DE102013113393A1

DE102013113393A1 - Verbindungsanordnung und Struktur

Info

Publication number: DE102013113393A1
Application number: DE102013113393.2A
Authority: DE
Inventors: Dieter Kohlgrüber; Matthias Waimer; Dieter Hachenberg; Lars Margull; Harald Kraft
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-03
Also published as: EP2881319A1; EP2881319B1; US20150151829A1; US9493224B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine energieabsorbierende Verbindungsanordnung zum Zusammenfügen von mindestens zwei Bauteilen, insbesondere eines Querträgers und eines Ringspants einer Rumpfzellenstruktur eines Flugzeugs, mit einer Vielzahl von insbesondere matrixförmig angeordneten Verbindern, wobei die Verbinder jeweils einen Kopf mit einem Schaft aufweisen und die Schäfte zugeordnete Bohrungen in den Bauteilen durchsetzen und an von den Köpfen wegweisenden Schaftenden jeweils Gegenlager vorgesehen sind und ein erstes Bauteil mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial und mindestens ein weiteres Bauteil mit einem metallischen Material und/oder mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet ist. Erfindungsgemäß liegen ein Kopf und/oder ein Gegenlager mindestens eines Verbinders an mindestens einem Unterleger an und der mindestens eine Unterleger ist in mindestens einer Führungsnut aufgenommen, die zumindest in das erste Bauteil eingelassen ist und deren Führungsnutanfang im Bereich der Bohrungen liegt, wobei der mindestens eine Unterleger durch das Überschreiten einer mechanischen Grenzlast FGrenz in einer von den Bohrungen wegweisenden Richtung verschiebbar ist und die Energieabsorption im Wesentlichen entlang einer Längsmittelachse der mindestens einen Führungsnut, insbesondere durch Lochleibungsversagen und/oder Abscheren des mindestens einen mit dem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildeten Bauteils, erfolgt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Struktur.

Description

Die Erfindung betrifft eine energieabsorbierende Verbindungsanordnung zum Zusammenfügen von mindestens zwei Bauteilen, insbesondere eines Querträgers und eines Ringspants einer Rumpfzellenstruktur eines Flugzeugs, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wobei die Verbindungsanordnung eine Vielzahl von insbesondere matrixförmig angeordneten Verbindern hat, wobei die Verbinder jeweils einen Kopf mit einem Schaft aufweisen und die Schäfte zugeordnete Bohrungen in den Bauteilen durchsetzen und an von den Köpfen wegweisenden Schaftenden jeweils Gegenlager vorgesehen sind und ein erstes Bauteil mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial und mindestens ein weiteres Bauteil mit einem metallischen Material und/oder mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Struktur mit zumindest zwei mit einer derartigen Verbindungsanordnung miteinander gefügten Bauteilen.
Rumpfzellenstrukturen für Flugzeuge aus CFRP-Komponenten ("CFRP = Carbon Fibre Reinfored Plastic") erfordern in der Regel zusätzliche, lokale "Crashabsorber", um ein mit Flugzeugen in traditioneller Vollmetallbauweise vergleichbares Crashverhalten zu erreichen. Derartige "Crashabsorber" erhöhen jedoch das Gewicht sowie die Komplexität der gesamten Primärstruktur des Flugzeugs in beträchtlichem Umfang. Eine alternative Möglichkeit zur Energieabsorption stellen die zum Zusammenfügen der CFRP-Bauteile zu einer Rumpfzellenstruktur ohnehin notwendigen Niet- und/oder Bolzenverbindungen dar. Diese Niet- und/oder Bolzenverbindungen können neben ihrer eigentlichen Lasttragfunktion innerhalb der Primärstruktur in vorteilhafter Weise zusätzlich zur Energieabsorption durch Lochleibungsversagen genutzt werden. Das für CFRP-Bauteile typische Lochleibungsversagen zeigt hierbei ein hohes massenspezifisches Energieabsorptionspotenzial sowie eine vorteilhafte Kraft-Weg-Charakteristik mit einem annähernd konstant bleibenden Kraftniveau und einer hohen Stauchkrafteffizienz.
Schwierigkeiten bereitet in diesem Zusammenhang jedoch das Erzeugen eines robusten und zugleich verlässlich auslösbaren und kontrolliert ablaufenden Prozesses des Lochleibungsversagens. Zudem vollzieht sich das Lochleibungsversagen bei hergebrachten Niet- und/oder Bolzenverbindungen in der Regel in einer räumlichen Orientierung, die durch den Winkel der geringsten Laminatfestigkeit sowie die Richtungswinkel der angreifenden Lasten bestimmt wird.
Im Fall von konventionellen Niet- und/oder Bolzenverbindungen besteht zudem die Gefahr des s. g. Kopfdurchzugversagens und damit einhergehend eines Totalversagens der gesamten Strukturverbindung. Ferner besteht die Möglichkeit eines unkontrollierten Kraftanstiegs durch verklemmte oder blockierte Fragmente bzw. verdrängtes Laminat.
Aus der DE 10 2007 014 464 A1 ist eine mechanische Absorptionsvorrichtung für Crashsituationen bekannt. Diese Vorrichtung umfasst eine an einem Bauteil abgestützte Energieabsorberplatte sowie ein an einem anderen Bauteil abgestütztes Aufhängungsteil mit einem als Stift ausgebildeten Eingriffsteil. Der Stift greift in eine Ausnehmung in der Energieabsorberplatte ein und ist an dieser abgestützt. Bei einer Crashsituation, d. h. im Fall einer hohen, auf die Bauteile einwirkenden Verzögerungskraft, ist die Energieabsorberplatte zur Energieabsorption mittels des Stiftes des Aufhängungsteils durch eine Relativbewegung zwischen der Energieabsorberplatte und des Aufhängungsteils aufschlitzbar. Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist darin zu sehen, dass ein zusätzliches Bauteil vonnöten ist, um in einem Crashfall die Bewegungsenergie in eine andere Energieform umzusetzen, wodurch sich das Gewicht und die Komplexität der Struktur erhöhen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine weitgehend gewichtsneutrale Verbindungsanordnung zum Zusammenfügen von insbesondere mindestens zwei faserverbundverstärkten Bauteilen, beispielsweise CFRP-Bauteilen, zu schaffen, die über ein sicher initiierbares, ausreichend hohes und in allen Phasen verlässlich kontrollierbares Energieabsorptionsvermögen zur Aufnahme von extremen mechanischen Belastungen – wie sie z. B. in einem Crashfall eines Flugzeugs auftreten können – aufweist. Des Weiteren ist es Aufgabe, eine Struktur aus zumindest zwei miteinander gefügten Bauteilen zu schaffen, die im Überlastfall eine hohe Energieabsorption aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Struktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.
Erfindungsgemäß liegen ein Kopf und/oder ein Gegenlager mindestens eines Verbinders an mindestens einem Unterleger an und der mindestens eine Unterleger ist in mindestens einer Führungsnut aufgenommen, die zumindest in das erste Bauteil eingelassen ist und deren Führungsnutanfang im Bereich der Bohrungen liegt, wobei der mindestens eine Unterleger durch das Überschreiten einer mechanischen Grenzlast F_Grenz in einer von den Bohrungen wegweisenden Richtung verschiebbar ist und die Energieabsorption im Wesentlichen entlang einer Längsmittelachse der mindestens einen Führungsnut, insbesondere durch Lochleibungsversagen und/oder Abscheren des mindestens einen mit dem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildeten Bauteils, erfolgt.
Hierdurch kann die Verbindungsanordnung im Fall einer vorab exakt definierten mechanischen Grenzlast, wie sie z. B. bei einem harten Aufsetzen eines Flugzeugs ohne Landefahrwerk auf der Landebahn auftreten kann, in einem erheblichen Maße mechanische Energie absorbieren, so dass die Folgen einer derartigen Grenzlastüberschreitung verringert, Beschleunigungskräfte reduziert und der mechanische Zusammenhalt der Bauteile durch die Verbindungsanordnung bzw. die Integrität der ganzen Rumpfzellenstruktur weitestgehend erhalten bleibt. Vorzugsweise kommt die Verbindungsanordnung zur Anbindung von CFRP-Querträgern an CFRP-Ringspante innerhalb einer Rumpfzellenstruktur zum Einsatz. Hierbei sind die CFRP-Ringspante ihrerseits mit einer CFRP-Rumpfzellenhaut beplankt. Die Verbindungsanordnung ist bevorzugt mit einer Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Verbinderreihen aufgebaut, die zusammen ein s. g. Verbinderfeld bzw. eine s. g. Verbindermatrix bilden. Die Unterleger verhindern u. a. ein Durchziehen der Köpfe der Verbinder durch das erste Bauteil, um unter allen auftretenden Lastzuständen den Zusammenhalt der Bauteile zu gewährleisten. Die Energieabsorption der Verbindungsanordnung erfolgt im Wesentlichen in axialer Richtung der Führungsnut. Demzufolge verläuft die Führungsnut parallel zu einer Hauptlastrichtung. In Versuchen wurde eine Energieabsorption über die bzw. der Verbindungsanordnung im Wesentlichen in axialer Richtung der Führungsnut bei einem Lasteinleitungswinkel α von bis zu 30° nachgewiesen. Mit anderen Worten, eine Energieabsorption in Rumpfquerrichtung erfolgt selbst dann, wenn die Last in die Energieabsorption schräg zur Rumpfquerrichtung in die Führungsnut eingeleitet wird. Es wird darauf hingewiesen, dass der angebende Winkelbereich nicht einschränkend zu werten ist, sondern lediglich beispielhafter Natur ist. Die Bohrungen im ersten Bauteil befinden sich jeweils im Bereich eines Führungsnutanfanges der jeweils zugeordneten Führungsnut. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Anordnung der Verbinder in den Bohrungen auch umgekehrt (Überkopf) erfolgen kann, d. h., dass das Gegenlager am Unterleger und der Kopf an der Unterseite des zweiten Bauteils unter mechanischer Vorspannung anliegt.
