DE102006037900A1

DE102006037900A1 - Anordnung zur Signalübertragung in einem Strukturbauteil aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK)

Info

Publication number: DE102006037900A1
Application number: DE102006037900A
Authority: DE
Inventors: Alois Dr. Friedberger; Volker Dr. Ziegler; Christian Gradolph; Werner Zimmermann
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-08-12
Also published as: DE102006037900B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zur Signalübertragung in einem Strukturbauteil (2) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK), wobei eine Signal- und/oder Leistungsübertragung zwischen einem Signalgeber (3) und einem Signalempfänger (8) vorgesehen ist, wobei eine Ankopplung wenigstens einer vorzugsweise eine Vorzugsrichtung aufweisenden Strukturkomponente an den Signalgeber (3) zur Signal- und/oder Leistungsübertragung durch die Strukturkomponente vorgesehen ist. Damit wird eine einfache Signal- und/oder Leistungsübertragung des Signalgebers (3) an den Signalempfänger möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Signalübertragung in einem Strukturbauteil aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK), wobei eine Signal- und/oder Leistungsübertragung zwischen einem Signalgeber und einem Signalempfänger erfolgt.
Kohlefaserverstärkte Kunststoffe, kurz CFK (Carbon-Faser-Kunststoff), werden bevorzugt als Konstruktionsmaterial für Strukturbauteile verwendet, welchen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, und zusätzlich ein niedriges Gewicht aufweisen müssen. Die kohlefaserverstärkten Kunststoffe werden allgemein als Faser-Verbundwerkstoffe bezeichnet, bei denen eine Matrix aus Duromeren, wie beispielsweise einem Epoxidharz oder einem Thermoplasten, die Kohlefasern aufnehmen. Diese sind meistens in mehreren Lagen übereinander gebracht und dienen als Verstärkung der Matrix. Kohlefasern weisen dabei Vorzugsrichtungen auf, welche zur Aufnahme von in das Strukturbauteil eingeleiteten Kräften in der Kraftflussrichtung verlaufen. Die Matrix dient dabei als Fixierung der Kohlefasern, welche beispielsweise als einzelne Fasern oder als Faserbündel unidirektional oder als Gewebe bidirektional aufgebaut sind.
Strukturbauteile der hier interessierenden Art betreffen insbesondere Bauteile von Luftfahrzeugen, wie Rotorblätter von Hubschraubern, die Tragflächen von Flugzeugen, Leitwerke oder teilweise auch Komponenten der Rumpfstruktur eines Luftfahrzeugs. Auch Strukturbauteile für den Bau von Fahrzeugen, wie Personenkraftwagen und dergleichen, verlangen aufgrund moderner Leichtbauweisen nach dem Einsatz von kohlefaserverstärkten Kunststoffen, welche strukturell einen vergleichbaren Aufbau aufweisen, wie in der Anwendung bei Luftfahrzeugen. Betreffend die Rotorblätter von Hubschraubern liegt die Hauptbelastungsrichtung in Längsrichtung des Rotorblattes aufgrund auftretender Fliehkräfte. Daher sind die Fasern im Wesentlichen in Längsrichtung des Rotorblattes ausgerichtet, um die Fliehkräfte optimal aufzunehmen.
Kohlefaserverstärkte Kunststoffe weisen eine elektrische Leitfähigkeit auf, die um mehrere Größenordnungen geringer ist als diejenige von Metallen, jedoch ist diese für viele Anwendungen zur Signal- und Leistungsübertragung dennoch geeignet. Die Leitung eines elektrischen Stroms erfolgt dabei innerhalb der Kohlefasern, wobei die aus Epoxidharz oder anderen elektrisch isolierenden Stoffen bestehende Matrix eine Isolierung der elektrisch leitenden Kohlefasern zueinander bewirkt. Häufig werden sogar kohlefaserverstärkte Kunststoffe als Gehäuse von elektrischen Geräten verwendet, um eine Abschirmung der im Gehäuse aufgenommenen Elektronik zu erreichen. Die elektrische Leitfähigkeit kohlefaserverstärkter Kunststoffe bewirkt eine elektromagnetische Abschirmung, so dass elektromagnetische Wellen im kohlefaserverstärkten Kunststoff gedämpft werden. Damit ergibt sich neben einer teilweise erwünschten Abschirmung ferner das Problem, dass beispielsweise Messaufbauten, welche in den aus Kohlefaserkunststoffen bestehenden Strukturelementen appliziert werden, elektromagnetisch abgeschirmt sind und eine Funkverbindung unterbunden ist. Zur Messung verschiedener Messgrößen, welche beispielsweise an Rotorblättern, die aus Kohlefaserkunststoffen bestehen, aufgenommen werden, existiert eine Reihe von Messsensoren, welche sowohl die Signal- als auch die Leistungsübertragung mittels elektromagnetischer Wellen vornehmen. Aufgrund der abschirmenden Wirkung der kohlefaserverstärkten Kunststoffe gegenüber den elektromagnetischen Wellen sind derartige Messaufbauten jedoch nicht oder jedenfalls nur eingeschränkt innerhalb der Strukturbauteile anwendbar.
