拉杆及其制造方法与流程

本发明涉及拉杆和用于制造拉杆的方法，尤其地用在航空、航天、土木工程和汽车工业的机械连接系统中。

背景技术：

用于施工工程例如航天、土木工程或建筑学中的梁、托梁和框架被设计成承受垂直于相应的梁的延伸方向作用的弯曲力。传统的梁可被应用一体部件，该一部部件在边缘处具有凸缘并且在凸缘之间具有腹板跨轭(web spanning)。可替代地，切碎机切碎的支柱可代替腹板被应用到平行延伸的纵向支撑杆之间，因此，由于使用更少的材料形成梁，引起梁的减少的重量。一个压胶辊的示例在文献US 387118A中示出，该压胶辊采用由稳定中间环围绕的纵向支撑杆。

为了在机械连接系统的不同部件之间传递更大的拉伸和压缩应力，可使用具有细长主体的杆或支柱，该细长主体在两端设置有合适的连接器以形成用于将所述杆或支柱连接到连接系统的主结构或可替代地彼此之间连接的连接节点。在航空应用中，所谓的“拉杆”常被用于为任何具有舱体的机械结构提供支撑，例如，卫生设施、帽架、头顶储存隔间、厨房模块、天花板部件和类似的结构。这种拉杆可被形成为由轻质金属例如铝、或复合材料例如碳纤维增强塑料(CERP)部件制造的空心圆柱体。

在航空工业中，拉杆应当同等地耐用然而轻质。大量的拉杆被传统地应用在军用或民用级飞机中，因此单个拉杆的即使较小的重量减少都将总体上引起对于整个飞机的可观的重量减少。已知用于传送拉伸或压缩载荷的复合构件，在该复合构件中，通过将纵向的和螺旋形的丝交织来形成类似桁架的栅格，从而形成开放的栅格结构外壳。纵向的丝首先承载轴向和弯曲载荷，而螺旋形的丝既稳固纵向的丝又承载扭转和横向剪切力。减少重量的拉杆在例如文献US8,679,275 B2中示出，其中公开了具有由交织的 丝形成的开放的栅格主体的复合拉杆。文献US2005/0115186A1公开了一种具有围绕轴线缠绕的多个螺旋部件的结构构件，这些螺旋部件的每一个都具有首尾相连成螺旋构造的直的片段。文献8,313,600B2公开了由复合材料形成的三维几何栅格支撑结构。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种技术方案，用于进一步降低可用于承受高拉伸和压缩应力的拉杆的重量和结构复杂性的技术方案。

该目标通过具有权利要求1的特征的拉杆以及具有权利要求11的特征的用于制造拉杆的方法来实现。

本公开内容的第一方面关于一种拉杆，其包括具有基本一致的横截面的细长的拉杆主体。拉杆主体包括至少八个柱，至少八个柱平行于彼此并且被放置为围绕拉杆的中心轴线的圆周构造。

根据本公开内容的第二方面，一种用于制造拉杆的方法包括将至少八个柱平行于彼此设置为围绕中心轴线的圆周构造，从而形成具有基本一致的横截面的细长的拉杆主体。

本发明所基于的构思是由放置成基本圆形构造的最少八个柱建造拉杆。这些柱可被一些圆形环打断以避免在达到材料的极限压缩应力之前柱的弯曲，由柱来形成拉杆，以取代作为传统拉杆的空心圆柱体使得节省达40％的重量，同时对于压缩载荷情况，这种拉杆的弯曲强度被保持。

本发明的桁架式的拉杆不需要任何将相邻的柱相互连接的对角延伸为或倾斜的椽。柱本身作为桁架构件或与桁架式的拉杆的延伸方向平行的弦杆，拉伸和压缩能力经由围绕拉杆桁架的外周的柱的数目、间隔和圆周向的集聚来保证。可环绕桁架式的拉杆主体的侧面的可选的交叉件可作为附加的支撑构件以增加柱在过大的压缩负荷下的弯曲强度。

