DE102007018082A1

DE102007018082A1 - Transmissionswelle

Info

Publication number: DE102007018082A1
Application number: DE102007018082A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. Ehrlinspiel (FH)
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2008-10-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transmissionswelle aus Faserverbundwerkstoffen, insbesondere zum Antrieb der Flügelklappen eines Flugzeugs, mit einer oder mehreren Kohlefaser-Lagen und einer oder mehreren Glasfaser-Lagen. Die Erfindung betrifft des weiteren ein Flugzeug mit der erfindungsgemäßen Transmissionswelle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transmissionswelle aus Faserverbundwerkstoffen insbesondere zum Antrieb der Flügelklappen eines Flugzeuges. Solche Antriebswellen für die Klappen insbesondere der Flügelvorderkante (Slat Actuation System) und der Flügelhinterkante (Flap Actuation System) ersetzen zunehmend die früher üblichen Transmissionswellen aus Stahl.

Jedoch ist die Auslegung einer für den Anwendungsfall optimierten Welle äußerst komplex, so dass diese bei Stahlwellen oder den bekannten Transmissionswellen aus Kohlefaser nicht zufriedenstellend möglich war. Insbesondere müssen bei der Auslegung folgende 13 Kriterien berücksichtigt werden:

1.	Compliance	(Drehsteifigkeit)
2.	Torsional Resistance	(Torsion, Drehfestigkeit)
3.	Torsional Buckling	(Torsionsbeulen)
4.	Euler Buckling	(Euler Beulen)
5.	Combined Load Case	(Kombinierter Lastfall-Torsion & Zug/Druck)
6.	Hanging Man
7.	Fatigue Resistance	(Lebensdauer)
8.	Whirling	(Ausknicken durch Drehzahlbelastung)
9.	Eigenfrequenzy	(Eigenfrequenz)
10.	Reliability Test	(Betriebssicherheit)
11.	Weight	(Gewicht)
12.	Dual Load Path	(zwei unabhängige Lastpfade)
13.	Impact Test	(Schlagbeständigkeit)

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine auf alle Auslegungskriterien optimierbare Transmissionswelle zur Verfügung zu stellen. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schichtaufbau zur Verfügung zu stellen, welcher insbesondere eine optimale Schlagbeständigkeit garantiert.
Eine solche optimale Auslegung einer Transmissionswelle aus Faserverbundwerkstoffen insbesondere zum Antrieb der Flügelklappen eines Flugzeugs ergibt sich nun gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung dadurch, dass die Transmissionswelle aus einer oder mehreren Kohlefaserlagen und einer oder mehreren Glasfaserlagen besteht. Während im Stand der Technik lediglich Transmissionswellen verwendet wurden, welche aus mehreren Kohlefaserlagen bestanden, ermöglicht die erfindungsgemäße Kombination aus Glasfaserlagen und Kohlefaserlagen insbesondere ein optimales Impact Verhalten der Transmissionswellen sowie eine optimale Anpassung an die übrigen Auslegungskriterien.
Dabei können die ersten 12 dieser 13 Auslegungskriterien durch aufwendige Berechnungen bestimmt werden, wobei sich durch die Verwendung von Kohlefaser- und Glasfaserlagen eine erheblich bessere Möglichkeit zur Anpassung an den Anwendungsfall ergibt. Versuche mit verschiedenen Entwicklungswellen haben jedoch gezeigt, dass der Aufbau der Transmissionswellen einen rein rechnerisch bisher nicht erfaßbaren Einfluß auf das Impact Verhalten der Transmissionswellen hat.
Um dennoch ein optimales Impact Verhalten der Transmissionswellen zu erreichen, waren deshalb aufwendige Versuche zur Bestimmung der Impact-Schädigung nötig.
