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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestückung einer
Ausnehmung in einem Seitenteil, u.a. dem Seitenteil eines Flugzeugs,
aber auch jeder anderen Struktur gemäß der Vorbemerkung des Patentanspruches
(siehe US-A-5.023 987). Sie betrifft ebenfalls ein entsprechend
ausgestattetes Seitenteil. Zweck der Erfindung ist es, zu einem
besseren Verhalten dieser mit solchen Ausnehmungen versehenen Seitenteile
beizutragen, unabhängig
davon, ob das Versehen mit diesen Ausnehmungen aus einem von vornherein
bestehenden Bedarf heraus oder bei einer späteren Reparatur des Seitenteils
erfolgt.
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Beim
Bau von Strukturen und insbesondere beim Bau von Luftfahrzeugen
ist es üblich,
Seitenteile einzusetzen, vor allem für Tragflächen oder Rumpf eines Flugzeugs.
Aus Gründen
des Gewichts und der mechanischen Zähigkeit werden die Seitenteile
meist aus Verbundstoffen gefertigt, typischerweise aus Kohlenstofffaservlies
bzw. Vlieslaminat. Der Bau eines Seitenteils verursacht in der mit
diesem Seitenteil ausgestatteten Struktur die Trennung von Volumen auf
einer Seite des Seitenteils von den auf der anderen Seite befindlichen
Volumen. Es ist jedoch notwendig, Informationen oder Fluide von
einer Seite auf die andere zu übertragen.
Deshalb ist es erforderlich, das Seitenteil mit einer Ausnehmung
zu versehen, um den Durchgang zu ermöglichen. In anderen Situationen
wurde das Seitenteil an einer Stelle beschädigt und wird aufgrund der
Beschädigung
des Werkstoffes des Seitenteils an dieser Stelle eine saubere Ausnehmung
vorgenommen und diese mit einem Reparaturteil versehen. In anderen
Fällen
ist die Ausnehmung einfach zu Revisionszwecken da; in diesem Fall
ist sie permanent mit einem Deckel verschlossen, der zum Zweck der
Inspektion abgenommen wird.
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Das
Problem mit Verbundstoffen und vor allem mit solchen, auf die in
Richtung der flachen Seite des Seitenteils Druck ausgeübt wird,
besteht darin, dass das Versehen mit einer Ausnehmung den entsprechenden
Widerstand auf nicht tragbare Weise überlastet. In der Praxis stellt
sich der Bruch eines solchen, einem extremen Druck ausgesetzten
Seitenteils (der höher
ist als der Grenzdruck, dem das Seitenteil im Einsatz und vor allem während des
Fluges ausgesetzt werden darf, der aber zur Einhaltung der Luftfahrtgesetze
in Anlehnung an JAR und FAR erforderlich ist) in Form einer Aufblätterung
der Dicke des Seitenteils und eines Ineinanderdringens der beiden
Teile dieses Seitenteils dar, das an der Stelle dieser Aufblätterung
einer Belastung unterzogen wird.
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Dieses
Ineinanderdringen, das synonym ist mit dem Bruch, erfolgt, wenn
das Seitenteil mit einer Ausnehmung versehen ist, erstens gegenüber einem Durchmesser
der Ausnehmung, der senkrecht zur Druckrichtung steht, und zweitens
einem Druckwert, der viel kleiner ist als ein Extremwert, der erreicht wird,
wenn die Ausnehmung nicht vorhanden ist. In einem Beispiel liegen
die Verhältnisse
dieser Werte bei rund 2 oder 3. Man kann sich also eine Vorstellung
von der durch das Vorhandensein einer Ausnehmung verursachten Zerbrechlichkeit
machen.
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Um
diese Art von Problem zu lösen,
besteht eine bekannte Lösung
darin, das Seitenteil an der Stelle, an der es mit der Ausnehmung
versehen ist, zu verstärken.
Jedoch erweist sich diese Verstärkung als
eine komplizierte Angelegenheit, vor allem wenn an der Stelle der
Verstärkung
Stützbalken
vorhanden sind (die in der Praxis 20 cm voneinander entfernt liegen).
Darüber
hinaus macht das Versehen mit der Ausnehmung nach Anbringen der
Verstärkung,
u.a. zum Anbringen eines Deckels, die Ränder der Ausnehmung normalerweise
zerbrechlich und trägt
dadurch zur Verringerung der Wirksamkeit der Verstärkung bei.
