CN108019399A - 混合金属聚合物联锁装置 - Google Patents

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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16BDEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B1/00Devices for securing together, or preventing relative movement between, constructional elements or machine parts

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Abstract

本申请公开混合金属聚合物联锁装置。一种机械耦合组件,其包括其中形成有至少一个开孔的主衬底。次衬底包括与次衬底整体形成的至少一个机械联锁装置。所述至少一个机械联锁装置延伸穿过所述开孔。机械联锁装置包括主体、头部以及连接主体和头部的过渡部分。所述主体包括围绕开孔的中心线在其中纵向形成的孔。机械联锁装置机械地连结主衬底和次衬底。

Description

混合金属聚合物联锁装置
技术领域
本发明涉及用于连结不同材料的机械耦合组件。
背景技术
通常,两种不同的材料可以使用机械紧固件(诸如螺钉、铆钉、螺栓或其他已知的机械紧固件)连结。另外,这样的不同材料可以使用粘接剂或粘合剂连结在一起以将两个部件附接在一起。这种粘合剂和机械紧固件通常需要复杂和高成本的密集组装操作。
因此,本领域中需要一种改进的不同零件的机械耦合,其具有成本效益并且减少劳动密集型制造技术(诸如粘接剂粘合和机械附接件(诸如螺钉或铆钉))的使用。本领域还需要一种改进的机械耦合组件,其允许在连结两个不同的部件时减轻重量、提高性能以及改善结构性质。本领域还需要一种改进的方法和机械耦合组件,其利用包覆成型或共模技术连结两个不同的零件以满足期望的性能和负载特性。
发明内容
在一个方面,本发明公开一种机械耦合组件,其包括其中形成有至少一个开孔的主衬底。所述主衬底包括由材料厚度分开的第一表面和相对的第二表面。次衬底包括与次衬底整体形成的至少一个机械联锁装置。所述至少一个机械联锁装置延伸穿过所述开孔并且跨越所述第一表面和第二表面。机械联锁装置包括靠近第一表面设置的主体、靠近第二表面设置的头部以及连接主体和头部的过渡部分。所述主体包括围绕开孔的中心线在其中纵向形成的孔。机械联锁装置机械地连结主衬底和次衬底。
在另一方面,本发明公开一种机械耦合组件,其包括其中形成有至少一个开孔的金属主衬底。主衬底包括由材料厚度分开的第一表面和相对的第二表面。聚合物次衬底包括与次衬底整体形成的至少一个机械联锁装置。所述至少一个机械联锁装置延伸穿过所述开孔并且跨越所述第一表面和第二表面。机械联锁装置包括靠近第一表面设置的主体、靠近第二表面设置的头部以及连接主体和头部的过渡部分。所述主体和头部具有均匀的厚度。机械联锁装置连接主衬底和次衬底。
在又一方面,本发明公开一种形成机械耦合组件的方法,其包括以下步骤:提供其中形成有至少一个开孔的主衬底,将次衬底包覆成型到主衬底上,形成机械联锁装置,所述机械联锁装置包括靠近第一表面设置的主体、靠近第二表面设置的头部以及连接主体和头部的过渡部分,所述主体包括围绕开孔的中心线在其中纵向形成的孔,使得主衬底和次衬底机械地连结。
附图说明
图1是机械耦合组件的剖视图;
图2是机械耦合组件的透视图;
图3是图2中的机械耦合组件的前视图;
图4是详细示出包括主衬底和次衬底的机械耦合组件的尺寸的示意图;
图5是用于移位的一般解决方案的示意图,包括板的不同区域的径向应力、切向应力和剪切应力;
图6是用于各种负载的肩部宽度作为孔半径的函数的曲线图;
图7是孔半径、肩部宽度和总应力的曲线图;
图8是用于各种负载的孔半径、厚度和肩部宽度的曲线图;以及
图9是孔半径、肩部宽度和总应力的曲线图。
具体实施方式
参考图1-3,其示出机械耦合组件10,所述机械耦合组件10包括其中形成有至少一个开孔14的主衬底12。应当认识到,可以在主衬底12中形成各种数量的开孔。主衬底12包括由材料厚度20分开的第一表面16和相对的第二表面18。次衬底22包括与次衬底22整体形成的至少一个机械联锁装置24。至少一个机械联锁装置24延伸穿过开孔14并且跨越第一表面16和第二表面18。机械联锁装置24包括靠近第一表面16设置的主体26以及靠近第二表面18设置的头部28。过渡部分30连接主体26和头部28。在一个方面,主体26包括围绕开孔14的中心线在其中纵向形成的孔32。机械联锁装置24机械地连结主衬底12和次衬底22。
