由热塑性纤维增强塑料制成的杆端的制作方法

由热塑性纤维增强塑料制成的杆端
1.相关申请的交叉引用
2.本技术根据35usc
§
119要求2019年6月23日提交的德国申请号10 2019 004341.3的优先权的权益。前述申请通过引用以其全文并入本文。
技术领域
3.本发明一般涉及一种由热塑性纤维增强塑料制成的杆端，该热塑性纤维增强塑料至少部分地围绕轴承延伸。


背景技术：

4.纤维增强塑料是将纤维物质掺入塑料中的纤维增强材料。它们的特点包括，例如，高刚度和强度以及相对低的重量。
5.几乎没有其他工程领域像在航空航天技术中这样，轻量化设计尤为重要。因此，创新的轻量化设计理念对于许多航空航天部件的竞争力尤为重要。
6.例如，客机和货机中的杆端主要由金属材料(例如钢、铝和钛)制成。由于飞机中有大量此类杆端，使用纤维增强塑料，特别是玻璃纤维和碳纤维增强塑料，可以实现显著的重量减轻和/或成本节省。
7.由塑料制成的杆端在现有技术中是已知的。
8.de 1,995,788 u公开了一种具有普通轴衬(plain bushing)和螺纹杆的杆端，其中该普通轴衬和该螺纹杆的上端部由在注塑成型工艺中以单件生产的塑料体包围。
9.从de 196 15 872 a1获知一种球形滑动轴承，其轴承承窝和轴承体均由塑料制成，并且在其实施方案之一中具有模塑螺纹杆。
10.与金属杆端相比，由塑料制成的已知杆端提供了显著的重量减轻。这些设计的缺点在于塑料和短纤维增强塑料的强度相对低，因此由塑料制成的杆端仅能传递相对小的载荷。


技术实现要素：

11.本发明基于这些问题开发了一种杆端，该杆端与金属方案相比具有较低重量，同时可以传递高机械载荷并且还可以经济地制造。
12.本发明涉及一种带有轴承的杆端，其中所述轴承由包括纤维增强塑料的部件至少部分地封闭，所述纤维增强塑料至少部分地以环的形式围绕所述轴承延伸。
13.在某些实施方案中，所述纤维增强塑料是连续纤维增强热塑性塑料。
14.在其他实施方案中，所述轴承和/或所述部件由塑料至少部分地封闭。在进一步的实施方案中，所述塑料是短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料。
15.在某些实施方案中，围绕所述轴承形成环的所述纤维增强塑料至少部分地延伸至螺纹杆中。
16.在一些实施方案中，所述部件包括单向连续纤维增强热塑性塑料。
17.在其他实施方案中，所述部件包括多层连续纤维增强热塑性塑料。在某些实施方案中，所述轴承由连续纤维增强热塑性塑料全封闭一次或多次。
18.在其他实施方案中，所述部件在螺纹杆中延伸并且顺应所述螺纹杆的螺纹牙型(thread profile)。
19.在又其他实施方案中，所述部件与封闭的短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料连接。在一些实施方案中，所述轴承由短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料径向和轴向包围。
20.在某些其他实施方案中，所述轴承包括金属材料、塑料材料、纤维材料或其组合。
21.在某些实施方案中，所述部件包括一种或多种纤维，所述纤维选自碳纤维、玄武岩纤维(basalt fibers)、芳纶纤维、塑料纤维、棉纤维、金属纤维、玻璃纤维及其组合。在进一步的实施方案中，所述塑料纤维选自聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维及其组合。在又其他实施方案中，所述部件纤维浸渍在热塑性材料中，其中纤维体积分数为至少30％。
22.在某些实施方案中，所述杆端是带有内螺纹的连杆上的附接元件。在进一步的实施方案中，所述杆端包括螺纹杆，并且所述杆端通过锁紧垫圈和锁紧螺母固定至所述连杆。
23.在其他实施方案中，所述杆端为u形接头的形式。在又其他实施方案中，所述杆端为旋转头的形式。
24.在一些实施方案中，所述环完全围绕所述轴承多次并且热塑性塑料进一步将所述轴承轴向固定在所述轴承的侧表面上。在某些实施方案中，所述热塑性塑料是短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料。