Die an den Rotorblättern aufgenommenen physikalischen Größen können beispielsweise Luftdruck, Eisdicke, Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsrichtung oder mechanische Belastungen sein, welchen der Rotor ausgesetzt ist. Zur Signal- und/oder Leistungsübertragung wird häufig eine konventionelle elektrische Kontaktierung der Messsensoren vorgenommen, was das Verlegen von elektrischen Kabeln innerhalb des Rotorblattes erfordert, und mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Signalübertragung in einem Strukturbauteil aus kohlefaserverstärktem Kunststoff mit einem innerhalb des Strukturbauteils integrierten Signalgeber dahingehend zu verbessern, dass eine einfache Signal- und/oder Leistungsübertragung des Signalgebers an einen außerhalb oder innerhalb der Struktur angeordneten Signalempfänger möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Signal- und/oder Leistungsübertragung eine Ankopplung wenigstens einer Strukturkomponente an einen Signalgeber, beispielsweise einen Messsensor, aufweist, so dass die Signal- und/oder Leistungsübertragung durch die Strukturkomponente erfolgt.
Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass zunächst das Strukturbauteil aus einer Vielzahl von einzelnen Strukturkomponenten aufgebaut ist. Im Wesentlichen umfassen diese Strukturbauteile festigkeitsbildende Komponenten wie beispielsweise kohlefaserverstärkte Kunststoffe, glasfaserverstärkte Kunststoffe, metallische Komponenten sowie diverse weitere Funktionskomponenten. Die Ankopplung der Strukturkomponente an den Messsensor ermöglicht eine Signal- und/oder Leistungsübertragung durch die Strukturkomponente selbst. Vorteilhafterweise sind die Strukturkomponenten in Rotorblättern von Hubschraubern in Längsrichtung des Rotorblattes verlegt, so dass ein im Bereich der Blattspitze angeordneter Messsensor über eine Strukturkomponente des Strukturbauteils kontaktierbar bzw. ankoppelbar ist, so dass das Signal bzw. die Leistungsankopplung des Messsensors an der Blattwurzel erfolgen kann. Die Ankopplung der Strukturkomponente an den Messsensor kann dabei eine elektrische Kontaktierung, eine kapazitive Kopplung, eine induktive Kopplung oder sogar eine optische Anbindung betreffen.
Die Strukturbauteile können ein Rotorblatt eines Luftfahrzeugs und/oder einer Windkraftanlage sein, wobei auch die Möglichkeit gegeben ist, dass das Strukturbauteil wenigstens ein Teil einer Tragfläche und/oder eines Leitwerkes und/oder eines Rumpfes des Luftfahrzeugs ist. Auch sind Strukturbauteile für Land- und Seefahrzeuge sowie stationäre Anwendungen von der Erfindung umfasst.
