RU2146019C1

RU2146019C1 - Flexible shaft made of composite material

Info

Publication number: RU2146019C1
Application number: RU99100508A
Authority: RU
Inventors: В.С. Пичугин; В.П. Николаев; В.П. Тынянкин
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2000-02-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; composite material articles for use in different industries. SUBSTANCE: proposed flexible shaft is made be members spirally wound with crossing of winding coils. Winding members are formed by at least one tape rigidly connected in place of coil crossing to provide net structure of shaft with discretely arranged unidirectional coils. Coils can be located one over the other to form multiple layer structure with longitudinal ribs, for instance, in form of tape, arranged between places of coil crossing. Flexible shaft can be furnished with one or several connecting bushings. EFFECT: provision of simple and strong heat-resistant structure. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к изделиям из композиционных материалов, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства. The invention relates to mechanical engineering, namely to products from composite materials, and can be used in various sectors of the economy.

Известен гибкий вал из композиционного материала, внешняя поверхность которого образована перегибами пучков волокон, расположенных по прямолинейным с чередующимся углом наклона образующим однополостного гиперболоида. Центры гиперболоидов смещены вдоль продольной оси вала (авторское свидетельство СССР N 1677386, МПК F 16 С 3/02, 1991 г.). Known flexible shaft made of composite material, the outer surface of which is formed by the bends of fiber bundles located along a straight line with an alternating angle of inclination forming a single-cavity hyperboloid. The centers of the hyperboloids are displaced along the longitudinal axis of the shaft (USSR copyright certificate N 1677386, IPC F 16 C 3/02, 1991).

Недостатком известной конструкции вала является сложность изготовления и из-за низкой теплопроводности композиционного материала возможность перегрева в местах трения или соединения с трущимися поверхностями. A disadvantage of the known shaft design is the manufacturing complexity and, due to the low thermal conductivity of the composite material, the possibility of overheating in places of friction or joining with rubbing surfaces.

Наиболее близкими к заявленному является гибкий вал из композиционного материала, образованный элементами намотки, намотанными по спиралям со скрещивающимися витками (патент США N 4863416, МПК F 16 С 1/00, 1989 г.). Closest to the claimed is a flexible shaft made of composite material formed by winding elements wound in spirals with crossing turns (US patent N 4863416, IPC F 16 C 1/00, 1989).

Недостатком известной конструкции является сплошная оболочка получаемого вала, что приводит к возникновению трудностей, связанных с охлаждением вала. Кроме того, в изделиях, полученных намоткой, возникают остаточные напряжения, обусловленные химической и температурной усадками. Причем радиальные (межслойные) нормальные напряжения оказываются растягивающими, что может вызвать растрескивание материала не только при динамических, но и при статических нагрузках, особенно в тонкостенном изделии. Слабым местом является соединение отдельных участков вала, имеющего сплошную оболочку, поскольку они не обладают достаточной прочностью. Указанные недостатки не дают возможности получить гибкий вал из композиционного материала, имеющий простую, прочную и термостойкую конструкцию с заданными свойствами и обладающую возможностью надежного соединения с другими элементами. A disadvantage of the known design is the continuous shell of the resulting shaft, which leads to difficulties associated with cooling the shaft. In addition, in products obtained by winding, residual stresses occur due to chemical and thermal shrinkage. Moreover, the radial (interlayer) normal stresses are tensile, which can cause cracking of the material not only under dynamic, but also under static loads, especially in a thin-walled product. The weak point is the connection of individual sections of the shaft having a continuous shell, since they do not have sufficient strength. These disadvantages do not make it possible to obtain a flexible shaft from a composite material having a simple, strong and heat-resistant design with desired properties and with the possibility of reliable connection with other elements.

Указанный технический результат может быть достигнут при использовании в качестве силового каркаса вала сетчатой конструкции, состоящей из спирально уложенных элементов намотки. При этом обеспечивается лучшее охлаждение силового каркаса. Для повышения жесткости элемент намотки укладывается в несколько слоев один над другим, при этом для уменьшения толщины вала элемент намотки выполняется в виде ленты. Для исключения чрезмерного изгиба спиральных ребер, образованных спирально уложенным элементом намотки, в конструкцию вводятся продольные ребра, выполненные, например, в виде ленты и расположенные между местами пересечения витков элемента намотки, для получения одинакового по толщине и прочности силового каркаса. The specified technical result can be achieved by using a mesh structure consisting of spirally laid winding elements as the power frame of the shaft. This ensures better cooling of the power frame. To increase the rigidity, the winding element is laid in several layers one above the other, while to reduce the thickness of the shaft, the winding element is made in the form of a tape. To avoid excessive bending of the spiral ribs formed by the spirally wound winding element, longitudinal ribs are introduced into the structure, made, for example, in the form of a tape and located between the intersections of the turns of the winding element, to obtain the same strength and strength of the power frame.

