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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Fensterrahmen zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeugs, mit einem Grundkörper, der umfasst: einen radial außen angeordneten Flansch zur Anlage an einer Innenseite der Flugzeugaußenhaut, und einen radial innen angeordneten Flansch zur Anlage eines zu halternden Fensterelements. Die Erfindung betrifft ferner ein Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Fensterrahmen.
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Hintergrund der Erfindung
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In einigen der derzeit hergestellten und in Betrieb befindlichen Passagierflugzeugen sind Fensterrahmen aus Aluminium eingesetzt, die aus einem Teil bestehen, das durch Schmieden und Richten hergestellt werden kann. Beispielsweise gliedert sich der aus der
DE 10 2004 025 376 A1 vorbekannte Fensterrahmen im Wesentlichen in drei Bereiche: einen äußeren Flansch, einen inneren Flansch und einen senkrecht zu und zwischen diesen beiden angeordneten vertikalen Flansch. Die Fensterrahmen werden üblicherweise mit zwei Nietreihen über den äußeren Flansch mit der Flugzeugstruktur bzw. mit der Außenhaut des Flugzeuges verbunden. Am inneren Flansch liegt ein Fensterelement an, das seinerseits üblicherweise aus zwei Scheiben und einer dazwischen angeordneten Dichtung besteht und das über Niederhalter, die mit dem vertikalen Flansch verbunden sind, in seiner Position gehaltert wird.
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Ein derartiger Fensterrahmen hat neben der Fixierung des Fensterelementes auch die Funktion, die Spannungsüberhöhungen aufzufangen, die am Rand des für das Fenster in die lastübertragende Außenhaut eingebrachten, vergleichsweise großen Ausschnittes auftreten. Der äußere Flansch des Fensterrahmens dient dabei einerseits der Verstärkung dieses Ausschnittes, anderseits werden über ihn der Rahmen und die Außenhaut mittels Nieten miteinander verbunden.
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Der innere Flansch dient der Aufnahme des Fensterelementes, wobei hier eine Schräge den Einbau des Fensters vereinfacht. Gleichzeitig wird die durch den Innendruck, der in der Passagierkabine herrscht, entstehende Last über diesen Innenflansch auf die Außenhaut des Flugzeuges übertragen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Fensterrahmen bereitzustellen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Fensterrahmen der eingangs genannten Art bereitzustellen, der eine beträchtliche Gewichtsersparnis im Vergleich zu den heute für diesen Verwendungszweck eingesetzten Fensterrahmen ermöglicht. Zugleich sollen die Kosten für die Herstellung eines solchen Fensterrahmens gering gehalten werden.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Fensterrahmen der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Grundkörper zumindest abschnittsweise einen Hohlraum aufweist, der entlang der Rahmenumfangsrichtung ausgebildet ist. Mit anderen Worten: Der Grundkörper, insbesondere der äußere und/oder der innere Flansch, sind in ihrem Inneren zumindest abschnittsweise hohl ausgebildet. Weiter mit anderen Worten: Der Grundkörper, insbesondere der äußere und/oder der innere Flansch sind aus einem Hohlprofil gebildet. Der Grundkörper bzw. der äußere und/oder der innere Flansch sind bevorzugt einstückig bzw. monolithisch ausgebildet. Es ist beispielsweise möglich, dass sich der Hohlraum entlang eines oder mehrere Abschnitte des Umfangs des Fensterrahmens erstreckt.
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Der erfindungsgemäße Fensterrahmen erhält dadurch in vorteilhafter Weise ein steiferes Profil und zeigt ein verbessertes Spannungsverhalten bei typischen Belastungen. Durch die hohle Ausgestaltung des Grundkörpers des Fensterrahmens ist mehr Grundkörpermaterial auf der Außenseite des Querschnitts konzentriert als bei herkömmlichen Fensterrahmen und resultiert daher im Vergleich zu herkömmlichen Fensterrahmen mit massiven Profilen in einem höheren Trägheitsmoment. Die erfindungsgemäß in dem Grundkörper vorhandenen Hohlräume sind innerhalb des Fensterrahmens geschlossen ausgebildet (d.h. gegenüber der Umgebung gasdicht ausgebildet), wodurch Korrosion in diesem Bereich (im Inneren der Hohlräume) nicht auftritt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Hohlraum entlang des gesamten Rahmenumfangs erstreckt. Anders ausgedrückt ist der erfindungsgemäße Hohlraum bei dieser Ausführungsform in der Rahmenumfangsrichtung durchgehend ausgebildet. Auf diese Weise ergibt sich eine symmetrische Ausgestaltung des Fensterrahmens, die unter Belastung des Fensterrahmens zu einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung führt. Darüber hinaus ist diese Ausführungsform besonders leicht ausgebildet. Sie weist kein überschüssiges Material auf.
