DE2855570C2

DE2855570C2 - Stabförmiges Bauelement

Info

Publication number: DE2855570C2
Application number: DE2855570A
Authority: DE
Inventors: Hilmar 8000 München Laube; Gerd 8011 Poing Tybus
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1985-06-20
Also published as: US4256412A; JPS5590795A; JPS6219639B2; FR2444880A1; FR2444880B1; DE2855570A1

Description

Die Erfindung betrifft ein stabförmiges Bauelement, bestehend aus einem stabförmigen, faserverstärkten Kunststoffteil mit mindestens einer Schicht aus gerichteten Fasern und mindestens einem Übergangselement aus einem anderen Material zur Einleitung von Kräften in den Kunststoffteil in Richtung der Fasern, wobei das Kunststoffteil und das Übergangselement nur über mindestens eine Klebstoffschicht kraftschlüssig verbunden sind.

Derartige Bauelemente zeichnen sich durch hohe Festigkeit und durch ein geringes Gewicht aus, so daß sie insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, z. B. als Strebe oder Steuergestänge 7ur Anwendung kommen. So ist beispielsweise in der »Aviation Week« vom 08.08.1977 auf S. 57 ein Raumfahrzeug gezeigt, dessen äußere Struktur Bauelemente der eingangs genannten Art aus kohlefaserverstärktem Kunststoff zeigt, von denen jeweils zwei in dreieckförmigen müffenartigen Übergangselementen einmünden und darin verklebt sind. Besonders kritisch bei derartigen Bauelementen sind die Verbindungen zwischen dem Kunststoffteil und den Übergangselementen. Bei dynamischen Dauerbelastungen erweist sich vor allem die Verklebung als Schwachstelle. Derartige Bauelemente sind jedoch insbesondere in der Luft- und Raumfahrt hohen Vibrationskräften ausgesetzt, so daß schon kleinste Risse in dsr Klebstoffschicht zu einem reißverschlu Bärtigen Ablösen der miteinander verklebten Teile führen. Aus diesem Grund werden gerade die Randbereiche einer Schäftung besonders stark beansprucht, so daß sich geklebte Verbindungen insbesondere bei Ermüdung durch Wechselbelastungen, meistens vom Rand her ablösen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei dem die Klebeverbindung eine wesentlich höhere dynamische Dauerbelastbarkeit aufweist

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Bauelementes sind die durch Belastung hervorgerufenen Längenänderungen der Materiaüen vor und hinter der Schäftung gleich. Die Klebstoffschicht ist daher im gesamten Bereich der Schäftung weitgehend gleichmäßig verteilten Scherkräften ausgesetzt Die sonst auftretenden Spannungsspitzen an den Rändern der Schäftung werden durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen weitgehend abgebaut.

Insbesondere wenn, wie in der Luft- ;ind Raumfahrt, zu den mechanischen Belastungen hohe thermische Belastungen kommen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Klebstoffschicht einen Faserwerkstoff mit einem Elastizitätsmodul aufweist welcher zwischen den Elastizitätsmodulen des Kunststoffteiles und des Übergangselementes liegt. So können beispielsweise zwischen einem Kunststoffteil aus kohlefaserverstäktem Kunststoff und einem Übergangselement aus Titan in der Klebstoffschicht Glasfasern eingebettet sein.

Eine besonders hohe Steifigkeit weisen die nach Patentanspruch 3 ausgebildeten Bauelemente auf. Damit diese Steifigkeit bei der Übertragung von axialen Kräften nicht an der Verbindung zwischen Kunststoffteil und Übergangselement verlorengeht, ist die Schäftung auf den Bereich der axial gerichteten Fasern beschränkt. Durch den schäftungsbedingten schrägen Anschnitt der Schicht aus gerichteten Fasern werden auch bei einer mehrlagigen Faserschicht sämtliche Fasern von der

Klebstoffschicht erfaßt und mit dem Übergangselement verbunden.

Die Größe der Klebefläche wird bei vorgegebener Geometrie der Bauteile durch die Größe des Schäftungswinkels bestimmt. Der Schäftungswinkel sollte in einem Bereich zwischen 2° und 5° liegen, da dann die Klebstoffschicht im wesentlichen nur Scherbelastungen unterliegt. In Versuchen hat sich ein Schäftungswinkel von 3° als besonders günstig erwiesen. Besonders hohe Zug- und Druckkräfte lassen sich mit einem Bauelement gemäß Patentanspruch 5 übertragen.

