufbauten dargestellt.
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In 3a wird ein besonders einfaches Konzept dargestellt, welches das zuvor in 2 gezeigte ebene erstes Fasergewebe 40 zwischen der oberen Begrenzungsfläche 44 und der unteren Begrenzungsfläche 42 aufweist, welches jedoch eine etwas größere Dicke aufweist. Dieses erste Fasergewebe 40 wird von der äußeren Faserlage 52 abgeschlossen, welches sich U-förmig jeweils seitlich des ersten Fasergewebes 40 nach außen an den Innenflächen 48 bzw. 50 der Flansche 26 und 28 erstreckt.
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Ein hierdurch gebildeter Holm 58 ist primär zur Aufnahme von Zugkräften zwischen dem Steg 24 und der Lasteinleitungsfinne 18 geeignet. Allerdings ist die Fähigkeit zur Aufnahme von Schubkräften zwischen den beiden Flanschen 26 und 28 bzw. einer Biegebeanspruchung in der Ebene des Stegs 24 im Vergleich zu dem Konzept von 2 geringer.
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In 3b wird eine leichte Abwandlung des Konzeptes aus 3a in Form eines Holms 60 dargestellt. Hier verläuft das erste Fasergewebe 40 mit einer abgestuften Längserstreckung von dem unteren Ende 42 zu dem oberen Ende 44. Dies bedeutet, dass sämtliche Faserlagen des ersten Fasergewebes 40 an dem unteren Ende 42 anliegen, sich jedoch nur sukzessive dem oberen Ende 44 annähern. Beispielhaft wird dadurch eine Abschrägung der in der Zeichnungsebene linken Seite des Stegs 24 erreicht, während die in der Zeichnungsebene rechte Seite des Stegs 24 wie 3a eben ist.
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Das zweites Fasergewebe 46 erstreckt sich in der Zeichnungsebene auf der rechten Seite des ersten Fasergewebes 40 linear jeweils mit der gleichen Erstreckung, auf der in der Zeichnungsebene linken Seite verläuft das zweite Fasergewebe 46 stufenförmig auf dem ersten Fasergewebe 40.
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In einem Bereich um den ersten Flansch 26 erstreckt sich das zweite Fasergewebe 46 orthogonal zu dem ersten Fasergewebe 40 entlang der Innenfläche 48 nach außen. An dem zweiten Flansch 28 ist dies jedoch nicht der Fall. Hier spannt sich lediglich die äußere Faserlage 52 auf die Innenfläche 50 des zweiten Flanschs 28, beidseitig der durch die Fasergewebe 40 und 46 gebildeten Verbundstruktur.
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Die einseitige Verjüngung erlaubt eine vereinfachte Fertigung. Dieses Konzept ist insbesondere für ausgeprägte Zugbeanspruchung in Richtung der Lasteinleitungsfinne 18 geeignet.
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Eine Variante hierzu stellt in Holm 62 aus 3c dar, bei der der Steg 24 im Wesentlichen den gleichen Faseraufbau wie der in 3b aufweist, wobei sich jedoch das zweite Fasergewebe 46 auch an der Innenfläche 50 des zweiten Flanschs 28 erstreckt, um anschließend von der äußeren Faserlage 52 abgedeckt zu werden.
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3d stellt einen Holm 64 als Abwandlung des Holms 58 aus 3a dar, bei dem das erste Fasergewebe 40 sich sukzessive von dem ersten Flansch 26 zu dem zweiten Flansch 28 erstreckt. Es findet demnach eine starke Verjüngung lediglich auf einer einzelnen Seite des Stegs 24 statt. Das zweite Fasergewebe 46 wird hierbei weggelassen. Die äußere Kontur des ersten Fasergewebes 40 wird von einer äußeren Faserlage 52 abgedeckt, die sich über die Innenflächen 48 und 50 der Flansche 26 und 28 erstreckt.
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Eine Variante zu der Ausführung in 2 zeigt ein Holm 66 aus 3e. Statt des Führens der zweiten Fasergewebe 46 an der Innenfläche 50 des zweiten Flanschs 28 wird ein Pi-förmiges Profil 68 eingesetzt, welches das erste Fasergewebe 40 und das zweite Fasergewebe 46 an der Innenfläche 50 des zweiten Flanschs 28 umschließt und durch eine horizontale Erstreckung über parallel zu dem ersten Fasergewebe 40 verlaufende Schenkel 70 des Profils 68 eine besonders hohe Biegesteifigkeit aufweist. Das Profil 68 könnte aus einem metallischen Material gebildet werden, so dass die Verbundstruktur des Holms 66 hybrid ausgeführt ist. Das Profil 68 könnte jedoch auch aus einem Faserverbundmaterial hergestellt werden.
