专利名称：用于组装由复合材料制成的两个壳体元件的设备和方法
技术领域：
本发明涉及组装方法和组装设备领域 。更具体地，本发明涉及并排放置的两个壳体元件沿大致垂直于所述壳体的组装界面的组装。本发明应用于每当这种结构承受重大的与组装界面垂直和/或相切的负荷时，并且更具体地，当被组装的两个壳体元件由复合材料制成时是这样。
背景技术：
“壳体元件”意味着对于其其它尺寸而言相对薄的、沿着两条曲线的方向延伸的结构部，其形状可以从平板变化至椭圆体部分，或具有可变化的双曲率的更复杂的形状。例如，其可以包括飞机的机翼或机身、船体或油船的元件。本发明所涉及的组件可特别地导致产生限定完全封闭的容积的结构，本发明的目标之一特别是为组装这种结构使得在接合操作期间仅从所述容积的一侧进入的的可能性。本发明更具体地适用于组装大型结构。根据本领域现有技术，图I中，并排放置的两个壳体元件(11，12)的组装通过中间部件例如套环(13)或拼接板来实现。所述套环垂直于组装平面(10)、并在组装平面(10)的两侧上延伸。两个壳体元件垂直于组装平面支承在套环上，并且通过垂直于套环和所述壳体元件之间的接触表面延伸的紧固件(21、22)被紧固到套环上。如果该组件经受垂直于组装平面的方向的牵引力或压缩应力，对应于该应力的力流从一个元件流动经过套环至另一元件。因此，该力流从第一壳元件(11)流至紧固件(21)，在使所述第一壳元件(11)和紧固件(21)经受剪切应力和翻边(burring)应力的情况下，然后从紧固件(21)流至套环(13)，并从套环又流过紧固件(22)到第二壳元件(12)。从而该力流能够在没有对界面结构造成损坏的风险的情况下流动，特别是如果该应力是周期性的，套环和壳体元件之间的接触表面(101、102)必须在形状和周长上进行完全调整，并且紧固件必须在其外壳内以没有间隙的方式安装。这些条件在大型部件的情况下是很难遵守的。特别是，其要求存在的部件的非常严格的形状公差以及紧固件的沉孔安装。这就是说，部件是预先组装的，并且钻预定接纳紧固件的孔通过将预组装的部件保持就位而同时实现。该操作过程，对组装的回弹性而言至关重要，然而，在时间方面却非常不利。大多数情况下，其需要具备对壳体元件的每一侧进入的入口以进行钻孔和装配紧固件。在待组装的元件由复合材料，诸如树脂的连续纤维层的层压体制成的情况下，元件的在组装平面的附近处的厚度必须大大地增加。实际上，这种类型的材料对于翻边仅具有弱的阻力。因此，在通过该组件的力流较高的情况下，其需要使用具有较大的直径的紧固件，并因此间隔地更开并覆盖更大的长度，以及与两个金属壳体元件的组装相比，安装更多数量的紧固件。壳体元件的这种局部加强使得所述壳体元件在相当程度上更具刚性，以致其更难适应形状和周长。此外，元件的组装因而增大了力流与壳体元件的中性轴线的偏离，所以，该力与组装的元件的端部刚性的组合在从组装得到的结构中产生了附加的弯曲应力。关于剪切流，即，平行于组装平面作用的应力也能够做出同样的论点。
本发明的目的在于，通过提出设计成用于组装两个复合材料的壳体元件而使得能够在结构中传输力流而不会产生附加应力的组装设备和组装方法，来克服该本领域现有技术的缺点。从本领域现有技术中已知的设备，如图2中，特别是从欧洲专利EP1234984和申请US2003205011中——两者都属于本申请人——用于组装复合材料的壳体元件(13)和金属壳体元件(14)，借助于设置成垂直于该组装平面的牵引轴(23)，通过平行于该组装平面的表面而对复合材料的壳体元件(13)和金属壳体元件(14)进行组装。这种组装允许两个壳体元件在不利用套环的情况下被连接。然而，这种设备不能被转用到两个复合材料的壳体元件的组装的情况中。实际上，在这种情况下，牵引轴必须在其壳体中并且在较长的长度上进行完全地调整，以便将剪切流从一个元件传送到另一元件而不会由于翻边而损坏壳体的风险。当部件中其居中长度大于其直径，总体上为其直径的两倍时，这种轴被认为进行了大的长度上的调整。在该本领域现有技术的情况下，轴的这种极大的安装长度仅存在于复合材料侧上。在金属侧，形成壳体元件的材料的翻边阻力大得多，使得轴只居中于小于或等于其直径的较小的距离内。