DE4312343A1

DE4312343A1 - Überlastabsorber in Faserverbundbauweise

Info

Publication number: DE4312343A1
Application number: DE19934312343
Authority: DE
Inventors: Johannes Frese; Ulrich Ramm; Peter Seitz
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1993-04-15
Filing date: 1993-04-15
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2013-04-16
Also published as: DE4312343C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überlastabsorber in Faserver bundbauweise nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Während Überlastabsorber in Metallbauweise, wie sie etwa bei Kraft fahrzeugen als Knautschzonen oder bei Hubschraubern zur Crashlast begrenzung zwischen Landewerk und Tragstruktur bekannt sind, auf der Grundlage einer plastischen Materialverformung arbeiten, beruhen Überlastabsorber in Faserverbundbauweise, die materialbedingt über ein allenfalls sehr geringes plastisches Verhalten verfügen, auf dem Prinzip einer energieverzehrenden Materialzerstörung der Faserver bundstruktur. So wird bei einem bekannten Überlastabsorber der ein gangs genannten Art für eine Hubschrauber-Unterstruktur, der aus einem wellenförmig ausgesteiften, zwischen einem Lasteinleitungsbal ken und einem Grundkörper angeordneten Faserverbundsteg besteht, der Steg unter Auflösung seiner Faserstruktur zerquetscht, wenn die Ver sagenslast des Faserverbundstegs überschritten wird. Ein derartiger Faserverbundabsorber besitzt jedoch eine hohe Empfindlichkeit gegen Abweichungen der Last- von der Steglängsrichtung und dabei eine re lativ niedrige spezifische Energieaufnahme. Problematisch ist aber vor allem, daß das Kraft-Wegverhalten eines solchen Absorbers kon struktiv schwierig zu beeinflussen ist und es im Laufe des Versa gensweges zu störenden Rückfedereffekten und in der Endphase zu ei ner vollständigen Desintegration der Absorberstruktur kommen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Faserverbund-Überlastabsorber der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich auf baulich ein fache, faserverbundgerechte Weise ein in weiten Grenzen beliebig vorgewählter Kraft-Wegverlauf erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Überlastabsorber gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Überlastabsorber wird aufgrund der bean spruchten, randseitigen Faserbindung und der Anordnung des Faser verbundstegs in einer auf ein der Steglänge entsprechendes Übermaß erweiterten Aussparung des Grundkörpers sichergestellt, daß die Faserstruktur im Überlastfall infolge eines fortschreitenden Schub versagens des Steglaminats kontinuierlich im wesentlichen über die gesamte Steglänge aufreißt. Hieraus ergibt sich an jeder Stelle des Crashweges eine eindeutige, ortsgleiche Verknüpfung zwischen der örtlichen Laminatstärke des Faserverbundstegs und dem an dieser Stelle erzielten Bruchlastwert, so daß sich die Dämpfungscharakte ristik des Überlastabsorbers auf konstruktiv einfache Weise, nämlich durch entsprechende Dimensionierung des Faserverbundstegs in Steg längsrichtung, breitbandig variabel auf einen irgend erwünschten Verlauf auslegen läßt, mit dem zusätzlichen Effekt, daß das Lastein leitungselement unabhängig vom Faserverbundsteg in der Aussparung geführt und auch nach Zerstörung des Steglaminats am Grundkörper lastübertragend gesichert bleibt, wodurch ein vorzeitiges Versagen des Faserverbundstegs infolge abweichend von der Steglängsrichtung einwirkender Lastkomponenten sowie eine Desintegration der aus Grundkörper und Lasteinleitungselement bestehenden Baueinheit wirk sam vermieden werden.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Last einleitungselement gemäß Anspruch 2 an den stegseitigen Längsrändern der Aussparung reibschlüssig geführt. Durch entsprechende Wahl des Reibschlusses läßt sich das Kraft-Wegverhalten des Überlastabsorbers ebenfalls auf konstruktiv sehr einfache Weise beeinflussen und eine energieumwandelnde Wirkung auch während der Rückfederphase gewähr leisten. Gemäß Anspruch 3 wird der Reibschluß in baulich zweckmäßi ger Weise dadurch erreicht, daß die Aussparung an den stegseitigen Längsrändern zumindest stellenweise schmaler als das Lasteinlei tungselement ausgebildet ist, wobei die Aussparung im Bereich der stegseitigen Längsränder nach Anspruch 4 vorzugsweise eine rippen förmig verengte Querschnittskontur besitzt, so daß das vom Lastein leitungselement verdrängte Steglaminat in die Ausbuchtungen zwischen die rippenförmigen Verengungen der Aussparung ausweichen kann, ohne die reibschlüssige Führung zu blockieren und dadurch die Crashlast begrenzung zu beeinträchtigen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Last einleitungselement gemäß Anspruch 5 an den stegseitigen Längsrändern der Aussparung kippsicher geführt und/oder nach Anspruch 6 mit einem allseitig winkelbeweglich gelagerten Anschlußteil versehen. Hier durch werden andere als in Steglängsrichtung wirksame Belastungen vom Faserverbundsteg ferngehalten und die Lastrichtungstoleranz des Überlastabsorbers verbessert.