Neben dem mindestens ersten Bauteil aus einem beliebigen faserverstärkten Kunststoff, insbesondere aber aus CFRP, kann mindestens ein weiteres, mit diesem durch die Verbindungsanordnung gefügte Bauteil, ebenfalls mit einem beliebigen faserverstärkten Kunststoffmaterial und/oder mit einem metallischen Material, insbesondere mit Aluminium, Titan oder Edelstahl gebildet sein.
Nach Maßgabe einer vorteilhaften Ausgestaltung der Verbindungsanordnung ist vorgesehen, dass in die mindestens eine Führungsnut und/oder im Bereich einer dem zweiten Bauteil zugerichteten Unterseite des ersten Bauteils im Bereich der Führungsnut eine Aufnahmenut eingelassen ist. Hierdurch kann vom Schaft des mindestens einen Verbinders verdrängtes Bauteilmaterial (Laminat) aufgenommen werden, so dass eine Blockade des Bewegungsvorgangs und hiermit einhergehende Abrisse von Verbindern und ein Totalversagen der Verbindungsanordnung verhindert wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Verbindungsanordnung ist vorgesehen, dass die Verbinder als Nieten und/oder Schraubbolzen mit Schraubmuttern als Gegenlager ausgebildet sind. Hierdurch können für die crashsichere Verbindungsanordnung in der Luftfahrtindustrie übliche Verbinder gleicher oder ähnlicher Bauart zum Einsatz kommen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist mindestens ein Verbinder außerhalb der Aufnahmenut positioniert. Hierdurch wird im statischen Betriebsfall eine hohe Anbindungsgüte der mit einer Vielzahl von Nieten und/oder Schraubbolzen aufgebauten Verbindungsanordnung erreicht. Durch den Abstand zwischen der Bohrung im ersten Bauteil und der Aufnahmenut sowie dem Bohrungsdurchmesser kann die Auslösekraft der Verbindungsanordnung für den Übergang vom normalen statischen Betriebsfall in den dynamischen Energieabsorptionsmodus präzise eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein von einer Bohrung in einer Aufnahmenut des ersten Bauteils weggerichteter Bereich mindestens einer Führungsnut konisch ausgebildet. Infolge des konischen Verlaufs am Ende der Führungsnut kann ein stetiger Kraftanstieg durch zunehmendes Verklemmen bzw. durch zunehmende Reibkraft der Scheibe an den Nutseitenwänden erreicht werden. Damit kann das Lochleibungsversagen stetig abgebremst und die Einleitung abrupter Stopp-Kräfte vermieden werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform variiert eine Tiefe mindestens einer Führungsnut und/oder eine Tiefe mindestens einer Aufnahmenut in deren Längsrichtung abschnittsweise. Durch diese Variation des Höhen- bzw. Tiefenprofils der Führungs- und/oder Aufnahmenuten lässt sich das energetische Absorptionsverhalten der Verbindungsanordnung, insbesondere deren Kraft-Weg-Charakteristik, in weiten Grenzen einstellen.
Bei einer günstigen Weiterbildung der Verbindungsanordnung weisen die Unterleger eine näherungsweise rechteckförmige Umfangskontur und jeweils eine Unterlegerbohrung zur Durchführung der Schäfte der Verbinder auf. Hierdurch ist eine besonders zuverlässige Lagesicherung der Unterleger in ihren jeweils zugeordneten Führungsnuten gegeben. Daneben wird durch die Unterleger das Durchziehen der Köpfe der Verbinder bei hohen Crashlasten und damit ein Verlust der Integrität der gefügten Bauteile verhindert.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Verbindungsanordnung ist eine Querschnittsgeometrie der Unterleger rechteckförmig, T-förmig oder U-förmig ausgebildet. Hierdurch wird ein zusätzliches Aufnahmevolumen für das von den Schäften der Verbinder verdrängte Material des ersten Bauteils geschaffen, so dass ggfls. auf die Einbringung einer Aufnahmenut verzichtet werden kann.
Im Fall einer weiteren Ausführungsform weist mindestens eine quer zu einer Führungsnut verlaufende Querseite eines Unterlegers eine Ausnehmung, insbesondere eine in etwa halbkreisförmige Ausnehmung, auf. Durch die stirnseitige Ausnehmung im Unterleger wird ein Zusatzvolumen zur Aufnahme des von den Schäften der Verbinder im dynamischen Energieabsorptionsmodus verdrängten Laminates bereitgestellt. Die Ausnehmung ist bevorzugt in diejenige Querseite des Unterlegers eingebracht, die in der Bewegungsrichtung des Unterlegers während des Lochleibungsprozesses zur Energieabsorption im Crashfall liegt.
Im Fall einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung ist mindestens ein Verbinder in einer Abscherzone des ersten Bauteils positioniert. Hierdurch verläuft der Kraftfluss nach dem Ausscheren der Verbinder aus dem randseitigen Laminat des ersten Bauteils ausschließlich über die verbleibenden, anfänglich noch eine formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen aufrechterhaltenden Verbinder, die im weiteren Fortgang dann durch Lochleibungsversagen auf definierte Art und Weise mechanische Energie abbauen. Dies ermöglicht im Ergebnis eine genauere Auslösung der Lochleibungsprozesse zur Energieabsorption.
Bei einer Weiterentwicklung der Verbindungsanordnung sind die Köpfe der Verbinder in der Abscherzone jeweils in zugeordneten Abschernuten aufgenommen, deren von ihren zugeordneten Bohrungen weggerichteten Abschernutenden offen sind, wobei eine Materialstärke im Bereich der Abschernuten reduziert ist. Hierdurch wird ein definiertes Ausscheren der Verbinder aus dem randseitigen Laminat des ersten Bauteils und somit zugleich eine präzise Initiierung der Energieabsorption mittels des sich anschließenden Lochleibungsversagens ermöglicht. Bevorzugt ist die Materialstärke des ersten Bauteils im Bereich der Abscherführungsnuten kleiner oder gleich einer Materialstärke des ersten Bauteils im Bereich der Führungsnuten und ggfls. der darin eingelassenen Aufnahmenuten.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens ein Schaft eines Verbinders einen im Vergleich zu den Durchmessern der übrigen Verbinder reduzierten Durchmesser aufweist. Hierdurch scheren beim Erreichen der konstruktiv voreingestellten, kritischen mechanischen Grenzlast zunächst die Verbinder mit einem im Vergleich zu den übrigen Verbindern reduzierten Schaftdurchmesser ab. Anschließend verläuft der Kraftfluss wiederum ausschließlich über die Verbinder mit dem höheren Schaftdurchmesser, wobei durch Lochleibungsversagen mechanische Energie absorbiert wird. Bevorzugt sind die Verbinder mit reduziertem Schaftdurchmesser zu einer Verbinderreihe oder einer Verbindermatrix zusammengefasst, die in einem randseitigen Abschnitt des ersten Bauteils lokalisiert ist.
Bevorzugterweise sind Verstärkungsfaserorientierungen innerhalb der Matrix des zumindest einen Bauteils so gewählt, dass eine maximale Energieabsorption durch das Materialversagen erreichbar ist. Hierdurch wird die Energieabsorption beim Überschreiten der Grenzlast bzw. im Crashfall weiter verbessert.
