DE60122378T2

DE60122378T2 - Optimierter Verbindungsprozess für das Verbinden zweier im wesentlichen Planer Objekte

Info

Publication number: DE60122378T2
Application number: DE60122378T
Authority: DE
Inventors: Konan Koffi; Jacques Huet; Eric Bouchet
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: US6775895B2; US20040094669A1; CA2398553C; WO2002046625A1; ES2269522T3; FR2817926A1; AU2002216187A1; FR2817926B1; DE60122378D1; EP1348079B1; JP2004515724A; ATE336664T1; EP1348079A1; CA2398553A1

Description

Gebiet der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Montage zweier planer oder im wesentlichen planer Teile, wie z.B. zweier Platten, oder von Elementen von Profilteilen mittels Befestigungselementen von der Art von Schrauben, Nieten, etc.
Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf die optimierte Montage zweier Teile, die so gestaltet sind, dass sie vorbestimmte Kräfte, die gleichmäßig oder zeitlich variabel sind und die sich von einem Montageteil zum anderen unterscheiden können, widerstehen und übertragen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auf alle Montagen von im wesentlichen planen Teilen anwendbar, seien sie metallisch oder aus Verbundmaterial, wobei Befestigungselemente wie z.B. Nieten oder Bolzen bzw. Schrauben eingesetzt werden. Es findet besonders vorteilhafte Anwendung auf dem Gebiet der Luftfahrt, auf dem diese Art von Montage oft angewandt wird.
Stand der Technik
Bei einem Luftfahrzeug bildet die Schraubverbindung oder Nietverbindung den am meisten verwendeten Montagemodus. So umfasst ein Passagier- oder Fracht-Transportflugzeug mehr als eine Million Nieten und annähernd 300000 Schrauben bzw. Bolzen.
Bei Montagen dieses Typs erfüllen die Befestigungselemente gleichzeitig die Funktionen der Kraftübertragung, der Abdichtung und der Übertragung von statischen elektrischen Strömen und von Blitzen.
Das Konzept von Montagen durch Schrauben und Nieten ist also für die Performance der Gesamtheit des Aufbaus eines Luftfahrzeugs ausschlaggebend. Ein schlechtes Konzept würde nämlich zu einer begrenzten Lebensdauer und zu Masseüberschüssen führen.
Beim derzeitigen Stand der Technik wird die Positionierung der Nieten und Bolzen gemäß den Gewohnheiten, die jedem Luftfahrzeugkonstrukteur eigen sind, durchgeführt, ohne wirklich auf eine spezielle Verfahrensweise zurückzugreifen.
Das Patent US-A-6 105 902 beschreibt ein Herstellungsverfahren eines Luftfahrzeugrumpfes durch Zusammenbau von stranggepressten Platten im Stoß, die Verstärkungsrippen aufweisen. Genauer gesagt werden die aneinandergrenzenden Ränder der Platten an stranggepressten Längsträgern mit Querschnitten in T-Form durch Nietenpaare oder Paare von analogen Befestigungselementen befestigt, die senkrecht zu den Rändern der Platten ausgerichtet sind.
Das Patent US-A-4 579 475 beschreibt die Montage zweier Teile aus Verbundmaterial im Stoß, die beispielsweise die Verkleidung eines Luftfahrzeugs bilden. Die beiden Teile weisen gleiche Dicke in dem Montagebereich auf. Sie werden von einer Schiene verbunden, deren Dicke mit zunehmender Entfernung von der Verbindungslinie abnimmt. Mehrere Schraubenreihen durchsetzen die Teile und die Schiene parallel zu der Verbindungslinie in unterschiedlichen Abständen von dieser.