In allen Fällen
verursacht die Ausrüstung, vor
allem aufgrund des Vorhandenseins der Stützbalken, eine beträchtliche
Gewichtszunahme, besonders wenn es sich um Flugzeuge handelt. In
einem praktischen Beispiel können
die Ausnehmungen wenige Zentimeter bis zu zwanzig Zentimetern groß sein.
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Bei
der Erfindung kam man zur Lösung
dieses Problems auf den Gedanken, anders vorzugehen. Anstatt für die Ausnehmung
eine Verstärkung und
einen klassischen Deckel vorzusehen, wird eine starre Platine, deren
Kanten auf den Kanten des Seitenteils an der Stelle der Ausnehmung
aufliegen, in die Ausnehmung gesetzt. Dadurch werden die Druckbelastungen
durch den Kontakt zwischen dem Seitenteil aus Verbundstoff und der
Platine übertragen.
Diese Platine dient also vor allem zum Zeitpunkt der Ausübung des
Druckes als Aufnahme für
die Druckbelastung; demzufolge wird das Seitenteil aus Verbundstoff
an der Stelle der Ausnehmung nur noch bei viel höheren Belastungen beschädigt, nämlich in der
Praxis etwa 30% mehr als bei der klassischen Verstärkung der
Ausnehmung. Im Folgenden wird gezeigt, dass die Platine, die in
der Praxis aus Aluminium oder jedem beliebigen, noch starreren Metall oder
Werkstoff gefertigt ist, dazu beiträgt, das Gewicht des Seitenteils
an der Stelle der Ausnehmung nicht zu vergrößern, und darüber hinaus
auf die Bohrungen, die ansonsten in den seitlichen Verstärkungen
am Rand der Ausnehmung vorgenommen werden, um den Deckel anzubauen,
verzichtet werden kann. Folglich kann die Platine aus jedem anderen Werkstoff
und insbesondere Verbundstoff gefertigt werden.
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Die
Erfindung hat also die Verbesserung des Strukturverhaltens eines
mit Druck beaufschlagten Seitenteils zur Folge, in das eine Ausnehmung
gebohrt und in diese Ausnehmung eine Platine eingebaut wird, die
in der Ausnehmung sitzt.
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Gegenstand
der Erfindung ist also eine Vorrichtung zur Bestückung einer Ausnehmung in einem Seitenteil,
u.a. einer Wölbfläche, einer
Struktur, insbesondere einem Luftfahrzeug, wobei dieses Seitenteil
senkrecht zur Richtung der Ausnehmung mit einer Druckbelastung beaufschlagt
werden kann und diese Vorrichtung
- – mindestens
eine erste abnehmbare Platte enthält und
- – auf
dieser ersten Platte eine Platine hat, die die Ausnehmung ausfüllt, wobei
diese Platine durch den Kontakt mit einer Kante der Ausnehmung die Druckbelastung
aufnimmt,
dadurch gekennzeichnet,
- – dass
die erste Platte und die Platine mit Flügeln versehen sind, um an der
Seitewand festgeclipst zu werden,
- – dass
die Platine an der Stelle einer umlaufenden Verstärkung, die
auf der Kante der Ausnehmung aufliegt, mit Bohrungen versehen ist,
- – dass
Befestigungsschrauben in diesen Bohrungen sitzen.
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Die
Erfindung hat auch ein mit dieser Vorrichtung ausgestattetes Seitenteil
zum Gegenstand.
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Die
Erfindung wird beim Lesen der folgenden Beschreibung und bei der
Untersuchung der dazu gehörenden
Zeichnungen verständlicher.
Letztere werden nur orientierungshalber dargestellt und sind im
Rahmen der Erfindung nicht abschließend. Die Zeichnungen stellen
im Einzelnen Folgendes dar:
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1a und 1b:
Schnitt bzw. Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestückung einer
Ausnehmung;
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2a, 2b und 3a, 3b:
mit den Abmessungen versehene Darstellungen und perspektivische
Darstellung einer Platte bzw. der Platine der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 und 5:
Schnitt der Platten und der Platine aus 2a bzw. 3a.
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6:
ein Belastungsdiagramm zur Darstellung der Auswirkungen der Erfindung.
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1a zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Bestückung
einer Ausnehmung. Diese Vorrichtung ist für die Bestückung einer in einem Seitenteil 2 vorgenommenen
Ausnehmung 1 vorgesehen. Das Seitenteil 2 ist
das Seitenteil einer beliebigen Struktur, und insbesondere ein aus
Verbundstoff gefertigtes Seitenteil eines Luftfahrzeugs. Das Seitenteil 2 ist
in der Erfindung ein Seitenteil, das an der flachen Seite des Seitenteils
mit einer Druckbelastung 3 beaufschlagt werden kann. Die
Richtung der Belastung 3 ist ungefähr senkrecht zu einer Richtung 4 von
Ausnehmung 1. Durch eine leichte Knickung der Seitenteil 2 kann
höchstens
eine Abweichung von wenigen Grad auftreten. In der Erfindung enthält die Vorrichtung
zur Bestückung
einer Ausnehmung 1 mindestens eine erste abnehmbare Platte 5 und
eine Platine 6, die in der Ausnehmung 1 sitzt.