Eine erfindungsgemäße Struktur hat zumindest zwei Bauteile, die mittels einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung miteinander gefügt sind. Eine derartige Struktur zeichnet sich durch eine hohe Energieabsorption im Fügebereich der Bauteile aus. Beispielhafte Strukturen sind Rumpfzellenstrukturen von Flugzeugen oder Auto-Strukturzellen, wie zum Beispiel im Anbindungsbereich einer Stoßstange.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine Rumpfzellenstruktur eines Flugzeugs mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung,
2 eine vergrößerte Darstellung der Verbindungsanordnung von 1,
3 einen Querschnitt der Verbindungsanordnung entlang der Schnittlinie III-III in 2,
4 eine vergrößerte Draufsicht des Ausschnitts IV aus der 3 zusammen mit dem zugehörigen Längsschnitt durch die Verbindungsanordnung sowie ein zugehöriges Kraft-Weg-Diagramm,
5 eine Draufsicht sowie einen Längsschnitt einer Verbindungsanordnung mit einer außerhalb der Aufnahmenut angeordneten Bohrung für den Verbinder,
6 eine Draufsicht auf eine Führungsnut einer Verbindungsanordnung mit einem leicht konischen Führungsnutende,
7 einen Längsschnitt einer Führungsnut mit einer Aufnahmenut einer Verbindungsanordnung mit einer jeweils in Längsrichtung abschnittsweise unterschiedlichen Tiefe sowie ein zugehöriges Kraft-Weg-Diagramm,
8 einen Längsschnitt einer Führungsnut mit einer Aufnahmenut einer Verbindungsanordnung mit einer jeweils in Längsrichtung abschnittsweise unterschiedlichen Tiefe sowie ein zugehöriges Kraft-Weg-Diagramm,
9 einen Querschnitt durch eine Verbindungsanordnung mit einer an einer Unterseite des ersten Bauteils ausgebildeten Aufnahmenut,
10 eine Draufsicht eines Unterlegers mit einer näherungsweise kreisförmigen Ausnehmung sowie eine Querschnittsdarstellung einer damit ausgestatteten Verbindungsanordnung,
11 eine Ansicht eines Unterlegers mit einer T-förmigen Querschnittsgeometrie sowie einen Querschnitt einer zugehörigen Verbindungsanordnung ohne eine Aufnahmenut,
12 eine Ansicht eines Unterlegers mit einer U-förmigen Querschnittsgeometrie sowie einen Querschnitt einer zugehörigen Verbindungsanordnung ohne eine Aufnahmenut,
13 zwei Führungsnuten mit einer jeweils darin eingelassenen Aufnahmenut mit einer jeweils unterschiedlichen Breite,
14 ein Kraft-Weg-Diagramm in Abhängigkeit von der jeweiligen Breite der Aufnahmenut gemäß 13,
15 eine Draufsicht auf eine Verbindungsanordnung mit Verbindern in einer randseitigen Abscherzone des ersten Bauteils,
16 einen Längsschnitt durch die Verbindungsanordnung entlang der Schnittlinie XVI-XVI in 15,
17 eine Draufsicht auf eine Verbindungsanordnung mit Verbindern mit einem reduzierten Schaftdurchmesser, und
18 einen Längsschnitt durch die Verbindungsanordnung entlang der Schnittlinie XVIII-XVIII in 17.
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselbe Bezugsziffer auf.
Die 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine Rumpfzellenstruktur eines Flugzeugs mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung.
Mittels einer energieabsorbierenden und daher weitgehend crashsicheren Verbindungsanordnung 10 sind ein erstes und ein zweites Bauteil 12, 14, die hier lediglich exemplarisch als ein Querträger 16 und ein Ringspant 18 einer Rumpfzelle 20 eines nicht dargestellten Flugzeugs ausgebildet sind, miteinander verbunden. Der Ringspant 18 ist außenseitig mit einer Rumpfzellenhaut 22 belegt und der Querträger 16 dient in Verbindung mit zwei Vertikalstreben 24, 26 zur Abstützung eines Fußbodens 28, auf dem mehrere Passagiersitze 30 in Reihen montiert sind.
Im Fall eines schweren Crashs, z. B. beim Aufschlagen der Rumpfzelle 20 auf eine Landebahn ohne ausgefahrenes Fahrwerk oder einer anderen starken mechanischen Verzögerung der Rumpfzelle 20, wirken hohe Kräfte F unter anderem auf den Querträger 16 und den Ringspant 18 und damit auf die Verbindungsanordnung 10 ein. In einem solchen Crashfall verläuft z. B. eine Flug- oder Bewegungsrichtung des Flugzeugs in etwa senkrecht zu der Zeichenebene.
Die 2 illustriert eine vergrößerte Darstellung der Verbindungsanordnung von 1.
Die Verbindungsanordnung 10 umfasst das erste Bauteil 12 bzw. den Querträger 16 sowie das zweite Bauteil 14 in Form des Ringpants 18, wobei die Bauteile 12, 14 mittels einer Vielzahl von Verbindern – von denen lediglich ein Verbinder repräsentativ mit der Bezugsziffer 40 versehen ist – zusammengefügt sind. Die Verbinder sind matrixförmig bzw. hier beispielhaft in zwei parallelen Verbinderreihen 42, 44 angeordnet und stellen im Ergebnis ein Verbinderfeld 46 bzw. eine Verbindermatrix dar. Die Verbinder sind mit einem geeigneten metallischen Material gebildet und können beispielsweise als Nieten oder mit Schraubbolzen und Schraubmuttern (z. B. Befestigungssystem "High-Lock^®") gebildet sein. Dem gegenüber sind die Bauteile 12, 14 mit einem kohlefaserverstärkten Kunststoff ("CFRP") aufgebaut.
Die 3 zeigt einen Querschnitt der Verbindungsanordnung entlang der Schnittlinie III-III in 2.
Der Verbinder 40 zum Fügen der Bauteile 12, 14 umfasst einen scheibenförmigen Kopf 50 mit einem sich daran anschließenden zylindrischen Schaft 52. An einem vom Kopf 50 weggerichteten Schaftende 54 des Schaftes 52 befindet sich ein Gegenlager 56. Der Schaft 52 des Verbinders 40 durchsetzt eine Bohrung 58 im ersten Bauteil 12 und eine Bohrung 60 im zweiten Bauteil 14, wobei die Bohrungen 58, 60 zueinander fluchtend in die Bauteile 12, 14 eingebracht sind. Das Gegenlager 56 liegt an einer Unterseite 62 des zweiten Bauteils 14 an. Der konstruktive Aufbau der weiteren Verbinder (vgl. insb. 1 bis 3) entspricht dem des hier beschriebenen Verbinders 40. Sowohl der Schaft 52 des Verbinders 40 als auch die Bohrungen 58, 60 können eine von der zylindrischen bzw. hohlzylindrischen Form abweichende Geometrie aufweisen und z. B. konisch ausgeführt sein.
Die 4 illustriert eine vergrößerte Draufsicht des Ausschnitts IV aus der 3 zusammen mit dem zugehörigen Längsschnitt der Verbindungsanordnung sowie ein zugehöriges Kraft-Weg-Diagramm zur Veranschaulichung des grundlegenden Funktionsprinzips der energieabsorbierenden, crashsicheren Verbindungsanordnung.
Der Kopf 50 des Verbinders 40 liegt an einem Unterleger 70 bzw. einer Unterlegscheibe mit einer näherungsweise rechteckförmigen Umfangskontur an. Der Unterleger 70 ist in einer im Wesentlichen rechteckförmigen Führungsnut 72, die in einer Oberseite 73 des ersten Bauteils 12 eingelassen ist, zumindest bereichsweise formschlüssig und entlang deren Längsmittelachse 74 im Crashfall axial verschiebbar aufgenommen. Die Längsmittelachse 74 verläuft parallel zur Hauptlastrichtung, entlang der die crashinduzierten Kräfte F vorrangig angreifen. Zur Durchführung des Schaftes 52 des Verbinders 40 ist in den Unterleger 70 eine durchgehende Bohrung 76 eingebracht und in die Führungsnut 72 ist eine optionale Aufnahmenut 78 eingelassen, die primär zur optimierten Aufnahme des vom Verbinder 40 im Überlastfall verdrängten Laminats des ersten Bauteils 12 dient. Die Aufnahmenut 78 verläuft unterhalb der Führungsnut 72 und durchsetzt das erste Bauteil 12 nicht. Die Führungsnut 72 sowie die optionale Aufnahmenut 78 verlaufen entlang der Längsmittelachse 74 und damit parallel zur Hauptlastrichtung. Die Führungs- und die Aufnahmenut 72, 78 können beispielsweise durch Fräsen in das Laminat des ersten Bauteils 12 eingebracht werden. Eine nicht bezeichnete Länge der Führungsnut 72 beträgt bis zu 100 mm, wobei die Aufnahmenut 78 in der Regel eine zumindest geringfügig kleinere Länge als die Führungsnut 72 aufweist. Die Bauteile 12, 14 sind zwischen dem Kopf 50 und dem am Schaftende 54 des Schaftes 52 angebrachten Gegenlager 56 im gezeigten, normalen statischen Lastfall bzw. im normalen Lasttragemodus der Verbindungsanordnung 10 – wie bei mit Hilfe von Verbindern gefügten Bauteilen – fest miteinander verspannt. Zur Montage der Verbindungsanordnung 10 wird der Unterleger 70 vor dem Setzen des Verbinders 40 in die Führungsnut 72 eingelegt.
