CN103104635A - 混合式超越离合器组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种混合式超越离合器，包含金属外圈和复合材料外环，金属外圈和复合材料外环各自被设定尺寸和构造为使得在离合器的整个操作温度下金属外圈在复合材料外圈上产生预荷载。与完全的金属外圈相比，复合材料外环显著地减小了离合器的总重量。本申请还包括一种组装金属外圈和复合材料外环以使得金属外圈的热膨胀在复合材料外环中形成预荷载的方法。本申请还包括一种设计混合式超越离合器的方法。
Description
政府许可权
本发明在由美国陆军颁发的合同号为No.W911W6-10-2-0007的美国陆军航空应用技术委员会（AATD）项目的支持下与政府一起完成。政府享有本发明中的某些权利。
技术领域
本发明涉及混合式超越离合器组件，以及制造这种混合式超越离合器组件的方法。
背景技术
对于例如旋翼飞机的飞行器而言，飞行器通常具有超越离合器，以使得当来自于发动机的转矩沿一个方向旋转时能够被传递至旋翼桅杆（rotor mast），但当转矩沿相反的方向施加时则停止传递转矩。这种构造允许旋翼系统在即使当发动机出现故障时仍然能够继续旋转，但不允许旋翼系统驱动发动机。
通常，在飞行器应用中，斜撑式和辊斜式离合器被普遍地用作超越离合器。斜撑式和辊斜式离合器在本领域中都是众所周知的。然而，斜撑式和辊斜式离合器在壳体的外圈产生相对较大的径向力。通常，需要大量的钢或其他高强度的材料以在有限变形的情况下承受径向力。在飞行器应用中，钢的重量是特别不希望的，重量负面地影响飞行器性能。
因此，需要一种改进的超越离合器组件，以及一种制造这种改进的超越离合器组件的方法。
附图说明
在所附权利要求中阐述了被认为是本申请的实施方式特有的新颖性的特征。然而，参照在结合附图进行阅读时的以下详细说明，将最好地理解实施方式本身，以及使用的优选模式及其进一步的目的和优点，在附图中：
图1为具有根据所示实施方式的混合式超越离合器的旋翼飞机的侧视图；
图2为根据所示实施方式的混合式超越离合器的等轴测视图；
图3为根据所示实施方式的混合式超越离合器的局部分解视图；
图4为根据所示实施方式的、从图2中的剖面线4-4截取的混合式超越离合器的横截面视图；
图5为制造根据所示实施方式的混合式超越离合器的方法的示意性视图；
图6为根据所示实施方式的、从图4中的横截面视图截取的细节视图；
图7为设计根据所示实施方式的混合式超越离合器的方法的示意性视图；以及
图8为根据本申请的所示实施方式的计算机系统的示意性框图。
具体实施方式
以下说明设备的例示性实施方式。为了清晰起见，在该说明书中可能不描述实际实施例的所有特征。当然，将可以理解的是，在任何这种实际的实施例的研发中，必须做出多个针对特定实施例的决策以实现研发者的特定目标，例如服从与系统相关和与商业相关的限制，这些限制对于不同的实施例是不同的。而且，将可以理解的是，这种研发努力可能是复杂且耗时的，但对于得到本公开的有益启示的本领域普通技术人员而言，只是常规任务而已。
在说明书中，在附图中描述装置时，会对各个部件之间的空间关系以及对部件的各个方面的空间定向做出参照。然而，本领域的技术人员在完整地阅读本申请之后将认识到，本文中描述的装置、构件、设备等等可以定位在任何期望的定向中。因此，例如“之上”、“之下”、“上部”、“下部”的术语或其他类似的术语的使用描述了各个部件之间的空间关系或者描述了这些部件的各方面的空间定向，这些术语的使用应当被理解为分别描述部件之间的相对关系或这些部件的各方面的空间定向，因为本文中描述的装置可被定向在任何期望的方向中。
本申请的实施方式包括混合式超越离合器、制造混合式超越离合器的方法以及设计混合式超越离合器的方法。
参见图1，示出了旋翼飞机101。旋翼飞机101包括机身103、起落架105、尾部构件107和旋翼系统109。发动机111经由驱动轴113向旋翼系统109提供转矩。超越离合器115与驱动轴113和发动机111可操作地相联。应当理解的是，旋翼飞机101仅是能够实施混合式超越离合器115的众多飞行器中的示例。其他的飞行器实施例可以包括混合式飞行器、倾转旋翼飞行器、无人驾驶飞行器、自转旋翼机（Gyrocopter）和各种直升机构造，在此仅举出几个例子。此外，在此公开的方法能够被实施为设计和制造用于多种飞行器实施例的混合式超越离合器。
