DE102016007663A1 - Rohrförmiger Faserverbundkörper mit integrierter stufenloser Längenverstellung - Google Patents

Rohrförmiger Faserverbundkörper mit integrierter stufenloser Längenverstellung Download PDF

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Abstract

Bei der Verwendung von Faserverbundrohren als Strebe besteht das grundsätzliche Problem, Kräfte in diese Strukturen einzuleiten. Problematisch ist dabei in der Praxis, dass Einbringen der Fasern in Zwischenräume oder Vorsprünge, die Kraftübertragung über Klebung sowie die Integration einer stufenlosen Längenverstellung der Strebe im eingebauten Zustand. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein rohrförmiger Faserverbundkörper mit einem Übergangselement versehen wird, dessen Innenseite mit einem Innengewinde versehen ist und die dem rohrförmigen Faserverbundkörper zugewandte Seite Löcher aufweist in welchen Stifte eingebracht sind und zwischen der dem rohrförmigen Faserverbundkörper zugewandte Seite des Übergangselements und dem rohrförmigen Faserverbundkörper eine toleranzausgleichende Zwischenschicht liegt und ein Teil der Stifte sowohl die toleranzausgleichende Zwischenschicht als auch den rohrförmigen Faserverbundkörper über die gesamte Wanddicke durchdringen und ein durch ein Übergangselement mit dem rohrförmigen Faserverbundkörper verbundenes Anbauelement über ein Gewinde stufenlos längenverstellbar ist. Derartige Faserverbundrohre dienen insbesondere zur mechanischen Ansteuerung, Führung und mechanischen Lagerung und können beispielsweise als Steuerstangen in Flugzeugen und Helikoptern eingesetzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Krafteinleitung in rohrförmige Faserverbundkörper mit integrierter stufenloser Längenverstellung. Rohrförmige Faserverbundkörper dienen insbesondere zur mechanischen Ansteuerung, Führung und mechanischen Lagerung bzw. zur Abstützung, zur Verstrebung oder zur Verbindung. Solche Streben können beispielsweise als Steuerstangen in Flugzeugen und Helikoptern eingesetzt werden.
  • Rohrförmige Faserverbundkörper dieser Art umfassen im Allgemeinen einen im Wesentlichen rohrförmigen Körper, an dessen Ende sich jeweils ein Element (Krafteinleitung) befindet. Rohrförmige Faserverbundkörper kommen in der Praxis in erheblichen Stückzahlen vor, wobei sich ein Faserverbundkörper in Form einer Strebe insbesondere durch Variation der Länge auszeichnet. Die Variation der Länge wird im Wesentlichen durch Veränderung der Länge des rohrförmigen Körpers erreicht. Die Krafteinleitungen sind bei einer Faserverbundstrebe eines Typs im Wesentlichen gleich, so dass insbesondere die Krafteinleitungen in einer hohen Stückzahl vorkommen.
  • Rohrförmige Faserverbundkörper zeichnen sich insbesondere durch ihr im Vergleich zu metallischen Rohren geringes Gewicht aus. Stand der Technik ist, die Krafteinleitungen am Ende derartiger Faserverbundkörper metallisch auszuführen. In den meisten Fällen werden Krafteinleitungen aus Aluminium eingesetzt. Diese sind beispielsweise stoffschlüssig durch Verklebung mit dem rohrförmigen Körper aus Faserverbundwerkstoff verbunden. Nachteilig sind hierbei das hohe Gewicht der metallischen Krafteinleitungen, die schlechte Korrosionsbeständigkeit und die hohen Herstellungskosten sowie die fehlende Möglichkeit der Längeneinstellung an der fertigen Strebe. Die hohen Herstellungskosten werden durch in der Regel mechanische Zerspanung sowie den Aufwand, der zur Vermeidung von Kontaktkorrosion in der Fügestelle zwischen Krafteinleitung und Faserverbundrohr betrieben werden muss, verursacht. In seltenen Fällen bestehen die Krafteinleitungen auch aus Faserverbundwerkstoffen, wobei sich die hohen Herstellkosten, verursacht durch begrenzte Automatisierbarkeit des Fertigungsprozesses, nachteilig auswirken.
