DE202006016041U1

DE202006016041U1 - Krafteinleitungselement für Faserverbundstreben in Flugzeugen

Info

Publication number: DE202006016041U1
Application number: DE202006016041U
Authority: DE
Original assignee: COMAT GmbH
Current assignee: FUNCK, RALPH, DR., DE
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2016-10-17

Abstract

Thermoplastisches Krafteinleitungselement an Streben aus Faserverbundwerkstoff für Anwendungen in der Luftfahrt, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement eine konische Außenkontur aufweist, deren Flankenwinkel 15° ±12° beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Krafteinleitungselement an Streben aus Faserverbundwerkstoff für Anwendungen in der Luftfahrt.
Derartige Streben, auch als Verstrebungen, Verbindungsstangen oder Zug-Druck-Stangen bezeichnet, dienen in Flugzeugen insbesondere zur Führung und mechanischen Lagerung bzw. zur Abstützung (engl. „Struts" oder „Tierods"). Streben dieser Art umfassen im allgemeinen einen im wesentlichen rohrförmigen Körper, an dessen Ende sich jeweils ein Element (Krafteinleitungselement) zur Montage der Strebe befindet.
Diese Streben kommen in Flugzeugen in erheblichen Stückzahlen vor, wobei sich ein Strebentyp insbesondere durch Variation der Länge auszeichnet. Die Variation der Länge wird im wesentlichen durch Veränderung der Länge des im allgemeinen rohrförmigen Körpers der Strebe erreicht. Die Krafteinleitungselemente sind bei einem Strebentyp im wesentlichen gleich, so dass insbesondere die Krafteinleitungselemente in einer hohen Stückzahl vorkommen.
Streben mit rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoff zeichnen sich insbesondere durch ihr im Vergleich zu metallischen Streben geringes Gewicht aus und sind in der Luftfahrt bekannt. Stand der Technik ist, die Krafteinleitungselemente am Ende derartiger Streben metallisch auszuführen. In den meisten Fällen werden Krafteinleitungselemente aus Aluminium eingesetzt. Diese sind beispielsweise stoffschlüssig durch Verklebung mit dem rohrförmigen Körper aus Faserverbundwerkstoff verbunden. Nachteilig sind hierbei das hohe Gewicht der metallischen Krafteinleitungselemente, die schlechte Korrosionsbeständigkeit und die hohen Herstellungskosten. Die hohen Herstellungskosten werden durch in der Regel mechanische Zerspanung sowie den Aufwand, der zur Vermeidung von Kontaktkorrosion in der Fügestelle zwischen Krafteinleitungselement und Faserverbund-Zugstrebe betrieben werden muss verursacht. In seltenen Fällen bestehen die Krafteinleitungselemente auch aus duromeren Faserverbundwerkstoffen, deren hohe Herstellkosten, verursacht durch begrenzte Automatisierbarkeit des Fertigungsprozesses, sich nachteilig auswirken.
An die Streben werden besonders hohe Ansprüche an die Festigkeit der verwendeten Materialien bei gleichzeitig geringem Gewicht und auch an die Korrosionsbeständigkeit gestellt. Zudem müssen die Streben extrem widerstandsfähig gegen mechanische sowie umgebungsbedingte Beanspruchungen sein.
Die steigenden Anforderungen an Gewichts- und Kosteneinsparung führen an die Grenzen des Potentials bekannter Bauweisen für Streben mit rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen.
Alle bisher bekannten Bauweisen für Streben mit rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen sind entweder zu aufwändig und damit zu kostenintensiv in der Herstellung und/oder halten den Anforderungen bezüglich geringen Gewichtes, Korrosionsfreiheit und/oder mechanischer Beanspruchungen nicht stand. Bekannt ist auch, dass die hohen Herstellkosten der Krafteinleitungselemente bislang durch Fertigungsmethoden wie Zerspanung auf der metallischen Seite oder Harzinjetionsverfahren auf der duromeren Faserverbundseite begründet sind, die für die benötigte Ausbringmenge an Krafteinleitungselementen grundlegend ungünstig sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Streben mit rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen derart weiterzubilden, dass die dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Nachteile vermieden werden.
Insbesondere sollen Streben mit rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen mit geringem Eigengewicht und hoher Korrosionsbeständigkeit auf Basis eines auch für die Großserienproduktion geeigneten Fertigungsverfahrens geschaffen werden, die mechanischen Beanspruchungen standhalten und durch das gewählte Fertigungsverfahren kostengünstig herzustellen sind.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Krafteinleitungselement aus thermoplastischem Kunststoff besteht. Der Einsatz von thermoplastischen Kunststoffen für derartige Anwendungen ist zunächst nicht naheliegend, da thermoplastische Kunststoffe im Allgemeinen als leicht brennbar und mit nur geringen Festigkeiten bekannt sind. Durch den Einsatz hochwertiger Thermoplaste, wie beispielsweise PEI, PPS oder PEEK, werden hohe Festigkeiten mit gutem Brandverhalten kombiniert. Zudem sind derartige Thermoplaste mit Füllstoffen wie beispielsweise mineralische Füllstoffe, Glasfasern oder Kohlenstofffasern verfügbar. Dadurch lassen sich Festigkeiten und Brandverhalten nochmals verbessern.
