DE2336541C3 - Anordnung zum Einleiten von Kräften in ein flächiges Bauteil mit Sandwichstruktur - Google Patents
Anordnung zum Einleiten von Kräften in ein flächiges Bauteil mit SandwichstrukturInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs I angegebenen und
durch die GB-PS 7 23 535 bekanntgewordenen Art.
Auf mehreren technischen Spezialgebieten wird angestrebt, flächige Bauteile in Leichtbauweise herzustellen
und z. B. punktförmig in einer Weise anzulenken, daß neben einer allgemein hohen Leistungsaufnahme
auch größere Sicherheit gegen Totalausfall (fail safe) lebenswichtiger Strukturen bei teilweiser Zerstörung
bzw. Verletzung derselben sowie größere Ermüdungssicherheit bei Dauerbelastung erzielt werden können. Die
bekannten flächig wirkenden Krafteinleitungselemente sind jedoch unzureichend, weil die eingeleiteten Kräfte
nur ungleichmäßig verteilt in die Konstruktionssysteme einfließen können und daher z. B. die gefürchteten
Ermüdungserscheinungen des Materials an ungleich hJher belasteten Stellen heraufbeschwören.
Bei den zu optimierenden Strukturen handelt es sich in der Regel um Bauteile, deren Außenseiter mehr oder
weniger glatte, ebenflächige oder konturhaltige Deckhäute
sind und deren innere Struktur die sog.
Kastenbauweise aufweist und bisher von einem eigensteifen System aus Holmen, Rippen, Stringern usw.
gebildet wird (Festigkeitslehre für den Leichtbau von Dr.-Ing. Schappitz, 2. Auflage, VDJ-Verlag, Düsseldorf,
1963, S. 3 bis 5).
Im Austausch gegen Metall, Holz oder andere Werkstoffe bietet sich die Verwendung von faserverstärkten
Verbundwerkstoffen an, zumal diese bekanntlich den konventionellen Werkstoffen, in vieler Hinsicht
überlegen sind.
Flächige Bauteile, bei deren Konstruktion die konventionellen Elemente unter Einbeziehung von
Stützsystemen herangezogen wurden, werden nach neuerer Erkenntnis daher häufig in Sandwichbauweise
ausgeführt. In diesen Fällen aber ist die Einleitung der Kräfte problematisch, weil Sandwichbauplatten nur
dann widerstandsfähig für die Einleitung von Kräften sind, wenn größere Flächenteile sowohl der oberen als
auch der unteren Deckschicht für die Anlenkung erfaßt werden können. Nur dann können Jie bei Belastung
-to wirksam werdenden Kräfte ohne Schaden auf die
Anlenkpunkte übergeleitet werden.
Es sind schon metallische Verstärkungselemente für plattenförmige Kunststoffteile bekanntgeworden, bei
welchem am Metallteil sich in den Kunststoff erstrek-
■i> kende Drähte befestigt sind (DE-PS 19 Il 389). Diese
Verstärkiingselemente eignen sich jedoch nicht für die
Einleitung von Kräften in flächige Sandwichbaustrukturen, die aus einem Wabenkern mit beiderseits
aufgebrachten z. B. aufgeklebten Deckschichten bestehen, weil die geometrische Gestaltung hier eine andere
ist und weil mittels des bekannten Verstärkungselementec keine kraftschlüssige Verbindung zwischen zwei
Deckschichten hergestellt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Anordnun-
>'> gen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen
und durch die GB-PS 7 23 535 bekanntgewordenen Art insoweit zu verbessern, daß die einfließende Kraft
gleichmäßig verteilt eingeleitet wird, damit eine gleichmäßige günstige Spannungsverteilung in der
1)0 Konstruktion entsteht und somit Materialermüdungserscheinungen
weitgehend vermieden sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei der Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebenen
Gestaltungsmerkmale vorgesehen, wobei in den Unter-
h*' ansprüchen 2 bis 9 noch weitere für die Aufgabenlösung
vorteilhafte und förderliche Weiterbildung beansprucht sind.
Ks ist zwnr durch die DE-AS 10 40 321 bei einer
Anordnung zum Verbinden eines Kunststoffteils mit einem anderen Bauteil mittels eines dem Kunststoffteil
zugeordneten Befestigungsteils bekanntgeworden, das Befestigungsteil so auszubilden, daß strahlenförmig von
einem Mittelteil ausgehend Befestigungslappen angeordnet sind. Es ist fernerhin bei Konstruktionen
bekanntgeworden, verschweißte Verbundplatten, sog. Doppler, vorzusehen. Es ist ferner durch die US-PS
34 76 422 eine Anordnung der der Erfindung ähnlichen Art bekanntgeworden, bei der Verbinderteile zwischen
zwei Deckschichten, und zwar Querteile in der Nähe eines Eckteiles, in dem die Deckschichten zusammenlaufen,
gewellt sind, und zwar gewellt durch die Stauchung dieser Querteile zur genannien Eckbildung. Jedoch sind
die sonstigen technischen Verhältnisse bei dem jeweiligen Stand der Technik ganz anders gelagert wie bei der
Erfindung.
