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CN114286746A - 生成拉压杆的确闭锁紧负载施加的方法和拉压杆 - Google Patents

生成拉压杆的确闭锁紧负载施加的方法和拉压杆 Download PDF

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CN114286746A CN202080059677.6A CN202080059677A CN114286746A CN 114286746 A CN114286746 A CN 114286746A CN 202080059677 A CN202080059677 A CN 202080059677A CN 114286746 A CN114286746 A CN 114286746A
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Albany Engineered Composites Inc
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Abstract

本发明涉及一种通过纤维塑料中空结构(2)借助于外套筒(5)生成拉压杆的确闭锁紧负载施加的方法。在该过程中，力将纤维塑料中空结构(2)至少部分地推到至少一个施力元件(3)上，施力元件(3)设置有底切(6)以形成确闭锁紧连接。该方法还包括至少在施力元件的底切的区域将纤维塑料中空结构局部加热至纤维塑料中空结构的可塑性点，并且在施力元件的区域将至少一个外套筒(5)施加至纤维塑料中空结构。

Description

生成拉压杆的确闭锁紧负载施加的方法和拉压杆
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年9月5日提交的德国申请No.DE10 2019 006 280.9根据35 USC§119的优先权。通过引用的方式将上述申请的全部公开内容合并于此。
技术领域
本发明涉及生成杆状纤维复合结构的确闭锁紧负载施加的方法，并且涉及具有确闭锁紧连接的拉力杆。
背景技术
在航空航天工业中杆状纤维复合结构或拉压杆的竞争力主要取决于其重量、其制造成本、其在冲击破坏情况下的性能，以及其抗弯阻力及其抗拉强度。这些部件主要基于热固性基体结合高性能碳纤维生产。使用热塑性基体结合用于产生确闭锁紧力施加的适合工艺可以降低拉压杆的制造成本。另外，热塑性基体的使用可以积极地影响冲击破坏之后的残留强度。
已知用于生成具有热塑性基体的杆状纤维复合结构的确闭锁紧负载施加的方法的多种方案。
专利DE10 2010 053732 A1涉及用于机动车辆的扭力杆或平衡杆及其制造方法。平衡杆的特征在于弯曲的、基本上环形的部件。该部件由具有热塑性基体的纤维加强塑料制成。在其至少一个端部处，环形部件与第二金属部件搭接。在该设计中，环形部件的材料以确闭锁紧方式连接至第二部件。确闭锁紧通过编织或卷绕第二部件实现。
文件DE 10 2014 00458 A1描述了通过负载施加元件和具有热塑性基体材料的纤维塑料复合中空型体生产结构元件的方法和结构元件。该方法包括以下步骤：将设置有至少一个底切的负载施加元件插入纤维塑料复合中空型体；在负载施加元件的底切的区域对型体局部加热至型体变形；将型体放置在模具中，其中上述方法步骤可以选择性地按照不同顺序实施；将可流动的注塑配混料在底切的区域注入模具中的可变形型体上。
其缺点在于使用适用于大批量生产的注塑成型方法。由于使用注塑成型方法及其必要的模具，制造成本更高，尤其对于小批量产品。
