DE4329744C1 - Flügel mit Flügelschalen aus Faserverbundwerkstoffen, insbesondere CFK, für Luftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Flügel mit Flügelschalen aus Faser­ verbundwerkstoffen, insbesondere CFK, für Luftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Im modernen Flugzeugbau geht die Tendenz dahin, in immer größerem Umfang Schalenbauteile aus CFK einzusetzen. Solche Schalenbauteile bestehen im allgemeinen aus der Flügelhaut und damit verbundenen Stringern. Längskräfte werden dabei im allgemeinen sowohl durch die Haut als auch durch die Stringer übertragen. Bei hochbelaste­ ten Flügelschalen müssen aufgrund der hohen Kräfte sehr große Wandstärken für Flügelhaut und Stringer verwendet werden. Eine Verklebung dickwandiger Bauelemente führt zu Problemen, die die Schadenstoleranz der Schale betreffen, und zwar insbesondere das partielle Ablösen einzelner Stringer von der Flügelhaut infolge von Stoßbelastungen (Impact-Belastungen) als auch auf das an­ schließende Weiterreißen an einer abgelösten Stelle. Solche Haut- Stringerverbindungen werden im allgemeinen zusätzlich zur Klebver­ bindung durch Niete gesichert.

Ein weiteres Problem besteht in der Einleitung der Längskräfte in die Flügelschale. Hierfür werden auch bei Flügelbauteilen aus Fa­ serverbundwerkstoffen Verbindungstechniken verwendet, die weit­ gehend der Metallbauweise entlehnt sind. In der Metallbauweise bewährte Verbindungstechniken sind aber bei Konstruktionen aus Faserverbundwerkstoffen vielfach nicht "fasergerecht", d. h. sie sind den besonderen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe nicht angepaßt und müssen daher notwendigerweise zu Kompromissen bei der Konstruktionsgestaltung führen. Sie sind darüber hinaus im allge­ meinen arbeitsaufwendig.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Flügel der gat­ tungsgemäßen Art in einer Weise auszugestalten, die den Eigen­ schaften von Faserverbundwerkstoffen in weitergehendem Maße ge­ recht wird als bekannte Konstruktionen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einem Flügel gemäß der Erfindung nimmt die Flügelhaut, die vergleichsweise dünn ausgebildet sein kann, die Schubkräfte aus dem Flügeltorsionsmoment auf, während die auftretenden Längskräfte durch die mit der Flügelhaut verklebten Stäbe geleitet werden. Es erfolgt also eine Funktionstrennung dergestalt, daß nahezu alle Schubkräfte durch die Haut und nahezu alle Längskräfte durch die Stäbe übertragen werden. Über die Stringer ist eine nahezu voll­ flächige Versteifung der Flügelhaut, insbesondere im Bereich des Holmkastens, erreicht.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im Nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrie­ ben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Tragflügels;

Fig. 2 eine Ausgestaltung der Stringer und ihre Verbindung mit der Flügelhaut;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Stringer und ihrer Ver­ bindung mit der Flügelhaut sowie die Verbindung der Stringer mit sich in Profilrichtung erstreckenden Rip­ pen;

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 2;

Fig. 6 in größerem Maßstab einen Schnitt durch ein Anschlußende eines Stabes;

Fig. 7 einen Schnitt durch ein Verbindungselement.

Der in Fig. 1 dargestellte Tragflügel 2 weist einen Flügelholm­ kasten 4 sowie eine obere Flügelschale 6 und eine untere Flügel­ schale 8 auf. Die beiden Flügelschalen sind mit Stringern 10 ver­ sehen, von denen wenigstens eine Anzahl sich vom rumpfseitigen Flügelende 12 bis zur Flügelspitze 14 erstreckt. Die Stringer 10 sind als rohrförmige Stäbe aus Faserverbundwerkstoff ausgebildet, von denen auch eine Mehrzahl zusammengefaßt sein kann, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt und weiter unten noch im einzelnen be­ schrieben wird. Die Stringer liegen bei dem Ausführungsbeispiel in Profilrichtung in einem Abstand voneinander, der als eng benach­ bart bezeichnet werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der Holmkasten in üblicher Weise in Draufsicht trapezförmig ausgebildet. Die in Profilrich­ tung vorn angeordneten Stäbe erstrecken sich dabei jeweils bis zur vorderen Wand des Holmkastens, wie durch die runden Kreise 16 in diesem Bereich angedeutet. In Profilrichtung sind Rippen 18 ange­ ordnet, über die die beiden Flügelschalen im Abstand voneinander miteinander verbunden und gegeneinander versteift sind.

