DE2757965B2

DE2757965B2 - Schubübertragungselement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2757965B2
Application number: DE2757965A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.- Ing. 8190 Weidach Brunsch; Rudolf Ing.(Grad.) 8012 Riemerling Schindler; Emil Dipl.-Ing. 8011 Hohenbrunn Weiland
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1977-12-24
Filing date: 1977-12-24
Publication date: 1979-10-18
Also published as: IT1101337B; DE2757965A1; JPS5491584A; FR2412782B1; GB2013130A; US4201815A; FR2412782A1; DE2757965C3; IT7831104A0; GB2013130B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schubübertragungselement mit mehreren, an zumindest einer in Längsrichtung verlaufenden Verzweigungsstelle miteinander verbundenen, schubfesten Längsstegen, die jeweils aus Faserverbundwerkstoff mit zur Steglängsrichtung gegensinnig schräg geneigten, sich kreuzenden Einzelfasern bestehen, und ein Verfahren zur Herstellung eines selchen Schubübertragungselements.

Bei bekannten Schubübertragungselementen dieser Art, vgl. z. B. die DE-OS 24 19 999, mit etwa T- oder kreuzförmigem Querschnitt müssen die Längsstege an ihrer Verzweigungsstelle miteinander verklebt werden, so daß derartige Schubübertragungselemente wegen des an den Klebefugen unterbrochenen Faserverlaufs im Bereich der Verzweigungsstelle einen Festigkeitsknick haben und die Gefahr besteht, daß sich die Längsstege unter höheren Schub- bzw. Querkraftbelastungen an der Verzweigungsstelle voneinander lösen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schubübertragungselement der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine vergleichsweise hohe Querkraft- und Schubfestigkeil dadurch erreicht wird, daß auch unter großen Belastungen ein Aufreißen des Schubübertragungselements längs der Verzweigungsstelle der Längsstege verhindert wird.

•to Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lätigsstege sich an der jeweiligen Verzweigungsstelle gegenseitig durchsetzen und die Einzelfasern in jedem Längssteg durchgehend durch die Verzweigungsstelle von dem einen zu dem auf der gegenüberliegenden Seite der Verzweigungsstelle angeordneten anderen Stegabschnitt verlaufen.

Bei dem erfindungsgemäßen Schubübertragungselement sind aufgrund der besonderen Längssieg- und Faseranordnung an der Verzweigungsstelle keine Klebstoffugen zur Übertragung der in den Längsstegen wirksamen Schubbelastungen vorhanden, sondern vielmehr erstrecken sich die Einzelfasern ohne Unterbrechung durch die Verzweigungsstelle hindurch, so daß die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaftcn des Schubübertragungselements über den gesamten Querschnitt ungestört erhalten bleiben. Aufgrund dieses speziellen, werkstoff- und lastgünstigen Bauprinzips werden die sonst üblichen, örtlichen Schwachstellen im kritischen Verzweigungsbereich der Stege eliminiert, so

M> daß die Nutzfestigkeit des Schubübertragungselements beträchtlich gesteigert wird und auch hohe Qucrkräfte mit räumlich unterschiedlicher Wirkungsrichtung sicher und ohne örtliche Überbelastung übertragen werden.

Zur weiteren Erhöhung der Schubfestigkeit empfiehlt

fei es sich, daß jeder Längssteg aus mehreren, miteinander verbundenen Faserlagen mit in jeder Fascrlage unidirektionaler, zu der benachbarten Faserlage unterschiedlicher Faserrichtung bestellt. Unter Bcrüeksichli-

jung der anisotropen Materialeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen verlaufen in diesem Fall die Einzelfasern in jeder Faserlage vorzugsweise mit gleichförmigem Parallelabstand durch die Verzweigungsstelle, wobei eine besonders schubfeste Faseran-Ordnung dadurch erzielt wird, daß sich die Einzelfasern benachbarter Faserlagen unter 90° kreuzen und unter + bzw. —45° zur Steglängsrichtung geneigt sind.

Zweckmäßigerweise wird das Übertragungselement entweder im Web- oder im Wickelverfahren hergestellt.

