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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Montage von Strukturelementen in der Luftfahrt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Luftfahrzeugstruktur, ein Luftfahrzeug mit einer Luftfahrzeugstruktur sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Luftfahrzeugstruktur.
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Hintergrund der Erfindung
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Luftfahrzeugstrukturen werden heutzutage durch unterschiedliche Verfahren hergestellt. Beispielsweise werden Strukturbauteile bzw. Strukturelemente einer Luftfahrzeugstruktur mittels verschiedener Fügeverfahren hergestellt. Dabei kommen insbesondere Schweiß-, Löt- oder Klebeverbindungen in Betracht. Ferner können die Strukturelemente einer Luftfahrzeugstruktur auch mittels Schraub- oder Nietverbindungen aneinander befestigt werden. Stellen, an denen die Strukturelemente der Luftfahrzeugstruktur miteinander verbunden bzw. aneinander befestigt werden, sind dabei verschiedenen Lasten ausgesetzt, beispielsweise Zug-, Druck- oder Torsionsbelastungen. Um diese Belastungen möglichst effektiv im Bereich der Fügestellen bzw. Verbindungsstellen zwischen den Strukturelementen zu übertragen, können auf den Lastfall spezifisch angepasste Ausgestaltungen der Fügestelle, sowie spezifisch an den Lastfall angepasste Befestigungsmittel vorgesehen sein.
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DE 10 2010 031 688 A1 beschreibt eine hauptlasttragende Beplankungsschale sowie ein Strukturbauteil und einen Strömungskörper mit einer solchen hauptlasttragenden Beplankungsschale. Die Beplankungsschale ist zum Anbringen derselben an ein Träger-Bauteil mit einem äußeren Randabschnitt mit einem äußeren Rand ausgebildet. Entlang des Rands verläuft ein kernschichtfreier Anschlussbereich mit einem inneren Hautabschnitt und einem äußeren Hautabschnitt.
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DE 10 2006 060 360 A1 beschreibt eine Rumpfsektion zur Bildung einer Rumpfzelle eines Flugzeugs in Sektionsbauweise. Die Rumpfsektion kann dabei mit mindestens zwei entlang von Längsnähten durchgehend verschweißten Schalen gebildet sein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Lastübertragung zwischen Strukturelementen einer Luftfahrzeugstruktur zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Luftfahrzeugstruktur mit einem ersten schalenförmigen Strukturelement und einem zweiten schalenförmigen Strukturelement angegeben. Ferner weist die Luftfahrzeugstruktur eine Lasche auf. Dabei sind das erste schalenförmige Strukturelement und das zweite schalenförmige Strukturelement jeweils mittels einer Nietverbindung an der Lasche befestigt. Eine Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements erstreckt sich auf einer Oberfläche der Lasche entlang einer vorgegebenen Kurve mit einem periodischen Verlauf. Der periodische Verlauf ist beispielsweise ein wellenförmiger Verlauf. Ferner erstreckt sich eine Kante des zweiten schalenförmigen Strukturelements auf der Oberfläche der Lasche parallel zur vorgegebenen Kurve mit dem periodischen bzw. wellenförmigen Verlauf.
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Durch eine solche Luftfahrzeugstruktur ist es möglich, eine Biegung der Strukturelemente bei äußeren Belastungen zu vermeiden. Dies ist insbesondere bei Außenhautsegmenten eines Luftfahrzeugs von Bedeutung, da hier eine ebene, strömungsgünstige Kontur der Außenhaut zu geringeren Luftwiderständen führt. Mit anderen Worten können durch die erfindungsgemäße Luftfahrzeugstruktur und damit durch die Verbindung der Strukturelemente, welche beispielsweise Außenhautstrukturelemente sind, mittels der Lasche verbesserte aerodynamische Eigenschaften erzielt werden. Ferner kann eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Ermüdungseigenschaften, erzielt werden. Letztendlich kann dadurch die Anzahl von Befestigungsmitteln, wie beispielsweise Nietverbindungen, verringert werden, wodurch auch Gewichtseinsparungen resultieren können. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass die Strukturelemente sowie die Lasche als auch die Befestigungsmittel kleiner dimensioniert werden können, wodurch ebenfalls weiter an Gewicht eingespart werden kann.
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Das erste schalenförmige Strukturelement und/oder das zweite schalenförmige Strukturelement sind beispielsweise Teile einer Außenhaut eines Luftfahrzeugs. Jedoch können die schalenförmigen Strukturelemente auch weitere innerhalb des Luftfahrzeugs vorgesehene Strukturbauteile sein. Schalenförmig bedeutet hierbei, dass die Dicke der Strukturelemente deutlich geringer ist als deren laterale Ausdehnungen. Insbesondere können die schalenförmigen Strukturelemente eine ebene oder gebogene Form aufweisen. Beispielsweise sind die schalenförmigen Strukturelemente in einer ersten Richtung gebogen ausgeführt, wobei sie in einer zweiten Richtung, welche zur ersten Richtung senkrecht ist, nicht gebogen sind. Man kann sich die schalenförmigen Strukturelemente also zum Beispiel als ein Zylindersegment einer Zylindermantelfläche vorstellen. Somit können die schalenförmigen Strukturelemente Teile eines im Wesentlichen zylinderförmigen Luftfahrzeugrumpfs, insbesondere eines Flugzeugrumpfs, sein.
