Die Erfindung bezieht sich auf ein zugbeanspruchtes fasertechnisches Bauteil, welches zumindest einendig von der Zugrichtung abweichende Abstützflächen für die formschlüssige Abstützung an einem separaten Stützbauteil aufweist.

Fasertechnische Bauteile sind in der Lage, sehr hohe Zugbean¬ spruchungen ohne Bruch zu verarbeiten, und eignen sich daher und auf¬ grund ihres geringen Gewichtes zur Übertragung derartiger Zuglasten. Ein Problem ist dabei jedoch die Krafteinleitung vom fasertechnischen Bauteil in ein die Zugkräfte aufnehmendes Stützelement, weil bei der Krafteinleitung nur geringe Schubspannungen auftreten dürfen, bzw.ganz vermieden werden sollten, da die Schubfestigkeit von Faserwerkstoffen erheblich unterhalb der Zugfestigkeit liegt.

Eine ideale Krafteinleitung ergibt sich, wenn das fasertechnische Bau¬ teil aus Schlaufen aufgebaut ist, und ein zwischen den Schlaufen an-

gebrachter, und im Stützgehäuse abgestützter Querbolzen die Kräfte überträgt. Bei dieser bekannten Lösung treten nur geringe Schub- oder Querkräfte bzw. Schubspannungen auf. Ein Nachteil dieser Lösung be¬ steht jedoch darin, daß zur Erzielung einer gleichmäßigen Belastung aller Faserstränge ein relativ großer Schlaufeninnendurchmesser erfor¬ derlich ist, der zu einem großen Bauvolumen im Befestigungsbereich führt.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zug¬ beanspruchtes fasertechnisches Bauteil, welches zumindest einendig formschlüssig abstützbar ist zu schaffen, bei dem im Befestigungsbe¬ reich nur geringer zusätzlicher Platz beansprucht wird, und gleich¬ zeitig eine möglichst fasergünstige Kräfte- und Spannungsverteilung erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß das zugbeanspruchte Bauteil in zwei Arten unterschiedlich aufgebauter Elemente aufgeteilt wird. Die Druckplatten dienen zur Aufnahme von Druck- und Schubkräften und stehen in Formschluß mit dem sie umgebenden Stützbauteil. Die plattenförmigen Faserstränge hingegen dienen der Aufnahme von Zug¬ kräften. Die Verbindung der Druckplatten mit den Faserstrangplatten erfolgt durch Einbettung, so daß ein regelmäßiger Verbund entsteht.

Durch die Aneinanderreihung einer Vielzahl von dünnen Druckplatten und Faserstrangplatten ergibt sich die Möglichkeit, die auftretenden Schubbelastungen soweit zu reduzieren, daß die Zugfestigkeit der Faser vollständig genutzt werden kann. Die Anzahl der verwendeten Elemente (d. h. jeweils eine Druckplatte bzw. eine Faserstrangplatte) hängt von den gegebenen Abmessungen des Bauteils und den gewählten Stärken der Plattendicke ab.

Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die Kraft-

Übertragung zwischen den unter Zugbelastung stehenden Faserstrang¬ platten, und den unter Drucklast stehenden Druckplatten über eine gro¬ ße Fläche erfolgt, wodurch die auftretenden Schubspannungen gering bleiben und sich nicht festigkeitsmindernd auswirken. Durch die Anein¬ anderreihung einer Vielzahl von gleichartigen Elementen, die miteinan¬ der verbunden sind, ist die Breite des fasertechnischen Bauteils leicht variierbar, wodurch Anpassungen an die auftretenden Belastungen durchgeführt werden können. Schließlich wird nur wenig Bauraum benö¬ tigt, um das Bauteil an einem separaten Stützbauteil abzustützen, in- dem die Druckplatten nur wenig seitlich über die Faserstrangplatten hinausragen müssen.

