CN102046465B - 衬层与支承该衬层的结构元件之间的接合系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在覆层与支承该敷层的结构元件之间使用的联接系统，所述覆层包括合金或复合材料的薄片(3)。所述片(3)与所述结构元件(1和2)的相对表面支撑用于联接所述片与结构元件的装置，所述装置通过沿所述片与所述结构元件之间的接触区域的至少一部分的长度设置的凸榫槽构造(6)和凹榫槽构造(7)形成。

Description

衬层与支承该衬层的结构元件之间的接合系统

技术领域

本发明涉及衬层与支承该衬层的结构元件之间的接合系统，该接合系统尤其能够应用于飞机的衬层与抵抗性结构元件之间的接头，尤其能够应用于航空领域并且一般而言能够应用于这样的领域：衬层包括由特定合金或复合材料制成的薄板，并且清理(cleanup)、摩擦最小化以及外表面的非穿孔——由于这些产生缺陷——而成为所需要的基本特性。

背景技术

在分析目前冶金工业中通常使用的接头类型时，这些接头能够分为“铆钉”接头(此处包括在待接合的零部件之间提供具有应力传递功能的不同零部件的任意接头)和焊接接头。在诸如造船领域、机动车领域之类的某些工业领域中，焊接接头所产生的良好效果是众所周知的。但是，在航空领域方面——该领域中例如安全因素的减少以及因此对完全的操作可预测性、重量和清理的需要至关重要，其应用范围几乎减半；实际上，焊接接头几乎不用于飞机中并且仅用于具有非常严格的控制要求的内部零部件中。

在现有技术中，构成飞机外部机身衬层的薄板通过铆钉接合于内部结构零部件，此时它们组成最常见的接头类型。这种技术同时用于：将具有飞机的外部衬层的板与翼肋和桁条——该机翼和桁条形成诸如机翼和其它表面之类的飞机的抵抗性结构——相接合；以及将肋材与外部衬层——在一些情况下与桁条——相接合。

如前所述，这些衬层包括铝合金或复合材料的薄板，所述薄板沿其内表面具有与支承于其的结构元件——例如支承和紧固于其的翼肋和桁条等——以及与必须被紧固于衬层的设备、其它元件和部件的位置发生接触的区域。沿薄板的内表面对其进行机械加工，从而限定凹入区域以减小其重量，称为“凹隔”，所述凹隔由构成前述接触区域的肋材网络限定。所述板的内部机械化(mechanisation)通常通过化学铣削实现，并且目前使用机械铣削。

目前使用薄衬层板，该薄衬层板根据将实现的形变类型而通过拉伸或滚压过程模制成其最终的空气动力学形状，材料在这一过程中通过化学铣削过程自不被需要的区域凹入，以便实现其结构抵抗性任务。在一些具有支承表面的组件中并且假设技术和材料可用性允许，尤其在机翼表面使用整体衬层，该整体衬层由较厚的原材料制成，在一些情况下对所述较厚原材料进行机械加工从而使其获得在其一侧上围绕五个轴线以及在另一侧上为机翼纵梁的空气动力学表面形状，从而避免进行铆接的需要。在其它情况下，整体的机翼纵梁被围绕三个轴线进行机械加工并且零部件的所需形状随后通过模制过程实现。这种努力——其显然包括一定成本——证明了避免铆钉接头的重要性。

关于在具体情况中使用哪种衬层类型的决定还取决于其制造可能性、原材料的存在形式、其抵抗性内部结构，并且在一定程度上取决于其生产和整合成本。

由复合材料制成的外部衬层同样用于航空工业中，其中，使用模制工具实现其外部形状和内部形状，这通过根据需要交叠不同纤维层而实现，与金属合金板类似。这些衬层也通过铆钉接合于内部结构。通过这种技术实现的精度要求在需要时对某些区域进行加固。

铆钉接头要求对外部衬层进行钻孔。所述孔产生“问题”区域，这是应为它变得脆弱并且能够导致裂纹的形成，以及连接飞机的外部零部件的受压区域与摩擦点的压力损失。这些参数对于这些类型的交通工具来说是重要的。为了使得这种作用最小化，在这些过程中必须非常小心：在这些类型的接头中实施钻孔、嵌接、锥形扩孔以及组装过程，使公差接近可用技术允许的程度，使用密封材料以保证钻孔加工过程及其锥形扩孔中的水密性和精度，从而使得铆钉头充分隐蔽。所有这些必须结合于设计中的要求导致制造以及组装工作高度精确、复杂并且高成本。