以此方式，能够在两个元件对接起之前在由复合材料制成的元件 的侧上预定位所述轴，然后将所述轴引入到金属元件(14)中，并通过拖拉该轴，以便使两个壳体元件更靠近在一起，直到其组装表面(113、114)接触。轴的在金属部分中的短居中长度，使得该安装对于两个相对的壳体元件的孔之间的轻微的对准缺陷不是非常敏感。如果需要更大的对准精度，金属侧上的界面的形状，与其外翻边(141)，允许预组装的元件通过金属侧沉孔安装。然而，在壳体元件由复合材料制成的情况下，在该本领域现有技术的外翻边不能在该端部的机械特性没有大的下降的情况下被再生产，此时，该外翻边将相对于垂直于组装平面的应力而处于膨胀中而工作。这种模式的应力对于复合材料而言实际上是特别不利的。即使以复合材料制成这样的形状，后者的机械回弹性的设计约束将使牵引轴从壳体元件的中性轴线偏离，并会产生附加的力矩。如果需要流过界面的力流使得用于翻边阻力的条件要求在牵引轴和孔之间的大的接触长度，那么有必要在轴的直径与孔的直径之间具有能够吸收两个壳体元件的相对的孔之间的轻微的调整缺陷的调整公差。然而，这种类型的安装——能够传送大的周期性的力——必须实现为无间隙，因此不具有能够吸收所述对准缺陷的调整公差。由于不可能沉孔安装，因此该安装不能被实现。
发明内容
为了解决本领域的之前状态的这些缺陷，本发明提出了一种用于组装复合材料制成的两个结构元件的设备，该设备包括两个带凸缘的圆筒形容器，所述两个带凸缘的圆筒形容器中的每一个均由垂直于该圆筒的轴线的孔眼穿过；可被引入到所述孔眼内的轴；支承装置，所述支承装置支承在圆筒状容器的内表面上并且能够在当轴延伸穿过两个容器中的孔眼时保持轴的张力；将轴置于张力下的装置。以此方式，能够组装两个复合材料的壳体元件而无需实现在这些元件中的一个的端部处具有外翻边的形状、以及放置在孔中的容器中的每侧上容纳的牵引轴。这种构型使得能够促使牵引轴更靠近壳体元件的大致在其厚度的中央处的中性轴线，以避免当界面经受应力时产生附加力矩。有利的是，圆筒形的容器中的至少一个包括能够在当该容器安装在孔中时，在该容器中施加和保持轴向张力的装置。通过在容器中施加张力，壳体元件被沿其厚度局部地压紧。不仅在当这样组装的部件处于应用中时流过界面的力流的作用下，而且在组装操作期间，当组装的元件抵接在一起并且紧固时，尤其是在对其孔中的牵引轴进行过盈调整的情况下，该压缩限制所述元件的剥离的风险。为了防止在当牵引轴被引入接纳孔中时，对接纳所述牵引轴的所述孔造成损坏，牵引轴包括由具有更大直径的平滑部分分开的两个带螺纹的端部，可以在孔中调整这两个带螺纹的端部。因此，具有较小直径的螺纹部分不容易在孔中造成划痕。当通过多个根据本发明的设备来实现组装时，其通过过盈装配有利地吸收了两个元件之间的孔的静态不确定性以及位置和方向的轻微的差异。牵引轴与结构元件中的孔之·间的轻微对准或取向的缺陷在组装过盈公差中被吸收。过盈装配由将具有比孔大的直径的插入件引入到该孔中而组成。这将产生无间隙的紧配合。以此方式，可通过更高或更低的过盈值产生该阳部件与该阴部件之间的调整公差。这允许对准缺陷通过该过盈公差而不是通过间隙来补偿。然而，复合材料，特别是在其被连续纤维被增强的情况下，并不是很适用于过盈组装，这是由于其具有非常高的弹性极限和几乎不存在的塑性变形能力。为了解决这个技术问题，本发明的主题的设备包括居中在牵引轴的平滑部分上的套筒。所讨论的套筒由沿其厚度可变形的材料制成，有利的，其由金属材料制成。其用作牵弓丨轴和孔之间的牺牲保护部件，从而允许通过其变形产生用于过盈装配的大的公差范围，而对对准变化和调节变化进行补偿。在组装制成套筒的材料之前的压缩塑性流动约束远低于对于组成结构元件的复合材料的翻边阻力的静态压力极限。以此方式，能够在不损坏套筒周围的复合材料的情况下实现过盈装配，套筒的在其孔中的接触压力由所述套筒的塑料流约束来限制。在提供无间隙地安装的同时，本发明的主题的设备因而产生增大的调整公差的范围，因此，使得在无组装间隙的情况下能够进行Meccano式安装，即所有的孔被钻在非组装元件中的安装。本发明还涉及一种用于对并排放置的两个复合材料的壳体元件沿垂直于壳体的组装界面的结构组装的方法，该方法包括如下步骤单独地为每一个壳体元件钻出垂直于该壳体的能够接纳根据本发明的设备的容器的孔；单独地并以最终直径在每一个壳体元件的组装表面钻出能够接纳所述设备的牵引轴的孔；将容器安装在壳体元件中的每一个中；在壳体元件中的一个的组装界面的每一个孔中引入牵引轴；通过使牵引轴贯通面向的孔而对接被称为接收件的另一壳体元件；将每一个牵引轴的一个端部对着容器的内表面邻接；通过根据本发明的设备的将每一个牵引轴置于张力下的装置而将组件紧固。
