CN101733935A - 用于纤维复合材料拉杆的力传递组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于复合纤维拉杆的、带有力传递元件(1)的力传递组件，该力传递元件(1)的横截面在指向远离所述拉杆(12)的方向上至少在局部区域(2)中渐缩，使得所述力传递元件(1)在所述局部区域(2)中与包围所述局部区域(2)的所述拉杆(12)的端部区域(4)建立形成配合，所述力传递元件(1)延伸超出所述拉杆(12)以便传递力，所述拉杆(12)具有中空轮廓。本发明还涉及一种用于复合纤维拉杆(12)的力传递组件的制造方法，该方法涉及在所述力传递元件(1)的局部区域(2)中将力传递元件(1)以形成配合连接到所述拉杆(12)，该力传递元件(1)在指向远离所述拉杆(12)的方向上渐缩。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于带力传递元件和复合纤维杆的拉杆的力传递组件，所述力传递元件和复合纤维杆在力传递元件的局部区域中以形成配合方式相互接合，并且该局部区域在指向远离复合纤维杆的方向上逐渐渐缩。
背景技术
由本发明提出的带有这种力传递组件的拉杆可以被用在起重机架构领域以锚固网格塔头。但是，该应用不局限于锚固网格塔头而是可以被尤其用在部件要承受轴线拉力并且力必须被传递到复合纤维材料内的起重机架构的许多其它方面。
相对于传统的、由钢制成的拉杆，由复合纤维材料制成的拉杆的优点是它们能够吸收同样高的拉力但是却具有相对低的固有重量。在相反的情况下，由具有相同固有重量的复合纤维材料制成的拉杆能够吸收更大的拉力。
专利文献DE102006039565A1、DE10249591A1和DE102004021144A1公开了用于复合纤维杆的力传递装置，籍此力传递元件通过使用粘合剂和/或以摩擦配合方式的材料连结被连接至协作的复合纤维杆，以便将力传递到复合纤维杆内。
然而，这种力传递组件仅能用于高至某个量的必须被传递至复合纤维杆内的力。因此，这种类型的力传递组件不适于出现很大力的应用中，例如起重机架构。
发明内容
本发明的目的是提出一种力传递组件，其适用于复合纤维拉杆，借助于该力传递组件可以将很大的力传递给拉杆。并且拉杆应该无需维护，无需调整并且应该容易制造。
该目的通过权利要求1的主题内容实现。从属权利要求限定了本发明的优选实施例。
由本发明提出的力传递组件包括力传递元件，被传递到拉杆的力作用于其上。这种攻击力(attacking force)基本平行于拉杆的纵轴线延伸。如本发明所提出的，力传递元件的横截面在指向远离拉杆的方向上渐缩，这种渐缩至少是在力传递元件的局部区域，使得力传递元件能够与包围该局部区域的拉杆的端部区域建立形成配合。换句话说，面向拉杆的局部区域的端部以及因此包围该端部的拉杆的端部区域也具有比面向远离拉杆的局部区域的端部更大的横截面，同时拉杆的端部区域包围该局部区域的端部。结果，由于在拉杆的该端部处的渐缩形状，因而不可能从拉杆“拉出”力传递元件。由于力传递元件和拉杆之间以这种方式建立的形成配合，作用在力传递元件上的非常大的力可以被传递到拉杆。拉杆还具有中空轮廓使得它在局部区域中圆周地完全封闭力传递元件，并且力传递元件延伸超出带有该中空轮廓的拉杆，从而将要被传递到拉杆的力能够作用在拉杆外部的力传递元件上。因此，将要被传递的力不必经由分离的部件被引入包围拉杆的中空轮廓以内的区域中。