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Das erste schalenförmige Strukturelement und das zweite schalenförmige Strukturelement überlappen jeweils teilweise mit der Lasche. Dabei kann die Lasche ebenfalls ein schalenförmiges Element sein, welches in seiner Form an die schalenförmigen Strukturelemente angepasst ist. Insbesondere kann eine Krümmung der Lasche mit einer Krümmung des ersten schalenförmigen Strukturelements und/oder des zweiten schalenförmigen Strukturelements übereinstimmen. Jedenfalls können das erste schalenförmige Strukturelement und das zweite schalenförmige Strukturelement jeweils in dem überlappenden Bereich mit der Lasche durch Nietverbindungen verbunden sein. Insbesondere ist das erste schalenförmige Strukturelement an der Lasche im Bereich der Überlappung des ersten schalenförmigen Strukturelements und der Lasche mittels der Nietverbindung befestigt. Ferner ist das zweite schalenförmige Strukturelement an der Lasche im Bereich der Überlappung des zweiten schalenförmigen Strukturelements und der Lasche mittels der Nietverbindung befestigt.
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Das erste schalenförmige Strukturelement weist im Bereich der Überlappung eine Kante auf, welche auf der Oberfläche der Lasche verläuft. Die Kante verläuft dabei entlang der vorgegebenen Kurve mit periodischem Verlauf derart, dass stets ein überlappender Bereich zwischen dem ersten schalenförmigen Strukturelement und der Lasche bereitgestellt wird. Dasselbe gilt für den überlappenden Bereich des zweiten schalenförmigen Strukturelements mit der Lasche analog. Insbesondere verläuft die Kante des zweiten schalenförmigen Strukturelements ebenfalls entlang und/oder parallel zu der vorgegebenen Kurve mit dem periodischen Verlauf. Mit anderen Worten verlaufen die Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements sowie die Kante des zweiten schalenförmigen Strukturelements beispielsweise als Parallelkurven auf der Oberfläche der Lasche.
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Zwischen den Kanten der schalenförmigen Strukturelemente kann dabei ein Abstand vorgesehen sein, welcher eine Fügestelle zwischen den beiden schalenförmigen Strukturelementen beschreibt. Vorzugsweise ist jedoch kein Abstand zwischen den beiden schalenförmigen Strukturelementen vorgesehen. Die Fügestelle kann somit durch einen unmittelbaren Kontakt der schalenförmigen Strukturelemente beschrieben sein. Beide schalenförmige Strukturelemente können also bündig miteinander abschließen, um beispielsweise eine strömungsgünstige Kontur zu bilden. Der periodische Verlauf ist beispielsweise ein wellenförmiger oder zickzackförmiger Verlauf, wobei sich bestimmte Formen in bestimmten Abständen wiederholen können. Beispiele solcher periodischer Verläufe werden in der Figurenbeschreibung noch genauer erläutert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der periodische Verlauf der Kurve ein wellenförmiger Verlauf der Kurve.
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Somit kann sich die Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements auf der Oberfläche der Lasche entlang der vorgegebenen Kurve mit dem wellenförmigen Verlauf erstrecken. Ferner kann sich die Kante des zweiten schalenförmigen Strukturelements ebenfalls entlang und/oder parallel zu der Kurve mit dem wellenförmigen Verlauf auf der Oberfläche der Lasche erstrecken. Der wellenförmige Verlauf kann beispielsweise durch eine mathematische Funktion beschrieben sein. Beispielsweise ist der wellenförmige Verlauf durch eine Anzahl von Radien vorgegeben, welche jeweils durch gerade Strecken miteinander verbunden sind. Ferner kann der wellenförmige Verlauf durch eine Sinusfunktion mit einer vorgegebenen Streckung und/oder Amplitude beschrieben sein. Vorzugsweise wird der wellenförmige Verlauf jedoch durch Kreissegmente mit bestimmten Radien beschrieben, welche jeweils durch gerade Strecken miteinander verbunden sind. Die Kreissegmente können dabei jeweils Radien aufweisen, deren Mittelpunkte in oder im Bereich von Nieten der Nietverbindungen liegen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Lasche schalenförmig ausgebildet und weist eine gekrümmte Oberfläche auf.
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Die Lasche kann beispielsweise in einer ersten Richtung gekrümmt sein und in einer zweiten Richtung, welche zu der ersten Richtung senkrecht ist, ungekrümmt sein, beispielsweise ähnlich eines Zylindersegments.
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Es ist jedoch auch möglich, dass die Lasche in zueinander senkrechten Richtungen gekrümmt ist, beispielsweise ähnlich einer Kugelschale. Die Lasche kann in einer überlappenden Bauweise mit dem ersten schalenförmigen Strukturelement und dem zweiten schalenförmigen Strukturelement verbunden sein. Insbesondere ist ein Teil der Lasche an dem ersten schalenförmigen Strukturelement befestigt und ein anderer Teil der Lasche an dem zweiten schalenförmigen Strukturelement. Diese Befestigung erfolgt dabei jeweils mittels einer Nietverbindung. Die Nietverbindung kann eine Vielzahl von Nieten aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Nietverbindung eine Vielzahl von Nieten auf, welche auf der Oberfläche der Lasche in zueinander beabstandeten Reihen angeordnet sind. Dabei unterscheidet sich die Anzahl der Nieten in benachbarten Reihen um jeweils einen Niet.
