EP1393835B1 - Anordnung zur Verbindung von dünnwandigen Metallstrukturen - Google Patents
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- Y10T403/75—Joints and connections having a joining piece extending through aligned openings in plural members
Definitions
- the invention relates to an arrangement of connected thin-walled metal structures, wherein at least two metal sheets have an overlapping area have, which forms a contact surface between the sheets, and in the overlapping At least one row of rivets is provided, which is a cyclic Tensile stress (see, e.g., U.S. Patent No. 5,297,760).
- Such rivets are currently the most commonly used in aircraft Joints. This is a positive connection by mechanical Interlocking geometric shapes made on the parts to be joined. Both the bearing resistance of the individual parts and the shear resistance The rivets must be larger than the external stress.
- Mutually overlapping sheets are usually single or multi-row under Use of full, pass, screw or blind rivets connected.
- Typical examples of the connection of thin-walled structures are longitudinal and Cross seams as well as seams on skin repairs. Because a variety of riveted joints on an aircraft of fundamental importance for airworthiness an individual dimensioning of the rivet connection (rivet type, size, spacing, etc.) taking into account the local static and dynamic loads, where one high, preferably inspection-free life is an essential requirement.
- the present invention is therefore the object of a generic Arrangement the fatigue strength of rivet joints with high Increase secondary level fraction and improve crack propagation behavior.
- strain hardening In this case, the rivet hole is plastically pre-deformed (widened) in the radial direction in order to produce tangential compressive internal stresses on the inside and to reduce the effectively effective tensile stress.
- the basic problem of this method known from experiments is its relative inefficiency in structures with large secondary bending. Cold work hardening can show its full effectiveness in the original rows of rivets with the application of the invention, since secondary warping is primarily effective only in the additional row of rivets according to the invention.
- Another advantage is that the arrangement according to the invention contributes to improving the airworthiness.
- FIG. 4 shows an arrangement 1 according to the invention of connected thin-walled metal structures, which consists essentially of a first metal sheet 2 and a second metal sheet 3, which have an overlapping area 4.
- a contact surface 5 between the metal sheets 2 and 3 is formed.
- Several rivet rows 6, 6 ', 6 "arranged in parallel are provided in the overlapping area 4.
- Such an arrangement can be used, for example, as a longitudinal seam for the skin panel connection of an aircraft structure
- the fatigue-critical row of rivets (see also explanations to FIGS
- the proposed invention aims to increase the fatigue strength of rivet joints with a high secondary content - here occurring on the fatigue-critical rivet row 6 - and to improve the crack propagation behavior critical outer rivet row 6 is reduced by minimizing the amount of secondary bending ⁇ 3.
- the means 8 are formed as rivet elements, the parallel to the rivet 9 by positive engagement of the metal sheets 2 and 3 in contact A relative vertical displacement of the sheets 2 and 3 is prevented by this positive locking, while a horizontal relative displacement is hindered only by friction, but not by positive locking the closing head 18 a Holding together the sheets 2 and 3 in the contact surface 5, but a clamping force is only so great that the first sheet 2 can be moved relative to the second sheet 3, taking into account the frictional force occurring.
- the rivet shank 10 has for this purpose a local taper 11, which allows a contact-free gap 12 between the rivet hole 13 and the tapered part of the rivet shank 11. At the same time, the taper-free part of the rivet shank 10 is fitted in the rivet hole bore 14.
- FIGs 5 to 7 embodiments of a structural implementation of the Rivet 8 shown.
- the shown concrete variants are based on Hi-Lok Passnieten with screw-on locking ring (Hi-Lok Collar) 19.
- Hi-Lok Collar screw-on locking ring
- a groove 20 in the Upper sheet 2 avoids a projection of the rivet head 17.
- rivet shank 10 and the lower plate 3 may or should be selected a press fit.
- Fig. 5 is with the use of special Hi-Lok-rivets that already in Fig. 4th described first embodiment 8 realized.
- FIG. 6 shows a second embodiment 8 'of a rivet element.
- An enlargement of the inner diameter of the Nietlochbohrung 15 in the upper plate 2 allows only by friction obstructed horizontal Relatiwerschiebung the sheets 2 and 3.
- a positive connection in the vertical direction is achieved as in the first embodiment, characterized in that the rivet 8 between the rivet head 17 and the Closing head 18, the sheets 2 and 3 holds together.
- FIG. 8 A third embodiment 8 "of a rivet element is also shown in Fig. 7.
- FIG. 7 An enlargement of the inside diameter of the rivet hole 15 in the upper plate 2 allows a horizontal relative displacement of the plates 2 and 3 which is only hindered by friction.
- the rivet shank 10 has a shoulder in this embodiment 16, with a positive connection in the vertical direction is achieved in that the rivet 8 holds between the shoulder 16 and the closing head 18, the lower plate 3 and that a suitable clearance between the upper sheet 2 and the rivet head 17 is selected.
