DE102007018082A1 - Fiber composite transmission shaft for driving airfoil wing of airplane, has metal flanges inserted in end regions of shaft, and layer structure symmetrical to thickness, fiber volume portions and angle of carbon and glass fiber layers - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transmissionswelle aus Faserverbundwerkstoffen, insbesondere zum Antrieb der Flügelklappen eines Flugzeugs, mit einer oder mehreren Kohlefaser-Lagen und einer oder mehreren Glasfaser-Lagen. Die Erfindung betrifft des weiteren ein Flugzeug mit der erfindungsgemäßen Transmissionswelle.The present invention relates to a transmission shaft made of fiber composite materials, in particular for driving the wing flaps of an aircraft, with one or more carbon fiber layers and one or more fiberglass layers. The invention further relates to an aircraft with the transmission shaft according to the invention.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transmissionswelle aus Faserverbundwerkstoffen insbesondere zum Antrieb der Flügelklappen eines Flugzeuges. Solche Antriebswellen für die Klappen insbesondere der Flügelvorderkante (Slat Actuation System) und der Flügelhinterkante (Flap Actuation System) ersetzen zunehmend die früher üblichen Transmissionswellen aus Stahl.The The present invention relates to a transmission shaft made of fiber composite materials in particular for driving the wing flaps of an airplane. Such drive shafts for the flaps in particular the wing leading edge (Slat Actuation System) and the wing trailing edge (Flap Actuation System) increasingly replace the previously customary transmission waves from steel.
Jedoch
ist die Auslegung einer für
den Anwendungsfall optimierten Welle äußerst komplex, so dass diese
bei Stahlwellen oder den bekannten Transmissionswellen aus Kohlefaser
nicht zufriedenstellend möglich
war. Insbesondere müssen
bei der Auslegung folgende 13 Kriterien berücksichtigt werden:
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine auf alle Auslegungskriterien optimierbare Transmissionswelle zur Verfügung zu stellen. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schichtaufbau zur Verfügung zu stellen, welcher insbesondere eine optimale Schlagbeständigkeit garantiert.task It is the object of the present invention to all design criteria to provide an optimizable transmission wave. Farther It is an object of the present invention to provide a layer structure for disposal to provide, which in particular an optimal impact resistance guaranteed.
Eine solche optimale Auslegung einer Transmissionswelle aus Faserverbundwerkstoffen insbesondere zum Antrieb der Flügelklappen eines Flugzeugs ergibt sich nun gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung dadurch, dass die Transmissionswelle aus einer oder mehreren Kohlefaserlagen und einer oder mehreren Glasfaserlagen besteht. Während im Stand der Technik lediglich Transmissionswellen verwendet wurden, welche aus mehreren Kohlefaserlagen bestanden, ermöglicht die erfindungsgemäße Kombination aus Glasfaserlagen und Kohlefaserlagen insbesondere ein optimales Impact Verhalten der Transmissionswellen sowie eine optimale Anpassung an die übrigen Auslegungskriterien.A Such optimal design of a transmission shaft made of fiber composites in particular for driving the wing flaps of an aircraft is now according to claim 1 of the present invention Invention characterized in that the transmission shaft of one or more Carbon fiber layers and one or more fiberglass layers. While In the prior art only transmission waves were used, which consisted of several carbon fiber layers, allows the combination of the invention From fiberglass layers and carbon fiber layers in particular an optimal Impact behavior of the transmission waves as well as an optimal adaptation to the rest Design criteria.
Dabei können die ersten 12 dieser 13 Auslegungskriterien durch aufwendige Berechnungen bestimmt werden, wobei sich durch die Verwendung von Kohlefaser- und Glasfaserlagen eine erheblich bessere Möglichkeit zur Anpassung an den Anwendungsfall ergibt. Versuche mit verschiedenen Entwicklungswellen haben jedoch gezeigt, dass der Aufbau der Transmissionswellen einen rein rechnerisch bisher nicht erfaßbaren Einfluß auf das Impact Verhalten der Transmissionswellen hat.there can the first 12 of these 13 design criteria through elaborate calculations which are determined by the use of carbon fiber and glass fiber layers a much better option to adapt to the application. Try different ones Development waves, however, have shown that the structure of the transmission waves a mathematically unimaginable influence on the Impact behavior of the transmission waves has.
Um dennoch ein optimales Impact Verhalten der Transmissionswellen zu erreichen, waren deshalb aufwendige Versuche zur Bestimmung der Impact-Schädigung nötig.Around nevertheless an optimal impact behavior of the transmission waves were therefore consuming attempts to determine the Impact damage necessary.