Überschreiten die vorrangig entlang der Längsmittelachse 74 auf die Verbindungsanordnung 10 einwirkenden Kräfte F eine Grenzlast F_Grenz – wie es z. B. im Fall einer fahrwerklosen Landung eines Flugzeugs auf einer Landebahn der Fall sein kann –, so führt dies zu dem erfindungsgemäß beabsichtigten, kontrollierten Lochleibungsversagen der Bohrung 58 im ersten Bauteil 12. Infolgedessen geht die Verbindungsanordnung 10 vom normalen statischen Lastfall in den dynamischen Energieabsorptionsmodus über, in dem in einem erheblichen Umfang kinetische Energie absorbiert wird und die Folgen eines schwerwiegenden Crashs abgeschwächt werden. Bei diesem Vorgang bewegt sich der Verbinder 40 und mit ihm der in der Führungsnut 72 aufgenommene Unterleger 70 ausgehend von seiner hier eingezeichneten Anfangsposition in einem Führungsnutanfang 80 entlang der Längsmittelachse 74, bis er seine schraffiert angedeutete Endposition im Bereich eines Führungsnutendes 82 eingenommen hat. Während dieses Prozesses legt der Unterleger 70 und mit ihm der Schaft 52 des Verbinders 40 insgesamt den Weg s_Max in einer Richtung 84 bzw. einer Bewegungsrichtung zurück, die von der Bohrung 58 im ersten Bauteil 12 weg weist. Dies bedeutet, dass sich der Verbinder 40 und mit ihm der Unterleger 70 im Crashfall im Zuge des einsetzenden und fortschreitenden Lochleibungsversagens der Bohrung 58 im ersten Bauteil 12 ausgehend von der gezeigten im Bereich vom Führungsnutanfang 80 bis zum Führungsnutende 82 hin axial verschiebt. Korrespondierend hierzu verläuft die Kraft F in dem gleichfalls in 4 gezeigten Kraft-Weg-Diagramm, in dem der Verlauf der Kraft F über den Weg s des Unterlegers 70 bzw. des Verbinders 40 veranschaulicht ist. In einem ersten Kurvenabschnitt 86 befindet sich die Verbindungsanordnung 10 im normalen statischen Lastfall, in dem die Kraft F ohne eine nennenswerte Änderung des Wegs s steil ansteigt. In einem zweiten Kurvenabschnitt 88 bleibt die Kraft F über den zunehmenden Weg s konstant, da in diesem Bereich die gewünschte Energieabsorption aufgrund des Lochleibungsversagens auftritt und die Verbindungsanordnung 10 in den dynamischen Energieabsorptionsmodus übergegangen ist. In einem dritten Kurvenabschnitt 90 ist die Energieabsorption durch das definierte Lochleibungsversagen im Bereich der Bohrung 58 im ersten Bauteil 12 abgeschlossen, da der Unterleger 70 zusammen mit dem Verbinder 40 seine mit einer gestrichelten Linie angedeutete Endposition im Bereich des Führungsnutendes 82 eingenommen hat, so dass die Kraft F ab diesem Punkt bei einem nur noch in geringem Maße zunehmendem Weg s stark ansteigt. In dieser Phase befindet sich die Verbindungsanordnung 10 in einem s. g. Stoppmodus, in dem die Energieabsorption durch fortschreitendes Lochleibungsversagen nahezu schlagartig beendet ist.
Beim Einsetzen des Lochleibungsversagens ist durch den in der Führungsnut 72 gleitenden Unterleger 70 sichergestellt, dass die Versagensrichtung stets entlang der Längsmittelachse 74 verläuft, auch wenn die einwirkende Kraft F anteilig Querkraftkomponenten enthält, die unter einem Winkel α von bis zu 30° zu der Längsmittelachse 74 angreifen können. In einer derartigen Konstellation legt sich der Unterleger 70 mit einer seiner – der besseren zeichnerischen Übersicht halber hier nicht bezeichneten Längsseiten – an eine gleichfalls nicht bezeichnete Seitenwand der Führungsnut 72 an und stellt durch eine Flächenpressung eine dieser Querkraft entgegengesetzte Kontaktkraft entgegen, die das beabsichtigte Lochleibungsversagen entlang der Längsmittelachse 74 ermöglicht. Die Führungsnut 72 definiert darüber hinaus den maximalen Weg s_Max, den der Verbinder 40 im ersten Bauteil 12 zurücklegen kann. Erreicht der Unterleger 70 am Führungsnutende 82, so erhöht sich schlagartig die wirksame Leibungsfläche infolge der am Führungsnutende 82 anschlagenden Stirnfläche des Unterlegers 70. Die vier abgerundeten Ecken bzw. die als Radien ausgeführten Ecken des Unterlegers 70 bewirken ein stabiles Gleiten, vermeiden ein "Eingraben" sowie ein Verkanten des Unterlegers 70 innerhalb der Führungsnut 72. Ein Längenverhältnis zwischen den Längsseiten und den Querseiten des Unterlegers 70 beträgt bevorzugt 2:1, so dass auch in Bezug zur Längsmittelachse 74 unter einem Winkel α von bis zu 30° angreifende Kräfte F durch Lochleibungsversagen sicher aufgenommen und energetisch absorbiert werden können. Abweichend hiervon kann der Unterleger 70 auch eine quadratische Umfangskontur oder eine von der rechteckigen oder quadratischen Umfangskontur in weiten Grenzen abweichende, nahezu beliebige Umgangskontur aufweisen.
Die Umfangskontur des Unterlegers 70 und die Geometrie des Führungsnutendes 82 sind darüber hinaus so ausgestaltet, das beim Erreichen seiner Endposition zwischen dem Unterleger 70 und dem Führungsnutende 82 ein zumindest bereichsweiser Formschluss besteht. Dasselbe gilt für den Führungsnutanfang 80. Schließlich wird durch den Unterleger 70 ein Durchziehen des Kopfes 50 des Verbinders 40 durch die Bauteile 12, 14 bei hohen Kräften vermieden. Durch die Aufnahmenut 78 ist ein geordnetes Abfließen bzw. die Aufnahme des vom Verbinder 40 verdrängten Materials bzw. Laminats bei fortschreitendem Lochleibungsversagen gewährleistet. Die Aufnahmenut 78 verläuft vorzugsweise innerhalb der Führungsnut 72 und bietet dem verdrängten Laminat ein ausreichendes Ausdehnungsvolumen und damit eine Möglichkeit, dem lochleibenden Verbinder 40 auszuweichen.
Eine nicht bezeichnete Länge der Aufnahmenut 78 sowie ein Überstand 92 des Unterlegers 70 in Bezug zu einer Längsmittelachse des Schaftes 52 des Verbinders 40 sind vorzugsweise so gestaltet, dass der Verbinder 40 ein Aufnahmenutende 93 erreicht, bevor der Unterleger 70 an das Führungsnutende 82 anschlägt. Hierdurch erfolgt ein gleitender, weniger abrupter Übergang aus dem dynamischen Energieabsorptionsmodus bzw. dem Lochleibungsversagen in den Stoppmodus bzw. den Abbremsmodus, so dass mechanische Lastspitzen vermieden werden. Der Überstand 92 entspricht hier exemplarisch der Hälfte einer Länge 94 des Unterlegers 70. Eine asymmetrische Anordnung der Bohrung 76 des Unterlegers 70 in Bezug zur Längsmittelachse 74 ist gleichfalls möglich.
Bei der konstruktiven Auslegung der Verbindungsanordnung 10 ist vor allem auf eine optimale Abstimmung zwischen den Laminatfestigkeiten der Bauteile 12, 14 sowie der Festigkeit der Verbinder zu achten, damit das Lochleibungsversagen der Bohrung 58 im Idealfall ausschließlich in dem unterhalb der Aufnahmenut 78 verlaufenden Materialsteg 96 im Bauteil 12 erfolgt und ein frühzeitiges Versagen der anderen Verbinder vermieden wird.
Die Verbindungsanordnung 10 ist grundsätzlich nicht auf eine einschnittige Fügung der zwei Bauteile 12, 14 beschränkt zu sehen, sondern kann auch zweischnittige oder mehrschnittige Fügungen mit mehr als zwei Bauteilen umfassen. Das Faserverbundbauteil 12 kann zudem eine beliebige Faserverlaufsrichtung bzw. Faserorientierung aufweisen, wobei die Verstärkungsfasern in eine beliebige Matrix aus einem geeigneten, mechanisch hinreichend belastbaren Kunststoffmaterial eingebettet sein können. Eine Verstärkungsfaserorientierung bzw. eine Verlaufsrichtung der Verstärkungsfasern innerhalb der Matrix des Bauteils 12 kann so gewählt sein, dass in einem Crashfall eine maximale Energieabsorption durch das Materialversagen erreicht wird. Demgegenüber ist das Bauteil 14 mit einem beliebigen metallischen Werkstoff, wie z. B. Aluminium, Titan oder Edelstahl.
