DE2757965C3

DE2757965C3 - Schubübertragungselement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2757965C3
Application number: DE2757965A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.- Ing. 8190 Weidach Brunsch; Rudolf Ing.(Grad.) 8012 Riemerling Schindler; Emil Dipl.-Ing. 8011 Hohenbrunn Weiland
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1977-12-24
Filing date: 1977-12-24
Publication date: 1980-07-03
Also published as: DE2757965B2; IT1101337B; IT7831104A0; FR2412782A1; FR2412782B1; DE2757965A1; GB2013130B; JPS5491584A; GB2013130A; US4201815A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schubübertramingselement mit mehreren, an zumindest einer in Längsrichtung verlaufenden Verzweigungsstelle miteinander verbundenen, schubfesten Längsstegen, die jeweils aus Faserverbundwerkstoff mit zur St~glängsrichtung gegensinnig schräg geneigten, sich kreuzenden Einzelfasern bestehen, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schubübertragungselements.

Bei bekannten Schubübertragungselementen dieser Art. vgl. /. B. die DE-OS 24 19 999. mit etwa T- oder kreuzförmigem Querschnitt müssen die Längssiege an ihrer Verzweigungsstelle miteinander verklebt werden, so daß derartige .Schubübertragungselemente wegen des an den Klebefu^en unterbrochenen Faserverlaufs im Bereich der Ver/weigungsstelle einen Festigkeitsknick haben und die Gefahr besieht, daß sich die Längsstege unter höheren Schub bzw. Querkraftbelastungen an der Verzweigungsstelle voneinander lösen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schubiibertragungselement der eingangs genannten Art

Ji zu schaffen, bei dem eine vergleichsweise hohe Querkrafl- und Schubfestigkeit dadurch erreicht wird, daß auch unter großen Belastungen ein Aufreißen des Schubtibertragungselements längs der Ver/weigiingsstelleder l.angsstege verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgei^aß dadurch gelöst, daß die I.ängsslegc sich an der jeweiligen Verzweigungssielle gegenseitig durchsetzen und die Fin/elfasern in jedem Längssteg durchgehend durch die Ver/weigungsstclle von dem einen zu dem auf der gegenüberliegenden Seite der Vcr/weigungsstelle angeordneten ander»-·· Stegabschnitt verlaufen.

Bei dem erfindungsgemäßcn Sthububertragungselement sind aufgrund der besonderen Langvsieg- und Faseranordnung an der Vi-rzweigungsstelle keine

so Klebstoffugen zur lloertragun^ der in den l.angsslegen wirksamen Schubbelastungen vorhanden, sondern vielmehr erstrecken sich die Einzclfasern ohne Unterbrechung durch die Vcrzweigungsstelle hindurch, so daß die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften des

T> Schubübcrtragungselements über den gesamten Querschnitt ungestört erhalten bleiben Aufgrund dieses speziellen, werkstoff- und lastgunstigen Batiprinzips werden die sonst üblichen, örtlichen Schwachsteilen im kritischen Verzweigungsbereich der Stege eliminiert, so daß die Nut/fcstigkeit des Schubübertragungselemcnts beträchtlich gesteigert wird und auch hohe Querkräfte mit räumlich unterschiedlicher Wirkungsrichtung sicher

und ohne örtliche Überbelastung übertragen werden.

Zur weiteren Erhöhung der Schubfestigkeit empfiehlt

6S es sich, daß jeder Längssteg aus mehreren, miteinander verbundenen Faserlagen mit in jeder Faserlage ünidireklionaler, zu der benachbarten Faserlage unterschiedlicher Faserrichtung besteht, Unter Berücksichti-

gung der anisotropen Materialeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen verlaufen in diesem Fall die Einzelfasern in jeder Faserlage vorzugsweise mit gleichförmigem Parallelabstand durch die Verzweigungsstelle, wobei eine besonders schubfeste Faseranordnung dadurch erzielt wird, daß sich die Einzelfasern benachbarter Faserlagen unter 90° kreuzen und unter + bzw. —45° zur Steglängsrichtung geneigt sind.

