專利名稱：復(fù)合空心體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于承受扭矩與/或張力、壓力或彎曲力的復(fù)合空心體。
復(fù)合空心體由于例如歐洲專利0212130成為公知，其中，一個(gè)加強(qiáng)的圓筒附加在一個(gè)管件上，使管件保持一個(gè)預(yù)壓力而加強(qiáng)圓筒保持一個(gè)預(yù)張力。此處的加強(qiáng)圓筒最好由纖維增強(qiáng)材料制成，并且兩部分的相互插接是通過(guò)將加強(qiáng)圓筒彈性變形地?cái)U(kuò)張及將管件徑向壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在平衡時(shí)形成力的連接。
本發(fā)明的目的是提供各種復(fù)合空心體形式的構(gòu)件，這些構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有顯著的高強(qiáng)度，而且容易制造。
實(shí)現(xiàn)此目的的方案是，通過(guò)內(nèi)支撐裝置沿徑向承受壓力，在外面材料層中、基本上沿整個(gè)軸向長(zhǎng)度建立一個(gè)持續(xù)存在的周向均勻的預(yù)張力。根據(jù)各軸向區(qū)域的壁厚的分布、局部加壓的大小和加壓的時(shí)間順序，設(shè)定在外面的材料層內(nèi)、需要時(shí)也同時(shí)在軸向上持續(xù)存在著一個(gè)均勻的或不均勻的預(yù)壓力。
第一種有利的實(shí)施例提供一種環(huán)貼著外層的、由一種屈服點(diǎn)較低的材料制成的塑性擴(kuò)張的內(nèi)層構(gòu)成的支撐裝置。通過(guò)這個(gè)方案可以提供制造簡(jiǎn)便的空心體，它們由于內(nèi)部預(yù)應(yīng)力而具有較高的抗彎和抗扭強(qiáng)度，用作例如曲軸、傳動(dòng)軸或凸輪軸是有利的。通過(guò)按照本發(fā)明對(duì)各種材料的屈服點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)，可以按公知的方式通過(guò)內(nèi)部加壓而取得新需的應(yīng)力狀態(tài)。
第二種有利的實(shí)施例提供一種通過(guò)多個(gè)緊貼外層的部分周邊的、由一種屈服點(diǎn)較低的材料制成的塑性擴(kuò)張的環(huán)狀件或襯套件特定地跟位于這些環(huán)狀件之間的成型件結(jié)合而構(gòu)成的支撐裝置。用這種方式制造的構(gòu)件適用于空心體截面并非圓形的場(chǎng)合，連桿即可視為一種可推薦的實(shí)例。在確定外部輪廓的構(gòu)件內(nèi)嵌入多個(gè)隨后以公知的方式加以塑性擴(kuò)張的圓形襯套。外層與內(nèi)襯套之間的中間空間應(yīng)以多個(gè)成型件來(lái)填充，這些成型件具有帶相對(duì)于回縮力方向起自鎖作用的角度的滑動(dòng)接合面，在相應(yīng)最外面的相對(duì)設(shè)置的襯套可以考慮直接用作連桿孔。這樣，在擴(kuò)張時(shí)使支承裝置變形的力較小，而擴(kuò)張后的支撐作用很大。在這里的確定外部輪廓的外層中也形成一個(gè)均勻的預(yù)張力，而內(nèi)襯套則處于預(yù)壓力下?？招捏w的經(jīng)受預(yù)應(yīng)力的材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并具有高的形狀穩(wěn)定性。