DE 10 2014 119732 A1描述了用于编制柔性铃线和具有包裹编织层的铃线。铃线包括由纤维复合材料制造的编织层的载体。编织层的载体的机体由至少一个热塑性塑料构成。编织层的载体通过热塑性基体的熔化或熔融整体固定至铃线的端部。编织层的载体通过压制，尤其通过磁力成形固定至铃线的端部。
其缺点在于将磁力成形的原理用于整体连接的压制。
发明内容
在一些实施方式中，本发明涉及一种生成拉压杆的确闭锁紧负载施加的方法。该方法包括将纤维塑料中空结构至少部分地推到至少一个施力元件上，其中施力元件具有至少一个底切，以产生纤维塑料中空结构与施力元件之间的确闭锁紧连接。该方法还包括对所述纤维塑料中空结构局部加热至纤维塑料中空结构的可塑性点。至少在所述施力元件的底切的区域加热。本发明还包括在所述施力元件的区域将至少一个外套筒施加至所述纤维塑料中空结构。
在一些实施方式中，所述外套筒包括塑料基体材料制成。在具体的实施方式中，通过在所述施力元件中的底切的区域使用所述塑性基体材料卷绕所述纤维塑料中空结构，实现对塑性外套筒的施加。所述纤维塑料中空结构以确闭锁紧方式接触所述施力元件的底切。
在一些实施方式中，外套筒是纤维加强塑料，并且所述纤维加强塑料包括在热塑性基体材料或热固性基体材料中预先浸渍的纤维或者在纤维塑料中空结构的卷绕的过程中浸渍热塑性基体材料或热固性基体材料的纤维，并且所述基体材料在预加载条件下缠绕。
在一些实施方式中，所述外套筒是金属的。在具体的实施方式中，所述金属外套筒的施加通过成形实现。所述纤维塑料中空结构以确闭锁紧方式接触所述施力元件的底切。在另外的实施方式中，所述金属外套筒通过磁力成形、压制工艺或者液压成形形成。
在一些实施方式中，所述施力元件的底切沿着关于所述纤维塑性中空结构的轴向方向和/或径向方向形成。
在其他实施方式中，根据本发明，所述外套筒是纤维加强的，并且所述纤维加强的外套筒中的纤维主要定向成沿着关于所述拉压杆的轴线的圆周方向。
在其他实施方式中，本发明涉及一种拉压杆，包括纤维塑料中空结构、具有底切的施力元件和外套筒，其中所述纤维塑料中空结构以确闭锁紧方式接触所述施力元件的底切。所述外套筒接触所述纤维塑料中空结构，并且所述纤维塑料中空结构的纤维定向主要沿着轴向方向。
在一些实施方式中，通过所述施力元件与所述纤维塑料中空结构之间借助于所述施力元件中的至少一个底切的确闭锁紧实现拉力负载。
在一些实施方式中，通过所述施力元件与所述纤维塑料中空结构之间借助于所述施力元件中的至少一个底切的确闭锁紧实现压力负载。
在其他实施方式中，通过支撑在所述施力元件的肩部的所述纤维塑料中空结构实现压力负载。
在一些实施方式中，所述纤维塑料中空结构包括热塑性基体材料。
在一些实施方式中，所述施力元件由塑料、短纤维加强塑料或者金属材料制成。在另一些实施方式中，所述施力元件包括螺纹。
在一些实施方式中，所述拉压杆的外套筒包括纤维加强塑料，其中所述塑料是热固性基体材料或者热塑性基体材料。在其他实施方式中，所述外套筒是金属材料。在另一些实施方式中，所述外套筒是由至少一个片层制成的纤维塑料复合匝。
在一些实施方式中，所述纤维塑料中空结构包括碳纤维、玻璃纤维和/或芳纶纤维。在其他实施方式中，纤维加强塑料的外套筒包括碳纤维、玻璃纤维和/或芳纶纤维。
附图说明
图1示出了由热塑性纤维塑料复合中空结构(2)、具有底切(6)且具有内螺纹(4)的施力元件(3)和外套筒(5)的横截面视图。
图2a示出了未变形的纤维塑料复合中空结构(2)、具有底切(6)的施力元件(3)、对其中插入具有底切(6)的施力元件(3)的纤维加强中空型体(2)的加热的横截面视图。
图2b示出了通过图2a中施加的热量而部分变形的纤维塑料复合中空结构、具有底切(6)的施力元件(3)、确闭锁紧接触的纤维塑料复合匝(9)、通过拉压杆(10)的进给(11)和转动(10)施加纤维塑料复合匝(9)的横截面视图。