Insbesondere war es hierbei notwendig, ein Verfahren zu entwickeln, mit welchem auch Schädigungen im inneren der Wellenwände erkannt werden konnten. Den größten Entwicklungsfortschritt bei Transmissionswellen aus Faserverbundwerkstoffen bezüglich des Impact Verhaltens erzielt man dabei über die Beherrschung des Rißfortschritts in der Welle und insbesondere zwischen den Lagen. Durch Anpassen eines Computer-Tomographieverfahrens, welches wie die meisten Prüfverfahren auf Erkenntnissen aus dem Metallbau basiert, wurde es dabei möglich, solche Schädigungen zu entdecken und einen optimalen Aufbau einer Transmissionswelle bezüglich der oben genannten 13 Auslegungskriterien und insbesondere der Schlagbeständigkeit zu entwickeln.Especially It was necessary to develop a procedure with which also damages in the inside of the corrugated walls could be recognized. The biggest development progress in transmission shafts made of fiber composite materials with respect to Impact behavior is achieved by mastering the crack progression in the wave and especially between the layers. By adjusting a computer tomography method, which like most test methods Based on findings from the metal industry, it was possible, such damage to discover and optimal construction of a transmission shaft in terms of the above 13 design criteria and in particular the impact resistance to develop.
Diese Untersuchungen und Tests haben ergeben, dass durch eine symmetrische Auslegung der Wellenwände ein optimales Impact-Verhalten erreicht werden kann, während die weitere Auslegung der Transmissionswellen bezüglich der übrigen Kriterien über die Anpassung der Lagenstärken, Lagenarten, Lagenwinkel, Faservolumenanteile und Harze möglich ist.These Investigations and tests have shown that by a symmetric Design of the shaft walls an optimal impact behavior can be achieved while the further design of the transmission waves with respect to the other criteria concerning Adaptation of the layer thicknesses, Layer types, layer angles, fiber volume fractions and resins is possible.
Vorteilhafterweise ist der Schichtaufbau dabei zumindest bezüglich der Faserart der Lagen symmetrisch. Durch einen solchen symmetrischen Aufbau der Transmissionswellen-Wand, bei der damit zumindest beide Decklagen aus der gleichen Faserart sind und mindestens eine innere Lage aus einer anderen Faserart besteht, ergeben dabei ein besonders gutes Impact Verhalten.advantageously, the layer structure is at least with respect to the fiber type of the layers symmetric. By such a symmetrical structure of the transmission wave wall, in the case of at least both cover layers of the same fiber type and at least one inner layer is made of another type of fiber, result in a particularly good impact behavior.
Weiterhin vorteilhafterweise ist der Schichtaufbau der erfindungsgemäßen Transmissionswelle bezüglich der Dicke der Lagen im wesentlichen symmetrisch. Durch diesen im wesentlichen symmetrischen Aufbau der Wand der Transmissionswelle bezüglich der Dicke der Lagen ergibt sich ebenfalls ein verbessertes Verhalten der Transmissionswellen insbesondere bezüglich der Schlagbeständigkeit.Farther Advantageously, the layer structure of the transmission shaft according to the invention in terms of the thickness of the layers is substantially symmetrical. Through this in the essential symmetrical structure of the wall of the transmission shaft in terms of The thickness of the layers also results in an improved behavior the transmission waves in particular with respect to impact resistance.
Weiterhin vorteilhafterweise ist der Schichtaufbau bezüglich des Faservolumenanteils der Lagen im wesentlichen symmetrisch. Ebenso ist er vorteilhafterweise bezüglich der verwendeten Harze symmetrisch. Weiterhin vorteilhafterweise ist der Schichtaufbau der erfindungsgemäßen Transmissionswelle bezüglich der Lagenwinkel im wesentlichen symmetrisch.Farther Advantageously, the layer structure with respect to the fiber volume fraction the layers are substantially symmetrical. Likewise, it is advantageously in terms of the resins used are symmetrical. Further advantageously is the layer structure of the transmission shaft according to the invention with respect to the position angles essentially symmetrical.
