ШАРНИРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ ОТБОРА ВОЗДУХА
HINGE JOINTS FOR AIR INTAKE SYSTEMS

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
[0001] Настоящее изобретение в общем относится к шарнирным соединениям для систем трубопроводов, более конкретно к герметичным узлам шарнирных соединений для гибкого соединения трубопроводов, которые перемещают текучие среды с высокой температурой и высоким давлением, например для систем трубопроводов для отбора воздуха в самолетах или космических аппаратах, а более конкретно к конструкциям шарнирных соединений с уменьшенным весом, которые поддерживают достаточную структурную целостность и обеспечивают подходящую гибкость для высокоэффективного аэрокосмического применения.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
[0002] Системы трубопроводов обычно используют для транспортировки текучих сред под высоким давлением и с высокой температурой через секции системы. Системы трубопроводов обычно конструируют из ряда трубопроводов, которые соединены друг с другом с возможностью прохождения текучей среды посредством герметичных соединений, например, внутри самолета или космического аппарата. В зависимости от конкретной системы герметичные соединения могут обеспечивать некоторую степень угловой, осевой и/или боковой гибкости, чтобы соединения могли поворачиваться и/или выдерживать вибрацию, турбулентность, напряжения, а также значительные колебания температуры и давления.
[0003] Турбинные двигатели внутреннего сгорания работают за счет сжатия воздуха через одну или несколько ступеней компрессора, который весь или некоторая его часть смешивается с газом и воспламеняется в ступени камеры сгорания. Некоторые турбинные двигатели - например, турбовентиляторные двигатели, реактивные двигатели и ракетные двигатели, среди прочего - могут сжимать больше воздуха, чем необходимо для сгорания. Некоторая часть этого избыточного сжатого воздуха может подаваться через систему воздуховодов отбора воздуха самолета или космического аппарата для целей, не связанных с тяговым усилием, например, для создания давления и/или обогрева кабины, защиты от обледенения двигателя и поверхностей летательного аппарата, и приведения в действие пневматических исполнительных механизмов, среди других возможных вариантов использования.
[0004] Обычно, сжатый воздух в системах трубопроводов для отбора воздуха выходит из ступени компрессора турбинного двигателя при температурах до 1300° по Фаренгейту и при давлении до 1000 PSIG, хотя температуры и давления меняются во время работы. Колебания температуры и давления могут создавать напряжения в трубопроводах для отбора воздуха, которые, если их не ослабить, могут повредить систему трубопроводов. Поэтому нужно обеспечить герметичные соединения трубопроводов, которые допускают некоторую степень расширения, вращения, перемещения и/или наклона, чтобы выдерживать напряжения, вызванные колебаниями температуры и давления, а также напряжениями, силами, вибрациями и турбулентностью самого полета. Кроме того, системы трубопроводов для отбора воздуха обычно устанавливают в зоны с неправильной формой самолета или космического аппарата. Таким образом, также нужно обеспечить гибкие соединения, способные наклонять трубопроводы друг относительно друга, для установки внутри конкретного ограниченного пространства.
[0005] Один известный гибкий стыковочный узел для систем отбора воздуха представляет собой шаровое соединение, которое содержит пару комплементарных сферических оболочек, позволяющих наклонять один трубопровод относительно соседнего трубопровода. К обоим концам шарового соединения может быть герметично прикреплен сильфон для обеспечения непроницаемого для текучей среды прохода для газа, проходящего через центр шарового соединения. Хотя шаровые соединения могут обеспечивать высокие уровни углового отклонения, для обеспечения достаточного уровня их структурной целостности требуется значительное количество материала, наряду со значительной величиной трения и сопротивления.
[0006] Шарнирные соединения также используют в системах отбора воздуха для обеспечения достаточной гибкости между соседними трубопроводами. Шарнирные соединения обычно ограничены вращением с одной или двумя степенями свободы, при этом оси вращения проходят через лапки хомута, которые образуют поворотное соединение, а также центральное кольцо шарнирного соединения. Обычный узел шарнирного соединения содержит пару хомутов, которые жестко соединены с кольцом шарнирного соединения штифтами или лапками, проходящими через выровненные отверстия в хомутах и кольце шарнирного соединения с интервалами 90°.
[0007] Существующие конструкции шарнирных соединений могут обеспечивать уровни гибкости и прочности, которые соответствуют или превышают определенный набор требований. Однако существующие шарнирные соединения обычно не «оптимизированы» - для минимизации веса и/или количества металла, используемого для изготовления компонентов.
[0008] Соответственно, существует возможность снижения веса самолета или космического аппарата за счет оптимизации геометрии и/или топологии шарнирных соединений, используемых в системе трубопроводов для отбора воздуха. Поэтому целью настоящего изобретения является создание узлов шарнирных соединений с уменьшенным весом, которые поддерживают достаточную структурную целостность для применений при высоких температурах и высоком давлении.