额外地，尤其有利的是通过以上面提到的方式在制造拉杆时采用任何一种层制造技术而随之而来的成本、重量、交付周期、部件数量和制造复杂性的降低。

根据拉杆的一个实施例，细长的拉杆主体可为基本圆柱体形状。根据拉杆的进一步的实施例，拉杆主体可确切地包括八个柱，或可替代地可包 括至少八个柱。八个柱是在重量效果与保持拉杆对在拉杆上的弯曲载荷的降低能力之间的有利平衡。

根据拉杆的一个实施例，柱可具有基本相同的圆柱体形状。圆柱体的形状有利地提供在两垂直于柱的延伸的方向上的基本相等的惯性矩，从而呈现出在抗弯强度和重量之间的最佳比例。

在该实施例中，柱的半径与拉杆主体的直径之间的比例等于大约0.28。该比例为有利的，这是由于对于该特定的值，围绕中心轴线设置成圆周几何形状的八个柱足够宽以使得其侧面彼此接触。当柱彼此接触时，其会为彼此提供侧向支撑，从而避免了对圆形支撑环的需要，柱本身提供足够的侧向支撑以抑制处于压缩应力下的拉杆的弯曲。

根据拉杆的一个实施例，拉杆主体可进一步包括环绕拉杆主体的侧面的一个或多个交叉件。在一个实施例中，交叉件在处于拉杆主体的基本相同的高度上的互连节点处连接到至少八个柱中的每一个上。

根据拉杆的一个实施例，交叉件可具有环形圆环面的形状。拉杆主体可包括至少三个交叉件，其中交叉件在拉杆的延伸方向上彼此之间基本等距地间隔开。

根据拉杆的一个实施例，拉杆的临界抗弯强度可超过用于制造至少八个柱的材料的极限应力能力。

附图说明

将参照附图中描述的示例性的实施例对本发明进行更详细的解释。

图1示意性地示出根据本发明的实施例的拉杆的立体视图。

图2示意性地示出根据本发明的另一实施例的拉杆的剖视图。

图3示意性地示出根据本发明的另一实施例的图1的拉杆的剖视图。

图4示意性地示出根据本发明的另一实施例的拉杆的剖视图。

图5示意性地示出根据本发明的另一实施例的拉杆的剖视图。

图6示意性地示出根据本发明的另一实施例的拉杆的剖视图。

图7示意性地示出用于制造根据本发明的又一实施例的拉杆的方法的步骤。

具体实施方式

附图被包括以提供对本发明的进一步的理解，其被包括并作为本说明书的一部分。附图示出本发明的实施例并且与说明书一起用来解释本发明的原理。本发明其他的实施例和本发明的很多预期的优点将被容易地领会，因为参照下面的详细的描述其变得更好理解。附图中的元件不一定为相对于彼此的真实的比例。相同的附图标记指示相应的类似部件。

在附图中，相同的附图标记指示相同的或功能相同的部件，除非另外指出。任何方向性的术语像“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“在......上面”、“在......下面”、“水平的”、“竖直的”、“后”、“前”以及类似的术语只是用作解释目的，不试图将实施例限定到如图所示的特定布置。

尽管在本处已经示出和描述了特定的实施例，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，多个替代的和/或等同的实施方式可取代示出和描述的特定实施例。通常，本申请试图覆盖本文讨论的具体实施例的任何调整或变更。

一些如本处之前所公开的部件、元件和组件可被这样制造，使用自由形态制造(FFF)、直接制造(DM)、熔融沉积造型(FDM)、粉末层打印(PBP)、叠层制造法(LOM)、立体平板印刷(SL)、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、选择性热烧结(SHS)、电子束熔化(EBM)、直写成型技术(DIW)、数字光处理(DLP)和/或增材制造(AM)。这些技术属于增材制造(AM)方法的普通级别(hierarchy)。这些经常被称为3D打印的系统被用于通过生成待形成的物体的横截面图案并且经由连续地堆积材料层形成三维实心物体来生成三维物体。不失一般性，这些工序中的任何一个会在下面的描述中被作为AM或3D打印而提及。AM和3D打印技术通常包括选择性地逐层沉积材料、选择性地熔化或固化所述材料以及如果需要的话除去多余的材料。

3D或AM技术可被用在基于数字模型数据来建造三维实心物体的工序中。3D/AM采用其中材料的层被连续地堆积成不同的形状的增材工艺。3D/AM目前被用作在工程、建设、工业设计、汽车工业和航空工业中具有多种应用的原型机制造和分布式制造。