Das Wickelverfahren zur Herstellung des Schubübertragungselements gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Wickeldornanordnung Verwendung findet, die in jeder der sich schneidenden Längsstegebenen eine gleiche Anzahl von jeweils beidseitig der Verzweigungsstelle angeordneten Paaren von Wickeldornen enthält, deren Durchmesser so ausgelegt sind, daß jeweils der Durchmesser des weiter von der Verzweigungsstelle entfernt liegenden Wickeldorns größer ist als der des näher zur Verzweigungsstel- m Ie gelegenen, jeweils benachbarten Wickeldorns, daß eine oder wenige schlaufenförmige Windungen eines Wickelfadens zunächst um ein Wickeldornpaar in der einen Ebene und dann um jeweils ein Wickeldornpaar nacheinander in den übrigen Ebenen gewickelt und anschließend in der gleichen Weise die rest.ichen Wickeldornpaare jeweils unter zyklischem Wechsel der Ebene mit einer oder wenigen, schlaufenförmigen Windungen belegt werden und dieser Wickelzyklu-. wiederholt wird, bis jedes Wickeldornpaar mit der jo gewünschten Anzahl von nebeneinanderliegenden Windungen besetzt ist, daraufhin die beiden Wickeldorne jedes Paares parallel zur Verzweigungsstelle entgegengesetzt zueinander und zu den in der zugeordneten Ebene jeweils benachbarten Wickeldornen verschoben ji werden, so daß die Windungen benachbarter Wickeldornpaaro in jeder Ebene gegensinnig schräg geneigt zur Verzweigungsstelle verlaufen, und schließlich die Wickelstruktur verpreßt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die einander durchsetzenden Faserlagen 4(1 unterschiedlicher Orientierung in einem dem fertigen Bauteil entsprechenden, räumlichen Muster durchgehend und mit geringem Zeit- und Arbeitsaufwand herzustellen.

Um Fehlorientierungen der Einzelfasern bis zur Fertigstellung des Schubübertragungselements zu verhindern, bleiben die Windungen zweckmäßigerweise beim Verpressen gespannt und im Schlaufenbereich fixiert, wobei die Schlaufenbereiche nach dem Verpressen und Aushirten abgetrennt werden können. Der ■> <> Wickelfaden, der etwa aus Glas- oder Kohlefasern besteht, wird zweckmäßigerweise in einen wärmehärtenden Kunststoff eingebettet, mit dem er vor und/oder nach dem Wickeln und vor dem Verpressen getränkt wird. In besonders bevorzugter Weise werden die in der « gleichen Ebene liegenden Wickeldornpaare mit einem durchlaufenden Wickelfaden bewickelt, so da¹) für jeden Längssteg nur jeweils ein Faden verwendet werden muß, der von einem entsprechenden Wickelarm um das jeweils angesteuerte Wickeldornpaar gelegt wird. wi

Wahlweise ist es jedoch auch möglich, jedes Wickcldornpaar durch eine eigene, entsprechend dem Wickelzyklüs intermittierend und für jeweils eine oder wenige Windungen wirksame Fadcnzuführung zu bewickeln. Andeierscits kann aber auch die gesamte ι.ί Wickelstruktur aus einem einzigen Wickelfaden hergestellt werden, was allerdings bei einer Mechanisierung des Wickelvorgangs eine mit zunehmender Anzahl der Wickeldornpaare kompliziertere Kinematik der Fadenzuführung zur Wickeldornanordnung erfordert.

Das Scliubübertragungselement findet vorzugsweise als toi-sionsweiches Rotorkopfteil für lagerlose Hubschrauber-Rotorsysteme oder im Flugzeugbau als Anschlußelement zur Verbindung der Tragflügelhaut mit einem Tragholm Verwendung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen

Fig. la bis Ic mehrere Ausführungsformen von Schubübertragungselementen mit jeweils unterschiedlichem Querschnitt,

F i g. 2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Schubübertragungselements zur Verdeutlichung der Faserorientierung,

F i g. 3 eine schematische perspektivische Darstellung einer Wickeldornanordnung zur Erläuterung des Wikkelverfahrens,

Fig.4 die Seitenansicht der Wickeldornanordnung gemäß F i g. 3,

Fig. 5 die Vorderansicht der Wickeldornanordnung nach den F i g. 3 und 4 unmittelbar vor dem Verpressen,

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine teilweise belegte Webrahmenanordnung zur Herstellung des Schubübertragungselements gemäß Fig. la,und

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie VII-ViI der Fig. 6, wobei der eine Webrahmen jedoch bereits teilweise verkippt ist.

In den Fig. la bis Ic sind drei verschiedene Ausführungsformen eines Schubübertragungselements 10 im Schnitt gezeigt. Das Schubübertragungselement gem. Fig. la hat einen kreuzförmigen Querschnitt und besteht aus zwei ebenen, schubfesten Längsstegen 12.1 und 12.2, die sich über die gesamte Länge der Verzweigungsstelle 14 gegenseitig durchsetzen und jeweils aus Faserverbundwerkstoff mit zur Steglängsrichtung unter ±45° geneigter Faserrichtung bestehen. Zur Erhöhung der aufnehmbaren Biege- bzw. Zug- oder Druckbelastungen sind die Längsstege 12.1 und 12.2 an ihren Außenrändern auf beiden Seiten mit Verstärkungsgurten 16.1 bzw. 16.2 aus Faserverbundwerkstoff mit unidirektionaler Faserrichtung versehen.

