復合基體材料制成的桿的制作方法
【專利摘要】一種復合基體材料制成的桿（1），用于旋翼飛行器中，該桿具有縱向軸線（8），該縱向軸線垂直于具有上表面和下表面（2、3）的橫截面。至少一個抗扭盒（17）包括上層和下層（10、21、11、22），該上層和下層分別與縱向軸線（8）偏離并且與上表面和下表面（2、3）偏離，且當橫截面填充有基本上平行于縱向軸線（8）延伸的第一組纖維時，所述上層和下層（10、21、11、22）側(cè)向地連結(jié)。該桿具有適合于在允許撓曲的同時作用于扭矩的橫截面。
【專利說明】復合基體材料制成的桿

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請要求在2013年3月28日提交的專利申請EP13400005.8的優(yōu)先權(quán)，該申請的全文以參見的方式納入本文。
[0002]本發(fā)明涉及旋翼飛行器的【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明涉及在這種旋翼飛行器中所謂的旋翼，例如能夠提供懸停/前行推力的主旋翼或者用于抗扭矩的尾部旋翼。在其中一些旋翼中，設有復合基體材料制成的桿來將旋翼槳葉連結(jié)于旋翼的旋翼轂組件。

【背景技術(shù)】
[0003]尤其是在無鉸鏈主旋翼中，此種桿在旋翼轂組件處的固定件附近具有平坦截面，當主要由拍動力矩以及超前滯后力矩加載時，該平坦截面用作拍動鉸鏈。兩種力矩及其偏轉(zhuǎn)連同平坦截面和較大截面一起在桿上產(chǎn)生扭矩，其中，平坦截面用于沿拍動方向的較小慣性矩，而較大截面則用于沿超前滯后方向的較高慣性矩。桿沿超前滯后方向的較高慣性矩需要獲得足夠的截面積，來用于作用在桿上的離心力以及由于動態(tài)原因而產(chǎn)生的最小剛度。
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)中，文獻US4648800描述了一種纖維加強的復合柔性梁。該柔性梁是用于旋翼飛行器的旋翼連接器中的結(jié)構(gòu)件，以將旋翼槳葉連接于旋翼轂。為了實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)剛度和結(jié)構(gòu)完整性，將加強復板插入到端部中。這些復板在輪廓上與柔性梁將要附連的連接器的期望形狀相符。這些復板由諸如鋼、復合材料以及石墨加強環(huán)氧樹脂之類的扭轉(zhuǎn)剛性材料形成。
[0005]文獻EP2246257描述了一種柔性梁，該柔性梁具有連接于旋翼頭部的連接區(qū)域，該連接區(qū)域在柔性梁面向旋翼頭部的端部處具有第一連接點和第二連接點，該第一連接點和第二連接點沿著與旋翼頭部的徑向延伸部垂直的線彼此相鄰。第一連接點包括多個緊固附件，這些緊固附件彼此疊置且向上隔開，并且具有圓形凹部。第二連接點設有更多的緊固附件。
[0006]文獻US5690474描述了一種復合柔性梁，該復合柔性梁具有俯仰區(qū)，該俯仰區(qū)包括由單向玻璃纖維材料制成的層壓芯件和由單向石墨材料制成的層壓面件，且層壓面件粘結(jié)于由層壓芯件所限定的匹配表面。為了解決與內(nèi)側(cè)過渡區(qū)中發(fā)生脫層或裂開相關(guān)聯(lián)的問題，該文獻并未采用從包含外部復合包層或邊罩的老式柔性梁獲得的啟示。
[0007]文獻JP2010143484描述了一種用于確定柔性梁的截面且同時減小層間剪切應力的方法。該柔性梁具有轂側(cè)連接部、槳葉側(cè)連接部以及可撓曲部，該槳葉側(cè)連接部經(jīng)由一構(gòu)件固定于旋翼槳葉，以允許順槳運動和超前滯后運動，而可撓曲部介于轂部和槳葉部之間。垂直于順槳軸線的截面在兩個橫向端部處形成傾斜端面。
