复合材料连杆的制作方法

本发明涉及用于内燃机的复合材料连杆。

一些内燃机具有曲轴、多个活塞和多个连杆。每个连杆将其中一个活塞与曲轴相连。

技术实现要素：

本发明公开的方法允许控制纤维取向，以制作具有最佳纤维结构的复合材料连杆。复合材料具有优良的机械性能。控制纤维取向能够形成充分利用复合材料各向异性性能的最佳结构。用于控制纤维铺放和取向的方法可用于大量生产。

连杆包括沿着柄部轴线延伸的柄部和联接到柄部的第一端部。第一端部具有环形形状。连杆还包括联接到柄部的第二端部。第二端部具有环形形状。柄部、第一端部和第二端部中的每一个均包括纤维增强复合材料。纤维增强复合材料包括基体和嵌入基体中的多根纤维。纤维包括布置在柄部内的柄部纤维。至少一根柄部纤维沿着柄部轴线伸长。至少一根柄部纤维相对于柄部轴线以柄部纤维角度取向。柄部纤维角度在0度到25度之间。纤维包括在第一端部内环形延伸的第一端部纤维。第一端部限定第一内表面，第一内表面具有环形形状，第一内表面具有第一圆周，并且第一端部纤维中的至少一根完全且连续地围绕第一内表面的整个第一圆周。连杆进一步包括第一轴承，其中第一内表面限定第一空腔，第一空腔容纳第一轴承。纤维包括在第二端部内环形延伸的第二端部纤维。第二端部限定第二内表面。第二内表面具有环形形状。第二内表面具有第二圆周，且第二端部纤维中的至少一根完全且连续地围绕第二内表面的整个第二圆周。连杆进一步包括第二轴承，其中第二内表面限定第二空腔，第二空腔容纳第二轴承。第二空腔大于第一空腔。第二圆周大于第一圆周。连杆可以进一步包括围绕柄部的覆盖式编织。连杆进一步包括多层。每层均包括纤维，使得纤维堆叠在一起。多层包括第一最外层、与第一最外层相对的第二最外层、以及布置在第一最外层和第二最外层之间的多个中间层，第二轴承包括外座圈、内座圈、以及布置在外座圈和内座圈之间的多个滚子。第一最外层和第二最外层比中间层更靠近内座圈，从而与第二轴承重叠，将第二轴承锁定到位。连杆可以包括联接到第一端部和/或第二端部的轴颈轴承。连杆可以在第一端部或第二端部中具有剖分轴承设计。在剖分轴承设计中，纤维被取向为形成具有富含树脂线的凸缘。然后，环形轴承在机械应力下剖分。

制造连杆的方法包括以预定布置方式铺放多根纤维，然后向多根纤维添加树脂，以将纤维连接在一起并形成连杆的至少一部分。以预定布置方式将多根纤维进行铺放可以包括使用定制纤维铺放过程。定制纤维铺放过程包括将纤维铺放在第一轴承周围和第二轴承周围，使得纤维完全围绕第一轴承和第二轴承。定制纤维铺放过程包括将纤维铺放在第一轴承和第二轴承之间。该方法可以进一步包括通过以预定布置方式将纤维进行铺放来形成连杆的第一半部和连杆的第二半部。具体而言，将干燥的半部与轴承组装在一起，然后注入树脂。也就是说，第一轴承和第二轴承被夹在连杆的第一半部和连杆的第二半部之间以组装连杆。然后，将树脂注入到连杆的第一半部和连杆的第二半部，以预定布置方式将纤维进行铺放，并可以用3d打印工艺添加树脂。以预定布置方式将纤维进行铺放可以包括围绕两个心轴卷绕纤维。

