DE10054643A1

DE10054643A1 - Flexible wing part for jet aircraft incorporates piezoelectric actuator in wing to cause movement at flexure to change wing shape for maneuvering

Info

Publication number: DE10054643A1
Application number: DE2000154643
Authority: DE
Inventors: Elmar Breitbach; Andreas Bueter; Christian Anhalt
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2000-11-03
Filing date: 2000-11-03
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2020-11-04
Also published as: DE10054643B4

Abstract

The aircraft wing incorporates ailerons and extending flaps. It has a spar (1) with a portion of reduced thickness (6) which acts as a flexure. A piezoelectric actuator (8) is set in the spar to cause it to bend. There may be a cavity, closed on one side by the remaining thickness of the spar (7), and there is a hooked overlapping portion (43,44) on the other side.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit steuerbarer Verformung.The invention relates to a component with controllable deformation.

In vielen Anwendungsbereichen werden heutzutage Aktuatoren für steuerbare Verformungen eingesetzt. Insbesondere in der Luftfahrttechnik ermöglichen sie ein steuerbares Verformungsverhalten entsprechend ausgerüsteter Bauele mente. Zu denken ist dabei beispielsweise an ausfahrbare Landeklappensy steme, sogenannte Fowlerklappen moderner Verkehrsflugzeuge. Diese unterlie gen nämlich im ausgefahrenen Zustand einer besonderen Beanspruchung. Zum einen ist die Klappenposition gezielt zu verändern. Zum zweiten treten auch Ma növerlasten auf, die zu einer elastischen Verformung, etwa Biegung und Torsion der Klappe beitragen. Strukturmechanisch wird dem durch aufwendige und gewichtserhöhende Stützstellen, sogenannte Tracks, entgegengewirkt.Nowadays, actuators for controllable devices are used in many areas of application Deformations used. They make it possible, particularly in aviation technology a controllable deformation behavior of appropriately equipped components mente. One example is retractable flap systems systems, so-called Fowler flaps of modern commercial aircraft. This was omitted namely in the extended state of a special load. To the one is to specifically change the flap position. For the second, Ma due to elastic deformation, such as bending and torsion to contribute. Structural mechanics is the result of complex and weight-increasing support points, so-called tracks, counteracted.

Der Einsatz von Aktuatoren gerade bei solchen Anwendungsfällen ist sehr pro blematisch. Eine an sich gewünschte Integration von Aktuatoren, hier also Translatoren bzw. Stellelementen in eine Struktur mit einer Steifigkeit c_S war bis her wegen mangelnder Effizienz nicht möglich. Bei einem Einsatz erfolgt nämlich aufgrund der sich ergebenden Wegabhängigkeit der auf den Translator wirken den Kraft eine Minderung der Effizienz dieses Translators. Alle Anwendungen, bei denen ein Stellelement mit der Steifigkeit c_T gegen eine Feder oder gegen eine Wand drückt, fallen unter diesen Gesichtspunkt. Dabei ist die Kraft umso größer, je mehr sich der Translator ausdehnt.The use of actuators, especially in such applications, is very problematic. A desired integration of actuators, in this case translators or adjusting elements, into a structure with a stiffness c _S has not been possible until now because of a lack of efficiency. When used, the force acting on the translator reduces the efficiency of this translator due to the resulting path dependency. All applications in which an actuating element with the stiffness c _T presses against a spring or against a wall fall under this aspect. The more the translator expands, the greater the force.

Je steifer eine Einspannung ist, je größer also die erwähnte Federkonstante c_S dieser Einspannung oder Struktur wird, desto kleiner wird der Weg, den das Stellelement bzw. der Translator oder Aktuator beim Betrieb mit seiner maxima len Feldstärke ausführen kann. Ein Teil der erzeugten Längenänderung wird durch die eigene Elastizität des Elements c_T wieder zusammengedrückt. Die nach außen wirksame Ausdehnung Δl beträgt nämlich
The more rigid a clamping is, the greater the spring constant c _{S mentioned of} this clamping or structure, the smaller the path that the control element or the translator or actuator can perform during operation with its maximum field strength. Part of the change in length generated is compressed again by the elasticity of the element c _T. The outward effective expansion Δl is namely

Dabei stellt Δl₀ die ohne Krafteinwirkung erreichbare Längenänderung des Ele mentes dar. Die Aktuatoreffizienz
Δl _{0 represents} the change in length of the element that can be achieved without the use of force. The actuator efficiency

schwankt zwischen 0 und 1.fluctuates between 0 and 1.

Je größer die Steifigkeit c_S ist, desto schlechter wird die Aktuatoreffizienz, das heißt, desto mehr geht sie gegen 0.The greater the stiffness c _S , the worse the actuator efficiency, that is, the more it goes towards 0.

Genau die gleichen Gesetzmäßigkeiten gelten nicht nur für Translatoren, also Längsaktuatoren, sondern auch für Biegeaktuatoren.Exactly the same laws apply not only to translators, so Longitudinal actuators, but also for bending actuators.

Landeklappen von Flugzeugen sind sehr steife Bauteile, so dass bei ihnen genau diese Aktuatoreffizienz sehr schlecht wird. Es ist auch nicht einfach möglich, nun diese mangelhafte Effizienz einfach durch den Einsatz mehrerer Aktuatoren auszugleichen, da Aktuatormaterialien sich anders verhalten als der Rest der Struktur. Durch den Einsatz einer Vielzahl von Aktuatoren werden damit die Ei genschaften der Landeklappen insgesamt zu ihrem Nachtei verändert.Aircraft flaps are very rigid components, making them accurate this actuator efficiency becomes very bad. It's not easy, either this poor efficiency simply by using multiple actuators balance, since actuator materials behave differently than the rest of the Structure. By using a variety of actuators, the eggs are properties of the flaps changed to their disadvantage.

