CN106460913A - 运动副 - Google Patents
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Abstract
一种运动副，例如球窝接头，包括至少一个壳体件(30)和接合件(20)，所述接合件至少部分地设置在所述壳体件中并且配置为获得相对于所述壳体件的旋转运动和/或滑动运动。所述壳体件设计有围绕所述接合件的至少一部分的至少一个第一碳纤维复合材料层、设置为围绕第一层的至少一部分的碳纤维复合材料包装以及设置在所述包装外部的至少一个第二碳纤维复合材料层。
Description
技术领域
本发明涉及运动副，更具体地，涉及允许旋转和/或滑动运动的运动副。
背景技术
不同类型的运动副是熟知的并且广泛使用。在专利WO2007/084901中公开了这样的运动副的一个例子，其中，球形接头具有带连接杆的球、均具有抗磨表面的内轴承和外轴承以及由贝式垫圈(Belleville washer)类型的弹簧制成的偏压件。另外，球形接头具有承窝件(socket)，该插座的内端封闭并且具有位于其外端的开口。球形接头装配的步骤是：第一步，偏压件插入承窝件；第二步，内轴承插入承窝件，之后是带连接杆的球和外轴承。在这种结构中，内轴承抵靠在偏压件上，球保持在内轴承和外轴承的抗磨表面之间，同时，杆(连接于球)穿过外轴承中的开口。为了完成球形接头的装配，外轴承被按压进入承窝件以抵抗偏压件的预紧力，并且承窝件的外边缘朝向承窝件开口的中心向内折叠。由于该折叠的边缘，外轴承保持在承窝件内的位置，保持内轴承和外轴承之间的球的压迫以提供球形接头的刚度。
这种已知的球形接头具有多个缺点：它包括大量的部件，并且球的内轴承、外轴承在形状和尺寸方面的与生产相关的偏差。另外，由于边缘向内折叠的限定的精度，内轴承和外轴承之间的球的压迫对每一个球形接头都是不同的。
发明内容
本发明的一个目的是在现有技术上提供改进。该目的通过在所附的独立权利要求中限定的技术获得；在相关的从属权利要求中限定了一些实施方式。
在本发明的第一方面中，提供了一种用于运动副的壳体件，所述运动副包括壳体件和接合件，其中，所述接合件至少部分地设置在所述壳体件中，并且配置为获得相对于所述壳体件的旋转运动和/或滑动运动。所述壳体件包括：至少一个第一碳纤维复合材料层，该至少一个第一碳纤维复合材料层围绕所述接合件的至少一部分；碳纤维复合材料包装，该碳纤维复合材料包装设置为围绕所述第一层的一部分；以及至少一个第二碳纤维复合材料层，该至少一个第二碳纤维复合材料层设置在所述包装的外部。壳体件的这种结构创造了相对于位于其中的所述接合件的牢固的且精确的结构。这种结构还具有预张力，意思是，所述壳体件和所述接合件之间没有游动空间或间隙。另一个优点是使用牢固的、耐用的且具有低重量的碳纤维复合材料。该材料具有高的强重比，这对用于运动副的壳体件来说是非常令人满意的。
在本发明的一个实施方式中，第一层和第二层包括碳纤维复合材料的编织织构。该编织织构为该材料提供沿整件材料的张力的均等分布。
在另一个实施方式中，所述第一层和所述第二层形成同一碳纤维复合材料件的部分。这是非常有利的，因为该结构的部件通过一件材料紧密地支撑在一起。另外，所述材料中的张力在一个区域中均等地分布，从而使得所述接合件不会抓住或粘住所述壳体件的所述承窝件。
在另一个实施方式中，所述壳体件还包括涂层件，该涂层件设置在所述第一碳纤维复合材料层的朝向所述接合件的表面上，其中，所述涂层件包括石墨基材料，例如但不限于气相沉积碳纤维管。所述涂层件确保所述接合件可以在没有不必要的摩擦的情况下自由地旋转和/或滑动；这提供了更好的抗摩擦性能。
在本发明的第二方面中，提供了一种运动副，该运动副包括至少一个如上所述的壳体件以及接合件，其中，所述接合件至少部分地设置在所述壳体件中，并且配置为获得相对于所述壳体件的旋转运动和/或滑动运动。该运动副将具有所有以上所述的优点。