图1示出了拉杆10的示意图。拉杆10可由至少八个柱1构造而成， 至少八个柱1相互平行并且被放置成围绕中心的圆周构造，该中心尤其是拉杆10的中心的旋转的轴线A。至少8个柱1一起形成细长的基本棱柱形的主体B，即，具有基本一致的横截面的棱柱形主体B。例如，棱柱形主体B可具有基本圆柱体的形状，如图1所示。

拉杆10可进一步包括一个或更多交叉件2，交叉件2环绕细长的基本棱柱形的主体B的侧面。交叉件2在处于细长的基本棱柱形的主体B的基本相同的高度上的互连节点处被连接到至少八个柱1的每一个。例如，如图1示出的，交叉件2可为环形的圆环面。交叉件2的数量通常没有限制并且其可在拉杆10的延伸方向上被相互间等距地隔开。例如，交叉件2的数量可为至少三个，交叉件2可避免当拉杆10受压缩时柱1弯曲。

拉杆10能够在拉伸中与在压缩中承受基本相同的载荷。这是由于临界抗弯强度超过了用于制造柱1和交叉件2的材料的极限应力能力。柱1和交叉件2的总体的结构设置遵照仿照竹竿的自然模型的仿生方法。需要八个柱1的数量以降低交叉件2上的弯曲载荷并且因此降低交叉件2的重量。然而，在不存在明显的由于柱1半径的改变而造成重量效应损失的情况下，也可能使用多于八个柱1。

柱1通常也被示为圆柱体，然而，椭圆形截面或基本椭圆形截面也可被用于柱1的形成。对于柱1本身，原则上任何具有彼此相似的两惯性矩的合适的形状在不存在大量的重量效应的损失的情况下都可被使用。

交叉件2的定位和间距可取决于柱1的抗弯长度，该抗弯长度为达到柱1的材料的极限压缩强度所需要的长度。在这种情况下材料的能力在压缩中被更有效地利用使得节省超过40％的重量的潜能成为可能。

为了使得拉杆10有效地承受弯曲载荷，附加的柱1可被集成。额外地或可替代地，其他的用于交叉件2的圆周的形状可被使用，例如矩形环形形状、立方体的形状或多边形的形状。可基于在需要的方向上的惯性矩的增加需求来选择合适的形状。

如果在以其侧面接触相邻的柱1的情况下来放置柱1，也可能消除对于交叉件2的需要。在那种情况下，由于柱1凭借其接触或重叠而彼此提供了侧面的支撑，因此不再需要原先可以抑制弯曲的交叉件2。通过不使用交叉件2，可获得进一步的重量效率。

图2到6示意性地示出根据变体构造的拉杆10的横截面图。具体地，图3示出根据图1的拉杆10的横截面，其中八个柱1以沿着主体B的侧面C的环形设置而围绕中心体轴线等距地并且对称地间隔开。八个柱1被基本垂直地延伸支撑交叉件2相互连接。交叉件2大体上环绕拉杆主体B的侧面C。尽管如图2示出的示例中交叉件可被整体省略，然而交叉件也可采用各种外部三维形状，例如图3的示例中的环形圆环面或图4的示例中的八角形环面。

交叉件2在互连节点处连接到至少八个柱1中的每一个。对于交叉件2中的一个而言，那些互连节点相对于拉杆10的长度可处于拉杆主体B大约相同的高度。通常不限制交叉件2的数目。例如，对于相对短的拉杆1，交叉件2的合适数目可为至少三个。随着拉杆主体B的长度增加，交叉件2的数目可特别地大于三。交叉件2可沿着拉杆10的延伸的方向等距地分布，使得在每两个相邻的柱1和相邻的交叉件2之间形成多个具有基本相等的面积的网状板。网状板的表面面积的基本相等的分布有助于优化拉杆10的重量和压缩载荷下的抗弯强度的比。

