DE4119985C1 - Rotary body, partic rotor head drive diaphragm of helicopter rotor - comprises fibre composite U=shaped structure with varying wall thickness - Google Patents
Rotary body, partic rotor head drive diaphragm of helicopter rotor - comprises fibre composite U=shaped structure with varying wall thicknessInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotationskörper in Faserverbundbauweise nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a rotating body in fiber composite construction according to the preamble of claim 1.
Es ist bekannt, rotationssymmetrische Hohlkörper, und zwar auch solche mit mehrfach gekrümmter Oberfläche, wie etwa Rotorkopf-Antriebsmembranen, die nach Art einer kippelastischen Gleichlaufkupplung zwischen der Antriebswelle und dem Rotorkopf eines Drehflügelflugzeugs angeordnet sind, im Wege des Wickelverfahrens herzustellen (DE 36 16 491 A1). Dabei müssen jedoch je nach Raumform des Bauteils oft erhebliche Abweichungen von der für eine optimale Materialausnutzung geforderten Faser-Orientierung und Wandstärkenverteilung in Kauf genommen werden.It is known to have rotationally symmetrical hollow bodies, namely also those with a multi-curved surface, such as Rotor head drive diaphragms, which are like a tilting elastic Synchronous coupling between the drive shaft and the Rotor head of a rotary wing aircraft are arranged in To produce ways of the winding process (DE 36 16 491 A1). However, depending on the spatial shape of the component, this often has to be considerable Deviations from that for optimal material utilization required fiber orientation and wall thickness distribution to be accepted.
Wird hingegen ein derartiger Rotationskörper im Hinblick auf einen last- und faserverbundgerechten Aufbau im Ablegeverfahren aus einzeln vorgefertigten Gewebezuschnitten hergestellt, so wird hierfür eine Vielzahl unterschiedlich großer Zuschnitte benötigt, die dann entsprechend der geforderten Dickenvariation des Rotationskörpers mehrlagig und an den Stellen höherer Wandstärke in abgestuft kleineren Zuschnittsgrößen übereinandergeschichtet werden. Eine solche Bauweise mit einer örtlichen Aufdoppelung der einzelnen Faserschichten ist nicht nur sehr arbeitsintensiv, sondern erschwert auch bei der späteren Verdichtung der Faserschichten eine falten- und lunkerfreie Ausbildung des Faserverbundlaminats. Hinzukommt, daß die Faserstruktur insbesondere bei mehrfach gekrümmten Bauteilen mit starken Wanddicken-Änderungen, die aus zunehmend kleineren Gewebezuschnitten aufgebaut sind, zahlreiche Faserunterbrechungen enthält, die sich nachteilig auf die Bauteilfestigkeit auswirken.On the other hand, such a rotating body is considered on a load and fiber composite structure in the laying process from individually prefabricated fabric cuts manufactured, so there is a variety of different large blanks needed, which then according to the required Thickness variation of the rotating body multilayered and in places of higher wall thickness in smaller steps Cut sizes are stacked on top of each other. A such construction with local doubling of the individual Fiber layers are not only very labor intensive, but also complicates later compression of the Fiber layers a wrinkle and void-free formation of Composite laminate. Add to that the fiber structure especially with multi-curved components with strong Wall thickness changes that are cut from increasingly smaller fabrics are built up, numerous fiber interruptions contains, which adversely affects the component strength impact.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Rotationskörper der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er mit hoher Festigkeit und geringem Arbeitsaufwand in Legetechnik aus wenigen unterschiedlichen Gewebezuschnitten herzustellen ist.In contrast, it is an object of the invention, a rotating body of the type mentioned in such a way that he with high strength and low labor in laying technology from a few different fabric cuts is to be produced.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Rotationskörper gelöst.This object is achieved by the claim 1 marked rotating body solved.