Die die Stringer 10 bildenden Stäbe sind am rumpfseitigen Ende des Flügels 2 mit Anschlußelementen versehen, wie sie weiter unten unter Bezug auf Fig. 4-7 näher zu beschreiben sind.

Die Flügelhaut 9 besteht vorzugsweise aus einem Kohlenstoffaser­ verbundwerkstoff CFK. Die C-Faserlagen sind mit einer ± 45°- Orientierung angeordnet zur optimalen Übertragung des Flügeltor­ sionsmomentes, dessen Schubkräfte die Flügelhaut aufnimmt.

Die die Stringer bildenden CFK-Stäbe 10 sind mit der Flügelhaut 9 verklebt. Durch sie werden nahezu alle Längskräfte übertragen. Gleichzeitig wird durch die Stäbe eine Versteifung der Haut er­ reicht. Die Zahl der als Stringer oder in den Stringern einge­ setzten Stäbe und damit auch deren Abstand richtet sich nach den zu überwindenden Längskräften. Die Stäbe können dabei einschichtig - Fig. 2 - oder auch zweischichtig - Fig. 3 - angeordnet sein, wenn eine Schicht eng benachbarter Stäbe für die Kraftübertragung nicht ausreicht.

Um die die Stringer bildenden Stäbe - im nachstehenden kurz Stäbe genannt - untereinander, aber auch mit der Flügelhaut besser ver­ binden zu können, werden die Stäbe in Diagonallagen aus C-Fasern, wie Tape-Wicklungen oder C-Faserschlauchgewebe 20, 22, jeweils zu zweien (Fig. 2) oder dreien (Fig. 3) zu Packungen oder Bündeln 24, 26 zusammengefaßt, in denen die Stäbe parallel zueinander angeord­ net sind. Die zwischen den runden Stäben 10 und deren Umhüllung 20, 22 entstehenden Zwickelbereiche 28, 30 werden mit einer leich­ ten, druckfesten Füllmasse ausgefüllt. Eine solche Füllmasse kann Mikrohohlkugeln enthalten, die in einem aushärtbaren Kunstharz eingebettet sind. Diese Mikrohohlkugeln können aus Glas oder Kunststoff bestehen. Durch die Füllmasse in den Zwickelbereichen und durch die Bündelung der Stäbe mit Hilfe von Diagonallagen werden die Stäbe allseitig gestützt, so daß insgesamt eine hohe Druckbelastbarkeit erreicht wird. Die Belastbarkeit der Schale wird durch die Anzahl der Stäbe und deren tragende Querschnitts­ flächen eingestellt.

Am rumpfseitigen Flügelende sind die Stäbe mit Krafteinleitungen versehen, wie sie in den Fig. 5-7 dargestellt sind.

Die Stäbe 10 haben, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, eine rohr­ förmige Wandung 52 aus CFK mit wenigstens einer Lage aus achs­ parallelen, unidirektionalen Fasern und einem darüber liegenden Gewebeschlauch mit sich unter einem Winkel zur Achse des Stabes kreuzenden Fasern und einen formstabilen Kern 54 aus einem Schaum­ stoff. Die Stäbe sind an ihrem rumpfseitigen Ende mit einem rota­ tionssymmetrischen Anschlußelement 56 zum axialen Einleiten von Zug- und/oder Druckkräften versehen, das mit einem koaxialen An­ schlußgewinde 58 versehen ist. Dieses Anschlußelement hat, wie in Fig. 7 dargestellt, vorzugsweise einen sich zum Anschlußende 60 hin verjüngenden konischen Abschnitt 62, und das gegenüberliegende En­ de 64 anschließend einen zylindrischen Abschnitt 66. Zwischen die­ sen beiden Abschnitten kann ein gekrümmter Übergangsbereich 68 vorgesehen sein. Zur Gewichtsreduzierung ist das Anschlußelement 56 soweit wie möglich mit einer vom Ende 64 ausgehenden Ausnehmung versehen.

Die rohrförmige Wandung 52 liegt mit den unidirektionalen Fasern auf den Abschnitten 66, 68 und 62 des Anschlußelementes 56 auf, und der Gewebeschlauch ist im Bereich des Übergangs 68 und des ko­ nischen Abschnittes 62 zur Anpassung an den Konusspitzenwinkel 2α gestreckt.