ZweckmäQigerweise wird das Übertragungselement entweder im W>b- oder im Wickelverfahren hergestellt.

Das Wickelverfahren zur Herstellung des Schubübertragungselements gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Wickeldornanordnung Verwendung findet, die in jeder der sich schneidenden Längsstegebenen eine gleiche Anzahl von jeweils beidseitig der Verzweigungsstelle angeordneten Paaren von Wickeldornen enthält, deren Durchmesser so ausgelegt sind, daß jeweils der Durchmesser des weiter von der Verzweigungsstelle entfernt liegenden Wickeldorns größer ist als der des näher zur Verzweigungsstelle gelegenen, jeweils benachbarten Wickeldorns. daß eine oder wenige schlaufenförmige Windungen eines Wickelfadens zunächst um ein Wickeldornpa-r in der einen Ebene und dann um jeweils ein Wickeldornpaar nacheinander in den übrigen Ebenen gewickelt und anschließend in der gleichen Weise die restlichen Wickeldornpaare jeweils unter zyklischem Wechsel der Ebene mit einer oder wenigen, schlaufenförmigen Windungen belegt werden und dieser Wickelzyklus wiederholt wird, bis jedes Wickeldornpaar mit der gewünschten Anzahl von nebeneinanderliegenden Windungen besetzt ist, daraufhin die beiden Wickeldorne jedes Paares parallel zur Ver/weigungsstelle entgegengesetzt zueinander und /u den in der zugeordneten Ebene jeweils benachbarten Wickeldornen verschoben werden, so daß die Windungen benachbarter Wickeldornpaare in jeder Ebene gegensinnig schräg geneigt zur Verzweigungsstelle verlaufen, und schließlich die Wickelstruklur verpreßt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die einander durchsetzenden Faserlagen unterschiedlicher Orientierung in einem dem fertigen Bauteil entsprechenden, räumlichen Muster durchgehend und mit geringem Zeit- und Arbeitsaufwand herzustellen.

Um Fehlorientierungen der Einzelfasern bis zur Fertigsiellung des Schubübertragungselements zu verhindern, bleiben die Windungen zw«.<:kmäßigerweise beim Verpressen gespannt und im Schlaufenbereich fixiert, wobei die .Schlaufenbereiche nach dem Verpressen und Aushärten abgetrennt werden können. Der Wickelfaden, der etwa a».s Glas- oder Kohlefasern besteht, wird zweckmäßigerweise in einen wärmehärtenden Kuns:stoff eingebettet, mit dem er vor und/oder nach dem Wickeln und vor dem Verpressen getränkt wird. In besonders bevorzugter Weise werden die in der gleichen Ebene liegenden Wickeldornpaare mit einem durchlaufenden Wickelfaden bewickelt, so daß für jeden Längssteg nur jeweils ein Faden verwendet werden muß, der von einem entsprechenden Wickelarm um das jeweils angesteuerte Wickeldornpaar gelegt wird.

Wahlweise ist es jedoch auch möglich, jedes Wickeldornpaar durch eine eigene, entsprechend dem Wickelzyklus intermittierend und für jeweils eine oder wenige Windungen wirksame Fadenzuführung zu bewickeln. Andererseits kann aber auch die gesamte Wickelstruktur aus einem einzigen Wickelfaden hergestellt werden, was allerdings bei einer Mechanisierung des Wickelvorgangs eine rt'.it zunehmender Anzahl der Wickeldornpaare kompliziertere Kinematik der Fadenzuführung zur Wickeldornanordnung erfordert.