  • Bei der Verwendung von Faserverbundkörpern besteht das grundsätzliche Problem, Kräfte in den Faserverbundkörper einzuleiten. Meistens werden dazu metallische Elemente verwendet, die in die Stäbe eingelassen werden. Für die problematische Verbindung von Metallelement und Faserverbundstab gibt es viele technische Lösungen, wie auch verschiedene Patente bzw. Patenanmeldungen zeigen
    ( EP 0 841 490 A2 , DE 10 2006 039 565 A1 , DE 100 58 609 A1 , DE 102 47 003 A1 ; DE 20 2009 008 026 ; DE 10 2014 000 134.2 ; DE 10 2013 008 810.0 ; DE 10 2013 018 970.5 ; DE 20 2008 008 215.3 ; DE 20 2006 016 041.8 ).
  • Formschlüssige Lösungen zur Einleitung von Kräften in Faserverbundkörper sind beispielsweise aus DE 20 2009 003 662 U1 bekannt, wobei im Wesentlichen die ideale Ausführung eines Faserverbundgewindes zur Kraftübertragung beschrieben wird.
  • In DE 20 2006 001 878.6 sowie in WO 2009/003207 PCT/AT2008/000239 werden insbesondere die geometrischen Ausgestaltungen der formschlüssigen Verbindung beschrieben. Dabei besteht das Krafteinleitungselement jeweils teilweise aus Vorsprüngen.
  • Problematisch ist dabei in der Praxis, dass Einbringen der Fasern in die Zwischenräumen der Vorsprünge sowie die Qualitätssicherung des Übergangs zwischen dem eigentlichen Krafteinleitungselement und den Vorsprüngen.
  • An Zug-Druck-Streben oder -Stangen und/oder Torsionsstreben werden besonders hohe Ansprüche an die Festigkeit der verwendeten Materialien bei gleichzeitig geringem Gewicht, geringen Kosten, effizienter Qualitätssicherungsmöglichkeiten und auch an die Korrosionsbeständigkeit gestellt. Zudem müssen die Zug-Druckstreben extrem widerstandsfähig gegen mechanische sowie umgebungsbedingte Beanspruchungen sein und sollten nach der Montage längenverstellbar sein. So werden beispielsweise Steuerstangen in Flugzeugen erst nach der Montage im Flugzeug in der Länge angepasst, um Fertigungstoleranzen auszugleichen.
  • Eine Vielzahl an Zug-Druckstangen sind heute noch metallisch ausgeführt, unter anderem dadurch begründet, dass die Krafteinleitung in Faserverbundrohre in vielen Fällen den Anforderungen nicht entspricht. So sind Steuerstangen, zum Beispiel zur Anlenkung von Höhen-, Seiten- oder Querrudern an Flugzeugen, heute noch fast ausschließlich metallisch ausgeführt.
  • Die steigenden Anforderungen an Gewichts- und Kosteneinsparung sowie an die Längenverstellbarkeit führen an die Grenzen des Potentials bekannter Bauweisen der Krafteinleitung in Faserverbundkörper mit im Wesentlichen rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen.
  • Alle bisher bekannten Bauweisen der Krafteinleitung in Faserverbundkörper sind entweder zu aufwändig und damit zu kostenintensiv in der Herstellung und/oder halten den Anforderungen bezüglich geringen Gewichtes, geringen Kosten, effizienter Qualitätssicherungsmöglichkeiten, Korrosionsfreiheit und/oder mechanischer Beanspruchungen sowie der Längeneinstellbarkeit im eingebauten Zustand nicht stand. Bekannt ist auch, dass die hohen Herstellkosten der Krafteinleitungen bislang durch Fertigungsmethoden wie aufwändiger Zerspanung auf der metallischen Seite oder Harzinjektionsverfahren auf der duromeren Faserverbundseite begründet sind, die für die benötigte Ausbringmenge an Krafteinleitungen grundlegend ungünstig sind.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Faserverbundkörper mit rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen derart weiterzubilden, dass die dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Nachteile vermieden werden.
