CN102089486A - 空间框架连接件 - Google Patents

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A·L·法尔
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Abstract

提供一种用于将斜支杆管附接至空间框架的轴向弦杆的空间框架连接件。该空间框架连接件包括轴环，其适于在所述轴向弦杆上。所述轴环装备有一个或更多个附接凸缘。所述空间框架连接件还包括在至少一个端部形成有挤压凸缘的支杆管。所述挤压凸缘由两个平行叶片组成，在所述第一和第二平行叶片之间限定一个槽。所述槽的大小和形状适于装配在所述轴环的所述附接凸缘上，所述轴环位于所述轴向弦杆上。可以使用简单的冲压和冲孔工具形成所述挤压凸缘。用于支撑太阳能聚集器排列的空间框架可以在实地装配。

Description

空间框架连接件
相关申请的互相参引
本申请要求2008年7月9日提交的美国临时申请第61/079,382号以及2008年8月22日提交的美国临时申请第61/091,095号的优先权，这两个临时申请以引用的方式纳入本说明书，但不与本说明书相抵触。
背景技术
空间框架是一种由互锁的支杆(strut)按几何图样构成的桁架式轻质刚性结构。空间框架通常利用多方向的跨度，并且经常被用于以少数支撑件实现长跨度。它们从框架结构中使用的三角形的内在刚度(inherent rigidity)中获得强度。通常，具有平行轴向弦杆的系统由以不同角度与它们相交的多个支杆(本文称作“斜支杆管”)来支撑。支杆固定在一起处的这些节点应采用这样的连接件结构，所述连接件结构足够强固从而在关联的大应力下也不会失效。
用于连接多个杆或支杆的许多连接件设计在本领域是公知的，例如，如美国专利公布文本第2007/0011983号，美国专利第6,250,693号、第5,820,168号、第4,352,511号、第6,409,228号、第3,070,923号、第6,056,240号、第6,892,502号、第1,760,883号、第3,668,754号、第5,350,201号、第5,448,868号、第3,459,234号，PCT公布文本WO 96/33787以及日本专利摘要JP 11182026中所公开的。
为了书面描述和实施，本说明书提到的所有参考文献都以引用的方式纳入本说明书，但不与本说明书相抵触。
发明内容
在需要轻质和易装配的空间框架而不能牺牲强度和稳定性的情况下，本发明的空间框架连接件是有用的。例如，a)空间框架用于需要精确的轻质结构的太阳能聚集装置；b)空间框架用于桥梁；c)空间框架用于建筑穹顶、大跨度屋顶或者其他几何形状；以及d)空间框架用于射电望远镜或航天器发射构架，在这些情况下需要非常轻质的结构并且快速容易的安装是重要的。本发明的空间框架可以根据该空间框架的用途而为任何需要的大小。在一些实施方案中，本文提供的连接件可以承受至少约5000磅的轴向力，在一些实施方案中，可以承受高达约10,000磅或大于约11,000至约11,500磅的轴向力。
本发明的空间框架连接件的设计是这样的，使得在受到轴向拉伸或轴向压缩的情况下，迫使空间框架的失效模式远离连接件的失效而趋向斜支杆管的失效。(例如，对于细长构件，这将是弯曲(buckling)。)基于避免支杆材料的剪切撕裂或轴环及其附接凸缘的失效来设计连接件。负荷取决于材料的容许剪切强度、支杆的壁厚以及紧固件的限定该紧固件承载区域的尺寸。尤其是在用于太阳能聚集器的空间框架的领域，为了确保制造便利、在实地的装配便利、反射表面精确对准的稳定性以及低成本，重要的是，最小化必须在实地装配的部件的数量，最小化制造步骤，以及最小化在制造这些部件中对紧公差(closetolerance)的需要。
空间框架的装配方法为将空间框架支杆焊接起来，但这经常需要昂贵的焊工劳动并且极其缓慢。此外，当使用铝部件时，在强度上有很大损失；此外，实地焊接是被铝协会结构焊接规程(AluminumAssociation Structural Welding Code)D1.2所禁止的。