Der durch die Erfindung erzielte technische Fortschritt ist gegenüber dem vorstehend abgehandelten
Stand der Technik insbesondere dadurch glaubhaft, da durch die Erfindungsmerkmale die duich die GB-PS
7 23 535 bekanntgewordenen und im Oberbeg-iff des Anspruchs 1 angegebenen Anordnungen insoweit
verbessert werden, daß die einfließende Kraft gleichmäßig verteilt eingeleitet wird, damit eine gleichmäßig
günstige Spannungsverteilung in der Konstruktion entsteht und somit Materialermüdungserscheinungen
weitgehend vermieden sind.
Auch eine ausreichende Erfindunghöhe ist bei der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik dadurch
gegeben, daß die Aufgabe unter geschickter Ausnutzung technischer Möglichkeiten in einfacher Weise
erfolgreich gelöst wurde. Beim Stand der Technik sind nicht genügend technische Hinweise zu erkennen, die
ohne weiteres auf die Gesamtheit der Lösungsmittel hinweisen. Zwar sind einzelne Gestaltungsmerkmale
der Lösungsmittel bereits nahegelegt, vor allem ist jedoch die Ausführung der Stege mit in Längsrichtung
mit sich gegebenenfalls abflachender Wellung und/oder variabler Wellvnstreckung durch den Stand der Technik
nicht nahegelegt worden.
Die Merkmale der Erfindung und deren technischen Vorteile ergeben sich auch aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt
F i g. 1 eint Draufsicht auf eine Ki jfteinleitungsanordnung:
F i g. 2 eine Ansicht des Anlenkbereichs der Krafteinleitungsanordnung
nach Fig. 1 in Pfeilrichtung A;
Fig.3 eine Seitenansicht in Pfeilrichtung B der
Anordnung nach F i g. 1;
Fig.4 und 5 die Seitenansicht von zwei verschiedenen
Ausführung der Stege;
Fig.6 bis 9 die Draufsicht auf mehrere Stegformen
und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Anlenkbereichs
der Krafteinleitungsanordnung nach Fig. 1.
Die Anordnung zur Einleitung von Kräften in flächige Bauteile mit Sandwichstruktur besteht im wesentlichen
aus Verstärkungsplatten (Dopplern) als Deckschichten der Sandwichstruktur, aus mehreren zwischen den
Verstärkungsplatten angeordneten und diese miteinander verbindenden Stegen und aus einem für die
Weiterleitung der Kräfte geeignet ausgebildeten Anlenkbereich.
Gemäß Fig. 1 bis J sind zwischen oberen Verstärkungsplatten
10, Il und 12 und unteren Verstärkungsplatten 13, 14 und 15 gewellte Stege 1 bis 9 angeordnet.
Die Verstärkungsplatten jeder Seite überdecken einander mit abgestufter Größe, so daß nahe dem
Anlenkbereich 16 Verstärkungsplatten 10,11 und 12 der
Ober- bzw. 13, 14 und 15 der Unterseite übereinanderlappen.
Die Stege 1 bis 9 können aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen oder aus anderen geeigneten
Werkstoffen bestehen. In Richtung zum Anlenkbereich 16 werden sie stufenweise um die Dicke der
ίο vorhandenen Verstärkungsplatte 10bis 12 bzw. 13 bis 15
schmaler (F i g. 3 und 5). Die Zwischenräume zwischen den Stegen 1 bis 9 und den Verstärkungsplatten 10 bis 15
sind u. a. zur Erhöhung der Festigkeit und zur Erleichterung der Fertigung des gesamten Bauteils mit
einem Wabenkern 18 z.B. aus Hartschaum oder ähnlichem (F ig. 1) ausgefüllt.
Im Anlenkbereich 16 sind alle Stege 1 bis 9 zusammengeführt und in einer gemeinsamen Bohrung
19, welche in der Plattenebene verläuft, mittels einer Büchse 20 gehalten. Beide Enden öe.r Büchse 20
durchsetzen die Mittelstege 21, 22 von U-förmigen Beschlagen 23,24, an deren rechtwinklig umgebogenen
Rändern die Verstärkungsplatten 12 bzw. 15 fixiert sind.
Wie F i g. 4 und 5 zeigen, ist die Breite der Stege 25 und 26 entweder verlaufend (F i g. 4) oder in Stufen 27
bis 29 (F i g. 5) entsprechend der Stärke und Anzahl der aufliegenen Verstärkungsplatten 10 bis 15 (Fig. 1) in
Richtung zum Anlenkbereich reduziert.
Die Fig.6 bis 9 zeigen in Draufsicht verschiedene
Ausbildu.nesformen für Stege.
Die Stege können aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, vorzugsweise aber sind sie aus faserverstärkten
Verbundwerkstoffen aufgebaut. Zu ihrer Versteifung ist es vorgesehen, mehrere Schichten aufeinander
zu legen und z. B. mittels Diffusionsschweißung miteinander zu verbinden.