  • Es sollen rohrförmige Faserverbundstreben mit geringem Eigengewicht und hoher Korrosionsbeständigkeit, herstellbar auch in Großserienproduktion, geschaffen werden, die insbesondere erhöhten mechanischen Beanspruchungen standhalten, längenverstellbar sind und kostengünstig herzustellen sind.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein rohrförmiger Faserverbundkörper zur Übertragung von Zug-, Druck und/oder Torsionskräften mit einem Übergangselement versehen wird, wobei die Innenseite des Übergangselements zumindest teilweise mit einem Innengewinde versehen ist. Das Innengewinde dient dabei dazu, einen standardisierten Übergang zu Einschraubelementen wie beispielsweise Gabelköpfe oder Kugelgelenkköpfe zu schaffen. Das Innengewinde des Übergangselements kann zudem die Längeneinstellbarkeit von Einschraubelementen ermöglichen.
  • Sowohl die Innengeometrie des rohrförmigen Faserverbundkörpers als auch die Außengeometrie des Übergangselementes können erfindungsgemäß große Fertigungstoleranzen aufweisen um zu einer kostengünstigen Herstellbarkeit der Krafteinleitung beizutragen. Zum Ausgleich der Fertigungstoleranzen ist erfindungsgemäß eine toleranzausgleichende Zwischenschicht vorgesehen. Erst durch die erfindungsgemäße toleranzausgleichende Zwischenschicht ist eine kostengünstige Herstellbarkeit möglich.
  • Auf der dem Faserverbundkörper zugewandte Seite weist das Übergangselement erfindungsgemäß zumindest teilweise Löcher auf. In den Löchern sind Stifte eingebracht, die sowohl die toleranzausgleichende Zwischenschicht als auch den Faserverbundkörper jeweils über die gesamte Wanddicke durchdringen.
  • Erst durch die erfindungsgemäße Anordnung ist die gegenüber dem Stand der Technik vorteilhafte Kraftübertragung möglich.
  • Versuche haben beispielsweise gezeigt, dass der Verzicht auf die toleranzausgleichende Zwischenschicht dazu führt, dass bei Belastung neben der Schubkräften auch unzulässig hohe Biegekräfte im Übergangsbereich von Übergangselement zum Faserverbundkörper entstehen, die zu einem frühzeitigen Versagen der Krafteinleitung führen. Je nach Belastung versagen dabei die Stifte, die Löcher in dem Übergangselement oder die Löcher in dem Faserverbundkörper. Erst durch das Einbringen der toleranzausgleichenden Zwischenschicht konnten hohe Kräfte erfolgreich übertragen werden.
  • Vorversuche haben gezeigt, dass die möglich Adhäsion zwischen der toleranzausgleichenden Zwischenschicht und dem Übergangselement sowie dem Faserverbundkörper nicht zu den hohen übertragbaren Kräften führt, sondern die signifikante Reduzierung der Toleranzen. Auch mit Trennmittel vorbehandelte Faserverbundkörper und Übergangselemente haben durch Einbringen der toleranzausgleichenden Zwischenschicht zur Übertragung hoher Kräfte, im Vergleich zu Versuchen ohne toleranzausgleichende Zwischenschicht, geführt.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung hat weitere signifikante Vorteile. So lassen sich beispielsweise rohrförmige Faserverbundkörper in Einheitslängen vorfertigen und im Auftragsfall in der entsprechend geforderten Länge ablängen und montieren. Somit kann der Faserverbundkörper kostengünstig in größeren Mengen zum Beispiel im Pultrusions- oder Faserwickelverfahren vorgefertigt und gelagert werden.