在本发明的一个实施方式中，所述壳体件为承窝件，所述接合件为球，所述壳体件和所述接合件共同形成球窝接头，其中所述承窝件包括具有边缘(rim)的上部，该边缘相对于所述球的中心成角度设置，其中，所述角度在5和85°之间，优选地，在25和55°之间。对于已知的球窝接头技术，不可能的是设计具有这种小角度的接头并且保持所需的刚度，但通过以上所述的结构和零件，即使5°和30°之间的角度也是可以的，这为设置在壳体件中的接合件提供了更大的运动自由度。
在本发明的第三方面中，提供用于制造运动副的壳体件的方法，其中，所述运动副包括壳体件和接合件，其中，所述接合件至少部分地设置在所述壳体件中并且配置为获得相对于所述壳体件的旋转运动和/或滑动运动。所述方法包括步骤：
-设置围绕所述接合件的至少一部分的至少一个第一碳纤维复合材料层；
-围绕所述第一层的至少一部分缠绕碳纤维复合材料以形成至少一个包装；以及
-在最外部的所述包装上设置至少一个第二碳纤维复合材料层。
这种方法生产壳体件，该壳体件关于位于其中的接合件形成牢固的且精确的结构，并且具有所有以上所述的优点。
在一个实施方式中，所述方法还包括步骤：
-围绕所述第二层的至少一部分缠绕所述碳纤维复合材料以形成至少一个外包装。通过增加外包装将所述第二层和所述结构锁定在合适位置。
在另一个实施方式中，设置至少一个第二碳纤维复合材料层的步骤还包括：
-在所述包装上折叠所述第一层的一部分以形成所述第二层。
这是有利的，因为该结构的零件通过一件材料紧密地支撑一起。另外，所述材料中的张力分布在一个区域中均匀布置，从而使得所述接合件不会抓住所述壳体件的所述承窝件。
附图说明
在下文中将参考附图描述本发明的实施方式，附图中所做的参考示出了如何将本发明的概念投入实践的非限制性示例。
图1a至图1e显示了根据本发明的第一实施方式的运动副；
图2a至图2b显示了根据本发明的第二实施方式的运动副；
图3a至图3b显示了根据本发明的第三实施方式的运动副；
图4a至图4b显示了根据本发明的第四实施方式的运动副；
图5a至图5b显示了根据本发明的第五实施方式的运动副；
图6a至图6b显示了根据本发明的第六实施方式的运动副；
图7显示了制造运动副时所使用的材料。
具体实施方式
参考图1a至图1c，以不同的视角显示了球窝接头10形状的运动副。球窝接头10包括具有球21和轴22的接合件20以及壳体件或承窝件30，壳体件或承窝件30配置为容纳球21的至少一部分。因此，球21至少部分地设置在承窝件30的座31中，并且配置为实现相对于承窝件30和相对于轴线A的旋转运动和/或滑动运动。接合件20可以向下倾斜(通过箭头B示出)，直到轴22邻接座31的上边缘部32。上边缘部32具有外周边缘33，外周边缘33围绕球21的上部23连续地延伸，并且是球21和壳体件30之间的最高接合点。边缘33的位置应当设置在上平面X中，在球21的中心点C的平面Y之上。
因此，限定上边缘部32的边缘33的上平面X设置为与中心平面Y保持距离，形成相对于球21的中心点C的角度α。角度α在5°和85°之间，优选地，在25°和55°之间。角度α的范围也意味着当轴22位于图1a至图1b显示的直立位置时边缘33与轴22之间的距离D1受到影响。在直立位置，轴22与边缘33之间的距离越短，轴22的运动具有的自由度越少。距离D1也可以在边缘33与轴线A之间测量。稍后将更详细地说明如何能够以低至5°的角度α设置边缘33。
另外，壳体件30包括主接合部，该主接合部是座31，其中座31的表面的形状对应于球21的外表面的形状。稍后将说明如何围绕球21制造座31以及壳体件30。
壳体件30还包括具有相应的下边缘36的下边缘部35，下边缘36围绕球21的下部24连续地延伸，并且是球21和壳体件30之间的最低接合点。下边缘36设置在下平面Z中，下平面Z位于中心平面Y之下以相对于球21的中心点C形成角度β。角度β在5°和90°之间，优选地，在25°和85°之间。角度β的范围也意味着边缘36和轴线A之间的距离D2受到影响。由于图1d至图1e所示的内层51应当在制造过程中向后折叠，优选地，球21的下部24不全部封装。