Die gleiche Problematik gilt natürlich für alle Bauteile, bei denen aufgrund ihrer hohen Steifigkeit Aktuatoren bisher nicht oder nur mit Nachteilen und Bedenken eingesetzt werden konnten.The same problem naturally applies to all components in which due to their High stiffness actuators so far not or only with disadvantages and concerns could be used.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil mit einem integrierten Ak tuator zu schaffen, das trotz dieser Problematik effektiv arbeitet.The invention has for its object a component with an integrated Ak to create a tuator that works effectively despite this problem.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst. Im Prin zip wird das Bauteil mit einer einseitigen Schwächung versehen. Diese Schwächung ist gezielt angeordnet und/oder ausgebildet. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.This object is achieved by the invention defined in claim 1. In the prin zip, the component is provided with a one-sided weakening. This Attenuation is specifically arranged and / or developed. Further training of the Invention are characterized in the dependent claims.

Mit einer derartigen Konzeption ist ein asymmetrisch wirkender Aktuator möglich. Das Bauelement wird zwischen zwei Befestigungspunkten, zum Beispiel Verschraubungen oder bei Fowlerklappen (Klappenstützpunkten) "Tracks" geschwächt, beispielsweise durch einen Einschnitt. Das Bauelement wird in den Holm der Klappe, das ist der spannweitige Längsträger, eingebaut. Dieser hat eine neutrale Faser. Der auf einer Seite der neutralen Faser des zu verformenden Bauelements infolge der Schwächung verbleibende Balken querschnitt wirkt als Biegefeder. Das dadurch entstehende Festkörpergelenk kann je nach Ausführungsform auf der Zugseite oder auch auf der Druckseite des Bauelementes ausgebildet werden. Der Aktuator wird jeweils auf der der so gebildeten Biegefeder gegenüberliegenden Balkenseite zur neutralen Faser angeordnet.With such a concept, an asymmetrically acting actuator is possible. The component is between two attachment points, for example Screw connections or "Fowler" flaps (flap support points) weakened, for example by an incision. The component is in the Spar of the flap, that is the spanned longitudinal beam, installed. This one has a neutral fiber. The one on one side of the neutral fiber of the deforming component due to the weakening of the remaining beams cross section acts as a spiral spring. The resulting solid-state joint can, depending on the embodiment, on the tension side or on the pressure side of the component are formed. The actuator is always on the so formed bending spring opposite the beam side to the neutral fiber arranged.

In Richtung der äußeren Belastung ist die Biegefestigkeit jetzt groß. In diesem Falle wirken nämlich die Steifigkeiten der Biegefeder und des Aktuators gemein sam.The bending strength is now great in the direction of the external load. In this This is because the stiffnesses of the spiral spring and the actuator act in common sam.

In Richtung der durch den Aktuator erfolgenden Krafteinleitung dagegen ist die Biegefestigkeit nur mehr gering, so dass die Aktuatoreffizienz groß wird.In contrast, in the direction of the force input by the actuator Bending strength is only low, so that the actuator efficiency is high.

Für den Falls eines Strukturversagens des Aktuators ist eine Sicherung nach dem fail-safe-Prinzip vorgesehen. Diese Sicherung kann beispielsweise die Form eines Anschlages haben, durch die ein Bruch des gesamten Bauelementes verhindert wird. Die Gestaltung dieses Anschlages sollte so erfolgen, dass sie auch bei einer entgegengesetzt zur Hauptbelastungsrichtung wirkenden Kraft eine Sicherungsfunktion übernehmen kann. Die Verbindung des Aktuators und der Struktur erfolgt kraftschlüssig, um eine Zugbelastung des Druckaktuators und eine Druckbelastung des Zugaktuators zu vermeiden.In the event of structural failure of the actuator, a fuse is required provided the fail-safe principle. This fuse can be, for example, the shape have a stop by which a break of the entire component is prevented. The design of this plot should be such that it even with a force acting opposite to the main load direction can perform a security function. The connection of the actuator and the structure is non-positively, in order to tensile load the pressure actuator and to avoid a pressure load on the train actuator.

Als Druckaktuatoren kommen zum Beispiel Piezo-Stapelaktuatoren (sog. Stacks), Hydraulikzylinder, elektrodynamische Aktuatoren und hydraulische ode elektrische Spindeltriebe in Frage.Piezo stack actuators (so-called. Stacks), hydraulic cylinders, electrodynamic actuators and hydraulic ode electric spindle drives in question.

Zugaktuatoren können dagegen bevorzugt durch Hydraulikzylinder, Spindeltriebe oder Drähte aus Formgedächtnislegierungen (sog. Shape-Memory-Alloys) realisiert werden.Train actuators, on the other hand, can preferably be operated by hydraulic cylinders or spindle drives or wires made from shape memory alloys (so-called shape memory alloys) will be realized.

Bezüglich der Hautanbindung wird dabei die Ausführungsform mit einem Zugaktuator bevorzugt. Hier kann die Haut über die gesamte Länge am Bauele ment befestigt werden, da die ertragbaren Dehnungen der Haut im Allgemeinen mindestens genauso groß sind wie die des als Biegebalken funktionierenden Bauelementes.With regard to the skin connection, the embodiment with a Train actuator preferred. Here the skin can be stretched over the entire length of the component be attached because the tolerable stretching of the skin in general are at least as large as the one that functions as a bending beam Component.

Bei der Ausführungsform mit einem Druckaktuator wird die gesamte Hautdeh nung ausschließlich im Bereich der Schwächung bzw. Aussparung oder des Ein schnittes im Bauelement, also im Biegebalken, aufgebracht. Das führt dazu, dass dieser Bereich sehr groß sein muss, damit die zulässige Dehnung der ela stischen Haut nicht überschritten wird.In the embodiment with a pressure actuator, the entire skin stretch only in the area of weakening or recessing or recessing cut in the component, i.e. in the bending beam, applied. This leads to, that this area must be very large so that the permissible elongation of the ela skin is not exceeded.