Zwei in den Figuren teilweise schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch ein Bauelement mit einem Hohlstab aus faserverstärktem Kunststoff und einem Übergangselement mit zentrischem Gewindeanschluß und

F i g. 2 eine Anordnung gemäß F i g. 1 mit doppelschäftiger Verbindung zwischen dem Kunststoffteil und

dem Übergangselement.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Bauelement besteht der faserverstärkte Hohlstab 1 aus einer inneren Schicht 1.1 mit axial gerichteten Kohlefasern, welche von einer

Kohlefaserwicklung 1.2 umhüllt sind. Das Ende des Hohlstabes ist bis auf die äußere Wicklung 1.2 von innen her unter einem Schäftungswinkel <x keglig angeschliffen. Der dem Hohlstab 1 zugewandte Teil des Übergangselementes 2 weist entlang des äußeren Umfanges die gleiche Kegelmantelfläche wie der Hohlstab auf, so daß beide Teile ineinander geschähet werden können. Der Hohlstab 1 und das Übergangselement 2 werden durch eine Klebstoffschicht 3 mit konstanter Dicke im Bereich der Schaffung 5 zusammengehalten. Die Materialquerschnittsflächen (Ringflächen) des Kunststoffteiles Fk und die des Übergangselementes Fo in den Bereichen vor und hinter dar Schaffung 5 sind so dimensioniert, daß sie im umgekehrten Verhältnis zu den Elastizitätsmodulen Ek und Eo des Kunststoffes und des Materials des Übergangselementes stehen. Die Elastizitätsmodule beziehen sich dabei auf die Richtung der eingeleiteten Kräfte, im dargestellten Ausführungsbeispiel also auf die axiale Richtung; der Zusammenhang zwischen der Richtung der eingeleiteten Kräfte und derjenigen für den maßgeblichen Elastizitätsmodul ist besonders bei Materialien mit anisotropen Eigenschaften, wie z. B. faserverstärkter Kunststoff, von Bedeutung. Aufgrund der unterschiedlichen Materialquerschnittsflächen stimmen die innenradien Γκ und ro des Kunststoffteiles und des Übergangselementes nicht überein. Der Innendurchmesser ro des Übergangselementes 2 erweitert sich deshalb im Bereich der Schäftung S stetig auf den Durchmesser γκ- Dadurch wird verhindert, daß sich innerhalb der Klebstoffschicht 3 Spannungsspitzen aufbauen, die bei Belastung zu einem Bruch der Klebung führen würden.

Bei einem stabförmigen Kunststoffteil aus Vollmaterial wird die Schäftung so verlaufen, daß das Übergangselement den Kunststoffteil im Bereich der Schaftung von außen umgibt.

Bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ende eines hohlstabförmigen Kunststoffteiles 1 mit einem Übergangselement 2 durch eine Doppelschäftung verbunden. Dazu ist das Ende des Hohlstabes von innen und von außen keglig angeschliffen. Das dem Kunststoffteil zugewandte Ende des Übergangselementes 2 wird wie bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer entsprechenden Kegelfläche versehen, so daß es in den Hohlstab hineingeschoben werden kann. Die äußere Kegelfläche des Kunststoffteiles wird von einem übergestülpten Kegelring 5 abgedeckt, dessen Position zum Übergangselement 2 durch einen Anschlag 6 fixiert wird. Das Kunststoffseil ist über je eine Klebstoffschicht 3.1 und 3.2 mit dem Übergangselement 2 und dem Kegelring 5 verbunden. Die für die Dimensionierung maßgebliche Materialquerschnittsfläche des Übergangselementes setzt sich nunmehr aus den Querschnittsflächen des Kegelringes 5 und des Übergangselementes 2 im Bereich vor der Schäftung zusammen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Stabförmiges Bauelement, bestehend aus einem stabförmigen, faserverstärkten Kunststoffteil mit mindestens einer Schicht aus gerichteten Fasern und mindestens einem Obergangselement aus einem anderen Material zur Einleitung von Kräften in den Kunststoffteil in Richtung der Fasern, wobei das Kunststoffteil und das Übergangselement nur über mindestens eine Klebstoffschicht kraftschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Klebstoffschicht verbundenen durch entsprechende Schäftung des Kunststoffteils (1) und des Übergangselements (2) gebildet sind und daß das Verhältnis der Materialquerschnittsflächen (Fk, Fu) des Kunststoffteile (1) und des Übergangselementes (2) in den Bereichen vor und hinter der Schäftung (S) umgekehrt proportional zu den Elastizitätsmodulen (Ek, Eo) der jeweiligen Materialien in Richtung der einzuleitenden Kräfte ist

2. Bauelement nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebstoffschicht (3) einen Faserwerkstorf mit einem Elastizitätsmodul aufweist, welcher zwischen den Elastizitätsmodulen (E_K, Ed) des Kunststoffteiles und des Übergangselementes liegt.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffteil (1) axial gerichtete Fasern (1.1) aufweist, welche von einer dazu senkrecht verlaufenden Faserwicklung (1.2) umgeben sind, und daß die Schäftung (S) auf den Bereich der axial gerichteten Fasern (1.1) beschränkt ist.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schäftungswinkel (λ) 2° bis 5°, vorzugsweise3° beträgt.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Kunststoffteiles (1) eine innere und eine äußere Schäftung aufweist und im Bereich der Schäftung von einer inneren und einer äußeren Einfassung (2, 5) des Übergangselementes umgeben ist.