DE3438557C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein torsionselastisches, zugbelastbares biegesteifes Verbindungselement aus Faserverbundwerk­ stoff nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige, z. B. aus der W-PS 34 34 373 bekannte Verbindungselemente müssen neben einer im Hinblick auf die aus der Rotorblattrotation resultierende Zentrifugal­ kraft großen Zugfestigkeit in Längsrichtung des Verbin­ dungselementes auch eine hohe Biegesteifigkeit - zumeist in Schwenkrichtung der Rotoblätter - aufweisen und zu­ gleich bezüglich ihrer Längsachse torsionselastisch aus­ gebildet sein, um eine drehgelenkfreie Einstellwinkelbe­ wegung der Rotorblätter zu ermöglichen. Bei bekannten Faserverbundelementen dieser Art sind Torsionselastizität, Biegesteifigkeit und Zugbeanspruchung zwangsläufig in der Weise miteinander verknüpft, daß das für größere Drehwinkelausschläge benötigte Torsionsmoment nicht nur um so höher liegt, je größer die geforderte Biegesteifig­ keit ist, sondern zusätzlich bei stärkerer Zugbelastung nochmals weiter steil ansteigt, mit der Folge, daß zum Verdrillen derartiger Faserverbundelemente unter Last über größere Winkelbereiche extrem hohe Torsionsmomente erforderlich sind, also im geschilderten Anwendungsfall für die Blattwinkelverstellung ganz beträchtliche Steuer­ momente aufgebracht werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verbindungselement der angegebenen Art so auszugestalten, daß die torsionsver­ steifende Wirkung von Zuglast und Biegesteifigkeit in einfacher Weise wesentlich reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patent­ anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Verbindungselement verfügt aufgrund der besonderen Vorspannung und des Vorspannungsgradien­ ten zwischen den innenliegenden, torsionsachsnahen und den achsfernen Verstärkungsfasern im unbelasteten Zu­ stand über zwei stabile Torsionswinkelpositionen beid­ seitig der unverdrillten, neutralen Mittellage, wodurch der torsionsversteifende Einfluß der aus Gründen der Biegesteifigkeit benötigten, achsfernen Verstärkungsfa­ sern ganz erheblich verringert und somit mit einem rela­ tiv kleinen, äußeren Drehmoment große Torsionswinkelaus­ schläge erzielt werden können, mit der Besonderheit, daß durch diese Maßnahme auch die zugkraftabhängige Verstei­ fung des Verbindungselements wesentlich reduziert wird, da die achsfernen Verstärkungsfasern von der Zug­ kraftaufnahme weitgehend entlastet werden und dadurch ein bei größeren Torsionswinkeln steiler Anstieg des Torsi­ onsmoments vermieden wird. Insgesamt ist daher das erfin­ dungsgemäße Verbindungselement unter Last wesentlich drillweicher ausgebildet und eignet sich in hervorragen­ der Weise für den geschilderten Anwendungsfall, wo es trotz schwenk- und/oder schlagbiegesteifer Ausbildung sehr kleine, äußere Steuermomente für den gesamten Blatt­ winkelverstellbereich unter Zentrifugalkraftbelastung er­ forderlich macht.

Um die Zugspannungsentlastung der achsfernen Verstärkungs­ fasern unter Last zu unterstützen und dadurch das drill­ weiche Verhalten des Verbindungselements weiter zu ver­ bessern, haben die in Zugrichtung vorgespannten innen­ liegenden Verstärkungsfasern gemäß Anspruch 2 vorzugs­ weise einen höheren Elastizitätsmodul als die achsfernen, in Druckrichtung vorgespannten Verstärkungsfasern, wo­ durch ein über dem Querschnitt noch steiler abfallender Spannungsgradient unter Last erzielt und das für größere Winkelausschläge erforderliche Torsionsmoment weiter ver­ ringert wird. In diesem Fall werden gemäß Anspruch 3 zweckmäßigerweise Carbonfasern für die in Zugrichtung vorgespannten Verstärkungsfasern und Glasfasern für die in Druckrichtung vorgespannten verwendet.