该方法可以包括用可移除材料填充轴承。以预定布置方式将纤维进行铺放可以包括将纤维沿着轴承铺放以形成预成型件。该方法可以进一步包括将预成型件放置在模具中。将树脂添加到多根纤维中包括使用树脂传递模塑成型工艺将树脂灌注到预成型件中，且树脂传递模塑成型工艺包括将树脂传递到模具中以形成工件。然后，例如通过聚合(通常称为“固化”)使树脂凝固。该方法进一步包括从模具中取出工件。该方法进一步包括将可移除材料从轴承上移除以形成连杆。

以预定布置方式将纤维进行铺放包括沿着轴承铺放纤维，以形成预成型件，其中轴承是密封轴承。该方法可以进一步包括将预成型件放置在模具中。将树脂添加到多根纤维中包括使用树脂传递模塑成型工艺将树脂灌注到预成型件中，且树脂传递模塑成型工艺包括将树脂传递到模具中以形成工件。该方法进一步包括从模具中取出工件。

制造连杆的方法可能需要在两个半部之间放置芯材。该芯材将起到增加复合材料连杆弯曲刚度的作用。或者，也可以不使用芯材，而是使用可移除材料，在两个半部之间形成中空部分。在任一种情况下，可移除材料或芯材都放置在连杆柄部的两个半部之间。芯材/可移除材料可以完全或部分地被纤维包围。然后添加树脂并使其固化，以形成复合材料。在使用可移除材料的情况下，随后要移除材料，以形成中空区域。

从以下结合附图对用于执行本发明的最佳模式的详细描述中，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将显而易见。

附图说明

图1是内燃机的一部分的示意性等距视图，其中内燃机包括至少一个连杆。

图2是连杆的示意性前视图。

图3是沿图2的剖面线3-3截取的连杆的示意性剖视图。

图4是沿图2的剖面线4-4截取的连杆的示意性剖视图。

图5是连杆的第一层的示意性前视图。

图6是连杆的第二层的示意性前视图。

图7是连杆的第三层的示意性前视图。

图8是连杆的第四层的示意性前视图。

图9是连杆的第五层的示意性前视图。

图10是连杆的第一层的示意性前视图。

图11是包括覆盖式编织的连杆的示意性前视图。

图12是制造连杆的方法的流程图。

图13是示出了布置在连杆的两个半部之间的轴承的示意图。

图14是连杆的示意性侧视图。

图15是3d打印机的示意性前视图。

图16是用于以预定布置方式铺放纤维的方法的示意图。

图17是第二端部被切去时的连杆的示意性前视图。

图18是第二轴颈轴承被放置在第二端部内的连杆的示意性前视图。

图19是盖帽联接到第二端部以将第二轴承联接到第二端部的连杆的示意性前视图。

图20是连杆的一部分的示意性前视图，示出了具有凸缘的剖分轴承设计。

图21是轴承的示意性剖面等距视图。

图22是沿图21的区域a截取的轴承的示意性剖面前视图，其中包括可移除材料。

图23是轴承的示意性剖面前视图，其中包括可移除材料和纤维。

图24是预成型件的示意性剖面前视图，其中模具中包括轴承、可移除材料和纤维。

图25是示出了将树脂添加到预成型件中以形成工件时的示意性剖面前视图。

图26是将图25所示工件从模具中取出时的示意性剖面前视图。

图27是没有可移除材料的图25所示工件的示意性剖面前视图。

图28是轴承的示意性剖面等距视图。

图29是轴承的示意性剖面前视图，其中包括纤维。

图30是预成型件的示意性剖面前视图，其中模具中包括轴承和纤维。

图31是示出了将树脂添加到预成型件中以形成工件时的示意性剖面前视图。

图32是将图31所示工件从模具中取出时的示意性剖面前视图。

具体实施方式

图1示意性地示出了内燃机10的一部分。内燃机10包括多个活塞12、曲轴14和多个连杆16。每个连杆16将其中一个活塞12连接到曲轴14。

参照图2，连杆16包括沿着柄部线x延伸的柄部18。也就是说，柄部18沿柄部轴线x伸长。柄部18限定第一柄部端部20和与第一柄部端部20相对的第二柄部端部22。第二柄部端部22沿着柄部轴线x与第一柄部端部20间隔开。连杆16进一步包括联接到柄部18的第一端部24。第一端部24具有环形形状，并且可以直接联接到第一柄部端部20，以增强连杆16的结构完整性。连杆16进一步包括联接到柄部18的第二端部26。第二端部26具有环形形状，并且可以直接联接到第二柄部端部22，以增强连杆16的结构完整性。