Bei dem erfindungsgemäßen Rotationskörper wird eine Aufdickung der einzelnen Faserschichten nicht mehr durch zusätzliche, örtlich auf die Stellen erhöhter Wandstärke begrenzte Gewebe-Teilstücke, sondern vielmehr durch eine besondere Flächengeometrie der sich durchgehend über die gesamte Bauteillänge in Richtung der Erzeugenden erstreckenden Gewebezuschnitte erreicht, die mit einer untereinander gleichen, in seitlicher Richtung nach Maßgabe der geforderten Dickenvariationen ungleichförmig erweiterten Zuschnittskontur vorgefertigt und nach einem gleichbleibenden Legemuster nacheinander derart abgelegt werden, daß in Umfangsrichtung benachbarte Zuschnitte einen sich entsprechend den Zuschnittserweiterungen in Längsrichtung ändernden Überlappungsgrad aufweisen. Hierdurch wird nicht nur der Fertigungsaufwand für das Zuschneiden und Ablegen der einzelnen Gewebestücke ganz beträchtlich reduziert, sondern bei der späteren Verdichtung auch die lunker- und faltenfreie Ausbildung des Faserverbundlaminats erheblich erleichtert. Ein weiterer, unter dem Gesichtspunkt der Bauteil-Festigkeit wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, daß die Faserstruktur eine deutlich verbesserte Faserbindung zwischen den einzelnen Zuschnitten mit weniger Faserunterbrechungen besitzt, da die die Dickenänderungen bewirkenden Zuschnitte eine große Flächenausdehnung aufweisen und nicht auf die Stellen erhöhter Wandstärke begrenzt sind.In the rotary body according to the invention there is a thickening of the individual fiber layers no longer by additional, locally on the points of increased wall thickness limited tissue sections, but rather by one special surface geometry that can be entire component length extending in the direction of the generators Tissue cuts achieved with one another same, in the lateral direction according to the required Thickness variations of non-uniformly enlarged cutting contour prefabricated and after a constant Laying patterns are successively filed in such a way that Circumferential cuts adjacent to one another accordingly changing the blank extensions in the longitudinal direction Show degree of overlap. This will not only Manufacturing effort for cutting and storing the individual Fabric pieces quite considerably reduced, but at the later compression also the void and wrinkle-free Training of the fiber composite laminate considerably facilitated. Another, from the point of view of component strength essential aspect of the invention is that the fiber structure has a significantly improved fiber binding between the individual cuts with fewer fiber interruptions possesses, since those which cause the changes in thickness Blanks have a large surface area and not are limited to places with increased wall thickness.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besitzen die Zuschnitte gemäß Anspruch 2 bezüglich der Erzeugenden eine ±45°-Faserorientierung. Ein solcher Faserverlauf ist zusammen mit einer variabel wählbaren Wandstärke der ±45°-Faserstruktur besonders für rotationssymmetrische Bauteile geeignet, die, wie die eingangs genannten Rotorkopf- Antriebsmembranen, im Betrieb hohen Drehmomenten-Belastungen um die Symmetrieachse ausgesetzt sind.In a further advantageous embodiment of the invention the blanks according to claim 2 with respect to the generators a ± 45 ° fiber orientation. Such a fiber course is together with a variably selectable wall thickness the ± 45 ° fiber structure especially for rotationally symmetrical Suitable components that, like the rotor head Drive diaphragms, high torque loads during operation are exposed around the axis of symmetry.
Im Hinblick auf eine weitere Arbeitsersparnis wird das Faserverbundlaminat gemäß Anspruch 3 vorzugsweise aus Zuschnitten hergestellt, die aus einem mit der Harzmatrix vorgetränkten Fasergewebe, einem sogenannten Prepreg-Gewebe, bestehen. Aus Gründen einer besonders zuschnittsgünstigen Flächengeometrie besitzen die Zuschnitte gemäß Anspruch 4 zweckmäßigerweise eine zu ihrer Längsachse spiegelymmetrische Außenkontur.In terms of further labor savings, this will be Fiber composite laminate according to claim 3, preferably from blanks made from one with the resin matrix pre-soaked fiber fabric, a so-called prepreg fabric, consist. For the sake of a particularly tailored Surface geometries have the blanks according to claim 4 expediently a mirror-symmetrical to its longitudinal axis Outer contour.