[0008]文獻US20060204364描述了一種抗脫粘的多層復合產(chǎn)品，該多層復合產(chǎn)品具有:第一構(gòu)件；第二構(gòu)件，該第二構(gòu)件由復合材料制成并且粘結(jié)于第一構(gòu)件；以及第三構(gòu)件，該第三構(gòu)件由復合材料制成并且至少粘結(jié)于第二構(gòu)件，且定位并設置成當?shù)诙偷谌龢?gòu)件受應力時，第三構(gòu)件的至少一部分會比相鄰的第二構(gòu)件具有較高的應力。第三構(gòu)件較佳地在第二構(gòu)件附近具有末端部，當?shù)诙偷谌龢?gòu)件受應力時，在該末端部中，應變能釋放率高于相鄰第二構(gòu)件中的應變能釋放率。第二和第三構(gòu)件較佳地定位且設置成，當?shù)谝?、第二以及第三?gòu)件受應力時，在第二構(gòu)件從第一構(gòu)件開始脫層之前，第三構(gòu)件先從第二構(gòu)件開始脫層。應力水平指示器較佳地與第三構(gòu)件相關(guān)聯(lián)，以測量第三構(gòu)件中的應力水平。
[0009]文獻US6375426披露了一種邊緣構(gòu)件，該邊緣構(gòu)件應用在具有露出的邊緣表面的復合撓曲件上。該邊緣構(gòu)件包括最內(nèi)復合層、最外復合層以及至少一個內(nèi)部復合層，該最內(nèi)復合層附連于邊緣表面，該最外復合層附連于最內(nèi)復合層，而至少一個內(nèi)部復合層設置在最內(nèi)復合層和最外復合層之間。
[0010]文獻US5820344披露了一種直升飛機旋翼系統(tǒng),該直升飛機旋翼系統(tǒng)包括具有簡化幾何構(gòu)造的特定輪廓撓性帶。撓性帶用于使旋翼轂組件與旋翼槳葉連結(jié)并且由玻璃纖維形成。撓性帶的主載荷承載纖維較佳地沿與撓性帶的縱向軸線相同的方向延伸，以承受作用在撓性帶上的離心力。復合基體材料制成的織物包裹件圍繞在撓性帶的各部分周圍，以提供冗余度，這可防止撓性帶中的纖維在經(jīng)受直升飛機運行期間產(chǎn)生的力時脫層。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是提供一種由復合基體材料制成的桿、尤其是用于將旋翼飛行器的旋翼槳葉連結(jié)于無鉸鏈旋翼轂組件的桿，所述桿具有適合于在允許撓曲的同時作用于扭矩的截面。
[0012]可通過權(quán)利要求1的特征來提供該方案。從屬權(quán)利要求限定了各個實施例。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的各實施例，桿、尤其是用于將旋翼飛行器的旋翼槳葉連結(jié)于無鉸鏈旋翼轂組件的桿由復合基體材料制成。該桿具有縱向軸線，該縱向軸線垂直于該桿的、具有上表面和下表面的橫截面，并且基本上位于橫截面中心。桿的橫截面基本上對應于用于將旋翼槳葉連結(jié)于無鉸鏈旋翼轂組件的桿、例如柔性梁在可撓曲區(qū)域處的任何截面，以使得旋翼槳葉能經(jīng)受沿拍動方向的較小運動、沿超前滯后方向以及沿俯仰角方向的相對較重要的運動。在本發(fā)明的桿的所述撓曲區(qū)域中的任何層間剪切應力Tils大于或等于(>)20N/mm2。本發(fā)明的桿的所述復合基體材料包括第一組纖維和第二組纖維，該第一組纖維平行于縱向軸線延伸，而該第二組纖維相對于縱向軸線以一角度延伸?？古ず醒刂v向軸線設置在桿的橫截面內(nèi)部。