DE3726909A1 - Quertriebskoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Quertriebskörper, wie einen Flügel, ein Leitwerk oder eine Steuerfläche nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-PS 35 15 323 ist ein Quertriebskörper mit Be­ plankungen und einer einteiligen Unterstruktur bekannt, die aus V-förmig zueinanderstehenden, gewellten Holmstegen und diese verbindenden Anschlußflanschen besteht. Die Unter­ struktur besteht aus einem integralen superplastisch ver­ formten Metallblech. Wegen der superplastischen Verformung sind einerseits die Dicke des Quertriebskörpers und ande­ rerseits die verschiedenen dicken Abstufungen der Unter­ struktur nur begrenzt herstellbar. Die symmetrische Well­ form ist infolge zu hoher Umformgrade bei diesem Verfahren nicht unter Einhaltung gezielter Dicken in Steg und Flansch zu fertigen.

Aus dem US-Flugzeug F-16C ist ein Höhenleitwerk mit einer V-Holm-Unterstruktur aus Metall und einer Beplankung aus CFK bekannt. Die Unterstruktur ist in V-Holm-Metall-Bau­ weise hergestellt. Diese Bauweise ist aufwendig und kostenintensiv. Bei dieser Bauweise sind die Auslegungs­ parameter durch die Fertigung sehr stark eingeschränkt (lokale Dickenunterschiede).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Quertriebskörper vorzu­ schlagen, der eine maximal mögliche Steifigkeit und Festig­ keit bei geringem Gewicht aufweist und beulstabil ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst von einem Quer­ triebskörper mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Ausfüh­ rungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen. Bevorzugte Herstellungsverfahren sind ebenfalls Gegenstände von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß lassen sich auch symmetrische Wellformen mit gezielten Dicken und nicht abwickelbare Formen herstellen.

Die erfindungsgemässe Verwendung von Faserverbundwerkstoffen für Unterstruktur und Beplankungen ergibt besonders homogene Quertriebskörper, die kaum Wärmespannungen aufweisen. Der schichtweise Aufbau aus Gelegen gibt eine große Freiheit in der Wahl der Materialstärken und der Abstufungen oder der Versteifungen. Die Verwendung des gleichen Materials in Unterstruktur und Beplankung erlaubt neben herkömmlichen Befestigungen mit Nieten, Bolzen oder durch Kleben auch ein Laminieren in einem Schuß (Cocuring-Verfahren), so dass ein extrem steifer, monolithischer Körper entsteht.

Die Wellform der Holmstege ergibt neben der Aussteifung gegen Instabilität im Schubsteg eine verbesserte Stütz­ wirkung durch die biege- und beulsteife Abstützung der Be­ plankung. Die Wellungen der Holmstege können zur Mittel­ linie der Anschlußflansche symmetrisch, antimetrisch oder asymmetrisch sein. Die Ausführung mit zur Holm-Flansch- Mittellinie symmetrisch angeordneten Wellen ergibt einen ausreichenden Freiraum zur Anordnung der Verbindungselemente (Nieten) und stützt die Deckhautfelder gegen Beulen ab. Zusätzlich trägt der Flansch mit.

Als Werkstoffe sind alle bekannten Faserverbundwerkstoffe einsetzbar.

Versuche zeigten die Eignung unidirektionaler Gelege. Bessere Ergebnisse wurden mit Geweben erzielt, die besten mit Kurzfasern.

Die erfindungsgemässe Verwendung von Faserverbundwerk­ stoffen ermöglicht lokale und/oder weitflächige Dicken­ änderungen, die der jeweiligen Beanspruchung ideal ange­ passt werden können. Statt eines durchgehend gleich dicken Bleches für die Unterstruktur kann die Unterstruktur jetzt bezüglich ihrer Steifigkeit und ihres Gewichts dahingehend optimiert werden, dass besonders belastete Stellen durch Überlappen von zwei oder mehr Gelegen besonders stabil gebaut werden, während weniger beanspruchte Stellen durch ein einfaches Gelege nur leicht ausgeführt sind.