本文中提供的空间框架连接件给予了简化的装配过程，这使得减少装配劳动成本并缩短太阳能项目投产所需的时间，而这降低了这类项目的财务成本(例如，建设期间的利息)。在装配使用横截面为正方形或矩形的支杆的空间框架中经常遇到的问题是：当这些支杆通过挤压制得时，它们往往会产生扭曲(twist)，这使得难于将支杆中的孔与连接件中的孔正确地对准，为了附接，所述这些支杆通过销或螺栓附接至所述连接件。另外，当正方形或矩形挤压支杆的两个端部需要装配进两个不同连接件上形状相似的支座时，支杆的扭曲使得很难(即使不是不可能)将该连接件置于两个支座中。使用横截面为圆形且在端部上形成有挤压凸缘的斜支杆，允许高效的制造以及简单的装配。
在装配使用横截面为正方形或矩形的支杆的空间框架中经常遇到的问题是：当这些支杆通过挤压制得时，它们往往会产生扭曲，这使得难于将支杆中的孔与连接件中的孔正确地对准，为了附接，所述这些支杆通过销或螺栓附接至所述连接件。另外，当正方形或矩形挤压支杆的两个端部需要装配进两个不同连接件上形状相似的支座时，支杆的扭曲使得很难(即使不是不可能)将该连接件置于两个支座中。使用横截面为圆形且在端部上形成有挤压凸缘的斜支杆，允许高效的制造以及简单的装配。
本文中提供的空间框架连接件能够在受压和受拉时支撑轴向负荷，制造成本低，制造和使用简单，不需要复杂的工具。
在一个实施方案中，一种在斜支杆和轴向支杆之间实现连接的有利方法是使用迫使连接中的配合孔正确对准的紧公差可膨胀的结构紧固件或其他紧固件部件，诸如弹簧衬套。这些紧固件部件不仅内在地迫使配合件中的孔正确对准，而且被设计为使得它们能够承载该连接中的所有剪切负荷。因此，该接合的失效模式不由连接件控制，而由支杆的能力控制。这些用于迫使本发明空间框架连接件的部件正确对准的装置这样定大小，使得它们不仅用来承载该接合中的剪切应力，而且用作对准销，该对准销在斜支杆和轴向支杆的附接凸缘之间产生精确的过盈配合。
因此，本文中提供了一种用于将斜支杆管附接至空间框架的轴向弦杆的空间框架连接件，该空间框架连接件包括：轴环，其适于装配在所述轴向弦杆上或内部，该轴环包括一个或更多个附接凸缘；以及在其端部包括挤压凸缘的支杆管；所述挤压凸缘包括第一和第二平行叶片，在所述第一和第二平行叶片之间限定一个槽，该槽的大小和形状适于装配在所述附接凸缘上。
所述附接凸缘和挤压凸缘可以包括多个附接孔，所述附接孔这样定大小和位置，使得它们可以在使用时被对准，从而接收穿过对准的孔的紧固件部件，诸如可膨胀的结构紧固件或弹簧衬套、螺栓、销、或者本领域公知的其他这类紧固件部件。
所述挤压凸缘可以从所述斜支杆管的端部整体形成，或者可以是一个端部连接件的部件，该端部连接件附接到所述斜支杆管的端部。
有利地，所述轴环为一个套管，其完全围绕所述轴向弦杆的周缘安装或安装在所述轴向弦杆的周缘内部，以提供建造用于支撑大型抛物型太阳能聚集器的大型空间框架所需的强度。在本文还提供一种附接至空间框架的轴向弦杆的空间框架连接件。
还提供一种支杆管，其在端部包括挤压凸缘，所述挤压凸缘包括第一和第二平行叶片，在所述第一和第二平行叶片之间限定一个槽。还提供这样的支杆管，其在一个端部和/或两个端部包括挤压凸缘。
还提供一种制造设有挤压凸缘的支杆管的方法。该方法包括：在所述支杆管的端部形成一个槽；将冲压工具的分隔板部件插入所述槽；以及操作所述冲压工具以使所述支杆管的开槽端部变平，从而形成两个平行叶片。该方法也可以包括在所述平行叶片中冲出附接孔。该方法还可以包括通过从所述挤压凸缘除去多余材料来圆整所述挤压凸缘的端部拐角。有利地，所述端部拐角通过用于冲出所述附接孔的冲孔工具进行切割。
还提供一种将斜支杆管附接至空间框架的轴向弦杆的方法。该方法包括：提供如上所述的空间框架连接件；将所述挤压凸缘的叶片滑送在所述轴环的附接凸缘上；以及将所述叶片固定至所述附接凸缘。所述叶片可以通过放置穿过在叶片和附接凸缘中的对准孔的紧固件部件(诸如可膨胀的结构紧固件、弹簧衬套、螺栓、销、或者本领域公知的其他紧固件部件)固定至所述附接凸缘。
