CN102777540B - 用于机械传动装置的混合式传动带 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于传动系统的混合式传动带、一种具有混合式传动带的机械传动系统，以及一种制造混合式传动带的方法。该混合式传动带包括：外层组件，由具有理想的张紧性能的材料制成，以使得外层组件能够调整以在张紧感应弯曲中体现出优越的疲劳性能。该混合式传动带还包括：内层组件，由具有理想压缩性能的材料制成，以使得内层组件能够调整以在压缩感应弯曲中体现出优越的疲劳性能。混合式传动带配置成，弯曲中性轴位于内层材料和外层材料之间，从而使得外层材料在弯曲时仅受到张紧作用，而内层材料在弯曲时仅受到压缩作用。

Description

用于机械传动装置的混合式传动带

技术领域

本申请涉及一种用于机械传动装置的混合式传动带。所述混合式传动带具有理想的弯曲疲劳寿命。

背景技术

典型地是，某些机械传动装置会使用张紧元件来作为一种传递致动器动力和动作的高效的方法。由于其相对简单且同时质量小、刚度大，故张紧元件具有吸引力。典型地是，张紧元件可能包括合成纤维绳索、金属缆线，或者甚至是金属带。

在具有空间限制的应用中，绳、缆线和条带能够附在小直径的滑轮上。绳和缆线的一个缺点在于，当绳和缆线周期性地附在滑轮上时，纤维或金属线彼此弯曲和磨损（abraid）。由于绳或线缆的张紧度，以及绳或线缆所环绕的滑轮的弯曲度的影响，磨损行为会加剧。随着弯曲循环数量的累加，最终绳索会透支自身结构，并且绳或缆线会过度伸缩或断裂。

金属带为刚性元件，当在滑轮上弯曲时，会产生结构变形。将金属带应用在绳和缆线上是有利的，这是因为能够避免磨损的情况。然而，周期性的弯曲会导致金属疲劳和产生裂纹，由此将会导致最终的断裂。对于具有较高频率动作的应用，弯曲循环会迅速地聚积，疲劳极限便成为了最主要的限制条件。

因此，目前具有改善机械传动元件的需求。

附图说明

本申请的系统所特有的新颖性特征将会在随附的权利要求书中得以阐述。然而，通过参阅下面的详细描述同时结合阅读随附的附图，将会更好地理解该系统本身、和使用的优选方式，以及进一步的目的和优势，其中：

图1是根据本申请的示例性实施方式的具有传动带的传动系统的透视图；

图2是根据本申请的优选实施方式的混合式传动带的II-II方向的剖视图；

图3是根据本申请的优选实施方式的混合式传动带的III-III方向的剖视图；

图4是根据本申请的优选实施方式的处于偏斜状态的混合式传动带的剖视图；

图5是根据本申请的可替换实施方式的混合式传动带的剖视图；

图6是根据本申请的可替换实施方式的混合式传动带的剖视图；

图7是根据本申请的混合式传动带的制造实施方式的剖视图；

图8是根据本申请的混合式传动带的制造实施方式的剖视图；

图9是根据图1中的本申请的一实施方式的混合式传动带的一个部分的细节图；以及

图10是根据图1中的本申请的一实施方式的混合式传动带的一个部分的细节图。

具体实施方式

本申请的系统包括由两种或多种单独的材料构成的混合式传动带。这两种材料能够组合以使得，在弯曲过程中，每种材料都能够相对于每次感受到的载荷的类型而实现最佳化，从而能够极大地增加混合式传动带的疲劳寿命。在一种实现方式中，混合式传动带应用于旋翼飞机的旋翼桨片内部的传动元件上。

参阅图1，一种典型的传动系统101结合混合式传动带103得以显示。在示出的实施方式中，混合式传动带103的直线运动被转换成旋转式驱动元件105的旋转运动。混合式传动带103环绕在旋转式驱动元件105的周围，以使得混合式传动带103得以在方向107或109上移动，致使旋转式驱动元件105发生旋转111。由于混合式传动带103的一部分卷绕在旋转式驱动元件105的径向轮廓上，故混合式传动带103的内层部分被压缩，而混合式传动带103的外层部分则呈张紧状态。正如文中进一步所述，混合式传动带103如此配置，以使得压缩弯曲应力能够作用在具有理想的压缩性能的第一材料上，同时拉伸弯曲应力能够作用在具有理想的张紧性能的第二材料上。

