DE60202214T2 - Verfahren zum verbinden von verbundkörpern und flugzeugflügel - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, durch das Verbundbauteile miteinander verbunden werden. Das Verfahren ist insbesondere geeignet zur Benutzung während der Herstellung und/oder Reparatur eines Flugzeugs.
• Traditionell war man bestrebt, die Zelle eines Flugzeugs unter Benutzung von Metallpaneelen zu konstruieren, die an einem Metallrahmen festgelegt waren. Diese Bauteile wurden dann miteinander durch Techniken, wie z. B. durch Vernieten oder Verbolzen, verbunden. Die Benutzung von Schrauben wird im Allgemeinen vermieden, da es bekannt ist, dass eine Schraubverbindung zur Erzeugung von Ermüdungsrissen in einer Struktur führt.
• Mit den laufenden Fortschritten in der Werkstoffkunde sind Verbundmaterialien verfügbar geworden, die zur Erzeugung struktureller Bauteile eines Flugzeugs benutzt werden können. Verbundbauteile werden dadurch erzeugt, dass eine Vielzahl von Schichten aus Faserstoffmatten miteinander verbunden werden, um eine gewünschte Form und/oder ein strukturelles Element zu erzeugen. Die Fasern in jeder gegebenen Schicht erstrecken sich im typischen Fall vorherrschend in einer Richtung. Infolgedessen müssen die "Richtungen" benachbarter Schichten gestaffelt werden, um die strukturellen Eigenschaften des Verbundmaterials so zu gestalten, wie dies vom Konstrukteur gefordert wird.
• Im typischen Fall hat die Erzeugung komplexer Formen die Erzeugung geeignet gestalteter Formkörper erfordert, über die die Schichten aus Faserstoffmaterial angeordnet und mit einem Kunstharz imprägniert werden, bevor eine Aushärtung erfolgt. Die Erzeugung der komplexen Formen kann sehr arbeitsintensiv sein. Obgleich die Bauteile mit ihrer komplexen Gestalt häufig die Konstruktionskriterien vom Standpunkt des Ingenieurs erfüllen, so werden die Kosten der Herstellung jedoch so hoch, dass sich die Benutzung aus Kostengründen verbietet.
• Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur Befestigung eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil während der Herstellung oder Reparatur eines Flugzeugs, wobei die Bauteile aus einem Verbundmaterial bestehen und das Verfahren darin besteht, eine selbstschneidende Schraube an einer Oberfläche eines ersten Bauteils anzusetzen und die Schraube derart zu drehen, dass sie durch den ersten Bauteil und in den Körper des zweiten Bauteils eindringt, um den ersten Bauteil mit dem zweiten Bauteil zu verbinden.
• Auf diese Weise ist es möglich, getrennte Verbundbauteile unter Benutzung von selbstschneidenden Schrauben miteinander zu verbinden. Es steht der allgemein akzeptierten technischen Praxis in der Flugzeugindustrie entgegen, derartige Schraubbefestigungsglieder zu benutzen, da, wie oben erwähnt, die Benutzung von Befestigungsschrauben anerkanntermaßen zur Bildung von Ermüdungsrissen innerhalb der metallischen Bauteile führt. Die Anmelderin hat jedoch erkannt, dass Befestigungsschrauben kein Ermüdungsproblem bei Verbundbauteilen verursachen. Weiter hat die Anmelderin in vorangegangenen Versuchen erkannt, dass Befestigungsschrauben eine überraschend gute Scherfestigkeit und Auszugsfestigkeit ergeben, wenn sie in Verbindung mit Verbundmaterialien benutzt werden. Der Grund dafür liegt darin, dass die Schrauben die Abschnitte der Faserstoffschichten zwischen benachbarten Gängen des Schraubgewindes zusammendrücken und auffangen.
• Vorzugsweise ist die Schraube eine selbstschneidende und selbstbohrende Schraube. Eine selbstbohrende Schraube hat eine Leitbohrung, die in dem Schaft der Schraube integral ausgebildet ist. Auf diese Weise werden getrennte Leitbohrungen zur Herstellung eines Leitloches überflüssig. Die selbstbohrende und selbstschneidende Schraube kann einem Verbundbauteil präsentiert und dann in das Element eingeschraubt werden, wodurch ein eigenes Pilotloch eingeschnitten wird.
• Vorzugsweise werden Senkkopfschrauben derart benutzt, dass ihre Kopffläche mit der Oberfläche des Verbundbauteils fluchtet, durch das sie eingeschraubt sind. Derartige Schrauben können benutzt werden, um Paneele an Tragstreben oder Sparren, beispielsweise bei der Herstellung eines Tragflügels, zu benutzen. Es können tatsächlich geeignet gestaltete und profilierte Paneele miteinander verbunden werden, um einen Kastentragflügel zu erzeugen. Die Benutzung von Senkkopfschrauben ist in Bereichen zweckmäßig, wo es wichtig ist, eine glatte aerodynamische Oberfläche aufrecht zu erhalten. Dies erfordert jedoch, dass eine Ansenkung an der Paneele erfolgt, bevor die Schraube eingedreht wird.
• Wenn es erforderlich ist, die Paneele miteinander zu verbinden, dann können geeignete Verbindungselemente, beispielsweise langgestreckte Stangen mit "L"-Querschnitt aus Verbundmaterial, benutzt werden, die Verbindungsteile oder Versteifungsteile sind.