一体形成的力传递元件从中空轮廓延伸出来的事实消除了对力传递部件之间的连接点的需要，该连接点可能构成结构弱点和可能的例如撕裂。但是，在理论上还可以想到，将被传递到拉杆的力作用在拉杆的中空轮廓内部的力传递元件上，在该情况下力传递元件无需必须地从拉杆延伸出来。同样，尽管如果力传递元件在局部区域中至少在圆周方向上完全由拉杆“封闭”是优选的，但是力传递元件的局部区域，无论是圆周地或是在轴向方向上都无需由拉杆完全包围，这使得力传递元件在每个径向方向上也都形成配合地连接到拉杆。
如果力传递组件在拉杆的外圆周上，至少在拉杆在其中“封闭”力传递元件的区域中，或者拉杆和力传递元件一个围绕另一个径向布置的区域中具有一种绕组也是优选的。该绕组可以通过提供另一个纤维复合材料层来形成，并且纤维在该纤维复合材料层中延伸的方向优选横向于拉杆的纵轴线延伸。通过特别优选，绕组的纤维延伸的方向垂直于纵向方向并且在至少在力传递元件的局部区域中圆周地延伸。该绕组的目的是辅助力传递元件和拉杆之间的形成配合。因此，不可能通过拉出力传递元件而使拉杆的渐缩端部变宽，因为圆周环绕的绕组有效地防止了拉杆端部通过吸收作用在圆周方向上的力而变宽。
在这种背景下，表述“轴向地”应该被解读为以下含义，即平行于拉杆的纵轴线延伸的轴向方向。
在另一个优选实施例中，力传递元件的局部区域和拉杆都具有旋转对称的横截面，并且力传递元件的局部区域的对称轴与拉杆的对称轴重合。拉杆旋转对称的设计有利地使其能够比具有非对称横截面的拉杆更好地吸收扭矩。拉杆的圆形轮廓的另一个优点是它防止了由风力在拉杆中引起的振动。
拉杆还可以以扁平布局抵靠力传递元件，从而导致拉杆和力传递元件之间的直接物理接触。使拉杆在力传递元件的局部区域中与力传递元件直接接触而不借助其它互连的元件是有利的，因为作用在力传递元件上的力可以被直接传递到拉杆内而没有必要偏转力流，而要偏转力流则必须经由其它互连的元件引导。但是，其它层被设在拉杆中或拉杆上，例如用以保护免受拉杆上的热或机械作用的涂层，或者导电涂层和电绝缘涂层，然而这些都被认为是拉杆的一部分，因而不被认为是分离的或甚至是“互连的”元件。
力传递元件的局部区域还可以在远离拉杆的方向，至少是在某些部分圆锥地渐缩，或者换句话说，局部区域的渐缩基本持续地沿局部区域的纵轴线延伸。这有利地导致拉杆中的纤维尽可能像直线一样直的延伸，使得力沿直线穿过杆，因而改进了力传递组件支撑负载的能力。
在另一个优选实施例中，拉杆的内圆周的横截面梯度在力传递元件的局部区域中的轴向方向上陡然改变。通过特别优选，在横截面梯度中的陡然改变发生在面向拉杆的局部区域的端部区域中。作为这种陡然改变的结果，特别是如果横截面梯度的改变是拉杆的内壁或外壁从渐缩区域变成基本平行于拉杆的纵轴线延伸的区域的位置，则可以通过这种在横截面梯度中的陡然改变限定一个空隙区域，在该空隙区域处力由于形成配合连接而从力传递元件传递到拉杆。
拉杆的圆柱形芯部还可能限制面向拉杆的局部区域的端部。这导致从力传递元件的局部区域到位于拉杆内壁处的拉杆的芯部的无缝过渡。还可以想到选择如下设计，即整个力传递元件直接邻接拉杆的芯部，在这种情况下渐缩的局部区域被特别布置在面向拉杆的力传递元件的端部上。