所述抗扭盒包括上層和下層，該上層和下層由第二組纖維制成。所述上層與橫截面的縱向軸線偏離，并且與上表面和下表面偏離。下層與橫截面的縱向軸線偏離，并且與下表面和上表面偏離。桿在上層和下層之間、在上層和下表面之間以及在下層和下表面之間的橫截面填充有第一組纖維，該第一組纖維平行于縱向軸線延伸。桿尤其是在橫截面的外部區(qū)域處提供相對較大的單向纖維量，以作用于例如在旋翼槳葉的根部區(qū)域處產(chǎn)生的較高力矩和離心力。因此，桿同樣提供平坦設計，該平坦設計能夠承受所產(chǎn)生的扭矩，而不會加厚可撓曲區(qū)域，從而允許虛擬拍動鉸鏈的期望定位。桿的抗扭盒是扭轉(zhuǎn)剛性的，于是，該較高扭轉(zhuǎn)剛度會吸收大部分傾斜扭矩。因此，在桿的橫截面的上表面和下表面附近、已高度加載的單向纖維則會加載較小的剪切力。桿的抗扭盒有助于避免對單向纖維產(chǎn)生不合適的剪切力負載。
[0014]根據(jù)一實施例，第二組纖維相對于縱向軸線以+/-45°左右的角度延伸，用以實現(xiàn)較高的扭矩剛度。
[0015]根據(jù)又一實施例，抗扭盒由定位于中心的單向?qū)踊蛘哂筛郊訉娱]合成U形部分，以將上層和下層連接于封閉的抗扭盒，該抗扭盒尤其適合于傳遞扭轉(zhuǎn)載荷，其中，該定位于中心的單向?qū)佑傻谝唤M纖維制成，而附加層由較佳地以大于或小于+/-45°左右角度敷設的第二組纖維制成。于是，在桿的上表面和下表面處由于彎曲力矩和離心載荷而已高度加載的單向纖維需承載顯著較小的扭轉(zhuǎn)載荷，因為扭轉(zhuǎn)載荷已由抗扭盒內(nèi)部吸收。
[0016]根據(jù)又一實施例，上層和下層這兩層分別定位成遠離桿的橫截面中產(chǎn)生最高縱向力的上表面和下表面，且上層和下層這兩層距上表面和下表面的所述相應距離通過由第一組纖維制成的單向?qū)踊蛴傻诙M纖維制成的附加層在整個橫截面上的相應共享部來確定。對于較高的縱向力而言，上部或下部剪切層的傾斜層并不具有合適的纖維方向。這些縱向力在本發(fā)明桿的橫截面的上表面或下表面處最大，而從所述上表面或下表面至本發(fā)明桿的橫截面的中心線性地減小。
[0017]根據(jù)又一實施例，上層和下層距離彼此的相應距離從橫截面的側(cè)向端部朝向縱向軸線增大。
[0018]根據(jù)又一實施例，上部單向?qū)雍拖虏繂蜗驅(qū)拥膫?cè)向側(cè)部各自沿截面的較長側(cè)部的方向分別具有高達50%的共享部。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]參照下述說明和附圖來描述本發(fā)明的實施例。
[0020]圖1示出帶有根據(jù)本發(fā)明的桿的飛行器、旋翼以及槳葉的側(cè)視圖，
[0021]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的桿的俯視圖，
[0022]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的桿的示意橫截面圖，
[0023]圖4以橫截面圖示出代表根據(jù)本發(fā)明的任一桿的纖維組的一部分，
[0024]圖5-10示出根據(jù)本發(fā)明的不同桿的局部橫截面圖，以及
[0025] 圖11示出根據(jù)本發(fā)明的桿的局部橫截面圖。

【具體實施方式】
[0026]在圖1中，旋翼飛行器，例如直升飛機，具有至少一個旋翼D，該至少一個旋翼Dl具有多個旋翼槳葉E。旋翼D例如是主旋翼和/或抗扭矩旋翼和/或推進旋翼。旋翼D具有桿1，該桿I設有上表面2和下表面3。桿I是柔性梁，該柔性梁將旋翼槳葉E連結(jié)于無鉸鏈旋翼轂組件F。桿I在旋翼端部4處連結(jié)于旋翼槳葉E，而在根部端5處連結(jié)于無鉸鏈旋翼轂組件。
