DE4312343C2 - Überlastabsorber in Faserverbundbauweise - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überlastabsorber in Faserverbundbauweise nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Während Überlastabsorber in Metallbauweise, wie sie etwa bei Kraftfahrzeugen als Knautschzonen oder bei Hubschraubern zur Crashlastbegrenzung zwischen Landewerk und Tragstruktur bekannt sind, auf der Grundlage einer plastischen Materialverformung arbeiten, beruhen Überlastabsorber in Faserverbundbauweise, die materialbedingt über ein allenfalls sehr geringes plastisches Verhalten verfügen, auf dem Prinzip einer energieverzehrenden Materialzerstörung der Faserverbundstruktur. So wird bei einem aus L. W. Bark et al, "Crash Testing Of Advanced Composite Energy-Absorbing, Repairable Cabin Subfloor Structures", Meeting of American Helicopter Society, Williamsburg, Virginia, 25.-27. Okt. 1988 bekannten Überlastabsorber der eingangs genannten Art für eine Hubschrauber-Unterstruktur, der aus einem wellenförmig ausgesteiften, zwischen einem Lasteinleitungsbalken und einem Grundkörper angeordneten Faserverbundsteg besteht, der Steg unter Auflösung seiner Faserstruktur zerquetscht, wenn die Versagenslast des Faserverbundstegs überschritten wird. Ein derartiger Faserverbundabsorber besitzt jedoch eine hohe Empfindlichkeit gegen Abweichungen der Last- von der Steglängsrichtung und dabei eine relativ niedrige spezifische Energieaufnahme. Problematisch ist aber vor allem, daß das Kraft-Wegverhalten eines solchen Absorbers konstruktiv schwierig zu beeinflussen ist und es im Laufe des Versagensweges zu störenden Rückfedereffekten und in der Endphase zu einer vollständigen Desintegration der Absorberstruktur kommen kann.

Ferner ist aus der GB 2 160 292 A ein Überlastabsorber in Faserverbundbauweise bekannt, der aus zwei teleskopartig ineinandergeschobenen Rohren besteht, die durch einen Lastübertragungsbolzen miteinander verkoppelt sind. Bei Überlast wird die Faserverbundstruktur des einen oder anderen Rohres aufgrund der Lochlaibungswirkung des Lastübertragungsbolzens zerstört. Dabei kommt es jedoch zu einem unkontrollierten Versagensverhalten der Faserverbundstruktur ohne definierte Zerstörungsgrenze, mit der Folge, daß dieser bekannte Überlastabsorber eine große Schwankungsbreite in der Bruchlastcharakteristik besitzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Faserverbund-Überlastabsorber der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich auf baulich einfache, faserverbundgerechte Weise ein in weiten Grenzen beliebig vorgewählter definierter Kraft-Wegverlauf erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Überlastabsorber gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Überlastabsorber wird aufgrund der beanspruchten, randseitigen Faserbindung und der Anordnung des Faserverbundstegs in einer in Lastrichtung langlochförmigen erweiterten Aussparung im Grundkörper sichergestellt, daß die Faserstruktur im Überlastfall infolge eines fortschreitenden Schubversagens des Steglaminats kontinuierlich im wesentlichen über die gesamte Steglänge aufreißt. Hieraus ergibt sich an jeder Stelle des Crashweges eine eindeutige Verknüpfung zwischen der örtlichen Laminatstärke des Faserverbundstegs und dem an dieser Stelle erzielten Bruchlastwert, so daß sich die Dämpfungscharakteristik des Überlastabsorbers auf konstruktiv einfache Weise, nämlich durch entsprechende Dimensionierung des Faserverbundstegs in Steglängsrichtung, breitbandig variabel auf einen irgend erwünschten Verlauf auslegen läßt, mit dem zusätzlichen Effekt, daß das Lasteinleitungselement unabhängig vom Faserverbundsteg in der Aussparung geführt und auch nach Zerstörung des Steglaminats am Grundkörper lastübertragend gesichert bleibt, wodurch ein vorzeitiges Versagen des Faserverbundstegs infolge abweichend von der Steglängsrichtung einwirkender Lastkomponenten sowie eine Desintegration der aus Grundkörper und Lasteinleitungselement bestehenden Baueinheit wirksam vermieden werden.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Lasteinleitungselement gemäß Anspruch 2 an den Längsrändern der Aussparung reibschlüssig geführt. Durch entsprechende Wahl des Reibschlusses läßt sich das Kraft-Wegverhalten des Überlastabsorbers ebenfalls auf konstruktiv sehr einfache Weise beeinflussen und eine energieumwandelnde Wirkung auch während der Rückfederphase gewährleisten. Gemäß Anspruch 3 wird der Reibschluß in baulich zweckmäßiger Weise dadurch erreicht, daß die Breite der Aussparung zumindest stellenweise kleiner als das zugeordnete Maß des Lasteinleitungselements ist, wobei die Laibung der Aussparung nach Anspruch 4 vorzugsweise rippenförmige Vorsprünge besitzt, so daß das vom Lasteinleitungselement verdrängte Steglaminat in die Ausbuchtungen zwischen den rippenförmigen Vorsprüngen ausweichen kann, ohne die reibschlüssige Führung zu blockieren und dadurch die Crashlastbegrenzung zu beeinträchtigen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Lasteinleitungselement gemäß Anspruch 5 an den Längsrändern der Aussparung kippsicher geführt und/oder nach Anspruch 6 mit einem allseitig winkelbeweglich gelagerten Anschlußteil versehen. Hierdurch werden andere als in Steglängsrichtung wirksame Belastungen vom Faserverbundsteg ferngehalten und die Lastrichtungstoleranz des Überlastabsorbers verbessert.