Das Schubübertragungselement findet vorzugsweise

als torsionsweiches Rotorkopfteil für lagerlose Hubschrauber-Rotorsysteme oder im Flugzeugbau als Anschlußelement zur Verbindung der Tragflügelhaut mit einem Tragholm Verwendung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen

ίο Fig. la bis Ic mehrere Ausführungsformen von Schubübertragungselementen mit jeweils unterschiedlichem Querschnitt,

F i g. 2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Schubübertragungselements zur Verdeutlichung der Faserorientierung,

F i g. 3 eine schematische perspektivische Darstellung einer Wickeldornanordnung zur Erläuterung des Wikkelverfahrens,

Fig.4 die Seitenansicht der Wickeldornanordnung gemäß Fi g. 3,

Fig. 5 die Vorderansicht der WicMdomanordnung nach den F i g 3 und 4 unmittelbar vor -lern Verpressen. Fig. 6 eine Draufsicht auf eine teilweise belegte Webrahmenanordnung zur Herstellung des Schubübertragungselementsgemäß Fig. la,und

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie VIl-VIl der Fig. 6, wobei der eine Webrahmen jedoch bereits teilweise verkippt ist.

In den Fig. la bis Ic sind drei verschiedene Ausführungsformen eines Schubübertr^gungselements 10 im Schnitt gezeigt. Das Schubübertragungselement gem. Fig. la hat einen kreuzförmigen Querschnitt und besteht aus zwei ebenen, schubfesten Längsstegen 12.1 und 12.2. die sich über die gesamte Länge der )5 Verzweigungsstelle 14 gegenseitig durchsetzen und jeweils aus Faserverbundwerkstoff mit zur Steglangsrichtung unter ±45 geneigter Faserrichtung bestehen. Zur Erhöhung der aufnehmbaren Biege- bzw. Zug- oder Druckbelastungen sind die Längsstege 12.1 und Π.2 an ihren Außenrändern auf beiden Seiten mit Verstärkungsgurten 16.1 bzw. 16.2 aus Faservorbundwerkstoff mit; nidirektionaler Faserrichtung versehen.

Das Schubübertragungselement 10 in F ig. Ib ist von ähnlicher Bauweise, enthält jedoch anstelle des Längs-Stegs 12.2 zwei parallele Längsstege 12.3 und 12.4. die den Längssteg 12.1 längs der Verzweiguiigsstellen 14.1 bzw 14.2 durchsetzen und an ihrem Außenrand jeweils mit einer Seite der Verstärkungsgurte 16.2 verklebt sind. Hierdurch erhöht sich die Schubfestigkeit in der Ebene der Längsstege 12.3 und 12.4. und durch die kastenförmige Querschnittsgeometrie dieser Längsstege und der zugeordneten Gurtabschnitte wird zugleich eine gewisse TorsKtnsfestigkeit erreicht. Das .Schubübertragungselement 10 in Fig. Ic hat einen im wesentlichen T-t'örmigen Querschnitt und besteht atu drei Längsstegen 12.1, 12.2 und 12.3. die ebenfalls wieder aus Faserverbundwerkstoff mit gegensinnig rchiäg geneigter, sich kreuzender Faserrichtung hergestellt sind und deren Einzelfasern in jedem Langssteg durch die gemeinsame Verz ,eigungsstelle 14 der Längsstege hindurchlaufen. Zwischen die Außenränder der Längsstege sind wiederum Verstärkungsgurte 16.1 bzw, 16,2 bzw, 16.3 aus Faserverbundwerkstoff mit ur.idirektionaler Faserrichtung eingeklebt.

Zur Verdeutlichung der Faseranordnung ist in F i g. 2 das Schubübertragu/igselement 10 gemäß Fig. la, jedoch ohne die Verstärkungsgurte, perspektivisch dargestellt, jeder Langssteg besteht aus Faserlagen A