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Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der Hohlraum in einem Bereich des Querschnittsinneren des äußeren Flansches und/oder in einem Bereich des Querschnittsinneren des inneren Flansches ausgebildet ist. Wenn der Hohlraum im Bereich des Querschnittsinneren sowohl des äußeren als auch des inneren Flansches ausgebildet ist, dann ist im Hinblick auf das Volumen ein vergleichsweise großer Hohlraum im Fensterrahmen vorgesehen. Dadurch ist diese Ausführungsform ebenfalls sehr leicht ausgebildet und im Lastfall kann sich ebenfalls eine gleichmäßige Spannungsverteilung einstellen.
Wenn der Hohlraum im Wesentlichen im Bereich des Querschnittsinneren des radial außen angeordneten Flansches ausgebildet ist, kann sich ein größerer Gewichtsvorteil ergeben als wenn der Hohlraum im Wesentlichen im Bereich des Querschnittsinneren des radial innen angeordneten Flansches ausgebildet ist.
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Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weist der Grundkörper eine Mehrzahl an Stützrippen auf. Die Stützrippen können dem Fensterrahmen in vorteilhafter Weise eine höhere Stabilität verleihen. Dadurch kann an anderer Stelle der Grundkörper bzw. das den Grundkörper bildende Material vergleichsweise dünn ausgebildet sein. Die Stützrippen können den Hohlraum des Fensterrahmens prinzipiell „durchqueren“, d.h. sie können beispielsweise eine radial innen liegende Seite des Hohlraums mit einer radial weiter außen liegenden Seite des Hohlraums verbinden. Eine solche Ausgestaltung des Fensterrahmens bzw. Verbindung im Hohlraum ist jedoch nicht als eine Durchtrennung des Hohlraums aufzufassen. Der Hohlraum kann sich trotzdem im Sinne der Erfindung entlang des gesamten Rahmenumfangs erstrecken (obwohl er eine oder mehrere den Hohlraum durchquerende Stützrippen aufweist). Als Stützrippen im Sinne der Erfindung sollen auch jegliche Form von Stützstreben verstanden werden.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der vorhergehenden Ausführungsform sind die Stützrippen in der Rahmenumfangsrichtung geometrisch regelmäßig angeordnet. Auf diese Weise stellt sich der stabilisierende Effekt der Stützrippen im Fensterrahmen geometrisch gleichmäßig ein. Dadurch ist eine homogenere Belastung des Fensterrahmens möglich.
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Bei einer weiteren bzw. alternativen bevorzugten Weiterbildung sind die Stützrippen zueinander äquidistant angeordnet. Somit ist der stabilisierende Effekt der Stützrippen besonders gleichmäßig ausgeprägt und unter Last ist die Belastung des Fensterrahmens besonders homogen.
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Bevorzugt ist auch eine Weiterbildung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Haupterstreckungsrichtungen der Stützrippen entlang von Radialen eines Fensterrahmenmittelpunkts ausgerichtet sind. Auf diese Weise ergibt sich vorteilhaft eine besonders ausgeprägte Stabilisierung des Grundkörpers durch die Stützrippen.
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Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weisen die Stützrippen an radial innen liegenden Endabschnitten verzweigte Rippenabschnitte auf. Mit anderen Worten: Die Stützrippen weisen an ihren radial innen liegenden Endabschnitten eine Verästelung auf. Damit ist gemeint, dass zusätzliche kleinere Rippen oder zusätzliche (Stütz-)Rippen vorgesehen sind, die von den Hauptrippen bzw. den Hauptstreben abzweigen. Die Verästelung kann im Wesentlichen zwei kleinere, von der Hauptrippe abzweigende Nebenrippen aufweisen. Durch die Rippenabschnitte bzw. die Verästelung an den radial innen liegenden Endabschnitten kann der Bereich des radial inneren Flansches vorteilhaft zusätzlich versteift werden, um das Fensterelement aufzunehmen. Dieser Bereich ist typischerweise durch die Einleitung der Kräfte (Druckbelastung auf das Fensterelement durch den Kabinenüberdruck während der Reiseflughöhe) besonders stark belastet.