[0009] Эти и другие цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего подробного письменного описания, фигур и формулы изобретения.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
[0010] Для достижения вышеупомянутых целей в вариантах осуществления настоящего изобретения представлены узлы шарнирных соединений, которые улучшают существующие шарнирные соединения путем удаления или устранения постороннего материала из узла шарнирного соединения таким образом, чтобы по существу сохранять соответствие одному или нескольким конструктивным требованиям. В отличие от компонентов традиционного шарнирного соединения, которые конструируют из по существу сплошных кольцевых компонентов, шарнирные соединения, изготовленные согласно настоящему раскрытию, обладают более сложной топологией, в которой отсутствует конструктивно несущественный материал. В некоторых вариантах осуществления конкретные параметры шарнирного соединения могут быть геометрически оптимизированы и/или топологически оптимизированы с учетом набора требований и ограничений для создания компонентов, которые минимизируют или уменьшают вес узла шарнирного соединения, одновременно снижая трение (и износ) между вращающимися или перемещающимися местами контакта. Алгоритм оптимизации может оптимизировать компоновку материала для компонента шарнирного соединения в заданном пространстве, чтобы выдерживать определенный диапазон нагрузок (например, температуры, давления, углы изгиба и так далее) и учитывать любые граничные условия и другие ограничения, например, ограничения конкретного способа изготовления (например, разрешающую способность машины для аддитивного производства), которые могут повлиять на эффективную конструкцию и улучшенную работу шарнирного соединения. Можно определить параметры аспектов этих технических требований и проектных ограничений и использовать для создания, оптимизации или иным образом уточнения геометрии и/или топологии одного или нескольких компонентов шарнирного соединения.
[0011] Иллюстративный узел шарнирного соединения содержит два противоположных кольцевых хомута, центральное кольцо шарнирного соединения, расположенное между хомутами и сильфоном, проходящим между хомутами. Каждый хомут содержит обод для соединения хомута с соответствующей трубой или трубопроводом, а также пару лепестков, которые проходят поверх и над частью центрального кольца шарнирного соединения с последовательно чередующимися расположениями 90°. Среди других признаков кольцо шарнирного соединения может содержать распорки или косые опоры, которые образуют «сетку сдвига», проходящую по окружности вокруг кольца шарнирного соединения. Сетка сдвига может служить для придания гибкости кольцу шарнирного соединения таким образом, чтобы оказывать достаточное сопротивление сдвигающим силам. Кольцо шарнирного соединения может содержать набор расточенных отверстий, которые разнесены по окружности вокруг кольца, каждое из которых выровнено с соответствующим расточенным отверстием лепестка хомута. Штифты проходят через выровненные расточенные отверстия для соединения хомутов с кольцом шарнирного соединения.
[0012] В иллюстративных вариантах исполнения лепестки на каждом хомуте расположены приблизительно на 180° друг от друга, а расточенные отверстия на кольце шарнирного соединения разнесены приблизительно на 90° друг от друга. В этой конфигурации соединение между каждым хомутом и кольцом шарнирного соединения образует поворотное соединение, допускающее некоторую величину углового отклонения вокруг оси, проходящей через пару расточенных отверстий лепестка хомута. Хомуты могут поворачиваться примерно на 90° относительно друг друга, так что ось вращения одного хомута перпендикулярна оси вращения другого хомута. Таким образом, шарнирное соединение может допускать угловое отклонение между двумя соседними трубопроводами с двумя степенями свободы.
[0013] В некоторых вариантах осуществления компоненты узла шарнирного соединения могут быть изготовлены с использованием процессов аддитивного производства, таких как прямое лазерное спекание металла (DMLS). Некоторые методы аддитивного производства позволяют создавать сложные и точные конструкции, которые было бы трудно или невозможно создать с использованием других производственных технологий. В вариантах осуществления настоящего раскрытия использована улучшенная точность, обеспечиваемая аддитивным производством для создания надежных конструкций, в которых можно использовать меньше компонентов по сравнению с традиционными шарнирными соединениями за счет встраивания множества функций в один элемент. Например, некоторые варианты исполнения настоящего раскрытия включают в себя хомуты, которые содержат проходящую в осевом направлении и по окружности узкую щель рядом с их проксимальными концами (осевыми концами хомутов, которые обращены друг к другу при сборке). Каждая щель выполнена с возможностью приема конца сильфона, который может быть приварен, припаян или иным образом герметично соединен с хомутом. Тогда как предыдущие конструкции шарнирных соединений имеют концы сильфона, расположенные между двумя или более отдельными компонентами, в некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия щели сильфона встроены в сам хомут, снижая за счет этого количество шагов для сборки шарнирного соединения.
[0014] Другие аспекты структуры и конструкции шарнирного соединения могут быть изменены с учетом пространственных ограничений, свойств материала и ожидаемых механических и/или термических напряжений, среди других возможных факторов. Например, конкретный процесс аддитивного производства может иметь одно или несколько ограничений (например, конечное разрешение, типы форм или кривых, которые могут быть получены, и так далее) при работе с конкретным типом материала, например, титаном). Можно учитывать множество факторов, которые служат в качестве параметров, которые ограничивают, информируют или иным образом влияют на геометрию и/или топологию конкретной конструкции шарнирного соединения.