In einer bevorzugten Variante bildet die Platine 6 mit
einem Flügel 7 ein
Stück,
wodurch die Seitenteil 2 ohne allzu starken Druck festgeklemmt
werden kann. Es kann darüber
hinaus in Betrachtung gezogen werden, Flügel 7 wie Platte 5 als
abnehmbare Variante auszuführen.
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In
einem Beispiel drehen sich die Platte 5, die Platine 6 und/oder
der unabhängige
Flügel 7 um eine
Achse 8, die durch die Mitte von Ausnehmung 1 verläuft (sofern
diese rund ist).
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Die
Aufnahme der Druckbeanspruchung 3 an der Stelle eines Kontakts 9 zwischen
einer Kante 10 der Seitenteil 2 und einer Kante 11 der
Platine 6 kann durch die Beschränkung des Spiels 12,
mit dem die Platine 6 in die Seitenteil 2 eingesetzt
wird, auf den Höchstwert
erfolgen. In einem Beispiel wird die Platine in die Ausnehmung eingepresst.
Ansonsten beträgt
das Spiel in einer bevorzugten Variante 1/10 Millimeter und wird
dieses Spiel in dem Moment, in dem die Belastung 3 erfolgt,
durch eine Verschiebung der Kante 10 in Richtung der Kante 11 ausgeglichen. Da
die Platine 6 in der Ausnehmung 1 sehr starr ist, trägt sie zur
Fortsetzung der Kraftübertragung
in dem Maße
bei, als die Bruchgrenze des Seitenteils 2 senkrecht zur
Ausnehmung 1 viel größer als
die Bruchgrenzen für
klassische Verstärkungen
und in der Praxis größer oder
gleich der Bruchgrenze des Seitenteils ohne Ausnehmung oder bei
anderen Arten von Bruch (Knicken, Aufprall o.ä.) ist.
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1b zeigt,
dass vorzugsweise die Ausnehmung 1, die Platte 5 und
die Platine 6 eine ovale Form mit einer großen Achse 13 haben,
die senkrecht zu einer kleinen Achse 14 steht. Die große Achse 13 verläuft kolinear
zu der erwarteten Druckrichtung 3. Im Vergleich zu einer
runden Ausnehmung mit Achse 8 kann die ovale Ausnehmung
in 1b mit einem industriellen Fräser mit elliptischem oder ovalem
Lauf gefertigt werden, mit dem man das o.g. Spiel von 0,1 Millimetern
erhalten kann.
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Dazu
sei zu bemerken, dass es die Fertigung der Vorrichtung zur Bestückung in
mindestens zwei Teilen, nämlich
Platte 5 und Platine 6, bzw. drei Teilen, nämlich Platte 5,
nur Innenplatine 6 und angebauter Flügel 7, ermöglicht,
all diese Teile auf der Ausnehmung zu montieren, indem sie auf beiden Seiten
des Seitenteils 3 befestigt werden. Die Befestigung der
Platte 5 an der Platine 6 kann auf beliebige Weise
erfolgen. Insbesondere kann an der Stelle einer umlaufenden Verstärkung 16 der
Platine diese wie Platte 5 mit Bohrungen 17 versehen
werden, um Befestigungsschrauben der Platte 5 an Platine 6 anzubringen.
Wenn die Platine 6 mit ihrem integrierten Flügel 7 ausgestattet
ist, können
die Bohrungen 17 mit einem Gewinde versehen sein, wodurch
die Mutter auf der anderen Seite der Platine entfallen kann. In
dem schematisch dargestellten Beispiel erfolgt die Befestigung mit
zwölf Schrauben.
Je größer die
Ausnehmung 1 ist, desto mehr Schrauben werden benötigt. Die
Platine 6 kann auch durch Klebung oder Schweißung an
der ersten Platte 5 befestigt werden.