Das Schubübertragungselement 10 in Fig. Ib ist von ähnlicher Bauweise, enthält jedoch anstelle des Längsstegs 12.2 zwei parallele Längsstege 12.3 und 12.4. die den Läng:steg 12.1 längs der Verzweigungsstellen 14.1 bzw. 14.2 durchsetzen und an ihrem Außenrand jeweils mit einer Seite der Verstärkungsgurte 16.2 verklebt sind. Hierdurch erhöht sich die Schubfestigkeit in der Ebene der Längsstege 12.3 und 12.4, und durch die kastenförmige Querschnittsgeometrie dieser Längsstege und der zugeordneten Gurtabschnitte wird zugleich eine gewisse Torsionsfestigkeit erreicht. Das Schubübertragungselement 10 in Fig. Ic hat einen im wesentlichen T-förmigen Querschnitt und besteht aus drei Längsstegen 12.1, 12.2 und 12.3, die ebenfalls wieder aus Faserverbundwerkstoff mit gegensinnig schräg geneigter, sich kreuzender Faserrichtung hergestellt sind und deren Einzelfasern in jedem Längssteg durch die gemeinsame Verzweigungsstelle 14 der Längsstege hindurchlaufen. Zwischen die Außenränder der Längsstege sind wiederum Verstärkungsgurte 16.1 bzw. 16.2 bzw. 16.3 aus Faserverbundwerkstoff mit unidirektionaler Faserrichtuiig eingeklebt.

Zur Verdeutlichung der Faseranordnung ist in Fig. 2 das Schubübertragungselement 10 gemäß Fig. la. jedoch ohne die Verstärkungsgurte, perspektivisch dargestellt, leder Längssteg besteht aus Faserlagcn A

und B, die sich jeweils durch die Verzweigungsstelle 14 erstrecken und beispielsweise in Kunststoff, etwa Epoxydharz, eingebettet sind. Die Fasern der Faserlage A sind in der einen und die der Faserlage B in der entgegengesetzten Richtung schräg zur Verzweigungsstelle 14 geneigt, wie dies durch die Einzelfaser A 1 der Faserlage A und die Einzelfaser B 1 der Faserlage ßdes Längsstegs 12.2 verdeutlicht ist. Durch den im Bereich der Verzweigungsstelle 14 ununterbrochenen Fascrverlauf wird eine hohe Schubfestigkeit und -steifigkeit in den sich kreuzenden Ebenen der Längsstege 12.1 und 12.2 sichergestellt.

Die räumliche Faseranordnung der Schubübertragungselemente 10 wird im Wickel- oder Webverfahren erhalten. Das Wickelverfahren wird anhand der Herstellung eines Schubübertragungselements 10 nach den Fig. la bzw. 2 in Verbindung mit den Fig.3 bis 5 erläutert und erfolgt unter Verwendung einer Wickeldornanordnung, die in jeder Ebene der Längsstege 12.1, 12.2 ein äußeres Wickeldornpaar 18.1 bzw. 18.2 und ein inneres Wickeldornpaar 20.1 bzw. 20.2 enthält, die zur Schnittlinie der Ebenen, also der späteren Verzweigungsstelle 14 des Schubübertragungselements 10, parallel positioniert sind und von denen die äußeren Wickeldorne 18.1,18.2 einen größeren Durchmesser als die inneren Wickeldorne 20.1,20.2 haben. Beim Wickeln werden zunächst eine oder allenfalls wenige Windungen eines evtl. bereits mit Kunststoff getränkten Verstärkungsfadens schlaufenförmig um das Wickeldornpaar 18.2 geschlungen, wie dies durch die Windung 1 in den F i g. 3 und 4 gezeigt ist, dann wird das Wickeldornpaar 18.2 hinter der Windung 1 mit einer oder wenigen aufeinanderfolgenden Windungen 2 belegt, anschließend unter erneutem Wechsel der Wickeldornebene das Wickeldornpaar 20.2 bewickelt (Windung 3) und schließlich das Wickeldornpaar 20.1 mit der oder den Windungen 4 belegt. Dieser Wickelzyklus wird über die Windungen 5, 6, 7 ... (F i g. 4) forlgesetzt, bis jedes Wickeldornpaar mit der gewünschten Anzahl von Windungen besetzt ist. Natürlich folgen die Windungen 1, 2, 3 ... — anders als in den Fig. 3 und 4 der Deutlichkeit halber gezeigt ist — dicht aufeinander und bilden auf jedem Wickeldornpaar nicht etwa geschlossene Schlaufen, sondern durchlaufende Radialwindungen 1,5... bzw. 2,6.. .usw, die unter Axial vorschub der gesamten Wickeldornanordnung um das jeweils angesteuerte Wickeldornpaar gelegt werden. Es ist auch möglich, die jeweils in einer Wickeldornebene liegenden Windungen, also die Windungen 1, 3, 5 ... bzw. die Windungen 2, 4, 6 ... oder sogar sämtliche Windungen 1, 2, 3 ... mit einem einzigen, durchlaufenden Wickelfaden herzustellen, wobei dann allerdings die Fadensteuerung entsprechend dem oben beschriebenen Wickelzyklus zwischen den einzelnen Wickeldornpaaren umgesteuert werden muß.