Alternativ dazu kann die Hautanbindung auch so erfolgen, dass ein Längsgleiten rechts und links der Aktuatoraussparung bzw. des Einschnittes ermöglicht wird. Auf diese Weise wird der Bereich, im dem eine Dehnung der Haut erfolgen kann, vergrößert, ohne dass ein Ablösen der Haut vom Bauelement bzw. Biegebalken erfolgt. As an alternative to this, the skin can also be connected in such a way that it slides longitudinally right and left of the actuator recess or the cut is made possible. In this way, the area where the skin can stretch is enlarges without detaching the skin from the component or bending beam he follows.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:In the following, several exemplary embodiments are described with reference to the drawings the invention, for example, explained in more detail. Show it:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung; FIG. 1 is a cross-section through a schematic representation of a first embodiment of the invention;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;2 shows a cross section through a schematic representation of a second embodiment of the invention.

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 is a cross-section through a schematic representation of a third embodiment of the invention;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Landeklappensystems eines Ver kehrsflugzeugs. Fig. 4 is a perspective view of a flap system of a United airliner.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein als Balkensegment für ein Flugzeug ausgebildetes Element 1. Balkensegment bedeutet in diesem Fall, dass das Bauelement 1 zwischen zwei Befestigungspunkten 2 und 3 einen Balken 4 aufweist, der zwischen diesen Befestigungspunkten angeordnet ist. An seiner Oberseite weist das Bauelement 1 ein Haut 5 auf, die das Bauelement 1 überspannt. Haut 5 und Balken 4 haben üblicherweise zusammen eine Biege steifigkeit C_s, wie sie der Struktur des Bauelementes angemessen ist. Das soweit beschriebene Bauelement 1 ist mit einer solchen einseitigen Schwächung 6, 61 versehen, dass sie nur noch einen Restbalken 7 aufweist und der verbleibende Restbalken 7 zusammen mit der Haut 5 als Biegefeder wirkt. Dadurch entsteht praktisch ein Bauelement 1 mit einem Festkörpergelenk. In dem Bereich der Schwächung 6 mit einer einseitigen Öffnung nach außen 61 ist ein in Längsrichtung des Bauelementes 1 wirkender Aktuator 8 eingefügt, der bei seiner Aktivierung gegen Seitenwände 9, 10 der Schwächung 6 drückt. Dadurch versucht der Aktuator diese Seitenwände auseinander zu drücken, wobei der Restbalken 7 als Festkörpergelenk wirkt. Der Balken 4 beinhaltet eine neutrale Faser 41, deren Verlauf die im Bereich der Schwächung 6 geändert ist. Bei der Biegung eines Bauteils (der Einfachheit halber wird im folgenden ein Balken betrachtet) entstehen auf der einen Seite (oben oder unten) Zug- und Druckspannungen. Wird ein horizontal liegender Balken nach oben gebogen (so wie der Holm einer Landeklappe unter Luftlast), so entstehen auf seiner Oberseite Druck- und auf der Unterseite Zugspannungen. Der Spannungsverlauf innerhalb des Balkens ist linear, d. h. die Zugspannungen der Unterseite gehen linear in die Druckspannungen der Oberseite über. Nach außen hin werden diese Beanspruchungen ggf. durch ein Knittern im Druckbereich und Querrisse im Zugbereich des Balkens sichtbar. Logischerweise muss innerhalb des Balkens ein Bereich existieren, in dem weder Druck- noch Zugspannungen vorhanden sind. Dieser Bereich heisst neutrale Faser. In einem dreidimensionalen Balken ist dieser spannungslose Bereich eine Ebene, nur bei einer 2D-Idealisierung kann man eigentlich von einer Faser sprechen. Handelt es sich um einen symmetrischen Balkenquerschnitt, so befindet sich die neutrale Faser in der Mitte des Profils, bei einem unsymmetrischen Querschnitt ist sie außermittig - zur biegesteiferen Querschnittseite hin verschoben. Fig. 1 shows a cross section through a segment formed as a bar for an aircraft element 1. In this case, the bar segment means that the component 1 has a bar 4 between two fastening points 2 and 3, which bar is arranged between these fastening points. The component 1 has a skin 5 on its upper side which spans the component 1 . Skin 5 and beam 4 usually have a bending stiffness C _s , as is appropriate to the structure of the component. The device 1 described so far is provided with such a one-sided weakening 6, 61, in that it has only one residue beam 7 and the remaining beams 7 cooperates with the skin 5 as a bending spring. This practically creates a component 1 with a solid body joint. In the area of the weakening 6 with a one-sided opening to the outside 61 , an actuator 8 is inserted which acts in the longitudinal direction of the component 1 and which, when activated, presses against side walls 9 , 10 of the weakening 6 . As a result, the actuator tries to push these side walls apart, the remaining beam 7 acting as a solid-state joint. The bar 4 contains a neutral fiber 41 , the course of which is changed in the area of the weakening 6 . When a component is bent (for the sake of simplicity, a bar is considered below), tensile and compressive stresses develop on one side (top or bottom). If a horizontally lying beam is bent upwards (like the spar of a flap under air load), compressive stresses arise on the upper side and tensile stresses on the lower side. The stress curve within the bar is linear, ie the tensile stresses on the underside merge linearly with the compressive stresses on the upper side. From the outside, these stresses may become visible through creasing in the pressure area and transverse cracks in the tension area of the beam. Logically, there must be an area within the bar in which there are no compressive or tensile stresses. This area is called neutral fiber. In a three-dimensional bar, this tension-free area is one level, only with a 2D idealization can one actually speak of a fiber. If the cross-section of the beam is symmetrical, the neutral fiber is in the middle of the profile; if the cross-section is asymmetrical, it is off-center - shifted towards the more rigid cross-sectional side.

Die Schwächung eines Bauelementes, in diesem Fall des Holmes, kann gezielt oder nicht gezielt erfolgen. Eine "nicht gezielte Schwächung" entsteht zum Beispiel durch das Versagen eines Holmteiles (Holmgurt oder Holmsteg) durch äußere Einwirkung (impact) oder Überbeanspruchung (Bruch, Reißen). Die Schwächung ist nicht beabsichtigt und wird auch bei der Auslegung eines Bau teils ausgeschlossen (entsprechende Dimensionierung!).The weakening of a component, in this case the spar, can be targeted or not done specifically. A "non-targeted weakening" arises on Example by failure of a spar part (spar strap or spar web) external impact or overuse (breakage, tearing). The Weakening is not intended and is also used when designing a building partly excluded (appropriate dimensioning!).