Insbesondere war es hierbei notwendig, ein Verfahren zu entwickeln, mit welchem auch Schädigungen im inneren der Wellenwände erkannt werden konnten. Den größten Entwicklungsfortschritt bei Transmissionswellen aus Faserverbundwerkstoffen bezüglich des Impact Verhaltens erzielt man dabei über die Beherrschung des Rißfortschritts in der Welle und insbesondere zwischen den Lagen. Durch Anpassen eines Computer-Tomographieverfahrens, welches wie die meisten Prüfverfahren auf Erkenntnissen aus dem Metallbau basiert, wurde es dabei möglich, solche Schädigungen zu entdecken und einen optimalen Aufbau einer Transmissionswelle bezüglich der oben genannten 13 Auslegungskriterien und insbesondere der Schlagbeständigkeit zu entwickeln.
Diese Untersuchungen und Tests haben ergeben, dass durch eine symmetrische Auslegung der Wellenwände ein optimales Impact-Verhalten erreicht werden kann, während die weitere Auslegung der Transmissionswellen bezüglich der übrigen Kriterien über die Anpassung der Lagenstärken, Lagenarten, Lagenwinkel, Faservolumenanteile und Harze möglich ist.
Vorteilhafterweise ist der Schichtaufbau dabei zumindest bezüglich der Faserart der Lagen symmetrisch. Durch einen solchen symmetrischen Aufbau der Transmissionswellen-Wand, bei der damit zumindest beide Decklagen aus der gleichen Faserart sind und mindestens eine innere Lage aus einer anderen Faserart besteht, ergeben dabei ein besonders gutes Impact Verhalten.
Weiterhin vorteilhafterweise ist der Schichtaufbau der erfindungsgemäßen Transmissionswelle bezüglich der Dicke der Lagen im wesentlichen symmetrisch. Durch diesen im wesentlichen symmetrischen Aufbau der Wand der Transmissionswelle bezüglich der Dicke der Lagen ergibt sich ebenfalls ein verbessertes Verhalten der Transmissionswellen insbesondere bezüglich der Schlagbeständigkeit.
Weiterhin vorteilhafterweise ist der Schichtaufbau bezüglich des Faservolumenanteils der Lagen im wesentlichen symmetrisch. Ebenso ist er vorteilhafterweise bezüglich der verwendeten Harze symmetrisch. Weiterhin vorteilhafterweise ist der Schichtaufbau der erfindungsgemäßen Transmissionswelle bezüglich der Lagenwinkel im wesentlichen symmetrisch.
Bezüglich der verwendeten Faser-Lagen haben die Untersuchungen weiterhin ergeben, dass eine Decklage aus Kohlefasern mit einer darunter liegenden Glasfaserlage eine besonders hohe Schlagbeständigkeit ergibt. Die vorliegende Erfindung umfaßt deshalb weiterhin eine Transmissionswelle aus Faserverbundwerkstoffen, deren äußere Decklage von einer Kohlefaserlage gebildet wird. Dabei ist eine solche Decklage aus Kohlefaser auch ohne einen symmetrischen Aufbau der Wellenwand von großem Vorteil, wobei sich jedoch eine besonders hohe Schlagfestigkeit in Verbindung mit einem symmetrischen Aufbau ergibt. Besonders gute Ergebnisse lassen sich deshalb erzielen, wenn zumindest beide Decklagen der Transmissionswelle von Kohlefaserlagen gebildet werden.
Es ergeben sich aber auch schon Vorteile bezüglich des Impactverhaltens, wenn die innere Decklage von einer Kohlefaserlage gebildet wird. Die vorliegenden Erfindung umfasst deshalb weiterhin eine Transmissionswelle, deren innere Decklage von einer Kohlefaserlage gebildet wird.
Die aufwendigen Versuche haben dabei ergeben, dass sich besonders gute Ergebnisse erzielen lassen, wenn die Transmissionswelle mindestens drei Kohlefaserlagen und mindestens zwei Glasfaserlagen umfaßt, wobei die Kohlefaserlagen die beiden Decklagen und eine innere Lage bilden, und wobei sich zwischen den Decklagen und der inneren Lage jeweils Glasfaserlagen befinden. Hierdurch läßt sich eine Transmissionswelle erreichen, welche alle Auslegungskriterien hervorragend erfüllt, wobei ein möglichst symmetrischer Aufbau zusätzliche Vorteile bringt.