Bezüglich der verwendeten Faser-Lagen haben die Untersuchungen weiterhin ergeben, dass eine Decklage aus Kohlefasern mit einer darunter liegenden Glasfaserlage eine besonders hohe Schlagbeständigkeit ergibt. Die vorliegende Erfindung umfaßt deshalb weiterhin eine Transmissionswelle aus Faserverbundwerkstoffen, deren äußere Decklage von einer Kohlefaserlage gebildet wird. Dabei ist eine solche Decklage aus Kohlefaser auch ohne einen symmetrischen Aufbau der Wellenwand von großem Vorteil, wobei sich jedoch eine besonders hohe Schlagfestigkeit in Verbindung mit einem symmetrischen Aufbau ergibt. Besonders gute Ergebnisse lassen sich deshalb erzielen, wenn zumindest beide Decklagen der Transmissionswelle von Kohlefaserlagen gebildet werden.Regarding the used fiber layers have further revealed the investigations, that a cover layer of carbon fibers with an underlying Fiberglass layer gives a particularly high impact resistance. The present Invention Therefore, a transmission shaft made of fiber composite materials, their outer cover layer is formed by a carbon fiber layer. In this case, such a cover layer is made Carbon fiber also without a symmetrical structure of the wave wall of great Advantage, but with a particularly high impact resistance in conjunction with a symmetrical design results. Especially good Results can therefore be achieved if at least both cover layers the transmission wave of carbon fiber layers are formed.
Es ergeben sich aber auch schon Vorteile bezüglich des Impactverhaltens, wenn die innere Decklage von einer Kohlefaserlage gebildet wird. Die vorliegenden Erfindung umfasst deshalb weiterhin eine Transmissionswelle, deren innere Decklage von einer Kohlefaserlage gebildet wird.It but there are already advantages in terms of impact behavior, when the inner cover layer is formed by a carbon fiber layer. The present invention therefore further comprises a transmission shaft, whose inner cover layer is formed by a carbon fiber layer.
Die aufwendigen Versuche haben dabei ergeben, dass sich besonders gute Ergebnisse erzielen lassen, wenn die Transmissionswelle mindestens drei Kohlefaserlagen und mindestens zwei Glasfaserlagen umfaßt, wobei die Kohlefaserlagen die beiden Decklagen und eine innere Lage bilden, und wobei sich zwischen den Decklagen und der inneren Lage jeweils Glasfaserlagen befinden. Hierdurch läßt sich eine Transmissionswelle erreichen, welche alle Auslegungskriterien hervorragend erfüllt, wobei ein möglichst symmetrischer Aufbau zusätzliche Vorteile bringt.The Extensive experiments have shown that are particularly good Results can be achieved when the transmission shaft at least three carbon fiber layers and at least two fiberglass layers, wherein the carbon fiber layers form the two cover layers and an inner layer, and being between the topsheets and the inner layer respectively Fiberglass layers are located. This allows a transmission wave which perfectly meets all the design criteria, wherein one possible symmetrical construction additional Benefits.
Weiterhin vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Transmissionswelle naßgewickelt. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wellen aus nur einer Fasersorte, welche im Prepreg-Verfahren hergestellt werden, ergibt sich im Vergleich zum Naßwickelverfahren, welches in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, eine erheblich geringere Flexibilität beim Lagenaufbau und der Lagenorien tierung. Insbesondere ist dabei in Abhängigkeit von der Bänderbreite immer nur ein relevanter Lagenwinkel möglich. Mit solchen Prepregs lassen sich dadurch aber die 12 berechenbaren Auslegungskriterien nur in eingeschränktem Maße punktgenau verwirklichen, so dass mit Prepregs keine optimalen Transmissionswellen verwirklicht werden können.Farther Advantageously, the transmission shaft according to the invention is wet-rolled. In the waves known from the prior art of only one Fiber grade, which are produced in the prepreg process results in comparison to the wet winding method, which is used in the present invention, a considerable less flexibility layering and layer orientation. In particular, it is here dependent on from the strip width only one relevant position angle possible. With such prepregs But this allows the 12 calculable design criteria only in limited Measurements with pinpoint accuracy realize, so that with prepregs no optimal transmission waves can be realized.
Die vorliegende Erfindung umfaßt daher weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Transmissionswelle mit einem wie oben beschriebenen Aufbau der Lagen, wobei diese naßgewickelt werden. Durch dieses Verfahren ergeben sich die oben genannten Vorteile ebenfalls.The present invention Therefore, a method for producing a transmission shaft with a structure of the layers as described above, being wet-rolled become. By this method, the above advantages result also.
Weiterhin vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Transmissionswelle in ihren Endbereichen insbesondere durch Doppler verstärkt ausgeführt. Dies ermöglicht einen Aufbau, welcher zur Verbindung mit weiteren Elementen optimiert ist.Farther Advantageously, the transmission shaft according to the invention is in their End areas performed in particular reinforced by Doppler. This allows one Construction, which optimizes for connection with other elements is.
