DE19926585B4

DE19926585B4 - Konstruktionselement in Hybridbauweise

Info

Publication number: DE19926585B4
Application number: DE1999126585
Authority: DE
Inventors: Elmar Breitbach; Wilm Felix Unckenbold; Thorsten Krüger
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2019-06-12
Also published as: DE19926585A1

Abstract

Konstruktionselement in Hybridbauweise mit einem eine Faserverbundstruktur aufweisenden Formkörper und einem metallischen Formkörper, die an mindestens zwei Verbindungsstellen durch achsiale Verbindungselemente, wie Befestigungsschrauben, bolzen oder -nieten, mit. hoher achsialer Steifigkeit miteinander verbunden sind und die zwischen den Verbindungsstellen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei an mindestens einer Verbindungsstelle eine mechanische Schnittstelle zwischen den beiden Formkörpern vorgesehen ist, die in der achsialen Richtung der Befestigungselemente eine hohe Druckfestigkeit aufweist und die bei Temperaturveränderungen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der beiden Formkörper unter Hinnahme einer Relativlageverschiebung der beiden Formkörper in der jeweiligen Richtung zwischen den Verbindungsstellen kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schnittstelle (9), indem sie ein Bauteil (12) mit Fasern, Schichten oder Stegen (14), die in Richtung zwischen den beiden Formkörpern (2, 3) verlaufen, aufweist, in mindestens einer Richtung zwischen den Verbindungsstellen (11) schubweich ist, so dass die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der beiden Formkörper durch eine Schubverformung der mechanischen Schnittstelle (9) kompensiert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Konstruktionselement in Hybridbauweise mit einem eine Faserverbundstruktur aufweisenden Formkörper und einem metallischen Formkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Anwendung von Faserverbundstrukturen im Bereich des Flugzeug-, Schiff- und Schienenfahrzeugbaus kommt eine immer größere Bedeutung zu. Desweiteren gewinnen Faserverbundstrukturen auch im Maschinen- und Anlagenbau, wie z. B. in der Automationstechnik, zunehmend an Akzeptanz. Charakteristisch für eine Vielzahl derzeitiger und zukünftiger Konstruktionselemente ist die sogenannte Hybridbauweise, bei der metallische Formkörper mit eine Faserverbundstruktur aufweisenden Formkörpern reibschlüssig in der Regel mittels Schrauben verbunden werden. Diese lösbaren Verbindungen übertragen in idealer Weise Längs- und Querkräfte zwischen den beiden Fügeelementen, so daß üblicher weise eine Relativbewegung zwischen beiden Baugruppen infolge der hohen Vorspannkräfte der Schrauben verhindert wird. Oftmals unterliegen derartige Konstruktionselemente jedoch Temperaturschwankungen von einigen 10 °C bis hin zu etwa 200 °C. Aufgrund der mitunter stark differierenden Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem verwendeten Metall und der jeweiligen Faserverbundstruktur, kommt es hierdurch bislang zu unerwünschten lokalen Deformationen und analog dem Bimetalleffekt zu ungewollten globalen Deformationen der gesamten Struktur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Konstruktionselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu verhindern, daß die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einer Deformation im Bereich der relevanten Abmessungen führen. Gleichzeitig soll die grundsätzliche Steifigkeit des Konstruktionselements nicht verloren gehen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Konstruktionselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die mindestens eine mechanische Schnittstelle des neuen Konstruktionselements läßt zu, daß sich die beiden Formkörper zwischen den Verbindungsstellen unterschiedlich stark ausdehnen. Zumindest in der Richtung zwischen den Verbindungsstellen weist das Konstruktionselement eine genau definierte Schubweichheit auf. Die Schubbeanspruchung der mechanischen Schnittstelle setzt mit der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der Formkörper ohne irgendeine Haftreibung ein.