图2c示出了部分变形的纤维塑料复合中空结构(2)、具有底切(6)的施力元件(3)、由图2b中示出了纤维塑料复合匝(9)制成的确闭锁紧接触的外套筒(5)的横截面视图。图2a至2c中的纤维塑料复合中空结构(2)还被改造成关于施力元件(3)的确闭锁紧成型。
图3a示出了未变形的纤维塑料复合中空结构(2)、具有底切(6)的施力元件(3)、对其中插入具有底切(6)的施力元件(3)的纤维加强中空型体(2)的加热的横截面视图。
图3b示出了纤维塑料复合中空结构(2)、具有底切(6)的施力元件(3)、金属外套筒(5)、线圈(12)、用于金属外套筒(5)的磁力成形的电流“I”(13)的施加的横截面视图。
图3c示出了部分变形的纤维塑料复合中空结构(2)、具有底切(6)的施力元件(3)、确闭锁紧接触的金属外套筒(5)的横截面视图。图3a至3c中的纤维塑料复合中空结构(2)还被改造成关于施力元件(3)的确闭锁紧成型。
图4a示出了对由纤维塑料复合中空结构(2)制成的拉压杆(1)施加力、在施力元件(3)的外表面上具有底切(6)且具有内螺纹(4)且具有由纤维塑料复合匝制成的外套筒(5)的施力元件(3)的横截面视图。
图4b示出了对由纤维塑料复合中空结构(2)制成的拉压杆(1)施加力、在施力元件(3)的外表面上具有底切(6)且具有内螺纹(4)且具有金属外套筒(5)的施力元件(3)的横截面视图。
图5a示出了对由纤维塑料复合中空结构(2)制成的拉压杆(1)施加力、在施力元件(3)的外表面上具有底切(6)且具有内螺纹(4)且具有由纤维塑料复合匝制成的外套筒的施力元件(3)的横截面视图。
图5b示出了对由纤维塑料复合中空结构(2)制成的拉压杆(1)施加力、在施力元件(3)的外表面上具有底切(6)且具有内螺纹(4)且具有金属外套筒(5)的施力元件(3)的横截面视图。
图6示出了对由纤维塑料复合中空结构(2)制成的拉压杆(1)施加力、在施力元件(3)的外表面上具有底切(6)且具有内螺纹(4)且具有肩部(14)且具有由纤维塑料复合匝或者金属材料制成的外套筒(5)的施力元件(3)的横截面视图。
具体实施方式
本发明涉及一种生成例如拉压杆的杆状纤维复合结构的确闭锁紧负载施加的方法，其中中空体由诸如碳纤维的纤维和诸如热塑性基体的基体制成。对于制造确闭锁紧连接，使用没有结构芯或残留芯的诸如热塑性塑料的纤维加强塑料中空型体。这提供了中空型体可以作为连续型体经济地制造的优点。本发明可以用于例如航空航天领域。
根据本发明的另一方面，提供了一种生成拉压杆的确闭锁紧负载施加的方法，所述拉压杆包括纤维塑料复合中空结构和外套筒。只要纤维塑料中空结构至少部分地位于至少一个施力元件上，以下方法步骤可以按任何顺序或者同时实施。在一些实施方式中，方法包括(i)将纤维塑料中空结构整体地或者部分地放置在(例如通过推动)至少一个施力元件上，施力元件设置有至少一个底切，以产生确闭锁紧连接，(ii)对所述纤维塑料复合中空结构局部加热至纤维塑料复合中空结构的可塑性点，至少在所述施力元件的底切的区域进行加热，(iii)在所述施力元件的区域将至少一个外套筒施加至所述纤维塑料复合中空结构。在一些实施方式中，上述步骤可以按照步骤(i)、步骤(ii)、步骤(iii)的顺序实施。在其他实施方式中，在步骤(i)之后步骤(ii)和(iii)同时实施。
施力元件可用作纤维塑料复合中空结构的成形和支撑结构。在一些实施方式中，纤维加强外套筒中的纤维可以定向成至少主要地沿着关于拉压杆的圆周方向。
在一些实施方式中，本发明涉及用于在施加力的区域产生确闭锁紧连接的方法，特别地涉及如图1所示的纤维加强拉压杆。在图1所示的具体实施方式中，拉压杆(1)由具有热塑性基体的纤维塑料复合中空结构(2)制成。碳纤维和/或玻璃纤维和/或芳纶纤维可以用于中空结构。在一些实施方式中，纤维主要定向成沿着轴向型体方向，因此提供高抗拉强度和高抗弯阻力。具有内螺纹(4)的施力元件(3)用于传递负载(7)。图1中的“F”表示施加力。