Die erfindungsgemäße Verbindung zwischen Krafteinleitungselement und dem rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen erfolgt stoff-, kraft- und/oder formschlüssig. Besonderen Wert wird dabei auf den formschlüssigen Teil der Verbindung gefegt. Zur Erreichung eines guten Formschlusses ist das erfindungsgemäße Krafteinleitungselemente mit einer besonderen Außenkontur ausgestattet. Die Außenkontur des Krafteinleitungselement ist sowohl in Zug- als auch in Druckrichtung konisch ausgeführt, wodurch der Formschluss erreicht wird. Der Winkel des Konus zur Längsachse der Strebe beträgt 15°, maximal 27° minimal 3°. Zudem ist die Oberfläche mit einer Mikroverzahnung versehen, was zu einer weiteren kraftschlüssigen Verbindung führt und darüber hinaus durch Vergrößerung der Kontaktoberfläche zwischen Krafteinleitungselement und rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen den Stoffschlüssigen Teil der Verbindung verbessert. Die Mikroverzahnung wird beispielsweise durch Aufrauhen der Oberfläche des Krafteinleitungselements und/oder durch Strukturierung der Oberfläche (z. Bsp. kleine Rillen) erreicht.
Das Einbetten der Fasern ist insbesondere im Faserwickelverfahren besonders gut zu realisieren.
Die konische Außenkontur des Krafteinleitungselements ist auf der Zugseite zudem wellig ausgeführt. Dies resultiert in einem alternierenden Steigungswinkel des Konus und somit auch zu Stellen mit steilerem Winkel. Das ist von Vorteil, da Versuche ergeben haben, dass ein alternierender Winkel des Konus die Zugkräfte besser in den rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen einleiten kann. Um zu verhindern, dass die zum rohrförmigen Körper aus Faserverbundwerkstoff tangentialen Spannungen, welche aus der formschlüssigen Krafteinleitung mittels Konus resultieren, zu einem Aufplatzen des rohrförmigen Körpers aus Faserverbundwerkstoff führen, ist dieses im Bereich der Konus durch eine Umfangswicklung verstärkt. Diese Umfangswicklung besteht aus dem gleichen Material wie der rohrförmige Körper und wird zusammen mit diesem in einem Arbeitsgang hergestellt. Alternativ kann diese Umfangsverstärkung aber auch aus einem anderen Werkstoff hergestellt werden und nachträglich aufgebracht werden.
Um zu Verhindern, dass dieses Krafteinleitungselement sich relativ zum rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen verdrehen, werden die Krafteinleitungselemente zusätzlich mit einer formschlüssigen Verdrehsicherung in Form einer oder mehrere Nuten versehen.
Beispielsweise verlaufen beim größte Teil des rohrförmigen Körpers aus Faserverbundwerkstoffen die Fasern in einem Winkel von +15° und –15° zur Längsrichtung des rohrförmigen Körpers, so haben die Konen des Krafteinleitungselements einen Flankenwinkel von 15° ±10°. Somit werden Brückenbildungen vermieden und die Gefahr von Lufteinschlüssen gesenkt.
Der Faserverbundwerkstoff besteht vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, aus kontinuierlichen Glas-, Kohlenstoff-, Basalt- und/oder Kunststofffasern in Verbindung mit einem Kunststoff, vorzugsweise aber nicht ausschließlich Epoxyd-, Phenol-, Polyester- und/oder Vinylesterharz oder einer PEI, PPS- oder PEEK-Matrix.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt:
1 einen schematischen Schnitt der Faserverbundstrebe mit dem erfindungsgemäßen Krafteinleitungselement (1) welches gemäß einer ersten Ausführungsform mit Faserverbundwerkstoff (2) umgeben ist. Das Krafteinleitungselement (1) ist hierbei mit dem Faserverbundwerkstoff (2) durch Verkleben und gleichzeitigen Formschluß fest verbunden.
2 einen schematischen Schnitt der Faserverbundstrebe mit dem erfindungsgemäßen Krafteinleitungselement (1) welches gemäß einer zweiten Ausführungsform mit Faserverbundwerkstoff (2) umgeben ist. Das Krafteinleitungselement (1) ist hierbei mit dem Faserverbundwerkstoff (2) durch Verkleben und gleichzeitigen Formschluß fest verbunden. Zusätzlich ist im Bereich der Krafteinleitungselemente eine Verstärkung (3) zur Unterstützung des Formschlusses angebracht.
3 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Krafteinleitungselements (1) gemäß einer Ausführungsform. Zur Erzielung des gewünschten Formschlusses ist das thermoplastische Krafteinleitungselement (1) auf der Zugseite (4) konisch mit dem Flankenwinkel α und auf der Druckseite konisch mit dem Flankenwinkel β ausgeführt. Zudem besitzt die Zugseite (4) erfindungsgemäß über eine wellige Oberfläche.
4 eine Ausschnittsvergrößerung einer schematischen Seitenansicht eines Krafteinleitungselements (1) mit der erfindungsgemäßen Mikroverzahnung (5) der Oberfläche.
5 eine schematische Draufsicht des erfindungsgemäßen Krafteinleitungselements (1) mit den Nuten (6) zur Verdrehsicherung.