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Description
Es ergibt sich als einen weiteren Vorteil, dass zusätzliche Verfahren zur gezielten Reduzierung der lokal wirksamen Maximalspannung angewendet werden können. Ein derartiges Verfahren ist die Kaltverfestigung. Dabei wird das Nietloch in radialer Richtung plastisch vorverformt (aufgeweitet), um an der Innenseite tangentiale Druckeigenspannungen zu erzeugen und die effektiv wirksame Zugspannung zu reduzieren. Das aus Experimenten bekannte Grundproblem dieses Verfahrens ist seine relative Unwirksamkeit bei Strukturen mit großer Sekundärbiegung. Die Kaltverfestigung kann mit der Anwendung der Erfindung seine volle Wirksamkeit in den ursprünglichen Nietreihen zeigen, da die Sekundärbiegung primär nur in der erfindungsgemäßen zusätzlichen Nietreihe wirksam ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäße Anordnung zu einer Verbesserung der Lufttüchtigkeit beiträgt.
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Längsnaht einer Flugzeugstruktur im verformten Zustand,
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung einer dreireihigen Längsnaht als vergrößerte Detaildarstellung von Fig. 1,
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung der am Rand einer Nietlochbohrung auftretenden Spannungen,
- Fig. 4
- eine schematische Darstellung einer dreireihigen Längsnaht mit einer erfindungsgemäßen zusätzlichen Nietreihe und
- Fign. 5 bis 7
- Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Nietelements der zusätzlichen Nietreihe gemäß Fig. 4.
Die Ermüdungsfestigkeit bzw. Dauer bis zur Rissinitiierung am Rand der Nietbohrung wird maßgeblich durch die lokal auftretende Maximalspannung beeinflusst. In Fig. 3 ist am Beispiel der einschnittigen dreireihigen Nietverbindung 103 die Spannungsverteilung an einer Nietlochbohrung 104 im Hautblech 101 dargestellt. Die beim Nieten vorliegende diskrete Verbindung der Hautbleche 101 und 102 führt zu einer sehr inhomogenen Spannungsverteilung am Nietloch 104. Vereinfachend kann die lokal auftretende Maximalspannung σmax=Δσ1+Δσ2+Δσ3 als Überlagerung von 3 einzelnen Belastungsfällen interpretiert werden:
- ebene Platte mit leerem Loch unter Längslast (F1 → Δσ1),
- ebene Platte mit ausgefülltem Loch mit Pinload (F2 → Δσ2) und
- ebene Platte mit leerem Loch unter Biegung (M1 → Δσ3).
Es ist vorgesehen, parallel und benachbart zur ermüdungskritischen Nietreihe 6 in Richtung des Überlappungsendes 4A die zusätzliche Nietreihe 7 anzuordnen. Damit erfolgt eine Entlastung der ursprünglich äußeren (hochbelasteten) Nietreihe 6. Die damit verbundene Reduzierung der in den Nietreihen 6, 6', 6" jeweils auftretenden Maximalspannung führt sowohl zu einer Verlängerung der Anrisslebensdauer als auch zu einer Reduzierung der nachfolgenden Rissausbreitung. Die zusätzliche Nietreihe 7 weist Mittel 8 zum Zusammenhalten der Metallbleche 2 und 3 auf, unterdrückt jedoch nicht eine Relativverschiebung der Metallbleche 2 und 3 in der Kontaktfläche 5. Die Mittel 8 sind als Nietelemente ausgebildet, die parallel zur Nietachse 9 durch Formschluss die Metallbleche 2 und 3 in Kontakt halten. Eine vertikale Relativverschiebung der Bleche 2 und 3 wird durch diesen Formschluss verhindert, während eine horizontale Relativverschiebung lediglich durch Reibung, nicht aber durch Formschluss, behindert wird. Eine erste Ausführungsform zum Erreichen des Formschlusses ist, dass das Nietelement 8 zwischen dem Nietkopf 17 und dem Schließkopf 18 ein Zusammenhalten der Bleche 2 und 3 in der Kontaktfläche 5 erreicht, jedoch eine Klemmkraft nur so groß ist, dass das erste Blech 2 relativ zum zweiten Blech 3 unter Berücksichtigung der auftretenden Reibkraft verschoben werden kann. Der Nietschaft 10 weist dazu eine lokale Verjüngung 11 auf, der einen berührungslosen Spalt 12 zwischen der Nietlochbohrung 13 und dem verjüngten Teil des Nietschafts 11 ermöglicht. Gleichzeitig ist der verjüngungsfreie Teil des Nietschafts 10 in die Nietlochbohrung 14 eingepasst.
In der Fig. 6 ist eine zweite Ausführungsform 8' eines Nietelementes gezeigt.
Eine Vergrößerung des Innendurchmessers der Nietlochbohrung 15 im oberen Blech 2 ermöglicht eine lediglich durch Reibung behinderte horizontale Relatiwerschiebung der Bleche 2 und 3. Ein Formschluss in vertikaler Richtung wird wie bereits in der ersten Ausführungsform dadurch erreicht, dass das Nietelement 8 zwischen dem Nietkopf 17 und dem Schließkopf 18 die Bleche 2 und 3 zusammenhält. Auch in dieser Ausführungsform 8' kann eine Optimierung der Klemm- bzw. Reibkraft mit Hilfe des Anzugsmomentes für den Schließring erfolgen.