Die Schubweichheit führt jedoch nicht dazu, daß das Konstruktionselement insgesamt seine Steifigkeit einbüßt. Insbesondere wenn die mechanischen Schnittstellen zwischen den beiden Formkörpern jeweils nur in der einen Richtung zwischen den Verbindungsstellen schubweich und quer zu dieser Richtung schubhart sind, so daß es in dieser Querrichtung auch bei Temperaturveränderungen zu keinen Relativlageverschiebungen zwischen den beiden Formkörpern kommt, und/oder wenn nicht alle Verbindungsstellen mit einer schubweichen mechanischen Schnittstelle versehen sind, ist die Relativlage der beiden Formkörper bei allen Temperaturen genau definiert. Nur die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen werden ohne Auswirkungen in Form einer Deformation des gesamten Konstruktionselements ermöglicht. Auf die Steifigkeit des Konstruktionselements in der Richtung zwischen den beiden Formkörpern hat die mechanische Schnittstelle sowieso keine Auswirkung, da die Verbindung der beiden Formkörper an den Verbindungsstellen in dieser Richtung immer eine große Steifigkeit aufweist.

Schubweich, aber auch schubhart und große Steifigkeit sind im Zusammenhang mit dem neuen Konstruktionselement relative Begriffe. Schubweich bedeutet hier genauer, daß die Schubsteifigkeit der mechanischen Schnittstelle in der jeweiligen Richtung so gering ist, daß die Schnittstelle aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der beiden miteinander verbundenen Formkörper verformt wird, bevor eine Deformation des gesamten Konstruktionselements erfolgt. Der absolute Wert der hierfür erforderlichen Schubsteifigkeit hängt natürlich von der absoluten Steifigkeit der beiden Formkörper ab. Die Schubweichheit der mechanischen Schnittstelle zumindest in der Richtung zwischen den Verbindungsstellen kann aber dadurch hilfsweise definiert werden, daß sie zumindest 90% der Wärmeausdehnung, besser mindestens 95% der Wärmeausdehnung über den Gesamtbereich der auftretenden Temperaturen kompensiert.

Hierauf bezogen definiert sich die große achsiale Steifigkeit und die Schubhärte in der Querrichtung mathematisch hilfsweise dadurch, daß die jeweiligen Steifigkeiten mindestens fünfmal größer sind als die Steifigkeit der mechanischen Schnittstelle in der Richtung zwischen den Verbindungsstellen. Das Verhältnis der Steifigkeiten kann aber auch weit hierüber hinausgehen. So ist die große achsiale Steifigkeit der Verbindung der beiden Formkörper an den Verbindungsstellen vorzugsweise mindestens zwanzigmal größer als die Schubsteifigkeit der mechanischen Schnittstelle in der schubweichen Richtung, und ihre Schub steifigkeit in der schubharten Richtung ist gegebenenfalls vorzugsweise mindestens zehnmal größer als die Schubsteifigkeit in der schubweichen Richtung.

Die neue Schnittstelle kann auf der Seite jedes Formkörpers eine Einschraubbuchse oder einen Gewindestangenabschnitt aufweisen. Das heißt, in dieser Ausführungsform wird jeder Formkörper auf einer Seite an die Schnittstelle angeschraubt. Es ist keine gemeinsame, einteilige Verschraubung für beide Formkörper vorgesehen. Deshalb wird die Schubsteifigkeit bzw. Schubweichheit der Schnittstelle auch nicht durch eine durchgehende Verschraubung beeinflußt. In diesem Fall muß die große achsiale Steifigkeit der Verbindung der beiden Formkörper an den Verbindungsstellen aber ebenfalls durch die Schnittstelle selbst bewirkt werden.

Die Schnittstelle kann zur exakten Lagedefinition auf der Seite jedes Formkörpers einen Fortsatz aufweisen, der formschlüssig in den Formkörper eingreift.

In einer einfacheren Ausführungsform des neuen Konstruktionselements kann an jeder Verbindungsstelle aber auch eine Befestigungsschraube durch den Formkörper mit der Faserverbundstruktur und durch die mechanische Schnittstelle hindurch in eine Gewindebohrung in den metallischen Formkörper eingreifen, wobei ein Schraubenschaft in dem Formkörper mit der Faserverbundstruktur mit radialem Spiel geführt ist. Bei dieser Ausführungsform des neuen Konstruktionselements wird mit der Schubverformung der Schnittstelle auch die Befestigungsschraube beansprucht. Dabei ist es bevorzugt, daß die Befestigungsschraube biegeweich ist und so bei einer Schubbeanspruchung der mechanischen Schnittstelle auf Biegung beansprucht, d. h. verformt wird.