Vorzugsweise bestehen die Druckplatten aus einem hohe Schubkräfte übertragenden homogenen Material, wie z. B. Metall, Metallein- kristallfasern oder Keramik.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß die Druckplatten formschlüssig in entsprechend unterbrochene Faserstrang¬ platten oder in Matrixzwischenlagen eingebettet sind. Eine solche Ein- bettung hat den Vorteil, daß die Druckplatten nicht flächig mit den Faserstrangplatten kraftschlüssig verbunden sein müssen, da über die schmalen Stirnflächen der Druckplatten die Kräfte auf die Ma- trixzwischenlagen bzw. unterbrochene Faserstrangplatten übertragen werden und durch die quasi homogene Verbindung dieser unterbrochenen Faserstrangplatten bzw. Matrixzwischenlagen mit den durchlaufenden

Faserstrangplatten in letztere eingeleitet werden. Darüber hinaus kann eine Verbindung der Faserstrangplatten mit den Flächen der Druck- _, platten durch Kleben oder über die gemeinsame Harzmatrix vorgesehen sein.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß mehrere Reihen von Druckplatten in Zugrichtung mit Abstand hin¬ tereinander vorgesehen sind. Durch diese mehrreihige Anordnung von Druckplatten wird eine auftretende Zugbelastung gleichförmiger ver-

teilt, so daß ein solcherart ausgebildetes Bauteil mit noch höheren Zugkräften belastbar ist-

Als Werkstoff für die Faserstrangplatten wählt man vorzugsweise Kohle- fasern, Borfasern, Glasfasern, Aramidfasern oder Mischungen hiervon. Ausgeführte Faserstrangplatten haben vorzugsweise eine Dicke zwischen 5/100 - 5/10 mm, wobei sich als günstigste Dicke 1/10 mm herausge¬ stellt hat, da Faserstrangplatten dieser Dicke handelsüblich sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das fa¬ sertechnische Bauteil rotationssymmetrisch aufgebaut ist. Das heißt, daß die Strukturbauteile im Querschnitt Zylindersektorform aufweisen, und eine Anzahl von Strukturbauteilen zusammen ein vollständiges rota¬ tionssymmetrisches Gebilde ergeben. Vorteilhafterweise können dabei die Druckplatten benachbarter Strukturelemente zur Bildung eines Ge¬ windes unterschiedliche Erstreckung in Zugrichtung aufweisen. Am ein¬ fachsten wird ein rotationssymmetrisches Bauteil aufgebaut, und an¬ schließend in die Druckplatten ein Gewinde eingearbeitet.

Ein Verfahren für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteiles ist dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd in Zugrichtung orientierte Faserstrangplatten und im spitzen Winkel hierzu orientierte Druck¬ platten entweder zunächst aufeinandergelegt und anschließend mit Harz versetzt werden. Nachdem eine Anzahl oder alle Strukturelemente auf- einandergelegt sind, wird das Bauteil unter Druck einer erhöhten

Temperatur für eine Zeit ausgesetzt, die geeignet ist das Harz auszu¬ härten. Bei üblichen Harzen liegt die Aushärtetemperatur etwa im Be¬ reich von 150 ^β C - 200 ^β C, der Druck etwa im Bereich von 10 - 50 bar, und die Zeitdauer des Aushärteprozesses beträgt ca. 1 - 4 Stunden.

Vorzugsweise wird das fasertechnische Bauteil dadurch fertig bearbei¬ tet, daß zunäscht die Faserstrangplatten und die Druckplatten mit Auf¬ maß gefertigt sind, und die Endkontur durch Fräsen bzw. Drehen des ausgehärteten Rohlings auf Endmaß erfolgt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung erläu¬ tert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine grundlegende Ausführungsform eines erfindungsgemäßen fasertechnischen Bauteils in zwei orthogonalen Längs¬ schnitten

Fig. 2 eine Ansicht eines mit geneigten Druckplatten versehenen fasertechnischen Bauteils

Fig. 3 eine weitere Ausführung mit geneigten Druckplatten

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein roationssymmetrisches Bauteil