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Allen Konzepten ist gemein, dass zwischen einzelnen Faserlagen in abgeschlossenen Abschnitten der Verbundstruktur metallische Stifte eingearbeitet sein können, die sich orthogonal zu dem jeweiligen Fasergewebe erstrecken. Alternativ oder zusätzlich hierzu können sogenannte RHEA-Verbinder (Redundant High-Efficiency Assembly) in die Verbundstruktur eingearbeitet werden. Diese werden bevorzugt als Bleche oder Metallgewebe ausgeführt, welche eine Vielzahl von orthogonal zu der Blech- oder Gewebeerstreckung verlaufende Nadeln/Pins aufweisen. Hiermit wird eine sehr gute mechanische Verbindung insbesondere für extern angebundene Elemente geschaffen.
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Die 4a, 4b und 4c zeigen Details des Strömungskörpers 2 mit einem daran angeordneten Lasteinleitungsbeschlag 72, an dem ein vorderer Hebel 74 und ein Kurbelglied 76 angeordnet sind. Der Lasteinleitungsbeschlag 72 weist eine erste Ausnehmung 78 und eine zweite Ausnehmung 80 auf, die an eine vordere Lasteinleitungsfinne 20 und eine hintere Lasteinleitungsfinne 18 angepasst sind. In einem montierten Zustand ragen diese beiden Lasteinleitungsfinnen 18 und 20 in die Ausnehmungen 80 und 78 und können durch Formschluss, Kraftschluss, Stoffschluss oder durch Anbringen separater Verbindungsmittel eine feste Verbindung mit dem Lasteinleitungsbeschlag 72 eingehen.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Lasteinleitungsbeschlag 72 über zu der Unterseite 22 der Haut 12 ragende Seitenflansche 82 an dieser angenietet, angeklebt, durch gemeinsames Aushärten oder durch andere kraft-, form- oder stoffschlüssige Verbindungen damit verbunden sein.
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Im Wesentlichen weist der Lasteinleitungsbeschlag 72 zwei voneinander beabstandete und parallel zueinander verlaufende Seitenflächen 84, 86 auf, welche mit Öffnungen 88, 90 und 92 versehen sind, die ein Befestigen des vorderen Hebels 74 oder des hinteren Kurbelglieds 76 erlauben. Der vordere Hebel 74 kann über die Öffnungen 88 und 90 und darin angebrachten Bolzen 94 befestigt werden. Durch die Verwendung von zwei Bolzen 94 folgt die Ausrichtung des Strömungskörpers 2 stets der Position des vorderen Hebels 74. Dieser könnte etwa eine Bohrung 96 oder ein anderes, hier nicht detailliert dargestelltes Element zum Bewegen des Hebels 74, besitzen.
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Das Kurbelglied 76 ist ebenfalls mit einem Bolzen 94 schwenkbar an der hinteren Bohrung 92 gelagert und kann eine Schwenkbewegung des Kurbelglieds 76 zwischen den Seitenflächen 84 und 86 zulassen. Das Kurbelglied weist auf einer von der Öffnung 92 gegenüberliegenden Seite eine Öffnung 98 oder ein anderes Befestigungsmittel auf, mit dem das Kurbelglied 76 strukturfest oder an einem weiteren Bewegungselement lagerbar ist. Es ist denkbar, dass der vordere Hebel 74 an einem schienengeführten Wagen an einer Schiene bewegt wird, während das hintere Kurbelglied 76 eine Rotation um einen strukturfesten Punkt mit der Öffnung 98 durchführt, so dass die Hinterkante 16 des Strömungskörpers 2 vertikal bewegt werden kann. Exemplarisch weisen beide Ausnehmungen 78 und 80 einen Spalt auf, die mit den Ausnehmungen in den Lasteinleitungsfinnen 18 und 20 korrespondieren, wie etwa in 1b die Ausnehmung 38 in Lasteinleitungsfinne 20.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