Die 5 zeigt eine Draufsicht sowie einen Längsschnitt einer Verbindungsanordnung mit einer außerhalb der Aufnahmenut angeordneten Bohrung für den Verbinder.
Die Ausführungsform der Verbindungsanordnung 100 umfasst die beiden Bauteile 12, 14, die mittels des Verbinders 40 zusammengefügt sind. In die Oberseite 73 des ersten Bauteils 12 ist eine Führungsnut 102 eingelassen und innerhalb dieser verläuft eine Aufnahmenut 104. Im Unterschied zur Ausführungsform der Verbindungsanordnung 10 nach Maßgabe von 4 liegt eine Bohrung 106 im ersten Bauteil 12 außerhalb der Aufnahmenut 104 des ersten Bauteils 12, wodurch sich unterhalb des Unterlegers 70 ein Absatz 108 ergibt.
Ein Verhältnis zwischen einem Durchmesser D der Bohrung 106 und dem Abstand A dieser zur Aufnahmenut 104 ist so bemessen, dass für den Fall, dass die Kraft F im Crashfall die Grenzlast F_Grenz überschreitet, der Absatz 108 des ersten Bauteils 12 sicher abschert, wodurch eine zuverlässige Initiierung des sich anschließend selbsttätig fortsetzenden Lochleibungsversagens der Bohrung 106 gegeben ist. Während des Prozesses des fortschreitenden Lochleibungsversagens wird der Verbinder 40 bis zum Erreichen des hier nicht bezeichneten Führungsnutendes der Führungsnut 102 durch das erste Bauteil 12 hindurch gezogen.
Die 6 zeigt eine Draufsicht auf eine Führungsnut mit einem leicht konischen Führungsnutende. Eine Verbindungsanordnung 150 umfasst wiederum die gefügten Bauteile 12, 14 mit einer in die Oberseite 73 des ersten Bauteils 12 eingelassenen Führungsnut 152 sowie einer darin angeordneten Aufnahmenut 154.
Im Unterschied zu der Ausführungsform von 5 liegt die Bohrung 156 hier im Bereich eines Aufnahmenutanfangs 158 des ersten Bauteils 12 und die Führungsnut 152 ist in einem Bereich 160 eines von der Bohrung 156 weggerichteten Führungsnutendes 162 konisch ausgebildet. Dies bedeutet, dass sich eine Breite 166 der Führungsnut 152 im Bereich eines Führungsnutanfangs 164 innerhalb des konischen Bereichs 160 bevorzugt linear bis auf eine Breite 168 an einem Führungsnutende 162 bzw. im Bereich eines Aufnahmenutendes 170 reduziert.
Mit Hilfe der endseitig konischen Führungsnut 152 wird die der Bewegung des hier nicht dargestellten Verbinders beim Lochleibungsversagen der Bohrung 156 entgegenwirkende Kraft durch zunehmendes Verklemmen bzw. durch eine ansteigende Reibkraft in dem konischen Bereich 160 erhöht. Hierdurch erfolgt das Beenden des Lochleibungsversagens fließend und ohne die Gefahr von Lastspitzen beim Stoppvorgang, wenn der Unterleger das Führungsnutende 162 erreicht.
Die 7 zeigt einen Längsschnitt einer Führungsnut mit einer Aufnahmenut einer Verbindungsanordnung mit einer jeweils in Längsrichtung abschnittsweise unterschiedlichen Tiefe sowie ein vereinfachtes Kraft-Weg-Diagramm ohne Berücksichtigung eines etwaigen Unterlegervorlaufs.
Die Verbindungsanordnung 200 umfasst die mittels des Verbinders 40 gefügten Bauteile 12, 14. Im Bereich der Oberseite 73 des ersten Bauteils 12 sind eine Führungsnut 202 für den Aufleger 70 sowie eine Aufnahmenut 204 eingelassen. Eine Tiefe 206 der Führungsnut 202 sowie eine Tiefe 208 der Aufnahmenut 204 verringert sich ausgehend von einem Führungsnutanfang 210 bis hin zu einem Führungsnutende 212 jeweils abschnittsweise.
Hierdurch ergibt sich ausweislich des zugehörigen Kraft-Weg-Diagramms ein konstanter oder zumindest abschnittsweise ansteigender Verlauf der Kraft F über den Weg s des Verbinders 40, bis sich der in der Richtung 84 verschiebende Unterleger 70 zusammen mit dem Verbinder 40 das Führungsnutende 212 erreicht und den innerhalb der Führungs- sowie der Aufnahmenut 202, 204 maximal möglichen Weg s_Max durchlaufen hat.
Die 8 zeigt einen Längsschnitt einer Führungsnut mit einer Aufnahmenut einer Verbindungsanordnung mit einer jeweils in Längsrichtung abschnittsweise unterschiedlichen Tiefe sowie ein vereinfachtes Kraft-Weg-Diagramm ohne Berücksichtigung eines etwaigen Unterlegervorlaufs.
Die Verbindungsanordnung 250 umfasst die mittels des Verbinders 40 sowie des Unterlegers 70 gefügten Bauteile 12, 14 mit einer Führungsnut 252 und einer Aufnahmenut 254 im ersten Bauteil 12. Im Bereich eines Aufnahmenutanfangs 256 ist in deren Nutgrund ein vertikaler Absatz 258 ausgebildet. Hierdurch ergibt sich ausweislich des zugehörigen Kraft-Weg-Diagramms ein Wert F₁ im Verlauf der Kraft F, die aus dem horizontalen Abscheren des vertikalen Absatzes 258 resultiert und die eine zuverlässige Initiierung des Lochleibungsversagens im ersten Bauteil 12 gewährleistet. Nach dem vollständigen Abscheren des vertikalen Absatzes 258 bewegt sich der Verbinder 40 zusammen mit seinem Unterleger 70 weiter in der Richtung 84 und die Kraft F fällt zunächst auf einen Wert F₂ ab und verbleibt im weiteren Verlauf zunächst konstant auf diesem Niveau. Nach dem Durchlaufen des maximalen Wegs s_max läuft der Unterleger 70 dann auf einen konischen Absatz 260 an einem Führungsnutende 262 auf und/oder der Schaft 52 des Verbinders 40 erreicht einen weiteren vertikalen Absatz 264 eines Aufnahmenutendes 266, so dass die Kraft F schließlich einen im Vergleich zu F₁ deutlich höheren Wert von F₃ erreicht. Nach dem Erreichen des Wertes F₃ steigen die Kraft F sowie der Weg s stark an. Die 7 und 8 verdeutlichen die umfangreichen Gestaltungsmöglichkeiten zur Beeinflussung der Kraft-Weg-Charakteristik der Lochleibungsprozesse durch eine Variation des Verlaufs der Höhen- bzw. Tiefenprofile der Nutgründe der Führungs- sowie der Aufnahmenuten 202, 204, 252, 254 im ersten Bauteil 12.
Die 9 zeigt einen Querschnitt durch eine Verbindungsanordnung mit einer an einer Unterseite des ersten Bauteils ausgebildeten Aufnahmenut. Die Verbindungsanordnung 300 umfasst die mindestens zwei mittels des Verbinders 40 und dem Unterleger 70 gefügten Bauteile 12, 14, wobei in der Oberseite 73 eine Führungsnut 302 zur zumindest bereichsweise formschlüssigen Aufnahme des Unterlegers 70 vorgesehen ist.
Eine Aufnahmenut 304 ist abweichend von allen vorherigen Ausführungsformen in eine Unterseite 306 des ersten Bauteils 12, die dem zweiten Bauteil 14 zugewandt ist, eingelassen. Zwischen der Führungs- und der Aufnahmenut 302, 304 verbleibt ein senkrecht zur Zeichenebene verlaufender Materialsteg 308, in den eine Bohrung 310 zum Durchführen des Verbinders 40 eingebracht ist. Der Materialsteg 308 mit einer rechteckförmigen Querschnittsgeometrie bildet jeweils den Nutgrund für die Führungs- sowie die Aufnahmenut 302, 304.
Die 10 illustriert eine Draufsicht eines Unterlegers mit einer näherungsweise kreisförmigen Ausnehmung von unten sowie eine Querschnittsdarstellung einer damit ausgestatteten Verbindungsanordnung.
Diese weitere Ausführungsform der Verbindungsanordnung 350 umfasst die mittels des Verbinders 40 und des Unterlegers 352 zusammen gefügten Bauteile 12, 14. An der Unterseite 62 des zweiten Bauteils 14 liegt das am Schaftende 54 des Schafts 52 angebrachte Gegenlager 56 des Verbinders 40 an.