[0015] Хотя различные иллюстративные конструкции шарнирных соединений описаны выше и более подробно ниже и показаны на фигурах, нужно понимать, что конкретные параметры, формы и детали, использованные в конкретном варианте исполнения, могут зависеть от проектных ограничений и технических требований этого конкретного варианта исполнения. Конкретные примеры, показанные и описанные в данном документе, представлены с целью объяснения. Тем не менее, различные геометрии и топологии, не показанные и не описанные явно в данном документе, можно использовать для достижения целей настоящего раскрытия, на основе описанных в данном документе методов оптимизации. Настоящая заявка не ограничена явно предоставленными примерами.
[0016] Согласно первому аспекту настоящего изобретения представлен герметичный стыковочный узел для транспортировки текучей среды с высокой температурой и высоким давлением между соседними трубопроводами. Стыковочный узел содержит кольцо шарнирного соединения, содержащее по меньшей мере одну пару перекрывающихся распорок, проходящих по окружности вокруг части кольца шарнирного соединения, а также набор расточенных отверстий, разнесенных по окружности вокруг кольца шарнирного соединения. Стыковочный узел также содержит первый хомут, имеющий кольцевой обод, выполненный с возможностью концентрического расположения внутри части кольца шарнирного соединения, и по меньшей мере два лепестка, выполненных в виде единого целого с ободом. Каждый лепесток проходит в радиальном направлении наружу и в осевом направлении поверх части кольца шарнирного соединения. Кроме того, каждый лепесток имеет проходящее через него расточенное отверстие для выравнивания с соответствующим расточенным отверстием кольца шарнирного соединения. Первый хомут выполнен с возможностью герметичного соединения с трубопроводом для транспортировки текучей среды с высокой температурой и высоким давлением, таким как трубопровод системы отбора воздуха. Стыковочный узел также содержит второй хомут, имеющий кольцевой обод, выполненный с возможностью концентрического расположения внутри части кольца шарнирного соединения, и по меньшей мере два лепестка, выполненных в виде единого целого с ободом. Каждый лепесток проходит в радиальном направлении наружу и в осевом направлении поверх части кольца шарнирного соединения, и каждый имеет проходящее через него расточенное отверстие для выравнивания с соответствующим расточенным отверстием кольца шарнирного соединения. Второй хомут выполнен с возможностью герметичного соединения с трубопроводом для транспортировки текучей среды с высокой температурой и высоким давлением, таким как трубопровод системы отбора воздуха. Стыковочный узел также может содержать сильфон, имеющий первый конец и второй конец, причем первый конец герметично соединен с первым хомутом, а второй конец герметично соединен со вторым хомутом.
[0017] В вариантах осуществления согласно первому аспекту по меньшей мере один лепесток указанного первого хомута содержит одно или несколько отверстий, которые образуют сетку сдвига.
[0018] В вариантах осуществления согласно первому аспекту сильфон дополнительно содержит множество витков, расположенных между указанными первым и вторым концами.
[0019] В вариантах осуществления согласно первому аспекту кольцо шарнирного соединения имеет первый конец и второй конец, противоположный в осевом направлении первому концу. Кольцо шарнирного соединения также содержит первую область и вторую область, между которыми по окружности проходит пара перекрывающихся распорок. Пара перекрывающихся распорок содержит первую распорку и вторую распорку. Первая распорка проходит от второй стороны первой области до первой стороны второй области, а вторая распорка проходит от первой стороны второй области до второй стороны первой области. Первая и вторая распорки не соединены в месте нахлеста первой и второй распорок. В этих вариантах осуществления первая распорка может быть выполнена в виде единого целого с первой областью и второй областью, а вторая распорка может быть выполнена в виде единого целого с первой областью и второй областью.
[0020] В вариантах осуществления согласно первому аспекту стыковочный узел также содержит первую пару по меньшей мере двух штифтов, причем каждый штифт проходит через расточенное отверстие кольца шарнирного соединения и соответствующее расточенное отверстие первого хомута. Аналогичным образом, стыковочный узел согласно этим вариантам осуществления дополнительно содержит вторую пару по меньшей мере двух штифтов, причем каждый штифт проходит через расточенное отверстие кольца шарнирного соединения и соответствующее расточенное отверстие второго хомута.
[0021] В вариантах осуществления согласно первому аспекту кольцо шарнирного соединения, первый хомут и/или второй хомут выполнены с использованием одного или нескольких процессов аддитивного производства.
[0022] В вариантах осуществления согласно первому аспекту кольцо шарнирного соединения, первый хомут и/или второй хомут имеет оптимизированную геометрию, которую получают, оптимизируют или уточняют с помощью вычислений на основе одного или нескольких пространственных ограничителей.
[0023] В вариантах осуществления согласно первому аспекту кольцо шарнирного соединения, первый хомут и/или второй хомут имеет оптимизированную топологию, которую можно получать, оптимизировать или уточнять на основе одной или нескольких спецификаций нагрузки, либо путем вычислений, либо путем инженерной оценки.
