-
Die
Erfindung betrifft ein tragendes Bauteil in Sandwichbauweise gemäß ausgewählten Merkmalen
des Patentanspruchs 1.
-
Bauteile
in Sandwichbauweise finden insbesondere Einsatz, wenn an Bauteile
besondere Anforderungen hinsichtlich des Gewichts und/oder auftretender
mechanischer Beanspruchungen zu stellen sind. Beispielsweise bilden
Strukturen bzw. Träger aus
mit Kohle-, Glas- oder Aramidfasern verstärkten Kunststoffen in Sandwichbauweise
einen entscheidenden Bestandteil bei Leichtbaukonstruktionen in Luft-
und Raumfahrt, in der Fahrzeugtechnik oder im allgemeinen Maschinenbau.
Im Einsatz sind die Bauteile dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt, welche
insbesondere die Ausbildung von Schwingungsformen, eine Schallabstrahlung
oder schlimmstenfalls Beeinträchtigungen
der mechanischen Festigkeit bis hin zu einem Bauteilversagen zur
Folge haben können.
die Auslegung dieser Bauteile hinsichtlich dynamischer Beanspruchungen
erfolgt bisher meistens über
eine Erhöhung
der Festigkeit. Dies führt
zu einer, insbesondere dem Leichtbauprinzip entgegenwirkenden, Massenzunahme, beispielsweise
durch Versteifungen oder zusätzliche Verbindungselemente.
-
Aus
DE 197 41 627 A1 und
AT 343 419 B sind
auf Reibungselementen basierende Schwingungstilger bekannt.
-
JP 06286679 A beschreibt
die Anordnung eines Reibungselements in einem als geschlossener Hohlkörper angeordneten
Rahmenprofil.
-
Weiterer
Stand der Technik ist aus
US 5,176,580
A ,
DE 40 07
770 C2 ,
DE
1 162 137 B ,
JP 06-288427 AA ,
DE 199 56 444 B4 ,
US 5,056,738 A ,
GB 2 401 407 A ,
US 2,642,263 A und
US 5,498,137 A bekannt.
-
Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein leicht bauendes
und tragendes Bauteil in Sandwichbauweise vorzuschlagen, dessen
Einsatz gute dynamische Eigenschaften Gewährleistet.
-
Die
Lösung
der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist gekennzeichnet durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Lösung ergeben
sich gemäß den Merkmalen
der abhängigen
Patentansprüche
2 bis 18.
-
Das
tragende Bauteil verfügt über einen
beliebigen Träger
in Sandwichbauweise, der mit einem Wabenmaterial, insbesondere aus
Aluminium, gebildet ist. Der Träger
kann über
ein oder mehrere fest miteinander verbundene Elemente verfügen. Beispielsweise
ist der Träger
mit zwischen Pre-Preg-CFK-Deckschichten angeordneten Aluminiumwaben
gebildet.
-
Im
Inneren des Trägers
ist mindestens ein Reibelement angeordnet. Hierzu verfügt der Träger über geeignete
Ausnehmungen, welche das Reibelement aufnehmen. Bei dem Reibelement
handelt es sich um einen Körper
beliebigen Materials, welches geeignet an die Kontaktfläche mit
dem Träger
zur Ausbildung eines gewünschten
Reibkoeffizienten angepasst ist. Die Geometrie des Reibelementes
ist zur Erzielung eines geeigneten Reibverhaltens sowie die zu erwartenden
Verformungen des Trägers
angepasst. Die Anordnung und Ausbildung des Reibelementes im Träger erfolgt
derart, dass bei einer Verformung des Sandwich-Bauteiles infolge
einer mechanischen (dynamischen) Beanspruchung das Reibelement Relativbewegungen
gegenüber
dem Träger ausführt. Aufgrund
der Relativbewegung wird zwischen Träger und Reibelement eine Reibkraft
ausgebildet, welche der Relativbewegung entgegengesetzt ist. In
dem Reibkontakt liegt trockene Reibung oder Mischreibung vor, so
dass für
eine Gleitreibung der Betrag der Reibkraft nach Maßgabe der
Normalkraft im Reibkontakt und dem Reibkoeffizienten zwischen dem
Träger
und dem Reibelement sowie gegebenenfalls weiterer Parameter, vorgegeben
ist. Infolge der trockenen Reibung bzw. Mischreibung ist die Reibkraft
während
des Gleitens stets der Relativbewegung bzw. -geschwindigkeit entgegengesetzt.