可以建造包括一个或更多个如上所述的空间框架连接件的空间框架。所述空间框架可以通过以下方法建造，该方法包括：提供一个轴向弦杆；给该轴向弦杆装备包括一个或更多个附接凸缘的轴环；提供一个斜支杆管；给该斜支杆管的端部装备至少一个挤压凸缘；以及通过将该挤压凸缘附接到该附接凸缘而将该斜支杆管附接至该轴向弦杆。该方法还可以包括将多个斜支杆管附接至一个轴向弦杆以形成一个节点。除此之外，多个斜支杆管可以被附接至多个轴向弦杆以形成多个节点。所述斜支杆管可以在一个端部或两个端部装备有挤压凸缘，所述端部然后可以被附接至分立的轴向弦杆，或者该斜支杆管的一个端部可以附接至另一个斜支杆管并且另一个端部可以附接至轴向弦杆。通过将一个或更多个太阳能反光镜以及本领域公知的其他部件(诸如接收器管)附接至所述空间框架，通过上述方法建造的空间框架可以用来支撑太阳能聚集器。有利地，所述空间框架支杆和弦杆是横截面为圆形的管。
用在用于支撑大型抛物型太阳能聚集器的空间框架的空间框架连接件中的部件通常具有如下尺寸：所述挤压凸缘通常为约2英寸至约4英寸宽，约2英寸至3英寸长，并且每个叶片约0.0625英寸至约0.125英寸厚。轴环通常为约5英寸至约9英寸长，其外直径为约3英寸至约3.625英寸，并且其壁厚为约0.1875英寸至约0.3125英寸。在所述轴环上的附接凸缘通常为约3英寸至约4英寸宽，约5英寸至9英寸长，以及约0.1875英寸至约0.50英寸厚。
本发明的部件可以通过本领域公知的方式(包括挤压、铸造、粉末冶金术以及机加工)制造。除了上述的示例性方面和实施方案，通过参考附图以及阅读下面的说明书，其他方面和实施方案会变得清楚易懂。
附图说明
图1是准备装配的空间框架连接件的一个实施方案的多个部件的前视立体分解图。
图2是图1中示出的支杆管部件的放大后视立体图，该支杆管部件在其端部形成有挤压凸缘。
图3A是示出本发明的连接件的两个实施方案的立体图，该连接件与轴向弦杆和多个斜支杆管装配起来。图3B是示出准备装配的在图3A中示出的多个部件相对准的分解图。
图4是在图1和图3中示出的轴环部件的放大立体图。
图5是其中形成有槽的支杆管的端视图，示出制作挤压凸缘的一个步骤。
图6是在图5中示出的且其中形成有槽的支杆管的放大侧视图。
图7是在图5和图6中示出的且在端部形成有挤压凸缘的支杆管的放大侧视图。
图8是用于在支杆管的端部形成挤压凸缘的冲压工具的侧视横截面图。也示出了具有挤压凸缘的支杆管端部，该挤压凸缘在该冲压工具中形成。
图9是冲孔工具部件的侧视分解图，该冲孔工具部件被定位为在支杆管端部形成的挤压凸缘的两个叶片中冲出管附接孔。
图10A是形成在支杆管的端部的挤压支杆凸缘在除去多余材料以圆整该凸缘的端部之前的侧视图。图10B是图10A中示出的支杆凸缘在从该支杆凸缘除去多余材料之后的侧视图。
图11为在本文使用的可膨胀的结构紧固件的立体图。
图12A为可膨胀的结构紧固件的侧视图。图12B是沿图12A的线B-B截取的可膨胀的结构紧固件的横截面图。图12C是预装配的可膨胀的结构紧固件的侧视图。图12D是沿图12C的线D-D截取的可膨胀的结构紧固件的横截面图。
图13是在本发明的一个实施方案中使用的弹簧衬套的立体图。
图14是在本发明的一个实施方案中使用的已装配的弹簧衬套和螺栓的横截面图。
示例性的实施方案示出在附图的标号视图中。意图为，本文所公开的实施方案和视图应被认为是举例性的而不是限制性的。
具体实施方式
结合多个系统、工具和方法来描述和图示以下实施方案及其各个方面，这些系统、工具和方法应被看作是示例性的和举例性的，而对保护范围不进行限制。在各个实施方案中，现有技术的连接件所存在的一个或多个上述问题已被削弱或消除，而其他实施方案针对其他改进。
术语“空间框架连接件”在本文中被定义为包括用于将多个(两个或更多个)支杆附接在一起所需要的所有主要部件。
术语“轴向弦杆”具有其在空间框架建筑领域中的普通含义，即指在单个节点附接有多个斜支杆管的支杆。通常，包括附接到所述轴向弦杆的多个斜支杆管的这类节点沿着所述轴向弦杆间隔地出现。根据空间框架的需要，许多空间框架连接件可以附接至每个轴向弦杆。例如，在一个实施方案中，沿轴向弦杆大约每十二英尺就附接有这类连接件，根据轴向弦杆的长度，使用五个或更多个连接件，七个或更多个连接件，或者更多个连接件。
术语“斜支杆管”，在本文中也称为“斜支杆”或“支杆管”，具有在空间框架建筑领域中的普通含义，即指为了提供强度和稳定性而附接至轴向弦杆的支杆。如本领域中所公认的，斜支杆可以以除180°之外的任意角度附接至轴向弦杆(如果斜支杆端对端地与轴向弦杆附接，那么这就是180°)。通常，斜支杆以在约15°和约90°之间的角度附接至轴向弦杆。