Die mechanische Schnittstelle mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen selbst kann unterschiedlich ausgebildet sein. In einer Ausführungsform weist sie ein Faserverbundbauteil auf, dessen Fasern unidirektional zwischen den beiden Formkörpern verlaufen.

Dabei ist keine schubharte Querrichtung gegenüber der schubweichen Richtung ausgezeichnet.

Um eine schubharte Richtung auszuzeichen, kann die mechanische Schnittstelle ein mehrschichtiges Faserverbundlaminat aufweisen, dessen Schichten zwischen den beiden Formkörpern und quer zu der Richtung zwischen den Verbindungsstellen verlaufen. Bei diesem Aufbau ist die Schnittstelle im Sinne einer hohen achsialen Steifigkeit sehr druck- und zugfest und quer zu der Richtung zwischen den Verbindungsstellen schubhart, während sie in der Richtung zwischen den Verbindungsstellen die gewünschte Schubweichheit aufweist.

Ganz konkret kann das Faserverbundlaminat Fasermatten aufweisen, die durch untereinander beabstandete Nähfäden miteinander verbunden sind. Beispielsweise können die Fasermatten aus Glasfasermatten ausgebildet sein, während die Nähfäden aus Kohlenstoffasern bestehen.

Die Schnittstelle des neue Konstruktionselements kann auch aus Metall ausgebildet sein. Dies ist beispielsweise dann einfach realisierbar, wenn die Schnittstelle ein mit parallelen Stegen zwischen zwei Endplatten versehenes Bauteil aufweist, dessen Stege zwischen den beiden Formkörpern und quer zu der Richtung zwischen den Verbindungsstellen verlaufen. Dieser Aufbau des relevanten Bauteils der mechanischen Schnittstelle kann auch als Sandwichkonstruktion in Hohlkammerbauweise bezeichnet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben; dabei zeigt
1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform des neuen Konstruktionselements,
2 den Querschnitt gemäß 1 nach einer Erhöhung der Temperatur,
3 ein Detail des Querschnitts gemäß 2,
4 ein Bauteil einer weiteren Ausführungsform des neuen Konstruktionselements in einer perspektivischen Ansicht und
5 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des neuen Konstruktionselements.
Das in 1 dargestellte Konstruktionselement 1 weist einen Formkörper 2 mit einer Faserverbundstruktur und einen metallischen Formkörper 3 auf. Der Formkörper 2 kann aus einer Kunststoffmatrix bestehen, in die Glas- oder Kohlenstoffasern als Einzelfasern oder Gewebe eingebettet sind. Der metallische Formkörper 3 kann aus Stahl, Aluminium, Titan oder allen anderen metallischen Materialien bestehen, die aufgrund ihrer Steifigkeit und/oder ihres geringen Gewichts als Bauteile von Konstruktionselementen von Interesse sind. Die beiden Formkörper 2 sind durch zwei Befestigungsschrauben 4 miteinander verschraubt. Die Befestigungsschrauben 4 stützen sich mit ihren Schraubenköpfen 5 in Vertiefungen 6 an Anlageflächen 7 an dem Formkörper 2 mit der Faserverbundstruktur ab. Von dort greift jeweils ein Schraubenschaft 8 durch den Formkörper 2 und eine mechanische Schnittstelle 9 in eine Gewindebohrung 10 in dem Formkörper 3 ein. Dabei weist der Schraubenschaft 8 gegenüber dem Formkörper 2 und der Schnittstelle 9 radiales Spiel auf. Die Schnittstelle 9, die jeweils zwischen den Formkörpern 2 und 3 angeordnet ist, ist in der Spannrichtung der Befestigungsschrauben 4 druckfest ausgebildet und weist eine hohe Steifigkeit auf. Eine hohe Steifigkeit ist vorzugsweise auch in den Schubrichtungen gegeben, die senkrecht zu der Zeichenebene verlaufen. In der Richtung zwischen den durch die beiden Befestigungsschrauben 4 definierten Verbindungsstellen 11 der beiden Formkörper 2 und 3 sind die mechanischen Schnittstellen 9 jedoch schubweich ausgebildet. Diese Schubweichheit ist vorgesehen, um unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Formkörper zwischen den Verbindungsstellen 11 zu kompensieren. Hierzu muß nicht an jeder Verbindungsstelle 11 eine in dieser Richtung schubweiche mechanische Schnittstelle 9 vorgesehen sein. Mindestens eine Verbindungsstelle 11 einer Mehrzahl von Verbindungsstellen kann ohne eine solche mechanische Schnittstelle 9 ausgebildet werden, um die Steifigkeit des gesamten Konstruktionselement 1 möglichst hoch zu halten.