Fig. 5 die Ausführung gemäß Fig. 4 im Längsschnitt

Fig. 6 einen Längs- und Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauteil, bei dem die Abstützflachen durch umlaufende Ring¬ nuten gebildet werden,

Fig. 7 einen Schnitt durch ein Zugbauteil,

Fig. 8 die Ausführung gemäß Fig. 7 im Querschnitt

Fig. 9 ein weiteres als Gewindebolzen ausgebildetes erfindungsge¬ mäßes Zugbauteil ,

Fig. 10 das Bauteil gemäß Fig. 9 im Schnitt

Fig. 11 ein schematisches Schrägbild eines Zugbauteils

Fig. 12 ein Schrägbild eines Zugbauteils, bei dem auch die Druck¬ platten aus fasertechnischem Material bestehen

Fig. 13 einen Schnitt durch den Fußbereich einer erfindungsgemäß gestalteten Turboschaufel.

Die in Fig. 1 dargestellte grundlegende Ausführungsform eines erfin¬ dungsgemäßen zugbeanspruchten fasertechnischen Bauteils besteht aus einer Vielzahl von in Zugrichtung Z parallel ausgerichteter Faser¬ strangplatten 4, zwischen denen Druckplatten 5 eingebettet sind. Wie aus dem Schnitt gemäß Fig. lb erkennbar, stehen die Druckplatten 5 mit ihren Endabschnitten über den Querschnitt q der Faserstrangplatten hinaus. Die über den Querschnitt q hinausstehenden Abschnitte der Druckplatten 5 bilden die Abstützflachen 15 aus, mit denen das fa¬ sertechnische Bauteil formschlüssig an dem separaten Stützbauteil 7 abgestützt ist. Das in Fig. 1 dargestellte Bauteil soll rotations- symmetrisch bezüglich der Mittelachse 1 ausgebildet sein, so daß de¬ mentsprechend das Stützbauteil 7 als Hohlzylinder mit ringförmigen Ausnehmungen für die herausragenden Abschnitte der Druckplatten 5 ge¬ staltet ist. Der erfindungsgemäße Aufbau eines solchen fasertech¬ nischen Bauteils ist aber nicht an die äußere, etwa rotations- symmetrische Form gebunden, so daß das Bauteil in gleicher Weise im

Querschnit polygonal gestaltet sein kann. Wie dem Schnitt nach Fig. la entnehmbar, sind die Druckplatten 5 formschlüssig in entsprechend un¬ terbrochene Faserstrangplatten 4a eingebettet. Eine Kraftübertragung zwischen den Druckplatten 5 und den Faserstrangplatten 4 erfolgt vor- zugsweise an den schmalen Stirnflächen 5a, 5b der Druckplatten. Die Krafteinleitung in die Faserstrangplatten 4 erfolgt über die unter¬ brochenen Faserstränge 4a, die zusammen mit den Faserstrangplatteη 4 vorzugsweise eine integrale fasertechnische Struktur ausbilden. Auf diese Weise ist eine schubkraftübertragende Verbindung zwischen den Flächen der Druckplatten 5 und den Faserstrangplatten 4 nicht erfor¬ derlich. Dennoch kann eine solche Verbindung durch Kleben vorgesehen sein, falls extrem hohe Belastbarkeit gefordert wird. Die Druckplatten 5 können sehr dünn ausgebildet sein, so daß sich der aus Fig. la er¬ kennbare laminare Aufbau des gesamten Bauteils ergibt. Um eine mög-