在一些实施方式中，施力元件用作用于纤维塑料中空结构的成形和支承结构。
施力元件可以由塑料、短纤维加强塑料或者金属材料制成。
施力元件可以是任何适合的形状。例如，适合的施力元件形状包括曲线型、角型或者其任何组合。
在一些实施方式中，可以有至少1个、至少2个、至少3个、至少4个、至少5个、至少6个、至少7个、至少8个、至少9个或者更多个底切。另外，在一些实施方式中，底切具有相同形状。在另一些实施方式中，一些底切可以具有相同形状而其他底切可以具有不同形状。在又一些实施方式中，所有底切具有不同形状。
图2示出了用于产生确闭锁紧负载施加的一个实施方式。在第一步，将一个施力元件(3)或多个施力元件(3)和至少一个纤维塑料复合中空结构(2)至少部分地推到芯(15)上。在下一步，将中空结构(2)在加热区(8)进行局部加热并推到施力元件上，或者，首先将施力元件(3)插入纤维塑料复合中空结构(2)并随后在加热区局部加热。在在加热区局部加热的过程中或者由于在加热区局部加热，纤维塑料复合中空结构(2)被加热至可变形点。在局部加热(图2a中“T”)过程中，或者在局部加热之前或之后，可以将芯(15)放置在机器上以卷绕拉压杆(1)的端部区域。
图2b示出了利用纤维塑料复合匝(9)对拉压杆的卷绕，其中纤维塑料复合匝(9)预先浸渍或者在卷绕工艺过程中浸渍基体。热塑性塑料或热固性塑料可用作复合材料匝的基体。在热塑性塑料基体材料的情况下，材料在工艺过程中熔化。在热固性塑料基体材料的情况下，材料在另外的工艺步骤中固化。纤维加强的圆周匝通过卷绕机(10)的旋转和沿着卷绕方向(11)的相应的进给生成。
因为纤维塑料复合中空结构(2)在卷绕的过程中可变性，在施力元件(3)的底切(6)的区域形成与纤维塑料复合中空结构(2)的精确的且确闭锁紧的连接。在此，底切(6)可以沿着关于旋转轴线的轴向方向或径向方向形成。
图2a和图2b示出的方法步骤可以选择性地以任意顺序或同时实施。
图2c示出了拉压杆(1)的端部区域，其中该端部区域通过图2b所示的纤维塑料复合匝(9)制成。纤维塑料复合匝构成外套筒(5)。在图2c中的方法步骤之后，移除芯(15)。
如果需要，生成的拉压杆(1)可以进一步完善，以在另外的工艺步骤中，例如车削、涂漆等，制成最终产品。
实现拉压杆的端部区域的另一方法在图3a至3c中示出，图3a至3c示出了例如磁力成形。
当使用磁力成形时，将至少一个金属外套筒(5)或者多个金属外套筒(5)推到芯(15)上，如图3a所示。金属套筒(5)至少部分地被推到纤维塑料复合中空结构(2)和施力元件(3)上。此后，在加热区(8)进行局部加热，如图3a所示。
在下一步骤，芯(15)与纤维塑料复合中空结构(2)、施力元件(3)、和外套筒(5)一起被放置在用于磁力成形的系统中，如图3b所示。通过向线圈(12)施加高电流脉冲(13)，金属外套筒(5)以非接触方式变形。由于磁力变形，在底切(6)的区域中同样形成变形的纤维塑料复合中空结构(2)，从而形成精确的且确闭锁紧的连接(参见图3c)。在图3c的步骤之后，移除芯(15)。
替代地，通过其他方法可以应用一个或多个金属外套筒，例如压制工艺或液压成形替代非接触磁力成形。任何这些替代方法会类似地在底切的区域同样形成变形的纤维塑料复合中空结构，从而形成精确的且确闭锁紧的连接。
在利用纤维塑料复合中空结构将外套筒精确地施加至一个或多个施力元件之后，移除芯。生成的拉压杆可以进一步完善，以在另外的工艺步骤中，例如车削、涂漆等，制成最终产品。施力元件的内螺纹可以在磁力成形之前设置，或者可以在后续工艺步骤中制成。
