本发明总体涉及连接器领域，并且特别涉及一种由在垂直平面中具有连接孔的纤维增强聚合物材料制成的接头。
背景技术：
用于连接两个或多个构件的成角度的接头或支架在本领域中是众所周知的。当意图连接通常彼此垂直的表面时，这样的接头/支架通常具有基本上l形或基本上t形的几何形状。在重量和强度是重要考虑因素的航空航天应用中，复合材料越来越多地用于接头的制造。
由us8925880已知一种复合l形接头的示例。该接头通过将预浸渍的纤维以织物或垫子的形式放置到具有特定几何形状的模具中而制成。接头包括基本上彼此垂直的两个部分，其中设有连接孔。其中一部分在其内侧具有凹形弯曲轮廓，由此设置在该部分中的一个或多个孔具有径向于曲率的轴线。
在us9447802中公开了一种具有三个设有连接孔的分支的t形接头的示例。分支由纤维增强的热塑性或热固性基质模制而成，并且从接合区径向延伸。接合区具有横向的横截面，呈具有凹形侧的多边形的形状。
还有改进的空间。
技术实现要素：
本发明涉及一种用于连接通常彼此成直角布置的第一和第二部件的接头。所述接头包括沿第一方向延伸的凸缘部和沿大致垂直于第一方向的第二方向延伸的基部，其中凸缘部和基部的主体由模制纤维复合材料制成。凸缘部具有由布置在凸缘部的主体中的第一中空插入件形成的第一连接孔，由此第一插入件的孔适于接收用于将凸缘部连接到第一部件的紧固件元件。类似地，基部具有由布置在基部的主体中的第二中空插入件形成的第二连接孔，由此第二插入件的孔适于接收用于将基部连接到第二部件的紧固件元件。根据本发明，接头还包括围绕第一和第二插入件的径向外表面的一部分环绕的连续纤维束。连续纤维束在接头的凸缘部内大致在第一方向上延伸，并且在基部内大致在第二方向上延伸，并且遵循在凸缘部和基部之间的过渡区内的弯曲路径。
在使用接头时，作用在第一和第二部件之一上的力通过接头经由第一和第二连接孔传递到另一部件。因此，通过使用连续纤维束将孔互连，纤维增强件位于载荷路径上并与之对齐，从而使接头在最需要的地方提高了强度和刚度。此外，连续纤维束在凸缘部和基部之间的过渡区中所遵循的弯曲路径产生最佳拉伸载荷路径，从而允许拉伸力被连续纤维束承担，而压缩载荷被模制的主体承担。
为了提高使用中的接头的强度，沿横向方向在连续纤维束上施加压缩力是有利的。在优选实施例中，接头形成连接支架的一部分，该连接支架包括垫圈，该垫圈具有用于接收紧固件元件的杆的通孔，该通孔与基部中的第二连接孔对齐。垫圈的上表面可以是平坦的以接收例如紧固件元件的头部。当紧固件例如被拧入第二部件时，垫圈的下侧在接头的基部的上表面上施加夹紧力。为了在过渡区中的连续纤维束上沿横向方向施加压缩力，接头的上表面优选具有凹部，并且垫圈的下侧在接头的基部和凸缘部之间的过渡区具有相应的凸出部分。
在一实施例中，在共享共同的曲率中心的意义上，垫圈和接头的凸出部分和凹入部分的曲率分别匹配连续纤维束在过渡区中所遵循的路径的曲率。
优选地，所述基部的上表面具有凹入的凹部，由此第二连接孔通常位于凹入的凹部的最下区域，并将基部分隔成第一侧和第二侧。基部的凸缘侧将被指定为第一侧；远离凸缘的一侧将被指定为第二侧。
通过允许连续纤维束延伸到基部的第二侧中，在第二连接孔的顶部水平上方，可以进一步提高接头的强度。合适地，基部的上表面包括在基部的第二侧的第二凹入部分。在有利的实施例中，连续纤维束遵循基部的第二侧内的弯曲路径，该弯曲路径与第二凹入部分共享曲率中心。可以理解的是，垫圈的下侧适当地成形为与第二凹入部分配合，以在基部的第二侧内的连续纤维上沿横向方向施加压缩力。