柄部18、第一端部24和第二端部26中的每一个均包括纤维增强复合材料。纤维增强复合材料包括基体28和嵌入基体28中的多根纤维30。基体28包含树脂。树脂可以全部或部分地由热固性材料、环氧化物、酚醛、聚氨酯、聚酯、双马来酰亚胺(bmi)、聚酰亚胺、苯并恶嗪、热塑性塑料、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、陶瓷、金属或其组合制成。纤维30可以全部或部分地由碳、玄武岩、玻璃或聚合物材料(比如芳族聚酰胺和超高分子量聚乙烯(uhmpe))或其组合制成。纤维30包括布置在柄部18中的柄部纤维32。至少一根柄部纤维32沿柄部轴线x伸长，以最佳地抵抗连杆16所经受的应力。大部分柄部纤维32可以沿着柄部轴线x伸长，以最佳地抵抗连杆16所承受的应力。因此，柄部纤维32可以被称为轴向纤维。至少一根柄部纤维32相对于柄部轴线以柄部纤维角度θ取向，柄部纤维角度θ在0度到25度之间，以最佳地抵抗连杆16所经受的应力。在所示出的实施例中，大部分或全部的柄部纤维32相对于柄部轴线以0度到25度的柄部纤维角度θ取向，以最佳地抵抗连杆16所经受的应力。也就是说，柄部18中的大部分或全部纤维30相对于柄部轴线以0度到25度的柄部纤维角度θ取向，以最佳地抵抗连杆16所经受的应力。

纤维30包括在连杆16的第一端部24内环形延伸的第一端部纤维34。因此，第一端部纤维34可以被称为第一环形纤维。第一端部24限定第一内表面36。第一内表面36具有环形形状。因此，第一内表面36具有圆周(本文称为第一圆周)。第一端部纤维34中的至少一根完全且连续地围绕第一内表面36的整个第一圆周，以最佳地抵抗连杆16所经受的应力。例如，大多数的第一端部纤维34可以完全且连续地围绕第一内表面36的整个第一圆周，以最佳地抵抗连杆16所经受的应力。连杆16进一步包括第一轴承38。第一内表面36限定容纳第一轴承38的第一空腔40。理想的是使用轴承(与轴颈轴承等其他轴承反向)，以减少摩擦并避免需要持续的油蒸汽。

纤维30进一步包括在第二端部26内环形延伸的第二端部纤维42。因此，第二端部纤维42可以被称为第二环形纤维。第二端部26限定具有环形形状的第二内表面44。第二内表面44具有第二圆周。第二端部纤维42中的至少一根完全且连续地围绕第二内表面44的整个第二圆周，以最佳地抵抗连杆16所经受的应力。例如，大部分的第二端部纤维42完全且连续地围绕第二内表面44的整个第二圆周，以最佳地抵抗连杆16所经受的应力。连杆16进一步包括第二轴承46。第二内表面44限定容纳第二轴承46的第二空腔48。理想的是使用轴承(与轴颈轴承等其他轴承反向)，以减少摩擦并避免需要持续的油蒸汽。由于第一端部24连接到活塞12，第二端部26连接到曲轴14，因此第二空腔48大于第一空腔40。因此，第二内表面44的圆周(即第二圆周)大于第一内表面36的圆周(即第一圆周)。柄部轴线x与第一空腔40的中心c1和第二空腔48的中心c2相交。第一轴承38和第二轴承46中的每一个均包括外座圈64、内座圈66以及布置在外座圈64和内座圈66之间的多个滚子68。