[0024] В вариантах осуществления согласно первому аспекту кольцевой обод первого хомута содержит дистальную секцию и проксимальную секцию, выполненную в виде единого целого с дистальной секцией. Часть дистальной секции концентрически перекрывает часть проксимальной секции с образованием проходящей в осевом направлении щели, которая выполнена с возможностью приема первого конца сильфона. Кольцевой обод первого хомута может содержать множество отверстий, которые проходят в осевом направлении между внутренней поверхностью кольцевого обода и проходящей в осевом направлении щелью. Отверстия могут быть выполнены с возможностью подачи флюса для пайки к первому концу сильфона, что после пайки вызывает образование в сильфоне непроницаемого для текучей среды уплотнения с указанным первым хомутом.
[0025] Согласно второму аспекту настоящего изобретения представлен герметичный стыковочный узел для транспортировки текучей среды с высокой температурой и высоким давлением между соседними трубопроводами. Стыковочный узел содержит кольцо шарнирного соединения, имеющее набор выполненных в виде единого целого выступающих частей, каждая из которых проходит в радиальном направлении внутрь от внутренней поверхности кольца шарнирного соединения и проходит в осевом направлении к осевому центру указанного кольца шарнирного соединения. Каждая выступающая часть образует область кармана. Кольцо шарнирного соединения также содержит набор расточенных отверстий, разнесенных по окружности вокруг кольца шарнирного соединения. Кроме того, каждая выступающая часть содержит расточенное отверстие, по существу выровненное с расточенным отверстием из набора расточенных отверстий кольца шарнирного соединения. Стыковочный узел также содержит первый хомут, имеющий кольцевой обод, выполненный с возможностью концентрического расположения внутри части кольца шарнирного соединения, и по меньшей мере два лепестка, выполненных в виде единого целого с ободом. Каждый лепесток проходит в радиальном направлении наружу, а в осевом направлении - в соответствующую область кармана кольца шарнирного соединения. Каждый лепесток также содержит расточенное отверстие, которое по существу выровнено с соответствующим расточенным отверстием кольца шарнирного соединения и с соответствующим расточенным отверстием выступающей части, образующей область кармана, в которой расположен лепесток. Стыковочный узел дополнительно содержит второй хомут, имеющий кольцевой обод, выполненный с возможностью концентрического расположения внутри части кольца шарнирного соединения, и по меньшей мере два лепестка, выполненных в виде единого целого с ободом. Каждый лепесток проходит в радиальном направлении наружу, а в осевом направлении - в соответствующую область кармана указанного кольца шарнирного соединения, и содержит расточенное отверстие, которое по существу выровнено с соответствующим расточенным отверстием кольца шарнирного соединения и с соответствующим расточенным отверстием выступающей части, образующей область кармана, в которой расположен лепесток. Кроме того, стыковочный узел содержит набор штифтов, причем каждый штифт проходит через выровненные расточенные отверстия кольца шарнирного соединения, первый хомут и соответствующую выступающую часть кольца шарнирного соединения в конфигурации с двойным сдвигом.
[0026] Согласно третьему аспекту настоящего изобретения представлен способ изготовления герметичного шарнирного соединения для транспортировки текучей среды с высокой температурой и высоким давлением между соседними трубопроводами. Способ предусматривает образование посредством аддитивного производства кольца шарнирного соединения, которое содержит по меньшей мере одну пару перекрывающихся распорок, проходящих по окружности вокруг части кольца шарнирного соединения. Кольцо шарнирного соединения содержит набор расточенных отверстий, разнесенных по окружности вокруг кольца шарнирного соединения. Способ также предусматривает образование посредством аддитивного производства первого хомута, который содержит кольцевой обод, выполненный с возможностью концентрического расположения внутри части кольца шарнирного соединения, и по меньшей мере два лепестка, выполненных в виде единого целого с ободом. Каждый лепесток проходит в радиальном направлении наружу и в осевом направлении поверх части кольца шарнирного соединения и имеет проходящее через него расточенное отверстие для выравнивания с соответствующим расточенным отверстием кольца шарнирного соединения. Способ дополнительно предусматривает образование посредством аддитивного производства второго хомута, который содержит кольцевой обод, выполненный с возможностью концентрического расположения внутри части кольца шарнирного соединения, и по меньшей мере два лепестка, выполненных в виде единого целого с ободом. Каждый лепесток второго хомута проходит в радиальном направлении наружу и в осевом направлении поверх части кольца шарнирного соединения и имеет проходящее через него расточенное отверстие для выравнивания с соответствующим расточенным отверстием кольца шарнирного соединения. Кроме того, способ предусматривает герметичное соединение первого конца сильфона с первым хомутом и второго конца сильфона со вторым хомутом.
[0027] В вариантах осуществления согласно третьему аспекту способ также предусматривает выравнивание расточенных отверстий по меньшей мере двух лепестков первого хомута с первой парой расточенных отверстий из набора расточенных отверстий кольца шарнирного соединения и выравнивание расточенных отверстий по меньшей мере двух лепестков второго хомута со второй парой расточенных отверстий из набора расточенных отверстий кольца шарнирного соединения. Способ может дополнительно предусматривать вставку набора штифтов через каждую соответствующую выровненную пару расточенных отверстий с жестким соединением первого и второго хомутов с кольцом шарнирного соединения.