为了将连续纤维束引导在期望的弯曲路径中，第二插入件的径向外表面可以成形为在第二连接孔的第一侧和第二侧处朝向基部的上表面弯曲。在一实施例中，第二插入件的径向外表面设置有用于在缠绕过程期间保持和引导纤维束的至少一个凹槽或凹部或边缘。优选地，第一插入件的径向外表面同样设有至少一个凹槽或凹部。
在一示例中，插入件在外表面中具有凹槽，其宽度基本上等于纤维束的尺寸。通常，纤维束具有0.5-1.5mm的直径。在缠绕过程期间，纤维束围绕凹槽缠绕，这有助于保持纤维束到位，从而有利于预张紧。纤维束的附加环可围绕保持在凹槽中的环缠绕。在其他示例中，中空插入件的径向外表面被粗糙化。
为了促进连续纤维束在横向方向上的压缩，当垫圈被夹持在接头上时，第二插入件可以由例如刚度近似等于或小于纤维束在横向方向上的刚度的聚合物材料制成。这确保了即使纤维束的环完全保持在第二插入件的凹陷表面内，例如在上边缘和下边缘之间，仍发生纤维束的压缩。第二插入件也可以由更坚硬的材料制成，比如陶瓷或轻质金属。在这种情况下，第二插入件被适当地设计成能够夹紧纤维束。例如，径向外表面可以仅具有用于引导和保持纤维束的上边缘。
在一些实施例中，基部的上表面中的凹入凹部具有对称线，使得凹部的曲率在第二连接孔的任一侧相等。在其他实施例中，在第二连接孔的任一侧的曲率可以不同。例如，凹部可以在第一侧(凸缘侧)比在第二侧更弯曲。垫圈的凸出下侧在其通孔的任一侧也可以具有相同或不同的曲率。
垫圈可以由金属材料、陶瓷材料、聚合物材料或复合聚合物材料制成。在一些实施例中，垫圈是独立的部件。在其他实施例中，垫圈连接到基部的上表面，以形成整体组件。
在一示例中，垫圈由纤维增强聚合物材料模制而成，并且在接头的主体已经围绕插入件和连续纤维束模制之后，在固化过程中连接到接头。换句话说，垫圈和接头主体的材料在一个过程中被固化，使得两种材料之间存在分子链结合。通常，固化过程涉及施加热量。在其他示例中，垫圈可以通过使用粘合剂而结合到接头。
接头的主体可以由片状模塑料(smc)、块状模塑料(bmc)、长纤维热塑性塑料(lft)、直接长纤维热塑性塑料制成。其他聚合物复合材料也可以使用。连续纤维束是一束纤维，其可以由干纤维束、浸渍纤维束或浸渍复合带组成。用于连续纤维束的合适材料的示例包括碳、芳族聚酰胺、玻璃和高密度聚乙烯(hdpe)。有利的是，取决于所需的性质，不同类型的纤维可以结合在连续纤维束内。例如，可以选择诸如
可以理解的是，纤维的类型、连续纤维束中的纤维的数量以及围绕第一和第二插入件的环的数量根据所涉及的应用载荷来选择。
在一些实施例中，接头基本上是l形的。在其他实施例中，接头基本上是t形的，并且包括中央凸缘部。基部具有第一部分和第二部分，它们从中央凸缘部沿相对的基本垂直的方向延伸。如上所述，由第二中空插入件形成的连接孔设置在第一和第二部分中的每一个中，并且通过使用连续纤维束来连接到凸缘部中的第一中空插入件。
接头的凸缘部可以包括由具有垂直于第一部件的连接表面的孔轴线的第一中空插入件形成的一个或多个连接孔。类似地，l形接头的基部或t形接头的基部的第一和第二部分可以包括由具有垂直于第二部件的连接表面的第二孔轴线的第二中空插入件形成的一个或多个连接孔。具有第二孔轴线的每个第二插入件通过使用连续纤维束连接到具有第一孔轴线的至少一个第一插入件，所述连续纤维束围绕插入件的径向外表面缠绕并且遵循在凸缘部和基部之间的过渡区中的弯曲路径。
本发明进一步限定了一种制造接头的方法，该接头包括沿第一方向延伸的凸缘部和沿第二方向从其延伸的基部，由此凸缘部具有第一连接表面，并且基部具有通常垂直于第一连接表面的第二连接表面。所述方法包括以下步骤：
-将至少一个第一插入件放置在适当成形的模具中以形成所述接头，所述第一插入件具有带有与所述第一连接表面垂直的第一孔轴线的孔；