应当理解地是，传动系统101仅仅是应用混合式传动带103的多种系统中的一个实例。且混合式传动带103能够呈现出多种几何形状。另外，混合式传动带103还能够分为多个部分。在一些实施方式中，混合式传动带103可能仅仅作用于旋转式驱动元件105的一个部分。例如，混合式传动带103可能仅缠绕在旋转式驱动元件105的局部的外周或弧形物上。另外，混合式传动带103可能会耦接到传动系统的其他部分上，例如敲击装置，敲击装置配置成能够将一个方向上的直线运动转换成不同方向上的旋转运动。混合式传动带103还可以应用于具有多个串联设置的旋转驱动元件的传动系统中。应当理解地是，旋转式驱动元件105无需一定是圆柱形的，恰恰相反地是，旋转式驱动元件105可能是多种轮廓和几何形状。例如，旋转式驱动元件105可能具有凸轮式的形状，从而能够配置成产生偏心或不规则的旋转运动。

应当理解地是，混合式传动带103特别适合于安装到需要进行高频率循环移动的装置上，这些装置可能会因为疲劳而导致现有传动带的过早损坏。混合式传动带103配置成能够承受高频率的弯曲循环，并且不会过早的遭受疲劳失效。

参阅图2-4，混合式传动带103包括内层组件113和外层组件115。内层组件113由具有理想压缩性能的材料制成，以使得内层组件113能够调整以在压缩感应弯曲中体现出优越的疲劳性能。例如，内层组件113能够由金属材料制成，如钢、钛、铝，仅举几例。在示例性的实施方式中，内层组件113由型号为17-7TH1050的不锈钢制成，且内层组件的厚度大约为0.002英寸。

外层组件115由具有理想的张紧性能的材料制成，以使得外层组件115能够调整以在张紧感应弯曲中体现出优越的疲劳性能。例如，外层组件115由包含有基体材料中的纤维的复合材料制成，例如一种在树脂溶液中处理过的复合纤维的织物。应当理解地是，特定的复合材料能够应用在特定的实施例中，且可以是本领域的技术人员已知的多种复合材料系列。在示例性的实施方式中，外层组件115具有大约为0.0037英寸的厚度，并由在E773环氧树脂基体中处理过的S2玻璃纤维制成。复合材料中的纤维特别适合于被拉伸而不是被挤压的载荷情形。因此，复合材料作为外层组件115的材料组分是理想的，当传动带103围绕旋转式驱动元件105径向弯曲时，外层组件能够承受张紧力。

混合式传动带103配置成，弯曲中性轴117设置在或靠近于内层组件113和外层组件115之间的过渡处。弯曲中性轴117是一种没有纵向应力或应变的轴。进一步，弯曲中性轴117是设置在压缩/张紧应力和应变之间的分界线。弯曲中性轴117的位置部分取决于内层组件113和外层组件115的弹性模量和厚度。因此，内层组件113和外层组件115是有大小之分的，并由理想的材料制成，以使得弯曲中性轴117设置在或靠近于内层组件113和外层组件115之间的过渡处。这样的配置形式能够隔离弯曲负荷，以使得内层组件113能够承受压缩弯曲负荷，而外层组件115能够承受张紧弯曲负荷。

参阅图4，混合式传动带103的一部分被描述为围绕在旋转式驱动元件的一部分上，例如旋转式驱动元件105。如图4所示，混合式传动带103处于偏斜的状态，以使得外层组件115处于张紧状态，同时内层组件113处于压缩状态。在弯曲动作时，弯曲中性轴117是位于压缩和张紧负荷之间的分界线。

一种制造混合式传动带103的方法包括将一层或多层预先浸渍的复合材料直接铺设在内层组件113上。固化该组件，以使得预先浸渍的多层复合材料形成外层组件115。在混合式传动带103的一个实施方式中，将树脂设置在预先浸渍的复合层之上，以形成内层组件113和外层组件115之间的粘合剂。其他实施方式中，例如混合式传动带501（如图5所示），在进行组装时，可将粘合层503设置在内层组件113和外层组件115之间。应当理解地是，传统的复合制造技术也能够使用在制造混合式传动带103上，例如真空袋成型、模塑和高压蒸汽养护等等。

