DE19732513A1

DE19732513A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur

Info

Publication number: DE19732513A1
Application number: DE19732513A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Bansemir; Stefan Emmerling
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1997-07-29
Filing date: 1997-07-29
Publication date: 1999-02-18
Anticipated expiration: 2017-07-30
Also published as: US6162313A; GB2327809B; GB9815652D0; DE19732513C2; FR2766968A1; JP2978158B2; GB2327809A; JPH11124094A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her stellung einer Verbundstruktur zur Ansteuerung von Rotoren für Hubschrauber oder von Aktuatoren, wobei auf den beiden großen Seiten eines Piezoelementes in Form einer platten förmigen Piezokeramik Elemente in Form von Faserverbund platten aufgebracht werden.

Verbundstrukturen aus plattenförmigen Elementen, zwischen denen eine plattenförmige Piezokeramik angeordnet ist, wer den zunehmend als Bauteile für Hochgeschwindigkeitsaktuato ren z. B. zur aktiven Lärmbekämpfung verwendet; es besteht auch der Wunsch derartige Verbundstrukturen zur Ansteuerung der Rotoren von Hubschraubern zu verwenden.

Die üblicherweise dazu verwendeten plattenförmigen Piezoke ramiken weisen eine hohe Zug- und Drucksteifigkeit sowie eine hohe Druckfestigkeit auf. Die Zugfestigkeit hingegen und die erreichbaren aktiven Dehnungen sind jedoch gering.

Diese Nachteile verhindern die erfolgreiche Verwendung von mit Piezokeramiken versehenen Verbundstrukturen zur An steuerung der Rotoren von Hubschraubern. Die Rotoren erzeu gen nämlich durch Fliehkräfte bedingte Zugdehnungen; auch aus den Biegemomenten resultieren Zugdehnungen, die von den Piezokeramiken nicht vertragen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur zur Ansteuerung von Rotoren von Hub schraubern bzw. von Aktuatoren zu schaffen, bei denen ei nerseits die ausnutzbare aktive Dehnung sich nicht wesent lich verringert, andererseits aber bei Zugbelastung der Verbundstruktur die Piezokeramik nicht auf Zug beansprucht wird.

Ausgehend von einer Verbundstruktur der eingangs näher ge nannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfah rensschritten; vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungs gemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrie ben.

Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, daß die platten förmige Piezokeramik durch Verklebung mit den vorgespannten anisotropen oder isotropen Faserverbundplatten fest einge bettet wird. Diese Vorspannung in Form einer Dehnung kann durch Temperatureffekte, durch mechanische Lasten oder auch durch andere Effekte erhalten werden.

Nach der Herstellung der Verbundstruktur wird diese von den Vorspannungskräften entlastet. Dabei ist die Verbundstruk tur auch durch die Bemessung der verwendeten Faserverbund platten derart zu optimieren, daß die passiven Zugdehnun gen vertragen werden, jedoch die ausnutzbaren aktiven Deh nungen sich nicht wesentlich vermindern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist; es zeigen:

Fig. 1 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Ausführungsbeispiel einer Verbundstruktur;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine der Faserverbund platten mit einer schematischen Darstellung der Vorspannung;

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch eine Ver bundstruktur während ihrer Herstellung, und

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Vorspann- und Steifigkeitsverhältnisse in Abhängig keit vom Wirkungsgrad der aktiven Dehnung.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäß hergestelltes Ausfüh rungsbeispiel einer Verbundstruktur 3, die aus einer plat tenförmigen Piezokeramik 1 besteht, die auf ihren beiden großen Seiten jeweils mit einer Faserverbundplatte 2 ver sehen ist. Bevor die Piezokeramik 1 mit den beiden Faser verbundplatten 2 verbunden wird, werden diese beiden Faser verbundplatten 2, wie es in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, mit einer Vorspannung beaufschlagt, die sich in der Ebene der Faserverbundplatte 2 erstreckt, wobei hier die Faserverbundplatte z. B. durch Temperatureinwirkung oder durch mechanisch angreifende Lasten in Richtung der Pfeile F₁, F₂ gedehnt wird. Gegebenenfalls ist es auch möglich, die Faserverbundplatte 2 mit einer Vorspannung zu beauf schlagen, die sich nur in zwei entgegengesetzte Richtungen F₁, F₁ oder F₂, F₂ erstreckt.

Nach dem Anlegen der Vorspannung, wie sie durch die Pfeile F₁, F₂ schematisch gekennzeichnet ist, an die beiden Faser verbundplatten 2 werden diese mit der plattenförmigen Pie zokeramik gemäß Fig. 3 z. B. unter Aufbringung von senk recht auf die beiden Faserverbundplatten einwirkenden An pressdrucke q verklebt. Nach Beendigung der Verklebung z. B. nach entsprechender Aushärtung des verwendeten Klebstoffes werden die beiden Faserverbundplatten 2 von den angelegten Vorspannkräften entlastet.