Im Hinblick auf eine herstellungsmäßig einfache Bauweise sind der Grundkörper und der Steg in besonders bevorzugter Weise gemäß An spruch 7 als integrale Faserverbundstruktur mit einer im Stegbereich verringerten Wandstärke ausgebildet. Aus Gründen einer hochwertigen Schubanbindung besitzen die sich in den Grundkörper erstreckenden Faserlagen des Stegs gemäß Anspruch 8 vorzugsweise eine sich bezüg lich der Steg-Längsrichtung unter ±45° kreuzende Faserorientierung. Zusätzlich enthält der Steg zur Erhöhung des Lastwiderstandes zweck mäßigerweise nach Anspruch 9 undirektional in Steglängsrichtung ver laufende Faserlagen. Als Fasermaterial werden nach Anspruch 10 vor zugsweise Glas- und/oder Carbonfasern gewählt, die ein sehr günsti ges, sprödes Versagensverhalten besitzen.

Eine herstellungs- und funktionsmäßig besonders bevorzugte Ausfüh rungsform der Erfindung besteht nach Anspruch 11 schließlich darin, daß die Aussparung zur Aufnahme eines bolzen- oder buchsenförmigen Lasteinleitungselements nach Art eines in Lastrichtung verlaufenden Langlochs mit einem den freien Langlochquerschnitt ausfüllenden Fa serverbund-Mittelsteg ausgebildet ist. Infolge des hierdurch er reichten Lochlaibungs- und Schubversagens des Faserverbundstegs las sen sich selbst so hohe Belastungsspitzen, wie sie etwa im Hub schrauberbau mit Crashgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10 m/s auftreten, wirksam abbauen und die resultierenden Strukturbe lastungen von etwa 60 g auf z. B. 20 g reduzieren.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Über lastabsorbers;

Fig. 2 die Aufsicht des Überlastabsorbers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung des Über lastabsorbers im Crashfall;

Fig. 4 einen Ausschnitt des Überlastabsorbers mit einer im Bereich der Aussparung modifizierten Querschnittskon figuration;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V der Fig. 4; und

Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Kraft-Weg-Cha rakteristik des Überlastabsorbers.

Der in den Figuren gezeigte Überlastabsorber ist im Lastübertragungs pfad z. B. zwischen einer Getriebestütze 2 und der Tragstruktur 4 ei nes Hubschraubers angeordnet und enthält einen plattenförmigen Grundkörper 6 aus Faserverbundwerkstoff sowie ein an diesem befe stigtes, buchsenförmiges Lasteinleitungselement 8, welches über ein nach Art eines Kugelgelenks ausgebildetes Anschlußteil 10 und einen Anschlußbolzen 12 mit der Getriebestütze 2 verbunden und in einer in Lastrichtung L auf Übermaß erweiterten, langlochförmigen Aussparung 14 des Grundkörpers 6 angeordnet ist. Das Lasteinleitungselement 8 ist mit den Grundkörper 6 formschlüssig übergreifenden Führungsflan schen 16 versehen und in Lastrichtung L durch einen Faserverbundsteg 18 in der Aussparung 14 lastübertragend abgestützt.