-将至少一个第二插入件放置在所述模具中，所述第二插入件具有带有与所述第二连接表面垂直的第二孔轴线的孔；
-将连续纤维束围绕所述第一和第二插入件的径向外表面的一部分缠绕，以形成至少一个环；其中，所述连续纤维束沿第一方向在所述凸缘部内延伸并且沿第二方向在所述基部内延伸，并且当在垂直于所述第一和第二方向的第三方向上观察时，被引导以遵循在第一和第二方向之间的过渡区中的弯曲路径；以及
-通过使用模塑料来围绕所述第一插入件和第二插入件以及连续纤维束模制所述接头的主体。
在所述方法的进一步发展中，接头成形为在基部的上表面中具有凹入凹部，并且所述方法还包括将垫圈连接至基部的上表面的步骤，由此垫圈具有相应地凸出的下侧和与第二插入件的孔对齐的通孔。
在更进一步的发展中，在缠绕步骤期间使用垫圈的凸出的下侧，以便在过渡区中的弯曲路径中引导连续纤维束。
因此，可以创建包括与载荷路径对齐的纤维的复合接头，而不需要钻孔。其他优点将从详细描述和附图中变得显而易见。
附图说明
图1a是包括根据本发明的l形接头和垫圈的连接支架的侧视图；
图1b、1c分别示出了图1a的接头和垫圈的侧视图。
图2是包括根据本发明的接头和垫圈的连接支架的另一示例的透视图，其中接头的主体显示为透明的；
图3示出了图2的支架的部件的透视图。
具体实施方式
图1a示出了包括根据本发明的复合接头110的示例和垫圈120的连接支架100的侧视图。接头和垫圈的侧视图分别在图1b和1c中示出。在使用中，支架100适于连接通常彼此成直角布置的第一和第二部件。接头110具有在第一方向x上延伸的凸缘部112和在垂直于第一方向的第二方向y上延伸的基部115。凸缘部和基部具有相应的第一连接表面112s和第二连接表面115s，它们在支架100的使用中与第一和第二部件上的对应连接表面接触。在该示例中，在凸缘部112中设置一个第一连接孔113，其具有垂直于第一连接表面112s的第一孔轴线113a。基部设置有两个第二连接孔116，它们在垂直于第一和第二方向的第三方向z上彼此间隔开。两个第二孔在第二方向y上对齐，并且通过虚线在图1a和1c中仅示出了一个孔的位置。每个第二连接孔116具有垂直于第二连接表面115s的第二孔轴线116a。
支架100还包括垫圈120，其具有两个相同尺寸的通孔123并且与接头的基部中的第二连接孔116对齐。在使用中，诸如螺栓的紧固件元件的杆部穿过接头的垫圈和基部中的对齐的孔123、116并进入第二部件。适当地，垫圈的上表面124是平坦的以接收螺栓头部。有利的是，垫圈的下表面125具有凹形轮廓并且配合到接头的基部115的上表面117中的相应凹入的凹部中。这样的几何形状在制造接头的复合材料方面是有利的，这将在后面更详细地说明。
接头的凸缘部和基部的主体由纤维增强的模塑化合物比如长纤维热塑性塑料制成，其可以以注塑或压塑方法形成。第一和第二连接孔由相应的第一和第二中空插入件形成，接头的主体围绕中空插入件模制。根据本发明，接头包括以连续纤维束130的形式的其他纤维增强物，其围绕凸缘部112中的第一中空插入件的外表面的一部分和基部115中的每个第二中空插入件环绕。在凸缘部和基部之间的过渡区118中，纤维延伸的方向从第一方向x变化到第二方向y，纤维束130沿接头110内的弯曲路径行进。在图1a中已经示出了连续纤维束130的仅一部分所遵循的路径，以免混淆附图。
在图2中可以更好地看到本发明的原理，图2是包括根据本发明的接头210的连接支架200的另一示例的透视图，其中凸缘和基部的主体已经制成是透明的。图3分别显示了另一示例的部件。
