DE2545929C2 - AnscMuBelement zur Einleitung von Kräften in ein Bauteil - Google Patents

AnscMuBelement zur Einleitung von Kräften in ein Bauteil

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DE2545929C2 DE19752545929 DE2545929A DE2545929C2 DE 2545929 C2 DE2545929 C2 DE 2545929C2 DE 19752545929 DE19752545929 DE 19752545929 DE 2545929 A DE2545929 A DE 2545929A DE 2545929 C2 DE2545929 C2 DE 2545929C2
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Description

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
ίο 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 w«. rdenden 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 Anschlußele-
4S niente 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 Anschlußeiementen 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
do 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
6s Stärke der durch die Faserstrange aufgebrachten Wickellagen von den Buchsen bis zum Rand der Wickelscheibe pbnimmt 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 Umfane Hohlkehlen aufweist. 6
Mit den auf diese Weise erhaltenen Elementen können alle an Anschlußelementt zu stellenden s 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 Schaffung 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 is 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 Λη/.ahl der Wicklungen, die Art der verwendeten Fasern und des Kur.ststoffmaterials 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 Verfugung stehendes Material, wie z. B. Glas-, Kohlenstoff-, Graphit-, 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 so 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 Vs von Zugkräften, die im wesentlichen in Richtung der Längsachse der Ellipse wirken, weil dabeibin wesentlich größerer Anteil der Fasern zur Kraftübertragung beiträgt, als bei runden Wickelscheiben.
Vorteilhaft werden die Anochlußelemcnte gemäß <,0 einer Weiterbildung der Erfindung als vorimpragnierte Elemente (Preprogs) ausgeführt. Somit können die erfindungsgemäßen Anschlußelemente bei der Fertigung in an und für sich bekannter Weise mit einem vorbestimmten Anteil Harzmasse imprägniert und ohne <λ 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 Anschlußeiemente 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 Anschlußeiemente.
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,
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines Wickelkörpers und
Fi 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 spaterer 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 Umlenkroile 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 besieht 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 ψ wechselt dei Schlittenvorschub 14 von der in den Fig. 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° + ψ wieder auf die andere Seiten hinüberwechselt. Nach diesen beiden ersten Wickelschritten ist bereits eine vollständige Wicklung 16 auf der Wickelscheibe 2 aufgebracht. Die weiteren Wickelschrif.c erfolgen entsprechend nach jeweils einem Winkel von 1801 -I- φ, wobei ebenfalls der L'ehlittenvorschub 14 auf jeweils die andere Seite der Wickeischeibe 2 wechselt. Um eine gleichmäßige Umwicklung der Wickelscheibe 2 zwischen allen Mitnehmern 7 zu erreichen, muß die Größe des Winkels
ψ so gewählt werden, daß der Quotient '* keine ganze
Zahl ist.
Wenn der Wickelkörper 1 mit den Fasersträngen 8 beidseitig ausreichend bewickelt isi, 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 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 la 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 voi Anschlußkräften in einen Wabenkern 22 Beispiele voi Krafteinleitungen, die bisher äußerst schwierig, mi Hilfe der Anschlußelemente 20 jedoch spannungs- unc werkstoffgerecht einwandfrei durchzuführen sind. Di» Wabenkerne 22 werden dabei entsprechend der Forn der Anschlußelemente 20 entweder eingedrückt ode ausgefräst und zweckmäßig mit Deckschichten 21 versehen, die entweder entsprechend F i g. 11 al; Abschlußbleche dienen oder entsprechend Fig. 11 zwischen den Anschlußelementen 20 und dem Waben kern 22 angeordnet sind. Die Buchsen 4 und 5 sind ir beiden Fällen noch mit einer inneren Buchse 2' ausgestattet. Die Deckschichten 23 können aus jederr beliebigen Material, vorzugsweise aus Kunststoff mi oder ohne Faserverstärkung ausgeführt sein.
Die Fig. 13 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei dei die Anschlußelemente 20 zur Einleitung von Kräften ir ein Bauteil 25 aus faserverstärktem Kunststoff oder au; Verbundwerkstoff dienen. So oder in ähnlicher Weis« könnte die Lagerung eines Anschlußpunktes für eir hochbelastbares Leichtbauteil im Luft- oder Raumfahr· zeugbau, z. B. für eine Steuerfläche, ausgeführt sein.
Entsprechend der Fig. 14 besteht die Möglichkeit mit Hilfe nur eines Anschlußelementes 20 Lagerkräftf in ein sehr dünnwandiges Bauteil, z. B. eine Gehäuse wandung 26 einzuleiten. Diese Ausführungsform zeigi besonders gut die flächenhafte Verteilung der Kräfte von der Anschlußbuchse 4 über das Anschlußelement 2£ auf die Gehäusewandung 26.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

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