2 und insbesondere 3 zeigen die Reaktion des Konstruktionselements 1 auf eine Temperaturänderung, unter der sich der metallische Formkörper 3 zwischen den Verbindungsstellen 11 stärker ausdehnt als der Formkörper 2 mit der Faserverbundstruktur. Diese unterschiedlichen Wärmeausdehnungen werden durch eine Schubverformung der mechanischen Schnittstellen 9 in der Richtung zwischen den Verbindungsstellen 11 kompensiert, ohne daß es zu einer Verformung des gesamten Konstruktionselements 1 kommt. Dabei werden die Befestigungsschrauben 4 oberhalb der Gewindebohrungen 10 in dem metallischen Formkörper 3 auf Biegung beansprucht. Allerdings ist die Abbiegung in den 2 und 3 für die tatsächlich auftretenden Temperaturunterschiede von maximal 200 °C zwischen der Situation gemäß 1 einerseits und der Situation gemäß den 2 und 3 andererseits stark übertrieben wiedergegeben. Tatsächlich erfolgt nur eine minimale Abbiegung.
Die mechanische Schnittstelle 9 kann ihrerseits eine Faserverbundstruktur aufweisen. Durch die Orientierung und Verknüpfung der eingebetteten Fasern können dabei die für die einzelnen Richtungen gewünschten Steifigkeiten eingestellt werden.
Eine Ausführungsform der Schnittstelle 9 aus Metall, beispielsweise extrudiertem Aluminium ist in 4 skizziert. Dabei zeigt 4 konkret ein Bauteil 12, aus dem eine mechanische Schnittstelle 9 im einfachsten Fall durch Anbringen eines Schraubenlochs für eine Befestigungsschraube 4 ausbildbar ist. Das Bauteil 12 weist zwei Endplatten 13 auf, die durch Stege 14 miteinander verbunden sind. Die Stege 14 verlaufen zwischen den Endplatten 13 in der Richtung zwischen den Formkörpern 2 und 3.
Parallel zu den Endplatten 13 verlaufen die Stege 14 quer zu der Richtung zwischen den Verbindungsstellen 11. So ist die obere Endplatte 13 in Richtung des Doppelpfeils 15 schubweich gegenüber der unteren Endplatte 13 geführt. in allen Querrichtungen zu der Richtung des Doppelpfeils 15 ist die Führung hingegen steif.
Die Ausführungsform des Konstruktionselements, die aus dem Querschnitt gemäß 5 hervorgeht weist keine durchgehenden und durch die jeweilige Schnittstelle 9 hindurchtretenden Befestigungsschrauben auf. Vielmehr ist für die dargestellte Verbindungsstelle 11 ein Paar von Befestigungsschrauben 4 vorgesehen. Die Befestigungsschrauben 4 stützen sich an Abstützbuchsen 16 ab, die formschlüssig in die beiden Formkörper 2 und 3 eingesetzt sind. Die Schraubenschäfte 8 der Befestigungsschrauben 4 greifen dabei in Einschraubbuchsen 17 ein, die beiderseits an der Schnittstelle 9 befestigt sind bzw. die durch die Schnittstelle 9 miteinander verbunden sind. Auch die Einschraubbuchsen 17 greifen formschlüssig in die beiden Formkörper 2 und 3 ein. Bei der Ausführungsform des Konstruktionselements 1 gemäß 5 wird keine der Befestigungsschrauben 4 auf Biegung beansprucht. Die gesamte Beanspruchung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten wirkt ausschließlich auf die mechanische Schnittstelle 9 ein, die dabei zur Sicherstellung der gewünschten Steifigkeit des gesamten Konstruktionselements 1 selbst eine große achsiale Steifigkeit in der Richtung der Befestigungsschrauben 4 aufweisen muß.

