用于制造具有局部增大厚度的复合材料连杆的方法

摘要

本发明涉及一种用于制造复合材料连杆（19）的方法，该连杆具有呈双轭（21）形式的一个端部。根据本发明，通过编织机器（12）将围绕芯棒（5）编织的加强纤维（14）的层（16a-16e）施加在芯棒（5）的整个长度上；然后通过卷绕机器围绕与双轭（21）对应的端部（7）（5）施加加强纤维层（17a-17d）；交替地施加其它编织纤维层（16a-16e）和卷绕纤维层（17a-17d），直到构成足以形成双轭（21）的纤维（14）厚度为止。然后将树脂注射入编织纤维和卷绕纤维的各层（16a-16e,17a-17d），使树脂固化，对包括卷绕层（17a-17d）的端部进行机加工从而在该处形成双轭（21）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造复合材料连杆的方法，所述连杆包括管状或类似 类型的主体，所述连杆的诸如一端的一部分的特征是增大的复合材料厚度。

背景技术

图1示出一个这样的连杆1，该连杆包括在其每个端部处由双轭3、4延伸 的大致管状中空主体2。

每个双轭3、4更具体地包括两个臂3a、3b、4a和4b，所有的臂都由比连 杆的其余部分的复合材料的标称厚度大的复合材料厚度构成。每个轭的两个臂 位于平行于中空主体的总体方向，且每个臂包括孔，孔装配有内部金属环。

从专利文献FR2893532得知的方法中，该连杆在复合材料中完全由首先切 成图2所示形状的加强纤维组织制成。该形状包括中心部和四个延伸部，该中 心部对应于中空主体2，每个延伸部对应于两个双轭中的一个双轭的臂。

所使用的组织是2.5D型的具有恒定厚度的碳纤维组织，即包括多个重叠 的编织纤维层，这些编织纤维层通过附加的连接纤维而彼此连接。

该连杆的制造通常包括通过对其施加芯棒等来折叠图2中的组织以赋予其 管状的总体形状，然后将树脂注入到加强纤维组织并固化该组合物以聚合该树 脂。

轭的厚度在成形组织和注入树脂之前增加。这通过以下来实现：在轭的层 面处切割2.5D组织的连接纤维，从而将构成组织的各个编织纤维层分开。

然后在所分离的初始层之间局部地加入附加的交错层，这能够局部地增加 厚度。在添加交错层后，所谓的横向纤维穿过该组件以将所有层固定在一起。

然而，能使构成连杆的复合材料壁的厚度在轭的层面处局部增大的该解决 方案，在工业化的情形中保持成本较高且实施起来较复杂，这是因为必须要分 开各层并插入新的编织纤维层。

发明内容

本发明的目的是通过提供一种用于制造复合材料连杆的方法来提出弥补 该缺点的解决方案，该连杆具有沿其主轴的局部增大的厚度。

为此，本发明提供一种用于制造复合材料连杆的方法，包括以下步骤：

-产生一形成刚性整体的芯棒，所述芯棒适于接纳加强纤维的层；

-围绕所述芯棒交替地施加一方面为编织纤维层和另一方面为卷绕纤维 层，所述编织纤维层通过加强纤维编织机器在所施加的所述芯棒的整个长度上 延伸，所述卷绕纤维层在所述连杆的、与所述芯棒的一部分长度相对应的加强 部的层面处围绕所述芯棒进行卷绕，这些卷绕层借助用于卷绕由加强纤维构成 的捆扎件的机器来施加；