In Fig. 1 handelt es sich um eine "gezielte Schwächung", die auch in der Aus legung des Holms berücksichtigt wird. Der Holm wird im Druckbereich (bei einer Landeklappe auf der oberen Seite) mit einem Schlitz versehen. Dieser reicht hin unter bis zur neutralen Faser 41, d. h. bei einem symmetrischen Holm bis zur Mitte. Der Schlitz wird nachträglich in den Holm eingebracht, da eine Fertigung des Holmes mit einem Schlitz erheblich aufwendiger ist - daher "gezielte Schwä chung".In Fig. 1 it is a "targeted weakening", which is also taken into account in the design of the spar. The spar is provided with a slot in the pressure area (with a flap on the upper side). This extends down to the neutral fiber 41 , ie in the case of a symmetrical spar to the middle. The slot is retrofitted into the spar, since it is considerably more complex to manufacture the spar with a slot - hence "targeted weakening".

Der Aktuator 8 ist im Bereich der Schwächung 6 zwischen der fiktiven neutralen Faser 41 und dem einseitigen Schlitz 61 der Schwächung 6 angeordnet. Die Biegesteifigkeit des Bauelements nach außen, also in Richtung der äußeren Belastung, ist groß, da in diesem Fall die Steifigkeiten des Restbalkens 7, also der Biegefeder, und des Aktuators 8 gemeinsam wirken. Die Wirksamkeit des Aktuators 8 ist um so größer, je länger sein Hebelarm bezüglich des Restbalkens 7 ist. Die Unterbringung des Aktuators 8 erfolgt daher auf der der Biegefeder gegenüberliegenden Balkenseite. Für den Fall eines Strukturversa gens des Aktuators 8 ist eine Sicherung 11 in Form eines Anschlages vorgese hen, durch die Bruch des Balkens 4 bzw. des Restbalkens 7 verhindert wird, wodurch das sogenannte fail-safe-Prinzip angewendet wird. Der Anschlag 11 ist so ausgebildet, dass er auch bei einer entgegengesetzt zur Hauptbelastungs richtung wirkenden Kraft eine Sicherungsfunktion übernehmen kann. Die Verbin dung des Aktuators 8 und der Struktur des Bauelementes 1 ist kraftschlüssig, um eine Zugbelastung des Druckaktuators 8 zu vermeiden. Als Druckaktuatoren 8 kommen Piezo-Stapelaktuatoren (sogenannte Stacks), Hydraulikzylinder, elek trodynamische Aktuatoren und hydraulische oder elektrische Spindeltriebe in Frage. Der Anschlag 11 wirkt in beiden Seiten, weil er doppelseitig ausgebildet ist. Das geschieht dadurch, dass der durch den Schlitz 61 gebildete Rest des auf dieser Seite der neutralen Faser 41 liegenden Balkens 4 eine Nut 42 und einen hakenförmigen Vorsprung 43 aufweist, wohingegen aus der Seitenwand 10 ein hakenförmiger Vorsprung 44 vorsteht, der in die Nut 42 eingreift. Es ist unschwer zu erkennen, dass bei einer übermäßigen Biegung des Bauelements 1 um den Restbalken 7 das eine hakenförmige Teil gegen die Wandung 10 und das aus der Wandung 10 hervorstehende Hakenteil 44 gegen die Wandung der Nut 42 stößt. Bei Biegung des Bauelementes 1 um den Restbalken 7 in der anderen Richtung verhaken sich die beiden Haken 43 der Nut 42 und 44 des Vorsprungs aus der Wandung 10 gegeneinander.The actuator 8 is arranged in the region of the weakening 6 between the fictitious neutral fiber 41 and the one-sided slot 61 of the weakening 6 . The bending stiffness of the component to the outside, that is to say in the direction of the external load, is great, since in this case the stiffnesses of the remaining beam 7 , that is to say the spiral spring, and of the actuator 8 act together. The effectiveness of the actuator 8 is greater the longer its lever arm is with respect to the remaining beam 7 . The actuator 8 is therefore accommodated on the side of the bar opposite the spiral spring. In the event of structural failure of the actuator 8 , a fuse 11 in the form of a stop is provided, preventing the breakage of the beam 4 or the remaining beam 7 , as a result of which the so-called fail-safe principle is applied. The stop 11 is designed in such a way that it can also take on a safety function when the force acting in the opposite direction to the main load direction. The Verbin extension of the actuator 8 and the structure of the device 1 is non-positively to a tensile load of Druckaktuators to avoid. 8 Piezo stack actuators (so-called stacks), hydraulic cylinders, elec trodynamic actuators and hydraulic or electric spindle drives come into question as pressure actuators 8 . The stop 11 acts on both sides because it is double-sided. This is done by the fact that the rest of the beam 4 lying on this side of the neutral fiber 41 formed by the slot 61 has a groove 42 and a hook-shaped projection 43 , whereas a hook-shaped projection 44 projects from the side wall 10 and engages in the groove 42 , It is not difficult to see that if the component 1 bends excessively around the remaining beam 7, the one hook-shaped part abuts against the wall 10 and the hook part 44 protruding from the wall 10 against the wall of the groove 42 . When the component 1 bends around the remaining beam 7 in the other direction, the two hooks 43 of the groove 42 and 44 of the projection from the wall 10 interlock.