化学铣削技术基本包括使用酸对期望减小其厚度的表面进行腐蚀并且通过遮蔽对不期望减小其厚度的那些区域进行保护以便维持其厚度。这种腐蚀在一种更复杂的的设备的部件——包括具有受控参数的酸的桶内执行，这是因为其施加包括遮蔽操作、待处理区域的修整、清理、对期望产生的各个深度的化学腐蚀以及中和。

尽管能够基于这种技术制造任意类型的衬层，但是这仍然是一种仅允许对那些平行于腐蚀面的表面进行机械加工的技术，因此这种技术仅能够在需要对总是平行的大表面以及小厚度进行机械加工时使用；此外，这是需要非常费力并且不符合越来越严格的环境要求的方法。实际上，大多数施工人员已经宣布，他们希望放弃这种类型的“铣削”，这导致向生产同类零部件的机械铣削的发展。

发明内容

本发明的目的是一种尤其在飞机中的位于形成衬层的薄板以及支承所述衬层的结构元件之间的接合系统，所述接合系统避免了前述缺点并且相比传统的基于铆钉的接合系统提供了大量优点。

在本发明的系统中，如在基于铆钉的接合系统的情况下，构成衬层的薄板在其内部中具有通过非凹入带限定的凹入区域或凹隔，所述非凹入带具有较大厚度、通常笔直并且确定位置与用于支承和紧固于其的结构元件相对应的肋材网络。构成衬层的薄板还将具有位置与必须紧固于所述衬层或者与所述衬层相关的设备和其它部件相对应的肋材。

本发明的系统的特征在于，构成衬层的板和结构元件沿其对置表面具有位于所述板与结构元件之间的接合装置，所述接合装置形成板和结构元件本身的一部分或者由板和结构元件本身获得。在本发明的系统中，前述接合装置包括凸榫槽构形和凹榫槽构形，优选地成鸠尾榫构形。这些构形已经沿待接合的零部件之间的接触区域而设置。例如，在构成衬层的板中沿限定凹隔的肋材的至少一部分，以及在结构元件中沿与所述肋材部分相对应的部分。

应当将鸠尾榫理解为通过肋材形式的凸构形与凹槽形式的凹构形形成的任意的联接件或接头，所述凸构形和凹构形具有相同横截面，其中，以仅能够通过在其端部的一个处插入并且在所述构形之间滑动而实现凸构形与凹构形之间的联接的方式，凸轮廓的横截面朝向其自由纵向边缘增大并且凹轮廓的横截面向下增大。

根据本发明的另一个特征，衬层板和结构元件的凸构形和凹构形将沿凹隔的侧面不连续，从而决定了所述构形中的凸起和凹槽在数目、位置和尺寸方面相对应。凸构形和凹构形通过以下方式联接在一起：构形中一个的凸起与另一个构形的凹槽的对置和插入，并且随后在两个构形之间沿等于所述凸起长度的长度相对纵向滑动，直到凸构形的凸起置位于凹构形的凸起之后，并且两部分的凹槽置位为彼此对置。

虽然凸构形和凹构形可以不加区别地设置在衬层板上或结构元件上，但是凸构形将优选地沿所述板的肋材边缘设置在衬层板上，而凹构形将设置在结构元件上。

肋材可以通过具有笔直轮廓并且通常平行的纵向边缘侧向地限定，所述构形沿所述纵向边缘设置。纵向边缘至少沿与其自由基部相邻的部分可以具有交错的轮廓，其中，所述肋材的横截面朝向所述自由基部减小，从而所述构形沿任意高度，优选地最外侧的高度的纵向边缘设置。

在金属合金零部件的情况下，或复合材料零部件的情况下，或嵌入于这些零部件中的金属轮廓的情况下，由接合装置限定的构形将通过对的肋材和结构元件的机械铣削而获得。由于大尺度衬层的机械加工中实现的有利之处，在对板的内表面的用于形成凹入区域或凹隔的机械加工的过程中，可以同时执行用于形成具有结构元件的鸠尾榫接头的相应的机械加工。板的机械加工或凹入还可以通过化学铣削并且接着通过机械铣削使凸构形和凹构形成形而执行。在复合衬层和结构元件的情况下，凸构形和凹构形在其机械加工过程中设置在嵌入于复合零部件本身中的轮廓上。