Weiterhin vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Transmissionswelle naßgewickelt. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wellen aus nur einer Fasersorte, welche im Prepreg-Verfahren hergestellt werden, ergibt sich im Vergleich zum Naßwickelverfahren, welches in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, eine erheblich geringere Flexibilität beim Lagenaufbau und der Lagenorien tierung. Insbesondere ist dabei in Abhängigkeit von der Bänderbreite immer nur ein relevanter Lagenwinkel möglich. Mit solchen Prepregs lassen sich dadurch aber die 12 berechenbaren Auslegungskriterien nur in eingeschränktem Maße punktgenau verwirklichen, so dass mit Prepregs keine optimalen Transmissionswellen verwirklicht werden können.
Die vorliegende Erfindung umfaßt daher weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Transmissionswelle mit einem wie oben beschriebenen Aufbau der Lagen, wobei diese naßgewickelt werden. Durch dieses Verfahren ergeben sich die oben genannten Vorteile ebenfalls.
Weiterhin vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Transmissionswelle in ihren Endbereichen insbesondere durch Doppler verstärkt ausgeführt. Dies ermöglicht einen Aufbau, welcher zur Verbindung mit weiteren Elementen optimiert ist.
Die vorliegende Erfindung umfaßt dabei weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Transmissionswelle mit verstärkten Endbereichen, mit den Schritten: Herstellen der Transmissionswelle, insbesondere durch Naßwickeln der Lagen; Ablängen der Transmissionswelle; Verstärken der Endbereiche der Transmissionswelle, insbesondere durch Anbringen von Dopplern. So können die Transmissionswellen in großer Stückzahl in einer einheitlichen Länge hergestellt werden, was insbesondere bei dem relativ komplexen Lagenaufbau der erfindungsgemäßen Transmissionswellen erhebliche Kostenvorteile mit sich bringt. Die einheitlich hergestellten Transmissionswellen werden dann auf die für den spezifischen Einsatz benötigten Längen abgelängt, woraufhin die Endbereich insbesondere durch das Anbringen von Dopplern verstärkt werden.
Bei den erfindungsgemäßen Transmissionswellen aus Faserverbundstoffen ergibt sich weiterhin das Problem, dass diese mit Metallflanschen verbunden werden müssen. Auch diese Verbindung aus Transmissionswelle und Metallflansch muß dabei den oben genannten Auslegungskriterien entsprechen. Insbesondere bedarf es dabei einer Verbindung, welche zwei unabhängige, gleichwertige Lastpfade zur Verfügung stellt.
Die vorliegende Erfindung umfaßt daher weiterhin eine Transmissionswelle, in deren zylinderförmige Endbereiche Metallflansche eingeschoben sind. Durch dieses Einschieben der ebenfalls zylinderförmigen Metallflansche in die zylinderförmigen Endbereiche der Transmissionswelle ergibt sich eine besonders gute Verbindung zwischen Transmissionswelle und Flanschen.
Weiterhin vorteilhafterweise sind die Metallflansche dabei mit dem zylinderförmigen Endbereichen der Transmissionswelle vernietet und verklebt, und zwar insbesondere so, dass beide Verbindungen einen eigenständigen gleichwertigen und zum Betrieb der Transmissionswelle ausreichenden Lastpfad darstellen. Durch diese Verklebung und Vernietung der zylinderförmigen Endbereiche der Transmissionswelle mit den ebenfalls zylinderförmigen Bereichen der Flansche ergibt sich eine optimale Verbindung zwischen Transmissionswelle und Flanschen, welche insbesondere auch den Anforderungen an zwei unabhängige Lastpfade genügt.