Fig. 2 zeigt einen andere Ausführungsform der Erfindung mit einem Bauele ment 1, bei dem der Aktuator 8 als Zugaktuator ausgebildet ist und in den beiden Teilen des Balkens 4 kraftschlüssig eingesetzt ist. Bei diesem Zugaktuator 8 ist der Restbalken 7 von der Haut 5 bedeckt, wohingegen der Zugaktuator 8 auf der der Biegefeder 7 gegenüberliegenden Seite der neutralen Faser 41 im Bereich der Schwächung 6 angeordnet ist. Auch der Anschlag 11 mit seinen hakenförmigen Vorsprüngen ist auf der der Biegefeder gegenüberliegenden Seite der Schwächung 6 angeordnet. Auch in Fig. 2 ist die Verbindung von Aktuator 8 mit der Struktur des Bauelementes 1 kraftschlüssig, um eine Druckbelastung des Zugaktuators 8 zu vermeiden. Zugaktuatoren können durch Hydraulikzylinder, Spindeltriebe oder Drähte aus Formgedächtnislegierungen (SMA) realisiert wer den. Bezüglich der Hautanbindung 5 an das Bauelement 1 ist die Ausführungs form mit dem Zugaktuator 8 günstiger. Hier kann nämlich die Haut 5 über die gesamte Länge am Balken 4 befestigt werden, da die ertragbaren Dehnungen der Haut im Allgemeinen mindestens so groß sind wie die des Biegebalkens 7. Bei der Ausführungsform mit Druckaktuator 8 wird die gesamte Hautdehnung ausschließlich im Bereich der Aussparung im Balken 7 aufgebracht. Das führt dazu, dass dieser Bereich sehr groß sein muss, damit die zulässige Dehnung der Haut nicht überschritten wird. Alternativ kann die Hautanbindung auch so erfolgen, dass eine Längsgleiten rechts und links der Aktuatoraussparung er möglicht wird. Auf diese Weise wird der Bereich, in dem eine Dehnung der Haut erfolgen kann, vergrößert, ohne dass ein Ablösen der Haut vom Biegebalken 7 erfolgt. Fig. 2 shows another embodiment of the invention with a component 1 , in which the actuator 8 is designed as a pull actuator and is non-positively inserted in the two parts of the beam 4 . In this tension actuator 8 , the remaining beam 7 is covered by the skin 5 , whereas the tension actuator 8 is arranged on the side of the neutral fiber 41 opposite the spiral spring 7 in the region of the weakening 6 . The stop 11 with its hook-shaped projections is also arranged on the side of the weakening 6 opposite the spiral spring. Also in Fig. 2, the compound of the actuator 8 with the structure of the device 1 is non-positively to a compressive load of Zugaktuators to avoid 8. Tension actuators can be implemented using hydraulic cylinders, spindle drives or wires made from shape memory alloys (SMA). With regard to the skin connection 5 to the component 1 , the embodiment with the pull actuator 8 is cheaper. This is because the skin 5 can be attached to the beam 4 over the entire length, since the tolerable expansions of the skin are generally at least as great as that of the bending beam 7 . In the embodiment with pressure actuator 8 , the entire skin stretch is applied exclusively in the area of the recess in bar 7 . This means that this area must be very large so that the permissible stretch of the skin is not exceeded. Alternatively, the skin connection can also be made so that longitudinal sliding to the right and left of the actuator recess is possible. In this way, the area in which the skin can be stretched is enlarged without the skin being detached from the bending beam 7 .

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die - wie Fig. 1 - sich eines Druckaktuators 8 bedient. In Fig. 3 ist ein aktives Balkensegment mit einem ein Piezo-Stapelelement aufweisenden Aktuator 8 dargestellt. Mit einem solchen Piezo-Stapelaktuator 8 kann die Aus führungsform gemäß Fig. 1 noch einmal unterteilt werden. Ein solcher Piezo- Stapelaktuator ist beidseitig mit einer Stützfederung 12, 13 versehen. Die Bela stung des Bauelementes 1 in Fig. 3 ist durch den Pfeil 14 neben dem Bauele ment angedeutet. Die Stützfeder 13 in Fig. 3 ist sehr steif ausgeführt und dient bei hohen äußeren Belastungen zur Entlastung des Aktuators 8. Der Aktuator 8 ist zu diesem Zweck so ausgelegt, dass er bei hinreichender Festigkeit im Be triebslastfall die erforderlichen Verformungen erzeugen kann. Die Stützfeder 13 dient somit nur im Maximal-Lastfall zur Entlastung des Aktuators. Die beiden Stützfedern 12, 13 sind in Fig. 3a im Detail dargestellt. In Fig. 3 besteht der Restquerschnitt (Biegefeder) nur noch aus dem im oberen Balkenrand zu se henden, in der Skizze ca. 5 mm breiten Balkenrest. Der Balken ist an dieser Stelle also entsprechend geschwächt. Der Schlitz (61) ist die lange Doppellinie, ca. 5 mm vom oberen Balkenrand entfernt (in der Skizze), die direkt rechts am Aktuator vorbei bis zum unteren Balkenrand geht. Der Aktuator stützt sich über diesen Schlitz hinweg am anderen Balkenende ab. FIG. 3 shows a schematic illustration of a third embodiment of the invention, which - like FIG. 1 - uses a pressure actuator 8 . In Fig. 3, an active bar segment with a one piezo-stack having actuator 8 is illustrated. With such a piezo stack actuator 8 , the embodiment from FIG. 1 can be subdivided again. Such a piezo stack actuator is provided on both sides with a support spring 12 , 13 . The loading of the component 1 in FIG. 3 is indicated by the arrow 14 next to the component. The support spring 13 in FIG. 3 is made very rigid and serves to relieve the actuator 8 at high external loads. The actuator 8 is designed for this purpose so that it can generate the required deformations with sufficient strength in the operating load case. The support spring 13 thus only serves to relieve the actuator in the maximum load case. The two support springs 12 , 13 are shown in detail in Fig. 3a. In Fig. 3, the remaining cross-section (spiral spring) consists only of the left in the upper bar edge, in the sketch about 5 mm wide bar rest. The bar is weakened accordingly at this point. The slot ( 61 ) is the long double line, approx. 5 mm from the upper bar edge (in the sketch), which goes right past the actuator to the lower bar edge. The actuator is supported on this slot at the other end of the beam.

