CN102741039A - 制造包括加强轭的复合材料制成的连杆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造由复合材料制成并包括用于接纳机械轴线的轭（7）的连杆（6）的方法，轭（7）包括垂直于机械轴线的两个平行臂（7a、7b），该方法包括步骤：制造芯棒（11），芯棒（11）形成为足够刚性以接纳纤维层（8a-8e、9a-9d）的单件；在轭（7、7a、7b）处在所述芯棒（11）上施加纤维层（8a-8e）和在基层（8a-8e）之间交错的其他层（9a-9d）以在轭（7、7a、7b）上形成增加的厚度；插入接线片（13a、13b）延伸穿过中间层（9a-9d）和基层（8a-8e）；注入树脂到基层（8a-8e）和中间层（9a-9d）并聚合所述树脂。

Description

制造包括加强轭的复合材料制成的连杆的方法

技术领域

本发明涉及用于制造包括主体的由复合材料制成的连杆的方法，主体的一部分（诸如一端）被加强以经受机械应力集中。

背景技术

图1示出一个这样的连杆1，该连杆包括在其每个端部处由双轭3、4延伸的大致管状中空主体2。

每个双轭3、4包括两个臂3a、3b、4a和4b，所有的双轭都由比连杆的其余部分的复合材料的名义厚度大的复合材料厚度构成。每个轭的两个臂平行于中空主体的总体方向AX放置，且每个臂包括孔，孔中安装有金属轴承。

在从专利文献FR2893532得知的方法中，该连杆由切成图2所示形状的一件加强纤维组织制成。该形状包括用于中空主体2的中心部分和用于每个对应于双轭臂的延伸部。

所使用的组织是2.5D型的具有恒定厚度的碳纤维组织，即包括多个重叠的编织纤维层，这些编织纤维层通过连接纤维（也称为横向纤维）而彼此连接。

该连杆的制造包括通过对其施加芯棒等来折叠图2中的组织件，然后将树脂注入到加强纤维组织并固化该组合物以聚合该树脂。

在成形该组织之前，通过在轭的水平面处切除2.5D组织的基层的连接纤维，从而将这些基层彼此局部分离以增加轭的厚度。

然后在所分离的基层之间局部地插入交错层，这能够局部地增加厚度。在添加交错层后，所谓的横向纤维穿过该组件以将所有层固定在一起。

每个轭的诸臂的厚度由此显著大于连杆的其余部分的厚度以提高轭抵抗沿方向AX施加在其上的力的机械阻力。这些力来自当连杆的轭安装在图中未示出的轴上时在连杆上的正常负载。

实践中，可实现的增加的厚度受到难以在所使用的2.5D组织的每个层与下一层之间添加多于一个交错层的因素限制。可产生的厚度增加上的限制体现在轭的机械强度和由此作为整体的连杆的机械强度的限制。

发明内容

本发明的目的是提出一种进一步增加连杆的一部分的机械强度的解决方案。

为此，本发明提供一种制造包括适于接纳机械轴的轭的复合材料连杆的方法，该轭包括垂直于所述机械轴的定向（AZ）的两个平行臂，该方法包括以下步骤：

-制造芯棒，该芯棒形成足够的整体刚性以接纳纤维层；

-在轭的水平面处对该芯棒施加构成连杆的加强纤维基层和在基层之间交错的附加层，以在该处构成增加的厚度；

-在轭的每个臂的水平面处，根据该轭所要安装在其上的机械轴的定向将接线片插入穿过交错层和基层；

-将树脂注入到基层并注入到交错层并聚合该树脂。

通过该解决方案，平行于轭所要安装在其上的机械轴定向的接线片通过纵向定向的力看上去提高了轭的机械强度。

本发明还提供了如上所限定的方法，其中，基层是围绕芯棒编织的加强纤维层，且每个交错层由围绕芯棒缠绕的加强纤维捆绑物和芯棒承载的一个或多个基层形成。

本发明还提供了如上所限定的方法，其中，用于交错层的捆绑物是加强纤维组织带。

本发明还提供了如上所限定的方法，其中，插入的接线片由振动支承承载。

本发明还提供了如上所限定的方法，其中，振动支承包括基板，该基板的一面承载短柱，且具有比这些短柱的长度大的厚度的可压缩材料垫片附连抵靠承载短柱的该面，使这些柱部分地穿过垫片，并且每个接线片由振动支承承载，面向相应短柱插入在垫片中。