liehst stetige Kraftübertragung zwischen den Druckplatten und den Fa¬ serstrangplatten 4 zu gewährleisten, sind die Druckplatten 5 ab¬ wechselnd von unterschiedlicher Länge. Sie können darüber hinaus in Zugrichtung Z versetzt angeordnet sein. In diesem Fall müssen dann allerdings die entsprechenden Stützflächen am Stützbauteil 7 angepaßt werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist an der Faser¬ strangplatte 4 eine winklig angeordnete Druckplatte 5 angebracht, die in einem Stützbauteil 7 abgestützt ist. Diese beiden Bauteile bilden jeweils ein Strukturelement 8, von denen eine Vielzahl hinterinander angeordnet das zugbeanspruchte Bauteil bilden. Die Druckplatteδ ver¬ läuft in der gezeigten Ausführungsfrom über die Gesamtbreite der Fa¬ serstrangplatte 4 und überträgt die Zugkräfte an der Endfläche 9.Dabei weist die Druckplate 5, die vorzugsweise aus Metall besteht, einen gestuften Absatz zur Bildung der beiden Endflächen 9 auf.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist derjenigen aus Fig. 2 ähnlich, wobei jedoch jeweils zwei zueinander geneigte Druckplatten 5 vorge- sehen sind und an den Stoßstellen im Bereich der Längsmittelachse der Faserstrangplatten 4 eine Stützplatte 10 eingelassen ist, die eine verbesserte symmetrische Abstützung der Druckkräfte ermöglicht.

In Fig. 4 ist ein Querschnitt durch ein rotationssymmetrisches zugbe- anspruchtes Bauteil gezeigt, bei dem die Faserstrangplatten 4 und die Druckplatten 5 im Querschnitt kreissektorartige Form aufweisen, und eine Anzahl von aus jeweils einer Faserstrangplatte 4 und einer oder mehreren übereinander!iegenden Druckplatten bestehenden Strukturele¬ menten zusammen einen Vollkreis und somit das rotationssymmetrische Bauteil bilden. Im Zentrum ist ein Stützzylinder 11 angeordnet, der aus auf Druck beanspruchbarem Werkstoff, beispielsweise Metall oder Keramik besteht.

In Fig. 5 ist ein Teillängsschnitt des Bauteils gemäß Fig. 4 darge-

stellt, wobei erkennbar ist, daß die Faserstrangplatten 4 und die

Druckplatten 5 die gleiche Außenkontur aufweisen. In den Außenumfang dieses zylindrischen Bauteiles ist durch Abdrehen oder Fräsen eine Zahnstruktur eingearbeitet worden, die gewindeartig ausgebildet sein kann, um so ein tragfähiges fasertechnisches Gewinde eines zugbean¬ spruchten Bauteiles herstellen zu können. Die Druckplatten 5 bestehen vorzugsweise aus Metallen oder anderen druckbeanspruchbaren Werk¬ stoffen. Sollen jedoch extrem gewichtssparende Bauteile geschaffen werden, so kann für die Druckplatten auch Faserwerkstoff in Frage kom- men. Die Faserorientierung ist dann vorzugsweise so zu wählen, daß sie senkrecht zu den Endflächen 9 verläuft, wie in Fig. 5 angedeutet.

Das in Fig. 6 in Längs- und Querschnitt dargestellte zugbeanspruchte fasertechnische Bauteil unterscheidet sich von der grundliegenden Aus- führungsform nach Fig. 1 dadurch, daß die Druckplatten an ihren über die Faserstrangplatten hinausstehenden Abschnitten mit einer Nut ver¬ sehen sind, so daß sich bei einem rotationssymmetrischen Bauteil eine außen umlaufende Ringnut 21 ergibt. Diese umlaufende Ringnut 21 dient als formschlüssige Abstützung an einem entsprechend ringförmig ausge- bildeten Stützbauteil in Form eines Metallträgers 22. Wie aus dem

Längsschnitt gemäß Fig. 6 erkennbar, kann es wünschenswert sein, die in den Randzonen in Richtung quer zur Ebene der Faserstrangplatten 5 beidseitig angeordneten Druckplatten 5' mit größerer Dicke auszuführen als die im Zentralbereich des Bauteils angeordneten Druckplatten 5.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsfro der Erfindung dargestellt, bei der zwei Reihen von Druckplatten 5 übereinander quer zur Erstrek- kung der Faserstrangplatten 4 ausgerichtet sind. Die obere Druck¬ platte weist abgeschrägte Flanken auf, während die untere Druckplatte 5 rechteckigen Querschnitt aufweist. Diese beiden unterschiedlichen Ausführungsformen sind nur zum Zwecke der Darstellung zusammen ge¬ zeigt, während in der Praxis entweder die eine oder die andere Aus¬ führungsform gewählt werden wird ^" . Die Druckplatten 5 weisen Bohrungen

