本发明整体涉及用于航空设施或飞行控制传动系上或者用于任何需要扭矩管传递扭矩的传动系上的扭矩管(有时称为扭矩轴)。
背景技术：
扭矩管在电力传输应用中传递静态和动态的扭转负载。例如，扭矩管常用于航空器，以便为飞行控制表面(例如，襟翼和缝翼)的致动和制动以及航空器门闩的致动提供电力传输。扭矩管的每个端部可设置有被构造用于将扭矩管机械联接到传动系中的另一个传输机构的端部接头。
通过将碳纤维束卷绕在芯轴周围而制成的所谓“复合”扭矩管被广泛用于航空工业，在一定程度上，这是因为其比金属扭矩管轻且满足临界强度要求。复合扭矩管还具有更好的抗弯刚度和抗扭刚度。
复合扭矩管制造中公认的挑战涉及将金属端部接头附接到复合材料管部分。将金属端部接头附接到复合管使得复合材料与各端部接头之间的接合可靠且不易在负载下断开，这一点非常重要。
已经提出了各种将端部接头附接到复合扭矩管的方案。美国专利7,335,108(lin等人)描述了具有复合管和一对固定在复合管两端的端部接头的传动轴组件。该组件可通过以下方式制成：将预浸渍的(“预浸”)纤维束卷绕在芯轴和端部接头上，将所述部件包封在真空袋中并对真空袋内部空间进行抽真空，固化预浸纤维束，并移除真空袋和芯轴。每个端部接头包括通向具有径向突出耳状物的区域的颈部，所述耳状物围绕组件的中心轴线成角度地间隔开。通过复合材料固定该具有径向突出耳状物的区域，以在复合管与端部接头之间传递轴向和扭转负载。该复合材料具有非圆形的横截面轮廓，在此横截面轮廓中，该复合材料包围端部接头的耳状物区域。
美国专利7,419,435(borges等人)公开了一种复合扭矩管组件，该复合扭矩管组件通过以下方式形成：将金属端部接头安装到芯轴上，并用复合材料包裹端部接头和芯轴的一部分，然后固化该复合材料。所述端部接头的特征在于其具有从端部接头的中心轴线径向向外延伸的一对或多对直径上相对的凸角以改善复合材料与端部接头之间的扭矩传递。端部接头包括与由复合材料形成的管的圆柱形轴向通道对准的圆柱形轴向通道，其中管通道的直径大于端部接头通道的直径。因此，成形芯轴必须具有从复合管的主直径过渡到端部接头的较小直径的径向梯级。因此，在固化后，不能从组件轴向抽出芯轴，相反，必须通过用溶解液体冲洗端部接头的通道来溶解芯轴。此过程不仅昂贵而且对端部接头和复合材料有害。
美国专利7,682,256(brace等人)教导了一种复合扭矩管组件，其中金属端部接头设置有具有多个径向突出耳状物的外部联接区域，所述耳状物彼此间隔开以限定各排耳状物之间的通道。这些通道被布置成沿预期的纤维包角延伸以直接接收卷绕的复合材料，从而増强复合材料与端部接头之间的扭矩传递。耳状物具有急剧过渡部分和/或锋利边缘，这可使得将端部接头与其交接的复合材料劣化。此外，扭矩传递在耳状物中分布非常不均匀，前导耳状物接收大部分的传递力。因此，这种扭矩管组件倾向于具有缩短的使用寿命。
美国专利7,874,925(dewhirst)描述了一种通过将内花键端部接头压制到固化复合管的端部区域上来制备扭矩管组件的方法。复合管的端部区域必须精确加工成预定直径，以提供与内花键端部接头的轻微干涉配合。在将端部接头压制到复合管上时引入粘合剂，以改善粘结。此过程不仅昂贵，而且制成可接受的最终产品需要大量的操作技术。
美国专利8,025,580(genot等人)公开了一种具有固定布置在复合管的一部分上的金属接头的复合扭矩管组件。该金属接头具有非圆形的内表面轮廓，该内表面轮廓与金属接头区域中的复合管的互补外表面轮廓配合。通过在接头内设置纤维预成型件并在该纤维预成型件内注入塑料(例如，环氧树脂)以形成基质，从而直接在金属接头内制造由金属接头围绕的复合管部分。该制造方法不涉及在芯轴上卷绕未固化的预浸纤维束。
因此，需要一种制造方法比已知复合扭矩管组件更经济且满足指定性能要求的复合扭矩管组件。
技术实现要素：
本发明提供了一种制造具有连接到金属端部接头的复合纤维管的复合管组件的低成本方法，其中所得管组件仍能满足性能规格要求。
在本发明的第一实施例中，该方法通常包括将至少一个端部接头放置在芯轴上，所述端部接头包括轴向细长杆、位于杆的远侧端部处的传动联接件以及用于接收芯轴的端部部分并穿过传动联接件和杆的通道，其中杆包括具有多个外表面的夹持区域。该方法还包括将纤维束包裹在每个端部接头的夹持区域周围和芯轴周围以形成纤维包裹组件，固化纤维束，以及移除芯轴以制成完整的管组件。