In Fig. 7 ist eine dritte Ausführungsform 8" eines Nietelementes gezeigt. Auch hier ermöglicht eine Vergrößerung des Innendurchmessers der Nietlochbohrung 15 im oberen Blech 2 eine lediglich durch Reibung behinderte horizontale Relatiwerschiebung der Bleche 2 und 3. Der Nietschaft 10 weist in dieser Ausführungsform einen Absatz 16 auf, mit dem ein Formschluss in vertikaler Richtung dadurch erreicht wird, dass das Nietelement 8 zwischen dem Absatz 16 und dem Schließkopf 18 das untere Blech 3 hält und dass eine geeignete Spielpassung zwischen dem oberem Blech 2 und dem Nietkopf 17 ausgewählt wird.
- 1 -
- Anordnung
- 2 -
- erstes Metallblech
- 3 -
- zweites Metallblech
- 4 -
- Überlappungsbereich
- 4A -
- Endbereich der Überlappung
- 5 -
- Kontaktfläche
- 6, 6',6" -
- Nietreihe
- 7 -
- zusätzliche Nietreihe
- 8 -
- Nietelement
- 9 -
- Nietachse
- 10 -
- Nietschaft
- 11 -
- Verjüngung am Nietschaft
- 12 -
- Spalt
- 13 -
- Nietloch im ersten Blech
- 14 -
- Nietloch im zweiten Blech
- 15 -
- vergrößertes Nietloch
- 16 -
- Absatz im Nietschaft
- 17 -
- Nietkopf
- 18 -
- Schließkopf
- 19 -
- aufschraubbarer Schließring
- 20 -
- Nut im ersten (oberen) Blech
- 100 -
- Flugzeugstruktur
- 101 -
- Hautfeld 1
- 102 -
- Hautfeld 2
- 103 -
- Längsnaht
- 104 -
- Nietlochbohrung
- 105 -
- ermüdungskritische Nietreihe
- 106 -
- Rissinitiierung
Claims (11)
- Anordnung von verbundenen dünnwandigen Metallstrukturen, wobei mindestens zwei Metallbleche (2,3) einen überlappenden Bereich (4) aufweisen, der zwischen den Blechen (2,3) eine Kontaktfläche (5) bildet, und im überlappenden Bereich (4) mindestens eine Nietreihe (6) vorgesehen ist, die einer zyklischen Zugbeanspruchung ausgesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
parallel und benachbart zur ermüdungskritischen Nietreihe (6) eine zusätzliche Nietreihe (7) im Endbereich (4A) der Überlappung (4) angeordnet ist, welche Mittel zum Zusammenhalten (8) der Bleche (2, 3) in der Kontaktfläche (5) aufweist, die eine Relatiwerschiebung der Bleche (2, 3) in der Kontaktfläche (5) ermöglichen. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Mittel zum Zusammenhalten der Bleche als Nietelement (8) ausgebildet ist, das parallel zur Nietachse (9) durch Formschluss die Bleche (2,3) in Kontakt hält. - Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Nietelement (8) senkrecht zur Nietachse (9) einen Formschluss vermeidet und in der Kontaktfläche (5) maximal Reibung auftritt. - Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietschaft (10) des Nietelementes (8) eine lokale Verjüngung (11) aufweist, die einen Spalt (12) zwischen Nietlochbohrung (13) des einen Bleches (2) und der Verjüngung (11) bewirkt und der verjüngungsfreie Teil des Nietschafts (10) in die Nietiochbohrung (14) des zweiten Bleches (3) eingepasst ist.
- Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nietlochbohrung (15) des einen Bleches (2) im Verhältnis zum Nietschaft (10) des Nietelementes (8) in der Weise vergrößert ist, das ein Spalt (12) zwischen Nietlochbohrung (15) und Nietschaft (10) entsteht und der Nietschaft (10) in die Nietlochbohrung (14) des anderen Bleches (3) eingepasst ist.
- Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen Nietschaft (10) und Nietlochbohrung (14) des zweiten Bleches (3) eine Presspassung gebildet ist. - Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nietelement (8) im Nietschaft (10) einen Absatz (16) zur Klemmung des zweiten Blechs (3) aufweist.
- Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nietelement (8) zwischen Nietkopf (17) und Schließkopf (18) eine definierte Klemmkraft auf die Bleche (2, 3) aufbringt.
- Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die definierte Klemmkraft mittels eines Schließringes (19) als Schließkopf einstellbar ist. - Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nietelement (8, 8', 8") als Hi-Lok-Passniet mit aufschraubbarem Schließring (Hi-Lok-Collar) ausgebildet ist.
- Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nut (20) im oberen Blech (2) zur Aufnahme der Nietelemente (8) vorgesehen ist.
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