[0028] В вариантах осуществления согласно третьему аспекту способ также предусматривает образование в кольцевом ободе первого хомута множества разнесенных по окружности отверстий, каждое из которых проходит в осевом направлении между внутренней поверхностью кольцевого обода и проходящей в осевом направлении щелью. Способ может дополнительно предусматривать подачу флюса для пайки через одно или несколько из множества разнесенных по окружности отверстий вблизи первого конца указанного сильфона. Кроме того, способ может предусматривать пайку первого конца указанного сильфона и первого хомута.
[0029] Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения представлен герметичный стыковочный узел для транспортировки текучей среды с высокой температурой и высоким давлением между соседними трубопроводами. Стыковочный узел содержит кольцо шарнирного соединения, первый хомут, второй хомут и сильфон. Первый хомут содержит кольцевой обод, выполненный с возможностью концентрического расположения внутри части кольца шарнирного соединения, и по меньшей мере два лепестка, выполненных в виде единого целого с ободом. Каждый лепесток первого хомута проходит в радиальном направлении наружу и в осевом направлении поверх части кольца шарнирного соединения и содержит один или несколько зазоров, проходящих через него, для создания сетки сдвига из взаимосвязанных косых опор, проходящих через лепесток. Аналогичным образом, второй хомут содержит кольцевой обод, выполненный с возможностью концентрического расположения внутри части кольца шарнирного соединения, и по меньшей мере два лепестка, выполненных в виде единого целого с ободом. Каждый лепесток второго хомута проходит в радиальном направлении наружу и в осевом направлении поверх части кольца шарнирного соединения и содержит один или несколько зазоров, проходящих через него, для создания сетки сдвига из взаимосвязанных косых опор, проходящих через лепесток. Сильфон имеет первый конец и второй конец, причем первый конец герметично соединен с первым хомутом, а второй конец герметично соединен со вторым хомутом.
[0030] Приведенное выше краткое изложение является только иллюстративным и никоим образом не предназначено для ограничения. В дополнение к иллюстративным аспектам, вариантам осуществления и деталям, описанным выше, дополнительные аспекты, варианты осуществления и детали станут очевидными со ссылкой на фигуры, следующее подробное описание и формулу изобретения.
Краткое описание фигур
[0031] Файл патента или заявки содержит по меньшей мере одну цветную фигуру. Копии публикации этого патента или заявки на патент с цветной фигурой (фигурами) будут предоставлены Ведомством по запросу и при уплате необходимой пошлины.
[0032] Для лучшего понимания изобретения и демонстрации того, как его можно реализовать, далее только в качестве примера будут описаны конкретные варианты осуществления, способы и процессы согласно настоящему изобретению со ссылкой на сопровождающие фигуры, на которых:
на фиг. 1А представлен вид в перспективе иллюстративного герметичного узла шарнирного соединения согласно настоящему изобретению;
на фиг. 1В представлен вид в перспективе в разобранном виде иллюстративного узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 1А;
на фиг. 2 представлен вид в перспективе с измененным расположением двух хомутов и кольца шарнирного соединения иллюстративного узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 1А;
на фиг. 3 представлен вид в перспективе двух хомутов иллюстративного узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 1А;
на фиг. 4 представлен вид в перспективе кольца шарнирного соединения иллюстративного узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 1А;
на фиг. 5 представлен увеличенный вид сбоку иллюстративного узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 2 в поперечном разрезе, сделанном по линиям 5-5 и обращенном в направлении стрелок;
на фиг. 6 представлен увеличенный вид сбоку иллюстративного узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 1А в поперечном разрезе, сделанном по линиям 6-6 и обращенном в направлении стрелок;
на фиг. 7А представлен вид в перспективе иллюстративного узла шарнирного соединения, соединенного с парой трубопроводов в выровненном положении;
на фиг. 7В представлен вид в перспективе иллюстративного узла шарнирного соединения, соединенного с парой трубопроводов в отклоненном под углом положении по сравнению с вариантом осуществления фиг. 7А;
на фиг. 8 представлен вид в перспективе еще одного варианта осуществления блокирующего узла шарнирного соединения согласно настоящему изобретению, на котором хомуты расположены внутри центрального кольца шарнирного соединения вместо расположения вокруг кольца шарнирного соединения, как показано на фиг. 1А через 7В;
на фиг. 9 представлен подробный увеличенный вид сбоку иллюстративного блокирующего узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 8;
на фиг. 10 представлен увеличенный вид спереди иллюстративного блокирующего узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 8;
на фиг. 11 представлен фантомный вид в перспективе иллюстративного блокирующего узла шарнирного соединения с по существу прозрачным кольцом шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 8, показанным с целью объяснения;
на фиг. 12 представлен увеличенный фантомный вид в перспективе спереди иллюстративного блокирующего узла шарнирного соединения с по существу прозрачным кольцом шарнирного соединения, показанным с целью объяснения согласно варианту осуществления фиг. 11;
на фиг. 13 представлен увеличенный вид спереди иллюстративного блокирующего узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 11 в поперечном разрезе, сделанном по линиям 13-13 и обращенном в направлении стрелок;