在本发明的第二实施例中，上文汇总的方法还包括在将一些纤维束包裹在夹持区域周围之后，将多个压缩嵌入件定位在夹持区域周围，并将另外的纤维束包裹在压缩嵌入件和夹持区域周围。压缩嵌入件可具有圆形外表面，使得卷绕在压缩嵌入件周围的管的端部部分具有圆形外横截面形状。
本发明还包括通过本发明方法实施例所制造的复合管组件。
附图说明
本发明的实质和操作模式现在将结合附图在本发明的以下具体实施方式中更全面地描述，其中：
图1是示出了根据本发明的第一实施例形成的复合扭矩管组件的一个端部部分的纵向剖面图，其中扭矩管组件被示出在成形芯轴上；
图2是示出了图1所示的复合扭矩管组件的端部接头的透视图；
图3是大致沿图1中的线3-3截取的横截面图；
图4是大致沿图1中的线4-4截取的另一个横截面图；
图5是类似于图3的视图，其示出了具有凸形外表面的端部接头的夹持部分的另选构型；
图6是示出了端部接头的另选构型的透视图，其中端部接头的夹持部分的外表面相对于端部接头的颈部区域凹陷；
图7是示出了根据本发明的第一实施例形成的复合扭矩管组件并结合了图6所示的另选端部接头的纵向横截面图；
图8是类似于图3的视图，但其示出了根据本发明的第二实施例形成且其特征在于压缩嵌入件的复合扭矩管组件；
图9是示出了图8所示的复合扭矩管组件的压缩嵌入件的透视图；
图10是类似于图8的视图，其示出了具有凹形外表面的端部接头的夹持部分的另选构型；
图11是示出了图10所示的复合扭矩管组件的压缩嵌入件的透视图；
图12是示出了制备第一实施例的复合扭矩管组件的方法的流程图；以及
图13是示出了可用于改进图10所示方法以制备第二实施例的复合扭矩管组件的另选方法步骤的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的第一实施例形成的复合扭矩管组件10的端部部分。复合扭矩管组件10通常包括由卷绕纤维増强复合材料形成的管12以及至少一个由卷绕复合材料保持的金属端部接头14。如扭矩管领域的技术人员所理解的那样，可在复合扭矩管组件10的相对端设置另一个端部接头(未示出)。在图1的视图中，其还示出了扭矩管组件10的成形芯轴m和纵向轴线a。
另外参考图2和图3。端部接头14包括轴向细长杆16、位于杆16的远侧端部处的传动联接件18以及轴向延伸穿过杆16和传动联接件18的内部通道20。杆16包括具有多边形外横截面形状的夹持区域22，所述多边形外横截面形状限定多个平坦外表面24，每个平坦外表面均由一对拐角边缘26界定。复合管12的端部部分卷绕在杆16的夹持区域22周围。如所理解的那样，传动联接件18可采用由适用传动系统中的配合元件的构型所决定的形式。例如，联接件18可为具有螺栓孔阵列的凸缘、万向接头凸耳、内花键或外花键，或者一些其他联接元件。
在附图中，夹持区域22的外横截面形状被描绘为例如正六边形。然而，也可使用另选的多边形形状。夹持区域22的多边形形状可为不规则多边形和/或除六边形之外的多边形。
杆16还可包括在夹持区域22与传动联接件18之间的颈部区域28。颈部区域28可具有圆形外横截面形状。如图1所示，管12的端部部分可卷绕在杆16的夹持区域22和颈部区域28周围，并且管12的端部部分可与传动联接件18邻接。
如图1和图4所示，随着管12远离端部接头14轴向延伸，该管过渡为圆柱形复合材料管。如可理解的那样，在图4所示的区域中，管12可具有由芯轴m的外径所确定的内径13。
夹持区域22的外表面24可与平坦表面不同。例如，在图5所示的第一实施例的变型中，夹持区域22的外表面可为凸形弯曲表面24'。与具有平坦外表面24的夹持区域相比，此类变型可用于减小卷绕在拐角边缘26处的复合纤维上的应力。
在图1和图2中可以看出，端部接头14的颈部区域28相对于端部接头的外表面24凹陷。因此，颈部区域28的直径小于夹持区域的横向尺寸(从夹持区域的一个拐角边缘26穿过轴线a到与其相对的拐角边缘26或表面24测得)，视具体情况而定。然而，如图6和图7所示，可使用改进的端部接头14'，其中外表面24相对于颈部区域28凹陷。在此改进中，可通过将外表面24铣削到从传动联接件18延伸的端部接头14'的细长圆柱形部分的外表面中来形成杆16。
现在将参考图12描述第一实施例的制造扭矩管组件10的方法。第一步骤100是将一对端部接头14放置于圆柱形芯轴m的相对两端上。芯轴m可为利用脱模剂制备的脱模芯轴，以允许在随后的固化步骤(下文所述)之后从芯轴上分离管12的纤维増强复合材料。每个端部接头14的内部通道20的尺寸可设计成与芯轴m的外表面滑动配合，如图1和图7所示。可对端部接头14施加纤维填料混合物，诸如聚棉纤维、研磨纤维或混有树脂的短纤维，以使得从芯轴m到端部接头14的纤维过渡平滑化。