Abriss der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Montage zweier im wesentlichen planer Teile auf Metall oder Verbundmaterialien, das auf eine Optimierung der Positionierung der zur Herstellung dieses Montageteils verwendeten Befestigungselemente abzielt, um eine kontrollierte und optimale Lebensdauer zu gewährleisten.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem Montageverfahren zweier im wesentlichen planer Teile mittels mindestens einer Extremlinie von Befestigungselementen erfüllt, die dazu vorgesehen sind, zwischen den Teilen bestimmte, in der Ebene dieser Teile ausgerichtete Kräfte zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, mindestens ein Verhältnis R zwischen den Zugbeanspruchungen _T und Biegebeanspruchungen σ_F zu berechnen, welches den genannten Kräften entspricht, und die Extremlinie von Befestigungselementen unter einem Winkel α in bezug auf die Richtung der Neutralfaser der Teile auszurichten, wobei der Absolutwert des Winkels α derart ist, dass: 10,8 ln(R) + 16 < |α| < 13,9 ln(R) + 28 ist, wenn das Verhältnis R mindestens gleich 1 ist, und so, dass 16 < |α| < 28 ist, wenn das Verhältnis R kleiner als 1 ist, wobei der Absolutwert des Winkels α höchstens 90° beträgt.
Der Anmelder hat durch digitale Simulationen, die von Versuchen untermauert wurden, festgestellt, dass die Erstellung der ersten Linie von Befestigungselementen in einer Ausrichtung α, welche die vorstehend definierte Werteskala respektiert, ermöglichte, die von jedem der Elemente getragenen Kräfte am besten zu verteilen, und infolgedessen die Dauerfestigkeit und die statische Festigkeit der Bauteile zu verbessern.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Extremlinie von Befestigungsorganen unter einem Winkel α ausgerichtet, dessen Absolutwert im wesentlichen gleich 11,6 ln(R) + 21 ist, wenn das Verhältnis R mindestens gleich 1 ist, und im wesentlichen gleich 20°, wenn das Verhältnis R unter 1 liegt.
Wenn die zu übertragenden Kräfte alternierende Kräfte sind, wird vorteilhafterweise die Extremlinie von Befestigungsorganen gemäß dem vorgenannten Winkel α und gemäß einem Winkel –α auf beiden Seiten der Neutralfaser der Teile ausgerichtet. Das vorderste Befestigungselement befindet sich hierbei auf der Neutralfaser.
Das Montageverfahren gemäß der Erfindung kann angewandt werden, wenn die Teile direkt miteinander verbunden werden, und auch, wenn sie über eine oder mehrere Leisten bzw. Schienen verbunden werden.
Im ersten Fall werden die beiden Teile direkt miteinander über mindestens zwei Extremlinien von Befestigungselementen verbunden, die unter einem Winkel α ausgerichtet sind.
Im zweiten Fall, d.h. wenn die beiden Teile über eine Schiene miteinander verbunden werden, wird jedes der Teile mit der Schiene durch mindestens zwei Extremlinien von Befestigungselementen befestigt. Vorteilhafterweise sind diese Extremlinien hierbei unter einem Winkel α ausgerichtet. Als Variante sind mindestens die am weitesten entfernten Extremlinien des anderen Teils unter dem Winkel α ausgerichtet.
Im dritten Fall, d.h. wenn die beiden Teile über zwei Schienen miteinander verbunden werden, wird jedes der Teile an den zwei Schienen über mindestens zwei Befestigungselement-Extremlinien befestigt, unter denen mindestens die am weitesten vom anderen Teil entfernte Extremlinie unter dem Winkel α ausgerichtet ist.