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Bevorzugt ist ferner eine Ausführungsform, bei der eine den Hohlraum begrenzende Wand des Grundkörpers eine Dicke von maximal 3 mm aufweist. Auf diese Weise kann das Gewicht des Fensterrahmens besonders stark reduziert werden und es können dennoch die wesentlichen Stabilitätserfordernisse erzielt werden.
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Besonders bevorzugt ist des Weiteren eine Ausführungsform die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein radial innenliegender Bereich des Grundkörpers, insbesondere dass der innere Flansch, massiv ausgebildet ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft verschiedenen Einschränkungen in der Fertigung Rechnung getragen werden. Unter „massiv“ soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden, dass dort kein Hohlraum ausgebildet ist sondern das Material des Grundkörpers dort vollumfänglich vorhanden ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der vorhergehenden Ausführungsform beträgt der massiv ausgebildete und radial innenliegende Bereich zwischen 20% und 30% der Flanschbreite, insbesondere ca. 25% der Flanschbreite. Dies hat sich in der Praxis sowohl im Hinblick auf die Einschränkungen in der Fertigung als auch im Hinblick auf Stabilitätskriterien als vorteilhaft erwiesen.
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Bevorzugt ist ferner eine Ausführungsform, bei der eine den Hohlraum begrenzende Wand des Grundkörpers eine Dicke zwischen 1,8 mm und 2,2 mm aufweist, insbesondere dass die Dicke der Wand ca. 2 mm aufweist. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft kostengünstig und kann insbesondere ohne Stützrippen auskommen.
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Schließlich ist eine Ausführungsform des Fensterrahmens bevorzugt, die durch ein Verfahren hergestellt ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe: 3D-Druck, Druckguss, Profilextrusion.
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Die Aufgabe wird ferner auch gelöst durch ein Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Fensterrahmen. Ein solches Flugzeug macht im Wesentlichen von denselben Vorteilen Gebrauch, wie der erfindungsgemäße Fensterrahmen.
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Besonders bevorzugt ist ein Flugzeug bei dem die Fensterrahmen über den äußeren Flansch an der Innenseite der Flugzeugaußenhaut angeklebt sind. Das Kleben als Verbindungsform hat sich im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fensterrahmen als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung können ebenfalls aus den Beispielen der Ausführungsform entnommen werden, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben wird.
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Figurenliste
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder zumindest ähnliche Elemente, Komponenten oder Aspekte verwendet. Es wird angemerkt, dass im Folgenden Ausführungsformen im Detail beschrieben werden, die lediglich illustrativ und nicht beschränkend sind. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ nicht andere Elemente aus und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Alleinig der Umstand, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, beschränkt nicht den Gegenstand der Erfindung. Auch Kombinationen dieser Merkmale können vorteilhaft eingesetzt werden. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht den Umfang der Ansprüche beschränken. Die Figuren sind nicht maßstäblich zu verstehen sondern haben nur schematischen und illustrativen Charakter. Es zeigen
- 1a eine perspektivische Ansicht eines Fensterrahmens gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Erfindung,
- 1b eine Draufsicht auf den Fensterrahmen gemäß 1a,
- 2 eine perspektivische Ansicht einer Fensterrahmenanordnung mit einem Fensterrahmen gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Erfindung,
- 3a eine perspektivische Ansicht eines Fensterrahmens gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Erfindung,
- 3b eine Draufsicht auf den Fensterrahmen gemäß 3a,
- 4a eine Seitenansicht eines Fensterrahmens gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,
- 4b eine Draufsicht auf den Fensterrahmen gemäß 4a,
- 4c einen Querschnitt durch den Fensterrahmen gemäß 4a entlang der Schnittlinie A-A aus 4b,
- 4d ein vergrößerter Teilausschnitt aus 4c,
- 5 einen Querschnitt durch einen Fensterrahmen mit einem Fensterelement,
- 6a bis 6c perspektivische Ansichten eines weiteren Fensterrahmens sowie einer Fensterrahmenanordnung die einen Teil einer Flugzeugaußenhaut umfasst, und
- 7 ein erfindungsgemäßes Flugzeug.
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Die 1a zeigt einen Fensterrahmen 10, der für den Einbau in die Außenhaut eines Flugzeugs geeignet ist. Der Fensterrahmen 10 umfasst einen Grundkörper 12 mit einem radial außen angeordneten Flansch 14, wobei der Flansch 14 zur Anlage an einer Innenseite der Flugzeugaußenhaut geeignet ist, und mit einem radial innen angeordneten Flansch 16, wobei der Flansch 16 zur Anlage eines zu halternden Fensterelements geeignet ist (vgl. 5). Der Grundkörper 12 weist einen Hohlraum 18 auf, der entlang der Rahmenumfangsrichtung 20 ausgebildet ist und der sich entlang des gesamten Rahmenumfangs erstreckt. Der Hohlraum 18 wird durch eine Wand des Grundkörpers 12 begrenzt, die eine Dicke von bis zu 3 mm aufweist. Der Grundkörper 12 weist zwanzig Stützrippen 22 auf, die in der Rahmenumfangsrichtung 20 geometrisch regelmäßig angeordnet sind und jeweils an radial innen liegenden Endabschnitten verzweigte Rippenabschnitte 26 aufweisen.