Die Wellung der Stege kann, wie es in Fig.6 dargestellt ist, völlig gleichmäßig verlaufen. Statt einer
Wellung ist in manchen Fällen jedoch ein konischer Verlauf der Stegdicke zweckmäßig. Eine solche
Ausführungsform ist in F i g. 7 dargestellt.
In anderen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Wellung der Stege unregelmäßig zu gestalten, um sie
dem Verlauf der wirksamen Kräfte anzupassen. Oft sind Formen vorteilhaft, wie sie beispielsweise in den F: g. 8
und 9 dargestellt sind. Am trapezförmigen gebogenen Steg nach Fig.9 sind Laschen 30 ausgeformt, die
rechtwinklig zur Stegfläche verlaufen und eine gute Befestigung des Stegs ermöglichen.
Ein Steg kann dabei aus einer einzigen ggf. faserverstärkten Werkstoffschicht bestehen. Sein abgebogener
Rand bildet dann als Leiste einen Klebefalz bei der Befestigung des Stegs zwischen einer oberen und
einer unteren Sandwich-Deckschicht.
Es sind auch z. B. zweischichtige Stege möglich, bei denen zwischen ggf. faserverstärkten Werkstoi'fschichten
ein als Lasche dienendes Blech eingeklemmt und mit den beiden Schichten verschweißt wird. Nach Umbiegen
dient diese Lasche zur Befestigung des Stegs
ho zwischen einer oberen und einer unteren Deckschicht.
Fig. iO zeigt einen Anlenkbereich 37 in perspektivischer
Sicht. Die zu einer Materialanhäufung 38 zusammengeiaQten Stegenden weisen eine gemeinsame
Bohrung 47 auf, welche von einer Büchse 48 durchsetzt
*" wird. Letztere durchsetzt zugleich die Mittelstege
zweier U-förmiger Beschläge 49, 50, deren seitliche Schenkel auf ihren Außenseiten 51 bis 54 zum Fixieren
der nicht gezeichneten Verstärkungsplatten genutzt
werden.
Diese Anwendungsmögliehkciten der Krafteinleitungsanordnung
sind überall gegeben, wo starke Kräfte auf großflächige Sandwichbauteile einwirken, also /. B.
im Flugzeug- und Behälterbau, bei der Herstellung von Karosserien und Wagenaufbauten etc.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Anordnung zum Einleiten von Kräften in ein flächiges Bauteil mit Sandwichstruktur, dessen
Deckschichten faserverstärkt und in Richtung zu einem Anlenkbereich des Bauteiles stufenförmig
übereinanderliegend zunehmend aufgedickt und von einem Verbindungsglied erfaßt sind, wobei im
anliegenden Bereich ein die Deckschichten verbindendes Verstärkungsteil vorgesehen ist und ein zum
Einbau mindestens eines Verbindungsgliedes geeignetes Anlenkmittel (Bohrung) angeordnet ist, d a durch
gekennzeichnet, daß als Verstärkungsteil ein zu den Deckschichten (10 bis 15) etwa
rechtwinklig verlaufendes und diese miteinander verbindendes Stegsystem (Stege 1 bis 9) dient und
die Enden der Stege einerseits im Anlenkbereich (16) in einer als Verstärkungsteil wirkende Materialanhäufung
zusammengefaßt sind, während sich ihre freien Enden andererseits strahlenförmig in den
Wabenkern (18) erstrecken und dort verankert sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die freien Enden der Stege (1 bis 9) strahlenförmig in den Wabenkern (18) in Längsrichtung
mit sich gegebenenfalls abflachender Wellung und/oder variabler Wellenstreckung erstrecken.
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Stege
(F i g. 7) in Richtung zum Anlenkbereich (16) etwa im gleichen Maße zunimmt wie die Dicke der
zugehörigen L;ekschichten(6bis 15).
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (1 bis 9) in an
sich bekannter Weise aus Verbundwerkstoffen in Kombination mit konventioneilen Werkstoffen
bestehen.
5. Anordnung nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (1 bis 9) in an
sich bekannter Weise eine zum Einbau mindestens eines Verbindungsgliedes, z. B. einer Büchse (20,48),
geeignete Bohrung (10,47) aufweisen.
6. Anordnung nach den Ansprüchen I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die Stege (1 bis 9)
zusammenfassende Verbindungsglied (Büchse 20, 48) mittels eines zusätzlichen Formteils, z. B. eines
Beschlages (23, 24, 49, 50), gegenüber der oder den Deckschichten (10 bis 15) festgelegt ist.
7. Anordnung nach den Ansprüchen I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter
Weise die Hohlräume zwischen den Stegen (1 bis 9) mit einem einen Wabenkern (18) bildenden Füllmaterial
ausgefüllt sind.
8. Anordnung nach den Ansprüchen I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des
Wabenkerns (18) der Sandwichbauteile an den sie durchdringenden Stegen (1 bis 9) und/oder an den
Deckschichten (10 bis 15) fixiert ist.
9. Anordnung nach den Ansprüchen I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter
Weise an den Stegen (1 bis 9) ihrer Fixierung dienende Ansätze, z. B. Laschen (30) ausgeformt
sind.
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