Технология намотки сетчатой оболочки позволяет на стадии получения оболочки крепить (вматывать) соединительные элементы, например, металлические законцовки, представляющие собой втулки, на наружной поверхности которых выполнены выступы для крепления элемента намотки. The technology of winding the mesh shell allows you to fasten (wrap) the connecting elements, for example, metal ends, which are bushings, on the outer surface of which the protrusions for fastening the winding element, are fastened (wound).

Сущность заявленного изобретения заключается в том, что у гибкого вала из композиционного материала, образованного элементами намотки, намотанными по спиралям со скрещивающимися витками, элемент намотки выполнен в виде по меньшей мере одной ленты, жестко соединенной в местах скрещивания витков с возможностью образования сетчатой структуры вала с дискретно расположенными однонаправленными витками. The essence of the claimed invention lies in the fact that for a flexible shaft made of composite material formed by winding elements wound in spirals with crossed coils, the winding element is made in the form of at least one tape rigidly connected at the points of crossing the coils with the possibility of forming a mesh structure of the shaft with discreetly arranged unidirectional turns.

В частных случаях выполнения витки могут быть расположены один над другим и соединятся связующим, с образованием многослойной структуры, при этом между местами скрещивания расположены продольные ребра, например, в виде ленты. In particular cases, the turns can be located one above the other and connected by a binder, with the formation of a multilayer structure, while longitudinal ribs, for example, in the form of a tape, are located between the places of crossing.

Гибкий вал может быть снабжен одной или несколькими соединительными втулками. The flexible shaft may be provided with one or more connecting sleeves.

Для подтверждения возможности использования изобретения приводится описание одного из вариантов заявленного изобретения, проиллюстрированного на чертежах, где:
на фиг. 1 изображен вал со спирально распложенным волокном;
на фиг. 2 - то же, с продольными ребрами;
на фиг. 3 - соединение вала с соединительной втулкой.To confirm the possibility of using the invention, a description of one of the variants of the claimed invention is illustrated, illustrated in the drawings, where:
in FIG. 1 shows a shaft with a spirally spaced fiber;
in FIG. 2 - the same, with longitudinal ribs;
in FIG. 3 - connection of the shaft with the connecting sleeve.

Гибкий вал из композиционного материала 1 образован элементами намотки, выполненными в виде одной ленты или нескольких лент, намотанных по спиралям с образованием параллельно дискретно расположенных под определенным углом ± φ к продольной оси вала витков 2, 3. Витки спиралей скрещиваются и жестко соединяются с витками смежной спирали в местах скрещивания, с возможностью образования сетчатой структуры вала с дискретно расположенными витками. A flexible shaft made of composite material 1 is formed by winding elements made in the form of one tape or several tapes, wound in spirals with the formation of turns 2, 3 parallel to the longitudinal axis of the shaft, discretely arranged at a certain angle ± φ to the longitudinal axis of the shaft. The turns of the spirals are crossed and rigidly connected to the turns of the adjacent spirals in the places of crossing, with the possibility of the formation of a mesh structure of the shaft with discretely arranged turns.

Для повышения жесткости может быть намотано несколько слоев ленты, причем дополнительные слои располагаются один над другим и соединяются связующим, с образованием многослойной структуры. To increase rigidity, several layers of tape can be wound, and additional layers are located one above the other and connected by a binder, with the formation of a multilayer structure.

Для обеспечения требуемой жесткости на изгиб вводятся продольные ребра 4, выполненные, например, в виде ленты. To ensure the required bending stiffness, longitudinal ribs 4 are introduced, made, for example, in the form of a tape.

Гибкий вал может быть снабжен соединительной втулкой 5, на наружной поверхности которой выполнены выступы 6. На внутренней поверхности втулки может быть предусмотрена резьба, шпоночный паз или шлица в зависимости от предлагаемой конструкции соединения. The flexible shaft may be provided with a connecting sleeve 5, on the outer surface of which protrusions are made 6. On the inner surface of the sleeve, a thread, keyway or slot may be provided, depending on the proposed connection design.

В процессе работы гибкий вал обеспечивает передачу крутящего момента, хорошо охлаждаясь за счет сетчатой структуры и обеспечивая требуемую жесткость на изгиб. In the process, the flexible shaft provides torque transmission, cooling well due to the mesh structure and providing the required bending stiffness.

Claims

1. A flexible shaft of fibrous composite material formed by winding elements wound in a spiral with crossed turns, characterized in that the winding element contains at least one tape and the turns of the spirals are rigidly connected to the turns of an adjacent spiral at the crossing points with the possibility of forming a mesh structure of the shaft with discreetly arranged turns.

2. The flexible shaft according to claim 1, characterized in that it is equipped with additional winding elements with crossed turns that are located above the specified.

3. The flexible shaft according to claim 1, characterized in that it is provided with longitudinal ribs located between the crossing points of the turns.

4. The flexible shaft according to claim 3, characterized in that the longitudinal ribs are made in the form of a tape.

5. The flexible shaft according to claim 1, characterized in that it is provided with at least one connecting sleeve.