第三種有利的實(shí)施例可能涉及圓形截面的和非圓形截面的復(fù)合空體，在外層與一個(gè)或多個(gè)位于其內(nèi)的襯套之間設(shè)有通過(guò)自鎖作用而相互支撐著的卡緊件，內(nèi)層或內(nèi)襯套的塑性變形材料的屈服點(diǎn)要比外層的小。在此處，通過(guò)塑性擴(kuò)張，卡緊件向外相對(duì)滑動(dòng)推移、向內(nèi)則通過(guò)自鎖并從而防止了回滑而相互支撐著，這樣來(lái)改變其相互之間的位置使卡緊件由于具有高的抗壓強(qiáng)度而決定性地參與維持外層的預(yù)應(yīng)力。其內(nèi)的塑性變形的材料層將卡緊件可靠地固定在擴(kuò)張后的位置上。
外層應(yīng)優(yōu)先采用具有較高的抗張強(qiáng)度及較高的屈服點(diǎn)的材料，例如調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、鈦或纖維增強(qiáng)材料。用于必須能夠塑性變形的內(nèi)層或襯套的材料則建議采用相應(yīng)挑選的結(jié)構(gòu)鋼、碳素鋼或非鐵金屬。外層與內(nèi)層或內(nèi)襯套可分別由強(qiáng)度自內(nèi)向外增大的多個(gè)分層構(gòu)成。中間空間的卡緊件最好采用陶瓷或抗壓的緊硬材料，也可用脆性的材料。由于外層和內(nèi)層之間持續(xù)存在著預(yù)應(yīng)力，在各分層之間也建立了附著連接。通過(guò)這種附著連接作用，使外層與/或內(nèi)層或內(nèi)襯套可分別由多個(gè)軸向分立節(jié)段構(gòu)成，當(dāng)內(nèi)層及外層出現(xiàn)分離接縫時(shí)，這些接縫應(yīng)當(dāng)是在軸向上足夠遠(yuǎn)地錯(cuò)開(kāi)。這樣，復(fù)合空心體就可以用較短的襯套件構(gòu)成。
由分立節(jié)段軸向組合而成的空心體的復(fù)合層的壁厚以及強(qiáng)度參數(shù)可以在縱向上分級(jí)，這樣，依次施加不同的擴(kuò)張壓力，或同時(shí)施加相同的擴(kuò)張壓力，可以得出不同的軸向和徑向的預(yù)應(yīng)力，后者在各橫截面上大致是均勻的。
各內(nèi)層或內(nèi)襯套的塑性擴(kuò)張可通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)方式或脈動(dòng)方式、或爆炸方式產(chǎn)生的內(nèi)壓力進(jìn)行，最好是靠一個(gè)外模從外面支撐住。在這種模具里設(shè)有擴(kuò)張余隙，外層在達(dá)到彈性極限以前應(yīng)貼在非常穩(wěn)定的模壁上，這樣，擴(kuò)張壓力就不一定要限制得很嚴(yán)。
在內(nèi)層或內(nèi)襯套內(nèi)可壓入橫隔板或類似形式的附加支撐裝置，或?qū)⑦@些附加支撐裝置做在內(nèi)襯套里，這些附加支撐裝置在橫截面發(fā)生變化的部位提高徑向強(qiáng)度。
在內(nèi)層及外層分別保持著的預(yù)應(yīng)力也可通過(guò)其它的接合方法、特別是熱接合(收縮、擴(kuò)張)、或通過(guò)單純軸向壓力連接而產(chǎn)生，此時(shí)，內(nèi)層和外層材料的屈服點(diǎn)的比例的意義下降了。
本發(fā)明推薦的實(shí)施例在附圖中示出。