壳体件30的制造过程呈现在以图解的形式显示过程步骤的图1d至图1e中。为了能够制造壳体件30，制造工具(未显示)优选地用于支撑球21。由碳纤维复合材料制成的内层51围绕所述制造工具设置，与球21紧密接触。优选地，碳纤维复合材料制成袜或管形状的编织织构，该编织织构可以容易地向上拉以盖过所述制造工具，形成内层51。下面将参考图7进一步地描述碳纤维复合材料及其编织织构。
一旦内层51就位，碳纤维复合材料的丝束(tow)52以相对于第一层51的纵向方向(即关于轴线A)的10°-90°的角度围绕内层51的一部分缠绕，优选为以基本横向(即接近于90°)的方向的角度围绕内层51的一部分缠绕。丝束52紧紧地缠绕多层，基本围绕球21的所需部分，并且因此形成用于壳体件30的座31的包装53。丝束52的紧密的包装53形成具有球21形状的紧凑的(compact)座31。所述包装53可以具有不同的尺寸和形状，不同的尺寸和形状取决于例如球的尺寸和/或球窝接头的不同的应用领域。另外，所述包装可以包括其他碳纤维结构，例如单向纤维或织物。
当包装53足够时，外层55设置在包装53上，以防止包装53被移动离开球21。优选地，外层55形成为内层51的延伸部，其中内层52的管状的碳纤维复合材料折叠在包装53上，从而封装内层51和外层55之间的包装53，这显示于图1d中。可选择地，碳纤维复合材料丝束或织物的外包装56也设置在外层55的外部，用于外层55的额外的绷紧和锁定。当复合材料(即碳纤维复合材料的成分)的基体材料(不是例如热固性塑料或热塑性塑料的碳纤维)变硬时，紧凑的包装53以及内层51、外层55的布置使得壳体件30能够保持其围绕球21的形状。
由于紧凑的包装53及碳纤维复合材料的特性，边缘33、36生成非强的锁定，当高的拉力和压迫力施加到球21时，这种锁定防止球21从其位于壳体件30的座31中的位置中脱离。所述碳纤维复合材料以及壳体件30的制造过程也使得下边缘33的位置朝向中心平面Y降低，即减小角度α并增加距离D1，从而增加轴22的运动的自由度，这是超过现有技术的多个优点中的一个。
壳体件30还可以包括涂层件57，该涂层件57设置在朝向接合件20的第一碳纤维复合材料层51的表面上。涂层件57包括石墨基材料，例如但不限于，气相生长碳纳米管。这能够提高接合件和壳体件之间的摩擦性能。
由于壳体件30围绕接合件20制造，可以获得壳体件30和接合件20之间的非常小的配合公差和精度公差。接合件20或其不同的部分可以由金属或碳纤维复合材料或它们的组合完全地制成。球21可以设置有覆盖材料或涂层材料(未显示)，例如但不限于，化学气相沉积(CVD)涂层、铝化学气相沉积(CVA)涂层、类金刚石(DLC)涂层或物理气相沉积(PVD)涂层。涂层材料使得球21能够容易地从所述壳体件的座31中释放，并且提供接合件20和壳体件30之间的低摩擦的接触面。
图2a至图2b显示了根据本发明的第二实施方式的运动副110，运动副110包括螺纹件形状的接合件120以及容纳接合件120的至少一部分的壳体件130。接合件120设置为绕壳体件130中的接合件120的纵轴线A旋转。相似的运动副210显示于图3中，但区别在于接合件220并不是螺纹件。因此，该接合件220设置为在壳体件230中执行旋转运动和滑动运动。
图2a至图2b以及图3a至图3b所示的壳体件130、230以基本相同的方式制造，如上所述，壳体件130、230具有内层151、251和外层155、255以及包装153、253，但具有适用于特定的接合件120、220的尺寸和形状的制造工具。根据所需的应用，壳体件130、230的长度可以以不同的方式制造。
图4a至图4b显示了根据另一种实施方式的运动副，该运动副包括接合件320，该接合件320具有四边形形状并且适于获得在壳体件330中的滑动运动。由于与以上所述的内层351、外层355以及包装353相同的制造过程，壳体件330具有内部或座，该内部或座具有与接合件320的外部相同的四边形形状。