-
Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
hat die folgenden Vorteile:
- – Die erfindungsgemäße Ausgestaltung
kann innerhalb von Leichtbaustrukturen (vorzugsweise Sandwichplatten,
-schalen), also zwischen den Deckschichten angewendet werden. Dadurch
haben sie im Gegensatz zu außen
angewendeten Maßnahmen,
wie z. B. Dämpfungsmatten,
keinen störenden
Einfluss auf die Umgebung (aufgrund erforderlichen Bauraumes).
- – Im
Gegensatz zu viskosen Dämpfungselementen,
deren Dämpfungswirkung
proportional zur Relativgeschwindigkeit ist, und Versteifungen wird
erfindungsgemäß eine Reibkraft
erzeugt, welche auch für
kleine Geschwindigkeiten ungefähr
der Reibkraft bei größeren Geschwindigkeiten
entspricht und maßgeblich
durch die Normalkraft und die Kontaktbedingungen im Reibkontakt bestimmt
ist. Hierdurch kann ein verbessertes Dämpfungsverhalten erzielt werden.
- – Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
ist anwendbar auf beliebige Materialien, beispielsweise Metall,
Kunststoff, GFK, CFK, Kevlar und entsprechende Verbundmaterialien.
- Das erfindungsgemäße Bauteil
besteht aus wenigen Komponenten, welche aus festen Bauteilen bestehen.
- – Das
erfindungsgemäße Bauteil
kann auch bei Temperaturen eingesetzt werden, bei denen die meisten
auf Öl
oder elastischen Bauteilen wie Gummi basierenden Dämpfungseinrichtungen versagen.
Während
auf Gummi basierende Bauteile bei geringen Temperaturen ihre Elastizität verlieren,
verringern hohe Temperaturen die Viskosität der auf Öl basierenden Elemente.
- – Die
statischen Eigenschaften der zu dämpfenden Struktur werden nicht
beeinflusst.
- – Das
erfindungsgemäße Bauteil
ist darüber
hinaus einfach und billig in der Herstellung und Anwendung sowie
wartungsfrei.
- – Des
Weiteren kann eine Verbesserung der dynamischen Eigenschaften, insbesondere
Schwingungsauslegung, ohne gravierende Änderungen der Bauteilmasse
oder der erforderlichen Bauteilgeometrie erzielt werden. Hierzu
werden in einer einfachen Ausgestaltungsform keine Elektronik, keine
Sensoren, keine Aktuatoren und keine Regelungstechnik (im Gegensatz
zu aktiven Systemen, wie zum Beispiel Dämpfung auf Basis von Piezoaktuatoren)
benötigt.
-
Der
Träger
verfügt über mindestens
eine Deckschicht, welche den Reibkontakt mit dem Reibelement ausbildet.
Eine derartige Nutzung der Deckschicht hat insbesondere Vorteile
bei einer Beanspruchung des Bauteiles auf Biegung, bei der die Biegeverformungen
von einer neutralen Faser in Richtung der Außenseite des Trägers, also
in Richtung der Deckschicht zunimmt, so dass die erfindungsgemäße Wirkung
verstärkt
werden kann. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die – ohnehin
für einen
Kontakt mit der Umgebung geeignet ausgebildete – Deckschicht für die Ausbildung
des Reibkontaktes mit dem Reibelement besonders geeignet ist.
-
Der
Träger
ist mit einem Wabenmaterial gebildet. Wabenmaterialien verfügen über gute
mechanische Eigenschaften bei niedrigem Gewicht. Das Reibelement
ist im Inneren einer Wabe mit Reibkontakt zu den Wabenwänden angeordnet.
Somit bilden die Innenräume
der Wabe Ausnehmungen, welche das Reibelement aufnehmen können. Das
Wabenmaterial, welches in großen
Mengen hergestellt wird, stellt somit eine besonders einfache Form
eines Trägermateriales
dar, welches ohne weitere Anpassungen für die Erfindung einsetzbar
ist.
-
Entsprechend
einer Weiterbildung der Erfindung ist das Reibelement als Hohlkörper ausgebildet.
Hierdurch kann eine weitere Gewichtsminimierung erzielt werden.