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Beispielsweise weist eine erste Reihe zur Verbindung des ersten schalenförmigen Strukturelements mit der Lasche zwei Nieten auf, wobei eine zweite, zu der ersten beabstandeten, Reihe drei Nieten aufweist. Eine dritte Reihe weist wiederum lediglich zwei Nieten auf und eine vierte Reihe weist wiederum drei Nieten auf, so dass sich die Anzahl der Nieten in den benachbarten Reihen um jeweils einen Niet in alternierender Weise unterscheidet. In analoger Weise ist das zweite schalenförmige Strukturelement an der Lasche mittels einer weiteren Nietverbindung befestigt, wobei die Nietverbindung ebenfalls mehrere benachbarte Reihen von Nieten aufweist. Die benachbarten Reihen von Nieten unterscheiden sich in ihrer Anzahl an Nieten jeweils um einen Niet. Es kann vorgesehen sein, dass eine Nietreihe, welche das erste schalenförmige Strukturelement mit der Lasche verbindet, eine korrespondierende oder gegenüberliegende Reihe von Nieten aufweist, welche das zweite schalenförmige Strukturelement mit der Lasche verbindet. Diese korrespondierenden oder gegenüberliegenden Nietreihen können in Summe beispielsweise fünf Nieten aufweisen. Beispielsweise hat eine Reihe zur Verbindung des ersten schalenförmigen Strukturelements mit der Lasche drei Nieten und eine gegenüberliegende, korrespondierende Reihe zur Verbindung des zweiten schalenförmigen Strukturelements hat zwei Nieten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die einzelnen Reihen von Nieten in einer Querrichtung der Luftfahrzeugstruktur zueinander beabstandet. Dabei ist die Querrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Ausdehnungsrichtung des periodischen bzw. wellenförmigen Verlaufs ausgerichtet.
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Die Querrichtung beschreibt beispielsweise eine senkrechte oder parallele Richtung relativ zu einer Längsachse eines Luftfahrzeugs, in welchem die Luftfahrzeugstruktur angebracht ist. Die Ausdehnungsrichtung des periodischen bzw. wellenförmigen Verlaufs ist beispielsweise eine Mittelachse oder Nulllinie, um welche oder senkrecht zu welcher die vorgegebene Kurve periodisch ausgelenkt ist. Mit anderen Worten ist die Ausdehnungsrichtung als eine Achse zu verstehen, entlang welcher sich der periodische oder wellenförmige Verlauf erstreckt. Die Ausdehnungsrichtung kann somit eine Mittelachse sein, um welche die jeweilige Auslenkung periodischen Verlaufs erfolgt.
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Die einzelnen Reihen von Nieten können ferner in einer Umfangsrichtung eines Kreises zueinander beabstandet sein. Das bedeutet, dass ein Querschnitt eines Flugzeugrumpfs im Wesentlichen kreisförmig ist und in Umfangsrichtung des Kreises die einzelnen Reihen von Nieten zueinander beabstandet sind. Mit anderen Worten sind das erste schalenförmige Strukturelement und das zweite schalenförmige Strukturelement Teile von Rumpfhautsegmenten, welche durch die Lasche miteinander befestigt sind. Die Ausdehnungsrichtung des periodischen Verlaufs der Kurve, entlang oder parallel zu welcher sich die Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements und/oder die Kante des zweiten schalenförmigen Strukturelements erstreckt, kann dabei beispielsweise senkrecht zu einer Längsachse des Flugzeugrumpfs sein.
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Die Auslenkungen um die Ausdehnungsrichtung, das heißt die sog. Spitze-Tal-Werte des periodischen Verlaufs von den Kanten der zu verbindenden schalenförmigen Strukturelemente sind vorzugsweise so gewählt, dass die Nieten auf beiden Seiten der Fügestelle bzw. Kanten zumindest teilweise möglichst auf einer Linie liegen, die einen parallelen Verlauf zur Ausdehnungsrichtung aufweist. Insbesondere können diese Nieten auf der Achse der Ausdehnungsrichtung liegen. Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass ein minimaler Randabstand für die vorgesehenen Nieten zu den Kanten der schalenförmigen Strukturelemente eingehalten wird. Insbesondere können die auf der Ausdehnungsrichtung liegenden Nieten einen minimalen Abstand zu der jeweiligen Kante aufweisen. Dadurch können zum Beispiel die mechanischen Eigenschaften der Nietverbindung verbessert werden.
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Die Ausdehnungsrichtung des periodischen Verlaufs kann parallel zu einer Längsachse eines Luftfahrzeugs oder aber senkrecht zu der Längsachse des Luftfahrzeugs verlaufen. Ferner kann die Ausdehnungsrichtung auch unter einem vorgegebenen Winkel zur Längsachse des Luftfahrzeugs ausgerichtet sein. Das erste schalenförmige Strukturelement und das zweite schalenförmige Strukturelement können daher beliebige Geometrien aufweisen, welche gemeinsam einen Teil einer Außenhaut des Luftfahrzeugs bilden und entlang verschiedener Richtungen miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich eine erste Kante der Lasche auf einer Oberfläche des ersten schalenförmigen Strukturelements mit einem periodischen Verlauf, welcher mit dem periodischen Verlauf der vorgegebenen Kurve korrespondiert.
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Insbesondere kann der periodische Verlauf, mit welchem sich die erste Kante der Lasche auf der Oberfläche des ersten schalenförmigen Strukturelements erstreckt, eine Parallelkurve zu der vorgegebenen Kurve mit periodischem Verlauf sein, entlang welcher sich die Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements erstreckt. Die vorgegebene Kurve mit periodischem Verlauf, entlang welcher sich die Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements erstreckt, kann beispielsweise dieselbe Form aufweisen wie der periodische Verlauf, entlang welcher sich die erste Kante der Lasche erstreckt. Somit kann der Verlauf der ersten Kante der Lasche dem Verlauf der Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements und/oder des zweiten schalenförmigen Strukturelements nachgebildet sein. Insbesondere können die Verläufe der Kanten der Lasche und die Verläufe der Kanten der schalenförmigen Strukturelemente Parallelkurven sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich eine zweite Kante der Lasche auf einer Oberfläche des zweiten schalenförmigen Strukturelements mit einem periodischen Verlauf, welcher mit dem periodischen Verlauf der vorgegebenen Kurve und/oder dem periodischen Verlauf der ersten Kante der Lasche korrespondiert.