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung lässt sich zudem einfach und kostengünstig fertigen. Auch die bekannten Problematiken der Kontaktkorrosion zum Beispiel zwischen aus Kohlenstofffasern bestehenden Faserverbundkörpern und Anbauteilen aus Aluminium lassen sich durch die erfindungsgemäße Anordnung in besonders einfacher Weise lösen. Das Übergangselement kann dabei kostengünstig aus einem Material bestehen, welches bei Kontakt mit einem aus Kohlenstofffasern bestehenden Faserverbundkörper nicht zu Kontaktkorrosion führt. Beispielsweise können dabei Titan, Edelstahl, Faserverbund- oder Kunststoff-Materialien zum Einsatz kommen. Aufgrund der vorteilhaften Anordnung kann das Übergangselement sehr dünnwandig gestaltet werden und es wird somit wenig Material benötigt. An das erfindungsgemäße Übergangselement können dann, zur Kontaktkorrosion zwischen aus Kohlenstofffasern bestehenden Faserverbundkörper neigende, kostengünstige und zugleich leichte Materialien wie beispielsweise Aluminium, eingesetzt werden, da das Übergangselement bereits eine gegen Kontaktkorrosion isolierende Eigenschaft aufweisen kann.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist zudem eine einfache und kostengünstige Qualitätssicherung der Kraftübertragung möglich, da einfach überprüft werden kann, ob die Stifte gesetzt sind, da die eingebrachten Stifte erfindungsgemäß neben der toleranzausgleichenden Zwischenschicht auch den Faserverbundkörper über die gesamte Wanddicke durchdringen und somit leicht von der Außenseite zu erkennen sind. Auch lässt sich im Betrieb leicht überwachen, ob noch alle erforderlichen Stifte korrekt sitzen.
  • Die Längeneinstellung ist erfindungsgemäß durch direktes Einschrauben eines Anbauelementes in das Innengewinde des Übergangselementes oder durch Einschrauben des Anbauelementes in ein Adapterelement mit Innengewinde gewährleistet. Durch Anordnung dieser Bauweise an beiden Enden der Strebe und Ausführung der Anbauelemente mit einem Linksgewinde und einem Rechtsgewinde, wird die Länge der Strebe auch im eingebauten Zustand durch verdrehen des rohrförmigen Faserverbundkörpers verändert und ermöglicht somit eine einfache Längeneinstellung. Die Sicherung der Einstellung kann beispielsweise durch Muttern in Verbindung mit Sicherungsscheiben erfolgen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Schnitt im Endenbereich des rohrförmigen Faserverbundkörpers (1) mit einem Übergangselement (2) welches auf der Innenseite mit einem Innengewinde (3) versehen ist und die dem rohrförmigen Faserverbundkörper (1) zugewandte Seite Löcher (4), in diesem Ausführungsbeispiel als Sacklöcher ausgeführt, aufweist in welchen Stifte (5) eingebracht sind. Zwischen der dem rohrförmigen Faserverbundkörper (1) zugewandten Seites des Übergangselements (2) und dem rohrförmigen Faserverbundkörper (1) ist eine toleranzausgleichende Zwischenschicht (6) gezeigt. Die Stifte (5) durchdringen sowohl die toleranzausgleichende Zwischenschicht (6) als auch den rohrförmigen Faserverbundkörper (1) über die gesamte Wanddicke.
