CN115571325A - 一种双自由度复合材料铰链及其制备方法 - Google Patents

一种双自由度复合材料铰链及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种双自由度复合材料铰链及其制备方法，涉及铰链结构领域，包括翼面固定板、转动过渡块、舵面固定板、水平转动部、垂直转动部；转动过渡块的一端通过垂直转动部连接于翼面固定板，转动过渡块的另一端通过水平转动部连接于舵面固定板，水平转动部与垂直转动部垂直，且水平转动部和垂直转动部为柔性结构；翼面固定板和转动过渡块之间以垂直转动部为轴线转动，转动过渡块和舵面固定板之间以水平转动部为轴线转动。该铰链具有两个方向的转动自由度，可以更好的配合实现无人机舵面的转动。此外，利用复合材料自身的性能优势及巧妙的结构设计，使得铰链在实现功能的基础上重量极轻，性能优异。

Description

一种双自由度复合材料铰链及其制备方法
技术领域
本申请涉及铰链结构的技术领域，特别是一种双自由度复合材料铰链及其制备方法，该铰链可应用于轻型无人机，固定翼飞机等。
背景技术
随着复合材料技术水平的进步，其在飞机设计与制造领域使用比例逐渐增加。轻型无人机的功能件与承力件也在逐步由金属材料替换为比强度更高的复合材料。铰链是飞机的一种重要结构，用于连接旋转的舵面与固定的翼面。传统的铰链通常采用金属形式，但是金属铰链存在以下不足：(1)结构形式复杂，重量过大；(2)金属耐腐蚀性差，一旦出现局部生锈等现象，将严重影响舵面转动精度，从而影响飞机的操纵性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了双自由度复合材料铰链及其制备方法，具有两个方向的自由度，能够有效解决舵面安装误差与舵面变形带来的卡滞问题，质地轻，转动精度高。
本发明的技术解决方案是：
一种双自由度复合材料铰链，包括翼面固定板、转动过渡块、舵面固定板、水平转动部、垂直转动部；
转动过渡块的一端通过垂直转动部连接于翼面固定板，转动过渡块的另一端通过水平转动部连接于舵面固定板，水平转动部与垂直转动部垂直，且水平转动部和垂直转动部为柔性结构；
翼面固定板和转动过渡块之间以垂直转动部为轴线转动，转动过渡块和舵面固定板之间以水平转动部为轴线转动。
所述水平转动部和垂直转动部的材质为凯拉夫。
所述翼面固定板包括底层碳纤维层、顶层碳纤维层；
舵面固定板包括第一碳纤维层、第二碳纤维层；
转动过渡块包括保型泡沫，以及在保型泡沫外侧设置的第三碳纤维层、第四碳纤维层；保型泡沫靠近垂直转动部的一侧设有垂直边缘、靠近水平转动部的一侧设有水平边缘；
第三碳纤维层、第四碳纤维层之间设有两个第一凯夫拉层，两个第一凯夫拉层在保型泡沫的垂直边缘两侧铺设、在垂直边缘位置接触、接触到一起的两个第一凯夫拉层穿入顶层碳纤维层并在底层碳纤维层和顶层碳纤维层之间相背离铺设；
第三碳纤维层、第四碳纤维层之间设有两个第二凯夫拉层，两个第二凯夫拉层在保型泡沫的水平边缘的两侧铺设、在水平边缘位置接触、接触到一起的两个第二凯夫拉层穿入第二碳纤维层并在第一碳纤维层和第二碳纤维层之间相背离铺设；
两个第一凯夫拉层在翼面固定板和转动过渡块之间的接触部分为垂直转动部；两个第二凯夫拉层在转动过渡块和舵面固定板之间的接触部分为水平转动部。
所述第三碳纤维层全包覆保型泡沫。
所述垂直转动部的两个第一凯夫拉层之间、以及水平转动部的两个第二凯夫拉层之间通过胶膜和碳丝填充。
所述转动过渡块在垂直边缘的两侧、以及水平边缘的两侧设有凸起，使以水平转动部为转轴、转动过渡块和舵面固定板之间的转动范围为-α～+α，以垂直转动部为转轴、翼面固定板和转动过渡块之间的转动范围为-β～+β；
α和β均不大于90°。
所述底层碳纤维层和顶层碳纤维总厚度、以及第一碳纤维层和第二碳纤维层的总厚度均为2～4mm；第一凯夫拉层、第二凯夫拉层厚度均为0.8～1.2mm。