圖1a是本發(fā)明的復(fù)合空心體的第一實(shí)施例的橫剖面圖，圖1b是圖1a的空心體的縱剖面圖，圖2a是本發(fā)明的復(fù)合空心體的第二實(shí)施例的在擴(kuò)張前的橫剖面圖，圖2b是本發(fā)明的復(fù)合空心體的第三實(shí)施例的在擴(kuò)張前的橫剖面圖，圖2c是圖2a的空心體在擴(kuò)張后的橫剖面圖，圖2d是圖2b的空心體在擴(kuò)張后的橫剖面圖，圖3a是本發(fā)明的用作曲軸的復(fù)合空心體的縱剖面圖，圖3b是圖3a的空心體的第一種實(shí)施例的第一橫剖面圖，圖3c是圖3a的空心體的第一種實(shí)施例的第二橫剖面圖，圖3d是圖3a的空心體的第二種實(shí)施例的第一橫剖面圖，
圖3e是圖3a的空心體的第二種實(shí)施例的第二橫剖面圖。
圖1a示出帶有一個(gè)外襯套1的圓形空心體，該外襯套由多個(gè)未詳加描述的分層組成，在內(nèi)部有一個(gè)內(nèi)襯套2緊貼著外襯套。
在圖1b中可以見(jiàn)到由多層構(gòu)成的外襯套1、嵌在其內(nèi)的內(nèi)襯套2以及兩個(gè)在橫截面發(fā)生變化的部位內(nèi)與內(nèi)襯套連成一體的中間隔板3和4。中間隔板3與4呈拱形，使它們?cè)趦?nèi)襯套2的內(nèi)部沿箭頭所示方向加壓時(shí)塑性變形地被壓平以實(shí)現(xiàn)提高外襯套1的預(yù)應(yīng)力。
圖2a和2c示出一個(gè)圓形空心體，外層11由多個(gè)分層組成，這些分層沒(méi)有單獨(dú)標(biāo)出。內(nèi)襯套12跟外層11隔開(kāi)一段距離設(shè)置，在外層與內(nèi)襯套之間設(shè)置了沿徑向設(shè)有楔形平面的支撐件13與14。這些支撐件在襯套12發(fā)生塑性變形或熱變形時(shí)會(huì)相對(duì)移動(dòng)，而當(dāng)純粹彈性擴(kuò)張的外層11回縮時(shí)則會(huì)相對(duì)楔入，因而也錄受到預(yù)壓力。圖2a示出內(nèi)襯套12變形前的狀況，此時(shí)，支撐件13和14在接觸面上相對(duì)錯(cuò)開(kāi)。圖2c示出內(nèi)襯套12變了形、內(nèi)支撐件13在外支撐件14之間徑向推移以后的狀況，這些外支撐件在這個(gè)位置上把彈性地施加了預(yù)應(yīng)力的外層11按相對(duì)配定的位置固持在擴(kuò)大了的支撐周邊上。內(nèi)襯套12可以經(jīng)冷卻后插入，或者在不帶應(yīng)力地插入后再加以塑性擴(kuò)張。
圖2b和2d示出了一個(gè)由兩個(gè)圓弧段和兩個(gè)切線段組成的外層21以及多個(gè)嵌入其間的圓形或卵形的襯套22、23和24，為了在外層21內(nèi)產(chǎn)生彈性的預(yù)壓力，這些襯套承受內(nèi)部擴(kuò)張及塑性變形。每?jī)蓚€(gè)襯套之間嵌入具有高抗壓強(qiáng)度的支撐件(陶瓷)25、26、27、28、29、30，它們的作用是將壓力從襯套件的跟外層的非直接接觸區(qū)域傳遞到外層21上，它們?cè)谝r套22、23、24塑性變形或熱變形時(shí)相對(duì)移動(dòng)，而當(dāng)純粹彈性擴(kuò)張的外層21回縮時(shí)，它們則會(huì)相互楔入，因而也承受到預(yù)壓力。圖2b描述了內(nèi)襯套22、23、24變形前的狀況，此時(shí)，這些支撐件的跟外層接觸的面相對(duì)交替地向內(nèi)和向外錯(cuò)開(kāi)。圖2d描述了內(nèi)襯套22、23、24變形后的狀況。此時(shí)，起初向內(nèi)錯(cuò)開(kāi)的支撐件26、29徑向地向外推移到其它支撐件25、27、28、30之間，這些支撐件把彈性地施加了預(yù)應(yīng)力的外層21按相對(duì)配定的位置固持在擴(kuò)大了的外周上。內(nèi)襯套可以經(jīng)冷卻后插入，或者在不帶應(yīng)力地插入后以機(jī)械或液壓的方式擴(kuò)張至塑性變形。