用在本文中的术语“多个”指两个或更多个。
术语“挤压凸缘”被定义为在支杆管的端部的凸缘，如下文所述。有利地，挤压凸缘由支杆管的材料整体(integrally)形成；然而，本领域的技术人员应理解，该凸缘也可以分立地(separately)形成，例如由比支杆管的材料更重的材料形成，并且由本领域中公知的方式或者本文中公开的方式附接至支杆管的端部。支杆管可以在其一个端部或两个端部设有挤压凸缘。在一个实施方案中，挤压凸缘可以由本文中所描述的增强件(见图3中的元件7)增强。
图1是准备装配的空间框架连接件的多个部件的一个实施方案的立体分解图。轴环20是一个大小和形状适于安装在空间框架的轴向弦杆3上的套管，并且可以通过本领域公知的方式固定至该轴向弦杆，诸如通过穿过轴环附接孔28的销接、铆接或者螺栓连接。
轴环20设有一个或更多个附接凸缘22，支杆管2可以附接至所述附接凸缘以形成节点，在所述节点处一个或更多个支杆管2被附接至轴向弦杆(见图3A)。轴环可以设有任意数目的与被附接至附接凸缘22的部件的尺寸相一致的附接凸缘22。例如，每个轴环20可以设有一个或更多个附接凸缘22，例如三至大约八个附接凸缘22。每个附接凸缘22穿有一个或更多个附接孔24，所述附接孔用于将支杆管2附接至附接凸缘22。每个附接凸缘22可以穿有任意数目的与待附接的部件的大小和形状相一致的附接孔24。例如，每个附接凸缘22通常有一个、两个或者三个附接孔24。附接孔24在附接凸缘22上可以是等间隔的，或者可以以多行交错的方式间隔或者以为容纳在该节点位置的多个部件而需要的任何其他布局相间隔。每个支杆管2具有在其端部形成的挤压凸缘6。挤压凸缘6具有相互平行的第一叶片8和第二叶片10，在所述第一叶片和第二叶片之间有槽4。槽4的大小和形状适于将轴环20的附接凸缘接收在其中。第一叶片8穿有第一凸缘附接孔12，该第一凸缘附接孔与第二叶片10中的第二凸缘附接孔13(在图2中示出)对准。这些孔被设计大小、定形以及对准，以使得与轴环20的附接孔24对准并允许放置紧固件部件穿过这些附接孔，所述紧固件部件穿过这些对准的附接孔。在一个实施方案中，紧固件部件为可膨胀的结构紧固件26。或者，可以使用其他紧固部件，诸如弹簧衬套、销紧固件、螺母和螺栓组件、或者本领域公知的其他这类部件。第一和第二叶片8和10可以是与它们能够安装在附接凸缘22上的能力相一致的任意大小，尤其是如果不止一个斜支杆管2要连接至同一附接凸缘22。叶片越大，连接就越强。
图2是图1中示出的支杆管2的放大立体图，在该支杆管的端部形成有挤压凸缘6。图2示出了由第一叶片8和第二叶片10组成且在所述叶片之间具有槽4的挤压凸缘6。在该图中，示出了在第二叶片10中的附接孔13。
图3A是示出本发明的连接件的两个实施方案的立体图，该连接件与轴向弦杆3和多个斜支杆管2装配在一起。图3B是示出准备装配的在图3A中示出的多个部件相对准的分解图。包括附接凸缘22和轴环附接孔28的轴环20围绕轴向弦杆3。在第一实施方案中，包括具有第一和第二叶片8和10的挤压凸缘6的斜支杆管2a通过可膨胀的结构紧固件26附接到附接凸缘22。斜支杆管2b包括由增强件7增强的挤压凸缘6，并且通过另一个可膨胀的结构紧固件26附接到附接凸缘22。在一个替换的实施方案中，斜支杆管2c通过端部连接件74附接到附接凸缘22。在该实施方案中，附接凸缘22的附接孔设有待与端部连接件74中的孔相对准的孔。将可膨胀的结构紧固件26安装穿过附接凸缘22和端部连接件74中的对准孔，以实现需要最小径向间隙的紧配合。端部连接件74可以由任何本领域公知的方式制造，优选地通过模铸(die casting)或粉末冶金术(powder metallurgy)制造。端部连接件74与支杆管2的附接可以通过本领域公知的方式，包括摩擦方式，例如通过在斜支杆管2的外端部表面和端部连接件74的与斜支杆2的外端部接合的部分的内部其中的一个或两者上提供毛面部分或齿，或者可以通过本领域公知的其他方式，诸如压配合、使用粘合剂、使用铆钉、或者焊接。有利地，这通过压配合或使用铆钉实现。端部连接件74可以被制造为如图所示安装在斜支杆2的端部外部上，或者可以被制造为安装在斜支杆2内部，例如通过在支杆管2和/或端部连接件74的接合部分上提供摩擦表面。