为了使零部件一旦组装就保持其最终位置并且避免接合装置之间的纵向滑动，能够使用所述构形——例如凹部分——的塑性形变，或结构粘合剂的塑性形变，或者二者的结合的塑性形变。

尽管作为本发明目的的接合系统尤其可以应用于航空领域，但是，所述接合系统还能够应用于如前所述的清理、摩擦最小化以及外表面非穿孔为所需要的基本特征的其它领域。此外，本发明的系统还可以应用于结构或框架的部件之间的接头，还可用于将设备、部件和辅助元件紧固于衬层。

本发明的系统相比传统的基于铆钉的接合系统具有大量优点。优点之一是因减少铆钉而摩擦减小，这允许外部衬层表面的更好清理，同时避免由于压力损失而造成的内部与外部之间的压力泄漏的风险。

本发明系统的另一个优点是因减少铆钉孔而使得脆弱点也减少，除了改善其余的接头特性，还保持对牵引的较大的抵抗力并且保证其对剪切的抵抗力。

另一个优点是因减少钻孔和铆接操作而使得组装操作非常简化，还允许使用较轻的金属材料。同时，因减少铆钉状态修正操作而使得维护要求降低。

本发明的系统另一个优点是因铆钉的减少、由于鸠尾榫构形及其凹入或其垛口状物而使加固材料的减少，以及铆钉系统的所有的孔中所需粘合剂的减少而使得重量减小。本发明的系统还允许接合零部件的减少，例如与翼肋横向相关的接合零部件。

本发明的系统的另一个优点是因穿孔和铆钉置位次数的减少而使得组装和生产成本降低。

本发明的系统还允许当其边缘制成在例如机翼纵梁或肋材等的结构元件上相对应时，侧向接头设置在连续衬层板之间，从而使得凸构形的半部设置在各个衬层板上。如前所述，凸构形和凹构形是不连续的，从而限定沿所述凸构形和凹构形小垛口，该小垛口协作以减小重量。同时实现了对弹力的更大响应，从而形成用于简化组装的有利解决方案。垛口状物的尺寸将取决于所需的抵抗要求，并且凸起和凹槽将优选地具有相同的板肋材和结构元件。总体而言，凹槽在长度上可以大于凸起，从而将允许重量进一步减小。

本发明的系统尤其可以应用于航空领域中的机身、机翼以及其它表面，例如稳定器和大尺度减阻装置。在肋材和结构元件中，凸构形和凹构形的成形可以在辅助轮廓上实施，所述辅助轮廓将接着紧固于所述肋材或结构元件。将辅助轮廓紧固于肋材可以通过例如鸠尾榫联接、通过将辅助轮廓滑过设置在肋材上的相应构形而实现。紧固于结构元件能够以相同的方式或通过铆接实现。本发明的系统还能够用于通过碳纤维零部件的机械铣削或通过将金属零部件嵌入于零部件的纤维覆层内而接合复合零部件。例如，在复合衬层的情况下，所述板可以包括嵌入式金属轮廓，其中，凸构形和凹构形将预先设置用于鸠尾榫接合。