因此，如果容器的开口在组装过程中位于壳体元件的同一侧上，其没有必要在壳体元件的两侧具有进入口以实现该组装，这在所述壳体元件一旦组装即界定出一个完全封闭的容积的情况下是特别有利的。有利地，本发明的主题的方法还包括在对接步骤之前将套筒引入到接收件壳体元件内的步骤，这使得首先能够防止在对接过程中对所述接收件元件造成损坏，并且还能实现Meccano型安装，轻微的对准和调整的差异被套筒中的轴的过盈公差吸收。
现在，将在图I至图5中示出的优选的非限制性实施方式的情境下，对本发明进行更精确地描述，其中图I中，涉及本领域现有技术，示出通过套环组装的、并排放置的两个壳体元件的示意性截面图； 图2为根据本领域现有技术通过金属壳体元件和复合材料的壳体元件的牵引轴的组件的截面图；图3示出本发明的主题的设备的立体及俯视视图；图4是形成根据本发明的设备的示例的部件的分解视图；图5示出两个容器从前方观察的视图；以及图6以概略俯视图的形式示出根据实现本发明的示例的对两个复合材料的壳体元件进行组装的方法。
具体实施例方式图3和图4:根据本发明的实施方式，本发明的设备包括两个带凸缘的圆筒形容器(31、32)，每一个由沿着垂直于圆筒的轴线的轴线的孔眼(310、320)穿过。这些孔眼中容纳有轴(40)。该轴包括两个端部(41、42)，所述两个端部(41、42)具有较小的直径并至少部分地带有螺纹。在两个带螺纹的端部之间，具有更大的直径并经精密加工的平滑部分(43)能够被居中在接收件元件的孔中。轴(40)由适于预定用途的金属材料制成钢、优选地F16PH型不锈钢、钛合金、或INCONEU 型镍基合金。其能够有利地成为具有用于增大表面硬度目的的热处理的对象。根据该实施方式，两个带螺纹的端部接纳螺母(51和52)。当该设备已被安装时，所述螺母通过具有圆柱形表面的垫圈(510、520)支承在容器(31、32)的内表面上。优选地，放置在接纳侧的螺母(51)包括支承在支承垫圈的互补形状的表面(512)上的球面形支承表面(511)。在另一端部，螺母(52)通过预加载垫圈(521)支承在垫圈(520)上。该轴在其端部(41、42)的每一个处包括操作机构(410、420)，操作机构(410、420)能够接纳键以便当螺母旋拧在端部上时，使轴不能旋转。在实现的优选示例中，螺母(51、52)用于将轴(40)置于张力下，并从而将组装界面紧固。本领域的技术人员将根据由本发明的主题的设备所涵盖的技术领域而适用其它支承和紧固装置。作为示例，位于接收件的相对侧上的螺母(51)可以是桶形螺母、设计为将轴置于张力下的装置，该装置可由沿着容器中的一个的轴线枢转、并且在所述容器的内表面上导引的中间偏心支承部形成。为了便于旋拧接收件侧螺母(51)，在相对侧上且在轴的平滑部分上制造有平坦部(44)。图5中相应的容器(32)的孔眼(320)包括平坦表面(324)，使得所述孔眼的通径保持在大于轴的相应的带螺纹的端部(42)的直径。因此，当轴的光滑部分的平坦部(44)与容器(32)的孔眼的平坦表面(324)接触时，轴(40)不能旋转并且接纳侧螺母(51)能够被拧入其端部处中并且至少部分地紧固。在需要更大的紧固扭矩的最终紧固过程中，轴由在轴的端部(41)中专为此目的而制造的操作机构(410)中放置的键来固定，以便不损坏孔眼(320)。套筒(60)—包括凸缘(61)—能够居中在轴的平滑部分(43)上。根据该设备的应用的技术领域，该套筒由青铜、钛合金或不锈钢制成。可替代地，其能够由选自聚酰胺或碳氟聚合物族的聚合物制成。