In Fig. 3b sind die beiden Stützfedern 12, 13 durch ein Vorspannfeder gehäuse 15 dargestellt. In diesem Gehäuse ist eine weiche Vorspannfeder 16 angeordnet, die fest mit den beiden Strukturteilen 17 und 18 verbunden ist. Sie erzeugt aufgrund ihrer Vorspannung ein der äußeren Belastung entgegen wirkendes Moment. Durch das Vorspannfedergehäuse 15 wird im Fall fehlender äußerer Belastung die Verformung begrenzt. Der durch die Vorspannfeder 16 entlastete Aktuator 8 ist hierbei so ausgelegt, dass er bei hinreichender Festigkeit die erforderlichen Verformungen erzeugen kann. Da sich die Steifigkeit der Vorspannfeder zur Steifigkeit der weichen Biegefeder addiert, ist darauf zu achten, dass jene besonders weich ausgeführt, oder dass beide aufeinander abgestimmt werden. In Fig. 3b, the two support springs 12 , 13 are shown by a biasing spring housing 15 . In this housing a soft bias spring 16 is arranged, which is firmly connected to the two structural parts 17 and 18 . Due to its preload, it generates a moment that counteracts the external load. The deformation is limited by the preload spring housing 15 in the event of a lack of external load. The actuator 8 , which is relieved by the biasing spring 16 , is designed in such a way that it can generate the required deformations with sufficient strength. Since the stiffness of the pretensioning spring is added to the stiffness of the soft spiral spring, it must be ensured that it is particularly soft, or that both are matched to one another.

Neben einer Aktuatorik für Biegeverformungen sind in ähnlicher Form auch Aktuatoren für andere Verformungsarten wie zum Beispiel Torsion oder eine Kombination von Biegeverformung und Torsion denkbar. Die Federn können mit verschiedenen Kennlinien, nämlich linear, degressiv oder progressiv, ausgeführt werden. Ein aktives Balkensegment, das heißt ein Balkensegment mit Aktuator, kann als selbständige Baueinheit ausgebildet werden, das mit Struktureinheiten eines Flugzeuges wie Landeklappen, Flügel usw. eingesetzt werden kann. Da bei der Verwendung eines Piezo-Stapelaktuators eine Druckvorspannung vorzusehen ist, kann in diesem Fall der Anschlag 11 entfallen, wenn das Aktuatorgehäuse die Aufgaben des Anschlages übernimmt. Die Steifigkeit des Gehäuses muss in diesem Falle genauso groß sein wie die Steifigkeitsverminderung aufgrund des Ausschnittes. Der Wirkungsgrad, des Piezo-Aktuators 8 beträgt mit dieser Vorspannung noch 50 bis 60%. Bei einem Zugaktuator ist der Anschlag unerlässlich.In addition to an actuator system for bending deformations, actuators for other types of deformation such as torsion or a combination of bending deformation and torsion are also conceivable. The springs can be designed with different characteristics, namely linear, degressive or progressive. An active bar segment, that is to say a bar segment with an actuator, can be designed as an independent structural unit that can be used with structural units of an aircraft, such as flaps, wings, etc. Since a pressure preload must be provided when using a piezo stack actuator, the stop 11 can be omitted in this case if the actuator housing takes over the tasks of the stop. In this case, the rigidity of the housing must be the same as the reduction in rigidity due to the cutout. The efficiency of the piezo actuator 8 with this bias is still 50 to 60%. With a train actuator, the stop is essential.

Die Bauelemente in den Fig. 3a und 3b stellen den eigentlichen, vorgespannten Aktuator dar - das massive Teil in der Mitte ist der Piezostack, und die Federn oben und unten dienen zur Vorspannung desselben. Am linken Ende ist der Aktuator fest mit der Holmstruktur verbunden. Das rechte Ende stützt sich über den Schlitz an der Holmstruktur ab und verbiegt beim Ausdehnen auf diese Art und Weise den Holmrestquerschnitt (Biegefeder).The components in FIGS . 3a and 3b represent the actual, preloaded actuator - the solid part in the middle is the piezo stack, and the springs at the top and bottom serve to preload it. At the left end, the actuator is firmly connected to the spar structure. The right end is supported by the slot on the spar structure and in this way bends the remaining spar cross-section (spiral spring) when expanding.

Die gezielte Schwächung (Schlitz) ist hier vertikal rechts des Aktuators 8 und horizontal oberhalb des Aktuators angeordnet. Die Biegung erfolgt daher in die sem Falle am linken Rand der Biegefeder 7. Die Schwächung geschah über die neutrale Faser des Holmes hinweg (vorausgesetzt es handelt sich um einen symmetrischen Querschnitt, die neutrale Faser des Restquerschnittes (Biege feder) befindet sich in dessen Mitte.The targeted weakening (slot) is arranged here vertically to the right of the actuator 8 and horizontally above the actuator. The bending therefore takes place in this case on the left edge of the spiral spring 7 . The weakening took place across the neutral fiber of the spar (provided it is a symmetrical cross-section, the neutral fiber of the remaining cross-section (bending spring) is in the middle of it.

Die Stärke der Federn (Federkonstante) hängt von der zu erwartenden Bela stung und dem eigentlichen Piezoaktuator (Stack) ab. Die Federn sind zur Druck-Vorspannung des Piezoaktuators erforderlich, da dieser auf keinen Fall auf Zug beansprucht werden darf. The strength of the springs (spring constant) depends on the expected Bela and the actual piezo actuator (stack). The feathers are Pressure pre-tensioning of the piezo actuator is required, since this is not the case can be claimed on train.

Einsatzorte für die soweit beschriebene Erfindung sind alle aktiven Systeme mit einer dominanten Belastungsrichtung, bei denen der Einsatz einer als Baueinheit ausgeführten Aktuatorik mit hoher Steifigkeit und großem Verformungspotential Sinn macht.All active systems are used for the invention described so far a dominant load direction in which the use of an as Actuators with high rigidity and great design Deformation potential makes sense.