Im Hinblick auf ein angenähert isotropes Festigkeitsverhalten ist es im Rahmen der Erfindung durchaus möglich, das Faserverbundlaminat aus Faserschichten unterschiedlicher Faserorientierung aufzubauen und dabei, wie gemäß Anspruch 5 bevorzugt, einzelne Faserschichten ohne gegenseitige Überlappung der Zuschnitte auszubilden. Soweit die angenähert isotrope Faserstruktur nur in einzelnen Teilzonen des Rotationskörpers, etwa im Bereich punktförmiger Lasteinleitungsstellen zur Erhöhung der Lochlaibungsfestigkeit benötigt wird, können die zusätzlichen Faserschichten anderer Faserorientierung auch auf diese Teilzonen begrenzt einlaminiert werden und ergeben dann natürlich gleichfalls eine örtliche Erhöhung der Gesamtdicke des Bauteils. With regard to an approximately isotropic strength behavior it is entirely possible within the scope of the invention that Fiber composite laminate from different layers of fibers To build fiber orientation and thereby, as per claim 5 preferred, individual fiber layers without mutual Form overlap of the blanks. As far as that approximated isotropic fiber structure only in individual subzones of the Rotating body, for example in the area of point-shaped load introduction points needed to increase the soffit strength the additional fiber layers can have a different fiber orientation laminated to these sub-zones too and then naturally also result in a local one Increase the overall thickness of the component.
In Kombination mit der ±45°-Faserorientierung gemäß Anspruch 2 werden nach Anspruch 6 als Faserschichten anderer Faserorientierung zweckmäßigerweise solche mit einem unidirektionalen Faserverlauf verwendet, wobei die unidirektionalen Fasern vorzugsweise entweder in Richtung der Erzeugenden oder, wie gemäß Anspruch 7 insbesondere für Rotationskörper, die in Richtung ihrer Symmetrieachse elastisch verformbar sein sollen, bevorzugt, in Umfangsrichtung des Rotationskörpers verlaufen.In combination with the ± 45 ° fiber orientation according to claim 2 are according to claim 6 as fiber layers of others Fiber orientation expediently those with a unidirectional Fiber routing used, the unidirectional Fibers preferably either towards the generators or, as according to claim 7, in particular for rotating bodies, which are elastic in the direction of their axis of symmetry should be deformable, preferably in the circumferential direction of the Rotation body run.
Im Hinblick auf eine gute Faserbindung zwischen den einzelnen Faserschichten empfiehlt es sich gemäß Anspruch 8, die Überlappungsbereiche der Zuschnitte in übereinanderliegenden Faserschichten versetzt zueinander anzuordnen.With regard to a good fiber bond between the individual Fiber layers are recommended according to claim 8, the Overlap areas of the blanks in one another To arrange fiber layers offset to each other.
Die erfindungsgemäße Bauweise ist besonders geeignet für mehrfach gekrümmte Hohlbauteile mit sich ändernder Wandstärke, insbesondere für die im Anspruch 9 angegebenen Rotorkopf-Antriebsmembranen, welche einen bezüglich der Symmetrieachse radial nach außen geöffneten, U-förmigen Hohlquerschnitt und eine im Stegbereich und an den freien Außenrändern der Antriebsmembran erhöhte Wandstärke besitzen.The design according to the invention is particularly suitable for multi-curved hollow components with changing wall thickness, in particular for those specified in claim 9 Rotor head drive diaphragms, which one with respect to the Axis of symmetry open radially outwards, U-shaped Hollow cross section and one in the web area and on the free The outer edges of the drive membrane have increased wall thickness.
