拉杆及其製造方法與流程

2023-08-01 04:14:21

本發明涉及拉杆和用於製造拉杆的方法，尤其地用在航空、航天、土木工程和汽車工業的機械連接系統中。

背景技術：

用於施工工程例如航天、土木工程或建築學中的梁、託梁和框架被設計成承受垂直於相應的梁的延伸方向作用的彎曲力。傳統的梁可被應用一體部件，該一部部件在邊緣處具有凸緣並且在凸緣之間具有腹板跨軛(web spanning)。可替代地，切碎機切碎的支柱可代替腹板被應用到平行延伸的縱向支撐杆之間，因此，由於使用更少的材料形成梁，引起梁的減少的重量。一個壓膠輥的示例在文獻US 387118A中示出，該壓膠輥採用由穩定中間環圍繞的縱向支撐杆。

為了在機械連接系統的不同部件之間傳遞更大的拉伸和壓縮應力，可使用具有細長主體的杆或支柱，該細長主體在兩端設置有合適的連接器以形成用於將所述杆或支柱連接到連接系統的主結構或可替代地彼此之間連接的連接節點。在航空應用中，所謂的「拉杆」常被用於為任何具有艙體的機械結構提供支撐，例如，衛生設施、帽架、頭頂儲存隔間、廚房模塊、天花板部件和類似的結構。這種拉杆可被形成為由輕質金屬例如鋁、或複合材料例如碳纖維增強塑料(CERP)部件製造的空心圓柱體。

在航空工業中，拉杆應當同等地耐用然而輕質。大量的拉杆被傳統地應用在軍用或民用級飛機中，因此單個拉杆的即使較小的重量減少都將總體上引起對於整個飛機的可觀的重量減少。已知用於傳送拉伸或壓縮載荷的複合構件，在該複合構件中，通過將縱向的和螺旋形的絲交織來形成類似桁架的柵格，從而形成開放的柵格結構外殼。縱向的絲首先承載軸向和彎曲載荷，而螺旋形的絲既穩固縱向的絲又承載扭轉和橫向剪切力。減少重量的拉杆在例如文獻US8,679,275 B2中示出，其中公開了具有由交織的 絲形成的開放的柵格主體的複合拉杆。文獻US2005/0115186A1公開了一種具有圍繞軸線纏繞的多個螺旋部件的結構構件，這些螺旋部件的每一個都具有首尾相連成螺旋構造的直的片段。文獻8,313,600B2公開了由複合材料形成的三維幾何柵格支撐結構。

技術實現要素：

本發明的一個目的在於提供一種技術方案，用於進一步降低可用於承受高拉伸和壓縮應力的拉杆的重量和結構複雜性的技術方案。

該目標通過具有權利要求1的特徵的拉杆以及具有權利要求11的特徵的用於製造拉杆的方法來實現。

本公開內容的第一方面關於一種拉杆，其包括具有基本一致的橫截面的細長的拉杆主體。拉杆主體包括至少八個柱，至少八個柱平行於彼此並且被放置為圍繞拉杆的中心軸線的圓周構造。

根據本公開內容的第二方面，一種用於製造拉杆的方法包括將至少八個柱平行於彼此設置為圍繞中心軸線的圓周構造，從而形成具有基本一致的橫截面的細長的拉杆主體。

本發明所基於的構思是由放置成基本圓形構造的最少八個柱建造拉杆。這些柱可被一些圓形環打斷以避免在達到材料的極限壓縮應力之前柱的彎曲，由柱來形成拉杆，以取代作為傳統拉杆的空心圓柱體使得節省達40％的重量，同時對於壓縮載荷情況，這種拉杆的彎曲強度被保持。

本發明的桁架式的拉杆不需要任何將相鄰的柱相互連接的對角延伸為或傾斜的椽。柱本身作為桁架構件或與桁架式的拉杆的延伸方向平行的弦杆，拉伸和壓縮能力經由圍繞拉杆桁架的外周的柱的數目、間隔和圓周向的集聚來保證。可環繞桁架式的拉杆主體的側面的可選的交叉件可作為附加的支撐構件以增加柱在過大的壓縮負荷下的彎曲強度。