附图说明

已经描述的图1是已知的具有两个双轭的复合材料连杆的总体视图；

已经描述的图2是用于通过已知方法制造图1的连杆的加强纤维组织件在摊平时的视图；

图3示出通过本发明的方法制造的连杆轭的穿过其纵向轴线的剖面立体图；

图4示出通过本发明的方法制造的连杆轭的穿过其纵向轴线的剖面侧视图；

图5是可用于使用本发明的方法来制造连杆的芯棒的立体图；

图6是示意性示出围绕图5中的芯棒堆积加强纤维编织层的操作的立体图；

图7是示意性示出围绕承载编织加强纤维层的芯棒缠绕加强纤维层的操作的立体图；

图8至14示出将接线片插入本发明的轭臂的操作步骤。

具体实施方式

本发明在于实现其上安装有轭的机械轴在其上施加沿连杆的纵向轴线定向的力，但这导致轭臂的应力垂直于该纵向轴线定向，这在该组件处于负载下时通过分层开始损坏轭。

根据本发明，通过加强将构成每个臂的平行层紧固在一起的连接来提高每个轭臂的强度，而不是增加构成这些臂的增加的厚度。

具体来说，当连杆处于负载下时，连杆承受纵向负载，该纵向负载通过主要沿纵向定向的机械应力反映在连杆本体中。在轭的水平面处，由每个轴传递的力与每个臂中不均匀分布的沿多向体现的应力相反。

这些多向应力非常可能将构成每个轭臂的层分层，并从而增加横向接线片使得能够增加这些层之间的内聚力，这意味着机械强度的增加，特别是沿纵向方向的机械强度的增加。

图3和图4所示的本发明的连杆6包括构成彼此平行定向的两个臂7a和7b、沿连杆的纵向（由轴线AX表示）延伸的双轭7。

该连杆由以套筒形式围绕芯棒11的加强纤维基层8a至8e的组件构成。在该连杆的端部，即在对应于臂7a和7b的区域7中，已经将另外的交错层9a至9d局部地插入在连续基层8a至8e之间。

每个臂7a、7b由厚度相当于构成连杆6的加强纤维的名义厚度的基本上两倍的加强纤维构成，特别是在其中心区域中，即管状本体中。

每个臂7a、7b还包括孔（没有附图标记），孔中配合有相应的金属环。这些环12a和12b构成与垂直于轴线AX的轴线AZ对准并围绕轭所要安装在其上的机械轴的轴承，以在臂中分布由该机械轴施加的力。

重叠以构成每个臂7a和7b的、位于垂直于轴线AZ的平面中的加强碳纤维层8a-8e和9a-9d具有穿过其平行于方向AZ并将重叠层固定在一起的碳接线片。

如可从图中看到的，接线片13a穿过臂7a的纤维层，而接线片13b穿过臂7b的纤维层。

通过在这些接线片13a和13b干燥时，即在注入树脂之前，通过将这些接线片13a和13b插入加强纤维层而安装这些接线片13a和13b。接线片有利地使用承载将要插入接线片的、朝向接线片插入其中的轭臂的外表面逐渐移动的振动支承插入轭臂中，如下文更详细描述的那样。接线片还可通过其它已知方法插入，通常称为“z销连接（z-pinning）”方法。通常采用每个平方厘米3至5个接线片量级的接线片密度。

一旦已经插入接线片13a和13b，由芯棒11与芯棒11所承载的纤维基层8a-8e、在臂7a和7b的水平面处在这些基层之间交错的附加层9a-9d、以及接线片13a和13b构成的组件被安装在模具中。然后将树脂注入到所有层中，并通过加热聚合该树脂。