参照图3-4，连杆16包括多层50。每层50均具有纤维30。这样，纤维30堆叠在一起。如图3所示，例如，在柄部18处，四层50堆叠在一起。如图4所示，在连杆16的第二端部26处，六层50堆叠在一起。六层50也可以在连杆16的第一端部24处堆叠在一起。因此，第一端部24和第二端部26中的每一个均可以包括比杆部18更多的层50，以最佳地抵抗连杆16所经受的应力。总体而言，作为非限制性实例，连杆16可以包括六层50，每层都具有纤维30，即：图5所示的第一层52。图6中所示的第二层54，图7中所示的第三层56，图8中所示的第四层58，图9中所示的第五层60，以及图10中所示的第六层62。第一层52可以被称为第一最外层，第六层62可以被称为第二最外层，其与第一最外层相对。第二层54、第三层56、第四层58、以及第五层60在本文中可以被称为中间层。尽管所示的实施例示出了六层，但可以设想，连杆16可以包括更多或更少的层。

图4是穿过第二轴承46和第二端部26的剖面视图。然而，除了尺寸之外，第一轴承38和第一端部24处的剖面与图4中所示的剖面相同。如图4所示，第一层52和第六层62(即最外层)与第二轴承46重叠，以将第二轴承46锁定到位。特别地，第一层52(即，第一最外层)和第六层62(即，第二最外层)比第二轴承46(和第一轴承38)更靠近中间轴(即，第二层54、第三层56、第四层58、第五层60)，从而与第二轴承46(和第一轴承38)重叠，以将第二轴承46(以及第一轴承38)锁定到位。

参照图11，连杆16可以进一步包括在选定区域内的覆盖式编织(或覆盖编织)70，以增加额外的支撑。覆盖式编织70能够加强纤维30。例如，覆盖式编织70可以围绕柄部18，以支撑柄部纤维32，从而增强疲劳性能。

参照图12，本发明还描述了制造连杆16的方法。通常，方法100包括将多根纤维30以预定布置方式进行铺放(即，框102)，然后将树脂添加到多根纤维30，以将纤维连接在一起并形成连杆16的至少一部分(框104)。然后，在框106中，通过例如聚合使树脂凝固。纤维30可以通过使用如图5-10中所示的定制纤维铺放(tfp)工艺以预定布置方式进行铺放。定制纤维铺放工艺用于制造纤维预成型件。此外，定制纤维铺放工艺具有高度可控性，从而将纤维浪费降至最低。在定制纤维铺放工艺中，纤维30与主应力成直线地取向，以最佳地抵抗连杆16所经受的应力。如图5-10所示，在定制纤维铺放工艺中，纤维30直接铺放在第一轴承38和第二轴承46的周围。可以构想，第一轴承38和第二轴承46可以与组装好的曲轴一体化。

参照图5-10，定制纤维铺放工艺包括将纤维30(即，第一端部纤维34)直接铺放在第一轴承38周围。进一步，定制纤维铺放工艺包括将纤维30(即第二端部纤维42)直接铺放在第二轴承46周围。这样，纤维30(即，第一端部纤维34)完全围绕第一轴承38，其他纤维30(即，第二端部纤维42)完全且连续地围绕第二轴承46。然后，如图6-9所示，定制纤维铺放工艺包括将纤维30(例如，柄部纤维32)铺放在第一轴承38和第二轴承46之间。例如，至少一些纤维30可以缠绕第一轴承38，然后朝向第二轴承46延伸，并最终缠绕第二轴承46。如图7-9所示，纤维30中的至少一根不缠绕第一轴承38或第二轴承46。相反，该根纤维30(即，其中一根柄部纤维32)仅铺放在第一轴承38和第二轴承46之间。六层50中的每一层都将用缝合纱线缝合在一起。缝合纱线比纤维束(例如碳纤维束)细，并能刚好将所有纤维30保持到位。