5 6

und D, die sich jeweils durch die Verzweigungsstellc 14 verschoben, wie dies durch die Pfeile ι ti den Ι· ι g. 3 und 4 erstrecken und beispielsweise in Kunststoff, etwa dargestellt ist, wobei die Windungen in ihren Schlaufen-Epoxydharz, eingebettet sind. Die Fasern der Faserlage bereichen auf den zugeordneten Wickeldornen fixiert A sind in der einen und die der Fascrlage D in der bleiben und sich der gegenseitige Abstand der entgegengesetzten Richtung schräg zur Verzweigungs- 5 Wickeldorne geringfügig verringert, bis die Windungen stelle 14 geneigt, wie dies durch die Einzelfaser A 1 der unter dem gewünschten Neigungswinkel, etwa 45°, Faserlage A und die Einzelfaser B 1 der Faserlage fldes schräg zur Schnittlinie der Wickeldornebenen geneigt Längssiegs 12.2 verdeutlicht ist. Durch den im Bereich verlaufen, Und zwar die innenliegenden Windungen der Vcrzweigungsstelle 14 ununterbrochenen Faservcr- gegensinnig zu den äußeren. Diese Wickelstruktur wird lauf wird eine hohe Schubfestigkeit und -steifigkeit in io anschließend erforderlichenfalls mit Kunststoff getränkt den sich kreuzenden Ebenen der Längsstege 12.1 und und dann gemäß Fig.5 in einem mehrteiligen 12.2 sichergestellt. Formwerkzeug 22. das in Pfeilrichtung geschlossen Die räumliche Faseranordnung der Schubübertra· wird, zu dem fertigen Schubübertragungselemeni gungselemenle 10 wird im Wickel-oder Webverfahren verpreßt und unter Wärmeeinwirkung ausgehärtet, erhalten. Das Wickelverfahren wird anhand der 15 Daraufhin werden die Wickeldorne aus den Schlaufen-Herstellung eines Schubübertragungselemeim 10 nach bereichen entfernt und diese abgetrennt. Gewünschten den F i g. 1 a bzw. 2 in Verbindung mit den F i g. 3 bis 5 falls können die Wickeldorne auch vor dem Verpressen erläutert und erfolgt unter Verwendung einer Wickel- entfernt und die Schlaufenbereiche mit verpreßt und dornanordnung. die in jeder Ebene der Längsstege 12.1, ausgehärtet werden, so daß sie im fertigen Schubüber-12.2 ein äußeres Wickeidornpaar iS.i bzw. iö.2 und ein Zö iragungseiement iö verbleiben.

inneres Wickeldornpaar 20.1 bzw. 20.2 enthält, die zur _i Wahlweise lassen sich die Schububcrtragungselemen-

Schnittlinie der Ebenen, also der späteren Verzwei- te 10 auch im Webverfahren herstellen: die in den Fi g. 6

gungsstelle 14 des Schubübertragungselements 10. und 7 gezeigte Webrahmenanordnung besteht aus zwei

parallel positioniert sind und von denen die äußeren um eine Achse C relativ zueinander schwenkbaren

Wickeldorne 18.1, 18.2 einen größeren Durchmesser als 25 Webrahmen 24, 26, die versetzt zueinander angeordnet

die inneren Wickeldorne 20.1,20.2 haben. Beim Wickeln und an ihren der Achse C näherliegenden Längsseiten

werden zunächst eine oder allenfalls wenige Windungen 28 bzw. 30 mit gleichförmig auf Abstand gehaltenen

eines evtl. bereits mit Kunststoff getränkten Verstär- Fadenhaltern 32 bzw. 34 verschen sind, während an den

kungsfadens schlaufenförmig um das Wickeldornpaar äußeres. Rahmenlängsseiten 36,38 bügeiförmige Faden-

18.2 geschlungen, wie dies durch die Windung 1 in den 30 halter 40 bzw. 42 befestigt sind, die im geschlossenen

Fi g. 3 und 4 gezeigt ist, dann wird das Wickeldornpaar Zustand der Rahmen die innere Längsseite 30 bzw. 28

18.2 hinter der Windung 1 mit einer oder wenigen des jeweils anderen Rahmens 26 bzw. 24 untergreifen

aufeinanderfolgenden Windungen 2 belegt, anschlie- und jeweils in der Mitte zwischen zwei inneren

ßend unter erneutem Wechsel der Wickeldornebene das Fadenhaltern 34 bzw. 32 liegen. Jeder Webrahmen 24,