-
Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Bauteile sind mehrere Reibelemente
in einem Querschnitt des Trägers
angeordnet. Hierdurch kann, insbesondere an Orten maximaler Schwingungsausschläge, die
erfindungsgemäße Wirkung
verstärkt werden,
da jedes Reibelement ein separates Dämpfungselement bildet und sich
die Wirkung der einzelnen Reibelemente überlagert oder addiert. Die
dynamischen Eigenschaften des Trägers
können
somit mit unwesentlichen Änderungen
des Querschnittes verbessert werden.
-
Nach
einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Bauteils
sind mehrere Reibelemente in Längsrichtung
des Trägers
verteilt angeordnet. Auch hierdurch kann die erfindungsgemäße Wirkung
verstärkt
werden. Mit der Verteilung der Reibelemente über den Träger kann beispielsweise den
relevanten Eigenformen des Trägers
Rechnung getragen werden. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis
zugrunde, dass ein Reibelement in einem Schwingungsknoten eine geringere
Wirkung aufweist als beispielsweise in einem Schwingungsbauch, im Bereich
größter Verformungen
oder im Bereich der größten Ableitungen
der Verformungen (Krümmung) oder
im Bereich der größten Ableitung
der Krümmung
des Trägers angeordnete
Reibelemente, da in den vorgenannten Bereichen die Relativverschiebungen
und/oder die Veränderungen
der Normalkraft infolge der Verformungen am größten sind.
-
Entsprechend
einer vorzugsweisen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reibelementes
ist dieses lose gleitend in einer Ausnehmung des Trägers angeordnet.
In diesem Fall entsteht die Dämpfungswirkung
infolge von trägheitsbedingten
Reibungsvorgängen
oder elastischer Verformungen des Trägers und/oder des Reibelementes
im Kontaktbereich. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils
ist hierdurch vereinfacht, da das Reibelement lediglich in eine
geeignete Ausnehmung des Trägers einzulegen
ist.
-
Entsprechend
einer Weiterbildung der Erfindung ist das Reibelement unter Ausbildung
einer Vorspannkraft in dem Träger
eingespannt. Die Vorspannkraft bewirkt die Normalkraft, nach deren
Maßgabe
die Reibkraft erzeugt wird. Somit liegt auch eine Normalkraft in
unverformtem Zustand des Trägers vor,
welche beispielsweise ein Losreißen der Kontaktpartner für eine Initiierung
einer Verformung mit entsprechenden Haftreibkräften bedingt.
-
Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorspannkraft
von der Verformung des Trägers
abhängig.
Hierdurch kann die Größe der Dämpfungswirkung
an die Schwingungsausschläge auf
besonders einfache Weise angepasst werden. Beispielsweise ist die
Vorspannkraft nach Maßgabe eines
Aktuators veränderlich.
Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Wirkung durch eine geeignete
Regelungseinrichtung verstärkt
werden. Alternativ oder zusätzlich
kann es nach Maßgabe
der Verformung des Trägers
zu Klemmkräften
zwischen dem Träger
und dem Reibelement kommen, so dass für große Auslenkungen die Kräfte im Reibkontakt größer sind
als für
kleine Auslenkung, wodurch eine von den Auslenkungen bedingte Energiedissipation bedingt
ist.
-
Ein
erfindungsgemäßes Bauteil
kann Verwendung in der Luft- oder Raumfahrt finden. Infolge der
besonderen Anforderungen an das Gewicht sowie die mechanischen Beanspruchungen
in der Luft- oder Raumfahrt hat sich der Einsatz des erfindungsgemäßen Bauteiles
in diesem Bereich als besonders vorteilhaft erwiesen.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
-
Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
erfindungsgemäßes Bauteil
in unverformtem und verformtem Zustand,
-
2 ein
erfindungsgemäßes Bauteil
gemäß 1 im
Querschnitt II-II,
-
3 ein
weiteres erfindungsgemäßes Bauteil
in unverformtem und verformtem Zustand und
-
4 ein
erfindungsgemäßes Bauteil
gemäß 3 im
Querschnitt IV-IV.
-
Ein
Bauteil 10 ist in Sandwich- oder Leichtbauweise ausgebildet.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Bauteil um einen Balken,
eine Platte oder Schale. Das Bauteil 10 findet Einsatz
als Träger-,
Verbindungs- oder Befestigungsmittel und/oder als konturgebendes
Bauteil. In Verbindung mit der Luft- und Raumfahrt dient das Bauteil 10 als
aerodynamisches Tragelement und/oder zur Befestigung von Hilfsaggregaten.