Im Hinblick auf eine herstellungsmäßig einfache Bauweise sind der Grundkörper und der Steg in besonders bevorzugter Weise gemäß Anspruch 7 als integrale Faserverbundstruktur mit einer im Stegbereich verringerten Dicke ausgebildet. Aus Gründen einer hochwertigen Schubanbindung besitzen die sich in den Grundkörper erstreckenden Faserlagen des Stegs gemäß Anspruch 8 vorzugsweise eine sich bezüglich der Steg-Längsrichtung unter ±45° kreuzende Faserorientierung. Zusätzlich enthält der Steg zur Erhöhung des Lastwiderstandes zweckmäßigerweise nach Anspruch 9 unidirektional in Steglängsrichtung verlaufende Faserlagen. Als Fasermaterial werden nach Anspruch 10 vorzugsweise Glas- und/oder Carbonfasern gewählt, die ein sehr günstiges, sprödes Versagensverhalten besitzen.

Eine herstellungs- und funktionsmäßig besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht nach Anspruch 11 schließlich darin, daß das Lasteinleitungselement bolzen- oder buchsenförmig ausgebildet und der Faserverbundsteg in der Mitte des Grundkörpers angeordnet ist. Infolge des hierdurch erreichten Lochlaibungs- und Schubversagens des Faserverbundstegs lassen sich selbst so hohe Belastungsspitzen, wie sie etwa im Hubschrauberbau mit Crashgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10 m/s auftreten, wirksam abbauen und die resultierenden Strukturbelastungen von etwa 60 g auf z. B. 20 g reduzieren.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Überlastabsorbers;

Fig. 2 die Aufsicht des Überlastabsorbers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung des Überlastabsorbers im Crashfall;

Fig. 4 einen Ausschnitt des Überlastabsorbers mit einer im Bereich der Aussparung modifizierten Querschnittskonfiguration;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V der Fig. 4; und

Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Kraft-Weg-Charakteristik des Überlastabsorbers.

Der in den Figuren gezeigte Überlastabsorber ist im Lastübertragungspfad z. B. zwischen einer Getriebestütze 2 und der Tragstruktur 4 eines Hubschraubers angeordnet und enthält einen plattenförmigen Grundkörper 6 aus Faserverbundwerkstoff sowie ein an diesem befestigtes, buchsenförmiges Lasteinleitungselement 8, welches über ein nach Art eines Kugelgelenks ausgebildetes Anschlußteil 10 und einen Anschlußbolzen 12 mit der Getriebestütze 2 verbunden und in einer in Lastrichtung L langlochförmigen Aussparung 14 des Grundkörpers 6 angeordnet ist. Das Lasteinleitungselement 8 ist mit den Grundkörper 6 formschlüssig übergreifenden Führungsflanschen 16 versehen und in Lastrichtung L durch einen Faserverbundsteg 18 in der Aussparung 14 lastübertragend abgestützt.