所述第三碳纤维曾和第四碳纤维层的总厚度为1.5～3mm。
所述保型泡沫采用PMI材料。
一种双自由度复合材料铰链的制备方法，包括：
在保型金属模具上分别进行底层碳纤维层和第一碳纤维层，同时在按照设计形状机加成型的保型泡沫外侧铺设第三碳纤维层；
按照翼面固定板、转动过渡块、舵面固定板的相对安装位置，将底层碳纤维层、第一碳纤维层、第三碳纤维层用模具保证其相对位置；
在底层碳纤维层、第一碳纤维层、第三碳纤维层表面铺设第一凯夫拉层、第二凯夫拉层；
在第一凯夫拉层背离底层碳纤维层的一侧铺设顶层碳纤维层，在第二凯夫拉层背离第一碳纤维层的一侧铺设第二碳纤维层；
采用外模真空袋成型方式进行固化。
综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：
1、具有两个方向的自由度，能够有效解决舵面安装误差与舵面变形带来的卡滞问题。
2、铰链能够承受瞬时冲击载荷，通过大角度弯折吸收冲击能量，从而避免发生损坏。
3、两端的复合材料结构形式灵活，可以采用胶结或螺栓连接，具有广泛的适用范围。
4、结构重量轻，能够实现减重目的。
附图说明
图1为本申请实施例中的铰链整体结构示意图；
图2为图1中铰链垂直于垂直转动部方向的截面图；
图3(a)(b)分别为本申请实施例中垂直于水平转动部、垂直于垂直转动部的剖视图；
图4为(a)(b)分别为本申请实施例中垂直于水平转动部、垂直于垂直转动部的整体剖视铺层图。
附图标记说明：1、翼面固定板；11、底层碳纤维层；12、顶层碳纤维层；2、转动过渡块；3、舵面固定板；31、第一碳纤维层；32、第二碳纤维层；4、水平转动部；5、垂直转动部；6、保型泡沫；61、第三碳纤维层；62、第四碳纤维层；63、垂直边缘；64、水平边缘；7、第一凯夫拉层；8、第二凯夫拉层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：
本申请实施例公开一种双自由度复合材料铰链及其制备方法，如图1和图2所示，铰链包括翼面固定板1、转动过渡块2、舵面固定板3、水平转动部4、垂直转动部5。转动过渡块2的一端通过垂直转动部5连接于翼面固定板1，转动过渡块2的另一端通过水平转动部4连接于舵面固定板3，水平转动部4与垂直转动部5垂直，且水平转动部4和垂直转动部5为柔性结构。翼面固定板1和转动过渡块2之间以垂直转动部5为轴线转动，转动过渡块2和舵面固定板3之间以水平转动部4为轴线转动。
如图3a、图3b和图4所示，翼面固定板1包括底层碳纤维层11、顶层碳纤维层12。舵面固定板3包括第一碳纤维层31、第二碳纤维层32。转动过渡块2包括保型泡沫6，以及在保型泡沫6外侧设置的第三碳纤维层61、第四碳纤维层62，第三碳纤维层61全包覆保型泡沫6。保型泡沫6靠近垂直转动部5的一侧设有垂直边缘63、靠近水平转动部4的一侧设有水平边缘64。第三碳纤维层61、第四碳纤维层62之间设有两个第一凯夫拉层7，两个第一凯夫拉层7在保型泡沫6的垂直边缘63两侧铺设、在垂直边缘63位置接触、接触到一起的两个第一凯夫拉层7穿入顶层碳纤维层12并在底层碳纤维层11和顶层碳纤维层12之间相背离铺设。第三碳纤维层61、第四碳纤维层62之间设有两个第二凯夫拉层8，两个第二凯夫拉层8在保型泡沫6的水平边缘64的两侧铺设、在水平边缘64位置接触、接触到一起的两个第二凯夫拉层8穿入第二碳纤维层32并在第一碳纤维层31和第二碳纤维层32之间相背离铺设。两个第一凯夫拉层7在翼面固定板1和转动过渡块2之间的接触部分为垂直转动部5；两个第二凯夫拉层8在转动过渡块2和舵面固定板3之间的接触部分为水平转动部4。使得水平转动部4和垂直转动部5为凯夫拉材料制成，利用凯夫拉的韧性实现转动功能。
两个第一凯夫拉层7之间、两个第二凯夫拉层8之间通过胶膜和碳丝填充。