拉杆还优选由缠绕的纤维复合材料制成。例如，纤维复合层可以被缠绕，其吸收了大部分负载，换句话说，其吸收大部分被传递的力，但是也能够想到拉杆的多个其它缠绕的纤维复合层，例如缠绕保护层以保护免受UV辐射或防止力传递元件和拉杆的其它纤维复合层之间的电接触。缠绕纤维复合材料的优点在于可以利用廉价工艺制造轮廓的任何拉杆，并且还可以制造大横截面和厚壁厚的拉杆。如果力传递元件的渐缩是在拉杆的端部区域而拉杆的横截面的渐缩与其连接，则缠绕拉杆具有特别的优点，因为拉杆横截面的改变可以被容易地制造。拉杆的渐缩端也在负载下(换句话说，当力传递元件被“拉出”时)阻塞，并且加强了形成配合。缠绕拉杆通常具有多于一个但是仅几个优选方向，例如至多4个或至多两个的优选方向，纤维复合材料的纤维沿这些优选的方向延伸，并且基于FEM算法缠绕拉杆可能获得精确的可复制性。
由本发明提出的力传递组件还可以具有围绕力传递元件圆周延伸的套环，拉杆的圆周绕组可以在轴向方向抵靠该套环被支撑。该套环可以例如通过粘结或焊接被连结到力传递元件，或者可以结合例如螺纹的定位元件，该定位元件能够定位在与定位元件协作的力传递元件上。这防止了拉杆端部上的绕组沿指向远离拉杆的力传递元件的端部的方向的滑脱，从而使力传递元件和拉杆之间能够保持更可靠的形成配合。
如本发明所提出的，力传递元件可以由诸如钢的铁基材料制成。特别地，整个力传递元件可以由钢制成。拉杆也可以基本由碳纤维复合材料制成，在这种情况下，碳纤维复合材料基本吸收了所有轴向施加的力，该轴向施加的力经由力传递元件被传递到拉杆。因此，碳纤维复合材料层构成了拉杆的“支撑层”。拉杆自然也可以包含其它元件，例如与拉杆的纵轴线同轴延伸的芯部，拉杆的纤维复合层围绕该芯部布置，和/或例如保护拉杆免受作用在拉杆圆周表面上的机械力或UV辐射的其它层，又例如用于连结带有不同电负性的元件的电绝缘层或用于阻止雷击引起的电能的导电层。具体来说，拉杆或力传递组件可以包括一个或多个以下元件。
-层或叠层，其包括用于阻止例如由雷击引起的电能的铜基材料。这种层优选布置在拉杆的外圆周上并且优选直接设在拉杆的碳纤维复合层的外圆周上。
-第一叠层或第一层，其包括玻璃纤维复合材料以保护免于UV辐射，在此种情况下该层优选为拉杆的最外层。
-第二叠层或第二层，其包括用于使力传递元件与拉杆的碳纤维复合层电绝缘的玻璃纤维复合材料，在此种情况下该第二层优选布置在拉杆的碳纤维复合层和力传递元件之间的界面处。这有效地防止了否则会因为由钢和碳纤维复合材料制成的力传递元件的不同电负性而发生的接触腐蚀。
-绕组，其布置在拉杆的最外圆周上，换句话说，布置在拉杆的最外层的圆周上，用以抵抗拉杆的圆周表面上的机械作用。这样的绕组可以包括沿纵向方向围绕至少拉杆的端部区域在圆周表面上以螺旋形状延伸的玻璃纤维复合材料线股。这有效地阻止了对拉杆的圆周表面的冲击，否则该冲击可能损坏拉杆导致层剥落。该绕组也可以绕杆端部上的绕组的圆周表面延伸，这保证了力传递元件和拉杆之间的形成配合。
本发明还涉及一种制造由本发明提出的用于拉杆的力传递组件的方法。
如本发明所提出的，该方法涉及在力传递元件的局部区域中建立从力传递元件到拉杆的形成配合连接，该力传递元件在指向远离拉杆的方向渐缩。
由本发明提出的制造方法可以优选地包括一个或多个以下步骤：
-力传递元件装配到芯部的一端上，所述芯部可以具有细长的圆柱形形状。定心元件可以用于这种目的，力传递元件可以只在一个特定布置或特定位置或方向上借助于定心元件被装配到芯部上。这种定心元件可以是同心布置在芯部中并且从芯部延伸的管，力传递元件可以借助于中心孔被装配到该管上。