参见图2-4，示出示例性混合式超越离合器115。离合器115包括金属外圈119和复合材料外环117。发动机输出向离合器115的输入123提供转矩。离合器机构127单向地允许转矩从输入123传递至输出121，输出121被构造为用于联接至驱动轴113。在操作期间，离合器机构127接合内圈125，使得转矩从输入123单向地传递至输出121。离合器机构127可以使构造为在超越离合器内单向地传递转矩的任何机械系统。离合器机构127可以包括斜撑式元件、辊斜式元件或棘轮元件，在此仅列举离合器机构的几个示例性例子。
在操作期间，转矩接合产生相对于金属外圈119和复合材料外环117的向外的径向力。复合材料外环117优选地为碳/树脂复合材料环，碳/树脂复合材料环的尺寸最优地被设定成与金属外圈119进行组装。一个示例性的复合材料系统为M55J/RS-3C氰酸酯树脂系统；然而，应当理解的是，复合材料外环117可以由其他的复合纤维/树脂系统形成。金属外圈119优选地由钢合金形成，例如钢合金AISI 9310；然而，也可使用其他金属合金和合成材料。复合材料外环117被构造为提供抗拉强度和刚度，以承受并反作用于通过离合器机构127而呈现其上的向外的径向力。复合材料外环117与传统离合器装置相比提供显著的重量减轻，传统离合器装置仅依赖于金属外圈以反作用于所有的向外的径向力。
如关于方法501进一步讨论的，由于金属外圈119和复合材料外环117的独特的组装，使得复合材料外环117预加载张力。此外，复合材料外环117和金属外圈119之间的材料比率被特别地调谐为提供操作期间的最佳的刚度和变形，以便提供离合器机构127在整个操作温度范围中的适当的接合。在一个示意性实施方式中，操作温度范围大约为-40°F至280°F。应当理解，该温度范围意味着用于示意性的目的，而不意味着作为限制。例如，在另一个实施方式中，操作温度范围可以为-65°F至305°F。在优选的实施方式中，在金属外圈119和复合材料外环117之间不需要粘合剂；然而，可替代的实施方式可以包括用于粘合金属外圈119和复合材料外环117的粘合剂层。在优选的实施方式中，依靠金属外圈119的热膨胀以保持复合材料外环117处于张紧状态，即使是在操作温度范围的下端处。
可以使用保持环129来确保复合材料外环117在接近较低的操作温度范围以及在该温度范围以下时的保持。在所示出的实施方式中，保持环129由形状记忆合金形成，例如镍/钛合金。如在此关于方法501进一步讨论的，保持环129被构造为使得热的施加导致保持环129收缩并且配合到金属外圈119中的凹槽内。
混合式超越离合器115被独特地构造为使得复合材料外环117在被损坏时能够容易地替换。能够通过切断并移除损坏的复合材料外环117和保持环129而实现替换复合材料外环117。随后，如在本文中进一步讨论的步骤307和步骤309中所概述的，可以安装新的复合材料外环117和保持环。
在混合式超越离合器115的可替代的实施方式中，陶瓷环或具有高的刚度重量比的其他材料设置在内圈125内，以便替换内圈125中的钢部分。该实施方式也可以包括围绕金属外圈119定位的复合材料外环117。
现在参见图5，示意性地示出制造混合式超越离合器115的方法501。步骤503包括用标准制造程序制造金属外圈119，例如用机械加工或铸造。步骤505包括制造复合材料外环117。步骤505可以包括使用任何类型的复合材料制造程序。例如，步骤505可以包括将预浸渍的复合纤维带材铺放到心轴上，该心轴具有外部加工表面，外部加工表面表示复合材料外环117的内表面的期望的直径。优选地，步骤505包括在步骤507中的将复合材料外环117与金属外圈119组装之前完全地固化复合材料外环117。另外，如关于步骤507进一步讨论的，在整个操作温度范围中，复合材料外环117的内径优选地小于金属外圈119的外径。这确保金属外圈119在离合器115的操作期间在复合材料外环117上产生张力预加载。