Infolge äußerer mechanischer Beanspruchungen
wird das Bauteil 10 zu Schwingungen angeregt.
-
Gemäß dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
verfügt
das Bauteil 10 über
einen Träger 11 und
mehrere Reibelemente 12. Das Bauteil 10 wird durch
Biegung um eine senkrecht zur Zeichenebene orientierte Achse Z beansprucht.
Gemäß 2 verfügt der Träger 11 über Ausnehmungen 13.
Im hier vorliegenden Fall sind die Ausnehmungen 13 quaderförmig ausgebildet.
In einem Querschnitt gemäß 2 sind
drei parallel orientierte Ausnehmungen 13 mit Längserstreckung
in Richtung der Längsachse
des Bauteiles 10 vorgesehen.
-
Die
Reibelemente 12 sind ebenfalls quaderförmig ausgebildet und mit Übermaß, passgenau oder
einem Spiel in mindestens einer Raumrichtung in Ausnehmungen 13 angeordnet.
Die Flächennormale
der größten Fläche der
quaderförmigen
Reibelemente 12 ist quer zur Längsachse des Bauteils 10 in
Richtung der Achse Y orientiert. Die Kontaktflächen des Reibelementes 12 mit
dem Träger 11 bilden einen
(trockenen) Reibkontakt. Die Normalkraft im Reibkontakt ist hierbei
konstant, hängt
von dem Übermaß des Reibelementes 12 gegenüber der
Ausnehmung 13 und/oder der Verformung des Bauteiles 10 ab.
Infolge der in 1 dargestellten Durchbiegung
des Bauteiles 10 kommt es zu einer Verlängerung der Oberseite des Balkens 10 sowie
einer Verkürzung
der Unterseite. Im Inneren des Trägers 11 kommt es infolge
dessen zu Relativbewegungen von Teilbereichen der Reibelemente 12 gegenüber dem Träger 11.
Im Reibkontakt wird eine Reibkraft ausgebildet, welche ein Moment
um die Achse X ausübt, welches
der Verformung des Bauteiles 10 entgegengerichtet ist.
Die Reibkraft bewirkt eine effektive Energiedissipation. Über die
Oberfläche
der Reibelemente 13 können
Teilbereiche an dem Träger 11 haften,
während
andere Teilbereiche in Gleitkontakt mit diesem stehen. Eine gute
Wirkung kann im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
erzielt werden, wenn die Reibelemente 12 mit größtmöglichem
Abstand von einer mittleren, in Richtung der Achse Z gerichteten
Faser bzw. der neutralen Faser angeordnet sind. Mehrere Reibelemente 13 können übereinander
und/oder in Längsrichtung
des Bauteiles 10 hintereinander liegend angeordnet sein.
-
Abweichend
von dem in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
können
die Reibelemente 12 untereinander in Wechselwirkung treten,
insbesondere durch einen Reibkontakt. Der Träger 11 ist mit einem
oder mehreren miteinander verbundenen Bauelementen gebildet.
-
Über die
dargestellte Ausführungsform
hinaus können
die Verhältnisse
im Reibkontakt durch zusätzliche
Stellmittel aktiv oder passiv beeinflusst sein. Beispielsweise kann
eine Erhöhung
der Normalkraft durch eine in 2 vertikal
orientierte Verschraubung, welche eine Verstärkung der Anpresskraft zwischen
Träger 11 und
Reibelement 12 bewirkt, vorgesehen sein. Weiterhin möglich ist
die aktive Beeinflussung der Normalkraft mittel geeigneter Aktuatoren,
Stellmittel und Regelungseinrichtungen.
-
Gemäß dem in 3, 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
verfügt
der Träger 11 über ein mit
mehreren Waben 14 gebildetes Material. Die Waben 14 verfügen über im Querschnitt
regelmäßig sechseckförmige Wabenwände 15.
Die Innenflächen der
Wabenwände 15 bilden
eine im Querschnitt sechseckförmige
Ausnehmung 16. In Ausnehmungen 16 sind Hülsen 17 koaxial
zur Längserstreckung der
Waben 14 angeordnet. Die Hülsen 17 bilden Reibelemente.
