CN107548351A - 载荷施加元件和生产载荷施加元件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种载荷施加元件(1)，其包括至少一个加强元件(3)，该加强元件(3)包括几层复合材料形成的分层设置。加强元件(3)至少部分地被外壳(2)包围。
Description
技术领域
本发明涉及一种载荷施加元件和一种生产载荷施加元件的方法。
背景技术
在大多数应用中，与将力引入由更常规材料制成的结构中相比，将力引入复合结构(例如由纤维增强塑料制成的结构)中是具有挑战性的。其一个原因是与例如常规金属合金相比，许多复合材料是高度各向异性的，并且相对脆弱。因此，由这些材料制成的结构可能对于如何将力引入其中的方式高度敏感。例如，钻孔和随后的螺纹切削以获得力传递点通常是不适用的，因为在大多数复合结构中这种措施引入的结构弱化比常规材料中高得多。
因此，现有技术中已知各种具体装置，以便将力施加到复合结构，而不会严重降低其结构能力。第一组载荷施加元件称作“镶件(onsert)”。载荷施加元件还可以称作“配件”。镶件通常使用粘合剂和/或机械限制装置连接到复合结构的表面。因此，可以将外力施加到镶件上，并且将穿过粘合剂传递到复合结构中。由此，镶件主要应用于至少部分完成的复合结构。第二组载荷施加元件至少部分地嵌入到复合结构中。这种类型的载荷施加元件(也称为“嵌件”(insert))通常在其生产过程中已经被定位在复合结构中。
US5079055以Brian P.Doyle的名义于1992年1月7日公布，并公开了一种包含彼此粘合的两个层压层的层合合成材料的加强件。根据US5079055，可以使用这种加强件以便建立紧固装置(例如螺栓或铆钉)的更持久附接。所述加强件包括由与层压制品的合成塑料材料相容的合成塑料材料形成的本体。此外，加强件适于粘合在层合合成材料的层压层之间。根据US5079055的增强件包括多个加强纤维，其被平行于层压层或垂直于层压层布置。布置成平行于层压层的纤维旨在分配整个层压层上施加到加强件的应力，而垂直于层压层布置的纤维旨在承受基本上垂直于层压层施加到加强件的应力。US5079055还描述了具有用于容纳固定装置的开口的加强件的实施例，例如由如金属制成的嵌件，其可以具有螺纹内部。
DE10148950以EADS Deutschland GmbH的名义于2003年4月24日公布，并描述了一种包含管状载荷施加元件的碳纤维结构。根据所述公布，载荷施加元件由多层碳纤维编织软管制成。载荷施加元件的一端形成为凸缘并且位于由碳纤维增强材料制成的大体层状基部结构的两个层之间。载荷施加元件在树脂基质注入和随后的固化期间连接到基部结构。
US2009/0301644以Georges Cahuzac等人的名义于2009年12月10日公布，并且示出了可用于复合结构的整体式加强件嵌件。根据该应用，加强嵌件包括嵌入硬化树脂中的叠置的纤维层，纤维层通过穿过所述层的接合纤维连接在一起，以形成也嵌入硬化树脂中的纤维部分。描述了这些层的各种比对以及层和材料的体积百分比。根据该公布，这种加强嵌件可以被加工成所需的形态，并且它们可以被刺穿和带有螺纹，使得其可以与螺钉或其它紧固元件组合使用。该文件进一步公开了一种用于生产这种加强嵌件的工艺。
发明内容
现有技术中已知的载荷施加元件具有几个缺点，取决于应用，这些可以是至关重要的。
对于作为复合结构的重要应用领域的轻型结构来说，载荷施加元件可以大大地贡献组件部分的总重量。这特别适用于仍然构成最广泛使用类型的载荷施加元件的金属制成的载荷施加元件。如上所述，许多复合结构对于它们如何被承载的方式相对敏感，这通常使得其必须在结构的较大区域上分配必须施加到复合结构上的外力。在这种应用中，载荷施加元件的最小空间尺寸可以主要由加载情况以及复合结构的类型给出。因此，载荷施加元件的重量可以主要取决于制成载荷施加元件的材料的比重。
铝通常用于载荷引入元件，因为它与其他金属相比具有相对低的比重。然而，与大多数复合材料相比，相较之下，铝具有相对较高的比重。另外也可以对由碳纤维增强塑料制成的附着结构引起电化腐蚀。这种腐蚀现象降低了复合结构的机械能力和寿命。在现有技术中，电化学不相容性通常通过相对广泛的电化学不相容材料的屏蔽和密封来抑制。