在一个方面,围绕开孔14的中心线纵向形成的孔32允许主体26和头部28具有均匀的厚度。均匀的厚度允许具体的设计特性,以满足并且确保次衬底22在包覆成型过程中的均匀流动和分布,从而减轻机械联锁装置24的可能的故障模式。
在一个方面,主体26和头部28围绕开孔14径向延伸相同的距离。换句话说,主体26和头部28的肩部宽度34相等。应当认识到,也可以利用不同的肩部宽度。如图1所示,头部28围绕开孔14径向延伸指定的肩部宽度34。在主体部分26上设置相同的肩部宽度34。如上所述,过渡部分30连接头部28和主体26。在一个方面,过渡部分30包括限定在其中的径向槽36,其容纳主衬底12。
主衬底12可以相对于次衬底22由不同的各种材料形成。在一个方面,主衬底12可以由金属材料(诸如铝、镁、钢或其它金属材料)形成。次衬底22可以由能够在包覆成型过程中流动的聚合物材料形成。在一个方面,聚合物材料可以包括纤维增强聚合物材料,诸如玻璃增强尼龙、碳纤维增强聚合物和塑料以及可模制的增强热塑性塑料。
如上所述,主体26包括围绕开孔14的中心线在其中纵向形成的孔32。在一个方面,孔32的尺寸被设计以限定头部28和主体26的均匀厚度。另外,当纤维增强聚合物材料被用作次衬底22时,均匀的厚度确保在包覆成型过程期间纤维的对准,从而再次避免机械联锁装置24的可能的故障模式。
本发明还公开一种形成机械耦合组件10的方法,该方法包括以下步骤:提供其中形成有至少一个开孔14的主衬底12,将次衬底22包覆成型到主衬底12上,形成机械联锁装置24,机械联锁装置24包括靠近第一表面16设置的主体26、靠近第二表面18设置的头部28以及连接主体26和头部28的过渡部分30。主体26包括围绕开孔14的中心线在其中纵向形成的孔32。孔32可以在包覆成型过程中由销限定。主衬底12和次衬底22通过联接装置24机械地连结。
形成机械耦合组件10的方法包括规定主衬底12和次衬底22的参数。如图4所示,在一个方面,提供主衬底12的步骤包括确定主衬底12的外半径a、确定开孔14的尺寸b、确定主衬底12的厚度hp以及选择具有拉伸模量的主衬底12材料。该方法还包括在包覆成型步骤中确定次衬底22的各种参数。在一个方面,包覆成型的步骤包括确定头部28的尺寸b+c、确定次衬底22的厚度hs以及选择具有拉伸模量的次衬底材料。参考图4和图5,其示出主衬底12和次衬底22的参数的示意性表示。
在一个方面,包覆成型的步骤包括通过使用(如在等式1中具有不同刚度的区域)边界条件和解连续性在各种位置(联锁装置的中心)处利用点负载计算用于板偏转的极性解(polar solution),
在计算极性解之后,根据等式2计算径向应力、切向应力和剪切应力:
对于受约束的每个区域,径向应力、切向应力和剪切应力分量应该小于材料屈服σy
如图5所示,其图形地描绘包括径向应力、切向应力和剪切应力的各种参数。在一个方面,径向应力、切向应力和剪切应力的各种应力分量小于次衬底的机械屈服。
参考图6,其示出作为主衬底12的孔半径的函数的次衬底22的肩部宽度的曲线图。针对各种负载条件,对该曲线进行分段。在一个方面,通过最初提供表示如图4所示的孔半径或开孔和肩部宽度的变量b和c来产生曲线图。另外,提供用于主衬底12的厚度的参数,其在曲线图中被设置为1mm,并且提供用于次衬底22的厚度的参数,其在曲线图中被设置为6mm。此外,主衬底12和次衬底22的拉伸模量分别被设定为70GPa和2GPa。应当认识到,可以利用由主衬底12和次衬底22的设计参数确定的各种尺寸和厚度以及拉伸模量。下面的曲线图被用于说明使用一组参数的过程,用于示例性目的。
参考图7,其示出孔半径和肩部宽度作为总应力的函数的曲线图。在一个方面,生成曲线图,使得包覆成型的步骤包括使用屈服应力平面以及孔的尺寸和头部的尺寸对径向应力、切向应力和剪切应力的计算值分段。再次,应当认识到,可以针对主衬底12和次衬底22的各种材料生成这些曲线图。
参考图8,其示出对于各种负载参数的次衬底22的肩部宽度、孔半径和厚度的曲线图。该曲线图考虑衬底厚度的设计变量。使用对于各种负载和次衬底22的各种厚度的参数分析来生成曲线图。
参考图9,其示出孔半径和肩部宽度作为总应力的函数的曲线图。通过使用主衬底12和次衬底22的拉伸模量对主衬底12和次衬底22执行参数分析来产生该曲线图。该曲线图考虑主衬底12和次衬底22的单独强度特性以满足指定的负载条件。
该方法提供可验证的过程,以使用包覆成型过程在不同的主衬底12和次衬底22之间产生机械联锁装置24。可以使用各种包覆成型过程,诸如注射成型和共模以及压缩成型。该过程将允许为期望的负载应用指定具体的联锁装置24。