25.在某些实施方案中，所述纤维增强塑料中的塑料选自聚丙烯(pp)、聚酰胺(pa)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、聚乙烯亚胺(pei)、聚邻苯二甲酰胺(ppa)、聚苯硫醚(pps)、聚芳醚酮(paek)、聚醚酮酮(pekk)、聚醚醚酮(peek)及其组合。
26.在其他实施方案中，短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料中的塑料选自聚丙烯(pp)、聚酰胺(pa)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、聚乙烯亚胺(pei)、聚邻苯二甲酰胺(ppa)、聚苯硫醚(pps)、聚芳醚酮(paek)、聚醚酮酮(pekk)、聚醚醚酮(peek)及其组合。
27.在某些实施方案中，所述短纤维增强热塑性塑料和/或长纤维增强热塑性塑料中的纤维选自碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、塑料纤维、棉纤维、金属纤维、玻璃纤维及其组合。在进一步的实施方案中，所述塑料纤维选自聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维及其组合。
附图说明
28.图1示出了根据本发明的杆端(1)的侧剖视图，该杆端(1)具有螺纹杆(2)，并且包括连续纤维增强复合材料，该连续纤维增强复合材料具有以环的形式部分地包围轴承(4)的热塑性基体(3)；以及短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)。热塑性塑料(5)完全包围纤维增强热塑性塑料的环(3)进入螺纹杆(2)中。短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)限定了杆端(1)的外轮廓。在此代表图中，具有热塑性基体(3)的连续纤维增强复合材料以四层实施。
29.图2示出了根据本发明的杆端(1)的侧剖视图，该杆端(1)具有螺纹杆(2)，并且包括连续纤维增强复合材料，该连续纤维增强复合材料具有环形式的热塑性基体(3)，其完全包围轴承(4)多次；以及短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)。热塑性塑料(5)完全包围纤维增强热塑性塑料的环(3)进入螺纹杆(2)中。短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)限定了杆端(1)的外轮廓。
30.图3示出了根据本发明的杆端(1)的侧剖视图，该杆端(1)具有螺纹杆(2)，并且包括连续纤维增强复合材料，该连续纤维增强复合材料具有环形式的热塑性基体(3)，其完全包围轴承(4)多次；以及短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)，其还将轴承(4)轴向固定在其侧表面上。热塑性塑料(5)完全包围纤维增强热塑性塑料的环(3)进入螺纹杆(2)中。短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)限定了杆端(1)的外轮廓。
31.图4示出了根据本发明的杆端(1)的侧视图，该杆端(1)具有螺纹杆(2)和轴承(4)。
32.图5示出了根据本发明的杆端(1)的侧剖视图，该杆端(1)具有螺纹杆(2)，并且包括连续纤维增强复合材料，该连续纤维增强复合材料具有环形式的热塑性基体(3)，其包围轴承(4)；以及短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)，其内置于带有内螺纹(7)的连杆中并通过锁紧垫圈(9)和锁紧螺母(8)固定。热塑性塑料(5)完全包围纤维增强热塑性塑料的环(3)进入螺纹杆(2)中。短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)限定了杆端(1)的外轮廓。
33.图6示出了根据本发明的螺纹牙型(6)的剖视图，该螺纹牙型(6)由短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)和具有热塑性基体(3)的连续纤维增强复合材料制成，其中具有热塑性基体(3)的连续纤维增强复合材料沿螺纹牙侧延伸。
