本发明专利技术涉及一种扭力载体，尤其是扭力弹簧、螺线弹簧、驱动轴或平衡轴，所述扭力载体相对于现有技术实现显著的材料和结构空间节约。扭力载体由多个、然而至少两个径向彼此上下叠置的承载层构成，所述承载层各由至少一个螺线(1、3)构成，然而优选由尽可能单向的纤维复合材料构成的多个螺线构成，其中承载层中的至少两个具有彼此相反的螺线旋转方向。在相邻的螺线层之间设置有各一个起间隔作用的弹性的中间层(2)，通过所述中间层实现相邻的螺线层的螺线拉伸的脱耦。由此实现尤其适宜的、尽可能单轴的应力状态，所述应力状态允许高的材料负载。载。载。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于传输转矩的装置，尤其是由纤维复合材料构成的用以实现高特定材料利用的扭力弹簧或驱动轴的形式
[0001]描述
[0002]问题
[0003]扭力加载的管和类似的承受转矩的构件经历多轴的应力状态。因此，在贯穿扭力加载的管的假想垂直截面中，根据莫尔应力圆，将剪切应力转换为+/-45
°
方向上的两个正交的主应力，即各一个方向处于拉应力和压应力下。该应力状态对于无定形材料(金属)而言根据其材料极限不成问题。但是，纤维复合材料对于多轴的应力状态是尤其敏感的。为了承受该主应力，优选沿主应力方向布设层压板层。因此，由纤维复合材料制成的常规扭力管由具有不同旋转方向的纤维构建。例如，缠绕方向为+45度的纤维承受拉应力，并且缠绕方向为-45度的纤维承受压应力。在此，两个方向的纤维彼此正交。然而，彼此不平行的层压板层会经受不利的交互作用：
[0004]一个纤维方向上的拉伸负荷或压缩负荷引起正或负的纵向拉伸。对应于连续层压结构中的直接联接，这引起在相应另一纤维方向上的横向拉伸。然而，纤维复合材料横向于纤维方向仅具有低可拉伸性。主要原因有两个：纤维彼此之间的间距窄，并且比周围的基质材料具有显著更高的刚度，由此仅提供小的拉伸长度，使得在复合物的横向拉伸小的情况下基质材料已经过度拉伸(主要适用于具有无定形纤维的复合材料，例如玻璃纤维)，或者纤维由于其各向异性的特性而本身是敏感的，使得其在小的横向负载下已经损坏(例如适用于碳纤维)。
[0005]因此，在小的横向拉伸的情况下已经造成层间裂纹的形成，由此降低了如此损坏的复合物的纵向承受能力，并会导致构件失效。由于稳定性降低，层压板的压力加载的区域特别受到影响。
[0006]在此，反复的载荷变化导致裂纹扩展加速，使得为了总体上降低拉伸水平在尺寸设计时通常需要高的疲劳裕度。这意味着：在预期的载荷循环数量高的情况下，必须借助显著更多的材料投入来实现构件，以便限制拉伸和应力。这尤其在弹簧构件(在此为扭力弹簧)中具有强负面的影响，因为可存储的弹性能量与应力和拉伸的乘积成比例。或者，由于两个变量彼此的线性关联，可存储的能量与应力的平方或拉伸的平方成比例。
[0007]因此，通常不利的材料负荷率是纤维复合材料在这种应用中普及率至今为止低的主要原因。
[0008]另一个问题是纤维复合材料-扭力构件由于剪切负荷而失效。在此，由于变形能力不足会导致平行纤维束之间的层间裂纹形成。
[0009]解决方案
[0010]具有常规的层压板构造的扭力载体由于上述对于多轴应力状态的敏感性而仅经受住相对小的应力水平(在玻璃纤维的情况下最高约300MPa的纤维平行应力)，而借助如下描述的解决方案能够实现显著更高的应力(在玻璃纤维的情况下最高约600MPa)。该加倍的应力水平引起：能实现
[0011]-具有约一半材料投入的传递扭力的构件
[0012]-由于近似于线性拉伸的张力而具有约1/4材料投入的扭力弹簧。
[0013]除了重量和成本优势之外，所提出的概念还可以在所需的结构空间方面实现显著节省。
[0014]提出了一种结构，该结构具有由单螺线构成的分立的层，所述单螺线具有相反的纤维(缠绕)旋转方向。将具有有限宽度的螺旋条理解为螺线，所述螺旋条以一定的螺距角螺旋状地围绕构件的纵轴线缠绕在柱形的侧表面上。在负载的情况下，相反的螺线径向地相互支撑，其中扭力负荷转换成一个或多个外螺线(1)中的拉力负荷和一个或多个内螺线(3)中的压力负荷。(径向的)层平面的螺线根据负载形式应能够改变其彼此间距，由此实现横向于螺线纵向方向的拉伸。此外，所设的补偿间隙促进一层的相邻的平行的螺线之间的剪切变形。
[0015]螺线由于所提出的结构而经受尽可能单轴的应力状态，该应力状态主要具有沿纵向方向的拉力或压力负载，由此，所述螺线可以主要由单向的层压板构成(螺线纵向方向上的纤维)或通过略微绞合的纤维复合材料(具有沿螺线纵向方向的平均纤维定向)构成。在一个有利的实施方式中，纤维与螺线纵向方向的偏差小于10度，更优选小于5度。