-将树脂注射入编织层和卷绕层的各层，并使树脂聚合以建立将所述编织 层刚性连接至所述卷绕层的结合(cohesion)。

该连杆包括沿其主轴局部地延伸的增加厚度，因此通过组合各种简单方 法、即编织和卷绕来基本上获得该连杆，从而能使该方法的工业化具有非常有 竞争力的制造成本。

本发明的方法因此能生产部件，在该部件中，复合材料的厚度在部件的沿 主轴彼此隔开的两个部分之间有所不同。

如上所述的方法还包括以下步骤：对包括每个卷绕层和每个编织纤维层的 加强部进行机加工以在其中形成接口，所述接口用来接纳将所述连杆连接至另 一机械元件的机械轴。

在如上所述的方法中，所述加强部位于所述连杆的一个端部，并且所述机 加工步骤包括对所述加强纤维层进行铣削和钻孔以在该端部的层面处形成双 轭的两个臂的操作。

在如上所述的方法中，所述加强部位于所述连杆的两个端部之间，并且所 述机加工步骤包括对所述加强纤维层进行钻孔以在其中形成轴承的操作。

在如上所述的方法中，使用具有与所述加强部相对应的平坦端部的芯棒， 并且所述机加工步骤包括铣削和钻孔操作以在该端部的层面处形成单轭臂。

在如上所述的方法中，所用的捆扎件是织造的加强纤维带。

在如上所述的方法中，所用的捆扎件卷绕成具有预定角度的螺旋体。

在如上所述的方法中，以不同的螺旋角施加多个卷绕层。

附图说明

已经描述的图1是已知的具有两个双轭的复合材料连杆的总体视图；

已经描述的图2是用于通过已知方法制造图1的连杆的加强纤维组织件在 摊平时的视图；

图3是用于使用本发明的方法来制造连杆的芯棒的立体图；

图4是示意性地示出在本发明的方法中围绕芯棒堆积加强纤维编织层的操 作的立体图；

图5是示意性地示出由加强纤维编织层围绕的芯棒的立体图；

图6是示意性地示出在本发明的方法中围绕芯棒堆积加强纤维卷绕层的操 作的立体图；

图7以立体图示出未加工的连杆本体，其呈现于注射树脂的操作之后；

图8以立体图示出一旦已对连杆的端部进行机加工、通过本发明的方法制 造的连杆；

图9是呈截面图的通过本发明的方法产生的轭的示例的示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是通过以下来制造形成在芯棒上的复合材料部件：将围 绕芯棒在其整个长度上施加编织纤维层的操作与只在每个加强部的层面处卷 绕加强纤维捆扎件的操作进行交替，从而在该处构成局部增大的厚度。

以必要多的次数连续实施编织和卷绕操作，直到获得所需厚度，即，一方 面为部件的标称厚度，另一方面为加强部层面处所需的增大厚度。

在图3和后续附图所示的示例中，芯棒5沿纵向轴线AX延伸，呈具有绕 该轴线的大体回转体形状的套筒形式。

该形状更具体地沿轴线AX演化，这是因为在中心区域6，芯棒5的横截 面是或多或少圆形的，而分别在第一端7和第二端8的层面处，芯棒5具有不 同尺寸的矩形横截面。

在附图所示的示例中，芯棒5在其第一端7处的截面显著大于其第二端8 处的截面。第一端对应于形成在该芯棒5上的连杆的双轭，而第二端对应于该 连杆的另一轭，这里是单轭。

在附图所示的示例中，芯棒是大体中空的部件，但其第二端是实心的，由 复合材料形成以构成单轭的中心区域。

两个杆9和11刚性地固定至芯棒的端部7和8，沿纵向方向AX延伸。这 些杆使得能够操纵芯棒而无需借助芯棒外表面来抓持芯棒，并使得能够将芯棒 保持在编织机器中。

用来堆积加强纤维层的该芯棒5起到支承这些层并赋予部件内部形状的作 用。它有利地由已定位和预聚合的、预浸渍碳纤维组织层产生。预聚合能给该 芯棒赋予适当的用于操纵的机械刚度，并密封该芯棒以防止树脂能渗入芯棒的 中空内部空间。

如图4所示，一旦已经完成芯棒5，则将芯棒配合在编织机器12中以围绕 芯棒编织加强碳纤维的第一层。该编织机器主要包括对中在轴线AX上并在其 后表面上承载一系列碳纤维线轴14的圆周环13。