在该示例中，接头的凸缘部212具有在第三方向z上彼此隔开的由两个第一插入件213'、213”的孔形成的两个连接孔。接头的基部215也具有在第三方向z上隔开的由两个第二插入件216'、216”的孔形成的两个连接孔。第一和第二插入件的孔轴线213a、216a分别垂直于接头210的第一和第二连接表面212s、215s(参见图3)。
此外，接头的主体通过使用纤维增强聚合物比如块状模塑料来模制。在模制之前，两个第一插入件213'、213”和两个第二插入件216'、216”布置在用于形成接头210的合适模具内。连续纤维束230围绕插入件之一例如第一插入件213'的径向外表面213s环绕，然后沿着第一方向x被引导朝向将成为接头的基部215的部分。然后，纤维束230在第二方向y上被引导。在第一和第二方向之间的过渡区218中，纤维束230在弯曲路径中被引导，比如图1a所示。然后，纤维束230围绕第二插入件216'的径向外表面216s环绕，然后沿着第二方向y被引导回朝向将成为接头的凸缘部212的部分，然后沿第一方向x被引导回朝向另一第一插入件213”并围绕该插入件213”的径向外表面的一部分环绕。此外，在第一方向和第二方向之间的过渡区218中，纤维在弯曲路径中被引导。重复该过程直到每个第一插入件213'、213”经由至少一个纤维束环连接到每个第二插入件216'、216”。通常，插入件使用多个环相互连接，其中确切的数量取决于接头被设计所用于的应用载荷。
通过接头连接的部件上的载荷经由连接孔通过接头被转移。纤维束230因此沿着载荷路径定位，从而在最需要的地方给予接头210改善的强度和刚度。此外，通过在第一方向和第二方向之间的过渡区中的弯曲路径中引导纤维束230，可以产生沿着纤维束的最佳拉伸载荷路径。因此，拉伸载荷主要由连续纤维束承担，考虑到纤维在张力下具有最大的强度，这显然是有利的。压缩载荷主要由接头的模制主体承担。
图2所示的连接支架还设置有垫圈220，其具有两个连接孔223a、223b，其具有的孔轴线与两个第二插入件216'、216”的孔轴线216a对齐。在使用支架时，当紧固件元件比如螺栓被插入穿过接头的垫圈和基部215中的每个对齐的孔组时，垫圈的下侧225压靠在基部的上表面217上，其在基部215内的连续纤维束230的纤维上施加压缩力。纤维在横向方向上的这种夹紧改善了接头210的强度。在过渡区中的纤维上施加夹紧力也是有利的，其遵循弯曲路径。
合适地，与连接表面215s相对的接头基部215的上表面217在沿第三方向z观察时具有凹形轮廓，由此第二插入件216'、216”的孔轴线216a可以大致位于在沿着第二方向y的凹形轮廓的最低区域处。在基部215的靠近接头的凸缘部212的第一侧处，凹形表面轮廓的曲率优选地与过渡区218中的连续纤维束230的区段所遵循的弯曲路径的曲率匹配。换句话说，过渡区中的纤维束230的弯曲路径具有与上表面217的凹形轮廓共同的曲率中心。
因此，为了在过渡区中提供有效的纤维夹紧，垫圈230具有相应凸出的下表面225。在有利的进一步发展中，通过将纤维也夹紧在基部215的远离凸缘部212的第二侧来进一步提高接头的强度。
从图1a中可以清楚地看出，由纤维束130形成的纤维增强物沿第二方向y延伸到基部112的第二侧，超过第二连接孔116，并且在第一方向x上延伸远离第二连接表面115s，超出第二连接孔的顶部水平，用附图标记119表示。此外，连续纤维束130优选地在基部115的第二侧遵循弯曲路径，其中基部也具有匹配曲率的凹形轮廓。垫圈的下侧125相应地凸出。
垫圈可以具有半圆柱形的下侧，并且接头的基部可以具有半圆柱形的凹部，比如图1b和1c的实施例所示，从而在第三方向z上观察，第二连接孔轴线116a的两侧的曲率基本相等。可选地，比如在图2的实施例中，在第三方向z上观察，接头的垫圈220和基部212的配合表面的曲率可以在公共孔轴线的两侧不同。还可以使用具有半圆柱形下侧(即具有对称曲率)的垫圈结合图2的接头。