通过上述结构设置，翼面固定板1形成碳纤维-凯夫拉-碳纤维夹芯结构，底层碳纤维层11用于与主翼长桁粘接，中层的第一凯拉夫层用于形成垂直转动部5，顶层碳纤维层12用于增加固定板的刚度，保证转动时，底层碳纤维层11不会发生随动。本实施例中翼面固定板1为方形便于粘接主翼方形长桁，但其形状是可以改变的，例如，当主翼面采用圆形尾梁时，可以改为适配的圆形结构进行粘接。
通过上述结构设置，舵面固定板3形成碳纤维-凯夫拉-碳纤维夹芯结构，第一碳纤维用于与舵面主梁进行粘接，中层第二凯夫拉层8用于形成水平转动部4，第二碳纤维层32用于增加固定板的刚度，保证转动时，第一碳纤维层31不会发生随动。
如图4a和b所示，转动过渡块2与保型泡沫6用于连接翼面固定板1和舵面固定板3，并配合形成水平转动部4和垂直转动部5。转动过渡块2由碳纤维和凯夫拉制成，第三碳纤维层61用于增加刚度，中层的凯夫拉(第一凯夫拉层7、或第二凯夫拉层8)用于配合形成水平转动部4和垂直转动部5。保型泡沫6作为转动过渡块2的填充物，起到保型作用。同时，保型泡沫6的设计可以兼顾转动限位设计，如图4所示，转动过渡块2在垂直边缘63的两侧、以及水平边缘64的两侧设有凸起，使以水平转动部4为转轴、转动过渡块2和舵面固定板3之间的转动范围为-α～+α，以垂直转动部5为转轴、翼面固定板1和转动过渡块2之间的转动范围为-β～+β；α和β均不大于90°。
翼面固定板1和舵面固定板3的外形根据主翼及舵面形状设计，转动过渡块2和保型泡沫6的形状根据主翼和舵面的相对位置、舵面转动范围要求确定。
各部位的铺层厚度根据刚度要求确定，通常翼面固定板1和舵面固定板3的总碳纤维厚度均为2～4mm，即底层碳纤维层11和顶层碳纤维12总厚度、以及第一碳纤维层31和第二碳纤维层32的总厚度均为2～4mm，第三碳纤维曾和第四碳纤维层的总厚度为1.5～3mm，第一凯夫拉层7、第二凯夫拉层8厚度均为0.8～1.2mm。保型泡沫6通常采用PMI材料。
翼面固定板1中部的凯夫拉层与转动过渡块2一侧的凯夫拉层为同一层，与其对称面的凯夫拉层共同组成垂直转动部5；舵面固定板3中部的凯夫拉层与转动过渡块2另一侧的凯夫拉层为同一层，与其对称面的凯夫拉层共同组成水平转动部4。
整体设计完成后进行模具设计及产品制造：
翼面固定板1与舵面固定板3外侧的成型：首先在保型金属模具上进行底层碳纤维、以及第一碳纤维层31的铺设。
转动过渡块2底部的成型：保型泡沫6按照设计形状机加成型后，在保型泡沫6外侧铺设第三碳纤维层61。
按照翼面固定板1、转动过渡块2、舵面固定板3的相对安装位置，将底层碳纤维层11、第一碳纤维层31、第三碳纤维层61用模具保证其相对位置；在设计位置铺设三者的第一凯夫拉层7、第二凯夫拉层8，通过胶膜和局部填充纤维对相对的两个第一凯夫拉层7之间、以及相对的两个第二凯夫拉层8和之间进行调整，使凯夫拉铺层对接，形成水平转动部4和垂直转动部5。局部填充纤维为T300碳丝。
在第一凯夫拉层7背离底层碳纤维层11的一侧铺设顶层碳纤维层12，在第二凯夫拉层8背离第一碳纤维层31的一侧铺设第二碳纤维层32，完成翼面固定板1、转动过渡块2和舵面固定板3外层碳纤维的铺设，增加整体刚度。
采用外模真空袋成型方式进行固化。
使用时，只需将翼面固定板1和舵面固定板3粘接在设计位置即可。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种双自由度复合材料铰链，其特征在于：包括翼面固定板(1)、转动过渡块(2)、舵面固定板(3)、水平转动部(4)、垂直转动部(5)；
转动过渡块(2)的一端通过垂直转动部(5)连接于翼面固定板(1)，转动过渡块(2)的另一端通过水平转动部(4)连接于舵面固定板(3)，水平转动部(4)与垂直转动部(5)垂直，且水平转动部(4)和垂直转动部(5)为柔性结构；
翼面固定板(1)和转动过渡块(2)之间以垂直转动部(5)为轴线转动，转动过渡块(2)和舵面固定板(3)之间以水平转动部(4)为轴线转动。