通過(guò)徑向箭頭表示的反壓力可防止如細(xì)點(diǎn)劃線所示的那樣的擴(kuò)張，并且外層此后也繼續(xù)保持剛開(kāi)始時(shí)就具有的那種圖上畫(huà)出的形狀。
圖3a描述了曲軸的具有兩個(gè)主軸軸頸31和32及一個(gè)曲柄軸頸33的一個(gè)節(jié)段。在一個(gè)曲柄臂上設(shè)置了一個(gè)配重34。曲軸由一個(gè)外殼35和在軸頸部位嵌入其內(nèi)的塑性變形的內(nèi)襯套36、37和38以及在曲柄臂部位嵌入其內(nèi)的塑性變形的內(nèi)襯套39、40、41和42所組成。外殼35分別由相互插接的軸頸構(gòu)件43、44、45、46，47、48組成，它們分別固裝在曲柄臂49、50上。
圖3b示出了曲柄臂49的示意橫剖面，其中可看到在曲柄臂部位約成8字形的外殼體35，它經(jīng)橋接件51、52增補(bǔ)成圓環(huán)狀。為在8字形的外殼體35內(nèi)建立預(yù)張力，嵌入了塑性擴(kuò)張的襯套39和41;并且為了在橋接件51、52內(nèi)建立并維持預(yù)應(yīng)力，嵌入了大致為月牙形的成形件53和54。
在圖3c中可看到曲柄臂50的橫剖面，在其約成8字形的外殼35上設(shè)置了配重34，該外殼被橋接件55、56部分地增補(bǔ)成圓環(huán)狀。塑性擴(kuò)張的襯套40和42，以及在橋接件55、56中建立均勻的預(yù)應(yīng)力的月牙形成型件57、58在此處也是以剖面示出的。
在此實(shí)施例中，把帶有拔梢的、其帶拔梢面具有自鎖的角度的成型件沿軸向壓入以在橋接件51、52，55、56中建立預(yù)應(yīng)力。
圖3d中所示的曲柄臂49類同于圖3b所示的曲柄臂。但是，圖3d示出了多件組成的卡緊件59、61、63，60、62、64，這些卡緊件的橫截面具楔形，并在插入時(shí)在橋接件51、52中建立預(yù)應(yīng)力。
圖3e中所示的曲柄臂50類同于圖3c所示的曲柄臂。跟圖3d一樣，這里也設(shè)置了多件組成的卡緊件65、67、69及66、68、70，這些卡緊件具有相對(duì)能移動(dòng)的具有自鎖的角度的楔形面。
卡緊件沿軸向帶拔梢或呈楔形，并且橫截面也呈楔形并具有自鎖的角度。當(dāng)襯套39、40、41、42沿軸向壓入并必要時(shí)徑向擴(kuò)張時(shí)，卡緊件相對(duì)移動(dòng)并由于其滑動(dòng)表面的自鎖作用而不會(huì)回縮，這樣，卡緊件就在橋接件51、52，55、56上建立了預(yù)應(yīng)力并保持住。
權(quán)利要求
1.一種用于承受扭矩與/或張力、壓力或彎曲力的復(fù)合空心體，其特征在于，通過(guò)內(nèi)支撐裝置沿徑向承受壓力，在一個(gè)外面材料層中、基本上沿整個(gè)軸向長(zhǎng)度建立一個(gè)持續(xù)存在的周向均勻的預(yù)張力。
2.按權(quán)利要求1的復(fù)合空心體，其特征在于，通過(guò)內(nèi)支撐裝置沿軸向承受張力，在外面材料層中建立一個(gè)持續(xù)存在的、均勻的或朝中心增大的預(yù)壓力。