Die derart hergestellte Verbundstruktur, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wird also während ihrer Herstellung derart vorgespannt, daß einerseits die ausnutzbare aktive Dehnung sich nicht wesentlich verändert, andererseits aber bei Zug belastung der Verbundstruktur die Piezokeramik 1 nicht auf Zug beansprucht wird.

Damit die Verbundstruktur die passiven Zugdehnungen aus hält, die ausnutzbaren aktiven Dehnungen sich jedoch nicht wesentlich vermindern, muß eine entsprechende Optimierung insbesondere der Faserverbundplatten erfolgen. Im folgenden werden entsprechende Dimensionsvorschriften für die erfin dungsgemäße Herstellung der Verbundstruktur dargelegt, wo bei die folgenden Bezeichnungen verwendet werden:

1 Piezokeramikelement
2 Vorspannelement
E_p Elastizitätsmodul des Piezokeramikelements
t_p Dicke des Piezokeramikelements
E_v Elastizitätsmodul des Vorspannelements
t_v Gesamtdicke der Vorspannelemente
ε_e Elastische Druckvorspannung des Piezoelements
ε_v Vordehnung des Vorspannmaterials (vor dem Ver kleben)
V = ε_v/ε_e Vorspannverhältnis

ε_p Aktive Dehnung des Piezomaterials allein
ε_a Aktive Dehnung der Verbundstruktur
ηε = ε_o/ε_p Wirkungsgrad der aktiven Dehnung der Verbund struktur
n = F/b Kraftfluß
b Breite der Verbundstruktur

1. Elastische Vorspannung des Piezomaterials

2. Aktive Dehnung der Verbundstruktur

Die aktive Dehnung der Verbundstruktur läßt sich analog zu Punkt 1. berechnen, wobei hierbei die Piezokeramik das durch den piezoelektrischen Effekt vorgedehnte Material ist, das die Schichten der Faserverbundplatten mit verformt.

3. Auslegung

Aus Gleichung (6) läßt sich ein Wirkungsgrad berechnen, der definiert, welcher Anteil der aktiven Dehnung des Piezomateri- als in der Verbundstruktur umgesetzt werden kann.

Aus dem gewünschten Wirkungsgrad ergibt sich das dafür einzu haltende Steifigkeitsverhältnis S zwischen der vorgespannten Faserverbundplatte und der aktiven Piezokeramik. Mit der auf grund der von außen angelegten Zugbelastung notwendigen Druck vorspannung ε_e der Piezokeramik läßt sich die dafür erforder liche Vordehnung ε_v der Faserverbundplatten aus der Gleichung (5) ermitteln:

Die Zusammenhänge zwischen η_ε, S und V sind im Diagramm von Fig. 4 dargestellt, wobei links an der Ordinate das Vorspann verhältnis V abgetragen ist, auf der Abszisse der Wirkungsgrad der aktiven Dehnung und rechts an der Ordinate das Steifig keitsverhältnis S.

Für einen gewünschten Wirkungsgrad η_ε = 70% benötigt man ein Steifigkeitsverhältnis S = 0,43 und ein Vorspannverhältnis V = 3,33.

Die vorgespannte Faserverbundplatte muß also 43% der Steifig keit der Piezokeramik aufweisen und auf das 3,33-fache der gewünschten Druckvorspannung der Piezokeramik vorgedehnt wer den.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Verbundstruktur zur Ansteue rung von Rotoren für Hubschrauber oder von Aktuatoren, wo bei auf den beiden großen Seiten eines Piezoelementes in Form einer plattenförmigen Piezokeramik Elemente in Form von Faserverbundplatten aufgebracht werden, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden Faserverbundplatten (2) mit einer in ihrer Ebene angelegten Vorspannung beaufschlagt werden, daß die so vorgespannten Faserverbundplatten (2) mit der Piezokeramik (1) über ihre gesamten Flächen verklebt werden und daß nach erfolgter Verklebung die vorgespannten Faser verbundplatten entlastet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Faserverbundplatten mit einer in zwei entgegenge setzten Richtungen wirkenden Vorspannung F₁ oder F₂ beauf schlagt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Faserverbundplatten mit in jeweils zwei mal zwei entgegengesetzten aber senkrecht aufeinander stehenden Richtungen wirkenden Vorspannungen F₁ und F₂ beaufschlagt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundplatten mit einer sie dehnenden Vorspannung beaufschlagt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verklebung der vorgespannten Fa serverbundplatten mit der plattenförmigen Piezokeramik un ter Anlegen eines senkrecht auf die großen Außenseiten der Faserverbundplatten wirkenden Anpressdrucks erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung durch Temperaturein wirkung auf die Faserverbundplatten erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung durch Anlegen mechani scher Zugkräfte an die Faserverbundplatten erzeugt wird.