DE2545929B1

DE2545929B1 - Anschlusselement zur einleitung von kraeften in ein bauteil

Info

Publication number: DE2545929B1
Application number: DE19752545929
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl-Ing Brunsch; Rudolf Dipl-Ing Koenig
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1975-10-14
Filing date: 1975-10-14
Publication date: 1976-09-30
Also published as: FR2327858B1; IT1073003B; US4114962A; DE2545929C2; GB1566127A; FR2327858A1

Description

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Die Erfindung betrifft Anschlußelemente zur Einleitung von Kräften in ein Bauteil mit Anschlußbuchsen, um die mit Kunstharz getränkte Faserstränge herumgelegt sind.

Die Einleitung von Längs- und Biegekräften in Anschlußbeschläge von hochbelasteten Leichtbauteilen, insbesondere von solchen in Sandwichbauart, stößt vielfach auf Schwierigkeiten, weil die zur Kraftübertragung zur Verfügung stehenden Anschlußflächen zu klein sind oder die Formgebung der Anschlußbeschläge für die Durchleitung des Kraftflusses zu ungünstig ist. Bei der zunehmenden Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen zur Erfüllung der Forderungen nach extremem Leichtbau für hochbeanspruchte Bauteile muß außerdem den besonderen Eigenschaften der Faserwerkstoffe, die hohe Zug- aber nur geringe Schubbelastungen aufnehmen können, Rechnung getragen werden.

Durch die DT-OS 24 55 810 ist bereits ein Anschlußelement der eingangs genannten Art vorgeschlagen worden, bei dem innerhalb einer von einem Faserstrang um eine Buchse gelegten Endschlaufe eine mit ihrer äußeren Rundung an die Buchse anliegenden Innenschlaufe angeordnet ist. Bei diesem Anschlußelement können durch die beiden an die Buchsen anliegenden Schlaufen sowohl Zug- als auch Schubkräfte gut übertragen werden. Die die Schlaufen bildenden Faserstränge werden dabei von Hand um die Buchse herumgelegt. Dieses Anschlußelement ist besonders für Augen- oder Endbeschläge von massiven Bauteilen geeignet, bei denen der gesamte Querschnitt zur Kraftübertragung herangezogen wird, z. B. zur Herstellung von Blattwurzeln für Rotorblätter. Für eine Übertragung von Anschlußkräften auf flächige Bauteile oder auf Sandwichkonstruktionen ist ein derartiges Anschlußelement weniger geeignet.

Eine Anordnung zur Einleitung von Kräften in flächige Bauteile, insbesondere solche mit Sandwichstruktur, ist durch die DT-OS 23 36 541 bekannt, bei der einerseits die Deckschichten der Sandwichstruktur in Richtung zum Anlenkbereich des Bauteiles zunehmend faserverstärkt sind, und andererseits vom Anlenkbereich sich strahlenförmig Stege zwischen die Deckschichten erstrecken. Diese Anordnung löst bereits gut die Aufgabe, eine gewichts- und festigkeitsoptimale Gesamtstruktur vorzuschlagen und ist besonders ausgelegt, bei Verletzung oder teilweiser Zerstörung der Struktur noch eine ausreichende Gesamtfestigkeit zu gewährleisten. Durch die Verwendung einer stufenweise dünner werdenden Sichtung von faserverstärkten Verbundbauplatten und sich strahlenförmig zwischen die Deckschichten der Sandwichstruktur erstreckenden, vom Anschlußpunkt sich verjüngenden Stegen ist diese Anordnung jedoch aufwendig und damit teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Anordnungen zu beheben und Anschlußelemente zu schaffen, die einfach zu fertigen sind, eine großflächige Übertragung von Kräften gestatten und vielseitig sowohl bei massiven Bauteilen, als auch bei Sandwichkonstruktionen einsetzbar sind.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit Anschlußelementen der eingangs genannten Art durch einen Wickelkörper, der durch äußeres Umwickeln einer sich drehenden Wickelscheibe und von zwei in diese eingesetzte axiale Buchsen derart gefertigt ist, daß die mit Kunstharz getränkten Faserstränge fortlaufend auf einer Seite der Wickelscheibe die erste Buchse umschlingen, über den Rand der Wickelscheibe führen, auf der anderen Seite die zweite Buchse umschlingen und wieder über den Rand der Wickelscheibe zur ersten Buchse zurücklaufen, und der durch Auftrennen der Faserstränge am äußeren Umfang der Wickelscheibe und Abziehen der Buchsen mit jeweils der Hälfte der Wickellagen von der Wickelscheibe in zwei spiegelbildlich gleiche Elemente teilbar ist.

Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, daß die Stärke der durch die Faserstränge aufgebrachten Wickellagen von den Buchsen bis zum Rand der Wickelscheibe abnimmt und daß die Buchsen in die Wickelscheibe in unterschiedlicher Teife eingesetzt sind

und ihr aus der Wickelscheibe herausragender Teil zur Aufnahme der Wickellagen am äußeren Umfang Hohlkehlen aufweist.

Mit den auf diese Weise erhaltenen Elementen können alle an Anschlußelemente zu stellenden Forderungen erfüllt werden. Durch die Art der Wickeltechnik ist das faserverstärkte Kunststoffmaterial in ausreichender Stärke als Schlaufe um die Buchsen herumgeführt und läuft zum Rand der Elemente wie bei einer Schätzung zu einer dünnen Scheibe aus. Somit können hohe Belastungen aus Bauteilen großflächig auf in den Buchsen geführte Anschlußbolzen ohne örtliche Spannungskonzentration übertragen werden. Der erfindungsgemäße Wickelkörper, aus dem je zwei Anschlußelemente entstehen, kann für kleinere Stückzahlen von Hand und für größere Serien maschinell in einer Wickelmaschine hergestellt werden, wobei eine äußerst gleichmäßige Fertigung und damit Güte der Anschlußelemente möglich ist.

Gegenüber bisher verwendeten faserverstärkten Strukturen, bei denen die Gewebeschichten zur Erzielung von Verstärkungen auflaminiert und dann zum Einsatz von Anschlußbolzen durchbohrt oder aufgedornt werden, können mit den erfindungsgemäßen Anschlußelementen wesentlich größere Kräfte übertragen werden, weil die Verstärkungsfasern nicht durchschnitten werden und infolge der gewickelten Anordnung definiert angeordnet sind.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Anzahl der Wicklungen, die Art der verwendeten Fasern und des Kunststoffmaterials entsprechend den zu übertragenden Kräften wählbar. Es liegt somit im Rahmen der Erfindung, eine den zu übertragenden Kräften und der Struktur der Anschlüsse entsprechende Anzahl von Windungen vorzusehen und die Art des Faser- und Kunststoffmaterials zu wählen. Jedes von in Fasersträngen (Rovings) zur Verfügung stehendes Material, wie z. B. Glas-, Kohlenstoff-, Grphit-, Bor-, Kunststoff- und Metallfasern kann für die Herstellung der Anschlußelemente verarbeitet werden. Ebenso ist eine entsprechend dem Fasermaterial und den Festigkeitsansprüchen weite Variation des Kunststoffmaterials möglich, z. B. durch Wahl von schnell oder langsam aushärtenden Harzmassen, Harzen mit Beschleunigern, gesättigten oder ungesättigten Polyesterharzen usw.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Umfangsform der Wickelscheibe den Kraftwirkungsrichtungen anpaßbar ist. Somit können für den Wickelkörper nicht nur runde Wickelscheiben, die bei allseitig gleichmäßiger Krafteinleitung in die fertigen Anschlußelemente zweckmäßig sind, sondern auch beispielsweise elliptische Wickelscheiben verwendet werden, bei denen die Anschlußbuchsen vorteilhaft in einem der Brennpunkte der Ellipse liegen. Diese Form der Anschlußelemente ist günstig für die Übertragung von Zugkräften, die im wesentlichen in Richtung der Längsachse der Ellipse wirken, weil dabekein wesentlich größerer Anteil der Fasern zur Kraftübertragung beiträgt, als bei runden Wickelscheiben.

Vorteilhaft werden die Anschlußelemente gemäß einer Weiterbildung der Erfindung als vorimprägnierte Elemente (Prepregs) ausgeführt. Somit können die erfindungsgemäßen Anschlußelemente bei der Fertigung in an und für sich bekannter Weise mit einem vorbestimmten Anteil Harzmasse imprägniert und ohne weitere Zusätze unter Wärme, mit oder ohne Druck, ausgehärtet werden. Sie können somit rationell auf Vorrat gefertigt und bei Bedarf, z. B. mit Hilfe von Klebefolien, verbunden werden.

Die Anschlußelemente sind dadurch, daß sie als fertige Elemente vorliegen, sehr vielseitig verwendbar und können auch nachträglich zur Verstärkung von bereits vorhandenen Krafteinleitungen eingebaut werden.

Die nachfolgend beschriebene Zeichnung zeigt die Herstellung des Wickelkörpers und mehrere Ausführungsbeispiele für den Einsatz der Anschlußelemente.

Es zeigen im einzelnen:

F i g. 1 und 2 in Draufischt und Seitenansicht eine Wickelvorrichtung in stark vereinfachter Darstellung,

Fig.3 bis 8 einige Schritte beim Bewickeln einer Wickelscheibe,

F i g. 9 eine weitere Ausführungsform eines Wickelkörpers und

F i g. 10 bis 14 verschiedene Anwendungsbeispiele für den Einbau der Anschlußelemente.