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Insbesondere können somit die erste Kante sowie die zweite Kante der Lasche zwei gegenüberliegende Kanten der Lasche darstellen, welche in ihrer Form identisch sind. Insbesondere erstrecken sich die erste Kante sowie die zweite Kante der Lasche wellenförmig auf der Oberfläche des ersten bzw. des zweiten schalenförmigen Strukturelements.
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Die erste Kante der Lasche sowie die zweite Kante der Lasche können beispielsweise durch einen Kurvenverlauf gekennzeichnet sein, welcher parallel zu der die Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements kennzeichnenden Kurve mit periodischem Verlauf ist. Insbesondere können die vorgegebene Kurve mit periodischem Verlauf, entlang welcher sich die Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements und/oder des zweiten schalenförmigen Strukturelements erstreckt, sowie der periodische Verlauf der ersten und zweiten Kante der Lasche Parallelkurven sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Nietverbindung eine Vielzahl von Nieten auf, welche auf der Oberfläche der Lasche in zueinander beabstandeten Reihen angeordnet sind, wobei die einzelnen Reihen jeweils dieselbe Anzahl von Nieten aufweisen.
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Dabei kann jede einzelne Reihe jeweils sechs Nieten aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass jede einzelne Reihe jeweils vier Nieten aufweist. Jedenfalls können die einzelnen Nietreihen in einer Längsrichtung zueinander versetzt sein. Die Längsrichtung kann dabei senkrecht zur Querrichtung und/oder senkrecht zur Ausdehnungsrichtung des wellenförmigen oder periodischen Verlaufs sein. Die Längsrichtung ist beispielsweise parallel zu einer Längsachse eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs. Die Positionierung der Nieten in den einzelnen Nietreihen kann somit an den periodischen Verlauf der vorgegebenen Kurve, entlang welcher sich die Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements und/oder die Kante des zweiten schalenförmigen Strukturelements erstreckt, angepasst sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Luftfahrzeug mit einer Luftfahrzeugstruktur angegeben. Das Luftfahrzeug ist beispielsweise ein Flugzeug oder ein Hubschrauber. Es ist möglich, dass mehrere Luftfahrzeugstrukturen in dem Luftfahrzeug angeordnet sind. Die Luftfahrzeugstruktur ist beispielsweise eine Verbindungsstruktur zum Verbinden von Außenhautsegmenten des Luftfahrzeugs, wobei die Außenhautsegmente durch das erste und zweite schalenförmige Strukturelement gebildet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bilden das erste schalenförmige Strukturelement und das zweite schalenförmige Strukturelement jeweils einen Teil einer Außenhaut des Luftfahrzeugs.
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Dabei werden schalenförmige Außenhautsegmente durch die Lasche miteinander verbunden. Die Lasche ist dabei in überlappender Weise mit dem ersten schalenförmigen Strukturelement, das heißt mit einem ersten Außenhautsegment, und mit dem zweiten schalenförmigen Strukturelement, das heißt mit einem zweiten Außenhautsegment, mittels der Nietverbindung verbunden. Da die Außenhaut des Luftfahrzeugs in der Regel eine gekrümmte Form aufweist, können auch das erste schalenförmige Strukturelement, welches einen Teil der Außenhaut darstellt, sowie das zweite schalenförmige Strukturelement, welches ebenfalls einen Teil der Außenhaut des Luftfahrzeugs darstellt, gebogen sein. Ebenso kann die Lasche in zumindest einer Richtung, beispielsweise in einer Umfangsrichtung des Luftfahrzeugrumpfs, gebogen sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Luftfahrzeugstruktur angegeben. In einem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen eines ersten schalenförmigen Strukturelements und eines zweiten schalenförmigen Strukturelements. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Bereitstellen einer Lasche. Ferner erfolgt in einem weiteren Schritt des Verfahrens ein Anordnen des ersten schalenförmigen Strukturelements, so dass sich eine Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements auf einer Oberfläche der Lasche entlang einer vorgegebenen Kurve mit einem periodischen Verlauf erstreckt. Dieser Verlauf ist beispielsweise durch einen wellenförmigen Verlauf gebildet. In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt ein Anordnen des zweiten schalenförmigen Strukturelements, so dass sich eine Kante des zweiten schalenförmigen Strukturelements auf der Oberfläche der Lasche entlang oder parallel zur vorgegebenen Kurve mit dem periodischen Verlauf erstreckt. Für den Fall, dass sich die Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements und die Kante des zweiten schalenförmigen Strukturelements berühren bzw. miteinander in Kontakt stehen, können sowohl die Kante des ersten schalenförmigen Strukturelements als auch die Kante des zweiten schalenförmigen Strukturelements entlang der vorgegebenen Kurve mit periodischem Verlauf verlaufen. In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt ein Befestigen des ersten schalenförmigen Strukturelements und des zweiten schalenförmigen Strukturelements jeweils mittels einer Nietverbindung an der Lasche.