暂时参阅图9和10，当外层组件115由复合材料制成后，复合材料的纤维能够定位成可适应弯曲动作中的弹性模量。选择性地进行纤维的定位是用于适应弹性模量的一种有用手段，以便能够控制用于混合式传动带103的弯曲中性轴117的位置。图9示出了具有外层组件115的混合式传动带103的一种实施方式，该外层组件115具有平行于传动带的长度方向定位的纵向纤维901。图10示出了具有外层组件115的混合式传动带103的另一种实施方式，该外层组件115具有与混合式传动带103的纵向轴线成45度角的第一组纤维1001，以及与第一组纤维1001成45度角的第二组纤维1003。典型地是，由于纤维的设置方向不同，对于一个给定的厚度，相比于图10中的外层组件115的实施方式，图9中的外层组件115的实施方式在弯曲动作中具有更高的弹性模量。图9和10中示例性地示出了如何能够通过可选择性地定位纤维，而实现外层组件115的弹性模量的调整。

现参阅图5，示出了混合式传动带501的一种替代性实施方式。混合式传动带501与混合式传动带103相近似，除此之外混合式传动带501还包括设置在内层组件113和外层组件115之间的粘合层503。粘合层503能够用于促进内层组件113和外层组件115之间的接合。优选地是，粘合层503以粘合膜的形式设置在内层组件113和外层组件115之间。粘合层503优选在固化循环中实现固化，其中粘合膜承受压力和/或温度的影响。应当理解地是，还可以使用仅需要环境压力或温度即可固化的粘合剂。在混合式传动带501的组装过程中，外层组件115可在与粘合层503和内层组件113组装之前进行固化。可选择地是，外层组件115也可在与内层组件113进行组装的同时，与粘合层503一起固化。

现参阅图6，示出了混合式传动带601的一种可替换实施方式。混合式传动带601与混合式传动带103相近似，除此之外混合式传动带601还包括多个内层组件和多个外层组件。与混合式传动带103的情况相同的是，内层组件也具有理想的压缩特性，而外层组件则具有理想的张紧特性。混合式传动带601还包括一个额外的外层组件605。优选地是，相比于外层组件115，外层组件605是一种具有较低的弹性模量和较高的应变能力的复合材料。例如，如果外层组件115是碳化纤维/环氧树脂，那么外层组件605则可是玻璃纤维/环氧树脂。相类似地，混合式传动带601包括一个额外的内层组件603。优选地是，内层组件603是一种具有比内层组件113的弹性模量更低的金属件。例如，如果内层组件113是不锈钢，那么内层组件603则可以是钛。粘合层能够设置在内层组件113和内层组件603之间。混合式传动带601特别适合于调整弯曲中性轴117的位置。另外，具有多个内层组件和/或外层组件的混合式传动带601可使得整个带体的厚度和弯曲中性轴的位置实现最优化。另外，应当理解地是，混合式传动带601可能仅具有一个单独的外层组件，例如外层组件115。相类似地是，应当理解地是，混合式传动带601也可能仅具有一个单独的外层组件，例如外层组件113。另外，混合式传动带601还可能具有任意数量的内部和外层组件。

参阅图7，混合式传动带103的一个实施方式包括可选择地在铺设组装和固化过程中进行预弯曲。因为优选地是，内层组件113是一种金属材料，而外层组件115是一种复合材料，内层组件113具有较高的热膨胀系数。如此，在固化过程中加热组件将会引发内层组件113比外层组件115横向延伸的更厉害。组件随后的冷却将会导致内层组件113比外层组件115收缩的更厉害。如图7所示，为了避免可能发生的任何翘曲，混合式传动带可在具有凹模表面的底部塑模工具703中进行组装。另外，顶部塑模工具701可用于进一步使外层组件115的上表面成型。底部塑模工具703在内层组件113和外层组件115上形成预弯曲，以使得内层组件113和外层组件115经随后的冷却后能够用于生产平整的混合式传动带103。塑模工具的预弯曲度取决于内层组件113和外层组件115的几何形状和材料，以及固化温度。

参阅图8，混合式传动带501的制造能够通过将内层组件113、粘合层503和外层组件115应用到封闭的型腔工具中而实现。应当注意的是，示出的封闭的型腔工具的几何构型仅仅是封闭的型腔工具的多种几何形状中的一个示例。封闭的型腔工具优选具有刚性的第一工具801和刚性的第二工具803。优选地是，封闭的型腔工具具有一个或多个止停件，以便能够控制形成混合式传动带501的理想的最终厚度。在加工过程中，加热组件直到粘合层503变粘，接着同时施力于第一工具801和第二工具803，使粘合层流出，直到止停件相遇时停止。在一种可替换实施方式中，刚性的第一工具801和刚性的第二工具803具有弯曲表面，其能够在混合式传动带501上实现预弯曲，这与图7中所示的实施方式相类似。