图5a至图5b显示了根据一种实施方式的运动副的一部分，其中，允许接合件420绕壳体件430中的轴线A旋转。壳体件430和接合件420均具有圆柱形(回转对称)形状，但接合件420的外表面具有凹槽460，并且壳体件430制造为具有在凹槽460中延伸的突出部461。在可选择的实施方式中，所述凹槽和所述突出部也可以是其他围绕方式(未显示)，其中，所述凹槽位于所述壳体件中，并且所述突出部来自于所述接合部。在另一可选择的实施方式中(未显示)，可以存在不同尺寸和形状的多个凹槽及突出部。
在壳体件430的制造过程中，内层451被施加到凹槽460中，之后，包装453跟随内层451以用于填充凹槽460，并且施加内层451直到获得合适尺寸的壳体件430。在施加包装453后，通过折叠材料件获得外层455，如上所述，也形成向后围绕包装453的内层451。可选的外包装456可以随后施加到外层455的外表面以用于固定结构。
图6a至图6b显示了根据另一实施方式的运动副510，运动副510包括具有凹槽560的接合件520以及具有能够接合凹槽560的突出部561的壳体件530。接合件520仅能够在壳体件530中旋转，这与图5中的壳体件430和/或与图3中所示的壳体件230相似。壳体件530以与上述基本相同的方法制造，但相反的是，在形成壳体件530时仅使用包装，可以使用距离件。可以使用对预期的应用有益的任意类型和材料的距离件。在可选择的实施方式中，壳体530可以连接于或制造为带有镜像对称的第二壳体件(未显示)。另外，多于两个的壳体件可以彼此连接。
在不同元件的制造过程中，使用了碳纤维复合材料。所需的内层和外层由图7中所示的碳纤维复合材料的编织的织物1制成。织物1通过将碳纤维复合材料的部分2以大约45°的角度γ编织在一起获得。在所述编织的织物的其他实施方式中，角度γ在1°和89°之间，即大于0°且小于90°，优选地在40°和50°之间，最优选地为45°。织物1也优选地制成为袜或管件。管件形状使得织物1被容易地拉出超过并且依附于接合部的部分和形成所制造的壳体件内部的可能的工具，并且折叠并封装以上所述的包装。如果需要，多层的编织纤维可以在同一制造过程中使用。优选地，碳纤维复合材料可以包括热固性碳纤维复合材料，但在其他实施方式中可以为任意的碳纤维复合材料，例如但不限于热塑性塑料、晶体或金属。
围绕所述内/外层缠绕的丝束由与织物1相同的碳纤维复合材料制成，但在其他实施方式中可以由任意的碳纤维复合材料制成。相同的丝束也可以用于围绕外层的包装中。丝束的包装非常紧，其中纤维的平均体积含量多达86％。
碳纤维复合材料的选择不仅使得部件的重量更低，而且根据使用的碳纤维类型，部件也非常强，并且对可能至少施加到接合件和壳体件必须承受的很大的拉伸力和压迫力具有抵抗力。
碳纤维复合材料可以使用任意制造方法制造，例如——但不限于——湿铺法、真空注射法、树脂传递成型(RTM)、真空辅助树脂转移成型(VARTM)或在高压釜中预浸法。
最后，以上已经参考特定的实施方式说明了本发明的概念，但本发明的概念并未意图限制于此处限定的特定的形式。相反，本发明仅通过所附的权利要求限定，以上特定实施方式以外的其他实施方式可以同样地落在所附的权利要求的范围内。
Claims (15)
1.用于运动副(10；110；210；310；410；510)的壳体件，所述运动副包括壳体件(30；130；230；330；430；530)和接合件(20；120；220；320；420；520)，其中，所述接合件至少部分地设置在所述壳体件中并且配置为获得相对于所述壳体件的旋转运动和/或滑动运动，其中所述壳体件包括：
至少一个第一碳纤维复合材料层(51)，该至少一个第一碳纤维复合材料层(51)围绕所述接合件的至少一部分；
碳纤维复合材料包装(53)，该碳纤维复合材料包装(53)设置为围绕所述第一层(51)的一部分；以及
至少一个第二碳纤维复合材料层(55)，该至少一个第二碳纤维复合材料层(55)设置在所述碳纤维复合材料包装(53)的外部。
2.根据权利要求1所述的壳体件，其中，所述第一碳纤维复合材料层(51)和第二碳纤维复合材料层(55)包括碳纤维复合材料的编织织构。