[0027]參見圖2,對應特征利用圖1所示的附圖標記來表示。在截面A-A至B-B之間的區(qū)域處，桿I是可撓曲的且具有超過20N/mm2的層間剪切應力τ ils 即，τ ils≥20N/mm2),以使得旋翼槳葉E能經(jīng)受沿拍動方向、超前滯后方向以及沿俯仰角方向的運動。垂直于上表面2和下表面3的開口 6和凹部7在桿I中靠向根部端5設置，使得桿I具有更合適的抗扭性和/或撓性。桿I具有縱向軸線8。
[0028]參見圖3，對應特征利用圖1、2所示的附圖標記來表示。桿I的大體上矩形的截面B-B具有大約180-400mmX20-120mm、尤其是180 X 30mm的尺寸。桿I的大體上矩形的截面B-B包括第二組纖維制成的上層10和下層11，且該第二組纖維相對于縱向軸線8以45度左右的角度敷設(即，+/-45°敷設)。所述上層和下層10、11基本上平行于大體上矩形的截面B-B的較長側(cè)部的上表面2和下表面3，而所述上層10和下層11大約與縱向軸線8等距地偏離并且與上表面2和下表面3等距地偏離。
[0029]由第一組纖維制成的中心單向?qū)?2基本上平行于縱向軸線8設置在桿I的橫截面B-B的上層10和下層11之間。由第一組纖維制成的上部單向?qū)?3基本上平行于縱向軸線8設置在上層10和上表面2之間，而下部單向?qū)?4設置在下層11和下表面3之間。
[0030]由第一組纖維制成的中心單向?qū)?2或由較佳地以45度左右(B卩，+/-45° )角度敷設的第二組纖維制成的附加層15在橫截面B-B的側(cè)向左側(cè)和右側(cè)16、18處將上層和下層10、11連接于封閉的抗扭盒17。
[0031]參見圖4，對應特征利用圖1-3所示的附圖標記來表示。在上層10和下層11之間基本上平行于縱向軸線8設置并設置在縱向軸線8周圍的、由第一組纖維制成的中心單向?qū)?2沿橫截面的較短側(cè)部的方向具有10%至85%的共享部(10% -85%共享部)。
[0032]在上層10和上表面2之間基本上平行于縱向軸線的、由第一組纖維制成的上部單向?qū)?3以及設置在下層11和下表面3之間的下部單向?qū)?4各自沿桿I的橫截面的較短側(cè)部的方向分別具有5%至42.5%的共享部(5% — 42.5%的共享部)。
[0033]提供抗扭盒17的、由第二組纖維制成的且具有+/-45°纖維層的上層10和下層11各自沿截面的較短側(cè)部的方向具有2.5 %至40 %的共享部(2.5 % — 40 %的共享部)。
[0034]中心單向?qū)?2、上部單向?qū)?3以及下部單向?qū)?4各自設置成由第一組纖維制成的粗紗。上層10和下層11是由第二組纖維制成的纖維層。中心單向?qū)?2可由芯部構(gòu)件9隔開，所述芯部構(gòu)件9包括分別由樹脂處理的例如膠粘的纖維層和/或泡沫和/或粗紗和/或熱塑性填料和/或碎片。由芯部構(gòu)件9隔開的中心單向?qū)?2各自沿桿I的橫截面的較長側(cè)部的方向分別具有高達50% (50%)的共享部。上部單向?qū)?3和下部單向?qū)?4各自沿桿I的截面的較長側(cè)部的方向隔開一中心間隙。上部單向?qū)?3和下部單向?qū)?4的側(cè)向部各自沿桿I的橫截面的較長側(cè)部的方向分別具有高達50%的共享部。