Die Erfindung wird nunmehr am Beispiel einer Rotorkopf- Antriebsmembran in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer DarstellungThe invention will now be illustrated using the example of a rotor head Drive membrane in connection with the drawings closer explained. They show a schematic representation
Fig. 1 eine Antriebsmembran in Verbindung mit dem Rotor eines Drehflügelflugzeugs; Fig. 1, a drive membrane in connection with the rotor of a rotary wing aircraft;
Fig. 2 einen Schnitt der Rotorkopf-Antriebsmembran gemäß Fig. 2 in vergrößertem Maßstab; FIG. 2 shows a section of the rotor head drive membrane according to FIG. 2 on an enlarged scale;
Fig. 3a die Flächengeometrie der zur Herstellung der Antriebsmembran verwendeten Zuschnitte; Fig. 3a, the surface geometry of the blanks used to fabricate the actuator diaphragm;
Fig. 3b zwei übereinanderliegende, jeweils aus den Zuschnitten gemäß Fig. 3a aufgebaute Faserschichten längs der Linien A, B und C der Fig. 2 und 3a; FIG. 3b shows two superposed, respectively from the blanks according to Fig 3a constructed fiber layers along the lines A, B and C of Figures 2 and 3a..;
Fig. 3c einen Gewebezuschnitt mit unidirektionaler Faserrichtung zur Außenrandverstärkung der Antriebsmembran; FIG. 3c is a fabric section with unidirectional fiber toward the outer edge reinforcement of the actuator diaphragm;
Fig. 4 in Umfangsrichtung nacheinander auf dem Formwerkzeug abgelegte Zuschnitte. Fig. 4 in the circumferential direction successively deposited blanks on the mold.
Gemäß Fig. 1 ist der Rotorkopf 2 eines Drehflügelflugzeugs, an dem die Rotorblätter 4 blattwurzel-seitig über Anschlußbeschläge 6 aufgehängt sind, mit der Antriebswelle 8 des Drehflügelflugzeugs durch eine Antriebsmembran 10 aus Faserverbundwerkstoff nach Art einer Gleichlauf-Wellenkupplung drehmomentübertragend und kippbeweglich verbunden und durch Elastomerlager 12 federnd in der bezüglich der Anriebswelle 8 ungekippten Lage gehalten.Referring to FIG. 1, the rotor head 2 is a rotary wing aircraft in which the rotor blades 4 are suspended blade-root-side via connection fittings 6, connected to transmit torque and tiltably connected to the drive shaft 8 of the rotary wing aircraft by a drive membrane 10 made of fiber composite material according to the manner of a constant-shaft coupling, and by elastomeric bearings 12 resiliently held in the untilted position with respect to the drive shaft 8 .
Wie Fig. 2 im einzelnen zeigt, ist die Antriebsmembran 10 im Hinblick auf eine hohe Drehmomentenfestigkeit und eine ausreichende elastische Kippbeweglichkeit ihrer mit dem Rotorkopf 2 bzw. der Antriebswelle 8 verschraubten Außenränder 14 als rotationssymmetrisches, im Querschnitt radial zur Symmetrieachse S nach außen U-förmig geöffnetes Hohlbauteil ausgebildet, welches bezüglich der (U- oder parabelförmigen) Erzeugenden eine ±45°-Faserorientierung und eine sich in Bauteillängsrichtung ändernde Wandstärke besitzt, die im radial innenliegenden Stegbereich, also in der Zone C gemäß den Fig. 2 und 3, am größten ist, von dort aus radial nach außen stetig bis zum Minimalwert an der Stelle B abnimmt, dann bis zu den Außenrändern 14 konstant bleibt und im Außenrandbereich erneut größer bemessen ist, wobei die Aufdickung der Außenränder 14 nicht nur durch die ±45°-Faserschichten, sondern zum Teil auch durch zusätzliche Außenrand-Zuschnitte 16 (Fig. 3c) mit einer in Umfangsrichtung der Antriebsmembran 10 unidirektionalen Faserrichtung bewirkt wird, um an den Befestigungsbohrungen der Außenränder 14 aus Gründen einer erhöhten Lochlaibungsfestigkeit eine angenähert isotrope Faserstruktur zu erhalten.As shown in FIG. 2 in detail, the drive membrane 10 is U-shaped in terms of a high torque strength and a sufficient elastic tilting mobility of its outer edges 14 screwed to the rotor head 2 or the drive shaft 8 as a rotationally symmetrical cross section in the radial direction to the axis of symmetry S. Open hollow component is formed, which has a ± 45 ° fiber orientation with respect to the (U or parabolic) generatrix and a wall thickness that changes in the longitudinal direction of the component, which is greatest in the radially inner web area, i.e. in zone C according to FIGS. 2 and 3 is steadily decreasing radially outwards from there to the minimum value at point B, then remains constant up to the outer edges 14 and is again larger in the outer edge region, the thickening of the outer edges 14 not only due to the ± 45 ° fiber layers, but also in part by additional outer edge cuts 16 ( Fig. 3c) with an in Circumferential direction of the drive membrane 10 unidirectional fiber direction is effected in order to obtain an approximately isotropic fiber structure at the mounting holes of the outer edges 14 for reasons of increased hole reveal strength.