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In einem weiteren Schritt kann ein Bereitstellen eines dritten schalenförmigen Strukturelements vorgesehen sein, welches durch eine zweite Lasche mit dem zweiten schalenförmigen Strukturelement verbunden ist. Die Befestigung des dritten schalenförmigen Strukturelements über die zweite Lasche mit dem zweiten schalenförmigen Strukturelement kann ebenfalls durch eine Nietverbindung und eine überlappende Bauweise des dritten schalenförmigen Strukturelements mit der zweiten Lasche erfolgen. Dabei kann sich eine Kante des dritten schalenförmigen Strukturelements auch parallel zur vorgegebenen Kurve mit dem periodischen Verlauf erstrecken.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Luftfahrzeugstruktur in einem unbelasteten und einem belasteten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2A zeigt eine Luftfahrzeugstruktur mit einem ersten schalenförmigen Strukturelement, welches mittels einer Lasche mit einem zweiten schalenförmigen Strukturelement verbunden ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2B zeigt eine Schnittansicht einer Luftfahrzeugstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2C zeigt eine Schnittansicht einer Luftfahrzeugstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2D zeigt einen wellenförmigen Verlauf von Kanten zweier schalenförmiger Strukturelemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2E zeigt einen zickzackförmigen Verlauf zweier schalenförmiger Strukturelemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2F zeigt einen trapezförmigen Verlauf zweier schalenförmiger Strukturelemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2G zeigt eine Konstruktion eines periodischen bzw. wellenförmigen Verlaufs von Kanten zweier schalenförmiger Strukturelemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 zeigt eine Luftfahrzeugstruktur mit einem ersten schalenförmigen Strukturelement, welches mittels einer Lasche mit einem zweiten schalenförmigen Strukturelement verbunden ist, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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4 zeigt ein Luftfahrzeug mit einer Luftfahrzeugstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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5 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Herstellen einer Luftfahrzeugstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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Werden in der folgenden Figurenbeschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Gleiche oder ähnliche Elemente können aber auch durch unterschiedliche Bezugszeichen bezeichnet sein.
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1 zeigt eine Luftfahrzeugstruktur 1 in einem unbelasteten Zustand und in einem belasteten Zustand. Die obere Darstellung in 1 zeigt den unbelasteten Zustand der Luftfahrzeugstruktur 1 mit einem ersten schalenförmigen Strukturelement 10 und einem zweiten schalenförmigen Strukturelement 20, welches mit dem ersten schalenförmigen Strukturelement 10 durch eine Lasche 30 verbunden ist. Die Verbindung erfolgt dabei mittels einer Nietverbindung 40 zwischen der Lasche 30 und dem jeweiligen schalenförmigen Strukturelement 10, 20. Insbesondere kann für die Nietverbindung 40 eine Vielzahl von Nieten 41 vorgesehen sein, deren Positionen in den Figuren schematisch angedeutet sind. Die Lasche 30 überlappt mit dem ersten schalenförmigen Strukturelement 10 sowie mit dem zweiten schalenförmigen Strukturelement 20 im Bereich der jeweiligen Nietverbindung 40.
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Die untere Darstellung in 1 zeigt die Luftfahrzeugstruktur 1 in einem belasteten Zustand. Dabei wird eine Zugkraft 5 auf die Luftfahrzeugstruktur 1 aufgebracht, so dass ein Verbiegen der schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 sowie der Lasche 30 auftreten kann. Ein solches Verbiegen kann mit der in 2A dargestellten Luftfahrzeugstruktur 1 zumindest unterbunden werden. Insbesondere können Sekundärbiegungen durch die erfindungsgemäße Luftfahrzeugstruktur 1 vermieden werden, wodurch letztendlich auch Ermüdungseigenschaften verbessert werden können.
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Insbesondere zeigt 2A eine Luftfahrzeugstruktur 1 mit einem ersten schalenförmigen Strukturelement 10 sowie einem zweiten schalenförmigen Strukturelement 20, wobei die schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 jeweils durch eine Nietverbindung 40 mit einer Lasche 30 verbunden bzw. an dieser befestigt sind. Dabei kann eine Vielzahl von Nieten 41 der jeweiligen Nietverbindung 40 vorgesehen sein. Die erste Nietverbindung 40 verbindet beispielsweise das erste schalenförmige Strukturelement 10 mit der Lasche 30 und die zweite Nietverbindung 40 verbindet beispielsweise das zweite schalenförmige Strukturelement 20 mit der Lasche 30. Eine Kante 11 des ersten schalenförmigen Strukturelements 10 erstreckt sich beispielsweise auf einer Oberfläche 32 der Lasche 30. Insbesondere erstreckt sich die Kante 11 des ersten schalenförmigen Strukturelements 10 auf der Oberfläche 32 der Lasche 30 entlang einer vorgegebenen Kurve 11a mit periodischem Verlauf. Diese vorgegebene Kurve 11a mit periodischem Verlauf weist beispielsweise eine Wellenform auf. Der periodische Verlauf bzw. der wellenförmige Verlauf erstreckt sich dabei in einer Ausdehnungsrichtung 52. Die Ausdehnungsrichtung 52 des periodischen Verlaufs ist beispielsweise parallel zu einer Querrichtung bzw. stellt selbst die Querrichtung dar. Die Querrichtung bzw. die Ausdehnungsrichtung des periodischen Verlaufs ist zum Beispiel senkrecht zu einer Längsachse 51 eines Luftfahrzeugs. Eine Kante 21 des zweiten schalenförmigen Strukturelements 20 weist beispielsweise ebenfalls einen periodischen Verlauf auf. Insbesondere erstreckt sich die Kante 21 des zweiten schalenförmigen Strukturelements 20 parallel zu der Kurve 11a mit dem periodischen Verlauf. Mit anderen Worten beschreiben die Kante 21 des zweiten schalenförmigen Strukturelements 20 und die Kante 11 des ersten schalenförmigen Strukturelements 10 zueinander parallele Kurven, welche einem wellenförmigen Verlauf folgen. Die beiden Kanten 11, 21 der beiden schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 können einen Abstand 31 bzw. Offset zueinander haben. Dieser Abstand beschreibt beispielsweise die Fügestelle der zu verbindenden schalenförmigen Strukturelemente 11, 21. Vorzugsweise schließen die beiden Kanten 11, 21 der beiden schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 jedoch bündig miteinander ab und stehen somit in Kontakt zueinander. Das erste schalenförmige Strukturelement 10 sowie das zweite schalenförmige Strukturelement 20 können beispielsweise Teile einer Außenhaut eines Luftfahrzeugrumpfs, insbesondere eines Flugzeugrumpfs, sein.