Die Erfindung ist auch auf Teile anwendbar, die eine im wesentlichen konstante Dicke in der Montagezone aufweisen, als auch auf Teile, deren Dicke zu den Enden hin in der vorgenannten Zone zunimmt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im folgenden werden anhand von nicht einschränkenden Beispielen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine Draufsicht, die schematisch eine Montage durch Nieten oder Schrauben darstellt, welche das Verfahren gemäß der Erfindung anwendet,
2 eine Kurve, welche die Evolution des Winkels α, der von der ersten Linie von Nieten oder Schrauben mit der Neutralfaser der Teile gebildet wird, in Abhängigkeit von dem Verhältnis R zwischen der Zugbeanspruchung _T und der Biegebeanspruchung _F darstellt, gemäß der Erfindung,
3A bis 3D perspektivische Ansichten, welche verschiedene Anwendungen der Erfindung bei Montageteilen ohne Schiene, mit einer Schiene bzw. mit zwei Schienen veranschaulicht, und
4 eine der 1 vergleichbare Draufsicht, welche den speziellen Fall darstellt, bei dem die auf den Montageaufbau einwirkenden Kräfte alternierende Kräfte sind.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Wie schematisch in 1 dargestellt ist, bezieht sich die Erfindung auf den Zusammenbau zweier Teile 10, 12 mittels mehrerer Befestigungsorgane 14, die allgemein von Nieten oder Schrauben gebildet sind. Die beiden so zusammengebauten Teile 10 und 12 können aus irgendwelchen im wesentlichen planen Teilen gebildet sein. Der Ausdruck "im wesentlichen plane Teile" bezeichnet hier wie im gesamten Text Teile, wie z.B. Platten oder Profilteilelemente, mit einer planen oder annähernd planen Geometrie.
Das Verfahren gemäß der Erfindung bezieht sich auf den Zusammenbau von Teilen 10 und 12, die in ihrer Ebene bei ihrer späteren Verwendung vorbestimmten Kräften oder Lasten ausgesetzt werden sollen. Diese Kräfte können je nach der betreffenden Anwendung verschiedener Art sein. Im einzelnen können die auf die Teile einwirkenden Kräfte wellenförmig und immer in der gleichen Richtung oder alternierend sein (d.h. abwechselnd in einer Richtung und dann in der anderen). Der spezielle Fall von alternierenden Kräften wird später mit Bezug auf 4 behandelt.
Unabhängig von den auf die Teile einwirkenden Kräften kann in jedem Fall eine Zugbeanspruchung σ_T bestimmt werden, welche der Zugkraft M entspricht (1), die zwischen den Teilen entlang ihrer Neutralfaser aufgebracht wird, und eine Biegebeanspruchung σ_F, die dem Biegemoment M_F (1) entspricht, das zwischen den Teilen aufgebracht wird. Wie das Profil der Beanspruchungen zeigt, das im oberen Abschnitt der 1 dargestellt ist, ist, wenn man mit σ_G bzw. σ_D die von jeder der Seiten (links bzw. rechts in der Figur des Montageaufbaus aufgenommenen Beanspruchungen bezeichnet, so ist die Zugbeanspruchung σ_T gleich
und die Biegebeanspruchung σ_F ist gleich
Gemäß der Erfindung wird durch die Rechnung das Verhältnis R zwischen der Zugbeanspruchung σ_T und der Biegebeanspruchung σ_F bestimmt. Bei den meisten Anwendungen variiert das Verhältnis R zwischen einem Minimalwert Rmin und einem Maximalwert Rmax. In bestimmten Fällen kann aber das Verhältnis R einen im wesentlichen konstanten Wert annehmen.
Auf der Basis des so bestimmten Verhältnisses R wird der Wert eines Winkels α (1) zwischen einer ersten Linie von Befestigungselementen 14 und der Richtung der Neutralfaser der zusammenzubauenden Teile 10 und 12 festgelegt. Zu diesem Zweck werden die Kurven der 2 benutzt, die jeweils den Maximalwert α_max, den Minimalwert α_min und den Optimalwert α_opt des Winkels α in Abhängigkeit vom Verhältnis R darstellen.
Wenn das Verhältnis R größer oder gleich 1 ist, ist der Maximalwert des Winkels α, welcher der Kurve α_max in 2 entspricht, durch die Beziehung α_max = 13,9 ln(R) + 28 gegeben. Unter den gleichen Bedingungen ist der Minimalwert des Winkels α, welcher der Kurve α_min entspricht, durch die Beziehung α_min = 10,8 ln(R) + 16 gegeben. Schließlich ist in dem Fall, in dem das Verhältnis R größer gleich 1 ist, der Optimalwert des Winkels α, welcher der Kurve α_opt in 2 entspricht, durch die Beziehung α_opt = 11,6 ln(R) + 21 gegeben.