Die vorliegende Erfindung umfaßt dabei weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Transmissionswelle mit verstärkten Endbereichen, mit den Schritten: Herstellen der Transmissionswelle, insbesondere durch Naßwickeln der Lagen; Ablängen der Transmissionswelle; Verstärken der Endbereiche der Transmissionswelle, insbesondere durch Anbringen von Dopplern. So können die Transmissionswellen in großer Stückzahl in einer einheitlichen Länge hergestellt werden, was insbesondere bei dem relativ komplexen Lagenaufbau der erfindungsgemäßen Transmissionswellen erhebliche Kostenvorteile mit sich bringt. Die einheitlich hergestellten Transmissionswellen werden dann auf die für den spezifischen Einsatz benötigten Längen abgelängt, woraufhin die Endbereich insbesondere durch das Anbringen von Dopplern verstärkt werden.The present invention while still a method for producing a transmission shaft with reinforced End sections, with the steps: producing the transmission shaft, in particular by wet winding the layers; Shorten the transmission shaft; strengthen the end portions of the transmission shaft, in particular by attaching from Dopplers. So can the transmission waves in large quantity in a uniform length be prepared, which is particularly in the relatively complex layer structure the transmission waves according to the invention brings significant cost benefits. The uniformly manufactured Transmission waves are then applied to the specific application required lengths cut to length, whereupon the end region in particular by the attachment of Doppler reinforced become.
Bei den erfindungsgemäßen Transmissionswellen aus Faserverbundstoffen ergibt sich weiterhin das Problem, dass diese mit Metallflanschen verbunden werden müssen. Auch diese Verbindung aus Transmissionswelle und Metallflansch muß dabei den oben genannten Auslegungskriterien entsprechen. Insbesondere bedarf es dabei einer Verbindung, welche zwei unabhängige, gleichwertige Lastpfade zur Verfügung stellt.at the transmission waves according to the invention made of fiber composites remains the problem that These must be connected with metal flanges. Also this connection from transmission shaft and metal flange must be the above Design criteria. In particular, it requires one Connection, which two independent, equivalent load paths available provides.
Die vorliegende Erfindung umfaßt daher weiterhin eine Transmissionswelle, in deren zylinderförmige Endbereiche Metallflansche eingeschoben sind. Durch dieses Einschieben der ebenfalls zylinderförmigen Metallflansche in die zylinderförmigen Endbereiche der Transmissionswelle ergibt sich eine besonders gute Verbindung zwischen Transmissionswelle und Flanschen.The present invention Therefore, continue a transmission shaft, in the cylindrical end portions Metal flanges are inserted. By inserting the same cylindrical Metal flanges in the cylindrical End portions of the transmission shaft results in a particularly good Connection between transmission shaft and flanges.
Weiterhin vorteilhafterweise sind die Metallflansche dabei mit dem zylinderförmigen Endbereichen der Transmissionswelle vernietet und verklebt, und zwar insbesondere so, dass beide Verbindungen einen eigenständigen gleichwertigen und zum Betrieb der Transmissionswelle ausreichenden Lastpfad darstellen. Durch diese Verklebung und Vernietung der zylinderförmigen Endbereiche der Transmissionswelle mit den ebenfalls zylinderförmigen Bereichen der Flansche ergibt sich eine optimale Verbindung zwischen Transmissionswelle und Flanschen, welche insbesondere auch den Anforderungen an zwei unabhängige Lastpfade genügt.Farther Advantageously, the metal flanges are with the cylindrical end portions riveted and glued the transmission shaft, and in particular so that both connections have an independent equivalent and to Operation of the transmission wave represent sufficient load path. By this bonding and riveting of the cylindrical end portions the transmission shaft with the likewise cylindrical areas the flanges results in an optimal connection between the transmission shaft and Flanges, which in particular also the requirements for two independent load paths enough.
Für den Fachmann ist dabei offensichtlich, dass die oben beschriebene Verbindungen zwischen Transmissionswelle und Metallflanschen unabhängig von dem Aufbau der Transmissionswelle von großem Vorteil ist. Besondere Vorteile ergeben sich aber insbesondere bei der Verwendung einer Transmissionswelle, welche sowohl Lagen aus Kohlefaser als auch Lagen aus Glasfaser aufweist, da sich durch die Verwendung der Verklebung sowie der Vernietung im Zusammenspiel mit dem Lagenaufbau eine Verbindung herstellen läßt, welche für alle Auslegungskriterien optimiert werden kann.For the expert It is obvious that the connections described above between transmission shaft and metal flanges independent of the construction of the transmission shaft is of great advantage. Special But there are advantages in particular when using a Transmission shaft, which both layers of carbon fiber as well Layers of fiberglass, as reflected by the use of bonding and the riveting in conjunction with the layer structure a connection which can be produced for all Design criteria can be optimized.