Ein Wickelkörper 1 besteht aus einer Wickelscheibe 2, die durch eine Welle 3 antreibbar ist. Auf der Welle 3 sind zwei abnehmbare Buchsen 4 und 5 befestigt, die am äußeren Umfang Hohlkehlen 6 aufweisen und je nach späterer Verwendung mehr oder weniger weit in die Wickelscheibe hineingesetzt sind. Am äußeren Umfang der Wickelscheibe 2 befinden sich eine große Anzahl von Mitnehmern 7. Das Umwickeln des Wickelkörpers 1 erfolgt mit einem Faserstrang 8 (Roving), der aus jedem zweckmäßigen Material, wie z. B. Glas, Kohlenstoff, Bor, Graphit, Kunststoff oder Metall bestehen kann. Der Faserstrang 8 wird von einer Spule 9 aufgewickelt, läuft über eine Umlenkrolle 10, durch einen Behälter 11, der mit einem flüssigen Kunstharz 12 gefüllt ist, über weitere Umlenkrollen 10, einen Führungsarm 13 eines Schlittenvorschubes 14, über die Buchse 4 zwischen zwei Mitnehmern 7 zur Buchse 5, wo sein Ende in bekannter Weise befestigt ist. Das flüssige Kunstharz 12 besteht z. B. aus hundert Gewichtsteilen eines Epoxid-Harzes vom Typ CY 209 und fünfundzwanzig Gewichtsteilen eines Härters vom Typ HT 972.

Der erste Schritt des Wickelvorganges zum Umwikkeln des Wickelkörpers 1 ist in den F i g. 3 bis 5 dargestellt. Dabei zeigen die Fig.3 und 5 die Wickelscheibe 2 in jeweils spiegelbildlicher Darstellung zueinander. In bekannter, nicht dargestellter Weise wird die Wickelscheibe 2 durch die Welle 3 in Richtung eines Pfeiles 15 stetig angetrieben. Nach Drehung der Wickelscheibe 2 um einen Winkel φ wechselt der Schlittenvorschub 14 von der in den F i g. 1 und 2 gezeigten Ausgangsstellung unter der Buchse 4 auf die andere Seite der Wickelscheibe 2 unter die Buchse 5 hinüber. Bei weiterer Drehung wird der Faserstrang 8 durch einen der Mitnehmer 7 mitgenommen bis — entsprechend den F i g. 6 bis 8 — der Schlittenvorschub 14 nach einer Drehung von 180° + φ wieder auf die andere Seiten hinüberwechselt. Nach diesen beiden ersten Wickelschritten ist bereits eine vollständige Wicklung 16 auf der Wickelscheibe 2 aufgebracht. Die weiteren Wickelschritte erfolgen entsprechend nach jeweils einem Winkel von 180° + φ, wobei ebenfalls der Schlittenvorschub 14 auf jeweils die andere Seite der Wickelscheibe 2 wechselt. Um eine gleichmäßige Umwicklung der Wickelscheibe 2 zwischen allen Mitnehmern 7 zu erreichen, muß die Größe des Winkels Φ so gewählt werden, daß der Quotient-^- keine ganze

Ψ Zahl ist.

Wenn der Wickelkörper 1 mit den Fasersträngen 8 beidseitig ausreichend bewickelt ist, werden die

Wickellagen am Umfang der Wickelscheibe 2 entlang den Mitnehmern 7 aufgetrennt. Darauf können die Buchsen 4 und 5 mit den auf ihnen aufgewickelten Lagen von der Welle 3 und der Wickelscheibe 2 abgezogen werden, wodurch man zwei spiegelbildlich gleiche Anschlußelemente 20 erhält. In bekannter Weise ist es möglich, die Anschlußelemente 20 entweder sofort zu verarbeiten und mit einem Bauteil zu verbinden und auszuhärten oder als vorimprägnierte Elemente (Prepregs) in feuchtem Zustand bei Temperaturen unterhalb ι ο der Raumtemperatur zu lagern und bei Bedarf zu verwenden.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Wickelscheibe 2 nicht entsprechend den F i g. 1 bis 8 rund, sondern entsprechend Fig.9 z.B. als Ellipse auszuführen. Bei der dargestellten Wickelscheibe 2a liegt die Welle 3 in einem Brennpunkt der Ellipse. Es sind bereits eine Anzahl von Wicklungen 17 um eine Buchse 18 um die Wickelscheibe 2a aufgebracht worden. Mit einem solchen Wickelkörper gefertigte Anschlußelemente sind besonders für am Rand zu verstärkende Lageraugen geeignet sowie für Anschlüsse, bei denen die Kräfte im wesentlichen in Richtung der Längsachse der Ellipse wirken.