所述系统还可以包括具有相对应的弯曲路径的凸构形和凹构形，所述弯曲路径设置在例如板肋材的结或交点处，并且可以用于通过转动在一点处接合翼肋、机翼纵梁以及衬层。

附图说明

附图示出了实施方式的示例，对该实施方式的描述能够帮助更好地理解本发明的系统的特征以及优点。

在附图中：

图1示出了飞机机身的零部件的内部立体图，其中，构成衬层的板使用本发明的系统紧固于结构元件。

图2示出了衬层板中的一个的内部立体图。

图3示出了沿图1中线II-II截取的与抵抗性结构的翼肋中的一个相对应的机身的横截面图。

图4示出了沿图3中线III-III截取的机身的局部横截面图。

图5示出了抵抗性结构的翼肋中的一个的局部立体图。

图6对应于图5所示的细节A并且具有放大比例。

图7示出了形成衬层的板的与图5所示的翼肋相对应的区域的内部立体图。

图8对应于图7所示的细节B并且具有放大比例。

图9示出了机翼纵梁与衬层板之间的接头的分解立体图。

图10示出了设置为与结构元件的凹构形对置的衬层板的凸构形的凸起的横截面图。

图11示出了与结构元件凹构形的凹槽对置的凸构形的凹槽的横截面图。

图12以较大比例示出了限定衬层板与结构元件之间的接合装置的凸元件与凹元件之间的联接部的横截面图。

图13示出了沿图12中的线XIII-XIII截取的接合装置的凸元件与凹元件之间的联接部以及凸构形与凹构形的凹槽之间的对置的截面图。

图14示出了与图9相类似的视图，其中示出了两个衬层板之间的接头。

图15示出了通过机翼纵梁接合的两个衬层板的立体图。

具体实施方式

图1示出了飞机的内部立体图，所述飞机包括抵抗性结构，该抵抗性结构包括横向翼肋1以及机翼纵梁2，图2所示的形成衬层3’的板3紧固于其上。

图2示出了这些板3中一个的内部立体图，所述板3具有被称为凹隔的凹入区域4，所述凹入区域4由非凹入带5限定，该非凹入带5确定与翼肋1和用于紧固于其上的机翼纵梁2相对应的肋材网络。凹隔4使得能够减小衬层板3的重量。

根据本发明，在图1中由翼肋1和机翼纵梁2限定的其上紧固有衬层3’的板3的结构元件以及衬层板3包括接合装置，该接合装置由凸鸠尾榫构形6与凹鸠尾榫构形7限定，其能够从图3和图4中观察到。凸构形6将优选地形成衬层板的一部分，该部分沿限定凹隔4的肋材5的至少一部分而不到达所述肋材的节或交点而获得，而凹构形7将设置在结构元件上，例如设置在图3所示的翼肋1上以及图9所示的机翼纵梁2中。除了翼肋以及机翼纵梁之外，需要紧固于衬层的任意类型的元件或设备都能够使用本发明紧固于其上，从而在待接合的零部件的接触区域中形成凸构形和凹构形的相应的部分的形状。如从图5和图8中能够观察到的，凸构形6和凹构形7将是不连续的，其中，凹构形7确定图5和图6中的凸起8和凹槽9，而衬层板3的凸构形6确定凸起10和凹槽11，凹构形的凸起8和凹槽9与衬层板3的凸构形6的凸起10和凹槽11在数目、位置以及尺寸方面分别对应。衬层板3的凸构形6和机翼纵梁2的凹构形7将采用相同的设计，如图9所示。

凸构形与凹构形的凸起和凹槽确定了垛口部，其中，凹槽9和11将使得凸构形和凹构形的重量减小。凸构形6和凹构形7以及凹槽9和11都将优选地通过机械铣削，同时实施凸构形6的铣削操作并且使衬层板3的凹隔4凹入而获得。

为了使衬层板3联接或接合至在由图1中示例性示出的由翼肋1以及机翼纵梁2限定的结构元件，衬层3’的板3的凸构形6的凸起10设置为与例如翼肋1的结构元件的凹构形7的凹槽9对置，如图10所示，而同时将衬层板3的凸构形6的凹槽11设置为与结构元件的凹构形7的凸起8对置，如图11所示。在这种情况下，衬层板3接合于结构元件1，使得凸构形6在图10和图11所示的位置中引入凹构形7。接着使板3以将凸构形6的凸起10设置于结构元件的凸起8下方的方式相对于结构元件1纵向滑动，如图12所示，从而完成由衬层板3与翼肋1和机翼纵梁2限定的结构元件之间的鸠尾榫接头。这种系统允许实践中防止衬层板与结构元件之间的分离或滑动的紧密配合。为了更加安全，包括粘合物质的固定装置或者由凹构形或例如楔或压力螺钉等的辅助固定元件等的塑性形变可以应用于这种接头。

图13示出了在设置在联接位置中时，凸构形和凹构形的凸起和凹槽的最终位置。凸构形6的凸起10设置在与凹凸起(构形)7的凸起8相对应的位置并且位于其下方，如图12所示，而结构元件的凹构形7的凹槽9设置为与衬层板的凸构形6的凹槽11对置。

尽管前述示例对应于飞机机身的板与结构元件之间的接头，但是本发明的接合系统可以应用于机翼以及其它表面，例如稳定器和大尺度减阻装置。本发明的接合系统还可以应用于除了航空领域之外的领域，其中，如前所述，清理、摩擦最小化以及外表面的非穿孔成为所需要的基本特性。