Die Stirnseite 70 der rohrförmigen Wandung 52 steht mit einem Überstand d über das Ende 60 des Anschlußelementes 56 vor. Auf das Ende der rohrförmigen Wandung ist eine Druckscheibe 72 aufgesetzt, die mit einem ringförmigen Kragen 74 die rohrförmige Wandung über eine begrenzte Länge übergreift. Diese Druckscheibe 72 dient zur Übertragung von Druckkräften in die rohrförmige Wandung und gleichzeitig als Anlage für eine Umfangswicklung 76, die sich über die Länge des Anschlußelementes 56 und vorzugsweise auch darüber hinaus über einen begrenzten Abschnitt der rohrförmigen Wandung des Stabes 10 erstreckt. Diese Wicklung besteht aus hochfesten Fasern in einer Kunstharzmatrix.

Der Konusspitzenwinkel 2α ist so gewählt, daß durch Aufbringen einer entsprechenden Vorspannung in der Umfangswicklung das An­ schlußelement selbsthemmend, also hysteresefrei, in dem konischen Endabschnitt der rohrförmigen Wandung des Stabes gehalten wird. Der Konusspitzenwinkel 2α soll aber nicht zu klein gewählt werden, um eine Überlastung der Umfangswicklung zu vermeiden. Ein geeigne­ ter Konusspitzenwinkel 2α liegt zwischen 8° und 10°.

Zum Vorspannen kann eine Spannschraube in das Anschlußelement ein­ geschraubt werden, mit der über die Druckscheibe 72 die Reaktions­ kraft der über die Spannschraube auf das Anschlußelement ausgeüb­ ten Zugkraft als Druckkraft auf die Stirnseite 70 der rohrförmigen Wandung des Stabes ausgeübt werden. Die Zugkraft sollte um einen vorgegebenen Betrag die maximal zu übertragende Zugkraft überstei­ gen. Unter dieser Vorspannung verkleinert sich der Überstand d und durch den gewählten Konusspitzenwinkel 2α wird eine Selbsthemmung sichergestellt, so daß über das Anschlußelement ohne Verlagerung dieses Anschlußelementes in der rohrförmigen Wandung des Stabes, also hysteresefrei die für den Betrieb errechneten Druck- und/oder Zugkräfte übertragbar sind.

Für die Übertragung der Zug- und Druckkräfte steht an jedem Punkt über die Länge der rohrförmigen Wandung des Stabes der volle Querschnitt der achsparallelen Fasern zur Verfügung, die stirnsei­ tig an der Druckscheibe anliegen. Die Ausbildung der Stäbe mit dem beschriebenen Druckelement ist mit weiteren Einzelheiten in der DE-OS 41 35 695 beschrieben.

Die dem rumpfseitigen Ende des Flügels gegenüberliegenden Enden der Stäbe können mit oder ohne Anschlußelemente ausgebildet sein.

Wie im Schnitt in Fig. 5 dargestellt, liegen die einzelnen Stäbe 10, die jeweils paarweise in der oben beschriebenen Weise zu Bün­ deln 20 zusammengefaßt sind, mit den Stirnseiten der Anschlußele­ mente in einer Ebene. Bei der Montage wird auf die Innenseite der vorgeformten Flügelhaut ein Kleber aufgetragen. Die Stäbe werden stirnseitig zur Anlage an einer Anschlußschablone 32 mit einem der Lage der Stäbe in der Flügelschale entsprechenden Bohrungsmuster 30 gebracht, mit der sie verschraubt werden. Die Stäbe werden dann in Anlage an der Innenseite der Flügelhaut mit der Flügelhaut ver­ klebt. Diese Verklebung kann nacheinander erfolgen, wobei dann je­ weils Zwickel 36, die sich an der Innenseite der Flügelhaut zwi­ schen den Stäben oder den Stabbündeln bilden, wiederum mit einer Füllmasse gefüllt werden.

Nach dem Aushärten des Klebers wird die Montageschablone abgenom­ men. Die rumpfseitige Stirnfläche der Anschlußelemente wird nach der Fertigmontage der Tragflügel eben gefräst. Die Befestigung des Tragflügels am Rumpf erfolgt dann über ein rumpfseitiges Anschluß­ element, durch das hindurch die hochfesten Befestigungsschrauben in die Anschlußelemente der einzelnen Stäbe eingeschraubt werden. Damit ist jeder der die Stringer bildenden Stäbe unmittelbar an den Rumpf angeschlossen.

Es können wenigstens bei einer Anzahl der Stäbe Anschlußelemente auch an dem gegenüberliegenden Stabende vorgesehen werden. Damit können dann Stäbe auch an einer hochbeanspruchten Rippe - bei­ spielsweise an einer Rippe, an der eine Triebwerksgondel zu be­ festigen ist - über eine Zug- und Druckkräfte auch formschlüssig übertragende Schraubverbindung angeschlossen werden.

Wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, ist der Außendurchmesser der Um­ fangswicklung 76 im allgemeinen größer als der Außendurchmesser der rohrförmigen Wandung 52 der Stäbe 10. Soweit gefordert wird, daß die Stäbe über ihre gesamte Länge mit ihren Achsen parallel zueinander liegen, können in den Bündeln 20, 22 in vorgegebenen Abständen Abstandselemente zwischen den Stäben eingefügt werden.

Stäbe der oben beschriebenen Art, die gemäß der Erfindung zur An­ wendung kommen, haben eine hohe statische und dynamische Belast­ barkeit. CFK-Stäbe weisen bei Ermüdungsbelastungen mit R = -0,5 Schwingungsfestigkeitswerte auf, die wesentlich höher sind als die metallischer Werkstoffe. Während ein vergleichbarer Aluminiumstab eine statische Zugfestigkeit von ca. 15 kN aufweist, werden bei CFK-Stäben, deren Gewichte nur 50% der Aluminiumstäbe betragen, bei Belastungen von +22 kN/ - 11 kN ca. 10⁶ Lastwechsel ohne Ver­ sagen erreicht.

Die fasergerechte und direkte Einleitung der auf die Stäbe wirken­ den Kräfte in den Anschluß am Flügelende verspricht im Vergleich zu konventionellen Anschlüssen von CFK-Bauteilen eine wesentliche Gewichtseinsparung. Durch die weitgehende Funktionstrennung von Flügelhaut und den als Stringer wirksamen Stäben und die damit verbundene Faserdominanz der Verbundwerkstoffe läßt sich die Fa­ serfestigkeit in viel höherem Maße ausnutzen als dies bei einer konventionell stringerversteiften Schale mit multidirektionalem Laminataufbau der Fall ist. Es wird sich damit auch für die Flügelschale selbst ein geringeres Strukturgewicht einstellen.

Durch die Vielzahl der verwendeten Stäbe ergibt sich ein Fail- Safe-Effekt, der dazu führt, daß beim Ausfall einzelner Stäbe die Sicherheit der gesamten Struktur nur geringfügig beeinträch­ tigt wird. Die geringe Dicke des die Flügelhaut bildenden Laminats und seine vollflächige Verklebung mit den gebündelten Stäben füh­ ren zu einer hohen Schadenstoleranz dieser Schale. Ablösungen der Haut von den Stäben, wie sie durch Impact-Belastungen auftreten können, bleiben weitgehend lokal und zeigen im Gegensatz zu Ablö­ sungen aufgeklebter Stringer einer konventionalen Schale nur eine geringe Tendenz zum Schadensfortschritt. Auch Beschädigungen der Stäbe beschränken sich auf die unmittelbar betroffenen und zeigen nur sehr geringe Tendenz, andere Stäbe in Mitleidenschaft zu zie­ hen. Ein Beulen der Schale unter Druckbelastung läßt sich vermei­ den, wenn die Knicklängen der gebündelten Stäbe die Abstände der Flügelrippen vorgeben.

Die fertigen Stäbe können vor der Montage einer 100%igen Quali­ tätskontrolle unterworfen werden. Da sie, wie oben beschrieben, mit einer die maximal vorgesehene Zugkraft übersteigenden Zug­ vorlast belastet werden, ergibt sich die Möglichkeit, in der gleichen Vorrichtung auch die Druckbelastbarkeit zu überprüfen.

Eine Überprüfung der Verklebung zwischen der Haut und den Stäben bzw. Stabbündeln kann in kritischen Strukturbereichen in Form einer 100%igen Ultraschallprüfung erfolgen.

Die CFK-Stäbe sind relativ preiswerte Halbzeuge, die mit einer sehr einfachen und daher kostengünstig herstellbaren Haut verklebt werden.

Zug- und Druckkräfte, die in Profilrichtung auftreten, beispiels­ weise durch den Triebwerksschub, können durch auf der Innenseite der Stäbe angeklebte Versteifungsstrukturen mit sich in Profil­ richtung erstreckenden unidirektionalen Fasern aufgenommen werden. Bei kleinen Kräften können solche Strukturen 38, wie in Fig. 3 und 4 schematisch dargestellt, bandförmig ausgebildet sein.