Der Unterleger 352 mit einer gleichfalls im Wesentlichen rechteckförmigen Umfangskontur bzw. einer quaderförmigen Gestalt weist, im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen, im Bereich einer Querseite 354 eine halbovale bzw. annähernd halbkreisförmige Ausnehmung 356 auf. Eine der Querseite 354 gegenüberliegende und parallel zu dieser verlaufende Querseite 358 ist hingegen durchgehend ausgeführt. Die Ausnehmung 356 dient zur optimierten Aufnahme des vom Schaft 52 des Verbinders 40 bei der Energieabsorption durch Lochleibungsversagen einer Bohrung 360 im ersten Bauteil 12 verdrängten Laminats. Der Unterleger 352 ist mittels seiner beiden parallel verlaufenden Längsseiten 362, 364 innerhalb einer Führungsnut 366 im Bauteil 12 geführt. Die in etwa rechteckförmige Querschnittsgeometrie der Führungsnut 366 korrespondiert im Wesentlichen mit einer gleichfalls ungefähr rechteckförmigen Querschnittsgeometrie des Unterlegers 352, so dass dieser im Idealfall bündig mit der Oberseite 73 des ersten Bauteils 12 abschließt.
Unterhalb der Führungsnut 366 kann eine optionale, mit einer weiß punktierten Linie angedeutete, Aufnahmenut 368 vorgesehen sein, wenn der von der Ausnehmung 356 im Unterleger 352 geschaffene Raum zur Aufnahme des verdrängten Laminats bzw. der Fragmente des ersten Bauteils 12 nicht ausreichend ist. Eine zylindrische Bohrung 370 im Unterleger 352 sowie eine gleichartige Bohrung 372 im zweiten Bauteil 14 dient zusammen mit der Bohrung 360 im ersten Bauteil 12 zur Durchführung des Schaftes 52 des Verbinders 40 durch die Bauteile 12, 14 bzw. den Unterleger 352, wobei alle drei Bohrungen 360, 370, 372 fluchtend und zueinander kongruent ausgebildet sind.
Die 11 zeigt eine Ansicht eines Unterlegers mit einer T-förmigen Querschnittsgeometrie sowie einen Querschnitt einer zugehörigen Verbindungsanordnung ohne eine Aufnahmenut.
Die Verbindungsanordnung 400 umfasst die beiden mittels des Verbinders 40 gefügten Bauteile 12, 14, wobei ein in einer Führungsnut 402 senkrecht zur Zeichenebene verschiebbar und bündig mit dem Bauteil 12 aufgenommener Unterleger 404 eine T-förmige Querschnittsgeometrie zur Schaffung eines Zusatzvolumens für das vom Verbinder 40 verdrängte Laminat des ersten Bauteils 12 aufweist. Hierdurch wird ggfls. eine z. B. sich unterseitig an der Führungsnut 402 anschließende Aufnahmenut für Fragmente bzw. Laminat des ersten Bauteils 12 entbehrlich.
Die 12 zeigt eine Ansicht eines Unterlegers mit einer U-förmigen Querschnittsgeometrie sowie einen Querschnitt einer zugehörigen Verbindungsanordnung ohne eine Aufnahmenut. Die Verbindungsanordnung 450 umfasst die beiden mittels des Verbinders 40 gefügten Bauteile 12, 14, wobei ein in einer Führungsnut 452 senkrecht zur Zeichenebene verschiebbar und bündig mit dem Bauteil 12 aufgenommener Unterleger 454 eine U-förmige Querschnittsgeometrie zur Schaffung eines Zusatzvolumens für das vom Verbinder 40 verdrängte Laminat des ersten Bauteils 12 aufweist. Hierdurch wird eine z. B. sich unterseitig an der Führungsnut 452 anschließende Aufnahmenut für Fragmente bzw. Laminat des ersten Bauteils 12 unter Umständen entbehrlich.
Die 13 und 14, auf die im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich Bezug genommen wird, zeigen zwei Führungsnuten mit einer jeweils darin eingelassenen Aufnahmenut mit einer jeweils unterschiedlichen Breite sowie ein zugehöriges Kraft-Weg-Diagramm in Abhängigkeit von der jeweiligen Breite der Aufnahmenut gemäß 13, anhand derer die gezielte Einstellung des Lochleibungsverhaltens näher erläutert werden soll.
Im Bauteil 12 ist linksseitig eine Führungsnut 500 mit einer Aufnahmenut 502 sowie rechtsseitig eine Führungsnut 504 mit einer Aufnahmenut 506 angeordnet. In die Aufnahmenuten 502 sowie 506 ist jeweils eine Bohrung 508, 510 mit einem Innendurchmesser d_1A und d_1B eingebracht. Die notwendigen Verbinder sowie die Unterleger einschließlich deren Schäfte sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Durchmesser d_1A und d_1B der Bohrungen 508, 510 entsprechen hierbei jeweils in etwa den Durchmessern der Schäfte der nicht dargestellten Verbinder (leichte Presspassung). Das Lochleibungsversagen der Bohrungen 508, 510 setzt – wie aus dem Diagramm in 14 ersichtlich – bei den Kräften F_1A sowie F_1B ein, die annähernd gleich groß sind.
Die zur Weiterbewegung der Verbinder durch das Bauteil 12 dann aufzubringende Kraft F steigt im Fall von zunehmenden Lochleibungslängen 512, 514 bzw. Lochumfängen langsam weiter an, da die von den Verbindern verdrängten und/oder gestauchten Fragmente eine Verbreiterung bzw. Aufweitung der Lochleibungen 516, 518 bewirken. Bei ausgeprägt fortschreitendem Lochleibungsprozess können die Breiten 520, 522 der aufgeweiteten bzw. ausgefransten Lochleibungen 516, 518 doppelt so groß werden wie die Durchmesser d_1A, d_1B der zugehörigen Bohrungen 508, 510, wie es hier exemplarisch bei der linksseitigen Lochleibung 516 der Fall ist. Folglich können die Kräfte F_2A,2B bei forciertem Lochleibungsprozess z. B. den doppelten Wert gegenüber den annähernd gleichen Kräften F_1A,1B bei der Versagensinitiierung erreichen (vgl. 14).
Durch eine gezielte, vorrangige Variation der Breiten d_2A, d_2B der Aufnahmenuten 502, 506 können demzufolge die maximal auftretenden Breiten 520, 522 der Lochleibungen 516, 518 limitiert werden. Die höhere Laminatdicke außerhalb der Aufnahmenuten 502, 506 im Bereich der Führungsnuten 500, 504 verhindert dabei das weitere, seitliche Ausfransen bzw. Aufweiten der Lochleibungen 516, 518. Durch die vorrangige Variation der beiden Breiten d_2A und d_2B der Aufnahmenuten 502, 506 können im Ergebnis die maximal auftretenden Lochleibungskräfte F_2A sowie F_2B jeweils in Abhängigkeit vom Weg s der Verbinder durch das Laminat des ersten Bauteils 12 niedriger oder höher eingestellt werden – was auch dem in 14 gezeigten Diagramm entnehmbar ist –, wobei zugleich die formelmäßigen Beziehungen F_2A > F_2B bzw. d_2A > d_2B sowie F_1A = F_1B gelten.
Die 15 illustriert eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Verbindungsanordnung mit einer Vielzahl von matrix- bzw. feldartig angeordneten Verbindern in einer randseitigen, peripheren Abscherzone des ersten Bauteils.
Die Verbindungsanordnung 600 umfasst wiederum das erste Bauteil 12 bzw. den Querträger 16 sowie das zweite Bauteil 14 in Form des Ringpants 18. Ein Bereich 602 der Verbindungsanordnung 600 umfasst exemplarisch eine Vielzahl von nicht einzeln bezeichneten Verbindern und Unterlegern, die jeweils in Bohrungen, Führungsnuten sowie Aufnahmenuten aufgenommen sind, deren konstruktiver Aufbau jeweils dem Aufbau des Verbinders, der Bohrungen, des Unterlegers sowie der Führungs- und der Aufnahmenut der Verbindungsanordnung in der 4 entsprechen.
Ferner umfasst die Verbindungsanordnung 600 in einer peripheren Abscherzone 604 eine Vielzahl von nicht einzeln bezeichneten Verbindern, die in randseitig offenen Führungsnuten positioniert sind. Dies bedeutet, dass die Führungsnuten in der Abscherzone 604 an ihren jeweils zum zweiten Bauteil 14 bzw. dem Ringspant 18 hin weisenden Führungsnutenden offen ausgebildet sind.
Durch diese konstruktive Variante wird die Initiierung der Verbindungsanordnung 600 durch das Abscheren von Laminatmaterial innerhalb der Abscherzone 604 weiter optimiert. Das Abscheren des Laminatmaterials in der Abscherzone 604 erfolgt, wenn die angreifende Kraft F einen vorab konstruktiv festgelegten Wert F_Grenz überschreitet. Im Anschluss daran erfolgt die Energieabsorption gem. 4 wiederum durch kontrolliertes Lochleibungsversagen der innerhalb des Bereichs 602 liegenden Bohrungen und Nuten der Verbinder. Der Wert F_Grenz ist in diesem Zusammenhang gleich dem Betrag einer Initialkraft (F_Initial) zur Auslösung der kontrollierten Energieabsorption durch das Lochleibungsversagen.