图4是在图1中示出的轴环20的放大立体图，示出了附接凸缘22和附接孔24以及轴环附接孔28。
参见图1和图2，为了将斜支杆管2附接到空间框架的轴向弦杆，轴环20绕轴向弦杆安置。这可以在实地完成，或者可以在运到实地之前预装配轴环和轴向弦杆。轴环20可以通过经由轴环附接孔28和轴向弦杆3中的对准孔(未示出)的螺栓连接或销接，或者通过本领域公知的任何其他方式，附接至轴向弦杆20。在挤压凸缘6的端部的槽4放置在轴环20的附接凸缘22上，以使得第一和第二叶片8和10中的第一和第二凸缘附接孔12和13分别与轴环20的附接凸缘22的附接孔24对准。挤压凸缘6的第一和第二叶片8和10应基本扁平并相互平行，以安装在附接凸缘22上并保持牢固连接。
在一个实施方案中，将可膨胀的结构紧固件26放置穿过挤压凸缘6的第一叶片8中的第一附接孔12、轴环20的附接凸缘22的第一附接孔24以及挤压凸缘6的第二叶片10中的第二附接孔13，以将支杆管2固定地附接至轴向弦杆3。挤压凸缘6的叶片8和10保持平行并通过使用可膨胀的结构紧固件26与附接凸缘22紧密接触。这种可膨胀的结构紧固件例如从宾夕法尼亚州匹兹堡市的Alcoa FasteningSystems购得。可膨胀的结构紧固件26被设计为承载连接中的全部剪切负荷。可膨胀的结构紧固件26也提供足够紧密的配合，以阻止挤压凸缘6在附接凸缘22上旋转。
图5是其上形成有槽4的支杆管2的端视图，示出了在支杆管2的端部制作挤压凸缘的第一步。形成槽4的切割可以通过冲孔、铣削、使用金工锯、或者本领域公知的其他方式进行。可以在冲压支杆管2的端部之前或之后进行该切割。
图6是在图5中示出的支杆管2的放大侧视图，在该支杆管中形成有槽4。
图7是在端部形成有挤压凸缘6的支杆管2的放大侧视图。挤压凸缘6由第一叶片8和第二叶片10组成，在第一叶片8和第二叶片10之间有槽4。
图8是冲压工具30的侧横截面图，该冲压工具可以用于在支杆管2的端部形成挤压凸缘6。也示出了形成的挤压凸缘6。冲压工具30包括上冲压件32、下冲压件36以及在它们之间的分隔板34。这些部件是如在端部成型(end forming)或多步式金属板材成型工艺(multistep sheet metal forming processing)中使用的那类传统冲压装置的一部分。
如上所述已在支杆管2的端部形成槽4之后，支杆管2的开槽端部(如图6所示)放置在冲压工具30的分隔板34上，以使得支杆管2的端部安装进入上冲压件32和下冲压件36之间的腔。然后运行冲压工具30以如箭头所示将上冲压件32和下冲压件34合起来，从而使支杆管2的端部变平且形成挤压凸缘6。
下一步是通过冲孔或钻孔或本领域公知的其他方式在挤压凸缘6中形成管附接孔12和13。图9是冲孔工具的侧视分解图，该冲孔工具被定位为在支杆管2端部的挤压凸缘6中冲出管附接孔12和13。冲孔工具包括具有冲孔部件42的凸形部件40，以及冲孔窝46，该冲孔窝为在冲孔接收件44中形成的凹陷，该凹陷的大小和形状适于接收冲孔42。垫片50具有比待冲的孔稍大的垫片孔52，并且与冲孔部件42和冲孔窝46对准，以使得冲孔42在运行中穿过垫片孔52，以及垫片50也可以是冲孔工具的一部分。叶片8和10被定位，以使得垫片50位于槽4内，并且使得在叶片8和10中(例如基本在叶片8和10的中心)要形成的凸缘附接孔的期望位置与垫板50的垫板孔52、冲孔部件42以及接收件44中的冲孔窝46对准。在一个实施方案中，待冲的孔离叶片8和10的各边大约11/2英寸。然后运行冲孔工具以穿过第一和第二叶片8和10冲出孔。在被设计为支撑大型抛物槽式太阳能聚集器的空间框架的构造中，支杆壁的厚度通常在大约0.065和大约0.125之间。在这种实施方案中，第一和第二叶片8和10应各自至少约为该相同厚度。
