Неразъемное соединение

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к неразъемным соединениям стержневых конструкций, выполненных с использованием трубчатых элементов из композиционных материалов. Согласно изобретению неразъемное соединение содержит 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. Причем в законцовке со стороны торцевого кольцевого паза выполнены аксиальные прорези с образованием пар лепестков, каждая из которых включает внутренний и наружный лепестки. При этом пары внутренних и наружных лепестков притянуты к соответствующим поверхностям трубчатого элемента радиальными крепежными элементами. Внутренние и наружные лепестки могут быть выполнены с одинаковой изгибной жесткостью в поперечных сечениях. Трубчатый элемент может быть выполнен с упрочненными в радиальном направлении концами. Изобретение позволяет снизить разрывающие нагрузки, возникающие в клеевых швах соединения, в условиях значительного перепада температур, и тем самым повысить надежность неразъемного соединения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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

Такого рода конструкции обычно включают в себя кроме трубчатых элементов опорные кронштейны, которые располагаются в узлах схождения трубчатых элементов и служат для стыковки с сопрягаемыми силовыми конструкциями и крепления к ним разного рода сосредоточенных масс, что осуществляется в основном посредством резьбовых элементов. По этой причине опорные кронштейны обычно изготавливаются из металлических сплавов. Кроме того, для присоединения трубчатых элементов из композиционных материалов к металлическим опорным кронштейнам на концах трубчатых элементов необходимо предусмотреть специальные законцовки, выполняемые обычно из того же материала, что и кронштейны.

Именно вопросы обеспечения надежного соединения тонкостенных трубчатых композиционных элементов с законцовками, обеспечивающими их стыковку к опорным металлическим кронштейнам, и являются наиболее проблемными при разработке подобных конструкций.

Известны разного рода узлы соединения трубчатых элементов с соответствующими законцовками, например, патенты США №№4626001 и 4371199.

Общим для этих соединений, каждый из которых включает в себя тонкостенный трубчатый элемент, вставленный в зазор между двумя втулками - наружной и внутренней (во втором случае роль внутренней втулки выполняет вторая труба диаметром меньшим, чем у первой) - является то, что соединение трубчатого элемента с законцовкой обеспечивают путем обжатия наружной втулки. При этом бурты, выполненные на обращенных к трубе поверхностях втулок, своими острыми краями внедряются в материал тонкостенного трубчатого элемента, обеспечивая тем самым достаточную механическую связь между трубчатым элементом и законцовкой. Одновременно свободный конец наружной втулки законцовки может использоваться для присоединения к опорному кронштейну, например, посредством сварки.

Такие узлы соединения трубчатых элементов с соответствующими законцовками применимы для случаев, когда материал трубы обладает достаточно высокой пластичностью. Однако известно, что такие высокомодульные и высокопрочные материалы как углепластики и органопластики являются скорее хрупкими, чем пластичными, при этом они особенно чувствительны именно к контактным механическим воздействиям. Вышеупомянутые качества этих материалов определяется, главным образом, свойствами клеев, используемых в таких материалах в качестве связующего. Поэтому соединение трубчатых элементов из таких материалов с их металлическими законцовками вышеописанным способом неосуществимо, так как разрушение самих трубчатых элементов может произойти еще в процессе выполнения подобного соединения.

Наиболее распространенным способом присоединения переходных законцовок к трубчатым элементам из высокопрочных композиционных материалов является склейка.

Подобный узел соединения, хотя и для случая, когда законцовка трубчатого элемента выполнена из пластмассы, описан в патенте США №4256333, и взят в данном случае за прототип.

Неразъемное соединение по патенту №4256333 содержит 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. В связи с чем ни один из клеевых швов соединения не испытывает разрывающих нагрузок, которые являются наиболее разрушительными для такого рода соединений. Однако в случае применения в подобных соединениях разнородных материалов, как, например, в ранее упоминавшемся варианте совмещения металлической законцовки с трубчатым элементом из композиционного материала, значительно усложняется задача обеспечения их работоспособности, в первую очередь в клеевых швах, особенно, если подобная конструкция эксплуатируется в условиях большого перепада температур.

Характерным примером трубчатых конструкций, работающих при больших перепадах температур, является ферма с трубчатыми элементами из композиционных материалов, являющихся хорошими теплоизоляторами, для крепления в ракетно-космических изделиях емкостей с криогенными компонентами топлива. Перепады температур для подобного рода конструкций могут составить от 100-120°С, которые необходимы для отверждения современных высококачественных многокомпонентных клеев при выполнении узла соединения, до минус 250-253°С, возникающих в элементах конструкции, например, при заправке емкости жидководородным топливом. Известно, что коэффициенты теплового расширения конструкционных металлических сплавов значительно превышают коэффициенты теплового расширения композиционных материалов. В связи с чем тепловые деформации конструктивных элементов металлических законцовок, возникающие при такого рода перепадах температур, превышают соответствующие тепловые деформации трубчатых элементов из композиционных материалов. Это может привести не только к возникновению в клеевых швах соединения значительных разрушающих нагрузок, но также к появлению в этой зоне продольных трещин в самих трубчатых элементах. Все это снижает качество и надежность подобных узлов соединения законцовок с трубчатыми элементами и является их существенным недостатком.

Задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационной надежности неразъемного соединения трубчатого элемента из композиционных материалов с законцовкой в условиях значительного перепада температур.

Поставленная задача решается тем, что в неразъемном соединении, содержащем 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, в законцовке со стороны паза выполнены аксиальные прорези с образованием пар лепестков, каждая из которых включает внутренний и наружный лепестки, при этом пары внутренних и наружных лепестков притянуты к соответствующим поверхностям трубчатого элемента радиальными крепежными элементами. Кроме того, внутренние и наружные лепестки могут быть выполнены с одинаковой изгибной жесткостью в поперечных сечениях. Для исключения возможного возникновения продольных трещин в трубчатом элементе он выполнен с упрочненными в радиальном направлении концами.

Техническим результатом такого конструктивного решения неразъемного соединения трубчатого элемента из композиционного материала с металлической законцовкой является снижение разрывающих нагрузок, возникающих в клеевых швах соединения от воздействия перепадов температур. Это снижение обеспечивается тем, что тепловое радиальное расширение или сжатие металлической законцовки относительно соответствующих геометрических параметров трубчатого стержня теперь в значительной степени компенсируется изгибом лепестков законцовки, при этом крепежные элементы гарантируют сохранение прилегания лепестков к соответствующим поверхностям трубчатого стержня и тем самым обеспечивают сравнительно стабильные условия работы клеевых швов. Одновременно, введение в состав соединения радиально расположенных на лепестках законцовки крепежных элементов позволяет обеспечить надежное поджатие соответствующих поверхностей лепестков законцовок к трубчатому элементу с необходимым зазором уже в процессе их склейки, что является одним из главных условий образования качественных клеевых швов. Дополнительным фактором, позволяющим обеспечить равномерность притягивания, а соответственно и прилегания пар внутренних и наружных лепестков законцовки к соответствующим поверхностям трубчатого элемента является возможность выполнения каждой пары этих лепестков с одинаковой или близкой друг к другу изгибной жесткостью. Такой результат может быть достигнут путем подбора характеристик соответствующих сечений лепестков по площади и форме за счет необходимых изменений их ширины и толщины еще при изготовлении законцовки.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг.1 - изометрия неразъемного соединения;

фиг.2 - общий вид;

фиг.3 - сечение по А-А.

Заявляемое неразъемное соединение содержит металлическую законцовку 1, выполненную в виде втулки с хвостовиком 2, предназначенным для стыковки с сопрягаемыми элементами (не показаны), на одном конце и торцевым кольцевым пазом 3, соосным с законцовкой, на другом. При этом законцовка 1 в зоне паза 3 разделена посредством сквозных аксиальных прорезей 4 на наружные 5 и внутренние 6 лепестки, образующие пары: наружный-внутренний. Трубчатый элемент 7, выполненный из композиционного материала, одним из своих концевых участков 8, имеющих радиально упрочняющие слои 9, полученные в процессе формовки путем, например, поперечной подмотки стеклянной лентой или нитью, размещен в пазу 3 на клее, образующем клеевые швы 10. Каждая пара лепестков 5 и 6 законцовки 1 притянута к соответствующим наружной 11 и внутренней 12 поверхностям концевого участка 8 трубчатого элемента 7 радиально расположенными крепежными элементами, например, винтом 13 и гайкой 14, которые устанавливают в процессе выполнения склейки. Для предотвращения изгибных напряжений при затяжке под винт 13 и гайку 14 подложены сферические шайбы 15, при этом в лепестках выполнены соответствующие сферические гнезда 16.

В результате силового воздействия на подобное соединение, находящееся, например, в составе фермы, возникающие в конструкции нагрузки передаются в том или ином направлении от сопрягаемого элемента фермы через состыкованный с ним хвостовик 2 законцовки 1, далее через расположенные на другом конце законцовки наружные 5 и внутренние 6 лепестки и клеевые швы 10 на трубчатый стержень 7 из композиционного материала. При этом деформации, возникающие в соединении вследствие одновременного воздействия на него значительного перепада температур, не приводят к особым изменениям характера нагружения соединения, так как винты 13 с гайками 14 и шайбами 15, радиально расположенные в лепестках 5 и 6, обеспечивают прилегание последних к соответствующим поверхностям 11 и 12 концевого участка 8 трубчатого элемента 7, обеспечивая тем самым работоспособность клеевых швов 10.

Таким образом, рассматриваемое неразъемное соединение трубчатого элемента из композиционных материалов с металлической законцовкой позволяет повысить эксплуатационную надежность подобных конструкций, в том числе и в условиях значительного перепада температур за счет снижения разрывающих нагрузок, возникающих при этом в клеевых швах соединения, одновременно уменьшается возможность возникновения продольных трещин в тонкостенном трубчатом элементе.

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, отличающееся тем, что в законцовке со стороны торцевого кольцевого паза выполнены аксиальные прорези с образованием пар лепестков, каждая из которых включает внутренний и наружный лепестки, при этом пары внутренних и наружных лепестков притянуты к соответствующим поверхностям трубчатого элемента радиальными крепежными элементами.

2. Неразъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что внутренние и наружные лепестки выполнены с одинаковой изгибной жесткостью в поперечных сечениях.

3. Неразъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что трубчатый элемент выполнен с упрочненными в радиальном направлении концами.