以相对较低比重为特征的其他材料，如连续塑料或短纤维增强塑料通常具有相当低的机械能力。
此外，为了将把外部载荷施加到复合结构上的区域的结构能力最大化，应考虑复合结构的结构各向异性。然而，使用由各向同性材料(例如金属)制成的载荷施加元件通常使得难以符合复合结构的各向异性机械特性。
各向异性在一定程度上可以通过改变由各向同性材料制成的力引入元件的尺寸和形状来控制。然而，这通常需要相对复杂的形状，因此对于以低价格进行的批量生产是不可行的。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于复合材料以及与现有技术已知的载荷施加元件相比具有相对低重量的非复合结构的有机械能力的载荷施加元件。载荷施加元件通常附接到复合材料和/或预见非复合结构与其交换载荷。
本发明的另一个目的是提供一种当与这种复合结构组合使用时可减少腐蚀现象的载荷施加元件。并且本发明的另一个目的是提供一种载荷施加元件，该载荷施加元件能够将特定于载荷情况分布的力引入到复合结构中。
用于高提取力/拉出力的载荷施加元件通常由各向同性或几乎/近似各向同性的材料制成，并具有相对简单的几何形状。它们笨重且体积大，并易腐蚀。本发明提供了解决这个问题的方案，大的力被吸收并分布在加强元件中，并且从加强元件直接或间接地转移到与载荷施加元件机械地互连的外部结构。因此，根据本发明的载荷施加元件包括至少一个加强元件，其包括几层复合材料形成的分层设置。如果可以添加适当的其它材料层，例如，金属层。
出于某些目的，载荷施加元件还可以包括至少部分地如下文所述的包围加强元件的外壳。因此，引入的力可以至少部分地通过外壳传递到外部结构。在本发明的另一变型中，外壳可以包括加强肋，以便增加外壳的机械能力和/或控制从外壳到相邻结构的载荷传递。对于某些应用，载荷施加元件可以包括加载装置，其可以机械地与至少一个加强元件互连和/或并入其中，如下面将要详细解释的。在本发明的变型中，载荷施加元件可以包括多个加载装置。
根据本发明的一个方面，与现有技术已知的装置相比，施加的载荷被引入加强元件中并且从那里以有效的方式从空间上分布到附接到载荷施加元件的周围结构。由于分层复合材料，载荷的分布可以被有效地控制，并适于所施加的力的方向和大小以及相邻机械结构的局部特性。载荷分布可以通过多种方式来控制，包括加强元件的外部尺寸和几何形状以及加强元件的层叠(例如，层的顺序布置和单独取向)以及纤维的选择。或者或另外，可以使用外壳的壁厚(如果存在)，以便控制载荷分布并形成载荷路径的一部分。
因此，根据本发明，载荷施加元件可以相对容易地被针对待处理的载荷以及必须引入载荷的结构的机械特性进行定制。这可以通过如本文所述的不同材料之间的相互作用来实现。
根据本发明的载荷施加元件不限于某些形状，因此加强元件可以是例如具有矩形、圆形、金字塔形、椭圆形或星形形状。
在本发明的变型中，载荷施加元件包括由金属或陶瓷或塑料或纤维增强塑料(或并入其中)制成的加载装置。如果加载装置由短纤维增强塑料制成，则可以获得特别轻的以及低成本的载荷施加元件。
如果外壳由具有或不具有纤维的塑料材料制成，则可获得良好的结果。因此，外壳可以使用例如注射成型或压缩成型工艺或热成型制成，如下面将进一步详细描述的。
为了减少腐蚀现象，载荷施加元件可以包括至少部分地由具有足够大电阻的塑料材料制成的外壳。因此，外壳可以例如由聚乙烯(如高密度聚乙烯或聚丙烯)制成。
为了增加外壳的刚度，在本发明的变型中，可以使用由包含短纤维的塑料材料制成的外壳。如果现有的加强元件和/或外壳包括由再循环材料和/或切割/修剪废料制成的纤维，则可以获得经济和生态上均有利的载荷施加元件。因此，特别是切割/修剪废料可以有效地回收。
使用选自玻璃纤维、玄武岩纤维或芳族聚酰胺纤维组成的组的短纤维可获得良好的结果。与例如碳纤维相比，这些纤维具有较高的电阻。因此，具有包括由这些材料中的一种或多种的纤维增强的塑料的外壳的本发明的变型可以提供高机械能力和针对防腐蚀现象非常好的保护。
在包括外壳的本发明的变型中，外壳具有至少一个紧固装置。可以使用这种紧固装置，以便将外壳与诸如复合结构的另一个结构机械地互连。或者或另外，可以使用这种紧固装置，以便将外壳临时地互连到用于生产这种复合结构的成型工具。或者或另外，也可以使用这种紧固装置来将载荷施加元件精确地定位在结构上或成型工具中。