Die Fig. 10 zeigt den einfachsten Fall der Anwendungsbeispiele, bei dem die Anschlußelemente 20 mit ihren Buchsen 4 und 5 in ein Bauteil 21 eingesetzt und mit diesem beispielsweise durch Kleben verbunden sind. Das Bauteil 21 kann dabei aus jedem beliebigen Material hergestellt sein.

Die Fig. 11 und 12 zeigen mit der Einleitung von Anschlußkräften in einen Wabenkern 22 Beispiele von Krafteinleitungen, die bisher äußerst schwierig, mit Hilfe der Anschlußelemente 20 jedoch spannungs- und werkstoffgerecht einwandfrei durchzuführen sind. Die Wabenkerne 22 werden dabei entsprechend der Form der Anschlußelemente 20 entweder eingedrückt oder ausgefräst und zweckmäßig mit Deckschichten 23 versehen, die entweder entsprechend F i g. 11 als Abschlußbleche dienen oder entsprechend Fig. 12 zwischen den Anschlußelementen 20 und dem Wabenkern 22 angeordnet sind. Die Buchsen 4 und 5 sind in beiden Fällen noch mit einer inneren Buchse 24 ausgestattet. Die Deckschichten 23 können aus jedem beliebigen Material, vorzugsweise aus Kunststoff mit oder ohne Faserverstärkung ausgeführt sein.

Die Fig. 13 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der die Anschlußelemente 20 zur Einleitung von Kräften in ein Bauteil 25 aus faserverstärktem Kunststoff oder aus Verbundwerkstoff dienen. So oder in ähnlicher Weise könnte die Lagerung eines Anschlußpunktes für ein hochbelastbares Leichtbauteil im Luft- oder Raumfahrzeugbau, z. B. für eine Steuerfläche, ausgeführt sein.

Entsprechend der F i g. 14 besteht die Möglichkeit, mit Hilfe nur eines Anschlußelementes 20 Lagerkräfte in ein sehr dünnwandiges Bauteil, z. B. eine Gehäusewandung 26 einzuleiten. Diese Ausführungsform zeigt besonders gut die flächenhafte Verteilung der Kräfte von der Anschlußbuchse 4 über das Anschlußelement 20 auf die Gehäusewandung 26.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anschlußelement zur Einleitung von Kräften in ein Bauteil mit Anschlußbuchsen, um die mit Kunstharz getränkte Faserstränge herumgelegt sind, gekennzeichnet durch einen Wickelkörper (1), der durch äußeres Umwickeln einer sich drehenden Wickelscheibe (2) und von zwei in diese eingesetzte axiale Buchsen (4,5) derart gefertigt ist, daß die mit Kunstharz (12) getränkten Faserstränge (8) fortlaufend auf einer Seite der Wickelscheibe (2) die erste Buchse (4) umschlingen, über den Rand der Wickelscheibe (2) führen, auf der anderen Seite die zweite Buchse (5) umschlingen und wieder über den Rand der Wickelscheibe (2) zur ersten Buchse (4) zurücklaufen, und der durch Auftrennen der Faserstränge (8) am äußeren Umfang der Wickelscheibe (2) und Abziehen der Buchsen (4, 5) mit jeweils der Hälfte der Wickellagen (16) von der Wickelscheibe in zwei spiegelbildlich gleiche Elemente (20) teilbar ist.

2. Anschlußelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der durch die Faserstränge (8) aufgebrachten Wickellagen (16) von den Buchsen (4, 5) bis zum Rand der Wickelscheibe (2) abnimmt.

3. Anschlußelemente nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchsen (4,5) in die Wickelscheibe (2) in unterschiedlicher Tiefe eingesetzt sind und ihr aus der Wickelscheibe herausragender Teil zur Aufnahme der Wickellagen (16) am äußeren Umfang Hohlkehlen (6) aufweist.

4. Anschlußelemente nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Wicklungen (16), die Art der verwendeten Fasern (8) und des Kunstharzmaterials (12) entsprechend den zu übertragenden Kräften wählbar ist.

5. Anschlußelemente nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsform der Wickelscheibe (1) den Kraftwirkungsrichtungen anpaßbar ist.

6. Anschlußelemente nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie als vorimprägnierte Elemente (Prepregs) ausgeführt sind.

7. Anschlußelemente nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelscheibe (1) am Umfang verteilte Mitnehmer (7) oder Nuten zur Mitnahme der Faserstränge (8) bei ihrer Drehung aufweist.