[0016]为了一层的螺线的纵向拉伸不直接施加到与其横向相邻的层的螺线上，而是此横向拉伸补偿主要在螺线之间的为此所设的间隙中发生，有利的是：层彼此间通过补偿区脱耦，所述补偿区在下文中称作为“中间层”。横向拉伸脱耦的效果示例性地在图9中示出。例如示出外螺线1，所述外螺线通过拉力负荷拉伸。在内侧连接有中间层2a和内螺线3。在此示例性地在一个实施变型形式“a”中示出的中间层2a通过与外螺线1连接而经受拉伸。通过其自身的变形能力，该拉伸不(或仅以小的程度)施加到压力加载的内螺线3上。不是在内螺线3之内产生干扰性的横向拉伸，该拉伸仅引起两个相邻的内螺线3之间的间隙5的扩大，由此扩大两个所示出的相邻的内螺线3的间距(参见图1)。
[0017]相应的效应类似地同样针对内螺线3中的压力负荷获得。在此，中间层2和补偿间隙4同样实现：通过压力负荷缩短内螺线引起外螺线1之间的间隙(4)的减小，进而保护外螺线1免于不期望的横向压缩。
[0018]中间层2a的体积元件通过由于压力(F_压力)同时压缩内置的内螺线3和由于拉力(F_拉力)延长外螺线1而经受变形成截锥，参见图10，其中所述体积元件能够示例性地视作交叉的螺线之间的正方形的支承元件。该变形能力确保：一层的纤维的纵向拉伸不传递到相邻层的螺线的纤维复合材料上，这可以称为横向拉伸脱耦。
[0019]相对于现有技术的划界
[0020]与本专利技术中的在几何上类似的装置在现有技术中主要可见于柔性驱动轴的情形中。然而，这些专利技术追求不同的目的，并且与之相应地在必要的装置特征方面不同。例如，在US 8,984,698中没有描述纤维复合物螺线，而是描述了金属螺线。或者，在从US 2018/0258979中已知的、同样具有大的几何相似性的装置的情况下，不设有弹性的中间层。因为所述中间层可证明(以模拟方式)是用于使纤维复合物螺线脱耦和随之产生的单轴应力状态的重要元件或前提，所以(在实验研究中)显示出材料利用率的所描述的改进。
[0021]实施方式特征
[0022]层平面的螺线可以分别单线或多线地构成。多线指的是每层包含多个螺线。所述螺线在具有相同斜度的管形构件的情况下彼此平行地围绕管的纵轴线卷起，其中一层的螺
线具有距管的中央纵轴线相同的径向间距。在一有利的实施方式中，每层使用多于三个螺线、更优选多于六个螺线、更优选多于十个螺线。
[0023]螺线的角度、即其螺距的斜度可以根据应用的要求来选择，进而影响构件的刚度。关于构件(管)的纵向方向，在大约10度至85度范围内的或在-85度至-10度的相反位置的角度是技术上有意义的。有利的实施方式对于两个缠绕方向(旋转方向)具有大约45度至-45度的角度。为了建立力平衡，可以与所提出的+/-45度设置分别偏差一位的整数，从中例如得出具有+40度和-50度的设置。
[0024]作为本专利技术的实施变型形式，也提出扭力元件，所述扭力元件包含更大数量的层，即多于两个层本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种扭力载体，其具有至少两个层，所述层各由至少一个由纤维复合材料构成的螺线(1、3)构成，其中至少两个层具有彼此相反的螺线旋转方向并且在所述层之间设置有至少一个起间隔作用的弹性的中间层(2)。2.根据权利要求1所述的扭力载体，其特征在于，所述螺线(1、3)的主纤维方向至少近似地沿所述螺线的主延伸方向定向。3.根据上述权利要求中任一项或多项所述的扭力载体，其特征在于，至少一个层包含多个螺线(1、3)。4.根据上述权利要求中任一项或多项所述的扭力载体，其特征在于，在一个层的相邻的螺线(1、3)之间至少部分地设有间隙(4、5)，和/或，在一个层的相邻的螺线之间至少部分地设有由弹性填料构成的填充物(2c1、2c3)，和/或，弹性的中间层至少部分地延伸直至一个层的相邻的螺线之间的区域中。5.根据上一项权利要求所述的扭力载体，其特征在于，一个或多个中间层(2)和/或一个层的螺线之间的填充物(2c1、2c3)包含空腔和/或切口和/或孔，和/或至少部分地由发泡材料和/或由减震材料形成。6.根据上述权利要求中任一项或多项所述的扭力载体，其特征在于，所述螺线(1、3)的至少一部分在朝中间层定向的面上具有释放拉力的纤维，所述纤维具有横向于所述螺线的主延伸方向的定向。7.根据上述权利要求中任一项或多项所述的扭力载体，其特征在于，所述扭力载体在其端部处具有漏斗形扩大的内径和/或外径，和/或，在...
【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：尼贸思有限公司，
类型：发明
国别省市：
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