或者或另外，加强元件可以包括至少一个紧固装置，以将载荷施加元件紧固到外部结构。
或者或另外，载荷施加元件可以包括外壳，该外壳具有成型为与特定结构的外表面对准的面。因此，本发明的这种变型可以通过粘合剂附接到结构上，并且用于作为嵌件进行力引入。
如果使用注射成型工艺制造外壳，则可能会获得良好的效果。因此，可以以合理的价格批量生产具有可再现的机械特性和/或相对复杂的外部几何形状的载荷施加元件。
根据应用，加强元件可以至少部分地由纤维增强塑料、金属、陶瓷及其组合制成。然而，本发明不限于这些类型的材料，例如，也可以将不含纤维增强材料的塑料与其它材料组合使用。
对于一些应用，具有前垫和后垫的嵌件相对于彼此间隔开一距离可以至少部分地嵌入加强元件中。因此，可以更好地控制加强元件内的载荷分布。如果在前垫和后垫之间布置至少一个中间垫，则可获得良好的结果。如果在前垫和后垫之间布置至少一层增强纤维，则可获得非常好的力分布。
在本发明的变型中，加强元件由具有低导热性以及高耐热损伤性的材料制成。如果复合结构必须机械连接到显示至少暂时温度升高的其它结构(例如制动系统)，则可以使用载荷施加元件的这种变型以便防止复合结构被热损坏。
加强元件可以包括碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维或其组合。
为了获得具有低重量和高刚度以及各向异性行为(如果需要)的力引入元件，可以使用具有长纤维增强的塑料。
如果使用纺织半成品制造加强元件，则可以获得良好的结果。这种纺织半成品可以例如从预浸材料、双轴织物、三轴织物和四轴织物的组中选择。
在本发明的变型中，加强元件可以包括多层纺织半成品，它们本身也可以由多个片层制成。对于一些应用，纺织半成品可以是机织织物。对于其他应用，如果使用缝合织物，则可获得良好的结果。因此，也可以产生具有相对较大空间尺寸的加强元件。
对于一些应用，加强元件也可以通过定制纤维铺放(TFP)工艺来制造。为了获得具有高度复杂的外部几何形状和/或预定义的机械各向异性的载荷施加元件，本发明的这种变型可能是有利的。
对于一些应用，载荷施加元件可以具有加载装置，其包括加强元件中的开口和/或加强元件外的从外壳延伸出的突出部。
在本发明的变型中，载荷施加元件可以包括在加强元件中具有螺纹孔的加载装置。根据应用和用于加强元件的材料，加载装置还可以包括衬套或螺纹嵌件，例如螺纹衬套和/或螺旋嵌件(螺纹嵌件)，其至少部分地位于加强元件中。这种螺纹嵌件可以由金属制成，例如钢、铝或钛。
然而，如果载荷施加元件包括加载装置，则可以获得重量特别低的载荷施加元件，加载装置包括作为加强元件的整体部分并因此由与加强元件相同的材料制成的螺纹孔。如果加强元件在生产加强元件期间已经设置有导向孔并且之后例如通过使用水龙头切割螺纹，则可以获得具有高机械能力的螺纹孔。
在本发明的变型中，载荷施加元件可以包括至少部分地嵌入加强元件中并从加强元件延伸的加载装置。为了使用销连接(销接头)将一个结构连接到另一个结构，本发明的这种变型可能是有利的。
很明显，根据本发明的载荷施加元件不限于与复合结构组合使用，而是还可用于将力引入其它类型的结构中。
根据本发明的载荷施加元件可以使用不同的方法来生产。
根据用于生产根据本发明的载荷施加元件的方法的第一个变形，首先将包括几层复合材料的加强元件插入到模具中。随后在该加强元件周围制造外壳。因此，可以使用注射和/或压缩模制以及热成型。在本发明的这种变型中，插入模具中的加强元件可以是至少部分固化的纤维增强塑料材料。
根据用于生产根据本发明的载荷施加元件的方法的第二个变形，首先将包括几层复合材料的加强元件插入到已在之前步骤中生产的外壳中。加强元件可以是干纺织半成品。在随后的步骤中，进行树脂注射以便用树脂浸渍加强元件。在该方法的变型中，该加强元件的层可以被缝合或缝制在一起，以防止后续步骤中不对准。或者或另外，可以在树脂注入期间固定多个层。
附图说明
从下面给出的具体实施方式和附图中将更充分地理解此处所述的本发明，具体实施方式和附图不应被认为是对所附权利要求书中描述的本发明的限制。
图1示意性地以立体图示出了载荷施加元件的一个实施例；
图2示意性地以前视图示出了图1的载荷施加元件；
图3示出了图2的横截面A-A；
图4示出了载荷施加元件的另一个实施例的类似于横截面A-A的横截面；