在凸缘叶片8和10中冲出凸缘附接孔12和13之后，有利的是，从挤压凸缘6除去多余材料。图10A是在除去多余材料14以圆整挤压凸缘6的端部拐角之前的挤压凸缘6的侧视图。多余材料14可以通过在凸缘中形成孔的冲床被切去，以使得该冲床仅在一道工序中就冲出了所述孔并圆整了拐角，或者多余材料14可以通过使用本领域公知的其他方式来切割、通过磨削、或者通过本领域公知的其他方法而被除去。图10B是在图10A中示出的挤压凸缘6在从该挤压凸缘除去多余材料之后的侧视图。虚线表示除去的材料16。在冲孔的同时除去此无用的材料节约了成本，并且也节省了重量以及为接合的连接件部件提供空隙。
图11为在本文使用的可膨胀的结构紧固件26的立体图。它包括螺栓轴环27，该螺栓轴环的大小和形状适于紧密配合进挤压凸缘和附接凸缘的孔中。使用气动或液压工具，与螺栓25组合的螺栓轴环27被型锻在一起，使得该螺栓轴环形成进入所述孔的紧密牢靠的配合，该配合提供了非常强固的精确连接。
图12A为在本文使用的可膨胀的结构紧固件26的侧视图，此时它被插入穿过第一和第二挤压凸缘叶片8和10的对准的管附接孔12和13以及附接凸缘22中的附接孔24。图12B是沿图12A的线B-B截取的横截面图。图12C是预装配的可膨胀的结构紧固件26的侧视图，示出了被插入螺栓轴环27中的螺栓25。图12D是沿图12C的线D-D截取的横截面图。
当挤压凸缘叶片8和10的管附接孔12和13以及附接凸缘22的附接孔24(如图1所示)的直径比螺栓轴环27(图11)的直径大时，可膨胀的结构紧固件26安装在这些孔内，这是因为可膨胀的结构紧固件26在装配过程中膨胀。因此，可膨胀的结构紧固件26在所述孔内居中，保持紧密和精确的配合。
图13是在本发明的一个实施方案中使用的弹簧衬套48的立体图。它包括由镀锌碳钢(AISI1070-1800)制成的管54，该管的大小和形状适于在不延伸超出挤压凸缘的叶片的情况下紧密配合进挤压凸缘和附接凸缘的孔中，并且适于允许将螺栓插入穿过该管。金属管54的弹性与沿该管长度的间隙55结合使得该管形成紧密牢固的配合进入所述孔，这允许精确且强固的连接。
图14为在本文中使用的已装配的弹簧衬套48和螺栓70的横截面图，此时它们被插入穿过图1中示出的挤压凸缘6的对准的管附接孔12和13以及轴环20的附接凸缘22中的附接孔24。图14示出，螺栓70被插进弹簧衬套48，结果在螺栓70的外直径和弹簧衬套48的内直径之间留出环形间隙76。在垫圈68和第一垫板垫圈69a之间是用来容纳图1中示出的挤压凸缘6的第一和第二叶片8和10以及轴环20的附接凸缘22的空间。垫板垫圈69a和69b是可选的，仅在必要时使用。例如，如果这些部件的大小需要这样，则可以使用第二垫板垫圈69b以及其他的垫板垫圈。因为弹簧衬套可以稍微压缩，从而减小间隙55的大小，所以当管附接孔12和13以及附接孔24(示于图1)的直径小于弹簧衬套圆筒54(图13)的直径时，弹簧衬套48安装在所述这些孔中。因此，弹簧衬套48在所述这些孔内居中，保持紧密且精确的配合。被插入穿过弹簧衬套48的螺栓70使弹簧衬套48保持就位。螺栓70由螺母72锁紧，图中示出在螺母72和螺栓70之间的螺纹接合区域78。
本文的空间框架连接件的部件有利地由铝、钢、或者铝和钢制成，虽然也可以使用其他金属以及包括聚合材料在内的本领域公知的适合于此目的的材料。
基于本领域公知的工程分析，各部件由具有用于将重量和制造便利性与每个部件承受的应力(包括剪切力和负荷)相平衡的尺寸的材料制成。例如，在用于支撑大型抛物型太阳能聚集器的空间框架中，单个模块大约45’长，22’宽以及12’高，重约900磅。挤压凸缘有利地由6005T5铝制成，并且通常为支杆壁的厚度(0.065”-0.125”)，它们的厚度通常基于支杆直径，以使得对于2.5”直径的管，所述壁通常为0.065”厚，对于3”直径的管，所述壁通常为0.125”厚。如果必要，挤压凸缘的叶片可以用示于图3的增强件7来增强，该增强件为额外的金属层，例如具有与支杆壁相同的厚度，通过焊接、粘合剂、成形的插入件或者本领域公知的其他方式附接到挤压凸缘的叶片的外侧面。附接凸缘有利地由6061-T6铝制成，通常为0.375”厚。
这些部件可以通过铸造、挤压、机加工或本领域公知的其他方法(包括使用粉末冶金术(PM)制造)制得。有利地，支杆管被挤压制得。有利地，轴环被挤压制得或铸造制得，虽然诸如附接孔的部分可以根据需要进行机加工。有利地，钢部件使用传统的钢制造方法制得，但是也可以需要二次机加工。