套筒的在平滑部分上的调整也能够根据应用而选择，这取决于所述套筒的功能是否主要是当轴被引入到接收件中时，而保护孔免遭摩擦，还是在过盈公差中吸收对齐缺陷的能力，或两者兼而有之。在安装过程中，该套筒在孔中居中，并贯通到接收件侧容器(31)的孔眼(310)内。容器在与其凸缘(325、315)相对的端部处包括带螺纹的部分。该带螺纹的部分接 纳螺母(71、72)，优选地为通过带有可折叠的有耳垫圈(未示出)的垫圈锁定的锁紧螺母。紧固这些螺母使得能够沿容器的轴线在接纳该螺母的材料中施加压缩约束，并从而减少后者的剥离的风险。有利地，容器凸缘(325，315)侧的底部是封闭的。这些由金属材料、优选地由耐腐蚀的金属材料制成，因其有可能用于保持流体。作为示例，其可以由钛合金或不锈钢制成。图6 :本发明还涉及利用根据本发明的一个或更多个设备的组装方法。此方法特别适合于由具有连续纤维的形式的纤维增强的复合材料制成的、并排放置的两个壳体元件(14，15)沿一个组装面(10)的组装。根据第一步骤，两个元件中的每一个被单独地钻至最终直径、平行并垂直于界面平面，使得所述孔能够接纳牵弓I轴(40 )和/或套筒(60 )。此钻孔可以根据结构元件的尺寸和形状而通过借助于钻孔模板的装置对准的便携式装置来进行，或在加工中心上进行。根据所述元件的精度要求和尺寸，该钻孔可以在每一个壳体元件的界面被精确测量、并且孔的位置根据这些测量值重新校准过之后执行，或在初级部件的阶段执行。平行于组装面(10)并接纳容器(31、32)的横向孔，在相同的阶段钻成。然而，其能够在初级部件的阶段钻制，如果在初级部件的阶段钻制更容易的话是这样。容器(31、32)然后被拧到两个壳体元件(14、15)中的每一个上，假轴穿过被用于在该紧固过程中使该假轴不能旋转的容器的孔眼(320、310)。有利的是，利用湿式安装，即在孔和容器之间放入胶合层，将所述容器安装在其相应的孔中。牵引轴(40)然后安装于壳体元件中的一个上。为此，轴就滑入该元件(14)的孔中直到其通过容器(32)的孔眼、圆柱状的支承垫圈(520)以及预加载的垫圈(521)。紧固螺母(52)然后拧紧到轴的的端部(42)上，该轴通过插入到另一端部上的操作机构(420)内的键而不能旋转。在同一时间，套筒(60)被引入接收件元件(15)的孔中。牵引轴被推到第一元件的容器(32)的底部。在这种情况下，平坦部(44)与容器的孔眼的平坦表面(324)接触并且使轴(40)不能旋转。图6A :接收件元件被对接直到两个元件的组装表面开始接触。在此阶段中，只有轴的带螺纹的端部(42)贯通入接收件侧上的容器(32)以及内套筒(60)内。由于后者的直径小于轴的平滑部分(43)的直径2毫米到3毫米，因此与套筒之间存在足够的径向空隙，使得在该对接过程中在轴(40)的层级处不发生堵塞。图6B :圆柱状的支承垫圈(510)和球面形支座螺母(51)安装在牵引轴(40)的接收件元件侧的端部(41)上，该轴被始终推到容器(32)的相对侧上的底部处。平坦部(44)与容器(32)的孔眼的平坦表面(324)之间的接触使轴(40)不能旋转，其允许接收件侧的螺母(51)被紧固。图6C :接收件侧的螺母被紧固，从而使牵引轴的平滑部分(43)贯通到套筒(60)内。接收件侧螺母(51)的球面状的座(511)允许该紧固在不损坏容器(31)的内表面的情况下进行，即使在轴并不完全地沿着圆筒状容器(31)的径向导向的情况下也是如此。因此该紧固一步一步地进行，并且可替代地，优选地在交叉的中央处开始并朝向外部移动。然后如有必要可以通过盖(未示出)封闭容器。以此方式，该组件被密封，但也能够通过打开所述帽而容易地被检查并且仅进入该组件的一侧。 上面的描述中清楚地示出的是，通过其各种特征和及这些特征的优点，本发明实现了其自身设定的目标。特别地通过提出设计成将两个复合材料的壳体元件组装成通过将牵引轴定位在待组装的壳体元件的中间厚度处而能够在结构中传输力流并不会产生附加应力的组装设备和组装方法；实现并排放置的两个壳体元件的组装，在组装后，通过只进入该容积的一侧界定出封闭的容积；利用不需要沉孔安装的Meccano型组装方法，实现并排放置的两个壳体元件的组装；实现并排放置的由复合材料制成的两个壳体元件的组装。