2.根据权利要求1所述的一种双自由度复合材料铰链，其特征在于：所述水平转动部(4)和垂直转动部(5)的材质为凯拉夫。
3.根据权利要求1所述的一种双自由度复合材料铰链，其特征在于：所述翼面固定板(1)包括底层碳纤维层(11)、顶层碳纤维层(12)；
舵面固定板(3)包括第一碳纤维层(31)、第二碳纤维层(32)；
转动过渡块(2)包括保型泡沫(6)，以及在保型泡沫(6)外侧设置的第三碳纤维层(61)、第四碳纤维层(62)；保型泡沫(6)靠近垂直转动部(5)的一侧设有垂直边缘(63)、靠近水平转动部(4)的一侧设有水平边缘(64)；
第三碳纤维层(61)、第四碳纤维层(62)之间设有两个第一凯夫拉层(7)，两个第一凯夫拉层(7)在保型泡沫(6)的垂直边缘(63)两侧铺设、在垂直边缘(63)位置接触、接触到一起的两个第一凯夫拉层(7)穿入顶层碳纤维层(12)并在底层碳纤维层(11)和顶层碳纤维层(12)之间相背离铺设；
第三碳纤维层(61)、第四碳纤维层(62)之间设有两个第二凯夫拉层(8)，两个第二凯夫拉层(8)在保型泡沫(6)的水平边缘(64)的两侧铺设、在水平边缘(64)位置接触、接触到一起的两个第二凯夫拉层(8)穿入第二碳纤维层(32)并在第一碳纤维层(31)和第二碳纤维层(32)之间相背离铺设；
两个第一凯夫拉层(7)在翼面固定板(1)和转动过渡块(2)之间的接触部分为垂直转动部(5)；两个第二凯夫拉层(8)在转动过渡块(2)和舵面固定板(3)之间的接触部分为水平转动部(4)。
4.根据权利要求3所述的一种双自由度复合材料铰链，其特征在于：所述第三碳纤维层(61)全包覆保型泡沫(6)。
5.根据权利要求3所述的一种双自由度复合材料铰链，其特征在于：所述垂直转动部(5)的两个第一凯夫拉层(7)之间、以及水平转动部(4)的两个第二凯夫拉层(8)之间通过胶膜和碳丝填充。
6.根据权利要求3所述的一种双自由度复合材料铰链，其特征在于：所述转动过渡块(2)在垂直边缘(63)的两侧、以及水平边缘(64)的两侧设有凸起，使以水平转动部(4)为转轴、转动过渡块(2)和舵面固定板(3)之间的转动范围为-α～+α，以垂直转动部(5)为转轴、翼面固定板(1)和转动过渡块(2)之间的转动范围为-β～+β；α和β均不大于90°。
7.根据权利要求3所述的一种双自由度复合材料铰链，其特征在于：所述底层碳纤维层(11)和顶层碳纤维(12)总厚度、以及第一碳纤维层(31)和第二碳纤维层(32)的总厚度均为2～4mm；第一凯夫拉层(7)、第二凯夫拉层(8)厚度均为0.8～1.2mm。
8.根据权利要求3所述的一种双自由度复合材料铰链，其特征在于：所述第三碳纤维层(61)和第四碳纤维层(62)的总厚度为1.5～3mm。
9.根据权利要求3所述的一种双自由度复合材料铰链，其特征在于：所述保型泡沫(6)采用PMI材料。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种双自由度复合材料铰链的制备方法，其特征在于：包括
在保型金属模具上分别进行底层碳纤维层(11)和第一碳纤维层(31)，同时在按照设计形状机加成型的保型泡沫(6)外侧铺设第三碳纤维层(61)；
按照翼面固定板(1)、转动过渡块(2)、舵面固定板(3)的相对安装位置，将底层碳纤维层(11)、第一碳纤维层(31)、第三碳纤维层(61)用模具保证其相对位置；
在底层碳纤维层(11)、第一碳纤维层(31)、第三碳纤维层(61)表面铺设第一凯夫拉层(7)、第二凯夫拉层(8)；
在第一凯夫拉层(7)背离底层碳纤维层(11)的一侧铺设顶层碳纤维层(12)，在第二凯夫拉层(8)背离第一碳纤维层(31)的一侧铺设第二碳纤维层(32)；
采用外模真空袋成型方式进行固化。
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