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Als
Variante kann die Platine 6 mit einem Gewindeansatz ausgestattet
sein, der an der Achse 8 entlang senkrecht zur flachen
Seite dieser Platine 6 an der Seite der Platine 6 verläuft, die
der Seite, an der der Flügel 7 befestigt
ist, gegenüber
liegt. In diesem Fall kann die Platte 5 die Form einer
großen Mutter
haben, die auf diesen Gewindeansatz aufgeschraubt ist. Die große Mutter
hat ihrerseits einen Außendurchmesser,
der groß genug
ist, um mit Gegendruck auf der anderen Seite des Seitenteils 2 aufzuliegen.
Bei Bedarf wird eine Unterlegscheibe mit großem Außendurchmesser zwischen die
große
Mutter und das Seitenteil 2 geschoben. Die große Mutter oder
die große
Mutter zusammen mit dieser Unterlegscheibe bilden die erfindungsgemäße Platte 5.
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2a und 3a zeigen
die Abmessungen de Platte 5 bzw. der Platine 6 in
Millimetern. In einem besonderen Durchführungsbeispiel hat die Ausnehmung 1 mit
ovaler Form, mit der das Seitenteil versehen wird, eine Größe von 130
mm für
die große und
von 65 mm für
die kleine Achse, d.h. vorzugsweise ein Verhältnis der Durchmesser oder
der Krümmungsradien
von 2. Dieses Verhältnis
ist ein bevorzugtes Verhältnis
für den
Fall, dass die Richtung der Druckbelastung 3 bekannt ist.
Wenn dieses Verhältnis
kleiner ist, sind die Auswirkungen der Erfindung zwar signifikant,
aber nicht optimal. Wenn es größer ist,
ist mit besseren Auswirkungen zu rechnen. In diesem Fall können jedoch
bei einem Flugzeug Durchführbarkeitsprobleme
aufgrund des durch das Versehen des Seitenteils mit der Ausnehmung 1 entstehenden
Platzbedarfes entstehen.
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Die
Platine 6 selbst, wenn sie eine Durchgangsöffnung 18, 3b,
besitzt, hat einen Innenrand 19 der Verstärkung 16,
die ebenfalls die Form einer Ellipse hat, deren große Achse
100 mm und die kleine Achse 35 mm groß ist. In diesem Beispiel betragen
die Gesamtabmessungen der Platte 5 und der Platine 6 150
mm gemäß der großen und
85 mm gemäß der kleinen
Achse. In dem Beispiel haben die in die Verstärkung 16 gebohrten
Ausnehmungen 17 einen Durchmesser von 4,8 mm. Die mittlere
Ausnehmung 18 hat in diesem Beispiel einen Durchmesser von
30 mm.
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4 und 5 zeigen
im Schnitt die Abmessungen der Platten 5 und der Platine 6.
Die Platte 5, 4, bildet demnach einen Stützbalken.
Sie enthält
einen flachen Teil mit 3 Millimetern Dicke, der auf der Verstärkung 16 aufliegt. Über die
Kante 11 der Platine 6 und damit des Außenrandes
der Verstärkung 16 hinaus
besitzt die Platte 5 einen Flügel 20 mit größerer Dicke,
z.B. 5 Millimetern. Die Starrheit des Flügels 5 wird dadurch
an der Stelle, an der dieser Flügel
im Verhältnis
zur Verstärkung 16 fliegend gelagert
ist, verbessert. Flügel 20 ist
dazu bestimmt, auf einer Seite des Seitenteils 3 aufzuliegen,
während
Flügel 7 der
Platine auf der anderen Seite aufliegt. Bei der Befestigung von
Platine 6 auf der Platte 5 wird das Seitenteil 2 festgeclipst.
In einer Variante ist Flügel 20 mit
einer 4 Millimeter breiten und 1,8 Millimeter tiefen Rille versehen,
in die eine Elastomerdichtung 22 eingesetzt werden kann,
um das Ganze abzudichten. Eine solche Dichtung kann man auch in die
Platine 6 einsetzen. Flügel 20 ist
durch eine Kehle 23, die beispielsweise abgerundet sein
kann, am flachen Teil der Platte 5 befestigt.
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Was
die Platine 6 betrifft, die in der bevorzugten Version
mit ihrem Flügel 7 versehen
ist, so beträgt
ihre Gesamtstärke 15,5 Millimeter
und ragt der Flügel 7 auf
der anderen Seite der Vorderseite von Seitenteil 3 um 3
Millimeter hervor, weil an dieser Stelle keine Dichtung vorhanden
ist. Flügel 7,
der mit der Platine 6 ein Stück bildet, ist mit der Verstärkung 16 durch
eine abgerundete Kehle 24 verbunden. Die Kehle 24 hat
zum Zweck, die Fertigung zu vereinfachen. So kann an Seitenteil 3 beim
Versehen mit der Ausnehmung 1 eine Abschrägung für die Aufnahme angefertigt
werden.