3.按權(quán)利要求1或2的復(fù)合空心體，其特征在于，環(huán)貼于外層(1)的內(nèi)層(2)構(gòu)成支撐裝置。(圖1)
4.按權(quán)利要求1或2的復(fù)合空心體，其特征在于，多個(gè)緊貼外層(21)的部分周邊的環(huán)狀件或襯套件(22、23、24)特定地跟位于這些環(huán)狀件之間的成型件(25、26、27、28)結(jié)合而構(gòu)成支撐裝置。(圖2b)
5.按權(quán)利要求1或2的復(fù)合空心體，其特征在于，一個(gè)或多個(gè)與外層(11)保持間距的、其間插入了相互支撐著的支撐件(13、14)的環(huán)狀件或襯套件(12)構(gòu)成支撐裝置。(圖2a)
6.按權(quán)利要求1至5的復(fù)合空心體，其特征在于，內(nèi)層(2、12)或內(nèi)襯套(22、23、24，39、40、41、42)由屈服點(diǎn)比外層(1、11、21、35)小的、可就地塑性擴(kuò)張的材料制成。
7.按權(quán)利要求1至6中之一項(xiàng)的復(fù)合空心體，其特征在于，插入或形成在用屈服點(diǎn)較低的材料制成的支撐裝置內(nèi)的中間隔板用作附加的支撐。
8.按權(quán)利要求1至6中之一項(xiàng)的復(fù)合空心體，其特征在于設(shè)計(jì)成曲軸、傳動(dòng)軸或凸輪軸。
9.按權(quán)利要求1或3至7的復(fù)合空心體，其特征在于設(shè)計(jì)成連桿。
10.制造按權(quán)利要求1至7中之一項(xiàng)的管狀的復(fù)合空心體的方法，其特征在于，首先通過(guò)對(duì)一管狀支撐件的末端進(jìn)行塑性擴(kuò)張以在外面材料層和支撐件之間建立連接，然后，通過(guò)對(duì)管狀支撐件的中間區(qū)域在同時(shí)軸向縮短的情況下進(jìn)行塑性擴(kuò)張而在外面材料層中形成一個(gè)沿周長(zhǎng)方向的預(yù)張力和一個(gè)沿縱向的預(yù)壓力。
11.制造按權(quán)利要求1至7中之一項(xiàng)的復(fù)合空心體的方法，其特征在于，支撐件通過(guò)液力內(nèi)壓加以擴(kuò)張。
12.制造按權(quán)利要求1至7中之一項(xiàng)的復(fù)合空心體的方法，其特征在于，支撐件從內(nèi)部通過(guò)機(jī)械方式加以擴(kuò)張。
13.制造按權(quán)利要求1至7中之一項(xiàng)的復(fù)合空心體的方法，其特征在于，把支撐件進(jìn)行冷卻與/或把外面材料層在接合前加熱，隨后接合達(dá)致溫度平衡。
14.制造按權(quán)利要求1至7中之一項(xiàng)的復(fù)合空心體的方法，其特征在于，支撐件和外面材料層縱向相對(duì)壓接。
全文摘要
用于承受扭矩與/或張力、壓力或彎曲力的復(fù)合空心體，通過(guò)內(nèi)支撐裝置沿徑向承受壓力，在一個(gè)外面材料層中、基本上沿整個(gè)軸向長(zhǎng)度建立一個(gè)持續(xù)存在的周向均勻的預(yù)張力，并通過(guò)內(nèi)支撐裝置沿軸向承受張力、特別在外面材料層內(nèi)建立一個(gè)持續(xù)存在的、均勻的或朝中心增大的預(yù)壓力。
文檔編號(hào)F16C3/02GK1042400SQ8910835
公開(kāi)日1990年5月23日 申請(qǐng)日期1989年11月1日 優(yōu)先權(quán)日1988年11月3日
發(fā)明者赫爾穆特·施瓦斯 申請(qǐng)人:埃米特放射技術(shù)股份公司