本發(fā)明涉及拉桿和用于制造拉桿的方法，尤其地用在航空、航天、土木工程和汽車工業(yè)的機(jī)械連接系統(tǒng)中。

背景技術(shù)：

用于施工工程例如航天、土木工程或建筑學(xué)中的梁、托梁和框架被設(shè)計成承受垂直于相應(yīng)的梁的延伸方向作用的彎曲力。傳統(tǒng)的梁可被應(yīng)用一體部件，該一部部件在邊緣處具有凸緣并且在凸緣之間具有腹板跨軛(web spanning)?？商娲?，切碎機(jī)切碎的支柱可代替腹板被應(yīng)用到平行延伸的縱向支撐桿之間，因此，由于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(xiàn)US 387118A中示出，該壓膠輥采用由穩(wěn)定中間環(huán)圍繞的縱向支撐桿。

為了在機(jī)械連接系統(tǒng)的不同部件之間傳遞更大的拉伸和壓縮應(yīng)力，可使用具有細(xì)長主體的桿或支柱，該細(xì)長主體在兩端設(shè)置有合適的連接器以形成用于將所述桿或支柱連接到連接系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)或可替代地彼此之間連接的連接節(jié)點(diǎn)。在航空應(yīng)用中，所謂的“拉桿”常被用于為任何具有艙體的機(jī)械結(jié)構(gòu)提供支撐，例如，衛(wèi)生設(shè)施、帽架、頭頂儲存隔間、廚房模塊、天花板部件和類似的結(jié)構(gòu)。這種拉桿可被形成為由輕質(zhì)金屬例如鋁、或復(fù)合材料例如碳纖維增強(qiáng)塑料(CERP)部件制造的空心圓柱體。

在航空工業(yè)中，拉桿應(yīng)當(dāng)同等地耐用然而輕質(zhì)。大量的拉桿被傳統(tǒng)地應(yīng)用在軍用或民用級飛機(jī)中，因此單個拉桿的即使較小的重量減少都將總體上引起對于整個飛機(jī)的可觀的重量減少。已知用于傳送拉伸或壓縮載荷的復(fù)合構(gòu)件，在該復(fù)合構(gòu)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(jié)構(gòu)外殼?？v向的絲首先承載軸向和彎曲載荷，而螺旋形的絲既穩(wěn)固縱向的絲又承載扭轉(zhuǎn)和橫向剪切力。減少重量的拉桿在例如文獻(xiàn)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復(fù)合拉桿。文獻(xiàn)US2005/0115186A1公開了一種具有圍繞軸線纏繞的多個螺旋部件的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，這些螺旋部件的每一個都具有首尾相連成螺旋構(gòu)造的直的片段。文獻(xiàn)8,313,600B2公開了由復(fù)合材料形成的三維幾何柵格支撐結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的在于提供一種技術(shù)方案，用于進(jìn)一步降低可用于承受高拉伸和壓縮應(yīng)力的拉桿的重量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的技術(shù)方案。

該目標(biāo)通過具有權(quán)利要求1的特征的拉桿以及具有權(quán)利要求11的特征的用于制造拉桿的方法來實(shí)現(xiàn)。

本公開內(nèi)容的第一方面關(guān)于一種拉桿，其包括具有基本一致的橫截面的細(xì)長的拉桿主體。拉桿主體包括至少八個柱，至少八個柱平行于彼此并且被放置為圍繞拉桿的中心軸線的圓周構(gòu)造。

根據(jù)本公開內(nèi)容的第二方面，一種用于制造拉桿的方法包括將至少八個柱平行于彼此設(shè)置為圍繞中心軸線的圓周構(gòu)造，從而形成具有基本一致的橫截面的細(xì)長的拉桿主體。

本發(fā)明所基于的構(gòu)思是由放置成基本圓形構(gòu)造的最少八個柱建造拉桿。這些柱可被一些圓形環(huán)打斷以避免在達(dá)到材料的極限壓縮應(yīng)力之前柱的彎曲，由柱來形成拉桿，以取代作為傳統(tǒng)拉桿的空心圓柱體使得節(jié)省達(dá)40％的重量，同時對于壓縮載荷情況，這種拉桿的彎曲強(qiáng)度被保持。