在所描绘的示例中，垫圈是包括与接头的基部中相同数量的通孔的单个部件。在其他示例中，连接支架包括多个独立的垫圈，每个垫圈设置有一个连接孔。每个垫圈可以有半球形的下侧。垫圈最好也是由复合材料制成的模制部件，比如块状模塑料、片状模塑料、长纤维热塑性塑料或其它合适的材料。还可以使用陶瓷材料或轻质金属比如铝和钛。
在如图2所示的优选实施例中，连续纤维束230借助具有特别适应的几何形状的第二插入件216'、216”在弯曲路径中被引导。在图3中以透视图示出了一个第二插入件216'。合适地，插入件216'具有圆柱形孔，用于接收如上所述的紧固件元件的杆。连续纤维束230围绕其环绕的径向外表面216s是非圆柱形的并且可以由凹槽或凹部构成，使得纤维束230可以沿着表面轮廓被保持和引导。第二插入件相对于第三方向z在第二方向y上是细长的，并且在第三方向上观察时具有弯曲轮廓。在第二插入件的孔轴线216a的第一和第二侧处，插入件216'具有的曲率适当地对应于接头的基部215的在基部的相应第一和第二侧的凹入的顶部表面217的曲率。纤维束230因此在弯曲路径中被引导。每个第二插入件的尺寸优选地使得当连续纤维束230围绕每个第二插入件的凹陷的径向外表面216s环绕时，纤维束230延伸超过圆柱形孔的顶部水平(参见图1a中的线119)。
接头的凸缘部212中的第一插入件213'和213”的径向外表面213s可以是圆柱形的，并且适合地还包括用于在卷绕过程中保持和引导连续纤维束230的凹槽或凹部。第一和第二插入件可以由金属材料制成，优选为轻质金属比如铝或钛，或者可以由合适的热塑性材料模制而成。
在图2和3所示的示例中，每个第二插入件216'、216”具有相对于插入件的上边缘和下边缘凹陷的径向外表面216s。为了能够在横向方向上夹紧纤维束230中的纤维，第二插入件由刚度小于或等于纤维束230在横向方向上的刚度的聚合物材料制成。在第二插入件由更硬的材料制成的实施例中，插入件的设计被适当地修改。例如，插入件216、216”可以仅具有上边缘而不具有下边缘。
在基部215和凸缘部之间的过渡区218中，连续纤维束230的环可以由第二插入件216'、216”的曲率部分地引导。合适地，具有适当凸起表面的附加引导元件布置在模具中，用于在卷绕过程期间在过渡区中引导连续纤维束。引导元件可以是在卷绕过程完成之后从模具移除的临时工具。在有利的实施例中，垫圈220用作引导元件，由此连续纤维束230的环在垫圈的第一侧(凸缘侧)的凸出下侧225上被引导。
例如，垫圈220可保持固定在模具中，使得两个通孔223a、223b与第二插入件216'、216”的孔轴线216a对齐。然后如上所述缠绕连续纤维束230，以通过使用第二插入件的曲率和垫圈的下侧225的曲率经由至少一个环将每个第一插入件213'、213”连接到每个第二插入件216'、216”来创建所需的路径。在接下来的步骤中，通过使用例如注塑过程，围绕插入件和垫圈下侧225模制接头。
在更进一步的发展中，垫圈由聚合物材料制成，优选为纤维增强的复合聚合物，比如块状模塑料，并且通过固化过程连接到接头的基部。在模制基部之后，固化步骤(可以包括施加热量)固化接头主体的材料和垫圈的材料，以在其间创建分子链结合。
因此可以形成轻便且坚固的连接支架。
已经通过解释和说明的方式提供了前面的详细描述，并且不旨在限制所附权利要求的范围。本文所示的目前优选实施例中的许多变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的，并且仍然在所附权利要求及其等同物的范围内。