Fig. 4 zeigt die perspektivische Darstellung eines Landeklappensystems eines Verkehrsflugzeuges, bei dem eine Klappenstruktur mit kontrollierbarer Deformation als adaptive Biegesteifeklappe vorgesehen ist. Die ausfahrbaren Landeklappensysteme (Fowlerklappen) moderner Verkehrsflugzeuge unterliegen im ausgefahrenen Zustand einer besonderen Beanspruchung. Neben den aerodynamischen Luftlasten, die sich je nach eingestellter Klappenposition ändern, treten auch Manöverlasten auf, die zu einer elastischen Verformung (Biegung und Torsion) der Klappe beitragen. Aus aerodynamischer Sicht werden an das Verformungsverhalten der Klappen besondere Anforderungen gestellt, denen strukturmechanisch durch die Anordnung und Anzahl der Tracks (Klappenstützpunkte) Rechnung getragen werden muss. Durch Verwendung der in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Erfindung lässt sich ein integriertes multifunktionales Aktuatorsegment entwickeln, mit dem die strukturelle Steifigkeit der Klappe virtuell erhöht werden kann, um dadurch die Anzahl der notwendigen Stützstellen (Tracks) auf ein Minimum zu reduzieren. Das beschriebene Bauelement ist im Holm 19 der äußeren Fowlerklappe 20 eingebaut. Die betreffende Klappe 20 ist in Fig. 4 ausgefahren und schraffiert dargestellt (ganz links unten im Bild, an der Flügelhinterkante). Im Moment ist sie auf drei Klappenstützpunkten 21, 22, 23 (Tracks) gelagert, wie in Fig. 4 zu sehen ist. Es ist nun geplant, dass der mittlere Klappenstützpunkt 22 entfernt wird. Um auch weiterhin die gewünschte Verformung zu erhalten, ist der Einsatz des besagten Bauelementes 1 an der Stelle des mittleren Tracks 22 geplant. Dieses Bauelement 1 wird in den Holm 19 (spannweitiger Längsträger) der Klappe 20 eingebaut und sorgt dort für die gewünschte Biegeverformung. Das Bauelement 1 wird in den in Spannweitenrichtung laufenden Holm 19 eingebaut und verformt die Klappe 20 auch in Spannweitenrichtung. Ziel ist es, dass sich die Klappe 20 genauso verbiegt wie der eigentliche Flügel 17 (qualitativ und quantitativ). Mit Hilfe dieser integrierten Aktuatorik 1 ist die Möglichkeit gegeben, unerwünschte Biegeverformungen zu kompensieren. Hierdurch kann die Klappenverformung, das heißt die Verschiebungen der Klappenvorderkante, derart an die Hauptflügelhinterkantenverformung angepasst werden, dass sich ein aus aerodynamischer Sicht optimaler Spalt einstellt. Durch den Einsatz eines solchen Aktuatorsegmentes 1 ist es zugleich möglich, die durch wechselnde Luftkräfte verursachten Klappenvibrationen aktiv zu mindern. Der Einsatz eines solchen Aktuatorsegmentes 1 ist zudem an allen Steuerflächen eines Flugzeuges mit ähnlicher Problemstellung denkbar. Der Einsatz eines solchen Aktuatorsegmentes ist im Besonderen auch in der Vorderkantenklappe 18 (auch Vorflügel genannt) möglich. Der Aktuator 8 kann aus Piezokeramik bestehen. Dieser braucht eine elektrische Spannung zum Arbeiten, welche über eine entsprechende flexible Zuleitung (Kabel) eingespeist wird. Auch der Einsatz eines Aktuators aus Formgedächtnislegierung (ebenfalls Stromzufuhr erforderlich) oder ein Hydraulikaktuator (Hydraulikleitung) wäre denkbar. Beide Energieversorgungen haben Vor- und Nachteile. Der Hydraulikaktuator selber kann nur sehr begrenzt für eine dynamische Anregung verwendet werden, die Versorgung mit Hydraulikdruck ist aufgrund des sowieso vorhandenen Hydrauliksystems im Flugzeug jedoch kein Problem. Der Piezoaktuator braucht entsprechende Verstärker zur Ansteuerung. Diese bedeuten auch Mehrgewicht und Mehrkosten, der Aktuator selber hat aber vom Einsatzspektrum her gewisse Vorteile. FIG. 4 shows the perspective illustration of a landing flap system of a commercial aircraft, in which a flap structure with controllable deformation is provided as an adaptive rigid flap. The extendable flap systems (Fowler flaps) of modern commercial aircraft are subject to special stress when extended. In addition to the aerodynamic air loads, which change depending on the set damper position, there are also maneuver loads that contribute to elastic deformation (bending and torsion) of the damper. From an aerodynamic point of view, special demands are placed on the deformation behavior of the flaps, which must be taken into account structurally by the arrangement and number of tracks (flap support points). By using the invention described in FIGS. 1 to 3, an integrated multifunctional actuator segment can be developed, with which the structural rigidity of the flap can be virtually increased, in order to thereby reduce the number of necessary support points (tracks) to a minimum. The component described is installed in the spar 19 of the outer Fowler flap 20 . The flap 20 in question is extended and hatched in FIG. 4 (far left in the picture, on the trailing edge of the wing). At the moment it is supported on three flap support points 21 , 22 , 23 (tracks), as can be seen in FIG. 4. It is now planned that the middle flap support point 22 be removed. In order to continue to obtain the desired deformation, the use of said component 1 at the location of the middle track 22 is planned. This component 1 is installed in the spar 19 (spanned longitudinal beam) of the flap 20 and provides the desired bending deformation there. The component 1 is installed in the spar 19 running in the span direction and also deforms the flap 20 in the span direction. The aim is that the flap 20 bends in the same way as the actual wing 17 (qualitatively and quantitatively). With the help of this integrated actuator system 1, it is possible to compensate for undesired bending deformations. As a result, the flap deformation, that is to say the displacements of the flap leading edge, can be adapted to the main wing trailing edge deformation in such a way that an optimal gap is established from an aerodynamic point of view. By using such an actuator segment 1 , it is also possible to actively reduce the flap vibrations caused by changing air forces. The use of such an actuator segment 1 is also conceivable on all control surfaces of an aircraft with a similar problem. The use of such an actuator segment is also possible in particular in the leading edge flap 18 (also called slat). The actuator 8 can consist of piezoceramic. This requires an electrical voltage to work, which is fed in via a corresponding flexible supply line (cable). It would also be conceivable to use an actuator made of shape memory alloy (also requires power supply) or a hydraulic actuator (hydraulic line). Both energy supplies have advantages and disadvantages. The hydraulic actuator itself can only be used to a very limited extent for dynamic excitation, but the supply of hydraulic pressure is not a problem due to the hydraulic system that is present anyway in the aircraft. The piezo actuator needs appropriate amplifiers for control. These also mean additional weight and additional costs, but the actuator itself has certain advantages from the range of applications.