本發(fā)明的桁架式的拉桿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(gòu)件或與桁架式的拉桿的延伸方向平行的弦桿，拉伸和壓縮能力經(jīng)由圍繞拉桿桁架的外周的柱的數(shù)目、間隔和圓周向的集聚來保證。可環(huán)繞桁架式的拉桿主體的側(cè)面的可選的交叉件可作為附加的支撐構(gòu)件以增加柱在過大的壓縮負(fù)荷下的彎曲強(qiáng)度。

額外地，尤其有利的是通過以上面提到的方式在制造拉桿時采用任何一種層制造技術(shù)而隨之而來的成本、重量、交付周期、部件數(shù)量和制造復(fù)雜性的降低。

根據(jù)拉桿的一個實(shí)施例，細(xì)長的拉桿主體可為基本圓柱體形狀。根據(jù)拉桿的進(jìn)一步的實(shí)施例，拉桿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桿對在拉桿上的彎曲載荷的降低能力之間的有利平衡。

根據(jù)拉桿的一個實(shí)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于柱的延伸的方向上的基本相等的慣性矩，從而呈現(xiàn)出在抗彎強(qiáng)度和重量之間的最佳比例。

在該實(shí)施例中，柱的半徑與拉桿主體的直徑之間的比例等于大約0.28。該比例為有利的，這是由于對于該特定的值，圍繞中心軸線設(shè)置成圓周幾何形狀的八個柱足夠?qū)捯允沟闷鋫?cè)面彼此接觸。當(dāng)柱彼此接觸時，其會為彼此提供側(cè)向支撐，從而避免了對圓形支撐環(huán)的需要，柱本身提供足夠的側(cè)向支撐以抑制處于壓縮應(yīng)力下的拉桿的彎曲。

根據(jù)拉桿的一個實(shí)施例，拉桿主體可進(jìn)一步包括環(huán)繞拉桿主體的側(cè)面的一個或多個交叉件。在一個實(shí)施例中，交叉件在處于拉桿主體的基本相同的高度上的互連節(jié)點(diǎn)處連接到至少八個柱中的每一個上。

根據(jù)拉桿的一個實(shí)施例，交叉件可具有環(huán)形圓環(huán)面的形狀。拉桿主體可包括至少三個交叉件，其中交叉件在拉桿的延伸方向上彼此之間基本等距地間隔開。

根據(jù)拉桿的一個實(shí)施例，拉桿的臨界抗彎強(qiáng)度可超過用于制造至少八個柱的材料的極限應(yīng)力能力。

附圖說明

將參照附圖中描述的示例性的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。

圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的拉桿的立體視圖。

圖2示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的拉桿的剖視圖。

圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的圖1的拉桿的剖視圖。

圖4示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的拉桿的剖視圖。

圖5示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的拉桿的剖視圖。

圖6示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的拉桿的剖視圖。

圖7示意性地示出用于制造根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的拉桿的方法的步驟。

具體實(shí)施方式

附圖被包括以提供對本發(fā)明的進(jìn)一步的理解，其被包括并作為本說明書的一部分。附圖示出本發(fā)明的實(shí)施例并且與說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理。本發(fā)明其他的實(shí)施例和本發(fā)明的很多預(yù)期的優(yōu)點(diǎn)將被容易地領(lǐng)會，因?yàn)閰⒄障旅娴脑敿?xì)的描述其變得更好理解。附圖中的元件不一定為相對于彼此的真實(shí)的比例。相同的附圖標(biāo)記指示相應(yīng)的類似部件。

在附圖中，相同的附圖標(biāo)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(shù)語像“頂部”、“底部”、“左”、“右”、“在......上面”、“在......下面”、“水平的”、“豎直的”、“后”、“前”以及類似的術(shù)語只是用作解釋目的，不試圖將實(shí)施例限定到如圖所示的特定布置。

盡管在本處已經(jīng)示出和描述了特定的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，多個替代的和/或等同的實(shí)施方式可取代示出和描述的特定實(shí)施例。通常，本申請試圖覆蓋本文討論的具體實(shí)施例的任何調(diào)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制造，使用自由形態(tài)制造(FFF)、直接制造(DM)、熔融沉積造型(FDM)、粉末層打印(PBP)、疊層制造法(LOM)、立體平板印刷(SL)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、選擇性激光熔化(SLM)、選擇性熱燒結(jié)(SHS)、電子束熔化(EBM)、直寫成型技術(shù)(DIW)、數(shù)字光處理(DLP)和/或增材制造(AM)。這些技術(shù)屬于增材制造(AM)方法的普通級別(hierarchy)。這些經(jīng)常被稱為3D打印的系統(tǒng)被用于通過生成待形成的物體的橫截面圖案并且經(jīng)由連續(xù)地堆積材料層形成三維實(shí)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打印而提及。AM和3D打印技術(shù)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余的材料。