Auf diese Weise entstehen in den sich kreuzenden Wickeldornebenen in dichter Folge äußere und innere, schlaufenförmige Wicklungen, die sich gegenseitig durchsetzen und zunächst noch — abgesehen von der geringfügigen Steigungshöhe der Windungen — im wesentlichen senkrecht zur Schnittlinie der Wickeldornebenen verlaufen (F i g. 3 und 4). Daraufhin werden die Wickeldorne jedes Wickeldornpaares in Längsrichtung entgegengesetzt zueinander und zu den angrenzenden Wickeldornen des benachbarten Wickeldornpaares verschoben, wie dies durch die Pfeile in den F ι g. 3 und 4 dargestellt ist, wobei die Windungen in ihren Schlaufenbereichen auf den zugeordneten Wickeldornen fixiert bleiben und sich der gegenseitige Abstand der

ι Wickeldorne geringfügig verringert, bis die Windungen unter dem gewünschten Neigungswinkel, etwa 45°, schräg zur Schnittlinie der Wickeldornebenen geneigt verlaufen, und zwar die innenliegenden Windungen gegensinnig zu den äußeren. Diese Wickelstruktur wird

H) anschließend erforderlichenfalls mit Kunststoff getränkt und dann gemäß Fig. 5 in einem mehrteiligen Formwerkzeug 22, das in Pfeilrichtung geschlossen wird, zu dem fertigen Schubübertragungselement verpreßt und unter Wärmeeinwirkung ausgehärtet.

Daraufhin werden die Wickeldorne aus den Schlaufenbereichen entfernt und diese abgelrennt. Gewünschtenfalls können die Wickeldorne auch vor dem Verpressen entfernt und die Schlaufenbereiche mit verpreßt und ausgehärtet werden, so daß sie im fertigen Schubübertragungselement 10 verbleiben.

Wahlweise lassen sich die Schubübertragungselemente 10 auch im Webverfahren herstellen: die in den F i g. 6 und 7 gezeigte Webrahmenanordnung besteht aus zwei um eine Achse C relativ zueinander schwenkbaren Webrahmen 24, 26, die versetzt zueinander angeordnet und an ihren der Achse C näherliegenden Längsseiten 28 bzw. 30 mit gleichförmig auf Abstand gehaltenen Fadenhaltern 32 bzw. 34 versehen sind, während an den äußeren Rahmenlängsseiten 36,38 bügeiförmige Faden-