Claims (21)

1.一种机械耦合组件,其包括:
主衬底,其具有形成在其中的至少一个开孔,所述主衬底包括由材料厚度分开的第一表面和相对的第二表面;
次衬底,包括与所述次衬底整体形成的至少一个机械联锁装置,所述至少一个机械联锁装置延伸穿过所述开孔并且跨越所述第一表面和所述第二表面,所述机械联锁装置包括靠近所述第一表面设置的主体、靠近所述第二表面设置的头部和连接所述主体和所述头部的过渡部分;
其中所述主体包括围绕所述开孔的中心线在其中纵向形成的孔,并且所述主衬底和所述次衬底被机械地连结。
2.如权利要求1的机械耦合组件,其中所述主体和所述头部具有均匀的厚度。
3.如权利要求1的机械耦合组件,其中所述主体和所述头部围绕所述开孔径向延伸相同的距离。
4.如权利要求1的机械耦合组件,其中所述主衬底由金属形成,并且所述次衬底由聚合物材料形成。
5.如权利要求4的机械耦合组件,其中所述聚合物材料是纤维增强聚合物材料。
6.如权利要求1的机械耦合组件,其中所述过渡部分包括形成在其中的容纳所述主衬底的径向槽。
7.如权利要求1的机械耦合组件,其中所述孔的尺寸被设计以限定所述头部和所述主体的均匀厚度。
8.如权利要求1的机械耦合组件,其中所述次衬底被包覆成型在所述主衬底上。
9.一种机械耦合组件,其包括:
金属主衬底,其具有形成在其中的至少一个开孔,所述主衬底包括由材料厚度分开的第一表面和相对的第二表面;
聚合物次衬底,其包括与所述次衬底整体形成的至少一个机械联锁装置,所述至少一个机械联锁装置延伸穿过所述开孔并且跨越所述第一表面和所述第二表面,所述机械联锁装置包括靠近所述第一表面设置的主体、靠近所述第二表面设置的头部和连接所述主体和所述头部的过渡部分;
其中所述主体和所述头部具有均匀的厚度,并且所述主体、所述主衬底和所述次衬底被机械地连结。
10.如权利要求9的机械耦合组件,其中所述主体和所述头部围绕所述开孔径向延伸相同的距离。
11.如权利要求9的机械耦合组件,其中所述聚合物材料是纤维增强聚合物材料。
12.如权利要求9的机械耦合组件,其中所述过渡部分包括形成在其中的容纳所述主衬底的径向槽。
13.如权利要求9的机械耦合组件,其中所述次衬底被包覆成型在所述主衬底上。
14.一种形成机械耦合组件的方法,其包括以下步骤:
提供其中形成有至少一个开孔的主衬底;
将次衬底包覆成型到所述主衬底上,形成机械联锁装置,所述机械联锁装置包括靠近所述第一表面设置的主体、靠近所述第二表面设置的头部以及连接所述主体和所述头部的过渡部分;
其中所述主体包括围绕所述开孔的中心线在其中纵向形成的孔,并且所述主衬底和所述次衬底被机械地连结。
15.如根据权利要求14所述的方法,其中提供主衬底的步骤包括:
确定所述主衬底的外半径;
确定所述开孔的尺寸;
确定所述主衬底的厚度;
选择具有拉伸模量的主衬底材料。
16.如权利要求14的方法,其中所述包覆成型的步骤包括:
确定所述头部的尺寸;
确定所述次衬底的厚度;
选择具有拉伸模量的次衬底材料。
17.如权利要求14的方法,其中所述包覆成型的步骤包括:在各个位置处利用点负载计算用于板偏转的极性解。
18.根据权利要求17所述的方法,其中所述包覆成型的步骤包括:根据以下等式计算各个位置的径向应力、切向应力和剪切应力:
其中所述径向应力、切向应力和剪切应力的各种应力分量小于机械屈服。
19.如权利要求18所述的方法,其中所述包覆成型的步骤包括:使用屈服应力平面和所述孔的尺寸以及所述头部的尺寸对所述径向应力、切向应力和剪切应力的值的计算值分段。
20.如权利要求19的方法,其中所述包覆成型的步骤包括:针对所述次衬底的各种厚度,对各种负载执行参数分析。
21.如权利要求20的方法,其中所述包覆成型的步骤包括:使用所述主衬底和所述次衬底的拉伸模量,对主衬底和次衬底执行参数分析。
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