34.图7示出了根据本发明的呈u形接头形式的杆端(1)的侧剖视图，该杆端(1)包括轴承(4)和螺纹杆(2)，该螺纹杆(2)具有内部连续纤维增强复合材料(以虚线示出)，其具有环形式的热塑性基体(3)，以及短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)。热塑性塑料(5)完全包围纤维增强热塑性塑料的环(3)进入螺纹杆(2)中。短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)限定了杆端(1)的外轮廓。在此代表图中，具有热塑性基体(3)的连续纤维增强复合材料以三层实施。
35.图8示出了旋转90
°
的图7的杆端(1)的剖视图。
具体实施方式
36.本公开内容中的术语“包括(comprising和comprises)”可以表示“包含(including和includes)”或可以具有美国专利法中通常赋予术语“包括”的含义。如果在权利要求中使用，术语“基本上由
……
组成(consists essentially of或consists essentially of)”具有美国专利法赋予它们的含义。本发明的其他方面在以下公开内容中描述或从以下公开内容中显而易见(并且在本发明的范围内)。
37.本发明通过提供与金属杆端相比具有低重量同时还能够传递高机械载荷(不同于现有的塑料杆端)并且还可以经济地制造的杆端来解决现有技术的问题。
38.在某些实施方案中，根据本发明的杆端可以是用于将拉力和压缩力引入各种连杆中的附接元件，例如，用于航空领域中的应用。
39.根据本发明的杆端还适用于许多其他应用，特别是用于传递拉力和压缩力、用于引导和机械安装以及用于支撑各种连接件或支架。
40.传统杆端可以由金属或塑料制成，但它们分别具有重量大或无法传递高机械载荷等缺点。一方面，本发明提供了一种杆端，该杆端与金属杆端相比具有较低重量并且与例如在航天和航空领域中使用的传统塑料杆端不同，其能够传递高机械载荷。
41.在某些实施方案中，本发明通过围绕球形滑动轴承或轴衬穿过并由纤维增强塑料制成的环实现杆端的高机械载荷能力。在某些实施方案中，纤维增强塑料是具有热塑性基体的连续纤维增强复合材料，例如具有热塑性基体的单向连续纤维增强复合材料。其中纤维含量超过80％的纤维增强塑料在本发明的杆端的纤维增强塑料部件的纵向方向上延伸，在本文中被称为单向纤维增强塑料。连续纤维可以是单根纤维或一束纤维，其起源于例如本发明的杆端的螺纹杆，缠绕杆端中的轴承或轴衬，然后终止于杆端的阀杆(stem)中。连续纤维与不连续纤维(例如短切纤维或断裂拉伸的碳纤维)形成对比。
42.本发明进一步涉及包含纤维增强塑料(例如具有热塑性基体的连续纤维增强复合材料)的部件。在某些实施方案中，纤维增强塑料中的一种或多种纤维是浸渍在塑料(例如热塑性塑料)材料中的碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、塑料纤维、棉纤维、金属纤维、玻璃纤维和/或其组合。在一些实施方案中，纤维增强塑料由浸渍在塑料(例如热塑性塑料)材料中的纤维制成，其中纤维体积分数为至少30％、至少35％、至少40％、至少45％、至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％或至少90％。
43.在某些实施方案中，包括纤维增强塑料(例如具有热塑性基体的连续纤维增强复合材料)的部件，延伸至本发明的杆端的螺纹杆中。螺纹杆可以采用外螺纹或内螺纹。可以使用所有已知类型的内螺纹和外螺纹，包括也可以使用的特殊螺纹形式。例如，圆螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹和三角形螺纹是可以使用的已知螺纹类型。外螺纹是存在于外部的螺纹，例如，杆端的阀杆的外部。相反，内螺纹是存在于内部的螺纹，例如，杆端的阀杆的内部。
44.在某些进一步的实施方案中，短纤维增强塑料、长纤维增强塑料或非增强塑料，例如热塑性塑料，完全或部分地包围纤维增强塑料的环进入螺纹杆中，并且完全或部分地限定杆端的外轮廓。
45.在一些实施方案中，纤维增强塑料的环具有热塑性基体，由此纤维增强塑料可以与短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料形成整体连接。