Die Anzahl der übereinanderliegenden ±45°-Faserschichten wird unter Berücksichtigung der Wanddicke einer Einzellage so gewählt, daß ihre Gesamtdicke nach dem Verdichten und Aushärten unter Druck- und Wärmeeinwirkung der minimalen Schichtdicke (an der Stelle B) entspricht.The number of superimposed ± 45 ° fiber layers is taking into account the wall thickness of a single layer chosen so that their total thickness after compression and Cure under the influence of pressure and heat Layer thickness (at point B) corresponds.
Um die einzelnen ±45°-Faserschichten in der gezeigten, gegensinnig doppelt-gekrümmten Raumform aus ebenen Gewebezuschnitten, die sich durchgehend über die gesamte Schichtlänge in Richtung der Erzeugenden erstrecken, herstellen zu können, sind die Faserschichten in Umfangsrichtung gleichförmig in eine Vielzahl, z. B. zwanzig, Flächensegmente unterteilt. Wie die Fig. 3a und 4 zeigen, sind die Gewebezuschnitte 18, aus denen die ±45°-Schichten gebildet werden, über die örtliche Breite F dieser Flächensegmente hinaus in seitlicher Richtung verbreitert, wobei sich das Ausmaß der Verbreiterung in Längsrichtung der Zuschnitte 18 nach Maßgabe der örtlichen Gesamtdicke im Verhältnis zur Minimaldicke der ±45°-Faserschichten ändert. Aufgrund des so modifizierten Verlaufs der Zuschnittsbreite Z überlappen sich in Umfangsrichtung nacheinander abgelegte Zuschnitte 18 mit einem vom örtlichen Wanddickenverhältnis abhängigen Überlappungsgrad, der sich wie folgt berechnet:In order to be able to manufacture the individual ± 45 ° fiber layers in the shown, mutually double-curved three-dimensional shape from flat tissue cuts that extend continuously over the entire length of the layer in the direction of the generators, the fiber layers are circumferentially uniform in a plurality, e.g. B. twenty, divided surface segments. As shown in FIGS. 3a and 4 show, the fabric sections 18, from which the ± be formed 45 ° layers is widened via the local width F of these surface segments also in the lateral direction, wherein the degree of broadening in the longitudinal direction of the blanks 18 to The local total thickness changes in relation to the minimum thickness of the ± 45 ° fiber layers. Due to the thus modified course of the blank width Z, blanks 18 laid one after the other in the circumferential direction overlap with a degree of overlap which is dependent on the local wall thickness ratio and which is calculated as follows:
Hierin bedeuten
Z=örtliche Zuschnittsbreite
E=örtliche Überlappungsbreite
Mean here
Z = local cutting width
E = local overlap width
mit
dx=örtliche Gesamtwandstärke und dmin=minimale Gesamtwandstärke
der ±45°-Faserschichten.With
d x = local total wall thickness and d min = minimum total wall thickness of the ± 45 ° fiber layers.
Die Zuschnitte 18 werden mit den so errechneten Breitenvariationen und einer zu ihrer Längsachse L symmetrischen Außenkontur aus einem Prepreg-Gewebe mit einer sich kreuzenden, zur Längsachse L ±45°-Faserorientierung vorgefertigt, wobei sich wegen der geschilderten Raumform und Dickenverteilung der herzustellenden Antriebsmembran 10 natürlich auch eine zur Mittellinie M spiegelsymmetrische Außenkontur ergibt, und dann auf einem Formwerkzeug in Umfangsrichtung nacheinander mit einem gleichmäßigen Winkelversatz abgelegt, so daß sich benachbarte Zuschnitte 18 entsprechend der sich in Richtung der Erzeugenden ändernden Überlappungsbreite E in den in Fig. 3a schräg und in Fig. 4 kreuzschraffiert dargestellten Flächenteilstücken überdecken.The blanks 18 are prefabricated with the width variations calculated in this way and an outer contour symmetrical to their longitudinal axis L from a prepreg fabric with a crossing fiber orientation oriented to the longitudinal axis L ± 45 °, the drive membrane 10 to be produced being natural because of the described spatial shape and thickness distribution also results in an outer contour that is mirror-symmetrical to the center line M, and then placed on a molding tool in the circumferential direction one after the other with a uniform angular offset, so that adjacent blanks 18 corresponding to the overlap width E changing in the direction of the generatrices in the oblique in FIG. 3a and in FIG. Cover 4 cross-hatched areas.