另外，在一些实施方式中，拉压杆具有外套筒，该外套筒是由至少一个片层制成的纤维塑料复合匝。在一些实施方式中，纤维塑料复合中空结构和/或纤维加强外套筒包括一个或多个纤维，该一个或多个纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或者其组合。用于纤维塑料复合中空结构和/或纤维加强外套筒的纤维可以由连续纤维、长纤维、短纤维或者其组合组成。
另外，在外套筒包括塑料的实施方式中，可以使用热塑性塑料和热固性塑料。可用于外套筒的热塑性塑料和热固性塑料的例子包括环氧树脂、聚苯硫醚(PPS)、聚二醚酮(PEEK)、聚芳醚酮(PAEK)或者其组合。
在外套筒包括金属材料的实施方式中，可用于外套筒的适合的金属材料的例子包括钛、钢和铝。
热塑性塑料可用于纤维塑料中空结构。可用于中空结构的适合的热塑性塑料的例子包括诸如PPS、PEEK及其组合的热塑性塑料。
在一些实施方式中，施力元件可以由塑料、短纤维加强塑料或者金属材料制成。施力元件还可以包括连续纤维、短纤维或者其组合。在施力元件包括塑料的实施方式中，适合用于施力元件的塑料包括例如PPS、PEEK、PAEK及其组合。
图4、图5和图6示出了根据本发明的确闭锁紧施力元件的另外的设计构造。这些实施方式中的每一个可用于通过卷绕的确闭锁紧或者通过成形的确闭锁紧。施力元件的特征在于其具有用于传递拉力负载和压力负载的至少一个底切。拉力负载和压力负载可以通过图4和图5的施力元件传递。
图4a示出了拉压杆(1)的力的施加的横截面视图，拉压杆(1)由纤维塑料复合中空结构(2)和施力元件(3)制成，施力元件(3)具有其外表面上的底切(6)、内螺纹(4)和由纤维塑料复合匝制成的外套筒(5)。
图4b示出了拉压杆(1)的力的施加的横截面视图，拉压杆(1)由纤维塑料复合中空结构(2)和施力元件(3)制成，施力元件(3)具有其外表面上的底切(6)、内螺纹(4)和金属外套筒(5)。
图5a示出了拉压杆(1)的力的施加的横截面视图，拉压杆(1)由纤维塑料复合中空结构(2)和施力元件(3)制成，施力元件(3)具有其外表面上的底切(6)、内螺纹(4)和由纤维塑料复合匝制成的外套筒(5)。
图5b示出了拉压杆(1)的力的施加的横截面视图，拉压杆(1)由纤维塑料复合中空结构(2)和施力元件(3)制成，施力元件(3)具有其外表面上的底切(6)、内螺纹(4)和金属外套筒(5)。
在图6示出的实施方式中，示出了拉压杆(1)的力的施加的截面视图，拉压杆(1)由纤维塑料复合中空结构(2)和施力元件(3)制成，施力元件(3)具有其外表面上的底切(6)、内螺纹(4)和由纤维塑料复合匝或金属材料制成的外套筒(5)。
另外，在图6示出的实施方式中，施力元件(3)的底切用于传递负载。在压力负载的情况下，纤维塑料复合中空结构(2)支撑在施力元件(3)的肩部，通过该方式压力负载从施力元件(3)传递至型体。
在外套筒由金属材料制成的一些实施方式中，金属套筒具有限定的壁厚度并且遵循施力元件的轮廓。在外套筒由纤维塑料复合匝制成的实施方式中，可以将外轮廓适配成不必须遵循施力元件的轮廓的期望轮廓。在其他实施方式中，由纤维塑料复合匝制成的外轮廓可以具有与施力元件相同的外轮廓。
对上述方案的修改对于本领域普通技术人员是显而易见的，不会超出本发明的范围。权利要求应解释为覆盖这种修改。

Claims (19)

1.一种生成拉压杆的确闭锁紧负载施加的方法，包括
将纤维塑料中空结构(2)至少部分地推到至少一个施力元件(3)上，其中施力元件(3)包括至少一个底切(6)，以产生纤维塑料中空结构(2)与施力元件(3)之间的确闭锁紧连接；
对所述纤维塑料中空结构(2)局部加热至纤维塑料中空结构(2)的可塑性点，其中至少在所述施力元件(3)的底切(6)的区域进行加热；