本发明的系统还允许使用翼肋1和机翼纵梁2的衬层板3之间的侧向接头，如图14和图15所示，其中，两个衬层板3设置为彼此抵接，每个衬层板3包括凸构形6的半部6’，并且每个所述半部具有相应的凸起10和凹槽11。在这一位置中，整个的凸构形6以例如所述的相同方式联接于机翼纵梁2的凹构形7，从而使得两个衬层板3通过与凸构形6对应的机翼纵梁或结构元件而接合。

凸构形6和凹构形7可以成形为结合并且紧固于将包括这些构形的待接合零部件的辅助金属轮廓。当衬层和结构元件由复合材料获得时，这种实施方式将尤其是可以应用的。前述金属轮廓将至少局部地嵌入在相应的零部件中。前述轮廓能够通过挤出获得。

应当理解，为了防止张力集中，将对构形的所有纵向角度和边缘倒圆角。

Claims (10)

1.飞机结构组件，其包括：

板(3)，所述板(3)沿其内表面具有凹入区域和带，

结构元件(1，2)，

接合装置，所述接合装置用于在所述板(3)与所述结构元件(1，2)之间建立接合并且包括凸鸠尾榫构形(6)和凹鸠尾榫构形(7)，所述构形中的一个沿所述板(3)的带的至少一部分进行限定并且另一个构形限定于与所述带相对应的所述结构元件(1，2)的区域上，以及

固定装置，所述固定装置防止所述凸鸠尾榫构形(6)与凹鸠尾榫构形(7)之间的相对滑动，

其特征在于

所述凸鸠尾榫构形(6)装有交替地限定于各个侧向边缘中的凸起(10)和凹槽(11)，而所述凹鸠尾榫构形(7)装有交替地限定于各个内部侧向边缘中的相应的凹槽(9)和凸起(8)，

其中，各个凸构形或凹构形中的所述凸起(10，8)和凹槽(9，11)在数目、位置和尺寸方面以这样的方式限定：通过将所述凸构形或凹构形中一个的所述凸起(10，8)与所述凹构形或凸构形中另一个的所述凹槽(9，11)对置且将所述凸起(10，8)插入所述凹槽(9，11)中，并且在其间纵向相对滑动，直到所述凸构形(6)的所述凸起(10)与所述凹构形(7)的所述凸起(8)布置为彼此对置并且所述凸构形(6)的所述凸起(10)位于所述凹构形(7)的所述凸起(8)的下方，并且两个构形(6，7)的所述凹槽(9，11)设置为彼此对置为止，所述凸构形和凹构形联接在一起。

2.如权利要求1所述的飞机结构组件，其特征在于，所述鸠尾榫凸构形(6)和鸠尾榫凹构形(7)与相应的板或结构元件形成单一铣削合金件。

3.如权利要求2所述的飞机结构组件，其特征在于，所述凸构形(6)在所述板(3)上铣削而成，而所述凹构形在所述结构元件(1，2)上铣削而成。

4.如权利要求1所述的飞机结构组件，其特征在于，所述固定装置包括施加在所述凸构形(6)与凹构形(7)之间的粘合物质。

5.如权利要求1所述的飞机结构组件，其特征在于，所述固定装置包括施加在所述凸构形(6)和凹构形(7)中至少一个的塑性形变。

6.如权利要求1所述的飞机结构组件，其特征在于，所述凸构形(6)的至少一部分限定于两个连续板(3)的边缘之间。

7.如权利要求1所述的飞机结构组件，其特征在于，所述凸构形(6)和凹构形(7)的所述凹槽(11，9)比所述凸构形(6)和凹构形(7)的所述凸起(10，8)长。

8.如权利要求1所述的飞机结构组件，其特征在于，所述凸构形(6)和凹构形(7)具有相对应的弯曲路径。

9.如权利要求1所述的飞机结构组件，其特征在于，所述凸构形(6)和凹构形(7)的所有的纵向角度和边缘都具有倒圆的轮廓。

10.如权利要求1或4-9中任一项所述的飞机结构组件，其特征在于，所述板(3)由复合材料制成，并且鸠尾榫构形限定于相应的辅助金属轮廓中，所述辅助金属轮廓至少局部地嵌入于所述板(3)的接触区域与所述结构元件(1，2)中。

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