3D或AM技術(shù)可被用在基于數(shù)字模型數(shù)據(jù)來建造三維實(shí)心物體的工序中。3D/AM采用其中材料的層被連續(xù)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(shè)、工業(yè)設(shè)計、汽車工業(yè)和航空工業(yè)中具有多種應(yīng)用的原型機(jī)制造和分布式制造。

圖1示出了拉桿10的示意圖。拉桿10可由至少八個柱1構(gòu)造而成， 至少八個柱1相互平行并且被放置成圍繞中心的圓周構(gòu)造，該中心尤其是拉桿10的中心的旋轉(zhuǎn)的軸線A。至少8個柱1一起形成細(xì)長的基本棱柱形的主體B，即，具有基本一致的橫截面的棱柱形主體B。例如，棱柱形主體B可具有基本圓柱體的形狀，如圖1所示。

拉桿10可進(jìn)一步包括一個或更多交叉件2，交叉件2環(huán)繞細(xì)長的基本棱柱形的主體B的側(cè)面。交叉件2在處于細(xì)長的基本棱柱形的主體B的基本相同的高度上的互連節(jié)點(diǎn)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(huán)形的圓環(huán)面。交叉件2的數(shù)量通常沒有限制并且其可在拉桿10的延伸方向上被相互間等距地隔開。例如，交叉件2的數(shù)量可為至少三個，交叉件2可避免當(dāng)拉桿10受壓縮時柱1彎曲。

拉桿10能夠在拉伸中與在壓縮中承受基本相同的載荷。這是由于臨界抗彎強(qiáng)度超過了用于制造柱1和交叉件2的材料的極限應(yīng)力能力。柱1和交叉件2的總體的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)量以降低交叉件2上的彎曲載荷并且因此降低交叉件2的重量。然而，在不存在明顯的由于柱1半徑的改變而造成重量效應(yīng)損失的情況下，也可能使用多于八個柱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于柱1的形成。對于柱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(yīng)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于柱1的抗彎長度，該抗彎長度為達(dá)到柱1的材料的極限壓縮強(qiáng)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(jié)省超過40％的重量的潛能成為可能。

為了使得拉桿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，其他的用于交叉件2的圓周的形狀可被使用，例如矩形環(huán)形形狀、立方體的形狀或多邊形的形狀?？苫谠谛枰姆较蛏系膽T性矩的增加需求來選擇合適的形狀。

如果在以其側(cè)面接觸相鄰的柱1的情況下來放置柱1，也可能消除對于交叉件2的需要。在那種情況下，由于柱1憑借其接觸或重疊而彼此提供了側(cè)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(jìn)一步的重量效率。

圖2到6示意性地示出根據(jù)變體構(gòu)造的拉桿10的橫截面圖。具體地，圖3示出根據(jù)圖1的拉桿10的橫截面，其中八個柱1以沿著主體B的側(cè)面C的環(huán)形設(shè)置而圍繞中心體軸線等距地并且對稱地間隔開。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(huán)繞拉桿主體B的側(cè)面C。盡管如圖2示出的示例中交叉件可被整體省略，然而交叉件也可采用各種外部三維形狀，例如圖3的示例中的環(huán)形圓環(huán)面或圖4的示例中的八角形環(huán)面。

交叉件2在互連節(jié)點(diǎn)處連接到至少八個柱1中的每一個。對于交叉件2中的一個而言，那些互連節(jié)點(diǎn)相對于拉桿10的長度可處于拉桿主體B大約相同的高度。通常不限制交叉件2的數(shù)目。例如，對于相對短的拉桿1，交叉件2的合適數(shù)目可為至少三個。隨著拉桿主體B的長度增加，交叉件2的數(shù)目可特別地大于三。交叉件2可沿著拉桿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(wǎng)狀板。網(wǎng)狀板的表面面積的基本相等的分布有助于優(yōu)化拉桿10的重量和壓縮載荷下的抗彎強(qiáng)度的比。