Wenn das Verhältnis R kleiner als 1 ist, beträgt der Optimalwert des Winkels α etwa 20°, wobei die Maximal- und Minimalwerte hierbei 28° bzw. 16° betragen. Alle diese Werte entsprechen auch denjenigen, die durch die Kurven der 2 gegeben sind.
Im allgemeinsten Fall, in dem R zwischen zwei Werten Rmin und Rmax variiert (diese Werte sind jeweils gleich 5 und 15 in dem in 2 dargestellten numerischen Beispiel), muss der für den Winkel α gewählte Wert so sein, dass α_min (Rmax) ≤ α ≤ α_max (Rmin) ist. In der Praxis wird ein Wert von α gewählt, der im wesentlichen in der Mitte zwischen diesen beiden Grenzwerten liegt, d.h. man gibt α einen Wert, der im wesentlichen gleich
Wenn das Verhältnis R annähernd konstant ist, wird vorteilhafterweise dem Winkel α ein Wert gegeben, der im wesentlichen demjenigen entspricht, der durch die Kurve α_opt für diesen Wert von R gegeben ist.
Es ist anzumerken, dass der dem Winkel α gegebene Wert nie 90° überschreitet. So wird im Extremfall, in dem die von dem Montageaufbau zu übertragende Kräfte einem einfachen Zug entsprechen, dem Winkel α vorzugsweise ein Wert gleich 90° gegeben, wobei der Minimalwert in diesem Fall 80° beträgt.
Wenn dem Winkel α der Optimalwert α_opt gegeben wird, sind die Extremlinien von Befestigungselementen 14, die gemäß diesem Winkel ausgerichtet sind, auf optimale Weise angeordnet, so dass die Befestigungen dieser Linien isokritisch sind. Die von den am meisten belasteten Befestigungselementen 14 aufgenommenen Kräfte sind hierbei minimal. Diese Eigenschaft gestattet es, der Langzeitermüdung einen optimalen Wert zu geben. Diese Eigenschaft optimiert auch das statische Festigkeitsverhalten. Diese Eigenschaften bleiben so lange bestehen, wie der Wert des Winkels α innerhalb der von den Winkeln α_max und α_min umgrenzten Gabel verbleibt.
Die Anordnung der Extremreihen von Befestigungselementen 14 gemäß der Erfindung ist unabhängig von der Art der betreffenden Montage anwendbar.
So ist in 3A der Fall einer einfachen Montage dargestellt, bei der die beiden zu montierenden Teile 10 und 12 direkt ohne Schiene aneinander befestigt werden.
Die im wesentlichen planen Endabschnitte der Teile 10 und 12 überlappen sich hierbei derart, dass sie durch zwei Extremlinien LE1 und LE2 von Befestigungselementen 14 miteinander verbunden sind. Wie als Beispiel in 3A dargestellt ist, umfasst der Montageaufbau außerdem allgemein Zwischenbefestigungselemente 15. Bei einem solchen Montageaufbau sind die Extremlinien LE1 und LE2 entlang dem Winkel α gemäß der Erfindung ausgerichtet. Übrigens sind die Befestigungselemente 14 und 15 allgemein in einer bestimmten Anzahl von Reihen ausgerichtet, die parallel zu der Neutralfaser der Teile 10 und 12 orientiert sind. Die Anzahl und die Anordnung der Zwischenbefestigungselemente 15 werden nach Regeln gemäß dem Stand der Technik festgelegt.
In 3B ist eine erste Anwendung der Erfindung auf den Zusammenbau zweier Teile 10 und 12 mittels einer Schiene 16 dargestellt.