на фиг. 14А представлен вид в перспективе иллюстративного блокирующего узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 11 в поперечном разрезе, сделанном по линиям А-А и обращенном в направлении стрелок;
на фиг. 14В представлен вид в перспективе иллюстративного блокирующего узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 11 в поперечном разрезе, сделанном по линиям В-В и обращенном в направлении стрелок
на фиг. 14С представлен вид в перспективе иллюстративного блокирующего узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 11 в поперечном разрезе, сделанном по линиям С-С и обращенном в направлении стрелок;
на фиг. 14D представлен вид в перспективе иллюстративного блокирующего узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 11 в поперечном разрезе, сделанном по линиям D-D и обращенном в направлении стрелок;
на фиг. 14Е представлен вид в перспективе иллюстративного блокирующего узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 11 в поперечном разрезе, сделанном по линиям Е-Е и обращенном в направлении стрелок; а
на фиг. 14F представлен вид в поперечном разрезе в перспективе иллюстративного блокирующего узла шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 10, сделанном по линиям F-F и обращенном в направлении стрелок.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
[0033] Далее в качестве примера будет описано несколько конкретных вариантов изобретения, предусмотренных автором. В следующем описании изложено множество конкретных деталей, чтобы обеспечить полное понимание. Однако специалисту в данной области будет очевидно, что настоящее изобретение можно исполнить на практике без ограничения этими конкретными деталями. В других случаях хорошо известные способы и конструкции не были описаны подробно, чтобы излишне не затруднять понимание изобретения.
[0034] Как описано выше, целью настоящего изобретения является предоставление конструкций шарнирных соединений и методов оптимизации, которые уравновешивают прочность и структурную целостность шарнирного соединения с общим весом узла шарнирного соединения. Шарнирные соединения могут быть геометрически оптимизированы и/или топологически оптимизированы, чтобы узел шарнирного соединения удовлетворял набору конструктивных требований и ожидаемых нагрузок, одновременно минимизируя или снижая вес узла.
[0035] Шарнирные соединения согласно настоящему раскрытию содержат два хомута и центральное кольцо шарнирного соединения, расположенное между хомутами. Каждый из хомутов и/или кольцо шарнирного соединения могут иметь топологические или конструктивные признаки - например, промежутки, зазоры, отверстия, распорки, косые опоры, наугольники и/или раскосы, среди других признаков - что сохраняет или улучшает структурную целостность при уменьшенном количестве материала по меньшей мере по сравнению со сплошными конструкциями. Например, вместо хомутов со сплошными выступающими лапками или лепестками варианты осуществления настоящего раскрытия содержат лепестки хомутов с одним или несколькими зазорами или отверстиями (отдельно или в дополнение к отверстиям штифта). Оставшийся материал лепестков хомутов выступает в качестве взаимосвязанной сетки косых опор, которые способны выдерживать напряжения сжатия, растягивания и сдвига, снижая при этом вес хомута.
[0036] Аналогичным образом, центральное кольцо шарнирного соединения может содержать одну или несколько конструктивных деталей, выполненных в виде единого целого с ним, которые проходят по окружности вокруг кольца шарнирного соединения. Например, кольца шарнирных соединений согласно настоящему изобретению могут обладать выполненными в виде единого целого конструкциями распорок или косых опор, которые поддерживают или улучшают соответствие кольца шарнирного соединения одному или нескольким конструктивным требованиям. Например, кольцо шарнирного соединения может содержать перекрещивающиеся, перекрывающиеся распорки, способные выдерживать нагрузки сжатия или сдвига, снижая при этом также вес кольца шарнирного соединения. Иллюстративные конструкции кольца шарнирного соединения показаны и описаны более подробно ниже.
[0037] Как описано в данном документе, «оптимизации» формы, геометрии и/или топологии шарнирного соединения или ее компонентов в общем обычно к процессу посредством которого геометрию и/или топологию компонента создают, уточняют, улучшают или иным образом эмпирически модифицируют для лучшего достижения одной или нескольких целей. Например, первоначальную конструкцию компонента можно оптимизировать путем анализа или моделирования энергии деформации и/или распределения нагрузки, когда компонент подвергается воздействию различных сил. Одна цель оптимизации может включать минимизацию или снижение энергии деформации конструкции до уровня ниже приемлемого порога. Однако оптимизация может учитывать одно или несколько ограничений и/или граничных условий, которые служат в качестве геометрических ограничений, ограничений конкретного производственного процесса и/или другие ограничения, которые нужно или требуется соблюдать. Кроме того, при оптимизации можно попытаться уточнить геометрию или топологию, которая минимизирует или снижает энергию деформации, одновременно минимизирует или снижает вес компонента. Таким образом, термин «оптимизация» может относиться к процессу, посредством которого конструкцию компонента модифицируют для лучшего достижения в итоге одной или нескольких целей с учетом одной или нескольких затрат. Кроме того, нужно понимать, что «оптимизация» не обязательно может относиться к абсолютно оптимальному решению или конструкции, и вместо этого может относиться к решению или конструкции, которые подходят для конкретной цели.