[0035]參見圖5，對應特征利用圖1-4所示的附圖標記來表示。桿I的楔形橫截面20朝向左側(cè)16高度減小。各自由第二組纖維制成的弧形上部纖維層21和弧形下部纖維層22分別朝向縱向軸線8彼此距離增大。封閉抗扭盒17由中心單向?qū)?2提供，該中心單向?qū)觽?cè)向地連接于桿I的上、下層21、22。
[0036]參見圖6，對應特征利用圖1-5所示的附圖標記來表示。桿I的楔形截面20a、弧形上部纖維層21以及弧形下部纖維層22通過側(cè)向安裝的U形蓋23來設置封閉抗扭盒17，該桿I的楔形截面20a的高度朝向左側(cè)16減小，該弧形上部纖維層和弧形下部纖維層各自由第二組纖維制成并且朝向縱向軸線8彼此間距離增大，而該U形蓋具有彎向縱向軸線8且連接上、下層21、22的托架。
[0037]參見圖7，對應特征利用圖1-6所示的附圖標記來表示。桿I的楔形截面20b、弧形上部纖維層21以及弧形下部纖維層22通過側(cè)向連接的上部纖維層21和下部纖維層22來設置封閉抗扭盒17，該桿I的楔形截面20b的高度朝向左側(cè)16減小，該弧形上部纖維層和弧形下部纖維層各自由第二組纖維制成并且朝向縱向軸線8彼此間距離增大。
[0038]參見圖8，對應特征利用圖1-7所示的附圖標記來表示。桿I的楔形截面20c、弧形上部纖維層21以及弧形下部纖維層22通過側(cè)向安裝的連接塊24來設置封閉抗扭盒17，該桿I的楔形截面20c的高度朝向左側(cè)16減小，該弧形上部纖維層和弧形下部纖維層各自由第二組纖維制成并且朝向縱向軸線8彼此間距離增大，而該連接塊24用于連接上層和下層 21、22。
[0039]參見圖9，對應特征利用圖1-8所示的附圖標記來表示。桿I的楔形截面20d、弧形上部纖維層21以及弧形下部纖維層22通過U形蓋25來設置封閉抗扭盒17，該桿I的楔形截面20d的高度朝向左側(cè)16減小，該弧形上部纖維層和弧形下部纖維層各自由第二組纖維制成并且朝向縱向軸線8彼此間距離增大，而該U形蓋安裝在橫截面內(nèi)部并具有彎離縱向軸線8且連接上、下層21、22的托架。
[0040]參見圖10，對應特征利用圖1-9所示的附圖標記來表示。桿I的楔形截面20e、弧形上部纖維層21以及弧形下部纖維層22設置成封閉抗扭盒17，該桿I的楔形截面20e的高度朝向左側(cè)16減小，該弧形上部纖維層和弧形下部纖維層各自由第二組纖維制成并且朝向縱向軸線8彼此間距離增大，而該封閉抗扭盒由組織不中斷的上部纖維層21和下部纖維層22制成。
[0041]參見圖11，對應特征利用圖1-10所示的附圖標記來表示。桿I的、朝向延伸縱向端部26的高度減小的弧形截面20f設有弧形上部纖維層21和弧形下部纖維層22，該弧形上部纖維層和弧形下部纖維層各自由第二組纖維制成并且分別沿著縱向軸線8朝向抗扭盒17內(nèi)部彼此間距離增大。經(jīng)連接的上部纖維層21和下部纖維層22側(cè)向地與延伸右端26成一體。
[0042]橫截面20_20f的中心單向?qū)?2、上部單向?qū)?3以及下部單向?qū)?4分別設置成由第一組纖維制成的粗紗。
[0043]附圖標記列表
[0044]I 桿
[0045]2上表面
[0046]3下表面
[0047]4槳葉端部
[0048]5根部端
[0049]6 開口
[0050]7 凹部
[0051]8縱向軸線
[0052]9芯部構(gòu)件
[0053]10 上層
[0054]11 下層
[0055]12中心單向?qū)?br> [0056]13上部單向?qū)?br> [0057]14下部單向?qū)?br> [0058]15附加層
[0059]16 左側(cè)
[0060]17抗扭盒
[0061]18 右側(cè)
[0062]19不適用
[0063]20橫截面