W halter 40 bzw. 42 befestigt sind, die im geschlossenen Zustand der Rahmen die innere Längsseite 30 bzw. 28 des jeweils anderen Rahmens 26 bzw. 24 untergreifen und jeweils in der Mitte zwischen zwei inneren Fadenhaltern 34 bzw. 32 liegen. Jeder Webrahmen 24, 26 wird in dichter Folge mit Verstärkungsfaden belegt, die zickzackförmig zwischen den Fadenhaltern 32 und 40 bzw. den Fadenhaltern 34 und 42 verlaufen und gegenüber der Schwenkachse C entsprechend der gewünschten Faserneigung im fertigen Schubübertragungselement 10 schräg angestellt sind. F i g. 6 zeigt die Webrahmen im teilweise belegten Zustand, wobei der Webrahmen 24 mit den Verstärkungsfaden 44 und 46 und der Webrahmen 26 mit den Verstärkungsfäden 48 und 50 besetzt ist. Dabei ist darauf zu achten, daß die Verstärkungsfäden 44,46 zwischen den Fadenhaltern 32 und der Schwenkachse C oberhalb und zwischen der Schwenkachse Cund den Fadenhaltern 40 unterhalb der am Rahmen 26 eingespannten Verstärkungsfäden 48,50 verlaufen. Auf diese Weise entsteht an jedem Webrahmen ein dichtes, sich kreuzendes Fadengeflecht, wobei sich die beiden Fadengeflechte oder Faserlagen längs der Achse C gegenseitig durchdringen. Anschließend wird der Webrahmen 24 gemäß F i g. 7 in Pfeilrichtung gegenüber dem Webrahmen 26 verschwenkt bis die beiden Faserlagen in sich kreuzenden Ebenen liegen. Die Verstärkungsfaden 44 bis 50 werden entweder vor dem Webvorgang oder nach Herstellung der Faserlagen mit Kunststoff getränkt Das Verpressen der Faserlagen und das Aushärten des Faserverbundbauteils zum fertigen Schubübertragungselement erfolgt auf die anhand der Fig.5 in Verbindung mit dem Wickelverfahren erläuterte Weise, wobei wiederum die Hakenbereiche der Faseriagen nach Fertigstellung des Schubübertragungselements abgetrennt werden können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schubübertragungselement mit mehreren, an zumindest einer in Längsrichtung verlaufenden Verzweigungsstelle miteinander verbundenen, schubfesten Längsstegen, die jeweils aus Faserverbundwerkstoff mit zur Steglängsrichtung gegensisinig schräg geneigten, sich kreuzenden Einzelfasern bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsstege (12.1, 12.2, 123, 12.4) sich an der jeweiligen Verzweigungsstelle (14,14.1,14.2) gegenseitig durchsetzen und die Einzelfasern (Ai, Bi) :in jedem Längssteg durchgehend durch die Verzweigungsstelle von dem einen zu dem auf der gegenüberliegenden Seite der Verzweigungsstelle angeordneten anderen Stegabschnitt verlaufen.

2. Schubübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Längssteg (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) aus mehreren, miteinander verbundenen Faserlagen (A, B) mit in jeder Faserlage unidirektionaler, zu der benachbarten Faserlage unterschiedlicher Faserrichtung besteht.

3. Schubübertragungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelfasern (A I, Bi) in jeder Faserlage (A, B) mit gleichförmigem Parallelabstand durch die Verzweigungsstelle (14, 14.1,14.2) verlaufen.

4. Schubübertragungselement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einzelfasern (A i, Bi) benachbarter Faserlagen (A, B) unter 90° kreuzen und unter + bzw. —45° zur Steglängsrichtung geneigt sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines Schubübertrsgungselernents nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wickeldornanordnung Verwendung findet, die in jeder der sich schneidenden Längsstegebenen eine gleiche Anzahl von jeweils beidseitig der Verzweigungsstelle angeordneten Paaren von Wickeldornen (18.1, 18.2, 20.1, 2O.i) enthält, deren Durchmesser so ausgelegt sind, daß jeweils der Durchmesser des weiter von der Verzweigungsstelle (14.1, 14.2) entfernt liegenden Wickeldorns größer ist als der des näher zur Verzweigungsstelle gelegenen, jeweils benachbarten Wickeldorns, daß eine oder wenige, schlaufenförmige Windungen (1—8) eines Wickelfadens zunächst um ein Wickeldornpaar in der einen Ebene und dann um jeweils ein Wickeldornpaar nacheinander in den übrigen Ebenen gewickelt und anschließend in der gleichen Weise die restlichen Wickeldornpaare jeweils unter zyklischem Wechsel der Ebene mit einer oder wenigen, schlaufenförmigen Windungen belegt werden und dieser Wickelzyklus wiederholt wird, bis jedes Wickeldornpaar mit der gewünschten Anzahl von nebeneinanderliegenden Windungen besetzt ist, daraufhin die beiden Wickeldorne jedes Paares parallel zur Verzweigungsstelle entgegengesetzt zueinander und zu den in der zugeordneten Ebene jeweils benachbarten Wickeldornen verschoben werden, so daß die Windungen benachbarter Wickeldornpaare in jeder Ebene gegensinnig schräg geneigt zur Verzweigungsstelle verlaufen, und schließlich die Wickelstruktur verpreßt wird.

b. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen beim Vorpressen gespannt und im Schlaufenbereich fixiert bleiben und die Sehiauienbereiche nach dem Vorpressen und

Ausharten abgetrennt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelfaden, der z. B. aus Glas- oder Kohlefasern besteht, vor oder/und nach dem Wickeln und vor dem Verpressen mit wärmehärtendem Kunststoff getränkt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in der gleichen Ebene liegenden Wickeldornpaare mit einem durchlaufenden Wickelfaden bewickelt werden.