Die vorliegende Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Transmissionswelle mit einer solchen Verbindung mit Metallflanschen, mit den Schritten: Herstellen der Transmissionswelle, insbesondere durch Naßwickeln der Lagen; Ablängen der Transmissionswelle; Einschieben und Verkleben der Metallflansche in den zylinderförmigen Endbereichen der Transmissionswelle; Aushärten lassen der Verklebung; Einbringen der Bohrungen für die Vernietung in radialer Richtung durch die zylinderförmigen Endbereiche der Transmissionswelle und die Flansche; Vernieten der zylinderförmigen Endbereiche der Transmissionswelle und der Flansche. So läßt sich auf einfache Art und Weise die oben beschriebenen Verbindung zwischen Transmissionswelle und Flanschen herstellen, wobei insbesondere das Bohren der Löcher für die Vernietung nach Aushärten der Verklebung im Vergleich zur Verwendung von vorgebohrten Flanschen und Transmissionswellen eine erhebliche Vereinfachung bei zugleich erhöhter Paßgenauigkeit ergibt.The present invention Furthermore, a method for producing a transmission shaft with such a connection with metal flanges, with the steps: Producing the transmission shaft, in particular by wet winding the layers; Shorten the transmission shaft; Insertion and bonding of metal flanges in the cylindrical End portions of the transmission shaft; Allow curing of the bond; Inserting the holes for the riveting in the radial direction through the cylindrical end portions the transmission shaft and the flanges; Riveting the cylindrical end portions the transmission shaft and the flanges. So can be in a simple way and Do the above-described connection between transmission shaft and flanges, in particular drilling the holes for riveting after Harden the bonding compared to the use of pre-drilled flanges And transmission waves a significant simplification at the same time increased fitting accuracy results.
Vorteilhafterweise werden dabei die Endbereiche der Transmissionswelle nach dem Ablängen insbesondere durch das Anbringen von Dopplern verstärkt. Dies ergibt ein besonders kostengünstiges Herstellungsverfahren.advantageously, In this case, the end portions of the transmission shaft after cutting to length in particular reinforced by attaching Doppler. This makes a special cost-effective Production method.
Die vorliegende Erfindung umfaßt weiterhin ein Flugzeug mit einer der oben beschriebenen Transmissionswellen, insbesondere zum Antrieb der Flügelklappen und dabei insbesondere der Klappen der Flügelvorderkante und/oder der Flügelhinterkante. Offensichtlich ergeben sich für ein solches Flugzeug die gleichen Vorteile, wie sie oben für die Transmissionswelle beschrieben wurden.The present invention furthermore an aircraft with one of the transmission waves described above, in particular for driving the wing flaps and in particular the flaps of the wing leading edge and / or the Wing trailing edge. Obviously arise for such an aircraft has the same advantages as above for the transmission shaft have been described.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher dargestellt.The The present invention will now be described with reference to an embodiment and the drawings shown in more detail.
Dabei zeigen:there demonstrate:
Die
Flansche
Der
Aufbau der Transmissionswelle aus Faserverbundwerkstoffen ist nun
in
Der Aufbau ist auch bezüglich des Faservolumenanteils, der Harze sowie bezüglich der Lagenwinkel im wesentlichen symmetrisch, wobei der Faservolumenanteil zu Erfüllung der entsprechenden Auslegungskriterien in einem weiten Band von 10 bis 70 Volumenprozent liegen kann.Of the Construction is also re the fiber volume fraction, the resins as well as with respect to the position angles substantially symmetric, where the fiber volume fraction to meet the appropriate design criteria in a wide band of 10 to 70 percent by volume.
Der oben gezeigte Aufbau aus fünf Lagen ermöglicht so eine optimale Anpassung der Transmissionswelle an sämtliche Auslegungskriterien und dabei insbesondere ein hervorragendes Impact-Verhalten bei dennoch vergleichsweise einfachem Aufbau, so dass sich optimale Leistung mit relativ geringen Herstellungskosten verbinden lassen.Of the Structure of five shown above Allows layers such an optimal adaptation of the transmission shaft to all Design criteria and in particular an excellent impact behavior nevertheless comparatively simple construction, so that optimal Connect performance with relatively low production costs.
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