Der Steg 18, der eine gegenüber dem Grundkörper 6 verringerte Wand stärke besitzt, ist gemeinsam mit diesem als einstückige Faserver bundstruktur aus Glas- und/oder Carbonfaserlagen hergestellt. Von den mittleren, sich über den Steg 18 fortsetzenden Faserlagen 20 be sitzt die Mehrzahl eine sich bezüglich der Steglängsrichtung L unter ±45° kreuzende Faserorientierung und zwischen diese sind einige Fa serlagen mit einer in Steglängsrichtung L undirektionalen Faserrich tung eingelagert, während die äußeren, an der Aussparung 14 endenden Faserlagen 22 zum größten Teil eine in Steglängsrichtung L unidirek tionale Faserrichtung aufweisen und nur vergleichsweise wenige ±45°- Lagen enthalten, wie dies in den Fig. 4 und 5 durch die kreuzschraf fierten Faserbereiche angedeutet ist. Wesentlich ist, daß die ±45°- Steglagen 20 zumindest an den in Steglängsrichtung L verlaufenden Stegrändern 24 in die angrenzenden Randbereiche des Grundkörpers 6 hineinreichen, um eine gute Schubkraftanbindung zwischen den Steg- Längsrändern 24 und dem Grundkörper 6 zu gewährleisten.

Der Faserverbundsteg 18, der nur den in Steglängsrichtung L zwischen den an den Absorber angeschlossenen Strukturen 2, 4 wirkenden Bela stungen ausgesetzt ist, während anders gerichtete Lastkomponenten unmittelbar vom Lasteinleitungselement 8 an den Grundkörper 6 über tragen werden, ist so ausgelegt, daß er unter der Wirkung der vom Lasteinleitungselement 8 ausgeübten Lochlaibungskräfte und Schubbe lastungen unter fortschreitender Zerstörung seiner Faserbindung ver sagt, wenn die einwirkende Belastung einen kritischen Grenzwert überschreitet. Dabei wandert das Lasteinleitungselement 8, geführt und gestützt durch die endseitigen Flansche 16, in der Aussparung 14 nach unten. Durch die mit der Zerstörung des Faserverbundstegs 18 verbundene Energieumwandlung werden die angrenzenden Strukturen 2, 4 vor Belastungsspitzen geschützt.

Fig. 3 zeigt den Überlastabsorber beim Durchfahren der Lastbegren zungsstrecke. Dabei reißt die Faserbindung zwischen den Längsrändern 24 des Stegs 18 und den angrenzenden Randzonen des Grundkörpers 6 infolge des Lochlaibungs- und Schubversagens des Stegs 18 längs der Bruchlinie 26 fortschreitend auf, bis das Lasteinleitungselement 8 nach Durchwandern der Aussparung 14 am Grundkörper 6 auf Anschlag geht. Durch entsprechende Wahl des Faserverbundwerkstoffs, des La genaufbaus und der örtlichen Stegdicken werden die kritische Versa genslast und das Last-Weg-Verhalten des Überlastabsorbers auf eine erwünschte Kennlinie voreingestellt.

Gemäß einem weiteren wesentlichen Konstruktionsmerkmal besitzt die Aussparung 14 im Bereich der Stegränder 24 eine gegenüber dem Außen durchmesser des Lasteinleitungselements 8 verengte Querschnittskon tur. Durch eine solche Taillierung der Aussparung 14 wird ein Reib schluß zwischen den stegseitigen Längsrändern der Aussparung 14 und dem Lasteinleitungselement 8 im Crashlastfall erreicht. Auf diese Weise lassen sich die kritische Versagenslast und die Kraft-Weg-Cha rakteristik des Überlastabsorbers zusätzlich kontrolliert beeinflus sen und die energieumwandelnde Wirkung auch während der elastischen Rückfederphase wirksam aufrechterhalten. Gewünschtenfalls können die stegseitigen Längsränder der Aussparung 14 zur Erhöhung der Klemm kräfte durch metallische Einlagen verstärkt werden.

Im Unterschied zu der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 wird die Querschnittsverengung der Aussparung 14 gemäß den Fig. 4 und 5 durch eine rippenförmige Kontur der Steg-Längsränder 24 bewirkt. Infolge dessen kann vom Lasteinleitungselement 8 verdrängtes Stegmaterial in die ausgebuchteten Stellen 28 zwischen den rippenförmigen Verengun gen 30 der Aussparung 14 ausweichen, ohne die Klemmwirkung zwischen Lasteinleitungselement 8 und Längsrändern der Aussparung 14 zu bloc kieren. Im übrigen ist die Bau- und Funktionsweise der Ausführungs form nach den Fig. 4 und 5 die gleiche wie beim ersten Ausführungs beispiel.