Die 16 illustriert einen Längsschnitt durch die Verbindungsanordnung entlang der Schnittlinie XVI-XVI in 15.
Innerhalb des Bereichs 602 der Verbindungsanordnung 600 befindet sich der Verbinder 40 mit dem Kopf 50, dem Schaft 52 sowie dem am Schaftende 54 aufgebrachten Gegenlager 56, wobei der Verbinder 40 eine jeweils nicht bezeichnete Bohrung in jeweils einem der gefügten Bauteile 12, 14 durchsetzt. Der Kopf 50 des Verbinders 40 liegt mit einer hinreichend hohen mechanischen Vorspannung an dem Unterleger 70 an, der seinerseits in einer Führungsnut 606 des ersten Bauteils 12 mit einer darunter verlaufenden Aufnahmenut 608 aufgenommen ist. Die Auslegung und die Konstruktion dieser Komponenten folgen insbesondere dem im Rahmen der Beschreibung von 4 bereits eingehend erläuterten Aufbau.
In der Abscherzone 604 befindet sich ein weiterer Verbinder 610, der gleichfalls nicht bezeichnete Bohrungen in den Bauteilen 12, 14 durchsetzt und dessen konstruktiver Aufbau – abgesehen von einer verkürzten Schaftlänge – dem des Verbinders 40 entspricht. Dieser weitere Verbinder 610 ist in einer Bohrung 612 angeordnet, die in eine Abschernut 614 eingebracht ist. Im Bereich der Abschernut 614 ist eine Materialstärke 616 des Bauteils 12 kleiner oder gleich einer Materialstärke 618 des Bauteils 12 im Bereich der Führungsnut 606 bzw. der Aufnahmenut 608 und kleiner als eine Materialstärke 620 im Bereich einer Aufdickung 622 im Bereich der Verbinder 40, 610 sowie einer Materialstärke 624 außerhalb der Aufdickung 622 bzw. der Verbinder 40, 610.
Die Abschernut 614 ist ferner an einem peripheren, d. h. an einem vom Verbinder 610 bzw. der zugehörigen Bohrung 612 weggerichteten Abschernutende 626 offen ausgebildet, um zumindest ein widerstandsreduziertes Entlanggleiten des Kopfes des zweiten Verbinders 610 im Crashfall zu ermöglichen. Wenn die Kraft F einen vordefinierten Wert F_Grenz überschreitet, wird der nicht bezeichnete Schaft des Verbinders 610 aus der Abschernut 614 in Richtung eines weißen Pfeils 628 herausgezogen, wobei ein in etwa rechteckförmiges Fragment 630 bzw. verdrängtes Laminat von dem Bauteil 12 abgeschert bzw. aus diesem herausgerissen wird. Der Betrag dieser Kraft F_Grenz lässt sich durch eine Variation eines Bohrungsdurchmessers D der Bohrung 612 im ersten Bauteil 12 und/oder eines Abstandes A der Bohrung 612 von einer Außenkante 632 des ersten Bauteils 12 gezielt und präzise einstellen. Die Bohrung 612 ist hierbei an einem vom Abschernutende 626 wegweisenden Abschernutanfang 634 angeordnet.
Im Anschluss erfolgt die erwünschte Energieabsorption im Crashfall in vorstehend erläuterter Weise durch das kontrollierte Lochleibungsversagen der im ersten Bauteil 12 für den Verbinder 40 vorgesehenen Bohrung. Die Verbindungsanordnung 600 ist im Allgemeinen mit einer Vielzahl von matrixförmig bzw. feldartig angeordneten Verbindern, Unterlegern, Führungsnuten, Aufnahmenuten sowie Abschernuten realisiert.
Die 17 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Verbindungsanordnung mit einer Vielzahl von matrix- bzw. feldartig angeordneten Verbindern mit einem reduzierten Schaftdurchmesser. Die Verbindungsanordnung 700 umfasst das erste Bauteil 12 bzw. den Querträger 16 sowie das zweite Bauteil 14 in Form des Ringspants 18. Ein Bereich 702 der Verbindungsanordnung 700 umfasst exemplarisch eine Vielzahl von nicht einzeln bezeichneten Verbindern und Unterlegern, die jeweils in Bohrungen, Führungsnuten sowie Aufnahmenuten aufgenommen sind, deren konstruktiver Aufbau jeweils dem Aufbau des Verbinders, der Bohrungen, des Unterlegers sowie der Führungs- und der Aufnahmenut der Verbindungsanordnung in 4 entsprechen.
Ferner umfasst die Verbindungsanordnung 700 in einer Abscherzone 704 eine Vielzahl von nicht einzeln bezeichneten Verbindern, die einen, im Vergleich zu den Verbindern im Bereich 702, jeweils reduzierten Schaftdurchmesser aufweisen. Der Bereich 702 liegt bevorzugt in einer peripheren Randzone 706 des ersten Bauteils 12, während die Abscherzone 704 in einer Innenzone 708 positioniert ist, die innenseitig am Bauteil 12 positioniert ist und von der Randzone 706 weggerichtet ist.
Infolge dieser Bauform wird die Initiierung der Verbindungsanordnung 700 durch das Abscheren der Verbinder innerhalb der Abscherzone 704 weiter verbessert. Das Abscheren der Schäfte der Verbinder innerhalb der Abscherzone 704 erfolgt, wenn die angreifende Kraft F einen vorab konstruktiv festgelegten Wert F_Grenz überschreiten. Im Anschluss daran erfolgt die Energieabsorption wiederum gem. 4 durch kontrolliertes Lochleibungsversagen der innerhalb des Bereichs 702 liegenden Bohrungen und Nuten der Verbinder.
18 zeigt einen Längsschnitt durch die Verbindungsanordnung entlang der Schnittlinie XVIII-XVIII in 17.
Innerhalb des Bereichs 702 der Verbindungsanordnung 700 befindet sich der Verbinder 40 mit dem Kopf 50, dem Schaft 52 sowie dem am Schaftende 54 aufgebrachten Gegenlager 56, wobei der Verbinder 40 eine jeweils nicht bezeichnete zylindrische Bohrung in jeweils einem der gefügten Bauteile 12, 14 durchsetzt. Der Kopf 50 des Verbinders 40 liegt mit einer hinreichend hohen, in Richtung des Schaftes 52 wirkenden, mechanischen Vorspannung an dem Unterleger 70 an, der seinerseits in einer Führungsnut 710 des ersten Bauteils 12 mit einer darunter verlaufenden Aufnahmenut 712 und in einem Crashfall darin längsverschoben wird. Die axiale Vorspannung des Verbinders 40 ist so bemessen, dass im normalen statischen Lastfall bzw. im Lasttragemodus die Bauteile 12, 14 zuverlässig mit einer hohen Fügequalität miteinander verbunden sind. Die Auslegung und die Konstruktion dieser Komponenten folgen im Übrigen insbesondere dem im Rahmen der Beschreibung von 4 bereits eingehend erläuterten Aufbau.
Innerhalb der Abscherzone 704 befindet sich ein weiterer Verbinder 714, der gleichfalls nicht bezeichnete Bohrungen in beiden Bauteilen 12, 14 durchsetzt und dessen konstruktiver Aufbau – abgesehen von der Schaftdicke und dem hieran angepassten Gegenlager – dem des Verbinders 40 entspricht. Ein Durchmesser 716 eines Schaftes 718 des Verbinders 714 ist jedoch deutlich kleiner bemessen als ein Durchmesser 720 des Schaftes 52 des Verbinders 40. Darüber hinaus liegt ein in etwa zylindrischer Kopf 722 des Verbinders 714 ohne Unterleger direkt an der Oberseite 73 des Bauteils 12 an, das zudem im Bereich der Abscherzone 704 keine Führungs- und Aufnahmenuten sowie Unterleger aufweist. Ferner kann das erste Bauteil 12 im Bereich der Verbinder 40, 722 eine Aufdickung aufweisen. Wenn die angreifenden Kräfte F z. B. in einem Crashfall den konstruktiv festgelegten Wert F_Grenz erreichen, wird zunächst nur der Schaft 718 des Verbinders 714 abgeschert. Im Anschluss daran erfolgt die kontrollierte Energieabsorption durch das gesteuerte Lochleibungsversagen der für den Verbinder 40 im ersten Bauteil 12 vorgesehenen Bohrung.
Der Wert F_Grenz ab dem der Schaft 718 des Verbinders 714 abschert und damit den eigentlichen Energieabsorptionsprozess durch kontrolliertes Lochleibungsversagen einleitet, auslöst bzw. triggert, lässt sich unter anderem durch die Variation des Durchmessers 716 präzise einstellen.