图5示出了载荷施加元件的另一个实施例的类似于横截面A-A的横截面；
图6示出了载荷施加元件的另一个实施例的类似于横截面A-A的横截面；
图7示出了载荷施加元件的另一个实施例的类似于横截面A-A的横截面；
图8以立体图示出了载荷施加元件的一个实施例，为了说明目的省略了载荷施加元件的一部分；
图9示出了可以用作加强元件的纺织半成品的一个实施例；
图10以立体图示出了载荷施加元件的一个实施例，为了说明目的省略了载荷施加元件的一部分；
图11示出了图9的安装在复合结构中的载荷施加元件；
图12示出了通过连接构件紧固到复合结构上的载荷施加元件的实施例；
图13示出了载荷施加元件的实施例；
图14示出了载荷施加元件的实施例；
图15示出了载荷施加元件的实施例。
具体实施方式
当结合附图阅读时，更好地理解上述发明内容以及下面的优选实施方式。为了说明本发明，当前优选的实施例，其中相同的附图标记在附图的几个视图中表示相同的部件，但是应当理解，本发明不限于所公开的具体方法和手段。
图1和图2以透视图示出了载荷施加元件1的实施例。载荷施加元件1包括由短纤维增强塑料制成的外壳1。外壳2包括多个紧固装置7，其可以用于将载荷施加元件1与一个结构(未示出)机械地互连，如图12所示。这种紧固装置7可以用于在生产这种结构时，将载荷施加元件1预先固定在复合结构(未图示)上。因此，可以确保这种结构的力导入点的适当定位。此外，图1和图2所示的载荷施加元件1的实施例包括具有与其必须连接的结构对准的形状(几何形状)的附接面。因此，载荷施加元件1可以例如通过粘合膜(未示出)与这种结构互连。
图3示出了图2的横截面A-A。如图所示，所示的载荷施加元件1的实施例包括由长纤维增强塑料制成的内部加强元件3。加强元件3包括多层(在z方向上叠层)纤维，由此纤维的取向在不同的层之间变化。在加强元件3内，嵌入有加载装置4，在所示的实施例中，加载装置4是螺纹衬套。
图4示出了载荷施加元件1的另一个实施例的横截面。与图3所示的实施例形成对照，图4所示的载荷施加元件1包括也部分地嵌入在外壳2中的加载装置，以向加载装置增加额外的拉出强度。
如图5所示，加载装置4在其表面上也可以包括诸如齿的突起或另一种类型的锁定装置，以便通过形状锁定来改善其在加强元件3中的锚固。
图6示出了带有具有稍微不同形状的外壳2的载荷施加元件1的另一个实施例。在外壳2内，加载装置4嵌入中心加强元件3中，该中心加强件本身部分地嵌入在外围加强件6中。因此，在这种实施例中，能够更有效地控制载荷传递、各自的力分布。
图7示出了载荷施加元件1的另一实施例，其中加载装置4是螺旋嵌件。这种类型的加载装置4可以例如用于获得特别轻的载荷施加元件1，因此相对重金属组分的量可以保持最小。因此，根据应用，螺旋嵌件可以由与例如碳纤维电化学兼容的钢合金制成，因此可以与包括碳纤维的加强元件3组合使用。
图8示出了载荷施加元件1的另一个实施例，其一部分已被夹紧以便示出其内部结构。在本发明的该实施例中，加载装置4显著地从外壳2突出。加载装置4还包括突起5，突起5改善其在加强元件3中的锚固。载荷施加元件1的这种实施例可以例如用于建立与外部结构(未示出)的销连接。
图9示出了可以用于生产根据本发明的载荷施加元件1的加强元件3的纺织半成品9的变型。这种类型的纺织半成品9包括增强纤维(未详细示出)的织物的多个片层(层)10。片层10通过多个针脚11缝合。因此，可以防止在载荷施加元件的生产过程中纺织半成品9的片层不对准。
图10和11示出了载荷施加元件1的另一个实施例，其形状/几何形状以及机械特性适于复合结构12。载荷施加元件1具有在z方向上变化的椭圆形横截面。安装时，载荷施加元件部分地嵌入复合结构中，如图11所示。
图12示出了安装在复合结构12的表面上的载荷施加元件1的另一个实施例。力引入元件和复合结构通过作为位于紧固装置中的螺钉的连接构件13连接。加载装置4是在加强元件3中直接切割的线。因此，加载装置4由与加强件3相同的材料制成，分别与加强件3一体形成。
图13示出了可以通过复合结构21中的孔接合的载荷施加元件1的实施例。
图14和15示出了根据本发明的具有不同几何形状的载荷施加元件1的另外两个实施例。图14所示的载荷施加元件1基本上是星形的并且包括两个加载装置4。这种实施例可以例如是有利的，以便考虑到相邻复合结构的各向异性，在更大的区域上分配施加的载荷。图15所示的载荷施加元件1具有基本上圆柱形的形状，并且只有一个加载装置4。