In diesem Fall wird jedes der Teile 10 und 12 an der Schiene 16 durch eine Montage befestigt, die derjenigen vergleichbar ist, welche die beiden Teile 10 und 12 in der Anwendung der 3A verbindet. Anders ausgedrückt werden die Teile 10 und 12 im Stoß angeordnet, und die Schiene 16 bedeckt den Endabschnitt von jedem der beiden, indem sie an diesem Endabschnitt durch zwei Extremlinien LE1 und LE2 von Befestigungselementen 14 sowie von Zwischenbefestigungselementen 15 befestigt wird. Wie im vorangehenden Fall wird die Anzahl und die Anordnung der Zwischenbefestigungselemente 15 auf herkömmliche Weise nach den Regeln des Standes der Technik festgelegt.
3C betrifft auch den Zusammenbau zweier Teile 10 und 12 mittels einer Schiene 16.
Wie im vorangehenden Fall wird die Schiene 16 direkt an jedem der Teile 10 und 12 durch zwei Extremlinien LE1 und LE2 von Befestigungselementen 14 und von Zwischenbefestigungselementen 15 befestigt. In diesem Fall sind jedoch nur die am weitesten vom anderen Teil entfernten Extremlinien LE1 entlang dem Winkel α erfindungsgemäß ausgerichtet. Hingegen sind die dem anderen Teil nächsten Extremlinien LE2 nach einem Winkel von annähernd 90° in bezug auf die Neutralfaser der beiden Teile ausgerichtet.
In diesem Fall muss die Schiene 16 in dem Bereich der Linien LE2 verstärkt werden, die kritische Stellen für den Beginn von Rissen bzw. Sprüngen sind.
In 3D ist der Fall dargestellt, bei dem die Teile 10 und 12 über zwei Schienen 16 zusammengebaut werden, die auf beiden Seiten der Endabschnitte der Teile angeordnet werden. Die beiden Schienen 16 werden hierbei getrennt mit dem Endabschnitt jedes der Teile 10 und 12 verbunden, wobei die Teile im Stoß angeordnet sind, wie in den 3B und 3C. Wie im Fall der 3C wird die Verbindung der Schiene mit jedem der Teile durch zwei Extremlinien LE1, LE2 und mindestens eine Zwischenlinie LI von Befestigungsorganen 14 hergestellt, und nur die am weitesten vom anderen Teil entfernte Extremlinie LE1 ist nach dem Winkel α gemäß der Erfindung ausgerichtet.
In dem soeben mit Bezug auf 3D beschriebenen Fall, in dem die Teile 10 und 12 durch zwei Schienen 16 miteinander verbunden sind, ist die Dicke jeder Schiene im wesentlichen gleich dem 0,6-fachen der Dicke der einfachen Schiene, die im Fall der 3B verwendet wird.
Wie die 3A bis 3D darstellen, werden die Enden der Teile 10 und 12 und der Schienen 16, wenn sie existieren, vorteilhafterweise parallel zu den Extremlinien LE1 und LE2 von Befestigungselementen 14 abgeschnitten. Diese Anordnung ermöglicht es, die Masse der Teile auf Minimalwerte zu begrenzen.
In den 3A bis 3D weisen die Endabschnitte der Teile 10 und 12, über die diese zusammengebaut werden, eine gleichmäßige Dicke auf, die der Dicke der Teile außerhalb des Montagebereichs entspricht. Es sind aber auch andere Anordnungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. So können die Endabschnitte der Teile 10 und 12 auch eine variable Dicke aufweisen, die sich regelmäßig konisch verjüngt oder in Stufen abnimmt, und zwar zum Ende des entsprechenden Teils hin.
