неразъемное соединение

Формула изобретения

1. Неразъемное соединение, содержащее законцовку в виде втулки с хвостовиком на одном конце и торцевым кольцевым пазом на другом и трубчатый элемент из композиционного материала, установленный в пазу законцовки на клее, при этом в законцовке выполнены аксиальные прорези с образованием пар лепестков, каждая из которых включает внутренний и наружный лепестки, притянутые к соответствующим поверхностям трубчатого элемента радиальными крепежными элементами, отличающееся тем, что в него введена переходная втулка с хвостовиком на одном конце и торцевым кольцевым пазом на другом, кроме того, аксиальные прорези выполнены на всю длину законцовки и делят ее на сектора, причем хвостовик каждого из секторов установлен в кольцевом торцевом пазу переходной втулки с внутренним и наружным зазором по отношению к стенкам паза при помощи радиальных крепежных элементов с возможностью скольжения относительно этих элементов.

2. Неразъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что хвостовик каждого сектора в месте расположения радиального крепежного элемента снабжен сферическим вкладышем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и предназначено для использования в стержневых конструкциях, например ферменных или рамных, выполненных с использованием трубчатых элементов из композиционных материалов.

Такого рода конструкции обычно включают в себя, кроме вышеупомянутых трубчатых элементов, опорные кронштейны, которые располагаются в узлах схождения стержней и служат для стыковки с сопрягаемыми силовыми конструкциями, например ферменными или рамными, а также для крепления сосредоточенных масс. Стыковка с вышеупомянутыми элементами осуществляется обычно посредством резьбовых элементов, поэтому опорные кронштейны чаще всего изготавливаются из металлических сплавов.

Для присоединения трубчатых элементов из композиционных материалов к металлическим опорным кронштейнам на концах трубчатых элементов необходимо предусмотреть специальные переходные законцовки, обычно выполняемые из того же материала, что и опорные кронштейны.

Известно неразъемное соединение (патент США № 4256333), содержащее законцовку в виде втулки с хвостовиком на одном конце и торцевым кольцевым пазом на другом и трубчатый элемент, установленный в пазу на клее.

Учитывая однородность материалов законцовки и трубчатого элемента, такое соединение обладает достаточной работоспособностью, в том числе в условиях воздействия знакопеременных температур, так как при изменении температурных условий происходит пропорциональное расширение или сжатие входящих в состав соединения элементов. Однако в случае выполнения законцовки из металла работоспособность такого соединения резко снижается, и в первую очередь в клеевых швах, особенно если подобная конструкция эксплуатируется в условиях большого перепада температур.

Наиболее близким аналогом является неразъемное соединение по патенту РФ № 2292490, в котором представлено неразъемное соединение тонкостенного трубчатого элемента из высокопрочного композиционного материала с переходными законцовками из металлического сплава. Данное неразъемное соединение содержит законцовку, выполненную в виде втулки с хвостовиком на одном конце и торцевым кольцевым пазом на другом, и трубчатый элемент из композиционного материала, установленный в пазу законцовки на клее. Одновременно в законцовке со стороны торцевого кольцевого паза выполнены аксиальные прорези с образованием пар лепестков, каждая из которых включает внутренний и наружный лепестки, притянутые к соответствующим поверхностям трубчатого элемента радиальными крепежными элементами. Кроме того, лепестки могут быть выполнены с одинаковой изгибной жесткостью в поперечных сечениях, а трубчатый элемент выполнен с упрочненными в радиальном направлении концами.

Такое конструктивное решение узла соединения трубчатого стержня из композиционного материала с металлической законцовкой обеспечивает частичное снижение величин раздирающих нагрузок на клеевые швы узла за счет некоторого изгиба лепестков законцовки. Раздирающие нагрузки возникают в клеевых швах узла вследствие тепловой деформации металлической законцовки относительно трубчатого элемента от воздействия перепадов температур.