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Die beiden schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 sind an der Lasche 30 jeweils mittels Nietverbindungen 40 befestigt. Die Nietverbindungen 40 weisen jeweils eine Vielzahl von Nieten 41 auf. Die Nieten 41 können in mehreren zueinander beabstandeten Reihen 42, 44 angeordnet sein. Dabei sind eine erste Reihe 42 von Nieten 41 zu einer zweiten Reihe 44 von Nieten 41 um einen bestimmten Abstand 43 zueinander separiert. Mit anderen Worten sind die beiden Reihen 42, 44 von Nieten 41 zueinander beabstandet. Dabei unterscheidet sich die Anzahl der Nieten 41 in jeweils benachbarten Nietreihen 42, 44 um jeweils einen Niet. Dies ist, wie in 2A zu erkennen, dem wellenförmigen Verlauf der Kante 11 des ersten schalenförmigen Strukturelements 10 geschuldet. Insbesondere verläuft die Kante 11 des ersten schalenförmigen Strukturelements 10 mit periodischem Verlauf entlang der Ausdehnungsrichtung 52, wobei der periodische Verlauf eine bestimmte Amplitude 11b um die Ausdehnungsrichtung 52 aufweist. Die Amplitude 11b repräsentiert somit den größten Abstand zwischen der Achse der Ausdehnungsrichtung 52 und der Kante 11 des ersten schalenförmigen Strukturelements 10. Die Anzahl der Nieten 41 in benachbarten Reihen kann alternieren. In analoger Weise verläuft die Kante 21 des zweiten schalenförmigen Strukturelements 20 ebenfalls entlang der Ausdehnungsrichtung 52. Auch hier weist die Nietverbindung 40 zwischen dem zweiten schalenförmigen Strukturelement 20 und der Lasche 30 mehrere Reihen von Nieten 1 auf, wobei benachbarte Reihen von Nieten 41 jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Nieten 41 aufweisen. Dabei unterscheidet sich die Anzahl von Nieten 41 benachbarter Reihen um jeweils einen Niet 41. Folglich kann die Anzahl der Nieten 41 in benachbarten Reihen ebenfalls alternieren.
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Die Auslenkungen um die Ausdehnungsrichtung 52, das heißt die Spitze-Tal-Werte des periodischen Verlaufs von den Kanten 11, 21 der zu verbindenden schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 sind vorzugsweise so gewählt, dass die Nieten 41 auf beiden Seiten der Fügestelle möglichst auf einer Linie liegen, die einen parallelen Verlauf zur Ausdehnungsrichtung 52 hat. Insbesondere können die Nieten 41 auf der Achse der Ausdehnungsrichtung 52 liegen, wie in 2A dargestellt. Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass ein minimaler Randabstand für die vorgesehenen Nieten 41 zu den Kanten 11, 21 der schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 eingehalten wird. Insbesondere können die auf der Ausdehnungsrichtung 52 liegenden Nieten 41 einen minimalen Abstand zu der jeweiligen Kante 11 oder 21 aufweisen. Dadurch können insbesondere die mechanischen Eigenschaften der Nietverbindung 40 verbessert werden.
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2B zeigt eine Schnittansicht A-A durch die Luftfahrzeugstruktur 1 aus 2A. Dabei ist zu erkennen, dass eine Reihe von Nieten 41, welche das erste schalenförmige Strukturelement 10 mit der Lasche 30 verbindet, eine geringere Anzahl an Nieten 41 aufweist als eine gegenüberliegende oder korrespondierende Reihe von Nieten 41, welche das zweite schalenförmige Strukturelement 20 mit der Lasche 30 verbindet. Insbesondere sind in 2B zwei Nieten 41 zur Verbindung des ersten schalenförmigen Strukturelements 10 mit der Lasche 30 vorgesehen, wobei in der gegenüberliegenden oder korrespondierenden Reihe drei Nieten 41 zur Verbindung des zweiten schalenförmigen Strukturelements 20 mit der Lasche 30 vorgesehen sind.
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In 2C ist ein weiterer Schnitt B-B durch die Luftfahrzeugstruktur 1 dargestellt, wobei der Schnitt durch eine weitere, benachbarte Nietreihe verläuft. Diese weitere Nietreihe ist beispielsweise zu der in 2B in Schnittansicht dargestellten Nietreihe um den Abstand 43 beabstandet. Insbesondere ist ein Versatz des Verlaufs der jeweiligen Kanten 11, 21 der beiden schalenförmigen Strukturelemente 10, 20, welcher aus dem wellenförmigen Verlauf der jeweiligen Kante resultiert, zu erkennen. Der Versatz ist dabei durch die Amplitude 11b um die Nulllinie bzw. Mittelachse des wellenförmigen Verlaufs charakterisiert.