額外地，尤其有利的是通過以上面提到的方式在製造拉杆時採用任何一種層製造技術而隨之而來的成本、重量、交付周期、部件數量和製造複雜性的降低。

根據拉杆的一個實施例，細長的拉杆主體可為基本圓柱體形狀。根據拉杆的進一步的實施例，拉杆主體可確切地包括八個柱，或可替代地可包 括至少八個柱。八個柱是在重量效果與保持拉杆對在拉杆上的彎曲載荷的降低能力之間的有利平衡。

根據拉杆的一個實施例，柱可具有基本相同的圓柱體形狀。圓柱體的形狀有利地提供在兩垂直於柱的延伸的方向上的基本相等的慣性矩，從而呈現出在抗彎強度和重量之間的最佳比例。

在該實施例中，柱的半徑與拉杆主體的直徑之間的比例等於大約0.28。該比例為有利的，這是由於對於該特定的值，圍繞中心軸線設置成圓周幾何形狀的八個柱足夠寬以使得其側面彼此接觸。當柱彼此接觸時，其會為彼此提供側向支撐，從而避免了對圓形支撐環的需要，柱本身提供足夠的側向支撐以抑制處於壓縮應力下的拉杆的彎曲。

根據拉杆的一個實施例，拉杆主體可進一步包括環繞拉杆主體的側面的一個或多個交叉件。在一個實施例中，交叉件在處於拉杆主體的基本相同的高度上的互連節點處連接到至少八個柱中的每一個上。

根據拉杆的一個實施例，交叉件可具有環形圓環面的形狀。拉杆主體可包括至少三個交叉件，其中交叉件在拉杆的延伸方向上彼此之間基本等距地間隔開。

根據拉杆的一個實施例，拉杆的臨界抗彎強度可超過用於製造至少八個柱的材料的極限應力能力。

附圖說明

將參照附圖中描述的示例性的實施例對本發明進行更詳細的解釋。

圖1示意性地示出根據本發明的實施例的拉杆的立體視圖。

圖2示意性地示出根據本發明的另一實施例的拉杆的剖視圖。

圖3示意性地示出根據本發明的另一實施例的圖1的拉杆的剖視圖。

圖4示意性地示出根據本發明的另一實施例的拉杆的剖視圖。

圖5示意性地示出根據本發明的另一實施例的拉杆的剖視圖。

圖6示意性地示出根據本發明的另一實施例的拉杆的剖視圖。

圖7示意性地示出用於製造根據本發明的又一實施例的拉杆的方法的步驟。

具體實施方式

附圖被包括以提供對本發明的進一步的理解，其被包括並作為本說明書的一部分。附圖示出本發明的實施例並且與說明書一起用來解釋本發明的原理。本發明其他的實施例和本發明的很多預期的優點將被容易地領會，因為參照下面的詳細的描述其變得更好理解。附圖中的元件不一定為相對於彼此的真實的比例。相同的附圖標記指示相應的類似部件。

在附圖中，相同的附圖標記指示相同的或功能相同的部件，除非另外指出。任何方向性的術語像「頂部」、「底部」、「左」、「右」、「在......上面」、「在......下面」、「水平的」、「豎直的」、「後」、「前」以及類似的術語只是用作解釋目的，不試圖將實施例限定到如圖所示的特定布置。

儘管在本處已經示出和描述了特定的實施例，本領域技術人員應當理解，在不脫離本發明的範圍的情況下，多個替代的和/或等同的實施方式可取代示出和描述的特定實施例。通常，本申請試圖覆蓋本文討論的具體實施例的任何調整或變更。

一些如本處之前所公開的部件、元件和組件可被這樣製造，使用自由形態製造(FFF)、直接製造(DM)、熔融沉積造型(FDM)、粉末層列印(PBP)、疊層製造法(LOM)、立體平板印刷(SL)、選擇性雷射燒結(SLS)、選擇性雷射熔化(SLM)、選擇性熱燒結(SHS)、電子束熔化(EBM)、直寫成型技術(DIW)、數字光處理(DLP)和/或增材製造(AM)。這些技術屬於增材製造(AM)方法的普通級別(hierarchy)。這些經常被稱為3D列印的系統被用於通過生成待形成的物體的橫截面圖案並且經由連續地堆積材料層形成三維實心物體來生成三維物體。不失一般性，這些工序中的任何一個會在下面的描述中被作為AM或3D列印而提及。AM和3D列印技術通常包括選擇性地逐層沉積材料、選擇性地熔化或固化所述材料以及如果需要的話除去多餘的材料。