[0038] Как описано в данном документе, «сильфон» относится к любому типу непроницаемого для текучей среды трубопровода для транспортировки газов или других текучих сред. Хотя термин «сильфон» иногда относится к трубопроводу с рядом витков, которые придают трубопроводу гибкость и/или возможность расширения, настоящее раскрытие может в общем относиться к «сильфону», включающему в себя трубопроводы с такими витками или без них, в которых проходят гильзы или трубки для соединения двух противоположных трубопроводов для транспортировки под уплотнением текучих сред, транспортируемых между ними.
[0039] Как описано в данном документе, «аддитивное производство» может относиться к любому производственному процессу или методу создания трехмерных объектов путем нанесения или сплавления материала в виде серии слоев с помощью станка или лазера с компьютерным управлением. Некоторые иллюстративные методы аддитивного производства включают лазерное сплавление в порошковом слое (LPBF), экструзию материала, избирательное лазерное спекание (SLS), избирательное лазерное плавление (SLM), а также другие методы трехмерной (3D) печати. Аддитивное производство может включать, например, наплавление металлического порошка слоями для создания трехмерного компонента. Настоящее раскрытие не ограничено какой-либо конкретной технологией аддитивного производства.
[0040] Как описано в данном документе, «сетка сдвига» может относиться к сетке из косых опор, распорок, наугольников и/или других усиливающих элементов, которые выполнены в виде единого целого друг с другом с образованием конструкции, которая имеет зазоры или промежутки. Топологически сетка сдвига может относиться к конструкции, которая представляет собой двумерное многообразие, состоящее из одного или нескольких торов (например, поверхности второго рода, поверхности третьего рода или любой другой связной сумме одного или нескольких торов). Сетка сдвига может служить в качестве подходящей замены для сплошной и непрерывной конструкции, снижая вес компонента без нарушения структурной целостности этого компонента.
[0041] Различные аспекты шарнирного соединения - включая размеры, формы и конфигурация лепестков, распорок, косых опор, наугольников, отверстий и других структурных элементов - могут меняться в зависимости от конкретного применения и технических требований к шарнирному соединению. Таким образом, например, конструкция шарнирного соединения для соседних трубопроводов для транспортировки газов низкого давления и низкой температуры может обладать различными конструктивными деталями, имеющими параметры, отличные от тех, которые показаны и подробно описаны в данном документе. Настоящее раскрытие охватывает различные аспекты конструкции шарнирного соединения, подходящие для различных целей, и настоящая заявка не ограничена конструкциями шарнирных соединений, явно показанными на фигурах.
[0042] Со ссылкой на вариант осуществления фиг. 1А-7В на фиг. 1А представлен вид в перспективе иллюстративного герметичного узла шарнирного соединения согласно настоящему изобретению. Герметичный узел шарнирного соединения содержит первый хомут 100, второй хомут 150, кольцо 200 шарнирного соединения, расположенное между первым хомутом 100 и вторым хомутом 150, и сильфон 300, герметично соединенный и проходящий между первым хомутом 100 и вторым хомутом 150. В собранном состоянии, показанном на фиг. 1А, внутренние поверхности первого хомута 100, второго хомута 150 и сильфона 300 образуют непроницаемый для текучей среды проход для газа, выполненный с возможностью использования в условиях высокой температуры и высокого давления, например, в системах отбора воздуха для самолетов с реактивными двигателями.
[0043] Первый хомут 100 содержит по существу кольцевой обод, образованный из дистальной секции 122 и проксимальной секции 126, который выполнен в виде единого целого с дистальной секцией 122. Когда герметичный узел шарнирного соединения находится в собранном состоянии, дистальная секция 122 расположена в осевом направлении ближе ко второму хомуту 150 и кольцу 200 шарнирного соединения, чем проксимальная секция 126. В примере согласно фиг. 1А-7В дистальная секция 122 имеет больший радиус по сравнению с радиусом проксимальной секции 126, что может обеспечить установку дистальной секции 122 вокруг соседней трубы или трубопровода (см., например, фиг. 7А и 7В).
[0044] Первый хомут 100 также содержит пару лепестков 110, каждый из которых проходит в радиальном направлении наружу от кольцевого обода и в осевом направлении поверх части кольца 200 шарнирного соединения. Каждый лепесток 110 может быть выполнен в виде единого целого с кольцевым ободом первого хомута 100 и выходить из дистальной секции 122 и/или проксимальной секции 126. В иллюстративном варианте осуществления, показанном на фиг. 1А-7В, каждый лепесток 110 выходит из внешней поверхности дистальной секции 122. Каждый лепесток 110 также содержит расточенное отверстие 112, выровненное с соответствующим расточенным отверстием 222 в кольце 200 шарнирного соединения (см. фиг. 4).