Fig. 6 zeigt einen typischen Kraft-Wegverlauf des beschriebenen Überlastabsorbers. Wie ersichtlich, wird die kritische Versagenslast auf einer steilen Anstiegsflanke schon nach einer kurzen Wegstrecke erreicht und verbleibt dann während des größten Teils des Lastbe grenzungsweges auf einem weitgehend konstanten Niveau, um erst gegen Ende der Lastbegrenzungsstrecke, wenn sich das Lasteinleitungsele ment 8 dem Anschlag am unteren Begrenzungsrand der Aussparung 14 nä hert und das Energieabsorptionsvermögen des Überlastabsorbers ausge schöpft ist, wieder steil anzusteigen. Der Rückhub des Lasteinlei tungselements 8 in die Ausgangsstellung erfolgt auf einem weit nied rigeren, im wesentlichen durch die Klemmwirkung der verengten Längs ränder der Aussparung 14 bestimmten Kraftniveau. Durch den so er zielten Kraftverlauf mit einer über den Versagenshub stark ver gleichmäßigten Energieaufnahme werden die im Crashfall an den an grenzenden Strukturen 2, 4 auftretenden Belastungen deutlich redu ziert, wobei das Lasteinleitungselement 8 auch bei Überlast sicher am Grundkörper 6 geführt und mit diesem integral verbunden bleibt und dadurch verhindert wird, daß das Hubschraubergetriebe im Crash fall unkontrollierte Bewegungen ausführt oder sich gar von der Trag struktur 4 losreißt.

Claims

1. Überlastabsorber in Faserverbundbauweise, mit einem im Last übertragungspfad angeordneten Grundkörper, einem Lasteinlei tungselement und einem zwischen Lasteinleitungselement und Grundkörper wirkenden, bei Überlast energieverzehrend verform ten Faserverbund-Steg, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasteinleitungselement (8) in einer in Lastrichtung (L) auf Übermaß erweiterten Aussparung (14) des Grundkörpers (6) und der Faserverbundsteg (18) im erweiterten Teil der Aussparung lastübertragend angeordnet ist, und daß der Faserverbund-Steg zumindest an den in Lastrichtung verlaufenden Stegrändern (24) eine sich durchgehend in die angrenzenden Randbereiche des Grundkörpers erstreckende, im Überlastfall fortschreitend auf reißende Faserbindung aufweist.

2. Überlastabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasteinleitungselement (8) an den stegseitigen Längsrändern der Aussparung (14) reibschlüssig geführt ist.

3. Überlastabsorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (14) an den stegseitigen Längsrändern zumindest stellenweise schmaler als das Lasteinleitungselement (8) aus gebildet ist.

4. Überlastabsorber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (14) im Bereich der stegseitigen Längsränder eine rippenförmig verengte Querschnittskontur (28, 30) besitzt.

5. Überlastabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasteinleitungselement (8) an den stegseitigen Längsrändern der Aussparung (14) kippsicher geführt ist.

6. Überlastabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasteinleitungselement (8) mit einem allseitig winkelbeweg lich gelagerten Anschlußteil (10) versehen ist.

7. Überlastabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (6) und der Steg (18) als integrale Faserver bund-Struktur mit einer im Stegbereich verringerten Wandstärke ausgebildet sind.

8. Überlastabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in den Grundkörper (6) erstreckenden Faserlagen (20) des Stegs (18) eine sich bezüglich der Lastrichtung (L) unter ±45° kreuzende Faserorientierung besitzen.

9. Überlastabsorber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (18) zusätzlich unidirektional in Lastrichtung (L) verlaufende Faserlagen enthält.

10. Überlastabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (6) und der Steg (18) aus Glas- und/oder Car bonfaser-Verbundwerkstoff hergestellt sind.

11. Überlastabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (14) zur Aufnahme eines bolzen- oder buchsenför migen Lasteinleitungselements (8) nach Art eines in Lastrich tung (L) verlaufenden Langlochs mit einem den freien Langloch- Querschnitt ausfüllenden Faserverbund-Mittelsteg (18) ausge bildet ist.