Wie schematisch in 4 dargestellt ist und wie vorher bereits erwähnt wurde, findet die Erfindung auch in dem Fall Anwendung, in dem die Kräfte, die von dem Montageaufbau übertragen werden müssen, alternierende Kräfte sind, d.h. Kräfte, die abwechselnd in einer Richtung und in der anderen ausgerichtet sind. Diese alternierenden Kräfte können im einzelnen Biegekräfte und/oder Zugkräfte sein. In diesem Fall ist die von den Befestigungselementen 14 gebildete Extremlinie nach dem Winkel α von einer Seite der Neutralfaser der Teile 10 und 12 und nach einem Winkel –α auf der anderen Seite der Neutralfaser ausgerichtet.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die soeben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. So ist sie auch auf Teile anwendbar, die aus identischen oder unterschiedlichen Materialien, aus Metall oder aus Verbundmaterialien hergestellt sind. Sie ist gleichermaßen auf Teile anwendbar, die im wesentlichen plan sind, als auch auf Profilteile, die über ihre im wesentlichen planen Kerne bzw. Seelen zusammengebaut sind bzw. werden.

Claims

Verfahren zur Montage zweier im wesentlichen planer Teile (10, 12) mittels mindestens einer Extremlinie von Befestigungselementen (14), die dazu vorgesehen sind, zwischen den Teilen (10, 12) bestimmte, in der Ebene dieser Teile ausgerichtete Kräfte zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, mindestens ein Verhältnis R zwischen den Zugbeanspruchungen σ_T und Biegebeanspruchungen σ_F zu berechnen, welches den besagten Kräften entspricht, und die Extremlinie von Befestigungselementen 14 unter einem Winkel α in Bezug auf die Richtung der Neutralfaser der Teile (10, 12) auszurichten, wobei der Absolutwert des Winkels α derart ist, dass: α_min < |α| < α_max, wobei α_min = 10,8 ln(R) + 16, und α_max = 13,9 ln(R) + 28 ist, wenn das Verhältnis R zumindest = 1 ist, und wobei α_min = 16 und α_max = 28 ist, wenn das Verhältnis R kleiner als 1 ist, wobei der Absolutwert des Winkels α höchstens gleich 90° ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn das Verhältnis R zwischen einem Minimalwert Rmin und einem Maximalwert Rmax variiert, die Extremlinie von Befestigungsorganen (14) unter einem Winkel α ausgerichtet wird, dessen Absolutwert derart ist, dass α_min (Rmax) ≤ |α| ≤ α_max (Rmin) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei, wenn dem Absolutwert des Winkels α ein Wert gegeben wird, der im wesentlichen gleich
ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn das Verhältnis R annähernd konstant ist, die Extremlinie der Befestigungsorgane (14) unter einem Winkel α ausgerichtet wird, die im Absolutwert im wesentlichen gleich α_opt ist, wobei α_opt = 11,6 ln(R) + 21 ist, wenn R mindestens gleich 1 ist, und wobei R = 20° ist, wenn R kleiner als 1 ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei, da die zu übertragenden Kräfte alternierende Kräfte sind, die Extremlinie der Befestigungselemente (14) unter dem Winkel α und unter einem Winkel –α auf beiden Seiten der Neutralfaser der Teile (10, 12) ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die beiden Teile (10, 12) durch mindestens zwei Extremlinien von Befestigungsorganen (14), die unter dem Winkel α ausgerichtet sind, zusammengebaut werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die beiden Teile (10, 12) mittels einer Schiene (16) zusammengebaut werden, und jedes der Teile an der Schiene durch mindestens zwei unter dem Winkel α ausgerichtete Extremlinien von Befestigungselementen (14) befestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die beiden Teile (10, 12) mittels einer Schiene (16) zusammengebaut werden, wobei jedes der Teile an der Schiene durch mindestens zwei Extremlinien von Befestigungselementen (14) befestigt wird und mindestens die am weitesten entfernten Extremlinien des anderen Teils unter dem Winkel α ausgerichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Teile (10, 12) mittels zwei Schienen (16) zusammengebaut werden, wobei jedes der Teile an den zwei Schienen durch mindestens zwei Befestigungselement-Extremlinien (14) befestigt werden, unter denen mindestens die am weitesten vom anderen Teil entfernte Extremlinie unter dem Winkel α ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Teile (10, 12) eine im wesentlichen konstante Dicke in der Montagezone aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Teile (10, 12) eine Dicke aufweisen, die zu ihren Enden hin in der Montagezone abnimmt.