Wickeldornpaar 20.2 bewickelt (Windung 3) und 35 26 wird in dichter Folge mit Verstärkungsfäden belegt,

schließlich das Wickeldornpaar 20.1 mit der oder den die zickzackförmig zwischen den Fadenhaltern 32 und

Windungen 4 belegt. Dieser Wickelzyklus wird über die 40 bzw. den Fadenhaltern 34 und 42 verlaufen und

Windungen 5, 6, 7 ... (Fig.4) fortgesetzt, bis jedes gegenüber der Schwenkachse C entsprechend der

Wickeldornpaar mit der gewünschten Anzahl von gewünschten Faserneigung im fertigen Schubübertra-

Windungcn besetzt ist. Natürlich folgen die Windungen -to gungselement 10 schräg angestellt sind. F i g. 6 zeigt die

1, 2, 3 ... — anders als in den Fig.3 und 4 der Webrahmen im teilweise belegten Zustand, wobei der

Deutlichkeit halber gezeigt ist - dicht aufeinander und Webrahmen 24 mit den Verstärkungsfaden 44 und 46

KiIH <"*r» «auf if*r\f*ttt W>r»l/OlHr\rnr»oo.r DiC¹ItI öl τι/α (TAcr»KI/-\c nnrl Λ ar U/oKroKmon *Ji% mil /lon Vorclo rUiinrrcfn/len AQ

sene Schlaufen, sondern durchlaufende Radialwindun- und 50 besetzt ist. Dabei ist darauf zu achten, daß die gen 1,5... bzw. 2,6... usw., die unter Axial vorschub der ·*⁵ Verstärkungsfäden 44,46 zwischen den Fadenhaltern 32 gesamten Wickeldornanordnung um das jeweils ange- und der Schwenkachse C oberhalb und zwischen der steuerte Wickeldornpaar gelegt werden. Es ist auch Schwenkachse Cund den Fadenhaltern 40 unterhalb der möglich, die jeweils in einer Wickeldornebene liegenden am Rahmen 26 eingespannten Verstärkungsfäden 48,50 Windungen, also die Windungen 1, 3, 5 ... bzw. die verlaufen. Auf diese Weise entsteht an jedem Webrah-Windungen 2, 4, 6 ... oder sogar sämtliche Windungen ⁵⁰ men ein dichtes, sich kreuzendes Fadengeflecht, wobei 1, 2, 3 ... mit einem einzigen, durchlaufenden sich die beiden Fadengeflechte oder Faserlagen längs Wickelfaden herzustellen, wobei dann allerdings die der Achse C gegenseitig durchdringen. Anschließend Fadensteuerung entsprechend dem oben beschriebenen wird der Webrahmen 24 gemäß Fi g. 7 in Pfeilrichtung Wickelzyklus zwischen den einzelnen Wickeldornpaa- gegenüber dem Webrahmen 26 verschwenkt, bis die ren umgesteuert werden muß. 55 beiden Faserlagen in sich kreuzenden Ebenen liegen. Auf diese Weise entstehen in den sich kreuzenden Die Verstärkungsfaden 44 bis 50 werden entweder vor Wickeldornebenen in dichter Folge äußere und innere, dem Webvorgang oder nach Herstellung der Faserlaschlaufenförmige Wicklungen, die sich gegenseitig gen mit Kunststoff getränkt Das Verpressen der durchsetzen und zunächst noch — abgesehen von der Faserlagen und das Aushärten des Faserverbundbaugeringfügigen Steigungshöhe der Windungen — im ⁶⁰ teils zum fertigen Schubübertragungselement erfolgt wesentlichen senkrecht zur Schnittlinie der Wickeldorn- auf die anhand der F ig. 5 in Verbindung mit dem ebenen verlaufen (F i g. 3 und 4). Daraufhin werden die Wickelverfahren erläuterte Weise, wobei wiederum die Wickeldorne jedes Wickeldompaares in Längsrichtung Hakenbereiche der Faserlagen nach Fertigstellung des entgegengesetzt zueinander und zu den angrenzenden Schubübertragungselements abgetrennt werden kön-Wickeldomen des benachbarten Wickeldornpaares ⁶⁵ nen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schubübertragungselement mit mehreren, an zumindest einer in Längsrichtung verlaufenden Verzweigungsstelle miteinander verbundenen, schubfesten Längsstegen, die jeweils aus Faserverbundwerkstoff mit zur Steglängsrichtung gegensinnig schräg geneigten, sich kreuzenden Einzelfasern bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsstege (12.1, 12.2, 12J₁ 12.4) sich an der jeweiligen Verzweigungsstelle (14,14.1,14.2) gegenseitig durchsetzen und die Einzelfasern (A 1, B 1) in jedem Längssteg durchgehend durch die Verzweigungsstelle von dem einen zu dem auf der gegenüberliegenden Seite der Verzweigungsstelle angeordneten anderen Stegabschnitt verlaufen.