Aus Gründen einer einfachen Bauweise ist das Verbindungs­ element vorzugsweise ein einstückiges Bauteil mit einem innenliegenden, in Zugrichtung vorgespannten Faserstrang und mindestens einem auf diesen auflaminierten, in Druck­ richtung vorgespannten, äußeren Faserstrang.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt in der einfachen Herstellung des in der beanspruchten Weise vorgespannten Faserverbundelements. Zu diesem Zweck sind vorzugsweise gemäß Anspruch 5 die innenliegenden, der Torsionsachse näheren Verstärkungsfasern während des Aus­ härtens der achsfernen Faserverbundzonen in Zugrichtung zwangsgedehnt, so daß nach dem Aushärten und Abkühlen des Faserverbundwerkstoffs eine Rest-Zugdehnung in den innenliegenden und eine entsprechende Druckvorspannung in den achsfernen Verstärkungsfasern verbleibt. Wahlwei­ se oder zusätzlich läßt sich gemäß Anspruch 6 die erziel­ te Vorspannung auch durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der torsionsachsnahen und der achs­ fernen Verstärkungsfasern beeinflussen. Zweckmäßigerweise werden gemäß Anspruch 7 beide Maßnahmen, also die Zwangs­ dehnung einerseits und die Verwendung von Verstärkungs­ fasern mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizien­ ten andererseits in der Weise miteinander kombiniert, daß die Zwangsdehnung der achsnahen Verstärkungsfasern größer als die (positive oder negative) Differenz der bei der Warmhärtung erzielten Längenzuwachsraten der achs­ fernen und der achsnahen Verstärkungsfasern bemessen ist.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung er­ folgt die Zwangsdehnung der torsionsnahen Verstär­ kungsfasern gemäß Anspruch 8 durch die den Faserverbund­ werkstoff beim Aushärten aufnehmende Laminierform, und zwar gemäß Anspruch 9 in besonders einfacher Weise da­ durch, daß die Laminierform einen höheren Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten als die achsnahen und die achsfernen Verstärkungsfasern aufweist und mit die achsnahen Ver­ stärkungsfasern endseitig festklemmenden Halterungen ver­ sehen ist, so daß das innenliegende Faserbündel vor Be­ ginn der Warmhärtung des Faserverbundwerkstoffs nur straff, aber ohne Zugspannung an den Halterungen der La­ minierform befestigt werden muß und sich nach dem Aushär­ ten und Abkühlen des Verbindungselements die gewünschte Vorspannung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten selbsttätig einstellt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbei­ spiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine stark schematisierte, perspektivische Teil­ ansicht eines Verbindungselements; und

Fig. 2 die Aufsicht des Verbindungselements mit zuge­ höriger Laminierform in ebenfalls stark schema­ tisierter Darstellung.

Das in Fig. 1 gezeigte Verbindungselement 2, das zum ge­ lenkfreien Blattanschluß eines Hubschrauber-Heckrotors dient, ist von rechteckigem Querschnitt und besteht aus einem zentralen, in Längsrichtung des Verbindungselements im Bereich der Torsionsachse Z angeordneten Faserverbund­ strang 4, der als Verstärkungsfasern unidirektional in Längsrichtung des Verbindungselements 2 verlaufende Car­ bonfasern enthält, sowie zwei seitlich an diesen anlami­ nierten, torsionsachsfernen Faserverbundsträngen 6.1 und 6.2, deren ebenfalls unidirektional in Längsrichtung des Verbindungselements 2 verlaufende Verstärkungsfasern aus Glasfasern bestehen. Umschlossen sind die Faserver­ bundstränge 4 und 6 von einer dünnwandigen Faserverbund- Deckhaut 8 mit schräg zur Längsachse Z verlaufender, sich kreuzender Faserorientierung, wie dies in Fig. 1 (und 2) durch entsprechende Schraffuren angedeutet ist.

Im Betrieb ist das Verbindungselement 2 einer definierten, hohen Zugbeanspruchung in Längsrichtung Z, nämlich der aus dem Blattumlauf bei Nenndrehzahl resultierenden Zentrifu­ galkraft, ausgesetzt, wobei die achsfernen Glasfaser­ stränge 6.1 und 6.2 dazu erforderlich sind, dem Verbin­ dungselement 2 eine vorgegebene, hohe Biegesteifigkeit z. B. in Schwenkrichtung X der Rotorblätter, also gemäß Fig. 1 um die Y-Achse, zu verleihen.