Der Steg 18, der eine gegenüber dem Grundkörper 6 verringerte Wandstärke besitzt, ist gemeinsam mit diesem als einstückige Faserverbundstruktur aus Glas- und/oder Carbonfaserlagen hergestellt. Von den mittleren, sich über den Steg 18 fortsetzenden Faserlagen 20 besitzt die Mehrzahl eine sich bezüglich der Steglängsrichtung L unter ±45° kreuzende Faserorientierung und zwischen diese sind einige Faserlagen mit einer in Steglängsrichtung L unidirektionalen Faserrichtung eingelagert, während die äußeren, an der Aussparung 14 endenden Faserlagen 22 zum größten Teil eine in Steglängsrichtung L unidirektionale Faserrichtung aufweisen und nur vergleichsweise wenige ±45°-Lagen enthalten, wie dies in den Fig. 4 und 5 durch die kreuzschraffierten Faserbereiche angedeutet ist. Wesentlich ist, daß die ±45°- Steglagen 20 zumindest an den in Steglängsrichtung L verlaufenden Stegrändern 24 in die angrenzenden Randbereiche des Grundkörpers 6 hineinreichen, um eine gute Schubkraftanbindung zwischen den Steg-Längsrändern 24 und dem Grundkörper 6 zu gewährleisten.

Der Faserverbundsteg 18, der nur den in Steglängsrichtung L zwischen den an den Absorber angeschlossenen Strukturen 2, 4 wirkenden Belastungen ausgesetzt ist, während anders gerichtete Lastkomponenten unmittelbar vom Lasteinleitungselement 8 an den Grundkörper 6 übertragen werden, ist so ausgelegt, daß er unter der Wirkung der vom Lasteinleitungselement 8 ausgeübten Lochlaibungskräfte und Schubbelastungen unter fortschreitender Zerstörung seiner Faserbindung versagt, wenn die einwirkende Belastung einen kritischen Grenzwert überschreitet. Dabei wandert das Lasteinleitungselement 8, geführt und gestützt durch die endseitigen Flansche 16, in der Aussparung 14 nach unten. Durch die mit der Zerstörung des Faserverbundstegs 18 verbundene Energieumwandlung werden die angrenzenden Strukturen 2, 4 vor Belastungsspitzen geschützt.

Fig. 3 zeigt den Überlastabsorber beim Durchfahren der Lastbegrenzungsstrecke. Dabei reißt die Faserbindung zwischen den Längsrändern 24 des Stegs 18 und den angrenzenden Randzonen des Grundkörpers 6 infolge des Lochlaibungs- und Schubversagens des Stegs 18 längs der Bruchlinie 26 fortschreitend auf, bis das Lasteinleitungselement 8 nach Durchwandern der Aussparung 14 am Grundkörper 6 auf Anschlag geht. Durch entsprechende Wahl des Faserverbundwerkstoffs, des Lagenaufbaus und der örtlichen Stegdicken werden die kritische Versagenslast und das Last-Weg-Verhalten des Überlastabsorbers auf eine erwünschte Kennlinie voreingestellt.

Gemäß einem weiteren wesentlichen Konstruktionsmerkmal besitzt die Aussparung 14 im Bereich der Stegränder 24 eine gegenüber dem Außendurchmesser des Lasteinleitungselements 8 verengte Querschnittskontur. Durch eine solche Taillierung der Aussparung 14 wird ein Reibschluß zwischen den stegseitigen Längsrändern der Aussparung 14 und dem Lasteinleitungselement 8 im Crashlastfall erreicht. Auf diese Weise lassen sich die kritische Versagenslast und die Kraft-Weg-Charakteristik des Überlastabsorbers zusätzlich kontrolliert beeinflussen und die energieumwandelnde Wirkung auch während der elastischen Rückfederphase wirksam aufrechterhalten. Gewünschtenfalls können die Längsränder der Aussparung 14 zur Erhöhung der Klemmkräfte durch metallische Einlagen verstärkt werden.