仍然参见图5，步骤507包括组装金属外圈119和复合材料外环117。在优选的实施方式中，金属外圈119在离合器115的最低操作温度以下的温度中被冷浸。例如，如果离合器115的最低操作温度为-40°F，则金属外圈119优选地在-40°F以下冷浸。在一个实施方式中，步骤507包括在大约-200°F时冷浸金属外圈119。金属外圈119的冷浸产生足够的热收缩，使得复合材料外环117能够在金属外圈119上滑动。步骤507还包括允许匹配的金属外圈119和复合材料外环117逐渐地升温至环境温度。随着匹配的金属外圈119和复合材料外环117的升温，金属外圈119以比复合材料外环大的比例膨胀。在环境温度下，金属外圈119在复合材料外环117上施加向外的径向力，以便在复合材料外环117中产生预荷载。如上文中进一步阐明的，金属外圈119的外径和复合材料外环117的内径被构造为使得金属外圈119在离合器115的操作温度范围中将复合材料外环117保持在张紧状态中。
仍然参见图5，方法501可以包括步骤509，即安装保持环129以确保复合材料外环117在下部操作温度范围附近和以下的温度时的保持。保持环129被构造为使得热的施加导致其收缩并配合到金属外圈119中的凹槽内，因此步骤509包括将保持环129定位成接近凹槽并且使得保持环129经受升高的温度，以使得保持环129收缩并紧紧地配合到凹槽内。
现在还参见图7，示意性地示出了设计混合式超越离合器的方法701。要求混合式超越离合器115在宽泛的温度范围中是可靠的并且有效地操作。因为混合式超越离合器115是飞行器上的重要的驱动传动系部件，其失效将是灾难性的。因此，离合器机构127在整个宽泛的温度范围中有效地传递转矩是重要的。因此，方法701使得待设计的混合式超越离合器115考虑在飞行器中操作的混合式超越离合器的独特的因素。
方法701可以包括涉及分析复合材料外环117和金属外圈119的热膨胀系数中的失配的步骤703。步骤701是重要的，因为金属外圈119具有比复合材料外环117高得多的热膨胀系数。这意味着，外圈（复合材料外环117和金属外圈119）和内圈125以不同的速率变大，因此需要将尺寸设计为使得外圈与内圈之间的环形空间在混合式超越离合器通常操作的温度中是最佳的，使得离合器机构127在通常的操作温度中最有效地操作。此外，金属外圈119需要被构造为在一个位置中没有实质上更厚的区域，由于钢的比相邻区域更易于热膨胀的厚的部分，使得更厚的区域可能引起“喇叭口”或弯曲。
方法701还包括分析复合材料外环117和金属外圈119的刚度的差异的步骤705。虽然复合材料外环117沿环向方向的刚度与金属外圈119的刚度相似，但复合材料外环117的刚度沿轴向方向较低。这意味着当平坦的复合材料外环117被操作地加载时，其中部与复合材料外环117的前部和后部相比趋于更大程度地弯曲。这种弯曲变形将不利地影响离合器机构127的扭矩传递接合件。
方法701还包括构造复合材料外环117和金属外圈119的几何形状的步骤707。现在还是参见图6，可以关于超越离合器115的复合材料外环117和金属外圈119描述步骤707。考虑步骤703中的分析，通过使钢部分A平衡钢部分B来设计金属外圈119的几何形状，由此防止“喇叭口”，否则，如果钢部分A被移除并由复合材料外环117取代，则“喇叭口”可能随着温度的改变而出现。此外，考虑步骤705中的分析，通过使更厚的部分T1与端部相比更靠近中部来设计复合材料外环117的几何形状。更厚的部分T1作用为补偿复合材料外环117与金属外圈119之间的材料刚度差，否则该材料刚度差可能引起复合材料外环117的中部中的过度弯曲。
现在参见图8，示意性地示出计算机系统801。系统801被构造为用于执行关于方法701以及在此描述的其他方法或程序的一个或更多个功能。
系统801可以包括输入/输出（I/O）接口803、分析引擎805和数据库807。根据需要，可替代实施方式可以结合或分配（combine ordistribute）输入/输出（I/O）接口803、分析引擎805和数据库807。系统801的实施方式可以包括一个或更多个计算机，一个或更多个计算机包括构造为用于执行本文中描述的任务的一个或更多个处理器和存储器。例如，这可以包括具有中央处理单元（CPU）和非易失性存储器的计算机，非易失性存储器存储用于指令CPU执行本文中描述的任务中的至少一些的软件指令。例如，这还可以包括经由计算机网络通讯的两个或更多个计算机，其中，计算机中的一个或更多个包括CPU和非易失性存储器，并且计算机的非易失性存储器中的一个或更多个储存用于指令CPU中的任一个执行本文中描述的任务中的任一个的软件指令。因此，虽然就分散的机器对示例性的实施方式进行了说明，但应当理解，该说明是非限制性的，并且本说明等同地应用于多个其他装置，多个其他装置涉及执行在一个或更多个机器中以任何方式分配的任务的一个或更多个机器。还应当理解，这些机器未必专用于执行在此描述的任务，而可以是多用途机器，例如，适用于还执行其他任务的计算机工作站。