Vorteilhafterweise ist die an den Messsensor angekoppelte Strukturkomponente eine Kohlefaser des kohlefaserverstärkten Kunststoffes (CFK), wobei diese zumindest als Wellenleiter zur Signalübertragung dient. Ferner ist die Möglichkeit gegeben, dass die an den Messsensor angekoppelte Strukturkomponente ein Bündel von Kohlefasern des kohlefaserverstärkten Kunststoffes (CFK) ist. Gemäß dieses Ausführungsbeispiels erfolgt eine Ankopplung an die Kohlefasern bzw. an das Kohlefaserbündel durch die Antenne am Messsensor. Jedoch entsteht dabei kein gewöhnlicher rechteckiger Wellenleiterquerschnitt, sondern eine vergleichsweise komplizierte Form, so dass die benötigte Frequenz relativ hoch ist. Dies ist jedoch mit einer entsprechenden Adaption der Übertragungsfrequenz der elektromagnetischen Welle anpassbar. Somit erfolgt die Signalübertragung der elektromagnetischen Welle nicht durch die Luft, sondern durch die Kohlefasern. Ebenso besteht die Möglichkeit, den gesamten Kohlefaserbereich des Rotorblattes zur Ankopplung an die Antenne des Messsensors zu verwenden. Die Auskopplung erfolgt dabei in der Blattwurzel. Die einzelnen Kohlefasern bzw. die Kohlefaserbündel können elektrisch gegenüber den restlichen Komponenten des Strukturbauteils isoliert sein, wobei die Isolation entweder mittels der Matrix oder mittels zwischenschichtigen Glasfaserkomponenten oder anderen nicht elektrisch leitenden Komponenten erfolgt.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Kohlefaser und/oder das Kohlefaserbündel mit dem Messsensor elektrisch kontaktiert sind. Eine elektrische Kontaktierung ermöglicht die Leitung eines elektrischen Stroms zur Leistungsversorgung oder zur Signalübertragung des Messsensors, wobei die Leitung des elektrischen Stroms wenigstens vom Messsensor bis an die Blattwurzel erfolgen kann.
Vorteilhafterweise umfassen die Messsensoren Oberflächenwellensensoren (OFW), welche wenigstens eine Antenne zur Signal- und/oder Leistungsankopplung aufweisen. Derartige Oberflächenwellensensoren basieren auf akustischen Oberflächenwellen, welche auch als Surface Acoustic Wave (SAW) bezeichnet werden. Ein SAW-Messsensor besteht aus einem piezoelektrischen Substratkristall, auf dem metallische Strukturen aufgebracht werden.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung sind die Oberflächenwellensensoren (OFW) an einzelne Kohlefasern oder Kohlefaserbündel mittels einer kapazitiven und/oder induktiven Kopplung zur Signal- und/oder Leistungsübertragung angebunden. Dabei kann es ausreichend sein, dass eine am Messsensor vorhandene Antenne zumindest auf einem Abschnitt parallel zu einer Kohlefaser oder zu einem Kohlefaserbündel angeordnet ist. Der Abstand zwischen der Kohlefaser und der Antenne sollte ausreichend gering sein, um die kapazitive und/oder induktive Kopplung zu realisieren.
Die Kopplung entsteht durch eine Schwingungsanregung der Kohlefaser, welche durch die in dem Antennenkörper selbst vorhandene Schwingung hervorgerufen wird. Im anderen Fall, d.h. bei einer Signalübertragung von der Kohlefaser an die Antenne, erfolgt eine Schwingungsanregung der Antenne durch eine Schwingung in der Kohlefaser selbst, welche wiederum wurzelseitig im Rotorblatt eingeleitet wird. Um eine Schwingungsanregung der verschiedenen elektromagnetischen Schwingkreise mit unterschiedlichen Längen zu realisieren, kann die Antenne des Messsensors entsprechend modifiziert werden, wobei auch eine Modifikation der Kohlefaser möglich ist, beispielsweise in der Länge. Auch hierbei ist zu bedenken, dass die Kohlefaser bei einer kapazitiven oder induktiven Kopplung an die Antenne oder an den Messsensor selbst isoliert werden muss. Die Isolation kann im Allgemeinen auch bei einer kapazitiven oder induktiven Ankopplung mittels Glasfaserschichten bewirkt werden, oder direkt auf der elektrisch nicht leitenden Matrix beruhen.
Gemäß eines weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiels der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die an den Messsensor angekoppelte Strukturkomponente des Strukturbauteils ein Lichtwellenleiter, wie beispielsweise ein Glasfaserkabel, ist. Das Glasfaserkabel kann innerhalb des Rotorblattes verlegt sein, und somit zugleich als Strukturkomponente angesehen werden. Jedoch ergibt sich aufgrund der optischen Leitfähigkeit der Glasfaser der Vorteil, dass mittels eines elektrooptischen Wandlers seitens des Messsensors als auch seitens der Ankopplung des Strukturbauteils in der Blattwurzel eine einfache elektrische Komponente ausreichend sein kann. Diese kann im einfachsten Fall eine Leuchtdiode umfassen, welche Licht in Richtung der Endfläche der Glasfaser sendet, dass nach Eintritt in die Glasfaser innerhalb dieser geleitet wird. Sobald das Lichtsignal entsprechend moduliert wird, ist eine Signalübertragung durch das Glasfaserkabel selbst möglich.