本申请的混合式传动带系统提供有重要的优势，包括：1）提供具有超强弯曲疲劳特性的混合式传动带；2）提供一种混合式传动带，其具有特别适合于压缩的内层组件和特别适合于张紧的外层组件；3）通过可选择性地定位纤维来调整复合外层组件的弹性模量；4）在处理过程中对混合式传动带进行预弯曲；以及5）通过选择内层组件和外层组件的几何形状和材料来调整弯曲中性轴的位置，以使得外层组件仅受到张紧作用，而内层组件仅受到压缩作用。

明显地是，本申请的重要优势已经得以描述和阐明。虽然本申请以有限的形式示出，但并不仅限于这些形式，在不脱离本申请精神的前提下，本申请能够作出各种改变和修饰。

Claims (10)

1.一种用于传动系统的混合式传动带，该混合式传动带包括：

内层组件，具有适于承受因混合式传动带弯曲而产生的压缩应力的第一材料；

外层组件，具有适于承受因混合式传动带弯曲而产生的张紧应力的第二材料，外层组件与内层组件相接合以形成混合式传动带；以及

其中，外层组件和内层组件都可调整从而使得当混合式传动带持续弯曲时，内层组件能够主要承受压缩应力，而外层组件能够主要承受张紧应力；

第二材料是具有多根纤维的复合材料，多根纤维通过定位以调整外层组件的弹性模量；

内层组件和外层组件通过粘合层接合在一起,粘合层以粘合膜的形式设置在内层组件和外层组件之间,粘合层在固化过程中实现固化，其中粘合膜承受压力和/或温度的影响；

其中，位于内层组件和外层组件之间的过渡处与弯曲中性轴保持一致，弯曲中性轴是在弯曲过程中混合式传动带中压缩应力和张紧应力之间的分界轴。

2.如权利要求1所述的混合式传动带，其中，第一材料是金属材料。

3.如权利要求1所述的混合式传动带，其中，内层组件和外层组件通过第二材料中的树脂接合在一起。

4.如权利要求1所述的混合式传动带，还包括：

第二内层组件；和

第二外层组件。

5.一种具有混合式传动带的机械传动系统，该机械传动系统包括：

可旋转的驱动元件；

混合式传动带，至少部分地环绕在可旋转的驱动元件上，混合式传动带包括：

第一组件，由第一材料形成；

第二组件，由第二材料形成，第二组件连接到第一组件上；

其中，第一组件的暴露表面与可旋转的驱动元件相接触；

第二材料是具有多根纤维的复合材料，多根纤维通过定位以调整第二组件的弹性模量；

第一组件和第二组件通过粘合层接合在一起，粘合层以粘合膜的形式设置在第一组件和第二组件之间，粘合层在固化过程中实现固化，其中粘合膜承受压力和/或温度的影响；

第一组件和第二组件配置为使混合式传动带能够相对于可旋转的驱动元件弯曲，以使得第一组件仅承受压缩应力，而第二组件仅承受张紧应力，压缩应力和水平应力处于混合式传动带的水平长度上；

其中，位于第一组件和第二组件之间的过渡处与弯曲中性轴保持一致，弯曲中性轴是弯曲过程中混合式传动带上水平的压缩应力和水平的张紧应力之间的分界轴，混合式传动带的弯曲中性轴处没有水平应力。

6.一种制造混合式传动带的方法，该方法包括：

将内层组件组装到底部工具的加工表面上，该加工表面具有凹陷的轮廓，内层组件适配于该凹陷的轮廓；

将外层组件组装到内层组件上，外层组件具有未固化的复合材料，适配于内层组件的上表面；

通过加热来固化内层组件和外层组件，从而实现内层组件和外层组件之间的接合；

冷却内层组件和外层组件，内层组件的热收缩大于外层组件，使得内层组件和外层组件能平整地铺设；

第二材料是具有多根纤维的复合材料，多根纤维通过定位以调整外层组件的弹性模量；

其中，内层组件和外层组件通过粘合层接合在一起，粘合层以粘合膜的形式设置在内层组件和外层组件之间，粘合层在固化过程中实现固化，其中粘合膜承受压力和/或温度的影响。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

根据固化内层组件和外层组件的步骤中使用的预计固化温度，定制凹陷轮廓的凹陷程度。

8.如权利要求6所述的方法，还包括：

根据内层组件的热膨胀系数和外层组件的热膨胀系数之间的差异，定制凹陷轮廓的凹陷程度。

9.如权利要求6所述的方法，还包括：

在固化步骤中，施加压力到内层组件和外层组件上。

10.如权利要求9所述的方法，其中，压力的施加是通过相对底部工具移动顶部工具而实现。