-拉杆可以例如通过缠绕工艺围绕芯部并且围绕装配到芯部上的力传递元件的至少一部分形成。在这方面，拉杆也必须形成在根据本发明的力传递元件的渐缩局部区域的至少一部分上，使得力传递元件已经通过卷缠或缠绕被连接到包含芯部的拉杆。在此背景下，围绕芯部和围绕力传递元件形成拉杆的过程可以涉及几个单独的步骤，例如缠绕构成拉杆的主要支撑层的碳纤维复合层，缠绕单独的玻璃纤维复合层用以形成保护层或绝缘层并且用以形成例如由铜制成的导电层。还可以想到使用其它方法来形成纤维复合层，例如拉挤成型、编结、编织或手工卷缠预浸的纤维复合材料。
-拉杆在其中包围力传递元件径向布置的区域(换句话说，即力传递元件的渐缩区域)可以圆周地缠绕以固定形成配合，在此种情况下，优选地选择使用复合纤维材料的绕组。如果缠绕复合纤维材料，则如果可能的话纤维在缠绕层中的方向应该径向延伸或至少使得在力传递元件的局部渐缩区域上获得拉杆的可靠保持。这可以借助于例如FEM模拟来实现，从而即使使用不是围绕圆周径向延伸的纤维也能获得拉杆的足够稳固的绕组。
-在建立了单独的纤维复合层之后，这些层可以随后在干燥过程中被固化，将铸模施加到各单独层的缠绕材料，除非是使用预先准备好的“预浸料”。为了加速这个过程，也可以在增高的温度下进行固化。
-远离拉杆延伸超出力传递元件的局部渐缩区域的缠绕材料可以随后例如机械地从拉杆切去，以便圆周延伸的套环可以随后被装配到力传递元件上，该套环将拉杆端部的圆周绕组保持在合适位置。
-拉杆的圆周表面可以被例如围绕拉杆螺旋形缠绕的玻璃纤维复合材料的线股保护以抵抗机械作用。如果一部件触碰到拉杆的圆周表面，该部件将首先接触围绕拉杆螺旋形缠绕的线股，使得目标和拉杆的实际圆周表面之间没有发生物理接触。
-在其端部具有力传递组件的最终形成的拉杆随后可以在测试负载下拉伸，并且在本发明的优选实施例中测试负载是1800kN，尽管还可以想到选择更小或更高的测试负载，这取决于所涉及拉杆的设计和尺寸。
附图说明
本发明将基于在附图中示出的优选实施例更详细地解释。本发明可以结合在此公开的所有特征，不论是单独地或是以任何实用组合的方式。
图1是通过带有本发明提出的力传递组件的拉杆的端部区域的轴向横截面。
具体实施方式
拉杆12基本上包括碳纤维复合层(CFC)，其在图1中由附图标记3表示。玻璃纤维复合层10布置在碳纤维复合层3的内圆周表面上，其目的将在下面解释。由铜制成的导电层8布置在碳纤维复合层3的外圆周上，借助于该导电层8由雷击传递到拉杆的电能可以被阻止。由玻璃纤维材料制成的另一层9被布置在导电层8的外圆周表面上，该层9保护拉杆12不受UV辐射的影响。这些层3、8、9和10形成在细长和圆柱形芯部6的外圆周上，该芯部6在拉杆12的整个长度上延伸。纤维复合层3、9和10可以使用缠绕工艺特别制造，使得这些层在纤维延伸方向方面只具有一些限定的优选方向。
力传递元件1布置在拉杆12的左手端4，将被传递到拉杆12的力经由该力传递元件1被传递。为此，在力传递元件1的左手端上设置眼形的力吸收装置。朝向力传递元件1的右手端，在局部区域2中的横截面变宽，使得局部区域2向远离拉杆12的方向渐缩，如从拉杆12所见。这构成了以下情况，即面向拉杆12的逐渐渐缩的局部区域2的端部2a也构成面向拉杆12的力传递元件1的端部，该端部抵靠芯部6平面布置。在端部2a，力传递元件1的局部区域2具有与芯部6同样的周长。力传递元件1借助于布置在具有中空轮廓的芯部6的内圆周表面上的同轴延伸的塑料管13相对于拉杆12和芯部6定中心，其延伸超出芯部6。力传递元件1可以装配在塑料管13的突出端部上并且也可以通过材料连结，例如粘合连接到芯部6。