16 zur Positionierung auf. Diese erfolgt dadurch, daß die Bohrungen

von Harzmaterial von den beidseits der Druckplatten 5 angeordneten Faserstrangplatten 4 aufgefüllt werden und so ein Verrutschen der Druckplatten 5 verhindern.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist in Fig. 8 im Querschnitt darge¬ stellt, wobei vier nebeneinander angeordnete Faserstrangplatten 4 vor¬ handen sind. Dazwischen sind die zwei Reihen von je drei Druckplatten 5 vorgesehen, wobei diese sich an Zwischenlagen 17 abstützen. Diese Zwischenlagen 17 können aus reinem Matrixmaterial oder ebenfalls aus Fasermaterial bestehen wie die Faserstrangplatten 4 und sind mittels der gemeinsamen Harzmatrix mit den benachbarten Faserstrangplatten verbunden. Durch gestrichelte Linien sind die mit Harz oder Laminat gefüllten Bohrungen 16 (vergl . Fig. 7) in den Druckplatten 5 ange¬ deutet, die einen zapfenförmigen Formschluß ermöglichen, der zur Lastübertragung beiträgt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 9 und 10 in zwei Ansichten gezeigt.

In den Fig. 9 und 10 ist ein rotationssymmetrisches Bauteil 19 darge¬ stellt, das wiederum aus einer Vielzahl von lamellenartigen Faser¬ strangplatten 4 und Druckplatten 5 aufgebaut ist. Fig. 9 weist dabei zwei Schnitte durch benachbarte Druckplatten 5 gemäß Fig. 10 auf, die abwechselnd in Längsrichtung des Bauteiles 19 um die Strecke d ver- setzt sind, um eine ausgeglichenere Lastaufnahme zu erzielen. Das aus ebenen Platten 4 aufgebaute Bauteil 19 ist roationssym etrisch abge¬ dreht, wobei im Bereich g ein Gewinde eingeschnitten ist. Dieses Ge¬ winde 20 bildet die Abstützfläche (Gewindeflanken) aus, wobei zwischen den vorzugsweise metallisch ausgebildeten Druckplatten 5 im Bereich die tragenden Gewindegänge unterbrochene Faserstrangplatten oder auch anderes Füllmaterial vorgesehen sein können, wie dies im Schnitt nach Fig. 10 gezeigt ist. Eine verbessere Aufnahme der Abstützkräfte läßt sich dadurch erreichen, daß die Druckplatten im Bereich der Randzonen, die quer zur Ebene der Faserstrangplatten liegen mit größerer Dicke

ausgeführt sind, wie es in Fig. 6 mit den Bezugszeichen 5' gezeigt ist.

Fig. 11 zeigt eine schematische teilgeschnittene Schrägansicht einer Ausführungsform ähnlich der in Fig. 5 dargestellten. Ein aus einer Reihe von Faserstrangplatten 4 aufgebauter Zuganker 13 wird in einem Stützbauteil 7 dadurch gehalten, daß drei übereinliegender Reihen von Druckplatten 5 mit den Faserstrangplatten 4 verbunden sind. Das Stütz¬ bauteil 7 ist ortsfest angeordnet und nimmt die auf den Zuganker 13 aufgebrachten Kräfte auf. Dabei ist der Zuganker 13 innerhalb des Stützbauteiles 7 rotationssymmetrisch abgedreht, so daß ein etwa rota¬ tionssymmetrisches Tannenbaumprofil erzielt wurde.