权利要求
1.一种用于对由复合材料制成的两个结构元件(14、15)进行组装的设备，其特征在于，所述设备包括 两个带凸缘的圆筒形容器(31、32)，所述两个带凸缘的圆筒形容器(31、32)中的每一个由垂直于所述圆筒的轴线的孔眼(310、320)穿过； 轴(40 )，所述轴(40 )能够被弓I入到所述孔眼中； 支承装置(51、52、510、520)，所述支承装置(51、52、510、520)支承在所述圆筒形容器的内表面上，并且能够在当所述轴(40)延伸通过所述两个容器中的所述孔眼时，保持所述轴(40)的张力； 将所述轴置于张力下的装置(51，52，521 )。
2.根据权利要求I所述的设备，其中，所述圆筒形容器(31、32)中的至少一个包括当所述容器被安装在孔中时能够在所述容器中施加和保持轴向张力的装置(325、315、71、72 )。
3.根据权利要求I或2所述的设备，其中，所述轴(40)包括由具有更大直径的平滑部分(43)分开的两个带螺纹的端部(41、42)，所述两个带螺纹的端部能够在孔中进行调整。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述设备包括居中在所述轴的所述平滑部分(43 )上的套筒(60 )，且所述套筒(60 )比所述平滑部分(43 )短。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，组成所述套筒(60)的材料的塑性流动约束比组成接纳所述套筒(60)的所述组装的复合材料结构元件(14、15)的材料的翻边阻力的静态压力极限低。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述套筒(60)由金属材料制成。
7.一种用于对并排放置的两个复合材料的壳体元件(14、15)沿垂直于所述壳体的组装界面进行结构组装的方法，所述方法包括以下步骤 单独地为每一个壳体元件钻出垂直于所述壳体并能够接纳根据前述权利要求中任一项所述的设备的所述容器(31、32)的孔； 单独地并以最终直径在每一个壳体元件的组装表面钻出能够接纳根据前述权利要求中任一项所述的设备的牵引轴(40)的孔； 将所述容器(31、32)安装在所述壳体元件中的每一个中； 在所述壳体元件中的一个(14)的所述组装界面的每一个孔中引入所述牵引轴(40)； 通过使所述牵引轴贯通面向的孔而对接被称为接收件的另一壳体元件(15); 将每一个轴的一个端部对着容器的所述内表面邻接； 通过将根据前述权利要求所述的设备的每一个牵引轴置于张力下的装置(51、52)而将所述组件紧固。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述方法还包括在所述对接步骤之前，将根据权利要求4或5所述的设备的套筒(60)引入到所述接收件壳体元件(15)中的步骤。
9.一种飞行器，所述飞行器包括根据权利要求7或8所述的方法实现的组件。
全文摘要
本发明涉及组装方法和组装设备领域。更具体地，本发明涉及当被组装的两个壳体元件由复合材料制成时对并排放置的两个壳体元件沿大致垂直于所述壳体的组装界面的组装。为此目的，本发明提出了一种用于组装由复合材料制成的两个结构元件的设备，该设备包括两个带凸缘的圆筒形容器(31、32)，两个带凸缘的圆筒形容器(31、32)中的每一个均由垂直于该圆筒的轴线的孔眼(310、320)穿过；可被引入到所述孔眼内的轴(40)；支承装置(51、52、510、520)，所述支承装置(51、52、510、520)支承在圆筒状的容器的内表面上，并且能够在当轴(40)延伸穿过两个容器中的孔眼时保持轴(40)的张力；将轴置于张力下的装置(51、52、521)。
文档编号F16B5/00GK102959254SQ201180031280
公开日2013年3月6日 申请日期2011年6月21日 优先权日2010年6月24日
发明者盖伊·莫朗, 弗雷德里克·万什, 让-皮埃尔·库菲尼亚尔 申请人:空中客车运营简化股份公司