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung nutzt in allen Ausführungsformen zur Energieabsorption das kontrollierte Lochleibungsversagen einer Vielzahl von Bohrungen eines Verbinderfeldes bzw. einer Verbindermatrix mit einer entsprechenden Bohrungszahl durch zeitlich parallel ablaufende Lochleibungsprozesse mit klar definierten Randbedingungen durch Führungsnuten und Unterleger unter ständiger Sicherstellung der strukturellen Integrität der gefügten Bauteile. Das kontrollierte Lochleibungsversagen erfolgt auch bei nicht-parallelen s. g. "Off-Axis"-Lasten, die unter Winkeln α von bis zu 30° angreifen, stets in einer vordefinierten Richtung, die im Wesentlichen der Längsmittelachse der Führungs- und Aufnahmenuten in einem der Bauteile entspricht. Das Lochleibungsversagen ist dabei auf eine definierte Länge, insbesondere eine Länge der Führungs- und Aufnahmenuten begrenzt, d. h. es erfolgt kein unkontrolliertes Ausreißen der gefügten Bauteile, die zu einem Verlust der strukturellen Integrität führen könnte. Ein s. g. Kopfdurchzugversagen und der im Allgemeinen damit einhergehende totale Verlust der strukturellen Integrität sowie Blockade-Effekte durch das Zusammenstauen von verdrängtem Laminatmaterial bzw. von Fragmenten werden zuverlässig vermieden.
Die Verbindungsanordnung gewährleistet ferner eine genaue Einstellung ihres Kraft-Weg-Verhaltens durch die Vielzahl der zur Verfügung stehenden und voneinander unabhängig wirkenden Designparameter und stellt dennoch ein robustes Konzept mit geringer Komplexität dar. Die Verbindungsanordnung ermöglicht es, z. B. die in einer Rumpfzellenstruktur eines Flugzeugs ohnehin notwendige Verbinder zur Energieabsorption ohne das Erfordernis aufwändiger konstruktiver Anpassungen sowie einer damit in der Regel einhergehenden Gewichtserhöhung einfach und kostengünstig mit zu benutzen. Die Verbindungsanordnung gestattet dabei die optimale Ausnutzung der hohen massenspezifischen Energieabsorptionskapazität beim Lochleibungsversagen von CFRP-Bauteilen. Eine Einstellung der Absorptionscharakteristik der Verbindungsanordnung, insbesondere deren Kraft-Weg-Charakteristik ist mittels der Vielzahl unterschiedlicher und individuell einstellbarer Designparameter – wie z. B. dem Höhenprofil der Führungs- und Aufnahmenuten, deren Breite, deren Querschnittsgeometrie, die Schaftdurchmesser der Verbinder, der Formgebung der Unterleger etc. – in weiten Grenzen fein justierbar.
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung zum crashsicheren Fügen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, insbesondere von CFRP-Bauteilen, kann dabei in allen Bereichen des Leichtbaus, insbesondere jedoch dem Flugzeugbau und dem Fahrzeugbau, in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft eine energieabsorbierende Verbindungsanordnung zum Zusammenfügen von mindestens zwei Bauteilen, insbesondere eines Querträgers und eines Ringspants einer Rumpfzellenstruktur eines Flugzeugs, mit einer Vielzahl von insbesondere matrixförmig angeordneten Verbindern, wobei die Verbinder jeweils einen Kopf mit einem Schaft aufweisen und die Schäfte zugeordnete Bohrungen in den Bauteilen durchsetzen und an von den Köpfen wegweisenden Schaftenden jeweils Gegenlager vorgesehen sind und ein erstes Bauteil mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial und mindestens ein weiteres Bauteil mit einem metallischen Material und/oder mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet ist. Erfindungsgemäß liegen ein Kopf und/oder ein Gegenlager mindestens eines Verbinders an mindestens einem Unterleger an und der mindestens eine Unterleger ist in mindestens einer Führungsnut aufgenommen, die zumindest in das erste Bauteil eingelassen ist und deren Führungsnutanfang im Bereich der Bohrungen liegt, wobei der mindestens eine Unterleger durch das Überschreiten einer mechanischen Grenzlast F_Grenz in einer von den Bohrungen wegweisenden Richtung verschiebbar ist und die Energieabsorption im Wesentlichen entlang einer Längsmittelachse der mindestens einen Führungsnut, insbesondere durch Lochleibungsversagen und/oder Abscheren des mindestens einen mit dem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildeten Bauteils, erfolgt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Struktur.

Bezugszeichenliste
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007014464 A1 [0005]

Claims

Energieabsorbierende Verbindungsanordnung (10) zum Zusammenfügen von mindestens zwei Bauteilen (12, 14), insbesondere eines Querträgers (16) und eines Ringspants (18) einer Rumpfzellenstruktur eines Flugzeugs, mit einer Vielzahl von insbesondere matrixförmig angeordneten Verbindern (40), wobei die Verbinder (40) jeweils einen Kopf (50) mit einem Schaft (52) aufweisen und die Schäfte (52) zugeordnete Bohrungen (58, 60) in den Bauteilen (12, 14) durchsetzen und an von den Köpfen (50) wegweisenden Schaftenden (54) jeweils Gegenlager (56) vorgesehen sind und ein erstes Bauteil (12) mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial und mindestens ein weiteres Bauteil (14) mit einem metallischen Material und/oder mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopf (50) und/oder ein Gegenlager (56) mindestens eines Verbinders (40) an mindestens einem Unterleger (70) anliegen und der mindestens eine Unterleger (70) in mindestens einer Führungsnut (72) aufgenommen ist, die zumindest in das erste Bauteil (12) eingelassen ist und deren Führungsnutanfang (80) im Bereich der Bohrungen (58, 60) liegt, wobei der mindestens eine Unterleger (70) durch das Überschreiten einer mechanischen Grenzlast F_Grenz in einer von den Bohrungen (58, 60) wegweisenden Richtung (84) verschiebbar ist und die Energieabsorption im Wesentlichen entlang einer Längsmittelachse (74) der mindestens einen Führungsnut (72), insbesondere durch Lochleibungsversagen und/oder Abscheren des mindestens einen mit dem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildeten Bauteils (12), erfolgt.
Verbindungsanordnung (10, 300) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die mindestens eine Führungsnut (302) und/oder im Bereich einer dem zweiten Bauteil (14) zugerichteten Unterseite (306) des ersten Bauteils (12) im Bereich der Führungsnut (302) eine Aufnahmenut (304) eingelassen ist.
Verbindungsanordnung (10, 300) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbinder (40) als Nieten und/oder Schraubbolzen mit Schraubmuttern als Gegenlager ausgebildet sind.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbinder (40) außerhalb der Aufnahmenut (104) positioniert ist.
Verbindungsanordnung (150) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einer Bohrung (156) in einer Aufnahmenut (154) des ersten Bauteils (12) weggerichteter Bereich (160) mindestens einer Führungsnut (152) konisch ausgebildet ist.
Verbindungsanordnung (200, 250) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe (206) mindestens einer Führungsnut (202, 252) und/oder eine Tiefe (208) mindestens einer Aufnahmenut (204, 254) in deren Längsrichtung abschnittsweise variiert.
Verbindungsanordnung (10, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterleger (70, 352, 404, 454) eine näherungsweise rechteckförmige Umfangskontur und jeweils eine Unterlegerbohrung (76, 370) zur Durchführung der Schäfte der Verbinder aufweisen.
Verbindungsanordnung (10, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsgeometrie der Unterleger (70, 352, 404, 454) rechteckförmig, T-förmig oder U-förmig ausgebildet ist.
Verbindungsanordnung (350) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine quer zu einer Führungsnut (366) verlaufende Querseite (354) eines Unterlegers (352) eine Ausnehmung (356), insbesondere eine in etwa halbkreisförmige Ausnehmung, aufweist.
Verbindungsanordnung (600) nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbinder (40, 610) in einer Abscherzone (604) des ersten Bauteils (12) positioniert ist.
Verbindungsanordnung (600) nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Köpfe (50) der Verbinder (40, 610) in der Abscherzone (604) jeweils in zugeordneten Abschernuten (614) aufgenommen sind, deren von ihren zugeordneten Bohrungen weggerichteten Abschernutenden (626) offen sind, wobei eine Materialstärke (616) im Bereich der Abschernuten (614) reduziert ist.
Verbindungsanordnung (700) nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schaft (718) eines Verbinders (714) im Vergleich zu den Durchmessern (720) der übrigen Verbinder (40) einen reduzierten Durchmesser (716) aufweist.
Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei Verstärkungsfaserorientierungen innerhalb der Matrix des Bauteils (12) so gewählt sind, dass eine maximale Energieabsorption durch das Materialversagen erreichbar ist.
Struktur aus zumindest zwei Bauteilen (12, 14), die zumindest mittels einer Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche miteinander gefügt sind.