空间框架被设计为具有的这样强度，使得结构的失效模式远离由连接件连接点控制的失效，并朝向单个支杆的弯曲失效。根据本发明的教导，为实现该设计目标而对各部件的强度要求可以由本领域技术人员计算，并且根据这些计算来设计，而不需要过多的实验，和/或通过试误法(trial and error)容易地确定。本发明的连接件也为紧凑和充足刚度的目的而设计，以最小化空间框架摇晃的趋势。此外，根据本发明的教导，这些目标可以在不需要过多的实验的情况下由本领域技术人员通过调整本发明的部件的材料和大小而容易地实现。
实施例
在一个实施方案中，根据本发明的教导装配起来的空间框架被设计为支撑一面孔径(aperture)面积为14米×6米(84米2)的镜子，并使用铝支杆构成。这与可以由以前空间框架容纳的仅约39米2的镜孔径形成对照。这在可以用于太阳能聚集器的反射镜的孔径大小方面是很大增加。每平方米的装配时间已大大减少，从以前空间框架的约10工时/框架(man-hours per frame)到本文中提供的空间框架的约3-5工时/框架。使用本空间框架的典型太阳能场地需要的框架是以前太阳能场地需要框架的大约一半，并且总建造时间至少减少大约30％。
直径为2.5”的支杆管(斜支杆)的壁为约0.065英寸厚。挤压凸缘的第一和第二叶片各自为约0.065英寸厚。这些叶片之间的槽为约0.375英寸厚以容纳接合轴环的附接凸缘的厚度。挤压凸缘通过以下步骤形成：将支杆的端部插入装备有约0.375英寸厚的垫板的冲压工具，然后进行冲压以形成所述凸缘。冲压工具被设计为提供从槽到支杆的完全圆整部分的曲率半径在约2”和约5”之间。
使用穿过挤压凸缘和附接凸缘的对准孔的弹簧衬套，将连接件装配起来。连接的撕裂(tear-out)强度被测试过，它能够承受2500磅的力。
另一个实施方案(其中挤压凸缘的叶片的外表面用符合叶片的大小和形状的0.065”厚的板来增强)被测试过，并且发现其具有的撕裂强度足以承受5000磅的力。
使用直径为3”且斜支杆壁为0.125”厚的斜支杆以及0.375”厚的轴环附接凸缘制得的另一实施方案以上述的方式构造。发现使用弹簧衬套的该连接件具有超过11,000磅的撕裂强度。
通过给轴向弦杆装配包括预附接的附接凸缘的轴环，空间框架在实地被装配。或者，轴环可以在实地附接到轴向弦杆。提供斜支杆管，如上所述，已通过冲压和冲孔在该斜支杆管上形成挤压凸缘。通过将斜支杆的挤压凸缘的叶片滑送在该斜支杆要附接的轴向弦杆上的轴环的附接凸缘上而定位每个斜支杆，以使得挤压凸缘的叶片中的管附接孔对准轴环的附接凸缘上的附接孔。然后将可膨胀的结构紧固件穿过对准的孔。可膨胀的结构紧固件提供承载接合点上的负荷所必需的剪切强度。可膨胀的结构紧固件也保证，挤压凸缘保持平行并且与轴环凸缘紧密接触。在使用弹簧衬套的实施方案中，弹簧衬套插入穿过对准的孔，诸如螺母和螺栓的紧固件可以插入穿过弹簧衬套，以确保弹簧衬套不自行松掉或出现在不该在的位置。螺母和螺栓也确保了挤压凸缘保持平行以及与轴环的附接凸缘紧密接触。在一个实施方案中，在没有螺母和螺栓、销紧固件或其他紧固装置的情况下，弹簧衬套可单独用来将支杆的挤压凸缘附接至轴环的附接凸缘。
在一个实施方案中，从下而上构造空间框架，所有斜支杆通过如上所述的方法附接至最低处的轴向弦杆。首先，将轴向弦杆定位并装配上设有附接凸缘的轴环。然后，附接斜支杆并旋转定位，以使得它们的相对端部可以被附接到更高处的轴向支杆。继续该过程，直到完成该空间框架。该过程适合于在这样的条件下构造轴向弦杆的组件，即在受控环境下或在安装地点附接斜支杆，因为这些装配部件可以为了运输以及在实地架设而紧凑包装，斜支杆可以在实地被旋转定位且固定到其他轴向弦杆。
虽然上文已讨论了若干示例性的方面和实施方案，但本领域技术人员会发现对这些方面和实施方案的某些修改、置换、增加以及子组合。塑料以及本领域公知的其他材料也可以用来形成这些部件。在一些支杆受到更高的负荷并在它们上的应力比空间框架内其他构件上的应力大得多的地方，可以有必要具有一些由不同材料制成或具有特殊端部条件的支杆，以辅助承载额外负荷。因此，意图为，将以下所附的权利要求和下文引入的权利要求解释为包括这些和其他修改、置换、增加和子组合，如同它们在权利要求的真实主旨和范围内。