Gleichzeitig muß das Verbindungselement 2 unter Last mit einem möglichst kleinen äußeren Torsionsmoment über einen großen Torsionswinkelbereich beidseitig der gezeigten, unverdrillten Mittellage verdreht werden können, um die erforderlichen Blattwinkelverstellbewegungen mit geringen äußeren Steuermomenten auf gelenkfreie Weise zu ermögli­ chen. Bei dem gezeigten Verbindungselement 2 wird nun der torsionsversteifende Einfluß der achsfernen Faserverbund­ stränge 6.1 und 6.2 dadurch deutlich reduziert, daß die­ se im unbelasteten Zustand des Verbindungselements in Druckrichtung und dementsprechend der integral damit ver­ bundene, innenliegende Faserverbundstrang 4 in Zugrich­ tung längs der Achse Z vorgespannt sind. Durch entspre­ chende Wahl dieser Vorspannung läßt sich der aus der Zug­ last resultierende Anstieg des einer Torsion entgegenwir­ kenden Rückstellmoments des Verbindungselements 2 sogar soweit reduzieren, daß sich das Verbindungselement 2 über den gesamten Blattwinkelverstellbereich unter Zug­ last nahezu ebenso drillweich wie ein nicht-zugbelaste­ tes, gleichartiges Verbindungselement ohne Vorspannung verhält. Diese das Rückstellmoment unter Zuglast ver­ ringernde Wirkung der Druckvorspannung in den torsions­ achsfernen Querschnittszonen des Verbindungselements 2 wird noch dadurch verstärkt, daß die achsfernen Faser­ stränge 6.1 und 6.2, da sie durch Glasfasern verstärkt sind, einen niedrigeren Elastizitätsmodul als der achs­ nahe, durch Carbonfasern verstärkte Faserverbundstrang 4 aufweisen.

Das Aufbringen der Vorspannung erfolgt durch eine Zwangs­ dehnung des innenliegenden Faserstrangs 4 beim Warmhär­ ten des Faserverbundelements 2 unter Berücksichtigung der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizien­ ten von Carbonfasern (α etwa Null) und Glasfasern (α etwa 10 · 10^-6/°C. Gemäß Fig. 2 wird die Zwangsdehnung des Faserstrangs 4 durch die zum Aushärten des Verbindungs­ elements 2 verwendete Laminierform 10 in der Weise be­ wirkt, daß die Laminierform 10 einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Faserverbundstränge 4 und 6.1, 6.2 hat, also etwa aus Aluminium (α = 23 · 10^-6/ °C) besteht, und mit Halterungen 12 in Form von Befesti­ gungsbolzen versehen ist, um die der innere Faserstrang 4 als geschlossene Doppelschlaufe vor der Warmhärtung des Faserverbundwerkstoffs straff, aber zunächst noch ohne zwangsweise Zugdehnung herumgelegt wird, woraufhin die Faserverbundstränge 6.1 und 6.2 im ungehärteten Zustand und ohne endseitige Verankerung an der Laminierform 10 in diese eingelegt werden. Wird die Form 10 zum Aushär­ ten des Faserverbundwerkstoffs aufgeheizt, so erfährt der Faserstrang 4 aufgrund seiner endseitigen Veranke­ rung an den Halterungen 12 eine von der Warmhärttempera­ tur abhängige, zwangsweise Zugdehnung, die größer ist als die ebenfalls von der Warmhärttemperatur abhängige Längenzuwachsrate der sich in der Form 10 spannungsfrei ausdehnenden Glasfaserstränge 6.1 und 6.2. Nach dem Aus­ härten sind die Faserverbundstränge 4, 6.1 und 6.2 ein­ schließlich der Deckhaut 8 zu einem integralen Bauteil miteinander verbunden, und nach dem Abkühlen und Entfor­ men verbleibt der Faserstrang 4 im fertigen Verbindungs­ element 2 unter einer Vorspannung in Zugrichtung, die durch eine entsprechende, entgegengesetzt, also in Druck­ richtung, wirkende Vorspannung in den Fasersträngen 6.1 und 6.2 ausgeglichen wird.