Конструкционные металлические сплавы, используемые для изготовления переходных законцовок (чаще всего это алюминиевые, магниевые либо титановые сплавы), обладают коэффициентами теплового расширения, значительно превышающими коэффициенты теплового расширения композиционных материалов тонкостенных труб. При этом в случае использования вышеописанной стержневой конструкции в составе, например, фермы для крепления криогенного топливного бака, перепады температур между трубчатым стержнем и законцовкой могут достигать нескольких сот °C. Так как тепловые деформации конструктивных элементов законцовок, возникающие при такого рода перепадах температур, значительно превышают соответствующие тепловые деформации трубчатых стержней из композиционного материала, то даже частичное снижение величин раздирающих нагрузок в клеевых швах узла за счет некоторого изгиба лепестков законцовки зачастую оставляет уровень этих нагрузок достаточно высоким.

Основным недостатком вышеописанного неразъемного соединения является то, что оно не обеспечивает полной разгрузки трубчатого стержня из композиционного материала от раздирающих нагрузок на клеевые швы при деформациях металлических законцовок относительно трубчатого стержня вследствие воздействия на конструкцию значительных перепадов температур. Данный недостаток может усугубляться, если такое воздействие осуществляется многократно.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка приведенного выше неразъемного соединения трубчатых стержней из композиционных материалов с металлическими законцовками, а именно практически полное устранение раздирающих нагрузок на клеевые швы при деформациях законцовок от воздействия на конструкцию значительных перепадов температур, в том числе если это воздействие производится многократно.

Поставленная задача решается тем, что в неразъемное соединение, содержащее законцовку в виде втулки с хвостовиком на одном конце и торцевым кольцевым пазом на другом и трубчатый элемент из композиционного материала, установленный в пазу законцовки на клее, при этом в законцовке выполнены аксиальные прорези с образованием пар лепестков, каждая из которых включает внутренний и наружный лепестки, притянутые к соответствующим поверхностям трубчатого элемента радиальными крепежными элементами, в отличие от прототипа введена переходная втулка с хвостовиком на одном конце и торцевым кольцевым пазом на другом, кроме того, аксиальные прорези выполнены на всю длину законцовки и делят ее на сектора, причем хвостовик каждого сектора размещен в кольцевом торцевом пазу переходной втулки с внутренним и наружным зазорами по отношению к стенкам паза при помощи радиального крепежного элемента с возможностью скольжения относительно этого элемента. Кроме того, хвостовик каждого сектора в месте расположения радиального крепежного элемента может быть снабжен сферическим вкладышем.

Техническим результатом является повышение эксплуатационной надежности конструкции.

Данный результат достигается тем, что:

- первая законцовка в виде втулки делится на сектора сквозными аксиальными пазами, каждый из секторов в результате оказывается автономно закрепленным на трубчатом элементе и совершает при воздействии на конструкцию перепадов температур перемещения вместе с трубчатым стержнем, что приводит к исчезновению радиальной составляющей тепловых перемещений секторов первой втулки относительно трубчатого стержня и связанных с этим раздирающих нагрузок в клеевых швах соединения этих секторов с трубчатым стержнем;

- в состав законцовки введена переходная втулка также с торцевым кольцевым пазом на одном конце и хвостовиком на другом;

- хвостовики секторов законцовки размещены в кольцевом пазу переходной втулки с зазорами по отношению к стенкам паза и соединены с ними посредством радиальных крепежных элементов, каждый из которых установлен радиально к оси законцовки; каждый сектор имеет возможность скольжения относительно крепежного элемента;

- в месте расположения крепежного элемента хвостовик каждого сектора может быть снабжен сферическим вкладышем.

Изобретение поясняется чертежами:

- фиг.1 - общий вид неразъемного соединения в изометрии;

- фиг.2 - общий вид неразъемного соединения;

- фиг.3 - поперечное сечение А-А;

- фиг.4 - выносной элемент Б со сферическими вкладышами;

- фиг.5 - поперечное сечение В-В.