Claims

Thermoplastisches Krafteinleitungselement an Streben aus Faserverbundwerkstoff für Anwendungen in der Luftfahrt, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement eine konische Außenkontur aufweist, deren Flankenwinkel 15° ±12° beträgt.
Thermoplastisches Krafteinleitungselement an Streben aus Faserverbundwerkstoff für Anwendungen in der Luftfahrt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der Konen eine wellige Oberfläche aufweisen.
Thermoplastisches Krafteinleitungselement an Streben aus Faserverbundwerkstoff für Anwendungen in der Luftfahrt nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche über eine Mikroverzahnung mit einer Rautiefe von Ra 28μm ±20μm zur Vergrößerung der Kontaktoberfläche verfügt.
Thermoplastisches Krafteinleitungselement an Streben aus Faserverbundwerkstoff für Anwendungen in der Luftfahrt nach Anspruch 1, bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement über eine oder mehrere Nuten zur Verdrehsicherung verfügt.
Thermoplastisches Krafteinleitungselement an Streben aus Faserverbundwerkstoff für Anwendungen in der Luftfahrt nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Krafteinleitungselementes mindestens das 1 Fache und höchstens das 10 Fache des Innendurchmessers der Strebe beträgt.
Thermoplastisches Krafteinleitungselement an Streben aus Faserverbundwerkstoff für Anwendungen in der Luftfahrt nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Krafteinleitungselements gleich oder größer ist als der Innendurchmesser der Strebe.