I/O接口803能够提供外部用户、系统与系统801的数据源和部件之间的通信线路。I/O接口803可被构造为使得一个或更多个用户能够经由任何已知的输入设备向系统801输入信息。示例可以包括键盘、鼠标、触摸屏和/或任何其他所需的输入设备。I/O接口803可被构造为使得一个或更多个用户能够经由任何已知的输出设备接收来自系统801的信息。示例可以包括显示监视器、打印机和/或任何其他所需的输出设备。I/O接口803可被构造为使得其他系统能够与系统801通信。例如，I/O接口803能够允许一个或更多个远程计算机存取信息、输入信息和/或远程地指令系统801执行在此描述的任务中的一个或更多个。I/O接口803可被构造为允许与一个或更多个远程数据源通信。例如，I/O接口803能够允许一个或更多个远程数据源存取信息、输入信息和/或远程地指令系统801执行在此描述的任务中的一个或更多个。
数据库807为系统801提供持久的数据存储。虽然主要使用术语“数据库”，但储存器或其他适合的数据存储装置可以提供数据库807的功能。在可替代的实施方式中，数据库807可以与系统801集成或与系统801分离，并且能够在一个或更多个计算机上操作。数据库807优选地为适于支持系统801的操作的任何信息提供非易失性数据存储，包括在此进一步讨论的各种类型的数据。
分析引擎805可被构造为分析复合材料外环117和金属外圈119的热膨胀系数中的失配、分析复合材料外环117和金属外圈119的刚度差异以及构造复合材料外环117和金属外圈119的几何形状。分析引擎805可以包括一个或更多个处理器、存储器或软件成分的各种组合。
本申请的混合式离合器提供显著的优点，包括：1）提供具有复合材料的外圈构件，以减轻离合器的总重量；2）提供制造混合式离合器的方法，使得外金属圈在离合器的整个操作温度范围内在复合材料外环上产生预荷载；3）提供被构造为在操作温度范围内为离合器机构的操作提供足够的环形空间的复合材料外环和钢制外圈组件；4）提供能够容易地维修的复合材料外环以及维修的方法；以及5）提供设计混合式超越离合器的方法。
以上公开的具体实施方式仅是例示，因为对于受益于本文的教导的本领域技术人员而言明显的是，该设备可以以不同但等同的方式进行改进和实施。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本文中描述的设备做出改进、添加或删减。设备的部件可以集成或分离。而且，可以通过更多、更少或其他部件执行设备的操作。
此外，并非旨在对在此示出的结构或设计的细节做出限制，而是如以下权利要求中所描述。因此明显的是，以上公开的具体实施方式可被改变或改进，并且所有这些变型均落入本申请的范围和精神之内。因此，在以下权利要求中限定了在此寻求的保护范围。
为了帮助专利局以及本申请中发布的任何专利的任何读者解释此处所附的权利要求，申请人希望指出，除非在特定的权利要求中明确地使用了词语“用于…的手段”或“用于…的步骤”，否则申请人无意使所附权利要求中的任一项调用在其申请日期存在的35U.S.C§112的第6段。
Claims (20)
1.一种混合式超越离合器，所述混合式超越离合器包括：
输入构件，所述输入构件构造为用于接收来自发动机的转矩；
输出构件，所述输出构件构造为用于传递所述转矩；
离合器机构，所述离合器机构构造为在所述输入构件与所述输出构件之间单向地传递所述转矩；
金属外圈，所述金属外圈定位成与所述离合器机构相邻，所述金属外圈具有外表面；
复合材料外环，所述复合材料外环与所述金属外圈的所述外表面接触。
2.根据权利要求1所述的混合式超越离合器，还包括：
保持环，所述保持环构造为确保所述复合材料外环保持在所述金属外圈上。
3.根据权利要求2所述的混合式超越离合器，其中，所述保持环包括形状记忆合金。