一旦端部接头14处于芯轴m的相对两端上的适当位置，进行下一步骤110，将纤维束包裹在每个端部接头14的杆16周围和芯轴m周围，以形成纤维包裹组件。纤维束可为“预浸”纤维束，即用纤维预浸渍的热固性树脂基质且被部分固化至b级固化阶段，以提供与未固化的“湿态”层贴材料相比增厚的且在一定程度上粘性的复合纤维束材料。纤维可包括例如碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、硼纤维和/或陶瓷纤维。热固性树脂通过经历不可逆化学反应在高温下完全固化，其中树脂分子的交联使树脂转化成稳定的固体(c级阶段)，因此固化将包裹纤维束转变为实心结构的复合材料。
可使用常规的机械工具来执行纤维束包裹，所述机械工具能够操作以机床加工的方式使芯轴m和端部接头14围绕其共同纵向轴线a旋转，同时沿轴向方向来回作往复运动纤维束喂料机，以将纤维束馈送到旋转组件，从而随旋转组件吸收纤维束实现预定的卷绕图案。当完成纤维束包裹步骤110时，形成包括芯轴m、端部接头14和包裹纤维束材料的纤维包裹组件。如果使用预浸纤维束，则包裹纤维束材料处于部分固化(b级阶段)状态。
下一步骤120是准备纤维包裹组件，使得可在烘箱或高压釜中固化纤维束材料。准备步骤120可包括用收缩包装带对纤维包裹组件进行收缩包裹。另选地，可将组件装入真空袋以去除挥发物和滞留空气。
一旦如上文所述准备了纤维包裹组件，就通过将组件放置在烘箱或高压釜中使纤维束材料在高温下固化，如复合材料领域中已知的那样。固化方案将取决于扭矩管组件10的尺寸和构型，以及所用纤维束的类型。固化步骤示于图12的框130中。
在纤维束材料完全固化之后，从烘箱或高压釜中移除组件，然后在步骤140中移除收缩包装或真空袋。
最后，在步骤150中，以轴向滑出组件的方式抽出芯轴m。剩余结构包括成品形式的扭矩管组件10。
图8是根据本发明的第二实施例形成的复合扭矩管组件50的横截面图。扭矩管组件50与第一实施例的扭矩管组件10相同，不同的是组件50还包括分别与所述多个外平面24中的每一个相关联的多个压缩嵌入件32，其中管12的端部部分卷绕在压缩嵌入件32周围。可将压缩嵌入件32置于纤维増强复合材料的径向内卷绕12a与纤维増强复合材料的径向外卷绕12b之间。
如图9最佳所见，压缩嵌入件32可具有包括被布置成面向相应外平面24的平坦基部34以及与平坦基部34相对的圆形表面36的弧段形状，由此构成外卷绕12b的复合管的端部部分具有避免锋利边缘的圆形(即圆的或椭圆形)外横截面形状。压缩嵌入件32可由任何适合承受压缩负载的材料形成，例如不锈钢、陶瓷或塑料。可对压缩嵌入件32施加底漆涂层，使其更好地粘附到纤维増强复合材料中使用的环氧树脂。压缩嵌入件32有助于复合纤维材料夹持金属端部接头14，从而改善复合管12与端部接头14之间的扭矩传送。
如在上文在第一实施例中所述，夹持区域22的外表面24可与平坦表面不同。例如，在图10所示的第二实施例的变型中，夹持区域22的外表面可为凹形弯曲表面24"。在这种情况下，可使用具有与凹形外表面24"互补的凸形弯曲基部34'的改进的压缩嵌入件32'。此类变型可用于促进压缩嵌入件的正确定位和就位。
第二实施例的制备扭矩管组件50的方法与上文针对第一实施例的制备扭矩管组件10所述的方法相同，不同的是用如图13所示的步骤序列110'代替纤维束包裹步骤110以允许添加压缩嵌入件32。在序列110'中，从步骤112开始将纤维束包裹在每个端部接头14的杆16周围和芯轴m周围，然后在步骤114中暂停包裹。接下来，在步骤116中，将压缩嵌入件32放置在每个端部接头14的夹持区域22周围。序列110'继续进行到步骤118，其中完成纤维束在端部接头杆16和芯轴m上的包裹。然后该方法遵循图12所示的步骤120至150，并且如上所述制成第二实施例的完整扭矩管组件50。
本发明提供了一种将金属端部接头附接到复合纤维管上的低成本方法，在该方法中，一旦移除芯轴，在高压釜或烘箱中的单个固化步骤将产生成品。根据本发明形成的扭矩管组件满足所有适用于当前复合扭矩管的指定要求(包括重量、强度和尺寸包壳要求)，但其制造成本低于根据已知方法制成的复合扭矩管的制造成本。
本发明不仅适用于扭矩管，而且适用于制备压缩和拉杆组件。
虽然已结合示例性实施例描述了本发明，但具体实施方式并不旨在将本发明的范围限制于所述的特定形式。本发明旨在涵盖可包括在本发明的范围内的所述实施例的此类替代形式、修改形式和等同形式。