Bandförmige Versteifungsstrukturen mit sich in Profilrichtung er­ streckenden unidirektionalen Fasern, die voll- bzw. zumindest großflächig mit den Stäben, insbesondere bei der in Fig. 2 und 3 dargestellten Bündelung, auf der Schaleninnenseite verklebbar sind, sind zweckmäßig auch für den Anschluß der Rippen an die Flügelschalen vorgesehen. Diese Rippen können, wie in Fig. 5 darge­ stellt, als Platten 40 aus einem CFK-Gewebe mit einer Faserlage von ± 45° zur Schaleninnenseite ausgebildet sein. Solche Platten 40 können mittels CFK-Winkeln 42 wiederum mit einer ± 45°-Faser­ lage an die bandförmigen Versteifungen 38 durch Verklebung ange­ schlossen werden. Die Rippen können auch in einer Sandwich-Struk­ tur ausgebildet sein.

Claims (7)

1. Flügel mit Flügelschalen aus Faserverbundwerkstoffen, insbe­ sondere CFK, für Luftfahrzeuge mit einem Holmkasten mit in Profilrichtung angeordneten Rippen und in Flügellängsrichtung angeordneten Stringern und einer auf den Stringern aufliegen­ den und mit den Stringern verklebte Flügelhaut, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stringer als Stäbe (10) mit einer rohrförmigen Wandung (52) aus Faserverbundwerkstoff auf einem Kern (54) aus Schaumstoff mit wenigstens einer Lage aus achsparallelen unidirektionalen Fasern und einem darüberliegenden Gewebe­ schlauch mit sich unter einem Winkel zur Achse des Stabes kreuzenden Fasern ausgebildet sind, die jeweils am rumpfsei­ tigen Flügelende (12) mit einem rotationssymmetrischen An­ schlußelement (52) zum axialen Einleiten von Zug- und/oder Druckkräften versehen sind, das von der Wandung des Stabes umschlossen und mit einem koaxialen Anschlußgewinde (58) und mit einem sich zum Stabende hin verjüngenden Konusabschnitt (62) versehen ist, an dem die achsparallelen, unidirektio­ nalen Fasern über die gesamte Länge des Konusabschnittes des Anschlußelementes an dessen Oberfläche anliegen und die rohr­ förmige Wandung aus den unidirektionalen Fasern und dem Ge­ webeschlauch über die nach außen gerichtete Stirnseite (60) des Anschlußelementes vorstehen, und wenigstens im Konus­ abschnitt des Anschlußelementes eine Umfangswicklung (76) vorgesehen ist, wobei weiter der Konusabschnitt des Anschluß­ elementes einen Konusspitzenwinkel (2α) aufweist, mit dem nach Aufbringen einer die zu übertragende Zugkraft überstei­ genden Vorspannung das Anschlußelement selbsthemmend in dem konischen Endabschnitt der rohrförmigen Wandung des Stabes gehalten ist, und weiter am Stabende eine Druckscheibe (72) angeordnet ist, die gegen die Stirnseite der rohrförmigen Wandung anliegt,
daß die Stäbe an ihrem rumpfseitigen Flügelende mit den Anschlußelementen achsparallel und den Stirnseiten der Druck­ scheiben in einer Ebene liegen,
und daß wenigstens die der Flügelhaut benachbarten Zwickelbereiche (28, 36) zwischen den Stäben mit einer leichten druckfesten Füllmasse ausgefüllt sind.

2. Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei benachbarte Stäbe (10) mit einer äußeren Gewebelage (20) mit einem Faserverlauf unter einem Winkel gleich oder größer ± 45° zu den Stabachsen zusammen­ gefaßt sind und die Zwickel (28) innerhalb der Gewebelage mit einer leichten, druckfesten Füllmasse ausgefüllt sind.

3. Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils drei Stäbe (10) im Dreiecksverband mit einer äußeren Gewebelage (22) mit einem Faserverlauf unter einem Winkel gleich oder größer ± 45° zu den Stabachsen zusammenge­ faßt sind und die Zwickel (28) innerhalb der Gewebelage mit einer leichten, druckfesten Füllmasse ausgefüllt sind.

4. Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelhaut (9) aus einem Faserverbund mit einem Faserverlauf von ± 45° zur Längsachse des Flügels ausgebildet ist.

5. Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite der Schalen (6, 8) Versteifungs­ strukturen (40) mit sich in Profilrichtung erstreckenden uni­ direktionalen Fasern angeordnet sind.

6. Flügel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen (40) bandförmig ausgebildet sind.

7. Flügel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmasse aus einem ausgehärteten Kunstharz be­ steht, das mit Mikrohohlkugeln gefüllt ist.