[0064]21弧形上層
[0065]22弧形下層
[0066]23側(cè)向安裝的U形蓋
[0067]24連接塊
[0068]25U 形蓋
[0069]26縱向端部
[0070]C旋翼飛行器、例如直升飛機
[0071]D旋翼:例如，直升飛機主旋翼
[0072]E旋翼槳葉
[0073]F無鉸鏈旋翼轂組件
【權(quán)利要求】
1.一種由復合基體材料制成的桿(1)，所述桿(I)用于將旋翼(D)的旋翼槳葉連結(jié)于旋翼飛行器(C)的無鉸鏈旋翼轂組件(F)，所述桿(I)具有垂直于橫截面(B-B、20-20f )的縱向軸線(8)并且具有上表面和下表面(2、3);所述縱向軸線(8)具有距所述上表面和所述下表面(2、3)基本上相等的距離，而所述橫截面(B-B、20-20f)在可撓曲的區(qū)域(A-A至B-B)處將所述旋翼槳葉連結(jié)于所述無鉸鏈旋翼轂組件，以使得所述旋翼槳葉能經(jīng)受沿拍動方向、沿超前滯后方向以及沿俯仰角方向的運動；且所述由復合基體材料制成的桿(I)包括: 第一組纖維和第二組纖維，所述第一組纖維平行于所述縱向軸線(8)延伸，而所述第二組纖維相對于所述縱向軸線(8)以一角度延伸，其中，在所述橫截面(B-B、20-20f)內(nèi)部沿著所述縱向軸線(8)設有至少一個抗扭盒(17)，所述至少一個抗扭盒(17)中的每個包括上層和下層(10、21、11、22)，所述上層和下層分別與所述縱向軸線(8)偏離并且與所述上表面和所述下表面(2、3)偏離，當所述上層和下層(10、21、11、22)之間、所述上層(10、21)和所述上表面(2)之間以及所述下層(11、22)和所述下表面(3)之間的橫截面(B-B、20-20f)沿所述橫截面的較長側(cè)部的方向、至少部分地填充有基本上平行于所述縱向軸線(8)延伸的所述第一組纖維時，所述上層和下層(10、21、11、22)側(cè)向地連結(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的桿(1)，其特征在于，所述第二組纖維相對于所述縱向軸線(8)以大于或小于45度的角度延伸。
3.如權(quán)利要求1所述的桿(1)，其特征在于，所述抗扭盒(17)由定位于中心的單向?qū)?12)或附加層(15)封閉成U形部分以連接所述上層和下層(21、22)，所述定位于中心的單向?qū)?12)由所述第一組纖維制成，而所述附加層由較佳地以大于或小于45度角度敷設的所述第二組纖維制成。
4.如權(quán)利要求1所述的桿(1)，其特征在于，所述上層和下層(10、21、11、22)分別定位成距離所述上表面和所述下表面(2、3)、所述橫截面(B-B、20-20f)的局部高度的至少5%。
5.如權(quán)利要求1所述的桿(1)，其特征在于，所述上層和所述下層(21、22)彼此間距離從所述側(cè)向端部(16、18)朝向所述橫截面(20-20f)的縱向軸線(8)增大。
6.如權(quán)利要求1所述的桿(I)，其特征在于，所述上部單向?qū)?13)和所述下部單向?qū)?14)的側(cè)向側(cè)部各自沿所述橫截面的較長側(cè)部的方向分別具有高達50%的共享部。
7.如權(quán)利要求1所述的桿(I)，其特征在于，所述桿(I)是柔性梁類型的。
【文檔編號】B64C27/48GK104071335SQ201410119052
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月28日
【發(fā)明者】R·普法勒, W·J·瓦格納, M·奧特納 申請人:空客直升機德國有限公司