Неразъемное соединение содержит трубчатый элемент в виде стержня 1 из композиционного материала с концевыми участками 2 и законцовки в виде втулок 3. Каждая втулка 3 выполнена с хвостовиком 4 на одном конце и торцевым кольцевым пазом 5 в виде проточки для размещения концевого участка 2 стержня 1 на другом. Стержень 1 установлен в пазу 5 каждой втулки 3 на клее с образованием клеевых швов 6. Одновременно втулка 3 разделена на сектора 7 посредством сквозных аксиальных прорезей 8, проходящих через всю ее длину и образующих в зоне торцевого кольцевого паза 5 каждого из секторов наружные 9 и внутренние 10 лепестки, притянутые к соответствующим поверхностям стержня 1 крепежными элементами 11. При этом каждый сектор 7 имеет свой хвостовик 4(1). Дополнительно введены переходные втулки 12, каждая из которых имеет по аналогии с втулкой 3 хвостовик 13 для присоединения, например, к раме или ферме и торцевой кольцевой паз 14 в виде проточки. Торцевой кольцевой паз 14 переходной втулки 12 служит для размещения хвостовиков 4(1), принадлежащих секторам 7 втулки 3. При помощи крепежных элементов в виде штырей 15, проходящих через выполненные в хвостовиках 4(1) радиальные отверстия, каждый сектор 7 размещен в торцевом пазу 14 между его стенками наружной 16 и внутренней 17 с кольцевыми зазорами k и t по отношению к его наружной 18 и внутренней 19 кольцевым поверхностям соответственно. Причем хвостовик 4(1) может скользить относительно этого штыря 15. Лучшее скольжение может быть обеспечено, например, путем установки вкладыша 20 из материала с низким коэффициентом трения. Для снижения вероятности закусывания (заклинивания) какого-либо из штырей 15 в хвостовках 4(1) секторов 7 могут быть установлены сферические вкладыши 21. Закусывание может произойти вследствие разворота любого из хвостовиков 4(1) относительно соответствующего штыря 15 вместе со стержнем 1, например, из-за поперечных деформаций последнего, а также из-за неравномерной тепловой деформации концевого участка стержня в поперечном сечении вследствие разностенности стержня или возможной неоднородности в структуре его материала.

При силовом воздействии на заявляемое неразъемное соединение, используемое, например, в составе фермы, возникающая нагрузка будет передаваться от сопрягаемого элемента фермы (не показан) хвостовику 13 переходной втулки 12. Далее через стенки 16 и 17 паза 14 переходной втулки 12, штыри 15 и отверстия, в которых они установлены, нагрузка передается на хвостовики 4(1) соответствующих секторов 7, на которые посредством аксиальных прорезей 8 расчленена втулка 3. После этого через входящие в состав секторов 7 наружные 9 и внутренние 10 лепестки, а также клеевые швы 6 нагрузка через концевые участки 2 стержня 1 перетекает на сам трубчатый стержень. Одновременное воздействие на рассматриваемую конструкцию значительного перепада температур приведет к пропорциональному изменению (уменьшению либо увеличению) габаритов переходной втулки 12 относительно габаритов трубчатого стержня 1 с закрепленными на нем секторами 7. При этом прикрепленные к стенкам 16 и 17 торцевого паза 14 переходной втулки 12 штыри 15 будут перемещаться вместе с этой втулкой, проскальзывая относительно соответствующих отверстий секторов 7. При этом кольцевые зазоры k и t соответственно будут изменяться. Величины кольцевых зазоров k и t зависят, в первую очередь, от габаритов узла и от выбранных для стержня 1 и переходной втулки 12 материалов, вернее коэффициентов теплового расширения этих материалов. Однако кроме указанных параметров на величине этих зазоров неизбежно сказываются также диапазоны рабочих температур заявляемого соединения. Например, использование заявляемого неразъемного соединения в составе фермы подвески емкостей под криогенные компоненты топлива ракет предполагает уменьшение рабочей температуры заявляемого соединения в процессе эксплуатации, следовательно, и сокращение габаритов переходной втулки 12 по отношению к композиционному трубчатому стержню 1, из-за чего внутренний зазор t должен быть значительно больше наружного k. В случае, если условия эксплуатации заявляемого неразъемного соединения предполагают увеличение рабочей температуры по сравнению с начальной, то большим должен быть назначен наружный зазор k.

Таким образом, заявляемое неразъемное соединение позволяет повысить эксплуатационную надежность подобных конструкций за счет практически полного устранения раздирающих нагрузок на клеевые швы, соединяющие трубчатый элемент с законцовкой, при деформациях, возникающих от воздействия на конструкцию значительных перепадов температур, в том числе если это воздействие производится многократно.