46.可以采用用于制造用于本发明的杆端的轴承、纤维增强塑料和/或短纤维增强塑料、长纤维增强塑料或非增强塑料的任何合适的方法。
47.同样，可以使用任何合适的方法在本发明的杆端中的轴承、纤维增强塑料或者短纤维增强塑料、长纤维增强塑料或非增强塑料中的一个或多个之间建立整体连接。在某些实施方案中，作为非限制性实例，用于制造将纤维增强塑料部件和轴承定位在本发明的杆端中的整体连接的方法可以通过注塑成型，使得纤维增强塑料和轴承相对于彼此精确定位。在其他实施方案中，注塑成型的使用可以类似地用于在本发明的杆端中的纤维增强塑料部件和短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料之间产生整体连接，使得纤维增强塑料部件和包围的热塑性塑料相对于彼此精确定位。
48.可用于纤维增强塑料部件的塑料的实例包括聚丙烯(pp)、聚酰胺(pa)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、聚乙烯亚胺(pei)、聚邻苯二甲酰胺(ppa)、聚苯硫醚(pps)、聚芳醚酮
(paek)、聚醚酮酮(pekk)、聚醚醚酮(peek)及其组合。
49.可用于纤维增强塑料部件的纤维的实例包括碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、塑料纤维(包括聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维等)、棉纤维、金属纤维、玻璃纤维及其组合。
50.可用于短纤维增强塑料、长纤维增强塑料和/或非增强塑料的塑料的实例包括：聚丙烯(pp)、聚酰胺(pa)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、聚乙烯亚胺(pei)、聚邻苯二甲酰胺(ppa)、聚苯硫醚(pps)、聚芳醚酮(paek)、聚醚酮酮(pekk)、聚醚醚酮(peek)及其组合。
51.可用于短纤维增强塑料或长纤维增强塑料的纤维的实例包括碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、塑料纤维(包括聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维等)、棉纤维、金属纤维、玻璃纤维及其组合。用于根据本发明的短纤维增强塑料的短纤维的长度通常在0.1mm至1mm的范围。用于根据本发明的长纤维增强塑料的长纤维的长度通常在1mm至50mm的范围。
52.短纤维或长纤维增强塑料中的纤维可以以任何合适的方向取向，包括单向和/或随机方向。
53.为了增加纤维增强塑料(例如具有热塑性基体的连续纤维增强复合材料)在本发明的杆端中的含量，纤维增强塑料可以在杆端中作为多层实施。多层可以全部相同、不同或具有相同和不同的纤维增强材料的不同组合。在一个示例性实施方案中，一层可以是多向连续纤维增强热塑性塑料，而另外两层是单向连续纤维增强热塑性塑料。
54.在一些实施方案中，为了更好地适应拉伸和压缩力，纤维增强塑料，例如单向纤维增强塑料，另外可以根据本发明完全包围球形滑动轴承或轴衬一次或多次。
55.在某些实施方案中，本发明包括一个或多个用于容纳销的孔。此外，球形滑动轴承；轴衬；和铰接元件、轴衬或球形滑动轴承的外环，在本文中也称为轴承。通常，轴承可以支撑一个或多个相互抵靠移动的部件。
56.在某些实施方案中，轴承包括金属材料、塑料材料、纤维复合材料或其组合。
57.在一些实施方案中，本发明通过纤维增强塑料的方式实现杆端的高机械载荷能力，所述纤维增强塑料例如具有热塑性基体的连续纤维增强复合材料，其以环的形式延伸，至少部分地围绕轴承，并且其中纤维增强塑料还延伸至螺纹杆中。
[0058]“以环的形式”意指轴承由纤维增强塑料(例如具有热塑性基体的连续纤维增强复合材料)以大于160
°
的包角围绕或环绕。在某些实施方案中，包角大于180
°
。
[0059]
在某些实施方案中，螺纹杆中的纤维增强塑料加强杆端抵抗螺纹杆脱离(breaking away)。此外，在进一步的实施方案中，一系列的纤维，例如连续纤维，以由纤维伸出到螺纹脊中的形状顺应螺纹杆的表面附近的螺纹牙型，例如，如图6所示，并且加强螺纹杆防止螺纹脊剪断。例如，在某些实施方案中，纤维是顺应螺纹杆表面附近的螺纹牙型的连续纤维。图6显示了连续纤维顺应螺纹杆形状的螺纹脊的情况。通过使连续纤维顺应螺纹杆表面附近的牙型，螺纹杆被加强，避免螺纹脊剪断。