  • 2 einen schematischen Schnitt im Endenbereich des rohrförmigen Faserverbundkörpers (1) mit einem Übergangselement (2) welches auf der Innenseite mit einem Innengewinde (3) versehen ist und die dem rohrförmigen Faserverbundkörper (1) zugewandte Seite Löcher (4), in diesem Ausführungsbeispiel als Sacklöcher ausgeführt, aufweist in welchen Stifte (5) eingebracht sind. Zwischen der dem rohrförmigen Faserverbundkörper (1) zugewandten Seites des Übergangselements (2) und dem rohrförmigen Faserverbundkörper (1) ist eine toleranzausgleichende Zwischenschicht (6) gezeigt. Die Stifte (5) durchdringen sowohl die toleranzausgleichende Zwischenschicht (6) als auch den rohrförmigen Faserverbundkörper (1) über die gesamte Wanddicke. An das Innengewinde (3) schließt in dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ein Adapterelement mit Innengewinde (7) an. In das Adapterelement mit Innengewinde (7) ist ein Anbauelement (8), in dieser beispielhaften Aufführungsform ein Kugelkopf-Anbauelement, eingeschraubt. Das Anbauelement (8) ist somit durch Ein- oder Ausschrauben längenverstellbar und in dieser beispielhaften Ausführungsform über eine Sicherungsscheibe (9) und eine Sicherungsmutter (10) gegen Verdrehen im Betrieb zu sichern.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Rohrförmiger Faserverbundkörper
    2
    Übergangselement
    3
    Innengewinde
    4
    Loch
    5
    Stift
    6
    Toleranzausgleichende Zwischenschicht
    7
    Adapterelement mit Innengewinde
    8
    Anbauelement
    9
    Sicherungsscheibe
    10
    Sicherungsmutter
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0841490 A2 [0004]
    • DE 102006039565 A1 [0004]
    • DE 10058609 A1 [0004]
    • DE 10247003 A1 [0004]
    • DE 202009008026 [0004]
    • DE 102014000134 [0004]
    • DE 102013008810 [0004]
    • DE 102013018970 [0004]
    • DE 202008008215 [0004]
    • DE 202006016041 [0004]
    • DE 202009003662 U1 [0005]
    • DE 202006001878 [0006]
    • WO 2009/003207 [0006]
    • AT 2008/000239 [0006]

Claims (7)

  1. Rohrförmiger Faserverbundkörper (1) zur Übertragung von Zug-, Druck und/oder Torsionskräften mit integrierter stufenloser Längenverstellung dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangselement (2) eingesetzt wird und dessen Innenseite zumindest teilweise mit einem Innengewinde (3) versehen ist und die dem rohrförmigen Faserverbundkörper (1) zugewandte Seite zumindest teilweise Löcher (4) aufweist in welchen Stifte (5) eingebracht sind und zwischen der dem rohrförmigen Faserverbundkörper (1) zugewandte Seite des Übergangselements (2) und dem rohrförmigen Faserverbundkörper (1) zumindest teilweise eine toleranzausgleichende Zwischenschicht (6) liegt und zumindest ein Teil der Stifte (5) sowohl die toleranzausgleichende Zwischenschicht (6) als auch den rohrförmigen Faserverbundkörper (1) über die gesamte Wanddicke durchdringen und zumindest ein durch zumindest ein Übergangselement mit dem rohrförmigen Faserverbundkörper (1) verbundenes Anbauelement (8) über zumindest ein Gewinde stufenlos längenverstellbar ist.
  2. Rohrförmiger Faserverbundkörper (1) zur Übertragung von Zug-, Druck und/oder Torsionskräften mit integrierter stufenloser Längenverstellung nach Anspruch (1) dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (4) zumindest teilweise als Sacklöcher ausgeführt sind.
  3. Rohrförmiger Faserverbundkörper (1) zur Übertragung von Zug-, Druck und/oder Torsionskräften mit integrierter stufenloser Längenverstellung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Anbauelement (8) über ein Adapterelement mit Innengewinde (7) mit dem Übergangselement (2) verbunden ist.
  4. Rohrförmiger Faserverbundkörper (1) zur Übertragung von Zug-, Druck und/oder Torsionskräften mit integrierter stufenloser Längenverstellung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Anbauelement (8) durch Sicherungsmutter (10) und Sicherungsscheibe (9) gegen Verdrehen gesichert ist.
  5. Rohrförmiger Faserverbundkörper (1) zur Übertragung von Zug-, Druck und/oder Torsionskräften mit integrierter stufenloser Längenverstellung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung durch Einkleben des Anbauelements (8) erfolgt.
  6. Rohrförmiger Faserverbundkörper (1) zur Übertragung von Zug-, Druck und/oder Torsionskräften mit integrierter stufenloser Längenverstellung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung durch Einkleben des Adapterelements mit Innengewinde (7) erfolgt.
  7. Rohrförmiger Faserverbundkörper (1) zur Übertragung von Zug-, Druck und/oder Torsionskräften mit integrierte stufenloser Längenverstellung nach Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (5), der rohrförmige Faserverbundkörper (1) und das Übergangselement (2) jeweils aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
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