至少在带有附加层8、9和10的拉杆12围绕局部区域2圆周延伸的局部区域2中，拉杆12设有另外的纤维复合层5的圆周绕组。在该纤维复合层中的纤维也沿圆周方向延伸。为了将该绕组5保持在合适位置，即保持在局部区域2中，圆周延伸的套环7被附加地设置在力传递元件1上，该套环7通过材料连结粘结到力传递元件1上。由如在图1中示出的，还设置玻璃纤维线股11形式的保护层，该玻璃纤维线股11围绕拉杆12的外圆周以螺旋形状延伸。
由于碳纤维复合材料3具有与力传递元件1的铁基材料不同的电负性，所以电绝缘玻璃纤维复合材料层10设置在碳纤维复合材料3和力传递元件1之间的界面3b，处用于防止由接触引起的腐蚀。
如本发明提出的，力传递组件通过借助于塑料管13将力传递元件1装配在芯部6的端部上，然后粘结到塑料管13和/或芯部6而制成。塑料管13还用作确定部件长度的装置。结合芯部6还有另一个优点，即至少轻微的压力可以在轴向以及径向上被施加到拉杆12。拉杆12的不同叠层或层3、8、9和10可以在芯部6的外圆周上，并且至少在力传递元件1的局部区域2中的外圆周上以缠绕技术一个接着另一个形成。设在力传递元件1的左手区域的圆周上的旋钮被用来在缠绕操作需要时旋转芯部6和力传递元件1，尽管在图1中未示出。一旦单个层已经被施加，圆周绕组被施加到局部区域2中的拉杆12的端部上，以便保持拉杆12和力传递元件1之间的形成配合。一旦单个纤维材料层已经被固化，延伸超出局部区域2的拉杆12的材料被机械切割，并且套环7被推到力传递元件1上，并且被粘合到力传递元件1上。绕组5因此可以被保持在局部区域2上的适当位置，抵靠套环7支撑。抵抗冲击的附加保护设置为玻璃纤维线股11的形式，该玻璃纤维线股11围绕拉杆12的外圆周以螺旋形状缠绕。
为了防止在操作期间的力传递元件1和拉杆12之间的任何滑动，由本发明提出的带有力传递组件的最终形成的拉杆12可以在1800kN的测试负载下拉伸，并且拉杆12的标称负载可以为ca.1300kN。
这种拉杆12可以例如具有12,000mm的长度，120mm的直径和10mm的壁厚。
Claims (14)
1.一种用于复合纤维拉杆的、带有力传递元件(1)的力传递组件，所述力传递元件(1)的横截面至少在局部区域(2)中沿指向远离所述拉杆(12)的方向渐缩，使得所述力传递元件(1)在所述局部区域(2)中与包围所述局部区域(2)的所述拉杆(12)的端部区域(4)建立形成配合，并且所述力传递元件(1)延伸超出所述拉杆(12)以便传递力，所述拉杆(12)具有中空轮廓。
2.根据权利要求1所述的力传递组件，其特征在于，所述力传递元件被设置成一整体部件，其中力传递区域(14)布置在所述拉杆(12)的所述中空轮廓的外部，并且渐缩的所述局部区域(2)布置在所述拉杆(12)的所述中空轮廓的内部。
3.根据权利要求1或2所述的力传递组件，其特征在于，所述拉杆(12)至少在所述拉杆(12)和所述力传递元件(1)一个围绕另一个径向布置的区域中设有绕组，尤其缠绕有复合纤维材料(5)，并且所述复合纤维材料(5)的纤维的方向特别地沿圆周方向延伸。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的力传递组件，其特征在于，所述力传递元件(1)的所述局部区域(2)和/或所述拉杆(12)具有旋转对称的横截面。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的力传递组件，其特征在于，所述拉杆(12)以平面布置坐靠在所述力传递元件(1)上，尤其是坐靠所述力传递元件(1)的所述局部区域(2)。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的力传递组件，其特征在于，所述力传递元件(1)的所述局部区域(2)以圆锥形布置渐缩。