3.根据权利要求1或2所述的壳体件，其中，所述第一碳纤维复合材料层(51)和所述第二碳纤维复合材料层(55)形成同一碳纤维复合材料件的部分。
4.根据以上权利要求中任意一项所述的壳体件，其中，所述碳纤维复合材料包括热固性材料、热塑性材料、晶体材料或金属材料。
5.根据以上权利要求中任意一项所述的壳体件，还包括涂层件(57)，该涂层件(57)设置在所述第一碳纤维复合材料层(51)的朝向所述接合件的表面上，其中，所述涂层件(57)包括石墨基材料，例如但不限于气相沉积碳纤维管。
6.根据以上权利要求中任意一项所述的壳体件，其中，所述壳体件为球窝接头中的承窝件(30)。
7.运动副，包括：
至少一个根据权利要求1-5中任意一项所述的壳体件(30；130；230；330；430；530)；以及
接合件(20；120；220；320；420；520)，
其中，所述接合件(20；120；220；320；420；520)至少部分地设置在所述壳体件中，并且配置为获得相对于所述壳体件的旋转运动和/或滑动运动。
8.根据权利要求7所述的运动副，其中，所述壳体件为承窝件(30)，所述接合件为球(20)，所述壳体件和所述接合件共同形成球窝接头(10)。
9.根据权利要求8所述的运动副，其中，所述承窝件(30)包括具有边缘(33)的上部(32)，该边缘(33)相对于所述球(21)的中心(C)成角度(α)设置，其中，所述角度(α)在5°和85°之间，优选地，在25°和55°之间。
10.用于制造运动副(10；110；210；310；410；510)的壳体件(30；130；230；330；430；530)的方法，其中，所述运动副包括壳体件和接合件(20；120；220；320；420；520)，其中所述接合件至少部分地设置在所述壳体件中，并且配置为获得相对于所述壳体件的旋转运动和/或滑动运动，所述方法包括步骤：
-设置围绕所述接合件的至少一部分的至少一个第一碳纤维复合材料层(51)；
-围绕所述第一碳纤维复合材料层(51)的至少一部分缠绕碳纤维复合材料以形成至少一个碳纤维复合材料包装(53)；以及
-在最外部的所述碳纤维复合材料包装(53)上设置至少一个第二碳纤维复合材料层(55)。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括步骤：
-围绕所述第二碳纤维复合材料层(55)的至少一部分缠绕所述碳纤维复合材料以形成至少一个外包装(56)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述第一碳纤维复合材料层和所述第二碳纤维复合材料层通过碳纤维复合材料的编织织构形成，该编织织构以角度(γ)彼此交叉地编织或缠绕，其中，所述角度(γ)大于0°且小于90°，优选地在40°和50°之间，并且最优选地为45°。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，围绕所述第一碳纤维复合材料层(51)的至少一部分缠绕所述碳纤维复合材料的步骤还包括：以相对于所述第一碳纤维复合材料层的纵向方向的10°和90°之间的角度缠绕所述碳纤维复合材料，优选为以基本横向方向的角度缠绕所述碳纤维复合材料，即，以相对于所述第一碳纤维复合材料层的纵向方向的接近90°的角度缠绕所述碳纤维复合材料。
14.根据权利要求10-13中任意一项所述的方法，其中，设置至少一个第二碳纤维复合材料层(55)的步骤还包括：
-在所述碳纤维复合材料包装(53)上折叠所述第一碳纤维复合材料层(51)的一部分以形成所述第二碳纤维复合材料层(55)。
15.一种碳纤维复合材料围绕第一碳纤维复合材料层(51)的至少一部分缠绕以形成运动副(10；110；210；310；410；510)的至少一个碳纤维复合材料包装(53)的应用。
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