当芯棒5沿轴线AX移过编织机器的环13时，全部由未示出的各种控制 装置来致动，围绕芯棒5的回转外表面编织碳纤维套并将该碳纤维套下压到该 外表面上。

如同可在图5中看到的那样，编织碳纤维的第一层16a在芯棒的整个长度 上沿轴线AX围绕芯棒5，并延伸超过其端部7和8，同时被基本夹靠在该芯 棒5的外表面上。

当已施加该第一编织层16a时，将第一带围绕芯棒5的第一端7卷绕在该 第一编织层16a上，从而形成沿轴线AX局部加强连杆的增大厚度，这里是在 其端部的层面处。

与在连杆的中心区域构成该连杆的材料的厚度相比，图5所示的该第一卷 绕带17a能对在连杆的第一端层面处构成连杆的材料的厚度进行局部增大。

连杆的第一端与芯棒5的第一端7对应，连杆的中心区域与芯棒5的中心 区域6对应，而连杆的第二端与芯棒5的第二端8对应。

如图5示意性地示出的那样，围绕第一端7卷绕的带17a用基本矩形的基 部设置成大体螺旋形，与其所围绕的芯棒5的端部7的截面相符合。

该第一带17a以预定螺旋角相对于该轴线AX卷绕，该角限定成当连杆端 被机械加载时在连杆中实现最佳的应力分布。

在图6中，带17a以彼此间隔开的仅三匝螺旋围绕端部7。然而，在该卷 绕阶段期间，多层带可围绕该第一端连续卷绕，从而增加到这样引入的增大厚 度。带17a的连续匝可局部地交叠以增大所增加的厚度。

例如，该卷绕阶段可包括沿轴线AX朝一个方向移动芯棒的步骤和后跟的 沿轴线AX朝相反方向移动芯棒的另一步骤，从而能连续构成相反定向的螺旋 线。

同样可以通过使用两台机器在芯棒的单个部件上沿轴线AX卷绕两个带 子，这两个带子形成具有相反定向、即相反方向的两条螺旋线，这两台机器绕 轴线AX沿相反方向转动且每台机器卷绕一个带子。

可手动地、自动地或半自动地施加该带。例如，可通过致使芯棒在固定的 卷绕机器中绕轴线AX转动来施加带子。该卷绕还可用包括围绕芯棒5且适于 围绕芯棒枢转的环在内的卷绕机器来实施。

这种环可安装在围绕该环的一组辊子上，可驱动该组辊子中的一个辊子来 驱使环转动。该卷绕环于是承载一个或多个待卷绕带子或纤维的线轴，每个线 轴能相对于环转动，该环围绕平行于环的轴线AX的轴线来承载线轴。

在这些条件下，环的转动和芯棒沿轴线AX的运动能以可根据需要调节的 间距和螺旋角来实施卷绕。

一旦已经围绕第一端卷绕该第一带17a，具有第一编织层16a和第一卷绕 带17a的整个芯棒5再次出现在环13内部以围绕该组件编织加强纤维的另一 层。

一旦已经围绕该组件编织加强纤维的该第二层，第二带以类似于第一带的 方式围绕第一端7卷绕在该第二编织层的顶上，这可相对于在连杆中心区域的 材料厚度来进一步增大在连杆端部的材料厚度。

因此连续实施编织层和卷绕带的不同施加操作，直到施加最后的编织层。 在合适时且给定所需结构，两个编织层可以是邻接的，即可以没有插入其间的 卷绕层。

然后，将由芯棒和其承载的编织层、卷绕层构成的组件安装在专用的模具 中，该模具例如由两个部件构成，每个部件具有与该组件的一半外形相对应的 压印部。

该模具设有树脂注射装置，致动该树脂注射装置以在各个编织层和卷绕层 的全部厚度上注射树脂。然后可控制模具以固化该组件，从而使注射的树脂完 全聚合。

一旦完成聚合，就从模具移出该组件，该组件构成图7中示意性地示出的 未加工部件18。

然后，在端部层面处对该未加工部件18进行机加工以形成图8所示的最 终连杆19，该最终连杆在这里包括在其第一端的双轭21和在其另一端的单轭 22。

如同可在附图中看到的那样，例如可通过在包含轴线AX的平面中使铣刀 经过未加工部件的第一端的层面而机加工出双轭21。

该铣刀的经过能形成沟槽，该沟槽将双轭21的两个臂或分支21a和21b 彼此分开，它们因此隔开与铣刀厚度相对应的距离。然后实施附加的机加工以 给这些臂21a和21b的轮廓赋予预定的大体倒圆形状。