圖5和圖6示出較大半徑的柱1，其側(cè)面同相鄰柱的側(cè)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(jù)需要一旦柱1以合適的重疊(例如達(dá)到柱1的直徑的大約12.5％)達(dá)到相互間接觸，則不再需要用于避免彎曲的交叉件；柱1的提供給彼此的側(cè)向支撐已經(jīng)增加了拉桿在被壓縮時的抗彎強(qiáng)度。通過可以省略交叉件，可達(dá)到進(jìn)一步的重量效應(yīng)。

具體地在圖6的示例性的布置中，拉桿主體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的兩倍并且柱1從拉桿中心軸線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與整個拉桿主體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桿的相對于穩(wěn)定性、抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的最優(yōu)的重量效率。

上面公開的拉桿可被用于多種應(yīng)用，包括但是不限于：飛機(jī)的框架、縱梁和橫梁構(gòu)造、室內(nèi)設(shè)計、橋梁建造、車輛車架、土木工程以及用于兒童玩具和類似物品的應(yīng)用。一個特殊的應(yīng)用屬于飛機(jī)的骨架的建造，該骨架包括用于支撐飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)的拉桿，該拉桿在結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)機(jī)身結(jié)構(gòu)和/或?qū)⒔M件緊固到機(jī)身結(jié)構(gòu)上。這些拉桿常被稱為“Samer桿”或者“Samer類型的桿”并且通常包括在兩端部之間的對應(yīng)于細(xì)長的、基本棱柱形的主體B的中心支柱部分，所述中心支柱部分用于連接在兩接頭或支架之間的拉桿。處于框架結(jié)構(gòu)中的拉桿可被用作拉伸、壓縮和/或彎曲構(gòu)件。

Samer桿通常具有在兩端部之間的中心部分，該中心部分可根據(jù)在本申請中描述和解釋的拉桿主體B形成。端部可包括柄以及在兩側(cè)設(shè)置在柄端的孔，用于將Samer桿連接到機(jī)身結(jié)構(gòu)。為了將Samer桿連接到飛機(jī)的結(jié)構(gòu)，夾具或叉形的支架被連接到結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)地將Samer桿連接到夾具(或支架)上

所公開的拉桿特別是拉桿10的一個特別的優(yōu)勢是可使用3D打印或增材制造(AM)技術(shù)來制造所有部件。特別地拉桿10可被3D打印為主體B、柄和孔已經(jīng)被無縫地制造。這導(dǎo)致拉桿10的有利的機(jī)械穩(wěn)定性。

圖7示意性地示出用于制造拉桿的方法M的步驟，例如結(jié)合圖1-6所描述的拉桿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(gòu)造彼此平行設(shè)置，由此形成具有基本一致的橫截面的細(xì)長拉桿主體B。進(jìn)一步地，方法M可包括可選的附加步驟M2和M3，形成環(huán)繞拉桿主體B的側(cè)面的一個或更多交叉件2，以及在處于拉桿主體B的基本相同高度上的互連節(jié)點(diǎn)處將交叉件2與至少八個柱1中的每一個互連。

制造方法M可特別地通過使用增材制造AM過程而被實(shí)施。增材制造AM過程例如為熔融沉積造型FDM、加層制造ALM、選擇性激光熔化SLM、或選擇性激光燒結(jié)SLS。

在上述的詳細(xì)的描述中，為了簡化公開內(nèi)容，不同的特征被在一個或多個實(shí)施例中聚集在一起。應(yīng)當(dāng)理解，上面的描述用于示意性的目的，而不是用于限制。它試圖覆蓋所有的可替代方式、修改方式和等同方式，對 于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，當(dāng)閱讀上述說明時，很多其他的示例將會顯而易見。

所述實(shí)施例被選擇和描述以能夠最好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域技術(shù)人員以適合于預(yù)期的特殊應(yīng)用的各種修改來最好地應(yīng)用本發(fā)明和各種實(shí)施例。在附加的權(quán)利要求中以及整個說明書中，術(shù)語“包含(including)”和“其中(in which)”被分別用作相應(yīng)的術(shù)語“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的簡明英語等同術(shù)語。此外，術(shù)語“a”或“one”在這種情況下不排除多個。

附圖標(biāo)記列表

1 支撐柱

2 交叉件

10 拉桿

A 桿中心軸線

B 拉桿主體

C 主體側(cè)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