在所述施力元件(3)的区域将至少一个外套筒(5)施加至所述纤维塑料中空结构(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述外套筒(5)包括塑料基体材料，并且其中通过在所述施力元件(3)中的底切(6)的区域使用所述塑性基体材料卷绕所述纤维塑料中空结构(2)，实现对所述外套筒(5)的施加，其中所述纤维塑料中空结构(2)以确闭锁紧方式接触所述施力元件(3)的底切(6)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述外套筒(5)是金属的，并且其中所述金属外套筒(5)的施加通过成形实现，其中所述纤维塑料中空结构(2)以确闭锁紧方式接触所述施力元件(3)的底切(6)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述金属外套筒(5)通过磁力成形、压制工艺或者液压成形形成。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述外套筒(5)是纤维加强塑料，并且其中所述纤维加强塑料包括在热塑性基体材料或热固性基体材料中预先浸渍的纤维或者在卷绕的过程中浸渍热塑性基体材料或热固性基体材料的纤维，其中所述基体材料在预加载条件下缠绕。
6.根据权利要求1至5所述的方法，其中所述底切(6)沿着关于所述纤维塑料中空结构(2)的轴向方向和/或径向方向形成。
7.根据权利要求1、2、5和6任一项所述的方法，其中外套筒(5)是纤维加强的，并且其中所述纤维加强的外套筒(5)中的纤维主要定向成沿着关于所述拉压杆的轴线的圆周方向。
8.一种拉压杆(1)，包括纤维塑料中空结构(2)、具有底切(6)的施力元件(3)和外套筒(5)，其中所述纤维塑料中空结构(2)以确闭锁紧方式接触所述施力元件(3)的底切(6)，其中所述外套筒(5)接触所述纤维塑料中空结构(2)，并且其中所述纤维塑料中空结构(2)的纤维定向主要沿着轴向方向。
9.根据权利要求8所述的拉压杆(1)，其中通过所述施力元件(3)与所述纤维塑料中空结构(2)之间借助于至少一个底切(6)的确闭锁紧实现拉力负载。
10.根据权利要求8至9所述的拉压杆(1)，其中通过所述施力元件(3)与所述纤维塑料中空结构(2)之间借助于至少一个底切(6)的确闭锁紧实现压力负载。
11.根据权利要求8至9所述的拉压杆(1)，其中通过支撑在所述施力元件(3)的肩部(14)的所述纤维塑料中空结构(2)实现压力负载。
12.根据权利要求8至11所述的拉压杆(1)，其中所述纤维塑料中空结构(2)包括热塑性基体材料。
13.根据权利要求8至12所述的拉压杆(1)，其中所述施力元件(3)由塑料、短纤维加强塑料或者金属材料制成。
14.根据权利要求8至13所述的拉压杆(1)，其中所述施力元件包括螺纹。
15.根据权利要求8至14所述的拉压杆(1)，其中所述外套筒(5)包括纤维加强塑料，其中所述外套筒(5)的塑料从由热固性基体材料和热塑性基体材料组成的组中选择。
16.根据权利要求8至14所述的拉压杆(1)，其中所述外套筒(5)包括金属材料。
17.根据权利要求8至14所述的拉压杆(1)，其中所述外套筒(5)是由至少一个片层制成的纤维塑料复合匝(9)。
18.根据权利要求8至17所述的拉压杆(1)，所述纤维塑料中空结构(2)包括从由碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维组成的组中选择的一个或多个纤维。
19.根据权利要求8至15所述的拉压杆(1)，其中所述外套筒(5)包括纤维加强塑料，其中所述纤维加强塑料包括从由碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维组成的组中选择的一个或多个纤维。
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