Claims (25)

1.一种用于将斜支杆管附接至空间框架的轴向弦杆的空间框架连接件，该空间框架连接件包括：
轴环，其适于完全围绕所述轴向弦杆装配，所述轴环包括一个或更多个附接凸缘；以及
在其端部包括挤压凸缘的支杆管；所述挤压凸缘包括第一和第二平行叶片，在所述第一和第二平行叶片之间限定一个槽，所述槽的大小和形状适于装配在所述附接凸缘上。
2.根据权利要求1所述的空间框架连接件，其中所述附接凸缘和所述挤压凸缘包括多个附接孔，所述附接孔这样定大小和位置，使得所述孔可以在使用时被对准，以接收穿过对准的孔的紧固件部件。
3.根据权利要求1所述的空间框架连接件，其中所述挤压凸缘从所述斜支杆管的端部整体形成。
4.根据权利要求1所述的空间框架连接件，其中所述挤压凸缘是一个端部连接件的部件，该端部连接件被附接到所述斜支杆管的端部。
5.根据权利要求1所述的空间框架连接件，其被附接至空间框架的轴向弦杆。
6.根据权利要求1所述的空间框架连接件，其中所述支杆管包括在其每个端部的挤压凸缘。
7.一种空间框架连接件系统，包括权利要求2所述的空间框架连接件以及所述紧固件部件。
8.根据权利要求7所述的空间框架连接件，其中所述紧固件部件包括可膨胀的结构紧固件，该可膨胀的结构紧固件的大小和形状适于被插入所述附接凸缘和所述挤压凸缘的对准的附接孔。
9.根据权利要求7所述的空间框架连接件，其中所述紧固件部件包括弹簧衬套，该弹簧衬套的大小和形状适于被插入所述附接凸缘和所述挤压凸缘的对准的附接孔。
10.一种在其端部包括挤压凸缘的支杆管，所述挤压凸缘包括第一和第二平行叶片，在所述第一和第二平行叶片之间限定一个槽。
11.一种制造权利要求10所述的支杆管的方法，包括：
在所述支杆管的端部形成一个槽；
将冲压工具的分隔板部件插入所述槽；以及
操作所述冲压工具以使所述支杆管的开槽端部变平，从而形成两个平行叶片。
12.根据权利要求11的方法，还包括在所述平行叶片中冲出附接孔。
13.根据权利要求11的方法，还包括通过从所述挤压凸缘除去多余材料来圆整所述挤压凸缘的端部拐角。
14.一种将斜支杆管附接至空间框架的轴向弦杆的方法，包括：
提供权利要求1中任一项所述的接合连接件；
将所述挤压凸缘的叶片滑送在所述轴环的附接凸缘上；以及
将所述叶片固定至所述附接凸缘。
15.根据权利要求14所述的方法，包括：
通过把所述附接凸缘和所述叶片的所述附接孔对准将所述叶片固定至所述附接凸缘；
放置紧固件部件穿过对准的孔。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述紧固件部件包括可膨胀的结构紧固件。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述紧固件部件包括弹簧衬套。
18.一种空间框架，包括一个或更多个权利要求1所述的空间框架连接件。
19.一种建造权利要求18的空间框架的方法，包括：
提供一个轴向弦杆；
给所述轴向弦杆装备包括一个或更多个附接凸缘的轴环；
提供一个斜支杆管；
给所述斜支杆管的端部装备至少一个挤压凸缘；以及
通过将所述挤压凸缘附接到所述附接凸缘而将一个斜支杆管附接至所述轴向弦杆。
20.根据权利要求19所述的方法，包括将多个斜支杆管附接至一个轴向弦杆以形成一个节点。
21.根据权利要求20所述的方法，包括将多个斜支杆管附接至多个轴向弦杆以形成多个节点。
22.根据权利要求21所述的方法，包括给至少一个已装备有挤压凸缘的所述斜支杆管在另一端部装备一个附加的挤压凸缘。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括：
将所述多个斜支杆管附接至一个轴向弦杆上的多个轴环；以及
旋转所述斜支杆管，以使得它们的未附接端部位于待附接至另一个轴向弦杆的位置
24.根据权利要求23所述的方法，还包括将在每个斜支杆管的未附接端部的一个挤压凸缘附接至另一个轴向弦杆。
25.根据权利要求19所述的方法，还包括将太阳能反光镜附接至所述空间框架。
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