Die Hülsen 17 sind
mit Übermaß, passgenau
oder mit radialem Spiel in den Waben 14 angeordnet. Bei
einer Verformung der Waben 14 infolge einer Verformung
des Bauteiles 10, insbesondere bei Verformung um die und/oder
entlang der Achse Y, kommt es zu Relativbewegungen der Mantelflächen der
Hülsen 17 gegenüber der
Innenflächen
der Wabenwände 15.
Gemäß dem in
-
3 dargestellten
Ausführungsbeispiel sind
die Längsachsen
der Waben 14 quer zur Längsachse
des Bauteiles 10 in Richtung der zu erwartenden Verformungen
orientiert. Alternativ ist es möglich,
dass die Längsachsen
der Waben 14 quer zur Längsachse
des Bauteiles 10 und quer zu den zu erwartenden Verformungen
orientiert sind. Mischformen der beiden genannten Ausrichtungen
sind ebenfalls möglich.
Außerdem
können
die Waben alternativ zur genannten Sechseckform beliebig ausgeführt sein,
z. B. auch als wellenartiges oder regelmäßiges Gitter, die Wabenquerschnitte
können
rund, sowie drei-, vier- oder mehreckig sein.
-
Eine
Kombination der in den 1 und 2 sowie
den 3 und 4 dargestellten Ausgestaltungsformen
ist ebenfalls möglich.
-
Für den Fall,
dass der Träger 11 mit äußeren Deckschichten
gebildet ist, kann es vorteilhaft sein, dass die Reibelemente 12 mit
den innenliegenden Flächen
der Deckschichten in Wirkverbindung treten. Zusätzlich zu den dargestellten
Ausführungsformen können außenliegende
Dämpfungsmaßnahmen
vorgesehen sein. Zur Dimensionierung des Reibkontaktes zwischen
den Reibelementen 12 und dem Träger 11 wird auf folgende
Literaturstellen verwiesen:
- Balmer, Bert: "Erhöhung der
Dämpfung
von Turbinenschaufeln durch Reibelemente", Fortschrittsbericht, VDI Reihe 11,
Nr. 197. Düsseldorf
1993.
- Klamt, Klemens: "Zur
optimalen Schwingungsdämpfung
durch trockene Reibung in lokalen und ausgedehnten Fügestellen", Fortschrittsbericht,
VDI Reihe 11, Nr. 134, Düsseldorf
1990.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Bauteil 10 handelt
es sich insbesondere um eine Leichtbaustruktur, wie z. B. einen
Teil eines Flügels,
eines Leitwerkes oder einer Rumpfschale eines Luft- oder Raumfahrzeuges.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
kann der Träger 11 ebenfalls
mit Wabenmaterial gebildet sein, wobei die Reibelemente 12 in Aussparungen
des Wabenmateriales, ähnlich
der Anwendung von "Heat-Pipes" zur Wärmeabfuhr
zwischen Sandwich-Deckschichten, angeordnet sind. Die Hülsen 17 sind
vorzugsweise hohlzylinderförmig ausgebildet.
Vorzugsweise ist das Wabenmaterial mit Aluminium oder Kunststoff
gebildet, welches sich zwischen den Deckschichten einer Verbundstruktur (z.
B. GFK, CFK oder Aramid) befindet.
-
Vorzugsweise
sind die Reibelemente mit einem Schlitz oder Spalt ausgebildet,
welcher beispielsweise für
den Fall der Hülsen
in Längsrichtung derselben
orientiert ist. Unter Zusammenpressen des Reibelementes mit einem
Verringern des Schlitzes oder Spaltes wird das Reibelement in den
Träger
eingesetzt. Durch die Dimension des Schlitzes oder Spaltes kann
die Steifigkeit des Reibelementes, die Vorspannkraft und/oder die
Normalkraft im Reibkontakt vorgegeben werden.
-
Die
Erfindung findet Einsatz als Schwingungsdämpfer für Sandwich-Strukturen, bei
dem ein zusätzliches
Bauteil (Dämpfungselement)
in eine Sandwich-Struktur zwischen die Deckschichten integriert
ist und dass bei äußerer mechanischer
Schwingungsanregung des Sandwich-Bauteiles auftretende Reibkräfte zwischen
den Elementen des Dämpfers selbst
oder zwischen den Elementen des Dämpfers und der zu dämpfenden
Struktur (Bauteil) zu einer Energiedissipation und damit zu einer
Unterdrückung der
Schwingungsamplituden des Sandwich-Bauteiles führen.