4.根据权利要求3所述的混合式超越离合器，其中，所述形状记忆合金为镍/钛合金。
5.根据权利要求2所述的混合式超越离合器，其中，所述保持环定位在所述金属外圈的凹槽中。
6.根据权利要求1所述的混合式超越离合器，其中，所述复合材料外环被构造为至少部分地由于来自所述金属外圈的热膨胀而处于压缩中。
7.根据权利要求1所述的混合式超越离合器，其中，所述复合材料外环具有靠近所述复合材料外环的中心的中心厚度，所述中心厚度比在前厚度和在后厚度更厚。
8.一种制造混合式超越离合器的方法，所述方法包括：
制造金属外圈，所述金属外圈具有第一直径的外表面；
制造复合材料外圈，所述复合材料外圈具有第二直径的内表面；
冷却所述金属外圈使得所述第一直径热缩小；
围绕所述金属外圈定位所述复合材料外圈；以及
提高所述金属外圈的温度使得所述金属外圈热膨胀，由此在所述金属外圈与所述复合材料外圈之间形成干涉配合。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
围绕所述金属外圈定位保持环；
加热所述保持环以便激活所述保持环中的形状记忆合金，以使得所述保持环收缩到所述金属外圈中的凹槽内。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，冷却所述金属外圈的步骤包括将所述金属外圈冷却至所述混合式超越离合器的操作范围的下端以下的温度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述操作范围的下端为-40°F。
12.一种设计混合式超越离合器的方法，所述方法包括：
分析在复合材料外环的第一热膨胀系数和金属外圈的第二热膨胀系数中的失配；
考虑在整个操作温度范围中所述第一热膨胀系数和所述第二热膨胀系数的失配，来构造所述复合材料外环和所述金属外圈的几何形状。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
分析所述复合材料外环的第一刚度和所述金属外圈的第二刚度。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
考虑在整个操作温度范围中的所述第一刚度和所述第二刚度，来构造所述复合材料外环和所述金属外圈的几何形状。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
考虑在所述混合式超越离合器的整个操作加载中的所述第一刚度和所述第二刚度，来构造所述复合材料外环和所述金属外圈的几何形状。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，构造所述复合材料外环和所述金属外圈的几何形状的步骤包括形成所述复合材料外环的锥形横截面轮廓，以在所述复合材料外环经受温度的升高时防止所述复合材料外环和所述金属外圈的过度弯曲。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，构造所述复合材料外环和所述金属外圈的几何形状的步骤包括形成所述复合材料外环的锥形横截面轮廓，以在所述复合材料外环和所述金属外圈经受温度的升高时防止所述复合材料外环和所述金属外圈的过度弯曲。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述锥形几何形状包括高于端部厚度的中间厚度。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，构造所述复合材料外环和所述金属外圈的几何形状的步骤包括在靠近所述复合材料外环的中心处形成所述复合材料外环的更大的横截面厚度，以在所述复合材料外环和所述金属外圈经受温度的升高时防止所述复合材料外环和所述金属外圈的过度弯曲。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，构造所述复合材料外环和所述金属外圈的几何形状的步骤包括形成所述复合材料外环的锥形横截面轮廓，以在所述复合材料外环经受操作加载时防止所述复合材料外环和所述金属外圈的过度弯曲。
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