3D或AM技術可被用在基於數字模型數據來建造三維實心物體的工序中。3D/AM採用其中材料的層被連續地堆積成不同的形狀的增材工藝。3D/AM目前被用作在工程、建設、工業設計、汽車工業和航空工業中具有多種應用的原型機製造和分布式製造。

圖1示出了拉杆10的示意圖。拉杆10可由至少八個柱1構造而成， 至少八個柱1相互平行並且被放置成圍繞中心的圓周構造，該中心尤其是拉杆10的中心的旋轉的軸線A。至少8個柱1一起形成細長的基本稜柱形的主體B，即，具有基本一致的橫截面的稜柱形主體B。例如，稜柱形主體B可具有基本圓柱體的形狀，如圖1所示。

拉杆10可進一步包括一個或更多交叉件2，交叉件2環繞細長的基本稜柱形的主體B的側面。交叉件2在處於細長的基本稜柱形的主體B的基本相同的高度上的互連節點處被連接到至少八個柱1的每一個。例如，如圖1示出的，交叉件2可為環形的圓環面。交叉件2的數量通常沒有限制並且其可在拉杆10的延伸方向上被相互間等距地隔開。例如，交叉件2的數量可為至少三個，交叉件2可避免當拉杆10受壓縮時柱1彎曲。

拉杆10能夠在拉伸中與在壓縮中承受基本相同的載荷。這是由於臨界抗彎強度超過了用於製造柱1和交叉件2的材料的極限應力能力。柱1和交叉件2的總體的結構設置遵照仿照竹竿的自然模型的仿生方法。需要八個柱1的數量以降低交叉件2上的彎曲載荷並且因此降低交叉件2的重量。然而，在不存在明顯的由於柱1半徑的改變而造成重量效應損失的情況下，也可能使用多於八個柱1。

柱1通常也被示為圓柱體，然而，橢圓形截面或基本橢圓形截面也可被用於柱1的形成。對於柱1本身，原則上任何具有彼此相似的兩慣性矩的合適的形狀在不存在大量的重量效應的損失的情況下都可被使用。

交叉件2的定位和間距可取決於柱1的抗彎長度，該抗彎長度為達到柱1的材料的極限壓縮強度所需要的長度。在這種情況下材料的能力在壓縮中被更有效地利用使得節省超過40％的重量的潛能成為可能。

為了使得拉杆10有效地承受彎曲載荷，附加的柱1可被集成。額外地或可替代地，其他的用於交叉件2的圓周的形狀可被使用，例如矩形環形形狀、立方體的形狀或多邊形的形狀。可基於在需要的方向上的慣性矩的增加需求來選擇合適的形狀。

如果在以其側面接觸相鄰的柱1的情況下來放置柱1，也可能消除對於交叉件2的需要。在那種情況下，由於柱1憑藉其接觸或重疊而彼此提供了側面的支撐，因此不再需要原先可以抑制彎曲的交叉件2。通過不使用交叉件2，可獲得進一步的重量效率。

圖2到6示意性地示出根據變體構造的拉杆10的橫截面圖。具體地，圖3示出根據圖1的拉杆10的橫截面，其中八個柱1以沿著主體B的側面C的環形設置而圍繞中心體軸線等距地並且對稱地間隔開。八個柱1被基本垂直地延伸支撐交叉件2相互連接。交叉件2大體上環繞拉杆主體B的側面C。儘管如圖2示出的示例中交叉件可被整體省略，然而交叉件也可採用各種外部三維形狀，例如圖3的示例中的環形圓環面或圖4的示例中的八角形環面。

交叉件2在互連節點處連接到至少八個柱1中的每一個。對於交叉件2中的一個而言，那些互連節點相對於拉杆10的長度可處於拉杆主體B大約相同的高度。通常不限制交叉件2的數目。例如，對於相對短的拉杆1，交叉件2的合適數目可為至少三個。隨著拉杆主體B的長度增加，交叉件2的數目可特別地大於三。交叉件2可沿著拉杆10的延伸的方向等距地分布，使得在每兩個相鄰的柱1和相鄰的交叉件2之間形成多個具有基本相等的面積的網狀板。網狀板的表面面積的基本相等的分布有助於優化拉杆10的重量和壓縮載荷下的抗彎強度的比。