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Es sei angemerkt, dass durch einen Vergleich von 2B und 2C deutlich zu erkennen ist, dass benachbarte Reihen von Nieten 41, welche das erste schalenförmige Strukturelement 10 mit der Lasche verbinden, jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Nieten 41 aufweisen. Insbesondere unterscheidet sich die Anzahl der Nieten 41 in benachbarten Reihen um jeweils einen Niet. Dasselbe gilt analog für die jeweiligen Nietreihen zur Verbindung des zweiten schalenförmigen Strukturelements 20 mit der Lasche 30. Insgesamt jedoch sind sowohl in der Schnittansicht der 2B und der Schnittansicht der 2C fünf Niete 41 dargestellt. Dabei verbinden, wie in 2B dargestellt, zwei Nieten 41 das erste schalenförmige Strukturelement 10 mit der Lasche 30 und drei Nieten 41 das zweite schalenförmige Strukturelement 20 mit der Lasche 30. In 2C hingegen, welche die benachbarte Nietreihe zeigt, verbinden drei Nieten 41 das erste schalenförmige Strukturelement 10 mit der Lasche 30 und zwei Nieten 41 das zweite schalenförmige Strukturelement 20 mit der Lasche 30, so dass in jeder Schnittdarstellung durch die jeweiligen benachbarten Nietreihen jeweils insgesamt fünf Nieten 41 zur Verbindung der schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 mit der Lasche 30 vorgesehen sind.
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2D zeigt eine Draufsicht eines periodischen bzw. wellenförmigen Verlaufs 6 und Kanten 11, 21 zweier schalenförmiger Strukturelemente 10, 20. Dabei überlappen die beiden schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 im Bereich der jeweiligen Kanten 11, 21 mit der Lasche 30.
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2E zeigt einen zickzackförmigen oder trapezförmigen Verlauf 7 zweier Kanten 11, 21 von zwei schalenförmigen Strukturelementen 10, 20. Dabei überlappen die schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 mit der Lasche 30 im Bereich der Kanten 11, 21. Der zickzackförmige Verlauf stellt somit ebenfalls einen periodischen Verlauf im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.
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2F zeigt einen trapezförmigen Verlauf 8 zweier Kanten 11, 21 von schalenförmigen Strukturelementen 10, 20. Dabei überlappen die schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 im Bereich der Kanten 11, 21 mit der Lasche 30. Auch der trapezförmige Verlauf 8 der Kanten 11, 21 stellt einen periodischen Verlauf im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.
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2G zeigt die Konstruktion eines periodischen bzw. wellenförmigen Verlaufs 6 der Kanten 11, 21 der jeweiligen schalenförmigen Strukturelemente 10, 20. Der wellenförmige Verlauf 6 wird dabei beispielsweise durch Kreissegmente 53 sowie gerade Streckensegmente 54 gebildet. Dabei wechseln sich Kreissegmente 53 sowie gerade Streckensegmente 54 ab und bilden somit einen wellenförmigen Verlauf entlang der Ausdehnungsrichtung 52. Die Kreissegmente 53 sind dabei jeweils durch Radien R gekennzeichnet, wobei der Mittelpunkt der Radien R jeweils durch den Mittelpunkt eines Niets 41 gekennzeichnet ist. Vorzugsweise sind die Nieten 41, das heißt die Mittelpunkte der Radien R, jedoch auf der Achse der Ausdehnungsrichtung 52 angeordnet. Ferner kann auch vorgesehen sein, dass die Achse der Ausdehnungsrichtung 52 zwischen den Nieten 41 und dem jeweiligen Radius R angeordnet ist. Die Darstellung der Nieten 41 zwischen der Ausdehnungsrichtung 52 und dem jeweiligen Radius R in 2G dient lediglich der Übersichtlichkeit der Darstellung. Es sei angemerkt, dass dies lediglich ein Konstruktionsbeispiel für einen periodischen bzw. wellenförmigen Verlauf der Kanten 11, 21 der schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 darstellt. Insbesondere können auch periodische bzw. wellenförmige Verläufe der Kanten 11, 21 vorgesehen sein, welche durch eine Sinusfunktion beschrieben werden.
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3 zeigt eine Luftfahrzeugstruktur 1 mit einem ersten schalenförmigen Strukturelement 10 und einem zweiten schalenförmigen Strukturelement 20, wobei beide schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 durch eine Lasche 30 miteinander verbunden sind. Die Verbindung der beiden schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 erfolgt dabei durch jeweils eine Nietverbindung 40. Jede der Nietverbindungen 40 weist eine Vielzahl von Nieten 41 auf, wobei die Nieten 41 in mehreren Reihen angeordnet sind, welche zueinander beabstandet sind. Dabei weisen zueinander beabstandete Reihen einer Nietverbindung 40 jeweils die gleiche Anzahl von Nieten 41 auf. Insbesondere weist eine erste Reihe 42 von Nieten 41, welche das erste schalenförmige Strukturelement 10 mit der Lasche 30 verbindet, die gleiche Anzahl von Nieten 41 auf wie eine benachbarte Reihe 44, welche ebenfalls das erste schalenförmige Strukturelement 10 mit der Lasche 30 verbindet. Die beiden Reihen 42, 44 von Nieten 41 sind dabei um den Abstand 43 voneinander getrennt. Die beiden Reihen 42, 44 weisen ferner gegenüberliegende oder korrespondierende Reihen 45, 46 von Nieten 41 auf, welche das zweite schalenförmige Strukturelement 20 mit der Lasche 30 verbinden. Auch die gegenüberliegenden oder korrespondierenden Reihen 45, 46 von Nieten 41 sind um den Abstand 43 voneinander getrennt. Die gegenüberliegenden Reihen 45, 46 weisen jeweils auch die gleiche Anzahl an Nieten 41 auf. Dies ist insbesondere dem periodischen Verlauf einer ersten Kante 36 sowie einer zweiten Kante 37 der Lasche 30 geschuldet. Insbesondere verlaufen die erste Kante 36 sowie die zweite Kante 37 der Lasche 30 parallel zu den Kanten 11, 21 des ersten schalenförmigen Strukturelements 10 bzw. des zweiten schalenförmigen Strukturelements 20. Somit stellen die erste Kante 36 sowie die zweite Kante 37 jeweils Parallelkurven zu den Kanten 11, 21 der beiden schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 dar. Vorzugsweise sind für jede Nietverbindung 40 pro Reihe drei Nieten 41 vorgesehen. Mit anderen Worten ist das erste schalenförmige Strukturelement 10 mit der Lasche 30 durch Nietreihen 42, 44 verbunden, wobei die Nietreihen 42, 44 jeweils drei Nieten 41 aufweisen. Ferner ist das zweite schalenförmige Strukturelement 20 mit der Lasche 30 durch Nietreihen 45, 46 verbunden, wobei jede der Nietreihen 45, 46 jeweils drei Nieten 41 aufweist.