Grundsätzlich sind alle Anwendungen, bei denen es auf eine Verbiegung an kommt, für den Einsatz dieses Bauelementes 1 geeignet. Vorteilhaft ist aller dings eine primär einseitig wirkende Kraft, da die Biegefeder einseitig angeord net ist. Ein solcher Einsatzbereich wären z. B. Schalter jeglicher Art.In principle, all applications in which bending is important are suitable for the use of this component 1 . However, a primary one-sided force is advantageous, since the spiral spring is net arranged on one side. Such an area of application would be e.g. B. switches of any kind.

Grundsätzlich müssen die Bauteile keine standardisierten Abmessungen haben, da die individuell an das vorhandene Problem angepasst werden. Es ist aber durchaus denkbar und möglich, Standardabmessungen für gewisse Einsatzbe reiche vorzusehen. Basically, the components do not have to have standardized dimensions, because they are individually adapted to the existing problem. But it is quite conceivable and possible, standard dimensions for certain applications to provide rich.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Bauelement
module

22

, .

33

Befestigungspunkte
attachment points

44

Balken
bar

55

Haut
skin

66

Schwächung
weakening

6161

Schlitz
slot

77

Restbalken
rest bar

88th

Aktuator
actuator

99

, .

1010

Seitenwände (der Schwächung)
Side walls (of weakening)

1111

Sicherung, anschlag
Securing, stop

1212

Stützfeder
support spring

1313

Stützfeder
support spring

1414

Pfeil
arrow

1515

Gehäuse (Vorspannfeder)
Housing (preload spring)

1616

Vorspannfeder
biasing spring

1717

Hauptflügel
main wing

1818

Vorflügel
vane

1919

Holm der Klappe Spar of the flap

2020

Klappe
flap

2121

Klappenstützpunkt (Track)
Flap base (track)

2222

Klappenstützpunkt
base flap

2323

Klappenstützpunkt
base flap

4141

neutrale Faser
neutral fiber

4242

Nut
groove

4343

hakenförmiger Vorsprung
hook-shaped projection

4444

Vorsprung (Hakenteil)
Projection (hook part)

Claims

1. Component with controllable deformation, characterized in that a one-sided, targeted weakening ( 6 , 61 ) between two fastening points ( 2 , 3 ) and an integrated actuator ( 8 ) in the region of the weakening ( 6 , 61 ) are provided.

2. Component according to claim 1, characterized in that the weakening is an incision ( 61 ).

3. Component according to claim 1 or claim 2, characterized in that the actuator ( 8 ) arranged in the region of the weakening ( 6 , 61 ) on the side (9, 10) of the weakening ( 6 ) lying perpendicular to the neutral fiber ( 41 ) Exerts pressure or tension.

4. Component according to one of claims 1 to 3, characterized in that the actuator ( 8 ) in the region of the weakening ( 6 ) is arranged laterally of the neutral fiber ( 41 ), which is opposite to the bending spring ( 7 ) formed by the weakening.

5. The component according to one of claims 1 to 4, characterized in that a fuse ( 11 ) is provided in the side of the weakening ( 6 ) opposite the bending spring ( 7 ), which becomes effective when the actuator ( 8 ) fails and essentially replaced its stiffness.

6. The component according to claim 5, characterized in that the fuse ( 11 ) is a stop.

7. Component according to one of claims 1 to 6, characterized in that the actuator efficiency due to a low rigidity of the component ( 1 ) due to the weakening ( 6 , 61 ) and by the distance of the integrated actuator ( 8 ) from the neutral fiber ( 41 ) is increased on the side facing away from the spiral spring ( 7 ).

8. Component according to one of claims 1 to 7, characterized in that it is provided with a skin on the opposite side of the spiral spring ( 7 ), protected to form the weakness, and that the actuator between this side surface and the neutral fiber ( 41 ) is arranged and designed as a pressure actuator.

9. The component according to claims 1 to 7, characterized in that it is provided on the side of the spiral spring ( 7 ) with a skin ( 5 ), and that the actuator ( 8 ) between the side surface of the skin ( 5 ) and the neutral fiber ( 41 ) and is designed as a pull actuator.

10. The component according to one of claims 1 to 9, characterized in that the actuator ( 8 ) is assigned one or more support springs for biasing.

11. The component according to claim 10, characterized in that the actuator ( 8 ) and support spring are dimensioned such that the support spring relieves the actuator ( 8 ) in the maximum load case.

12. The component according to claim 11, characterized in that the support spring is designed as a housing for a soft biasing spring and that the length of the housing is less than the length of the actuator ( 8 ).

13. Airplane with a component according to one of claims 1 to 12, characterized in that the component ( 1 ) is inserted in the longitudinal direction of the wing.

14. Airplane with a component according to one of claims 1 to 12, characterized in that the component ( 1 ) can be used transversely to the longitudinal direction of the wing.

15. Airplane with a component according to one of claims 1 to 12, characterized in that the component ( 1 ) can be inserted into a flap.

16. Airplane according to claim 15, characterized in that the component ( 1 ) is inserted into a spar of an outer Fowler flap.

17. Airplane according to claim 16, characterized in that the component ( 1 ) is inserted in the spar running in the span direction.

18. Airplane according to claim 17, characterized in
that the component ( 1 ) is arranged at a valve with several valve support points at the location of a central valve support point, and
that this valve base is replaced by the component.