圖5和圖6示出較大半徑的柱1，其側面同相鄰柱的側面接觸。在圖5中，相鄰柱1的半徑可變化使得柱之間的空間被有效地填充。根據需要一旦柱1以合適的重疊(例如達到柱1的直徑的大約12.5％)達到相互間接觸，則不再需要用於避免彎曲的交叉件；柱1的提供給彼此的側向支撐已經增加了拉杆在被壓縮時的抗彎強度。通過可以省略交叉件，可達到進一步的重量效應。

具體地在圖6的示例性的布置中，拉杆主體B可由圓柱體形狀以及基本相等的半徑的確切地八個柱1形成。則柱布置的角θ為大約45°。兩相鄰柱1的中心之間的距離為單個柱的半徑r的兩倍並且柱1從拉杆中心軸線A以偏移值d偏移。在該布置中，半徑r和偏移值d之間的比為：

r/d＝(0.5·(1-0.5-0.5))0.5≈0.38.

因此，柱的半徑r與整個拉杆主體B的直徑D＝d+r的比值為

r/D＝r/(d+r)≈0.28.

圖6的布置提供了所得到的拉杆的相對於穩定性、抗彎強度和抗拉強度的最優的重量效率。

上面公開的拉杆可被用於多種應用，包括但是不限於：飛機的框架、縱梁和橫梁構造、室內設計、橋梁建造、車輛車架、土木工程以及用於兒童玩具和類似物品的應用。一個特殊的應用屬於飛機的骨架的建造，該骨架包括用於支撐飛機的機身結構的拉杆，該拉杆在結構上增強機身結構和/或將組件緊固到機身結構上。這些拉杆常被稱為「Samer杆」或者「Samer類型的杆」並且通常包括在兩端部之間的對應於細長的、基本稜柱形的主體B的中心支柱部分，所述中心支柱部分用於連接在兩接頭或支架之間的拉杆。處於框架結構中的拉杆可被用作拉伸、壓縮和/或彎曲構件。

Samer杆通常具有在兩端部之間的中心部分，該中心部分可根據在本申請中描述和解釋的拉杆主體B形成。端部可包括柄以及在兩側設置在柄端的孔，用於將Samer杆連接到機身結構。為了將Samer杆連接到飛機的結構，夾具或叉形的支架被連接到結構上。夾具(或支架)具有與柄端的孔對齊的孔，使得被引入通過所述孔的螺栓和孔可樞轉地將Samer杆連接到夾具(或支架)上

所公開的拉杆特別是拉杆10的一個特別的優勢是可使用3D列印或增材製造(AM)技術來製造所有部件。特別地拉杆10可被3D列印為主體B、柄和孔已經被無縫地製造。這導致拉杆10的有利的機械穩定性。

圖7示意性地示出用於製造拉杆的方法M的步驟，例如結合圖1-6所描述的拉杆10。在第一步驟M1中，方法M包括將至少八個柱1以圍繞中心軸線A的圓周構造彼此平行設置，由此形成具有基本一致的橫截面的細長拉杆主體B。進一步地，方法M可包括可選的附加步驟M2和M3，形成環繞拉杆主體B的側面的一個或更多交叉件2，以及在處於拉杆主體B的基本相同高度上的互連節點處將交叉件2與至少八個柱1中的每一個互連。

製造方法M可特別地通過使用增材製造AM過程而被實施。增材製造AM過程例如為熔融沉積造型FDM、加層製造ALM、選擇性雷射熔化SLM、或選擇性雷射燒結SLS。

在上述的詳細的描述中，為了簡化公開內容，不同的特徵被在一個或多個實施例中聚集在一起。應當理解，上面的描述用於示意性的目的，而不是用於限制。它試圖覆蓋所有的可替代方式、修改方式和等同方式，對 於本領域技術人員來說，當閱讀上述說明時，很多其他的示例將會顯而易見。

所述實施例被選擇和描述以能夠最好地解釋本發明的原理及其實際應用，從而使得本領域技術人員以適合於預期的特殊應用的各種修改來最好地應用本發明和各種實施例。在附加的權利要求中以及整個說明書中，術語「包含(including)」和「其中(in which)」被分別用作相應的術語「包括(comprising)」和「其中(wherein)」的簡明英語等同術語。此外，術語「a」或「one」在這種情況下不排除多個。

附圖標記列表

1 支撐柱

2 交叉件

10 拉杆

A 杆中心軸線

B 拉杆主體

C 主體側面

d 柱徑向偏移量

D 主體直徑

M 方法

M1 方法步驟

M2 方法步驟

M3 方法步驟

r 柱半徑

θ 柱布置角