在一补充的方式中，沿正交于铣刀经过平面的方向实施钻孔操作，以在臂 21a和21b中产生两个钻孔23a和23b，从而在安装连杆时能将轴配合在该双 轭中。

然后将两个金属环24a和24b分别安装在钻孔23a和钻孔24b中，从而在 装载组件时，将由轴施加的机械应力尽可能均匀地分配至安装在该轴上的轭。

如同可在图9中看到的那样，本发明的方法能形成连杆19，该连杆具有呈 包括两个臂21a和21b的轭形式的一端，该端的复合材料厚度显著大于构成连 杆其余部分的复合材料厚度，具体地大于其中空主体26的复合材料厚度。

更具体地说，在图8所示的示例中，在围绕第一层16a卷绕第一带17a之 前，围绕芯棒5编织加强纤维的第一层16a，但仅编织在第一端的层面处。然 后，在卷绕第二带之前施加编织纤维的第二层16b，再次施加在第一端的层面 处。然后，在卷绕第三带17c之前围绕因此构成的组件编织编织纤维的第三层 16c。然后，在局部地围绕第一端卷绕第四带17d之前，在该组件上施加编织 纤维的第四层16d。然后，围绕组件编织编织纤维的最后层16e。

如同可在图9中看到的那样，这里的轭厚度是轭其余部分材料厚度的基本 两倍。一般而言，以必要多的次数重复编织层和卷绕层的施加操作，直到获得 所需的标称厚度并在加强区域获得所需的附加厚度。

在附图所示的示例中，围绕第一端卷绕的材料是呈织造纤维带形式的加强 纤维捆扎件。然而，同样可以直接地卷绕加强纤维、或带子或加强纤维芯。更 一般地，卷绕由加强纤维产生的捆扎件是个问题，加强纤维有利地是与用作编 织层的纤维相同种类的纤维，或至少与编织层的纤维兼容。

除了有助于它们所构成的材料之外，这些卷绕的捆扎件能通过将它们牢固 地压靠在芯棒的外表面上而夹紧编织的加强纤维层。这种夹紧能使最终部件中 的加强纤维密度增大以提高其机械强度。

而且，在附图所示的示例中，使用该方法来在连杆端部产生增大厚度的复 合材料，以形成臂足够厚的双轭。

然而，本发明可在除了具有两个厚臂的双轭的生产之外找到应用，显著之 处在于能使形成的连杆在其主体的中心区域中包括开口或轴承以用来接纳通 过其中的机械轴，或者能使连杆在其端部包括单轭而非附图所示示例中的双 轭。

因此，当该中心区域包括用来接纳另一铰接元件的机械轴的轴承时，可以 例如在连杆本体的中心区域中卷绕一个或多个带子以增大其厚度。与轭的情形 一样，该轴承构成能使连杆和另一机械部件铰接的接口。在这种情况下，一旦 已施加在轴承的层面处编织和卷绕的加强纤维层且已注射和聚合树脂，沿横向 于连杆的方向对这些层进行钻孔操作能在其中形成这样的轴承。

如同在附图中所示的示例中那样，单轭可借助具有圆柱形中空主体的芯棒 产生在连杆的端部，但具有一个薄平坦端。

在这种情况下，编织纤维层可施加在芯棒的整个长度上，而卷绕层围绕芯 棒的该平坦端施加。一旦已施加所有层，就在对连杆的端部进行钻孔以在其中 形成开口之前注射和聚合树脂，从而能在该端部产生单轭。如同将能理解的那 样，沿着正交于芯棒平坦端的平面的方向实施该钻孔。

因此，本发明通常应用于诸如连杆的复合材料部件，即沿主轴延伸、具有 由封闭外部轮廓限定的实心或中空横截面且设有一个或多个接口的部件，这些 接口可以可互换地是轴承、单轭或双轭型的。