Der so erhaltene Faserschichtaufbau ist in Fig. 3b für zwei Faserschichten 20 und 22 mit einem Wandstärkenverlauf dargestellt, der von tN=1 an der Stelle B radial nach außen auf tN=1,5 an der Stelle A (im Außenrandbereich) und radial nach innen auf tN=3,5 an der Stelle C (im Innenrandbereich) ansteigt. Dementsprechend erhöht sich nach obiger Berechnungsformel der Überlappungsgrad, Ü, in Umfangsrichtung aufeinanderfolgender Zuschnitte, d. h. das Breitenverhältnis E/Z, vom Wert Null an der Stelle B auf den Wert 0,33 an der Stelle A (im Außenrandbereich) und stetig auf den Wert 0,71 an der Stelle C (im Innenrandbereich).The fiber layer structure obtained in this way is shown in FIG. 3b for two fiber layers 20 and 22 with a wall thickness profile which rises radially outwards from t N = 1 at point B to t N = 1.5 at point A (in the outer edge region) and radially increases inwards to t N = 3.5 at point C (in the inner edge area). Accordingly, according to the above calculation formula, the degree of overlap, Ü, in the circumferential direction of successive cuts, ie the width ratio E / Z, increases from the value zero at point B to the value 0.33 at point A (in the outer edge region) and continuously to the value 0 , 71 at position C (in the inner margin area).
Aus Fig. 3b ist ersichtlich, daß die auf diese Weise hergestellten Faserschichten 20 und 22 tatsächlich die in Zuschnitt-Längsrichtung vorgegebenen Dickenvariationen, nämlich an der Stelle A die 3-fache, an der Stelle B die doppelte und an der Stelle C die 7-fache Wandstärke eines Einzelzuschnitts 18 besitzen, wobei die Überlappungsbereiche der übereinanderliegenden Faserschichten 20 und 22 in Umfangsrichtung versetzt zueinander liegen.From Fig. 3b it can be seen that the fiber layers 20 and 22 produced in this way actually the thickness variations predetermined in the longitudinal direction of the blank, namely 3 times at position A, double at position B and 7- at position C times the wall thickness of an individual blank 18 , the overlapping areas of the superimposed fiber layers 20 and 22 being offset from one another in the circumferential direction.
Nach dem Legevorgang wird das aus den Zuschnitten 18 und den Randzuschnitten 16 aufgebaute Faserverbundlaminat in üblicher Weise unter Druck- und Wärmeeinwirkung verdichtet und ausgehärtet. Im Rahmen der Erfindung können selbstverständlich auch anders geformte Rotationskörper, z. B. trichter- oder düsenförmige, mit vorgegebenen Wandstärkenänderungen hergestellt werde, und zwar auch solche mit einer abwickelbaren Oberfläche, für die gegebenenfalls nur ein einziger Zuschnitt mit einer sich in Zuschnitt-Längsrichtung nach Maßgabe des örtlichen Wandstärkenverhältnisses ändernden Zuschnittsbreite benötigt wird.After the laying process, the fiber composite laminate constructed from the blanks 18 and the edge blanks 16 is compressed and cured in the usual way under the action of pressure and heat. Within the scope of the invention, of course, differently shaped rotating bodies, for. B. funnel-shaped or nozzle-shaped, with predetermined changes in wall thickness, including those with a developable surface, for which only a single blank with a changing in the longitudinal direction of the blank in accordance with the local wall thickness ratio, the blank width is required.
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