Das in Fig. 12 dargestellte zugbeanspruchte Bauteil besteht im wesnt- liehen aus einem fasertechnischen Schaft 2, der in der mit Z be¬ zeichneten Richtung durch Zugkräfte belastet ist, und an dem Einrich¬ tungen zur Abstützung der Zugkräfte in ein nicht dargetelltes Stützge¬ häuse angebracht sind. Der fasertechnische Schaft besteht aus einer Anzahl parallel beabstandet ausgerichteter Faserstrangplatten 4, wäh- rend die Stützeinrichtungen als Druckplatten 5 ausgebildet sind, die in den Zwischenräumen der benachbarten Faserstrangplatten 4 zur Bil¬ dung eines sandwichartigen Gebildes eingelassen sind. Der Gesamtaufbau des Bauteiles kann dabei so aufgefaßt werden, daß jeweils eine Fa¬ serstrangplatte 4 mit einer daran angebrachten Druckplatte 5 ein gemeinsames Strukturelement bilden, und das Gesamtbauteil aus ei¬ ner Anzahl dieser Strukturelemente aufgebaut ist.

Die Druckplatten 5 bestehen in diesem Fall ebenfalls aus fasertech¬ nischem Werkstoff und sind in einem spitzen Winkel a zur Faserrichtung der Faserstrangplatten 4 ausgerichtet und mit den beiden beidseitig vorgesehenen Faserstrangplatten 4 mittels Kleben oder einer ge¬ meinsamen Harzmatrix verbunden. In der gezeigten Ausführung bilden zwei Druckplatten 5 zusammen ein V-förmiges Stützgebilde, und zwei derartige Stützgebilde sind übereinander am fasertechnischen Schaft

angebracht. Die Zwischenräume 6a zwischen den Faserstrangplatten bzw. 6b zwischen den Druckplatten 5 können mit Faserwerkstoff oder anderem Material aufgefüllt sein.

Fig. 13 zeigt einen Schnitt durch den Fußbereich einer Laufschaufel für einen Turborotor, die als erfindungsgemäßes fasertechnisches Bau¬ teil ausgebildet ist, um die beim Betrieb auftretenden hohen Flieh¬ kräfte in den Rotorkörper einleiten zu können. Es handelt sich dabei um eine verstellbare, d. h. um ihre Längsachse 1 verschwenkbare Axialschaufei mit einem Schaufelblatt 2 und einem Schaufelfußbe- reich 3. Die Schaufel ist über ein Axiallager 12 im Rotor 6 abge¬ stützt. Der Schaufelkörper ist in seiner Gesamtheit aus Faserstrang¬ platten 4 aufgebaut, wovon einige in der Fig. angedeutet sind. Im Fu߬ bereich 3 sind zwischen die Faserstrangplatten 4 in erfindungsgemäß beschriebener Weise lamellenartig eine Vielzahl von Druckplatten 5 eingebettet. Die metallischen Druckplatten 5 bilden am Umfang des zy¬ lindrischen Schaufelfußes ein Gewinde 20 aus mit dem die Zugkräfte aus der Fliehbeanspruchung auf eine Gewindebüchse 18 übertragen werden. Die Gewindebüchse 18 stützt sich auf einen den fasertechnisch ausge- bildeten Schaufelfuß umgebenden Formzylinder 23 ab, der seinerseits mittels eines Gewinderinges 14 am Schwenklager 12 abgestützt ist. Mit dem Formzylinder 23 ist ein Verstellhebel 24 drehsteif verbunden, so daß über dessen Betätigung eine Verschwenkung der Schaufel gegenüber dem Gehäuse 6 erfolgen kann. Die Gewindebüchse 18 erfüllt die Funktion des separaten Stützbauteils. Im einzelnen kann die Ausbildung und Anordnung der Druckplatten 5 so erfolgen, wie in den Fig. 1 bis 11 dargestellt. Insbesondere können zwei Reihen von Druckplatten 5 m.it axialem Abstand vorgesehen sein.