[0060]
为了适应轴向作用的力，还可以通过短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料以强制锁合(positive-locking)的方式将轴承(例如球形滑动轴承或轴衬)部分或完全固定在引入到轴承(例如球形滑动轴承或轴衬)中的一个或多个侧表面或轮廓上方。
[0061]
通常，杆端以极其广泛的各种尺寸大量使用。在本发明的某些实施方案中，本发明的杆端为u形接头或旋转头的形式。
[0062]
图1示出了根据本发明的杆端(1)的侧剖视图。图1绘出了带有轴承(4)的螺纹杆(2)。螺纹杆(2)与轴承(4)相邻。阀杆(2)的中轴与轴承(4)的中心相交。具有热塑性基体的连续纤维增强材料(3)延伸至阀杆(2)中。图1还示出了连续纤维增强复合材料(3)，其具有环形式的热塑性基体。具有热塑性基体的连续纤维增强复合材料(3)是部分包围轴承(4)的环。然而，轴承(4)未被暴露，因为剩余的“自由空间”被短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)填充。热塑性塑料(5)还包围纤维增强热塑性塑料(3)进入阀杆(2)中并形成杆端(1)的外轮廓。在此代表图中，具有热塑性基体(3)的连续纤维增强复合材料以四层实施。
[0063]
图2示出了根据本发明的杆端(1)的侧剖视图，该杆端(1)具有螺纹杆(2)并且包括具有环形式的热塑性基体(3)的连续纤维增强复合材料。在这里，环完全包围轴承(4)多次。短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)包围纤维增强热塑性塑料基体(3)进入阀杆(2)中并形成杆端(1)的外轮廓。轴承(4)被具有热塑性基体(3)的连续纤维增强复合材料完全包围。
[0064]
图3示出了根据本发明的杆端(1)的剖视图，该杆端(1)具有螺纹杆(2)并且包括具有环形式的热塑性基体(3)的连续纤维增强复合材料。连续纤维增强热塑性塑料(3)完全包围轴承(4)多次。图3进一步示出了短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)，其还将轴承(4)轴向固定在轴承(4)的侧表面上。
[0065]
图4示出了根据本发明的具有轴承(4)和螺纹杆(2)的杆端(1)的外侧的侧视图。杆端(1)表面上的材料由短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)制成。图4进一步示出了如本领域普通技术人员所理解的技术图所描绘的螺纹杆(2)的螺纹。
[0066]
图5示出了根据本发明的杆端(1)的侧剖视图，该杆端(1)具有螺纹杆(2)并且包括连续纤维增强复合材料，该连续纤维增强复合材料具有环形式的热塑性基体(3)；以及短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)，其内置于带有内螺纹(7)的连杆中并通过锁紧垫圈(9)和锁紧螺母(8)固定。
[0067]
图6示出了根据本发明的螺纹牙型(6)的剖视图，该螺纹牙型(6)由短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)和具有热塑性基体(3)的连续纤维增强复合材料制成。图6显示了具有热塑性基体(3)的连续纤维增强复合材料沿螺纹牙侧延伸的情况。
[0068]
图7示出了根据本发明的呈u形接头形式的杆端(1)的侧剖视图，该杆端(1)包括轴承(4)和螺纹杆(2)。虚线所示的是具有环形式的热塑性基体(3)的内部连续纤维增强复合材料、以及短纤维增强热塑性塑料、长纤维增强热塑性塑料或非增强热塑性塑料(5)。在该图中，具有热塑性基体(3)的连续纤维增强复合材料以三层实施。
[0069]
图8示出了旋转90
°
的图7的杆端的剖视图。
[0070]
对上述内容的修改对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，但不使如此修改的本发明超出本发明的范围。以下权利要求书应解释为涵盖此类情况。