Für den Fachmann ist dabei offensichtlich, dass die oben beschriebene Verbindungen zwischen Transmissionswelle und Metallflanschen unabhängig von dem Aufbau der Transmissionswelle von großem Vorteil ist. Besondere Vorteile ergeben sich aber insbesondere bei der Verwendung einer Transmissionswelle, welche sowohl Lagen aus Kohlefaser als auch Lagen aus Glasfaser aufweist, da sich durch die Verwendung der Verklebung sowie der Vernietung im Zusammenspiel mit dem Lagenaufbau eine Verbindung herstellen läßt, welche für alle Auslegungskriterien optimiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Transmissionswelle mit einer solchen Verbindung mit Metallflanschen, mit den Schritten: Herstellen der Transmissionswelle, insbesondere durch Naßwickeln der Lagen; Ablängen der Transmissionswelle; Einschieben und Verkleben der Metallflansche in den zylinderförmigen Endbereichen der Transmissionswelle; Aushärten lassen der Verklebung; Einbringen der Bohrungen für die Vernietung in radialer Richtung durch die zylinderförmigen Endbereiche der Transmissionswelle und die Flansche; Vernieten der zylinderförmigen Endbereiche der Transmissionswelle und der Flansche. So läßt sich auf einfache Art und Weise die oben beschriebenen Verbindung zwischen Transmissionswelle und Flanschen herstellen, wobei insbesondere das Bohren der Löcher für die Vernietung nach Aushärten der Verklebung im Vergleich zur Verwendung von vorgebohrten Flanschen und Transmissionswellen eine erhebliche Vereinfachung bei zugleich erhöhter Paßgenauigkeit ergibt.
Vorteilhafterweise werden dabei die Endbereiche der Transmissionswelle nach dem Ablängen insbesondere durch das Anbringen von Dopplern verstärkt. Dies ergibt ein besonders kostengünstiges Herstellungsverfahren.
Die vorliegende Erfindung umfaßt weiterhin ein Flugzeug mit einer der oben beschriebenen Transmissionswellen, insbesondere zum Antrieb der Flügelklappen und dabei insbesondere der Klappen der Flügelvorderkante und/oder der Flügelhinterkante. Offensichtlich ergeben sich für ein solches Flugzeug die gleichen Vorteile, wie sie oben für die Transmissionswelle beschrieben wurden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher dargestellt.
Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Transmissionswelle aus Faserverbundwerkstoffen mit jeweils in ihren Endbereichen angeordneten Metallflanschen,
2 eine perspektivische Schnittansicht durch die erfindungsgemäße Transmissionswelle und den Verbindungsbereich.
1 zeigt die erfindungsgemäße Transmissionswelle 1 aus Faserverbundwerkstoffen sowie die Flansche 4 und 5, welche hier noch nicht in die Endbereiche 2 und 3 der Transmissionswelle 1 eingeschoben sind. Die Endbereiche 2 und 3 der Transmissionswelle 1 sind verstärkt ausgeführt, indem nach dem Ablängen der Transmissionswelle auf die benötigte Länge die Endbereiche mit Dopplern versehen werden.
Die Flansche 4 und 5 werden zur Verbindung mit der Transmissionswelle 1 in deren zylinderförmige Endbereiche 2 und 3 eingeschoben, wobei die ebenfalls zylinderförmige Außenfläche der Flansche, welche in die Transmissionswelle eingeschoben wird, mit der Innenfläche der Endbereiche der Transmissionswelle verklebt wird. Nach dem Aushärten der Verklebung werden die Endbereiche 3 sowie die eingeklebten zylinderförmigen Bereiche der Flansche mit Bohrungen 10 versehen, in welche Nieten 9 eingebracht werden. Hierdurch ergibt sich eine allen Anforderungen entsprechende Verbindung zwischen Flanschen und Transmissionswelle, und insbesondere zwei unabhängige Lastpfade, von welchen jeder allein sämtliche Anforderungen bezüglich der sonstigen Auslegungsansprüche erfüllt und somit für eine Redundanz sorgt.