2. Schubübertragungselement nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Längssteg (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) aus mehreren, miteinander verbundenen Faserlagen (A. B) mit in jeder Faseriage unidirekiiop-ler. /u der benachbarten Faserlage unterschiedlicher Faserrichtung besteht.

3. Schubübertragungsclement nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Ein/elfasern (A 1. BX) in jeder Faserlage (A. B) mit gleichförmigem Parallelabstand durch die Ver/weigungsstelle (14, 14.1, 14.2) verlaufen.

4. Schubübertragungselement nach Anspruch 2 cder 3. dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ein/elfasern (A f. B X) benachbarter Faserlagen (A. B) unter 90" kreuzen und unter + bzw. —45 /ur Steglangsrich'ung geneigt sind.

5. Verfahren zu" Herstellung eines .Schubübertragungselements nach A.ispruct I. dadurch gekennzeichnet, daß eine WickxJd'irnanordnung Verwendung findet, die in jeder der ich schneidenden Längsstegcbenen eine gleiche Anzahl von jeweils beidseitig der Ver/wtigungsstelle angeordneten Paaren von Wiekeldornen (18.1, 18.2, 20.1, 20.2) enthält, deren Durchmesser so ausgelegt sind, daß jeweils der Durchmesser des weiter von der Ver/weigungsstelle (14.1, 14.2) entfernt liegenden Wickcldorns größer ist als der des näher /ur Ver/weigungsstelle gelegenen, jeweils benachbarten Wickcldorns. daß eine oder wenige, schlaufen förmige Windungen (1—8) eines Wickclfadens lunächst um ein Wickeldornpaar in der einen Fbene land dann um jeweils ein Wickeldornpaar nacheinander in den übrigen F bencn gewickelt und anschließend in der gleichen Weise die restlichen Wickel· dornpaare jeweils unter zyklischem Wechsel der Ebene mit einer oder wenigen, schlaufenförmigen Windungen beleg: werden und dieser Wickel/yklus wiederholt wird, bis jedes Wickeldornpaar mit der gewünschten Anzahl vnn nebeneinanderliegcnden Windungen besetzt ist. daraufhin die beiden Wickeldorne jedes Paares parallel /ur Ver/wei-Sungsstelle entgegengesetzt zueinander und zu den ι der zugeordneten Fbene jeweils benachbarten Wiekeldornen verschoben werden, so daß die Windungen benachbarter Wickeldornpaare in jeder Ebene gegensinnig schräg geneigt zur Vcrzwel· gungsstelle verlaufen, und schließlich die Wickel· struktur verpreßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen beim Vorpressen gespannt und im Schlaufenbereich fixiert bleiben Und die Schlaufenbereiche nach dem Vorpressen Und

Aushärten abgetrennt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelfaden, der z. B, aus Glas- oder Koblefasern besteht, vor oder/und nach dem Wickeln und vor dem Verpressen mit wärmehärtendem Kunststoff getränkt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in der gleichen Ebene liegenden Wickeldornpaare mit einem durchlaufenden Wickelfaden bewickelt werden.