Vorteilhafterweise umfasst die an den Messsensor angekoppelte Strukturkomponente ein Erosionsschutzelement, welches mit dem Messsensor elektrisch kontaktierbar ist, um eine Signal- und/oder Leistungsübertragung zu schaffen. Derartige Erosionsschutzelemente sind beispielsweise Blechkomponenten, welche an der Vorderkante des Rotorblattes in Rotationsrichtung aufgebracht werden. Diese Erosionsschutzelemente sind i.d.R. aus elektrisch leitenden Legierungen hergestellt. Somit bietet sich die Möglichkeit, einen beispielsweise im Bereich der Profilnase angeordneten Messsensor über ein ohnehin vorhandenes Erosionsschutzelement mit der Blattwurzel zu kontaktieren. Verläuft der Erosionsschutz nicht vollständig von Blattspitze bis -wurzel, kann der Datentransfer (z.B. Kommunikation zwischen zwei Sensoren) zumindest im Bereich des Erosionsschutzes erfolgen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in Unteransprüchen angegeben oder werden nachfolgend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
1a eine erste Anordnung in einer perspektivischen Ansicht, worin ein Strukturbauteil mit einem Messsensor kapazitiv gekoppelt ist;
1b eine zweite Anordnung in einer perspektivischen Ansicht, worin ein als Strukturbauteil integrierter Lichtwellenleiter mit einem Messsensor gekoppelt ist; und
2 eine schematische Darstellung eines Messsensors, welcher über eine Antenne verfügt, die an eine Strukturkomponente angekoppelt ist.
Die gezeigten Figuren sind rein beispielhaft schematisch. Gleiche oder ähnliche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in 1a und 1b gezeigten perspektivischen Ansichten zeigen zunächst einen Messanordnung 1 in einem Strukturbauteil 2, welches aus Strukturkomponenten, umfassend einen kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK), aufgebaut ist, wobei ferner ein Messsensor 3 im Bereich der Blattspitze 10 zur Aufnahme wenigstens einer physikalischen Größe im Strukturbauteil 2 selbst integriert ist. Der dargestellte Messsensor 3 kann beispielsweise als SAW-Messsensor ausgeführt sein, wobei damit physikalische Messgrößen wie Druck, Eisdicke, Strömungsgeschwindigkeit oder auch eine Strömungsrichtung gemessen werden können. Das Strukturbauteil 2 ist als Rotorblatt dargestellt, welches sich von einer Blattwurzel 9 bis zur Blattspitze 10 erstreckt. An der Profilnase des Rotorblatts ist ein Erosionsschutzelement 7 angeordnet. Das Strukturbauteil 2 weist mehrere Strukturkomponenten auf, zu denen gemäß der Darstellung in 1a und 1b Kohlefasern 5, ein Lichtwellenleiter 6 sowie das Erosionsschutzelement 7 zählen. Diese Strukturkomponenten sind in Längsrichtung des als Rotorblatt ausgeführten Strukturbauteils 2 angeordnet.
Bei einer Ankopplung der an dem Messsensor 3 angebrachten Antenne 4 an zumindest eine der Strukturkomponenten ergibt sich somit die Möglichkeit, den außenseitig im Bereich der Blattspitze 10 angeordneten Messsensor 3 mit Auskoppelkomponenten im Bereich der Blattwurzel 9 zu kontaktieren, so dass die Signal- und/oder Leistungsübertragung mittels zumindest einer der Strukturkomponenten 5, 6 oder 7 erfolgt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1a ist die Kohlefaser 5 durch eine kapazitive Kopplung mit der Antenne 4 des Messsensors 3 verbunden, so dass die Kohlefasern 5, welche als Faserbündel zusammengefasst sind, eine Signal- und Leistungsübertragung ermöglichen. In der Blattwurzel 9 ist eine – nicht dargestellte – Auskoppeleinheit vorgesehen, um die Kontaktierung über die Strukturkomponente 5 mit einem Steuergerät 8 zu schaffen. Das Steuergerät 8 ist im vorliegenden Beispiel in der Gondel eines Hubschraubers angeordnet.