Die Größe dieser Vorspannung läßt sich sehr einfach vor­ ausberechnen und durch geeignete Wahl unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Form 10 einerseits und die Faserstränge 4 und 6 andererseits sowie in Ab­ hängigkeit von der in gewissen Grenzen variablen Warm­ härttemperatur des Faserverbundwerkstoffs exakt auf einen erwünschten Wert festlegen, wobei allgemein gilt, daß die Vorspannung um so größer ist, je weiter die gemeinsam aus Zwangsdehnung und thermischer Ausdehnung bei Warm­ härttemperatur erzielte Längenzuwachsrate des inneren Faserstrangs 4 über der sich bei der Warmhärttemperatur ergebenden Längenzuwachsrate der äußeren Faserstränge 6.1, 6.2 liegt. Nach dem Entformen des Verbindungselements 2 können die schlaufenförmigen Endabschnitte des inneren Faserstrangs 4 entweder abgetrennt oder - evtl. gemein­ sam mit entsprechenden, an den äußeren Fasersträngen 6.1 und 6.2 angeformten Endschlaufen (nicht gezeigt) - zur Befestigung des Verbindungselements 2 zwischen Rotornabe und Rotorblatt benutzt werden.

Claims (9)

1. Torsionselastisches, zugbelastbares biegesteifes Verbindungsele­ ment aus Faserverbundwerk­ stoff, zum gelenkfreien Anschluß von Hubschrauber-Rotorblättern an die Rotornabe, mit unidirektional in Längsrichtung des Verbin­ dungselements verlaufenden Verstärkungsfasern, dadurch gekennzeichnet, daß zur drehweichen Ausbildung des Verbindungselements (2) die der Torsionsachse (Z) näherliegenden Verstärkungsfasern (4) im unbelaste­ ten Zustand des Verbindungselements (2) in Zug- und die torsionsachsferneren Verstärkungsfasern (6.1, 6.2) in Druckrichtung vorgespannt sind.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in Zugrichtung vorge­ spannten Verstärkungsfasern (4) einen höheren Elastizi­ tätsmodul als die in Druckrichtung vorgespannten haben.

3. Verbindungselement nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in Zugrichtung vorge­ spannten Verstärkungsfasern (4) Carbonfasern und die in Druckrichtung vorgespannten (6.1, 6.2) Glasfasern sind.

4. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (2) als einstückiges Bauteil mit einem innenliegenden, in Zugrichtung vorgespannten Faserstrang (4) und mindestens einem auf diesen auflaminierten, in Druckrichtung vorgespannten äußeren Faserstrang (6) aus­ gebildet ist.

5. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen der Vorspannung die torsionsachsnäheren Ver­ stärkungsfasern (4) während des Aushärtens des Faserver­ bundwerkstoffs in Zugrichtung zwangsgedehnt sind.

6. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für Verstärkungsfasern mit jeweils unterschiedlichen Wärme­ ausdehnungskoeffizienten die Größe der erzielten Vorspan­ nung in Abhängigkeit von der Differenz der bei der Warm­ härttemperatur des Faserverbundwerkstoffs erreichten Län­ genzuwachsraten der torsionsachsferneren und der torsions­ achsnäheren Verstärkungsfasern (4 bzw. 6) eingestellt ist.

7. Verbindungselement nach den Ansprüchen 5 und 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zwangsdeh­ nung der torsionsachsnäheren Verstärkungsfasern (4) grös­ ser als die Differenz der Längenzuwachsraten der torsions­ achsferneren (6) und der torsionsnäheren Verstärkungs­ fasern (4) ist.

8. Verbindungselement nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die torsionsachsnähe­ ren Verstärkungsfasern (4) durch die den Faserverbund­ werkstoff beim Aushärten aufnehmende Laminierform (10) zwangsgedehnt sind.

9. Verbindungselement nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laminierform (10) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Verstär­ kungsfasern (4 und 6) aufweist und mit die torsions­ achsnäheren Verstärkungsfasern (4) vor Beginn der Warm­ härtung endseitig festklemmenden Halterungen (12) ver­ sehen ist.