在完成的部件中，通过聚合树脂并通过接线片共同地提供基层8a-8e与交错层9a-9d之间的连接。

接线片13a和13b通过提供沿方向AZ的牵引阻力来抵抗加强纤维层的分层，同时聚合的树脂将力从一层传递到另一层，沿平行于与轴线AZ垂直的平面的方向提供剪切强度。

图3和图4所示的连杆可通过结合图1和2描述的方法，即，使用2.5D碳加强纤维组织件进行制造。

如上所指出的，在对应于轭臂的区域内切除连接该组织基层的横向纤维，并在臂的水平面处在局部分离的基层之间设置附加的交错层。

以此方式改变的组织件然后被安装在芯棒上，其中，在轭臂的水平面处插入接线片，此后，于是整体安装在模具中用以注射并聚合树脂。

连杆也可有利地通过围绕芯棒进行编织而产生构成连杆的基层（即层8a-8e）的方法进行制造，且其中在每个轭臂的水平面处交错的各附加层通过缠绕施加在织造加强纤维带上。

该情形中，在轭臂的水平面处局部地沿方向AZ施加接线片13a和13b以将基层8a-8e连接到交错层9a-9d，基层8a-8e于是成为编织层，交错层于是成为缠绕层。

如可从图5中看到的，芯棒11沿纵向轴线AX延伸，采用具有围绕该轴线旋转的总体形状的大致中空套筒形式。芯棒11的横截面在中心区域14或多或少是圆形，而在第一和第二端16、17处，该截面具有大致矩形形状。

两个杆18和19刚性地固定到芯棒11的端部16和17，沿方向AX延伸，以使得能够操作芯棒而不必通过芯棒外表面保持芯棒。

用于支承加强纤维层和赋予完工部件外部形状的芯棒11可由预灌注碳纤维组织层进行制造，然后整体被预聚合以赋予芯棒所需的机械刚性。

如图6所示，一旦已经完成芯棒11，则芯棒配合在编织机器21中以围绕芯棒编织加强碳纤维构成的第一基层8a。机器21主要包括对中在轴线AX中并承载一系列碳纤维线轴23的环22。

当通过控制装置沿轴线AX将芯棒11移动通过环22时，围绕芯棒11的外表面织造碳纤维“袜”。如可从图7中看到的，第一编织碳纤维基层8a在整个芯棒11长度上围绕芯棒11并延伸越过芯棒的端部16和17。

当已经施加第一编织层8a时，围绕芯棒11的第一端16在该第一基层8a上方缠绕第一带9a，以构成加强双轭7的臂的局部增加的厚度。

连杆的第一端与芯棒11的第一端16重合，连杆的中心区域与芯棒11的中心区域14重合，而连杆的第二端与芯棒11的第二端17重合。

根据具有大致矩形基部的螺旋总体形状，符合缠绕带9a所围绕的芯棒11的端部16的截面设置该缠绕带9a。在图7中，带9a以彼此间隔开的三匝螺旋围绕端部16。

一方面，螺旋匝可以是连续的而不是彼此间隔开，而另一方面，可以添加两个编织层之间以此方式引入的增加厚度的方式围绕该第一端连续地缠绕多层带。

可手动地、自动地或半自动地施加该带。例如，可通过包括围绕芯棒11的环、适于围绕芯棒转动并承载加强纤维带线轴的缠绕机器来实现该缠绕。环的转动和芯棒沿轴线AX的向前移动使得能够以可调整为所要求的节距进行缠绕。

一旦已经围绕第一端缠绕该第一带9a，具有第一编织基层8a和第一缠绕带9a的整个芯棒11再次出现在环22内部以围绕该组件编织加强纤维的另一基层8b。

一旦已经编织该第二基层8b，则围绕第一端16缠绕第二带，并连续地进行编织层和缠绕带的施加操作以施加最后的编织基层。

当已经施加所有的层时，在每个轭臂的水平面处插入接线片以增加将编织基层和缠绕交错层连接在一起的连接的机械强度。

如图8至14所示意性示出的，使用承载接线片13b并朝向臂7b的外表面降低的振动支承将接线片插入轭臂7b中。以类似方式将接线片插入另一臂7a中。

振动支承24包括基板26，基板26装备有从基板的表面之一突出且各自位于所要插入的接线片的位置处的一组短柱27。

聚丙烯、聚苯乙烯等材料构成的垫片28具有大于这些短柱27的长度的厚度，该垫片28被施加到承载这些短柱的表面，从而支承抵靠基板26的相应表面并使短柱27局部穿过垫片。

所要插入轭臂7b的每个接线片13b首先“植入”在垫片28的自由面中，面向相应短柱27，从而接线片13b的端部支承抵靠短柱27的端部。一般来说，垫片28由足够柔性的材料制成，以使一方面短柱27、另一方面接线片13b都穿过垫片。