Im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 1b erfolgt die Kopplung durch einen Lichtwellenleiter 6, der durch Zwischenschaltung eines nicht gezeigten optoelektronischen Signalwandlers mit dem Messsensor 3 verbunden ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist in der Blattwurzel 9 ist eine – nicht dargestellte – Auskoppeleinheit vorgesehen, die das optische Signal wieder in ein elektrisches Signal wandelt und die Strukturkomponente 6 mit einem Steuergerät 8 verbindet.
2 zeigt schematisch die kapazitive Kopplung zwischen der Antenne des Messsensors 3 und zumindest einer Kohlefaser 5. Der Messsensor 3 ist als Oberflächenwellensensor dargestellt, wobei ein Oberflächenwellensensor (OFW) auch als Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor bezeichnet wird. Ein SAW-Messsensor umfasst ein piezoelektrisches Substratkristall, auf welchem metallische Strukturen aufgebracht werden. Der SAW-Messsensor steht über der Antenne 4 und den Kohlefasern 5 in Funkverbindung mit einem – hier nicht dargestellten – Steuergerät. Aufgrund der parallelen einen geringen Abstand aufweisenden Anordnung zwischen der Antenne 4 und der Kohlefaser 5 kann eine kapazitive Kopplung hervorgerufen werden, so dass die Schwingungsanregung durch die Antenne 4 in die Kohlefaser 5 hinein erfolgt. Ebenso ist denkbar, dass die Kohlefaser 5 seitens der Blattwurzel 9 schwingungsangeregt wird, so dass die Schwingungsanregung auf die Antenne 4 übertragbar ist. Die Kohlefaser 5 ist als einzelne Faser dargestellt, jedoch kann diese auch als Faserbündel ausgeführt sein.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

1: Messaufbau
2: Strukturbauteil
3: Messsensor
4: Antenne
5: Kohlefaser
6: Lichtwellenleiter
7: Erosionsschutzelement
8: Steuergerät
9: Blattwurzel
10: Blattspitze

Claims

Anordnung (1) zur Signalübertragung in einem Strukturbauteil (2) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK), wobei eine Signal- und/oder Leistungsübertragung zwischen einem Signalgeber (3) und einem Signalempfänger (8) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ankopplung wenigstens einer, vorzugsweise eine Vorzugsrichtung aufweisenden Strukturkomponente an den Signalgeber (3) zur Signal- und/oder Leistungsübertragung durch die Strukturkomponente vorgesehen ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Signalgeber (3) ein Messsensor und als Signalempfänger (8) ein Steuergerät vorgesehen ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (2) ein Rotorblatt eines Luftfahrzeugs und/oder einer Windkraftanlage ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (2) wenigstes ein Teil einer Tragfläche und/oder eines Leitwerkes und/oder eines Rumpfes des Luftfahrzeugs ist.
Anordnung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Signalgeber (3) angekoppelte Strukturkomponente eine Kohlefaser (5) des kohlefaserverstärkten Kunststoffes (CFK) ist, wobei diese zumindest als Wellenleiter zur Signalübertragung dient.
Anordnung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Messsensor (3) angekoppelte Strukturkomponente ein Bündel von Kohlefasern (5) des kohlefaserverstärkten Kunststoffes (CFK) ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlefaser (5) und/oder das Kohlefaserbündel mit dem Signalgeber (3) elektrisch kontaktiert sind.
Anordnung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (3) als Oberflächenwellensensor (OFW) ausgestaltet ist, welcher wenigstens eine Antenne (4) zur Signal- und/oder Leistungsankopplung aufweist.
Anordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenwellensensor (OFW) an einzelne Kohlefasern (5) oder Kohlefaserbündel mittels einer kapazitiven und/oder induktiven Kopplung zur Signal- und/oder Leistungsübertragung angebunden sind.
Anordnung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Signalgeber (3) angekoppelte Strukturkomponente des Strukturbauteils (2) ein Lichtwellenleiter (6), vorzugsweise ein Glasfaserkabel ist.
Anordnung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Signalgeber (3) angekoppelte Strukturkomponente ein Erosionsschutzelement (7) ist, welches mit dem Messsensor (3) elektrisch kontaktierbar ist, um eine Signal- und/oder Leistungsübertragung zu schaffen.