Möglich ist die Anwendung unterschiedlicher Materialien unter Beachtung der Interaktion in den Verbindungsberei­ chen, zum Beispiel unter Beachtung der thermomechanischen und hygromechanischen Eigenschaften sowie der Festigkeiten und der Laminatsteifigkeiten. Vorteilhaft ist zum Beispiel die Kombination unidirektionale Gelege für die Deckhäute und Gewebe oder Kurzfasern für die Unterstruktur.

In Bereichen komplexer Spannungszustände, zum Beispiel im Flansch oder im Deckhautanschluß sind quasi-isotrope Ver­ bunde hochfester Fasern, in den Schubstegen und ungestör­ ten Deckhautbereichen den Steifigkeitsforderungen ent­ sprechend orthotrope Verbunde hochsteifer Fasern optimal. So kann im Schubsteg die Schubsteifigkeit durch einen hohen ± 45°-Lagen-Anteil erhöht werden. In der Deckhaut kann ein hoher 0°-Lagen-Anteil die Normalsteifigkeit erhöhen.

Die erfindungsgemässen Quertriebskörper können wegen ihrer Dichtheit auch direkt als Tanks verwendet werden. In diesem Fall sind Durchbrüche in den Holmstegen vorgesehen, durch die die Flüssigkeit fliessen kann.

Die Herstellung der erfindungsgemässen Quertriebskörper geschieht mit den bekannten und inzwischen ausgereiften Techniken des Laminierens von Prepregs oder des Naß-in- naß-Laminierens von Faser-Matrix-Verbundwerkstoffen in positiven Formen oder in geschlossenen Formen, die aus einer positiven und einer negativen Form bestehen. Die Vorgänge des Aushärtens im Autoklaven sind ebenfalls bekannt.

Die Erfindung wird anhand von drei Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemässen Quertriebskörper,

Fig. 2 erfindungsgemässe Anschlußflansche,

Fig. 3 Holmsteg-Anschlußflansch Gelegearten.

Fig. 1 zeigt oben einen Quertriebskörper im Querschnitt. Er besteht aus der einteiligen Unterstruktur 1, die aus V-förmig zueinanderstehenden, gewellten Holmstegen 4 und aus Anschlußflanschen 3 besteht. Die Unterstruktur 1 ist oben und unten von je einer Beplankung 2 abgedeckt. Die Beplankungen 2 sind an den Anschlußflanschen 3 mit der Unterstruktur 1 verbunden. Der erfindungsgemässe Aufbau eignet sich insbesondere für aerodynamisch dünne Profile. Wegen seines Aufbaues aus einzelnen Gelegen sind jedoch auch aerodynamisch dicke Profile ohne Schwierigkeiten her­ zustellen.

Fig. 1 zeigt in der Mitte eine Draufsicht auf die Unter­ struktur 1. Zu erkennen ist, dass die Wellung bezüglich der Mittellinie der Anschlußflansche 3 symmetrisch ist. Dies gibt einen breiten Raum zum Anbringen der Befesti­ gungen der Beplankungen und eine relativ grosse mittra­ gende Fläche.

Die Anschlußflansche 3 der Ober- und Unterseite sind in etwa zueinander parallel angeordnet und entsprechen der vorgesehenen Profilierung.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht drei Möglichkeiten von An­ schlußflanschen. Die obere Ausführung zeigt eine symme­ trische Wellenform, das heisst die Wellung ist bezüglich der Anschlußflansch-Mittellinie symmetrisch. Die mittlere Ausführung zeigt eine antimetrische, die untere Ausführung eine asymmetrische Wellenform.

