DE19732513C2

DE19732513C2 - Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur

Info

Publication number: DE19732513C2
Application number: DE19732513A
Authority: DE
Inventors: Horst 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: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2017-07-30
Also published as: GB9815652D0; US6162313A; JP2978158B2; FR2766968A1; GB2327809A; GB2327809B; JPH11124094A; DE19732513A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundstruk tur von Aktuatoren für zugbelastete Komponenten, wobei auf den beiden flächigen Seiten eines plattenförmigen Piezoelementes mit mechanischen Vorspannungen versehene Elemente in Form von Faserverbundplatten 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 vor Hubschraubern. Die Rotoren erzeu gen nämlich durch Fliehkräfte bedingte Zugdehnungen; auch aus den Biegemomenten resultieren Zugdehnungen, die von den Piezokeramiken nicht vertragen werden.

Die US-PS 5,632,841 bildet den nächstliegenden Stand der Technik.

Die bekannte Lösung verwendet als Trägermaterial eine vorgespannte Schicht auf deren Oberseite eine Piezoschicht angeordnet wird. Durch Erhitzung und Abkühlung werden vorgespannte Schicht und Piezoschicht miteinander verbunden. Wie dortige Fig. 2 zeigt, ist die vorgespannte Schicht gebogen und ist in dieser gebogenen Geometrie als Bauteil zu verwenden. Beim Anordnen einer Piezoschicht auf der Oberfläche der vorgespannten Schicht können natürlich keine Vorspannkräfte auf die Piezoschicht einwirken. Um die Piezoschicht unter Vorspannung setzen zu können, macht sich ein gemeinsames Erhitzen und Abkühlen erforderlich. Das erfordert einen nachteiligen Zeit- und Kostenaufwand. Nachteilig ist auch, daß mit diesem Verfahren keine höhere Lastragfähigkeit des Piezoelements erzielbar ist, insbesondere nicht bei hoher Zugbelastung der Verbundstruktur.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur von Aktuatoren zu schaffen, bei denen einerseits die ausnutzbare aktive Dehnung sich nicht wesentlich verringert, andererseits aber bei Zugbelastung der Verbundstruktur die Piezokeramik nicht auf Zug beansprucht wird; insbesondere soll das Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur zur Ansteuerung von Rotoren für Hubschrauber dienen.

Ausgehend von einer Verbundstruktur der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angege benen Verfahrensschritten; vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, daß die plattenförmige Piezokeramik durch Verklebung mit den vorgespannten anisotropen oder isotropen Faserverbundplatten fest eingebettet wird. Die Vorspannung in Form einer Dehnung kann durch mecha nische Lasten oder auch durch andere Effekte erhalten werden. Nach der Herstellung der Verbundstruktur wird diese von den Vorspannungskräften entlastet. Die aufge brachte Vorspannung ist gezielt auf die Verbundstruktur abzustimmen, so daß die passiven Zugdehnungen vertragen werden, jedoch die ausnutzbaren aktiven Dehnungen sich nicht wesentlich vermindern.

Durch die gezielt angelegte Vorspannung mit vorbestimmter Richtung und Größe kann die Verbundstruktur derart optimiert werden, daß die passiven Zugdehnungen auf die Piezokeramik so groß gewählt werden können, daß sie gerade noch vertragen werden. Auf diese Weise wird der Bereich der nutzbaren aktiven Dehnung maxi miert. Die exakte Auswahl der Vorspannung nach Größe und Richtung ist besonders im Hinblick auf den hier beachtlichen Anwendungsfall des Hubschrauberrotors, wo hohe Zugkräfte und entsprechend hohe Spannungen im Betrieb auftreten, von Vor teil.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen 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 Faserverbundplatten mit einer schemati schen Darstellung der Vorspannung;

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

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

Fig. 1 zeigt eine Verbundstruktur 3, die aus einem plattenförmigen Piezoelement 1 besteht, welches auf seinen beiden flächigen Seiten jeweils mit einer Faserverbund platte 2 versehen ist. Bevor die Piezokeramik 1 mit den beiden Faserverbundplatten 2 verbunden wird, werden diese beiden Faserverbundplatten 2, wie es in Fig. 2 sche matisch dargestellt ist, in der Plattenebene mit einer auf die Festigkeitseigenschaften der Faserverbundplatten und der Piezokeramik abgestimmten Vorspannung beauf schlagt. Die Faserverbundplatte wird dabei durch eine mechanisch angreifende Kraft in Richtung der Pfeile F₁, F₂ gedehnt. Es ist auch möglich, die Faserverbundplatte 2 mit einer Vorspannung zu beaufschlagen, die sich aus nur in einer Richtung F₁ oder F₂ angreifenden Kraft ergibt.

Nach dem Anlegen der Vorspannung, wie sie durch die Pfeile F₁, F₂ schematisch gekennzeichnet ist, an die beiden Faserverbundplatten 2 werden diese mit der plat tenförmigen Piezokeramik gemäß Fig. 3 unter Aufbringen von senkrecht auf die bei den Faserverbundplatten einwirkenden Anpreßdruck q verklebt. Nach Beendigung der Verklebung, eventuell nach entsprechender Aushärtung des verwendeten Kleb stoffes werden die beiden Faserverbundplatten 2 von den angelegten Vorspannkräf ten entlastet.

Die 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:

Bezugszeichenliste

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)

Vorspannverhältnis

Steifigkeitsverhältnis
ε_p Aktive Dehnung des Piezomaterials allein
ε_a Aktive Dehnung der Verbundstruktur

Wirkungsgrad der aktiven Dehnung der Verbundstruktur

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 erforderliche 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 von Aktuatoren für zugbelastete Komponenten, wobei auf den beiden flächigen Seiten eines plattenförmigen Piezoelementes mit mechanischen Vorspannungen versehene Elemente in Form von Faserverbundplatten aufgebracht werden, dadurch ge kennzeichnet, daß die mechanischen Vorspannungen als in Ebene der beiden Faserverbundplatten (2) wirkende Zugspannungen nach Richtung und Größe gezielt angelegt sind, daß die so auf Zug vorgespannten Faser verbundplatten (2) anschließend mit der Piezokeramik (1) über die gesamten Be rührungsflächen verklebt werden und daß nach erfolgter Verklebung die auf Zug vorge spannten Faserverbundplatten entlastet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Faser verbundplatten mit in nur einer Richtung wirkenden Vorspannung F₁ oder F₂ beaufschlagt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Faser verbundplatten mit in senkrecht aufeinander stehenden Richtungen wirkenden Vorspannungen F₁ und F₂ beaufschlagt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Piezokeramik (1) tragende Faserverbundplatte (2) Strukturbestandteil eines Rotorblattes ist.