图5和图6示出较大半径的柱1，其侧面同相邻柱的侧面接触。在图5中，相邻柱1的半径可变化使得柱之间的空间被有效地填充。根据需要一旦柱1以合适的重叠(例如达到柱1的直径的大约12.5％)达到相互间接触，则不再需要用于避免弯曲的交叉件；柱1的提供给彼此的侧向支撑已经增加了拉杆在被压缩时的抗弯强度。通过可以省略交叉件，可达到进一步的重量效应。

具体地在图6的示例性的布置中，拉杆主体B可由圆柱体形状以及基本相等的半径的确切地八个柱1形成。则柱布置的角θ为大约45°。两相邻柱1的中心之间的距离为单个柱的半径r的两倍并且柱1从拉杆中心轴线A以偏移值d偏移。在该布置中，半径r和偏移值d之间的比为：

r/d＝(0.5·(1-0.5^-0.5))^0.5≈0.38.

因此，柱的半径r与整个拉杆主体B的直径D＝d+r的比值为

r/D＝r/(d+r)≈0.28.

图6的布置提供了所得到的拉杆的相对于稳定性、抗弯强度和抗拉强度的最优的重量效率。

上面公开的拉杆可被用于多种应用，包括但是不限于：飞机的框架、纵梁和横梁构造、室内设计、桥梁建造、车辆车架、土木工程以及用于儿童玩具和类似物品的应用。一个特殊的应用属于飞机的骨架的建造，该骨架包括用于支撑飞机的机身结构的拉杆，该拉杆在结构上增强机身结构和/或将组件紧固到机身结构上。这些拉杆常被称为“Samer杆”或者“Samer类型的杆”并且通常包括在两端部之间的对应于细长的、基本棱柱形的主体B的中心支柱部分，所述中心支柱部分用于连接在两接头或支架之间的拉杆。处于框架结构中的拉杆可被用作拉伸、压缩和/或弯曲构件。

Samer杆通常具有在两端部之间的中心部分，该中心部分可根据在本申请中描述和解释的拉杆主体B形成。端部可包括柄以及在两侧设置在柄端的孔，用于将Samer杆连接到机身结构。为了将Samer杆连接到飞机的结构，夹具或叉形的支架被连接到结构上。夹具(或支架)具有与柄端的孔对齐的孔，使得被引入通过所述孔的螺栓和孔可枢转地将Samer杆连接到夹具(或支架)上

所公开的拉杆特别是拉杆10的一个特别的优势是可使用3D打印或增材制造(AM)技术来制造所有部件。特别地拉杆10可被3D打印为主体B、柄和孔已经被无缝地制造。这导致拉杆10的有利的机械稳定性。

图7示意性地示出用于制造拉杆的方法M的步骤，例如结合图1-6所描述的拉杆10。在第一步骤M1中，方法M包括将至少八个柱1以围绕中心轴线A的圆周构造彼此平行设置，由此形成具有基本一致的横截面的细长拉杆主体B。进一步地，方法M可包括可选的附加步骤M2和M3，形成环绕拉杆主体B的侧面的一个或更多交叉件2，以及在处于拉杆主体B的基本相同高度上的互连节点处将交叉件2与至少八个柱1中的每一个互连。

制造方法M可特别地通过使用增材制造AM过程而被实施。增材制造AM过程例如为熔融沉积造型FDM、加层制造ALM、选择性激光熔化SLM、或选择性激光烧结SLS。

在上述的详细的描述中，为了简化公开内容，不同的特征被在一个或多个实施例中聚集在一起。应当理解，上面的描述用于示意性的目的，而不是用于限制。它试图覆盖所有的可替代方式、修改方式和等同方式，对 于本领域技术人员来说，当阅读上述说明时，很多其他的示例将会显而易见。

所述实施例被选择和描述以能够最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域技术人员以适合于预期的特殊应用的各种修改来最好地应用本发明和各种实施例。在附加的权利要求中以及整个说明书中，术语“包含(including)”和“其中(in which)”被分别用作相应的术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的简明英语等同术语。此外，术语“a”或“one”在这种情况下不排除多个。

附图标记列表

1 支撑柱

2 交叉件

10 拉杆

A 杆中心轴线

B 拉杆主体

C 主体侧面

d 柱径向偏移量

D 主体直径

M 方法

M1 方法步骤

M2 方法步骤

M3 方法步骤

r 柱半径

θ 柱布置角