Fig. 3 zeigt sieben verschiedene Holmsteg-Anschlußflansch- Gelegearten als Beispiele. Eine größere Anzahl an Gelegen oder weitere Kombinationen sind möglich.
Zeichnung A zeigt eine Unterstruktur mit homogener Dicke für Flansch und Stegbereich.
Zeichnung B zeigt eine Unterstruktur, bei der der obere An­ schlußflansch durch Übereinanderlegen zweier Gelege ver­ stärkt ist. Ebenso kann der untere Anschlußflansch ver­ stärkt sein.
Zeichnung C zeigt eine andere Möglichkeit der Verstärkung des Anschlußflansches durch Aneinanderstossen der beiden Holmsteg-Gelege und Auflaminieren zweier Verstärkungs- Gelege außen und innen.
Zeichnung D zeigt eine Ausführung mit gewinkelten Flansch­ gelegen und daran einschnittig befestigten Holmstegen. Diese Ausführung eignet sich besonders für tiefe Profile. Zeichnung E zeigt eine zur Zeichnung D ähnliche Ausführung, bei der die Holmsteg-Gelege zweigeteilt und somit zwei­ schnittig am Flansch angeschlossen sind.
Zeichnung F zeigt eine Ausführungsform mit besonders ver­ stärktem Anschlußflansch. Der Anschlußflansch ist hier aus zwei abgewinkelten Gelegen hergestellt, was eine zwei­ schnittige Schubverbindung Steg/Flansch ergibt.
Zeichnung G zeigt eine weitere Ausführung mit verstärktem Anschlußflansch, wobei dieser aus zwei ebenen Gelegen be­ steht, die die Enden der Holmsteg-Gelege umfassen und in ihrer Mitte ein schmales Versteifungsgelege enthalten.

Für die Wahl eines der Konzepte A-G ist neben statischen Gesichtspunkten (Festigkeit, Steifigkeit) der geforderte Umformgrad (Wellradius, Steg/Flanschwinkel) maßgebend. Bei höheren Umformgraden ist ein differenziertes Konzept (zum Beispiel D oder E) günstiger.

Claims (14)

1. Quertriebskörper, wie Flügel, Leitwerk oder Steuer­ fläche, mit Beplankungen (2) und einer einteiligen oder mehrteiligen Unterstruktur (1), die aus V-förmig zuein­ ander stehenden, gewellten Holmstegen (4) und diese ver­ bindenden Anschlußflanschen (3) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Beplankungen (2) und die Unterstruktur (1) aus Faserverbundwerkstoffen bestehen.

2. Quertriebskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die Wellung zur Mittellinie der Anschluß­ flansche (3) symmetrisch ist.

3. Quertriebskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die Wellung zur Mittellinie der Anschluß­ flansche (3) antimetrisch ist.

4. Quertriebskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wellung zur Mittellinie der Anschluß­ flansche nicht symmetrisch ist.

5. Quertriebskörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beplankungen (2) und die Unterstruktur (1) im Verbindungsbereich aus bezüglich ihrer elastomechanischen Eigenschaften gleichen oder ähnlichen Werkstoffen bestehen, bevor­ zugt aus Faser-Matrix-Verbundwerkstoffen.

6. Quertriebskörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beplankungen (2) und die Unterstruktur (1) durch Nieten, Bolzen, Schrauben, Kleben oder Auflaminieren (bevorzugt in einem Arbeitsgang) miteinander verbunden sind.

7. Quertriebskörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken und elastomechanischen Verbundeigenschaften der Anschluß­ flansche (3) den Dicken und Verbundeigenschaften der Beplankungen (2) je nach Lastniveau und/oder Verbin­ dungsart angepasst sind.

8. Quertriebskörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beplankungen (2) und/oder die Unterstruktur (1) unterschiedliche lokale Dicken aufweisen, die bevorzugt durch stellen­ weises Überlappen von zwei oder mehr Lagen des Aus­ gangsmaterials hergestellt sind.

9. Quertriebskörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beplankungen (2) und die Unterstruktur (1) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

10. Quertriebskörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Teilen der Gelege von Holmsteg (4) und Anschlußflansch (3) auch geometrisch nicht abwickelbare Formen als monolithische Struktur herstellbar sind.

11. Quertriebskörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch Durchbrüche in den Holm­ stegen (4).

12. Verfahren zur Herstellung einer Unterstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch ein Auflegen von Faser-Matrix- Verbundwerkstoffen in eine einseitig starre Form (Positiv).

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine negative Form verwendet wird, die flexibel, teilweise armiert oder starr sein kann.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Gelege aus dem Ausgangsmaterial zwei oder mehrfach überlappend angeordnet werden.