• Gemäß einem zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft diese einen Flugzeugtragflügel, der aus einer Vielzahl von Bauteilen besteht, die aus Verbundmaterial hergestellt sind, wobei die Bauteile aus Verbundmaterial miteinander über selbstschneidende Schrauben verbunden sind.
• Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
• 1 ist eine vereinfachte Schnittansicht eines kastenförmigen Flugzeugtragflügels;
• 2 veranschaulicht die Art und Weise, wie ein Tragflügelpaneel an einer Trägerrippe befestigt wird; und
• 3 veranschaulicht schematisch, wie zwei Paneele miteinander verbunden werden können, um einen Teil mit erhöhter struktureller Starrheit zu schaffen.
• 1 zeigt schematisch einen Tragflügel in einer Kastenausbildung. Hierbei definieren ein oberes Paneel 2, ein vorderes Paneel 4, ein unteres Paneel 6 und ein rückwärtiges Paneel 8 zusammen einen zentralen Kasten, der die Basisform des Tragflügels bestimmt und dem Tragflügel eine strukturelle Starrheit verleiht und der dazu dienen kann, die Wände von Brennstofftanks zu definieren, die im Tragflügel untergebracht sind. Um die Wände 2, 4, 6 und 8 in ihrer gegenseitigen Lage zu halten, sind über die Länge des Tragflügels periodisch Rippen angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel nach 1 sind nur zwei Rippen 10 und 12 der Übersichtlichkeit wegen dargestellt. Diese Elemente 10 und 12 unterteilen den Tragflügel in eine Reihe aneinander grenzender Kästen.
• Es ist notwendig, die Paneele 2, 4, 6 und 8 miteinander an ihren Rändern und außerdem mit den Rippen 10 und 12 zu verbinden. Eine wirksame Möglichkeit, um dies zu erreichen, ist schematisch in 2 dargestellt. Wie aus 2 ersichtlich, wird die Befestigungsstelle zwischen dem oberen Paneel 2 und der Rippe 10 durch ein Zwischenelement 20 gebildet, das einen ersten Flansch 21 definiert, der im Betrieb dem Paneel 2 anliegt, wobei der erste Flansch 21 mit einem zweiten Flansch 22 verbunden ist, der im Betrieb der Rippe 10 anliegt. Um das Zwischenelement 20 mit dem Paneel 2 und der Rippe 10 zu verbinden, werden selbstbohrende und selbstschneidende Schrauben benutzt. Eine erste dieser Schrauben 23 ist eine Senkkopfschraube, damit der Kopf der Schraube mit der oberen Oberfläche des oberen Paneel 2 fluchtet, wie dies aus 2 ersichtlich ist. Wenn es jedoch nicht wichtig ist, dass der Schraubenkopf fluchtet, brauchen keine Senkkopfschrauben benutzt zu werden, sondern beispielsweise Schrauben mit einem bolzenartigen Kopf.
• Selbstbohrende, selbstschneidende Schrauben sind kommerziell verfügbar und dem Fachmann bekannt. Aus diesem Grunde brauchen diese nicht weiter im Einzelnen beschrieben zu werden.
• Die Rippen 10 und 12 brauchen nicht eine gleichförmige Dicke aufzuweisen. So kann es beispielsweise erwünscht sein, dass die Rippen 10 und 12 an ihren Rändern etwas dicker sind und möglicherweise einen Bereich oder zwei Bereiche erhöhter Dicke an den Zwischenabschnitten längs der Rippen haben. Anstatt komplexe Gebilde zu formen, kann das Rippenprofil aufgebaut werden, indem Befestigungselemente 30 an den Rippen 10 unter Benutzung von selbstschneidenden Schrauben 32 befestigt werden, wie dies in 3 dargestellt ist. Dies ermöglicht die Schaffung von Bauteilen, die komplexe Lastträgerprofile besitzen und aus leicht formbaren ebenen Elementen bestehen.

Claims (7)

1. Verfahren zur gegenseitigen Verbindung eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil während der Herstellung oder Reparatur eines Flugzeugs, bei dem die Bauteile aus Verbundmaterial bestehen und durch das Verfahren eine selbstschneidende Schraube einer Oberfläche eines ersten Bauteils zugeführt und die Schraube derart gedreht wird, dass sie durch den ersten Bauteil hindurch in den Körper des zweiten Bauteils derart eingedreht wird, dass der erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil fest verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die selbstschneidende Schraube eine selbstbohrende Schraube ist.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem die selbstschneidende Schraube sich vollständig durch den ersten Bauteil hindurch erstreckt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der erste und der zweite Bauteil aus laminierten Elementen bestehen und die Längsachse der selbstschneidenden Schraube senkrecht zur Ebene des Laminats verläuft.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem eines von erstem und zweitem Bauteil ein Paneelenelement und das andere von erstem und zweitem Bauteil eine Strebe ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Paneel ein Teil der Außenhaut eines Flugzeugtragflügels ist.
7. Flugzeugtragflügel, der mehrere Bauteile aus Verbundmaterial aufweist, wobei die Bauteile aus Verbundmaterial miteinander über selbstschneidende Schrauben verbunden sind.