Der Aufbau der Transmissionswelle aus Faserverbundwerkstoffen ist nun in 2 näher zu erkennen. Die Transmissionswelle 1 ist dabei sowohl aus Kohlefaserlagen 6 als auch aus Glasfaserlagen 7 aufgebaut, was ihr ein verbessertes Impact-Verhalten verleiht. Der Aufbau der auch nochmals im vergrößerten Ausschnitt gezeigten Wand der Transmissionswelle ist dabei insbesondere bezüglich der Faserart der Lagen symmetrisch, wobei die äußere und die innere Decklage aus Kohlenfaserlagen 6 besteht. Unter den Decklagen aus Kohlenstofffasern befinden sich jeweils Glasfaserlagen 7. Die mittlere Lage ist wiederum eine Kohlenfaserlage 6. Der Schichtaufbau der Transmissionswelle 1 ist dabei auch bezügliche der Dicke der Lagen im wesentlichen symmetrisch. Insbesondere besitzen die äußeren Decklagen die gleiche Stärke, ebenso wie die beiden Glasfaserlagen 7 die gleiche Stärke aufweisen.
Der Aufbau ist auch bezüglich des Faservolumenanteils, der Harze sowie bezüglich der Lagenwinkel im wesentlichen symmetrisch, wobei der Faservolumenanteil zu Erfüllung der entsprechenden Auslegungskriterien in einem weiten Band von 10 bis 70 Volumenprozent liegen kann.
Der oben gezeigte Aufbau aus fünf Lagen ermöglicht so eine optimale Anpassung der Transmissionswelle an sämtliche Auslegungskriterien und dabei insbesondere ein hervorragendes Impact-Verhalten bei dennoch vergleichsweise einfachem Aufbau, so dass sich optimale Leistung mit relativ geringen Herstellungskosten verbinden lassen.
In 2 sind ebenfalls nochmals die Endbereiche 3 mit den Verstärkungen in Form von Dopplern 8 zu sehen, wobei der Endbereich 3 der Transmissionswelle durch eine Verklebung sowie Nieten 9 mit dem Metallflansch 5 verbunden ist.

Claims

Transmissionswelle aus Faserverbundwerkstoffen insbesondere zum Antrieb der Flügelklappen eines Flugzeugs mit einer oder mehreren Kohlefaser-Lagen und einer oder mehreren Glasfaser-Lagen.
Transmissionswelle nach Anspruch 1, wobei der Schichtaufbau zumindest bezüglich der Faserart der Lagen symmetrisch ist.
Transmissionswelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schichtaufbau bezüglich der Dicke der Lagen im wesentlichen symmetrisch ist.
Transmissionswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schichtaufbau bezüglich des Faservolumenanteils der Lagen im wesentlichen symmetrisch ist.
Transmissionswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schichtaufbau bezüglich der Lagenwinkel im wesentlichen symmetrisch ist.
Transmissionswelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die äußere Decklage der Transmissionswelle von einer Kohlefaser-Lage gebildet wird.
Transmissionswelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die innere Decklage der Transmissionswelle von einer Kohlefaser-Lage gebildet wird.
Transmissionswelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit mindestens drei Kohlefaser-Lagen und mindestens zwei Glasfaser-Lagen, wobei die Kohlefaser-Lagen die beiden Decklagen und eine innere Lage bilden, und wobei sich zwischen den Decklagen und der inneren Lage jeweils Glasfaserlagen befinden.
Transmissionswelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welche nassgewickelt ist.
Transmissionswelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Transmissionswelle in ihren Endbereichen insbesondere durch Doppler verstärkt ausgeführt ist.
Transmissionswelle insbesondere nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei Metallflansche in die zylinderförmigen Endbereiche der Transmissionswelle eingeschoben sind.
Transmissionswelle nach Anspruch 11, wobei die Metallflansche mit den zylinderförmigen Endbereichen der Transmissionswelle vernietet und verklebt sind, insbesondere so, dass beide Verbindungen einen eigenständigen, gleichwertigen und zum Betrieb der Transmissionswelle ausreichenden Lastpfad darstellen.
Flugzeug mit einer Transmissionswelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, insbesondere zum Antrieb der Flügelklappen, insbesondere der Klappen der Flügel-Vorderkante und/oder der Flügel-Hinterkante.