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In der 1b ist der Fensterrahmen 10 in einer Draufsicht dargestellt. Somit ist die in der Rahmenumfangsrichtung 20 geometrisch regelmäßige Anordnung der Stützrippen 22 und sind die an den radial innen liegenden Endabschnitten ausgebildeten Verzweigungen (die Rippenabschnitte 26) gut ersichtlich. Eine alternative Formulierung für die verzweigten Rippenabschnitte 26 ist, dass die Stützrippen 22 an ihren radial innen liegenden Endabschnitten eine Verästelung aufweisen. Das bedeutet, dass gewissermaßen zusätzliche kleinere Rippen oder zusätzliche (Stütz-)Rippen vorgesehen sind, die von den Hauptrippen 22 bzw. den Hauptstreben 22 abzweigen. Durch die Rippenabschnitte bzw. die Verästelung wird der Bereich des radial inneren Flansches 16 zusätzlich versteift.
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Der Fensterrahmen 10 ist beispielsweise durch ein 3D-Druck-Verfahren (ALM - engl. Abkürzung für „Additive Layer Manufacturing“) hergestellt. Der Fensterrahmen 10 bzw. der Grundkörper 12 kann dabei beispielsweise aus einem Metall aufgebaut sein.
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Die 2 zeigt einen weiteren Fensterrahmen 10. Der Fensterrahmen 10 ist zum Einbau in eine hier beispielhaft bereichsweise dargestellte Außenhaut 40 eines Flugzeugs eingebaut. Der Fensterrahmen 10 weist einen Grundkörper 12 auf, wobei der Grundkörper 12 einen radial außen angeordneten Flansch 14 zur Anlage an einer Innenseite 42 der Flugzeugaußenhaut 40, und einen radial innen angeordneten Flansch 16 zur Anlage eines zu halternden Fensterelements umfasst (vgl. 5). Der Fensterrahmen 10 ist über den äußeren Flansch 14 an der Innenseite 42 der Flugzeugaußenhaut 40 klebend befestigt.
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Der Grundkörper 12 weist in seinem Inneren einen Hohlraum 18 auf, der entlang der Rahmenumfangsrichtung 20 ausgebildet ist, wobei sich der Hohlraum 18 entlang des gesamten Rahmenumfangs erstreckt.
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Der Fensterrahmen 10, bzw. der Grundkörper 12, umfasst zwölf Stützrippen 22, die in der Rahmenumfangsrichtung 20 geometrisch regelmäßig, insbesondere spiegelsymmetrisch zur Längs- und Querachse 15, 17 des Fensterrahmens 10 angeordnet sind. Darüber hinaus sind die Haupterstreckungsrichtungen 24 der Stützrippen 22 entlang von Radialen R des Fensterrahmenmittelpunkts M ausgerichtet. Der Fensterrahmen 10 kann beispielsweise mittels eines Druckgussverfahrens hergestellt sein.
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In den 3a und 3b ist ein weiterer Fensterrahmen 10 zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeugs dargestellt. Der Fensterrahmen 10 weist prinzipiell den gleichen Aufbau wie die Fensterrahmen 10 der 1a und 1b bzw. 2 auf. Auch bei diesem Fensterrahmen 10 weist der Grundkörper 12 zumindest abschnittsweise einen Hohlraum 18 auf, der entlang der Rahmenumfangsrichtung 20 ausgebildet ist. Ferner erstreckt sich der Hohlraum 18 auch entlang des gesamten Rahmenumfangs.
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Im Unterschied zu den vorherigen Fensterrahmen 10 ist jedoch ein radial innenliegender Bereich 28 des Grundkörpers 12, insbesondere der innere Flansch 16, massiv ausgebildet. Dadurch ist der Hohlraum 18 in einem Bereich des Querschnittsinneren des äußeren Flansches 14 ausgebildet. Der massiv ausgebildete und radial innenliegende Bereich 28 beträgt ca. 30% der Flanschbreite B.