参考标记
1 载荷施加元件
2 外壳
3 加强元件
4 加载装置
5 突起
6 外围加强元件
7 紧固装置
8 附接面
9 纺织半成品
10 片层
11 针脚
12 复合结构
13 连接构件
Claims (20)
1.一种载荷施加元件(1)，包括：
a.至少一个加强元件(3)，其包括由几层复合材料形成的分层设置；以及
b.外壳(2)，其至少部分地包围所述加强元件(3)。
2.根据权利要求1所述的载荷施加元件(1)，其中，加载装置(4)与所述至少一个加强元件(3)机械地互连和/或并入所述至少一个加强元件(3)中。
3.根据权利要求3所述的载荷施加元件(1)，其中，所述加载装置(4)是至少部分地布置在所述加强元件(3)中的螺纹或衬套。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的载荷施加元件(1)，其中所述加载装置(4)由金属或陶瓷或塑料或纤维增强塑料制成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的载荷施加元件(1)，其中所述外壳(2)包括至少一个紧固装置(7)，以将所述载荷施加元件紧固到外部结构(12)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的载荷施加元件(1)，其中所述加强元件(3)包括至少一个紧固装置(7)，以将所述载荷施加元件紧固到外部结构(12)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的载荷施加元件(1)，其中所述载荷施加元件(1)嵌入至少部分地由复合材料形成的结构(12)的壁中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的载荷施加元件(1)，其中，所述加强元件(3)具有矩形、圆形、金字塔形、椭圆形或星形形状。
9.根据前述权利要求中任一项所述的载荷施加元件(1)，其中所述外壳(2)包括肋。
10.根据前述权利要求中任一项所述的载荷施加元件(1)，其中所述外壳(2)由注射和/或压缩和/或热成型塑料材料制成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的载荷施加元件(1)，其中在截面图中，所述外壳(2)在至少两侧包围所述加强元件(1)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的载荷施加元件(1)，其中所述外壳(2)由包括短纤维的塑料材料制成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的载荷施加元件(1)，其中所述至少一个加强元件(3)包括包含长纤维的纤维增强塑料。
14.根据前述权利要求中任一项所述的载荷施加元件(1)，其中所述至少一个加强元件(3)包括碳纤维和/或玻璃纤维和/或芳族聚酰胺纤维和/或玄武岩纤维。
15.根据前述权利要求中任一项所述的载荷施加元件(1)，其中所述至少一个加强元件(3)包括多层纺织半成品。
16.根据权利要求16所述的载荷施加元件(1)，其中所述多层被缝合或缝制在一起。
17.一种用于生产根据前述权利要求中任一项所述的载荷施加元件(1)的方法，包括以下步骤：
a.提供外壳(2)；
b.将干的纺织半成品插入所述外壳(2)中；
c.通过树脂注射浸渍干纺织半成品。
18.根据权利要求18所述的用于生产载荷施加元件(1)的方法，其中所述干纺织半成品包括至少一个开口，所述开口用于将所述织物品半成品定位在成型工具中。
19.根据权利要求19所述的用于生产载荷施加元件(1)的方法，其中所述至少一个开口设有螺纹。
20.一种用于生产根据前述权利要求1-17中所述的载荷施加元件(1)的方法，包括以下步骤：
a.将由至少部分(半)固化的纤维增强塑料材料制成的加强元件(3)插入成型工具中；
b.闭合成型工具；
c.将材料注入所述成型工具中以形成外壳(2)。
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