在该阶段，如图8所示意性示出，承载还没有被插入的接线片13b的振动支承24定位在轭臂7b的外表面上方。然后在整体朝向轭臂降低、承受由图中箭头F所示出的力的同时启动用于振动该振动支承的装置。

随着振动支承降低，振动支承所承载的接线片13b配合穿过构成臂7b的基层和交错层，如图9所示，直到垫片28与该臂7b的外表面接触，这对应于图10所示的情形。

由于垫片28由柔性和/或可压缩材料制成，振动支承24的向下移动可仍然由于在力F的作用下继续，这压缩垫片28，由此减少其厚度。

在该阶段，如图11所示意性示出，刚性短柱27通过臂7b的外表面局部地刺穿第一纤维层。接线片13b的端部然后被嵌入臂7b中，而不是从臂7b的外表面突出。

换言之，装备有可压缩材料垫片28的振动支承24的使用使得能够完成将接线片13b嵌入在轭臂7b的厚度中，如图12示意性地示出。

接线片13b嵌入在臂的厚度中的事实有利于由芯棒和芯棒所承载的层形成的组件安装入模具中，以便注射并聚合树脂用来粘接该组件。

实践中，构成连杆的加强纤维层沿径向具有一定压缩性，且这些层在安装在模具中时就被压缩，这又进一步提高了整个部件的纤维密度。

因为接线片13b完全嵌入在加强纤维层的厚度中，在该组件安装在注塑模中之后，接线片不构成对这些纤维层径向压缩的障碍。

如图12和13示意性地示出，轭臂7b在安装在模具中之前具有厚度e，而在安装在模具中之后，轭臂7b的厚度减少到值e’。

一旦树脂已经注入并聚合，则双轭被加工，且可在每个轭臂中形成孔，用于在其中安装相应的环，如图14示意性地示出。

双轭7在包含轴线AX并沿垂直于轴线AZ的方向定向的平面中可例如经过金属切割锯越过原料部分的第一端进行加工。

经过该金属切割锯形成将双轭7的两个臂或分枝7a和7b彼此分离的沟槽，以使它们隔开与金属切割锯的厚度对应的距离。

在图5至图7的示例中，围绕第一端缠绕的材料是采用织造纤维带形式的加强纤维捆绑物。还能够直接缠绕制造加强纤维的加强纤维、带、油绳或绳。更通常来说，重要的是缠绕由加强纤维制成的捆绑物有利地具有与基层纤维相同的种类。

此外，在图中所示示例中，该方法用于加强一个连杆端。本发明可具有其它应用，但是：能够例如在连杆本体的中心区域中缠绕一个或多个带，并通过接线片加强它们。

Claims (5)

1.一种制造包括适于接纳机械轴的轭（7）的复合材料连杆（6）的方法，该轭（7）包括垂直于所述机械轴的定向（AZ）的两个平行臂（7a、7b），所述方法包括以下步骤：

-制造芯棒（11），所述芯棒（11）形成足够的整体刚性以接纳纤维层（8a-8e、9a-9d）；

-在所述轭（7、7a、7b）的水平面处对该芯棒（11）施加构成所述连杆（6）的加强纤维基层（8a-8e）和在所述基层（8a-8e）之间交错的附加层（9a-9d），以在该处构成增加的厚度；

-在所述轭（7）的每个臂（7a、7b）的水平面处，根据该轭（7）所要安装在其上的机械轴的定向（AZ）将接线片（13a、13b）插入穿过所述交错层（9a-9d）和所述基层（8a-8e）；

-将树脂注入到所述基层（8a-8e）并注入到所述交错层（9a-9d）并聚合该树脂。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述基层（8a-8e）是围绕所述芯棒（11）编织的加强纤维层，且每个交错层（9a-9b）由围绕所述芯棒（11）缠绕的加强纤维捆绑物和所述芯棒（11）承载的一个或多个基层（8a-8b）形成。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：用于所述交错层（9a-9b）的捆绑物是加强纤维组织带。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：插入的所述接线片（13a、13b）由振动支承（24）承载。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述振动支承（24）包括基板（26），所述基板（26）的一面承载短柱（27），且具有比这些短柱（27）的长度大的厚度的可压缩材料垫片（28）附连抵靠承载所述短柱（27）的所述面，使这些柱（27）部分地穿过所述垫片（28），并且每个接线片由所述振动支承（24）承载，面向相应短柱（27）插入在垫片（26）中。

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