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Wie in der 1a und 1b weist der Fensterrahmen 10 bzw. der Grundkörper 12 ebenfalls zwanzig Stützrippen 22 auf, die in der Rahmenumfangsrichtung 20 geometrisch regelmäßig angeordnet sind (beispielsweise spiegelsymmetrisch zu den beiden Hauptachsen 15, 17 des Fensterrahmens 10).
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Der Fensterrahmen 10 bzw. der Grundkörper 12 oder Teile dessen können beispielsweise aus einer Aluminium-Legierung aufgebaut sein. Prinzipiell kann als ein Herstellungsverfahren für den Grundkörper die Profilextrusion eingesetzt werden.
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In den 4a bis 4c ist ein weiterer Fensterrahmen 10 zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeugs in verschiedenen Ansichten und Schnitten dargestellt. Auch dieser Fensterrahmen 10 umfasst einen Grundkörper 12, mit einem radial außen angeordneten Flansch 14 und mit einem radial innen angeordneten Flansch 16. Im Inneren des Grundkörpers 12 ist ein Hohlraum 18 ausgebildet, der sich entlang des gesamten Rahmenumfangs erstreckt. Der Fensterrahmen 10 weist keine Stützrippen auf.
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Die 4d zeigt ferner dass der Hohlraum 18 des Grundkörpers 12 in einem Bereich des Querschnittsinneren des äußeren Flansches 14 und in einem Bereich des Querschnittsinneren des inneren Flansches 16 ausgebildet ist. Mit anderen Worten: Der Hohlraum 18 erstreckt sich in der radialen Richtung R von einer radial innen liegenden Spitze des inneren Flansches 16 bis zu einem radial außen liegenden Endabschnitt des äußeren Flansches 14. Der Grundkörper 12 wird im Querschnitt gesehen durch eine Wand 29 begrenzt bzw. umschlossen, wobei diese Wand 29 eine Dicke D zwischen 1,8 mm und 2,2 mm aufweisen kann. Im Querschnitt der 4d ist ferner ebenfalls zu sehen, dass der Fensterrahmen 10 über den äußeren Flansch 14 an der Innenseite 42 der Flugzeugaußenhaut 40 angeklebt ist. Der Fensterrahmen 10 bzw. der Grundkörper 12 kann aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff (CFRP) hergestellt bzw. aufgebaut sein.
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In der 5 ist ein Querschnitt durch einen Fensterrahmen 10, beispielsweise der Fensterrahmen 10 der 4a bis 4d, mit einem Fensterelement 30 gezeigt. Das Fensterelement 30, das seinerseits üblicherweise aus zwei Scheiben 31, 32 und einer dazwischen angeordneten Dichtung 33 besteht und das über Niederhalter (die hier nicht dargestellt sind, aber ebenfalls mit dem Grundkörper 12 verbunden sein können) in seiner Position gehaltert wird, liegt am inneren Flansch 16 an. Der Fensterrahmen 10 ist über den äußeren Flansch 14 an der Innenseite 42 der Flugzeugaußenhaut 40 angeklebt. Der Fensterrahmen 10 bzw. der Grundkörper 12 kann beispielsweise aus einem Thermoplast aufgebaut sein.
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Wie bei den Fensterrahmen 10 der vorhergehenden Figuren weist der Grundkörper 12 zumindest abschnittsweise einen Hohlraum 18 auf, der entlang der Rahmenumfangsrichtung 20 ausgebildet ist. Der Hohlraum 18 ist in einem Bereich des Querschnittsinneren des äußeren Flansches 14 und in einem Bereich des Querschnittsinneren des inneren Flansches 16 ausgebildet.
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Die 6a bis 6c zeigen eine vorderseitige, perspektivische Ansicht ( 6a), eine rückseitige Ansicht eines weiteren Fensterrahmens 12 (6b) sowie eine Fensterrahmenanordnung 44, die neben dem Fensterrahmen 12 einen Ausschnitt einer Flugzeugaußenhaut 40 umfasst (6c). Aus der vorderseitigen Ansicht des Fensterrahmens 10 kann insbesondere eine an dem äußeren Flansch 14 ausgebildete Anlagefläche erkannt werden, über die der Fensterrahmen 10 bzw. über die der äußere Flansch 14 an der Innenseite 42 der Flugzeugaußenhaut 40 angeklebt werden kann (vgl. 6c).
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Die 7 zeigt schließlich ein Flugzeug 50 mit einer Mehrzahl an Fensterrahmen 10, die an der Flugzeugaußenhaut 40 angeklebt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004025376 A1 [0002]