参照图13和14，方法100可以包括通过以预定布置方式将纤维进行铺放(即，图12中的框102)来形成连杆16的第一半部202以及形成连杆的第二半部204。然后，如图14所示，第一轴承38和第二轴承46夹在连杆16的第一半部202和连杆16的第二半部204之间以组装连杆16。然后，将树脂灌注到连杆16的第一半部202和连杆16的第二半部204。

如图15所示，方法100可能需要使用3d打印机300以预定布置方式将多根纤维30进行铺放(即，图12中的框102)，并将树脂添加到多根纤维30，以将纤维30连接在一起形成连杆16(即，图12中的框104)。也就是说，使用3d打印工艺，在单个步骤内完成以预定布置方式将纤维30进行铺放(即框102)以及添加树脂。通过采用这种3d打印工艺，不需要灌注树脂来形成连杆16。

如图16所示，在方法100中，以预定布置方式将多根纤维30进行铺放(即，图12中的框102)可能需要将纤维30缠绕在第一心轴402和第二心轴404周围，以便高速制造连杆16。也就是说，以预定布置方式将纤维30进行铺放(即，图12中的框102)可以包括将纤维30缠绕在两个心轴(即，第一心轴402和第二心轴404)周围。第一心轴402的位置和尺寸对应于连杆16的第一轴承38的位置，第二心轴404的位置和尺寸对应于第二轴承46的位置和尺寸。因此，第二心轴404比第一心轴402大，以便制造能够如上所述连接到活塞12和曲轴14的连杆16。

参照图17-19，在按照方法100制造连杆16之后，可以如图17所示，将第二端部26切割分成两半。因此，第二端部26被分成两部分，即第一部分26a和第二部分26b。然后，如图18所示，轴承曲轴14(如图1所示)插入第二端部26的第二空腔48中。在该方法中，可以使用轴颈轴承代替滚子轴承。因此，连杆16可以包括联接到第一端部24和/或第二端部26的轴颈轴承。然后，盖帽500联接到第一部分26a和第二部分26b，以将第二端部26与第二轴承46组装。盖帽500可以全部或部分地由金属或复合材料制成。盖帽500可以机械地固定或结合到连杆16的第二端部26。尽管图17-19示意性地示出了剖分式的连杆16，但可以构想本发明公开的连杆16也可以是非剖分式的。

参照图20，在剖分式的连杆16中，定制纤维铺放工艺可用于实现具有一个或多个紧固件72的剖分轴承设计。紧固件72延伸穿过连杆16的凸缘73。纤维30可以跟随连杆16的复杂曲线(例如，第二端部26的复杂曲线)。连杆16可以制造成具有纤维30汇合在一起的弱区(即在剖分处)。然后，第二端部26在划槽或凹槽中被切割或蚀刻。然后，施加应力，在划槽/弱区的引导下使第二端部26的两个半部分开。此时，第二端部26的两个半部可以容易地分开，且可以应用金属轴承表面。作为非限制性实例，紧固件72可以是销钉、螺栓、套筒等，并且可以嵌入到第二端部26的第一部分26a和第二部分26b(图17)之间。

参照图21，如上所述，第一轴承38和第二轴承46中的每一个均包括外座圈64(即，外圈)、内座圈66(即，内圈)、布置在外座圈64和内座圈66之间的多个滚子68、以及围绕滚子68的保持架74。第一轴承38和第二轴承46中的每一个均可以在滚子68的相对侧上具有一对金属罩76。