Im Unterschied zu der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 wird die Querschnittsverengung der Aussparung 14 gemäß den Fig. 4 und 5 durch eine rippenförmige Kontur der Steg-Längsränder 24 bewirkt. Infolgedessen kann vom Lasteinleitungselement 8 verdrängtes Stegmaterial in die ausgebuchteten Stellen 28 zwischen den rippenförmigen Vorsprüngen 30 der Aussparung 14 ausweichen, ohne die Klemmwirkung zwischen Lasteinleitungselement 8 und Längsrändern der Aussparung 14 zu blockieren. Im übrigen ist die Bau- und Funktionsweise der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 die gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 zeigt einen typischen Kraft-Wegverlauf des beschriebenen Überlastabsorbers. Wie ersichtlich, wird die kritische Versagenslast auf einer steilen Anstiegsflanke schon nach einer kurzen Wegstrecke erreicht und verbleibt dann während des größten Teils des Lastbegrenzungsweges auf einem weitgehend konstanten Niveau, um erst gegen Ende der Lastbegrenzungsstrecke, wenn sich das Lasteinleitungselement 8 dem Anschlag am unteren Begrenzungsrand der Aussparung 14 nähert und das Energieabsorptionsvermögen des Überlastabsorbers ausgeschöpft ist, wieder steil anzusteigen. Der Rückhub des Lasteinleitungselements 8 in die Ausgangsstellung erfolgt auf einem weit niedrigeren, im wesentlichen durch die Klemmwirkung der verengten Längsränder der Aussparung 14 bestimmten Kraftniveau. Durch den so erzielten Kraftverlauf mit einer über den Versagenshub stark vergleichmäßigten Energieaufnahme werden die im Crashfall an den angrenzenden Strukturen 2, 4 auftretenden Belastungen deutlich reduziert, wobei das Lasteinleitungselement 8 auch bei Überlast sicher am Grundkörper 6 geführt und mit diesem integral verbunden bleibt und dadurch verhindert wird, daß das Hubschraubergetriebe im Crashfall unkontrollierte Bewegungen ausführt oder sich gar von der Tragstruktur 4 losreißt.

Claims (11)

1. Überlastabsorber in Faserverbundbauweise, mit einem im Lastübertragungspfad angeordneten Grundkörper, einem Lasteinleitungselement und einem zwischen Lasteinleitungselement und Grundkörper wirkenden, bei Überlast energieverzehrend verformten Faserverbundsteg, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasteinleitungselement (8) in einer in Lastrichtung (L) langlochförmigen Aussparung (14) im Grundkörper (6) und der Faserverbundsteg (18) in der Aussparung lastübertragend angeordnet sind, und daß der Faserverbundsteg zumindest an den in Lastrichtung verlaufenden Stegrändern (24) eine sich durchgehend in die angrenzenden Randbereiche des Grundkörpers erstreckende, im Überlastfall fortschreitend aufreißende Faserbindung aufweist.

2. Überlastabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasteinleitungselement (8) an den Längsrändern der Aussparung (14) reibschlüssig geführt ist.

3. Überlastabsorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Aussparung (14) zumindest stellenweise kleiner als das zugeordnete Maß des Lasteinleitungselements (8) ausgebildet ist.

4. Überlastabsorber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laibung der Aussparung (14) im Bereich der Längsränder rippenförmig die Breite verengende Vorsprünge (30) besitzt.

5. Überlastabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasteinleitungselement (8) an den Längsrändern der Aussparung (14) kippsicher geführt ist.

6. Überlastabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasteinleitungselement (8) mit einem allseitig winkelbeweglich gelagerten Anschlußteil (10) versehen ist.

7. Überlastabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (6) und der Steg (18) als integrale Faserverbund- Struktur mit einer im Stegbereich verringerten Dicke ausgebildet sind.

8. Überlastabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in den Grundkörper (6) erstreckenden Faserlagen (20) des Stegs (18) eine sich bezüglich der Lastrichtung (L) unter ±45° kreuzende Faserorientierung besitzen.

9. Überlastabsorber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (18) zusätzlich unidirektional in Lastrichtung (L) verlaufende Faserlagen enthält.

10. Überlastabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (6) und der Steg (18) aus Glas- und/oder Carbonfaser- Verbundwerkstoff hergestellt sind.

11. Überlastabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasteinleitungselement (8) bolzen- oder buchsenförmig ausgebildet und der Faserverbundsteg (18) in der Mitte des Grundkörpers (6) angeordnet ist.