7.根据权利要求1到6中任意一项所述的力传递组件，其特征在于，所述拉杆(12)的内圆周(3a)的横截面梯度在所述局部区域(2)中，尤其是在面向所述拉杆(12)的所述局部区域(2)的端部(2a)处沿轴向方向陡然改变。
8.根据权利要求1到7中任意一项所述的力传递组件，其特征在于，一圆柱形的芯部(6)邻接面向所述拉杆(12)的所述局部区域(2)的所述端部(2a)。
9.根据权利要求1到8中任意一项所述的力传递组件，其特征在于，所述拉杆(12)包括缠绕的纤维复合材料，其中所述缠绕的纤维复合材料的纤维尤其沿几个优选的方向延伸。
10.根据权利要求1到9中任意一项所述的力传递组件，还包括围绕所述力传递元件(1)圆周地延伸的套环(7)，所述套环(7)尤其通过材料连结被连接到所述力传递元件(1)，所述复合纤维材料(5)沿轴向方向抵靠所述套环被支撑。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的力传递组件，其特征在于，所述力传递元件(1)基本上由铁基材料、尤其是钢制成，并且所述拉杆(12)基本上由碳纤维复合材料制成。
12.根据权利要求1到11中任意一项所述的力传递组件，还包括一下元件之一：
-层(8)，其包括铜基材料并且特别地邻接所述拉杆(12)的所述外圆周表面布置；
-第一层(9)，其包括玻璃纤维复合材料并且特别地布置在所述拉杆(12)的所述外圆周表面上；
-第二层(10)，其包括玻璃纤维复合材料并且特别地至少在所述力传递元件(1)和所述拉杆(12)之间的界面(3b)处布置；
-绕组，其包括由玻璃纤维复合材料制成的线股(11)并且特别地布置在所述拉杆(12)的所述外圆周表面上。
13.一种用于复合纤维拉杆(12)的力传递组件的制造方法，其特征在于，力传递元件(1)在所述力传递元件(1)的局部区域(2)中以形成配合连接到所述拉杆(12)，所述力传递元件(1)沿指向远离所述拉杆(12)的方向渐缩。
14.根据权利要求13的制造方法，所述方法包括一个或多个以下步骤：
-将力传递元件(1)特别地通过定心连接管(13)装配到芯部(6)的一端(4)上；
-围绕所述芯部(6)和至少一部分所述力传递元件(1)缠绕复合纤维材料直至包括具有中空轮廓的碳纤维复合材料的拉杆(12)，所述拉杆(12)还包括附加层(8，9，10)，所述附加层尤其是由玻璃纤维复合材料和/或铜基材料制成；
-至少在所述拉杆(12)包围所述力传递元件(1)径向布置的区域中，在所述拉杆(12)上施加包含复合纤维材料(5)的绕组；
-固化缠绕的材料(3，5，8，9，10)；
-去除所述拉杆(12)的延伸超出所述局部区域(2)的缠绕材料(3，5，8，9，10)；
-将套环(7)装配到所述力传递元件(1)上；
-通过围绕所述拉杆(12)螺旋形缠绕玻璃纤维复合材料的线股(11)建立保护层；
-在测试负载下拉伸具有力传递组件的最终形成的所述拉杆(12)，特别地测试负载大于1300kN，更特别地大于1700kN。
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