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Es sei angemerkt, dass sich der wellenförmige Verlauf 11a der Kante 11 sowie der Kante 21 und der ersten Kante 36 und der zweiten Kante 37 der Lasche 30 in Ausdehnungsrichtung 52 erstrecken. Die Auslenkungen oder Amplituden des periodischen Verlaufs bzw. des wellenförmigen Verlaufs der jeweiligen Kurven bzw. Kanten sind dabei in die Längsrichtung 51 ausgerichtet.
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Die Auslenkungen um die Ausdehnungsrichtung 52, das heißt die Spitze-Tal-Werte des periodischen Verlaufs von den Kanten 11, 21 der zu verbindenden schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 sind vorzugsweise so gewählt, dass die Nieten 41 auf beiden Seiten der Fügestelle möglichst auf einer Linie liegen, die einen parallelen Verlauf zur Ausdehnungsrichtung 52 hat. Insbesondere können die Nieten 41 auf der Achse der Ausdehnungsrichtung 52 liegen, wie in 3, aber auch in 2A dargestellt. Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass ein minimaler Randabstand für die vorgesehenen Nieten 41 zu den Kanten 11, 21 der schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 eingehalten wird. Insbesondere können die auf der Ausdehnungsrichtung 52 liegenden Nieten 41 einen minimalen Abstand zu der jeweiligen Kante 11 oder 21 aufweisen.
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4 zeigt ein Luftfahrzeug 60 mit einer Luftfahrzeugstruktur 1. Die Luftfahrzeugstruktur 1 weist beispielsweise ein erstes schalenförmiges Strukturelement 10 sowie ein zweites schalenförmiges Strukturelement 20 auf, welches jeweils einen Teil einer Außenhaut des Luftfahrzeugs 60 darstellt. Beispielsweise ist das Luftfahrzeug 60 ein Flugzeug. Eine Lasche 30 überlappt zum einen mit dem ersten schalenförmigen Strukturelement 10 als auch mit dem zweiten schalenförmigen Strukturelement 20 flächig. Eine Kante 11 des ersten schalenförmigen Strukturelements 10 sowie eine Kante 21 des zweiten schalenförmigen Strukturelements 20 weist beispielsweise eine Wellenform auf. Die Ausdehnungsrichtung 52 der Wellenform bzw. des wellenförmigen Verlaufs erstreckt sich beispielsweise in eine Umfangsrichtung um den Luftfahrzeugrumpf, wie in 4 zu erkennen ist. Die Lasche 30 ist mit den jeweiligen schalenförmigen Strukturelementen 10, 20, das heißt mit den jeweiligen Teilen der Außenhaut des Luftfahrzeugs 60 durch eine Nietverbindung 40 verbunden. Insbesondere befestigen mehrere Niete 41 der Nietverbindung 40 die beiden schalenförmigen Strukturelemente 10, 20 mit der Lasche 30.
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Es kann vorgesehen sein, dass sich der wellenförmige Verlauf, das heißt die Ausdehnungsrichtung 52 des wellenförmigen Verlaufs, auch senkrecht zu einer Längsachse des Luftfahrzeugs 60 oder unter einem vorgegebenen Winkel zu der Längsachse des Luftfahrzeugs 60 erstreckt. Mit anderen Worten kann sich der wellenförmige Verlauf im Wesentlichen auch senkrecht zu der Umfangsrichtung des Luftfahrzeugrumpfs erstrecken. Somit können schalenförmige Strukturbauteile 10, 20 mit verschiedenartigen Geometrien zusammengefügt werden.
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5 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Herstellen einer Luftfahrzeugstruktur 1. In einem Schritt S1 des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen eines ersten schalenförmigen Strukturelements 10 und eines zweiten schalenförmigen Strukturelements 20. In einem Schritt S2 des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen einer Lasche 30. Ferner erfolgt in einem weiteren Schritt S3 des Verfahrens ein Anordnen des ersten schalenförmigen Strukturelements 10, so dass sich eine Kante 11 des ersten schalenförmigen Strukturelements 10 auf einer Oberfläche 32 der Lasche 30 entlang einer vorgegebenen Kurve 11a mit einem periodischen Verlauf erstreckt. In einem weiteren Schritt S4 des Verfahrens erfolgt ein Anordnen des zweiten schalenförmigen Strukturelements 20, so dass sich eine Kante 21 des zweiten schalenförmigen Strukturelements auf der Oberfläche 32 der Lasche 30 parallel zur vorgegebenen Kurve 11a mit dem periodischen Verlauf erstreckt. In einem weiteren Schritt S5 des Verfahrens erfolgt ein Befestigen des ersten schalenförmigen Strukturelements 10 und des zweiten schalenförmigen Strukturelements 20 jeweils mittels einer Nietverbindung 40 an der Lasche 30.
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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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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010031688 A1 [0003]
- DE 102006060360 A1 [0004]