参照图23-27，方法100可能需要用可移除材料78填充轴承(即，第一轴承38和/或第二轴承46)。具体而言，保持架74(其支撑滚子68)可以用可移除材料78填充。可移除材料也可以被称为牺牲材料，并且可以全部或部分地制成可熔化或汽化材料。作为非限制性实例，“可熔化或汽化材料”是指聚合物、蜡和金属，其熔化和/或汽化温度比基体28的树脂(图2)更低。如果在该工艺中使用可熔化或汽化材料，则树脂可以全部或部分地由热固性材料制成，例如环氧化物、酚醛、聚氨酯、聚酯、双马来酰亚胺(bmi)、聚酰亚胺、苯并恶嗪，纤维30完全或部分地由碳、玄武岩和/或玻璃制成。可选地或另外地，可移除材料可以全部或部分地由可解聚或可降解材料制成，例如聚合物、金属和陶瓷。“可解聚或可降解材料”是指可以在相对较低的温度(如室温)下进行聚合(或降解)以将材料还原成其单体的聚合材料。如果在该工艺中使用可解聚或可降解材料，那么树脂可以全部或部分地由热塑性塑料制成，比如聚酰胺、聚乙烯和/或聚丙烯，且纤维30可以全部或部分地由聚合材料制成，例如芳族聚酰胺、超高分子量聚乙烯(uhmpe)或其组合。可移除材料可以全部或部分地由可溶性物质制成。“可溶性物质”是暴露于溶液(例如水溶液)时可溶解的盐、蜡或塑料。

如图22所示，轴承(即，第一轴承38和/或第二轴承46)包括从保持架74突出的翅片80。翅片80被配置成支撑纤维30。在用可移除材料78填充轴承(即，第一轴承38和/或第二轴承46)之后，沿轴承铺放纤维30，以形成预成型件82。在本发明中，术语“预成型件”包括组装在一起的轴承和纤维30，如图23所示。具体而言，纤维沿着翅片80铺放。一旦形成预成型件82，预成型件82被放置在模具84的模腔86中，如图24所示。然后，使用树脂传递模塑工艺将树脂88注入模具84中，如图25所示。树脂传递模塑工艺包括将树脂转移到模具84的模腔86中，以形成工件90。然后，树脂88固化以将纤维30联接到轴承。固化后，将工件90从模具84中取出，如图26所示。然后，将可移除材料78从轴承上移除，该方法进一步包括将可移除材料从轴承(即，第一轴承38和/或第二轴承46)上移除，以形成连杆16。如上所述，可以通过熔化、汽化、降解、解聚和/或溶解可移除材料而将可移除材料78从轴承上移除。

参照图28-32，方法100可能需要用可移除材料78填充轴承(即，第一轴承38和/或第二轴承46)。密封轴承不能用可移动材料填充，如图28所示。在该方法100中，纤维30沿轴承铺放以形成预成型件82，如图29所示。具体而言，纤维沿着翅片80铺放。一旦形成预成型件82，预成型件82被放置在模具84的模腔86中，如图30所示。然后，使用树脂传递模塑工艺将树脂88注入模具84中，如图31所示。树脂传递模塑工艺包括将树脂转移到模具84的模腔86中，以形成工件90。然后，树脂88固化以将纤维联接到轴承。如图26所示，固化后，将工件90从模具84中取出。本发明中描述的方法也可用于制造其他连杆，例如转向连杆、悬架连杆、换档连杆、自行车部件等。

制造连杆的方法可以包括在两个半部之间放置芯材。芯材将起到增加复合材料连杆弯曲刚度的作用。或者，也可以不使用芯材，而是使用可移除材料，在两个半部之间形成中空部分。在任一种情况下，可移除材料或芯材都放置在连杆柄部的两个半部之间。芯材/可移除材料可以完全或部分地被纤维包围。然后加入树脂并固化，以形成复合材料。在使用可移除材料的情况下，随后要移除材料，以形成中空区域。

虽然已经详细描述了用于执行本发明的最佳模式，但熟悉本发明的本领域技术人员将认识到在所附权利要求的范围内用于实践本发明的各种替代设计和实施例。