1: Konstruktionselement
2: Formkörper
3: Formkörper
4: Befestigungsschraube
5: Schraubenkopf
6: Vertiefung
7: Anlagefläche
8: Schraubenschaft
9: Schnittstelle
10: Gewindebohrung
11: Verbindungsstelle
12: Bauteil
13: Endplatte
14: Steg
15: Doppelpfeil
16: Abstützbuchse
17: Einschraubbuchse

Claims

Konstruktionselement in Hybridbauweise mit einem eine Faserverbundstruktur aufweisenden Formkörper und einem metallischen Formkörper, die an mindestens zwei Verbindungsstellen durch achsiale Verbindungselemente, wie Befestigungsschrauben, bolzen oder -nieten, mit. hoher achsialer Steifigkeit miteinander verbunden sind und die zwischen den Verbindungsstellen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei an mindestens einer Verbindungsstelle eine mechanische Schnittstelle zwischen den beiden Formkörpern vorgesehen ist, die in der achsialen Richtung der Befestigungselemente eine hohe Druckfestigkeit aufweist und die bei Temperaturveränderungen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der beiden Formkörper unter Hinnahme einer Relativlageverschiebung der beiden Formkörper in der jeweiligen Richtung zwischen den Verbindungsstellen kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schnittstelle (9), indem sie ein Bauteil (12) mit Fasern, Schichten oder Stegen (14), die in Richtung zwischen den beiden Formkörpern (2, 3) verlaufen, aufweist, in mindestens einer Richtung zwischen den Verbindungsstellen (11) schubweich ist, so dass die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der beiden Formkörper durch eine Schubverformung der mechanischen Schnittstelle (9) kompensiert werden.
Konstruktionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mechanischen Schnittstellen (9) quer zu der Richtung zwischen den Verbindungsstellen (11) schubhart ist, so dass es in diesen Querrichtungen auch bei Temperaturveränderungen zu keinen Relativlageverschiebungen der Formkörper (2, 3) kommt.
Konstruktionselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle (11) auf der Seite jedes Formkörpers (2, 3) eine Einschraubbuchse (17) oder einen Gewindestangenabschnitt aufweist.
Konstruktionselement nach Ansprüch, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschraubbuchse (17) jedes Formkörpers (2, 3) einen Fortsatz aufweist, der formschlüssig in den Formkörper (2, 3) eingreift.
Konstruktionselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verbindungsstelle (11) eine Befestigungsschraube (4) durch den Formkörper (2) mit der Faserverbundstruktur und durch die mechanische Schnittstelle (9) hindurch in eine Gewindebohrung (10) in dem metallischen Formkörper (3) eingreift, wobei ein Schraubenschaft (8) der Befestigungsschraube (4) in dem Formkörper (2) mit der Faserverbundstruktur mit radialem Spiel geführt ist.
Konstruktionselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenschaft (8) der Befestigungsschraube (4) biegeweich ist.
Konstruktionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (9) ein Faserverbundbauteil aufweist, dessen Fasern unidirektional zwischen den beiden Formkörpern verlaufen.
Konstruktionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (9) ein mehrschichtiges Faserverbundlaminat aufweist, dessen Schichten zwischen den beiden Formkörpern (2, 3) und quer zu der Richtung zwischen den Verbindungsstellen (11) verlaufen.
Konstruktionselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundlaminat Fasermatten aufweist, die durch beabstandete Nähfäden miteinander verbunden sind.
Konstruktionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (9) ein Bauteil (12) mit parallelen Stegen (14) zwischen zwei Endplatten (13) aufweist, wobei die Stege (14) zwischen den beiden Formkörpern (2, 3) und quer zu der Richtung zwischen den Verbindungsstellen (11) verlaufen.