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Es
kann außerdem
vorgesehen werden, in das Seitenteil 3 Fugen für die Enden 26 bzw. 27 der Flügel 7 bzw. 5 einzubauen.
In diesem Fall müssen die
Fugen so angefertigt werden, dass vorzugsweise die von Seitenteil 2 ausgeübten Druckbelastungen 3 auch
auf diese Kanten 26 und 27 ausgeübt werden. Wenn
solche Fugen nicht angefertigt werden sollen und wenn aus Gründen der
Aerodynamik die durch das Hervorragen von Flügel 5 oder 7 verursachten Turbulenzwirkungen
beschränkt
werden sollen, kann nach dem Zusammenbau des Ganzen eine Kittdichtung 28 angefertigt
werden.
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1a zeigt
auch, dass sich zwar die Verstärkung 16 auf
der ganzen Höhe
von Kante 12 verläuft,
nicht aber der Verschlussteil von Ausnehmung 1, der von
dieser Verstärkung 16 umgeben
wird. Die Stärke
ist geringer. Der Grund dafür
ist einfach: da der Werkstoff der Vorrichtung zur Bestückung einer Ausnehmung
starrer ist als der Verbundstoff, z.B. Aluminium oder Titan, braucht
er nicht so dick zu sein, wodurch sich das Gewicht verringert.
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In
einem Beispiel kann man es auch vorziehen, anstatt die neutrale
Achse 30 des Verschlussteils 29 in der Verlängerung
der neutralen Achse 31 in der Mitte des Seitenteils 2 zu
zentrieren, sie um die Hälfte
eines Abstands 32 zu verschieben. Der Abstand 32 entspricht
der Verschiebung der jeweiligen Flächen des Seitenteils 2 und
des Verschlussteils 29. In der Tat hat die Tatsache, dass
die Befestigung des Flügels 7 auf
der Platine 6 in dem bevorzugten Fall einen Block bilden,
zur Folge, dass die Knickung eher in Richtung der Platte 5 in
Richtung des Flügels 7 erfolgt.
Unter diesen Umständen
ist es vorzuziehen, die neutrale Achse 30 in Richtung des
Flügels 7 zu
bewegen, zu verschieben. Um die Fertigung zu vereinfachen, ist diese
Verschiebung gleich der Hälfte
der Reduzierung 32 der Dicke des Verschlussteils 29 im Verhältnis zur
Dicke von Seitenteil 2 und entsprechend auch Verstärkung 16.
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In
einem anderen Fall hat man es bei dieser geringeren Dicke als Platine 6 besser
gefunden, die neutralen Achsen in der jeweiligen Verlängerung ohne
Verschiebung anzusiedeln. Die neutrale Achse der Platine 6 befindet
sich also in der Mitte der beiden Vorderseiten des Seitenteils.
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Die
Erfindung ist also besonders interessant, wenn die in einem Seitenteil
vorgenommene Ausnehmung einer Druckbelastung ausgesetzt wird. Dies
ist besonders der Fall bei einer Wölbfläche einer Tragfläche oder
des Rumpfes.
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6 zeigt
eine Grafik, die schematisch die Druckbelastung C auf Seitenteil 2 senkrecht
zur kleinen Achse 14 je nach der ausgeübten Belastung 3 darstellt.
Sie zeigt deutlich, dass wenn das Spiel bei der Anfertigung der
Verstärkung 16 im
Verhältnis
zum Feld 10 der Ausnehmung 1 0,1 Millimeter beträgt, die auf
den Seitenteil ausgeübte
Beanspruchung bei der gleichen Belastung 33 nur dann geringer
ist, wenn das Spiel größer ist:
0,4 Millimeter. Aus praktischer Sicht kann man mit der Fräsmaschine
für Ausnehmung 1 ein
geringeres Spiel erhalten, typischerweise 0,1 Millimeter. Jedoch
ist es auch möglich,
ein größeres Spiel
zu erhalten, z.B. 1 Millimeter, und es mit flexiblen Passelemente
z.B. aus Aluminium mit 0,9 Millimetern oder einer sonstigen Dicke
auszugleichen und diese Passelemente zur gleichen Zeit einzusetzen,
zu der die Platine 6 in Ausnehmung 1 eingesetzt wird,
oder in jedem Fall vor dem Einbau von Flügel 5. Als Variante
kann dieses Spiel auch durch eine Flüssigkeit ausgeglichen werden,
die sich verfestigt.