[0045] Каждый лепесток 110 может содержать один или несколько зазоров 114, в которых отсутствует значительное количество материала во время образования первого хомута 100. В примере, показанном на фиг. 1А, каждый лепесток 110 содержит пять зазоров 114 значительного размера. Зазоры 114 могут не содержать материал, что снижает общий вес первого хомута 100, в то же время существенно сохраняя или улучшая структурную целостность первого хомута 100. Комбинация зазоров 114 и материала, используемого для образования лепестка 110, может образовать «сетку сдвига», так что соединенный материал образует сетку распорок, косых опор и/или наугольников, способных предотвращать деформацию при воздействии нагрузки, но при меньшем весе - по сравнению со сплошной конструкцией хомута без зазоров. В некоторых вариантах исполнения размер, форма, расположение и распределение зазоров 114 можно определять или модифицировать путем вычислений, путем геометрической оптимизации и/или топологической оптимизации. Иллюстративные методы оптимизации описаны более подробно ниже.
[0046] В некоторых вариантах исполнения первый хомут 110 может содержать множество разнесенных по окружности отверстий 124, которые в осевом направлении проходят между внутренней поверхностью дистальной секции 122 и внешней поверхностью проксимального конца 126. Отверстия 124 можно использовать для транспортировки припоя, флюса для пайки или клея в проходящую в осевом направлении щель 125 (показано более подробно на фиг. 5 и 6). Проходящая в осевом направлении щель 125 может принимать первый конец 304 сильфона 300, который может быть герметично соединен с первым хомутом 110 с помощью пайки твердым припоем, пайки, сварки, склеивания и/или других способов соединения.
[0047] Второй хомут 150 может быть аналогичным или таким же как первый хомут 100. Как и первый хомут 100, второй хомут 150 содержит пару лепестков 160, расположенных приблизительно на 180° друг от друга. Второй хомут 150 может быть ориентирован противоположно первому хомуту 100, чтобы лепестки 160 проходили в осевом направлении к первому хомуту 100, и лепестки 110 проходили в осевом направлении ко второму хомуту 150. В собранном состоянии второй хомут 150 повернут на 90° по сравнению с первым хомутом 100 вокруг их общей центральной оси, так что каждый лепесток 160 отстоит приблизительно на 90° от соседних лепестков 110. Как и в случае лепестков 110, каждый лепесток 160 содержит один или несколько зазоров 164 из отсутствующего необязательного материала и расточенное отверстие 162 для приема штифта, лапки или другого соединительного приспособления (не показано на фиг. 1А-7В).
[0048] Первый хомут 100 и второй хомут 150 могут быть ориентированы таким образом, чтобы совмещать расточенные отверстия 112 и 162 лепестков 110 и 160, соответственно, с расточенными отверстиями 222, образованными внутри кольца 200 шарнирного соединения. Штифты, лапки или другие соединительные приспособления можно поместить через выровненные расточенные отверстия 112, 162 и 222, которые впоследствии можно приварить, припаять или иным образом удерживать на месте для соединения первого хомута 100 с кольцом 200 шарнирного соединения и второго хомута 100 с кольцом 200 шарнирного соединения. В этой конфигурации первый хомут 100 и кольцо 200 шарнирного соединения образуют поворотное соединение, которое обеспечивает отклонение первого хомута 100 под углом вокруг оси, которая проходит через расточенные отверстия 112 первого хомута 100. Аналогичным образом, второй хомут 150 и кольцо 200 шарнирного соединения образуют поворотное соединение, которое обеспечивает отклонение второго хомута 100 под углом вокруг другой оси, которая проходит через расточенные отверстия 162 второго хомута 150. Таким образом, второй хомут 150 может отклоняться под углом с двумя степенями свободы по сравнению с первым хомутом 100. Пример такого углового отклонения представлен на фиг. 7В.
[0049] Второй хомут 150, как и первый хомут 100, также содержит дистальную секцию 172, проксимальную секцию 176 и может содержать множество разнесенных по окружности отверстий 174. детали второго хомута 150 показаны на фиг. 2 и 3 более подробно, причем на фиг. 2 пропущен сильфон 300, а на фиг. 3 пропущен сильфон 300 и кольцо 200 шарнирного соединения.
[0050] На фиг. 1В представлен узел шарнирного соединения, показанный на фиг. 1А в разобранном виде в перспективе. Как показано на фиг. 1В, сильфон 300 может быть концентрически расположен внутри кольца 200 шарнирного соединения, причем хомуты 100 и 150 расположены на противоположных концах сильфона 300. Штифты 230 можно вставлять через выровненные расточенные отверстия 112 и 222 первого хомута 110 и кольца 200 шарнирного соединения, соответственно. Аналогичным образом, штифты 230 можно вставлять через выровненные расточенные отверстия 162 и 222 первого хомута 110 и кольца 200 шарнирного соединения, соответственно. В некоторых вариантах исполнения штифты 230 могут быть приварены, припаяны или иным образом закреплены на месте.
[0051] Как показано на фиг. 4, кольцо 200 шарнирного соединения представляет собой по существу кольцевую конструкцию, которая содержит распорки 212, 214, 216 и 218, зазоры 220 и расточенные отверстия 222. В конкретном варианте исполнения, показанном на фиг. 4, расточенные отверстия 222 разнесены по окружности приблизительно на 90°. Подобно лепесткам 110 и 160 кольцо 200 шарнирного соединения не является непрерывно сплошной конструкцией, но вместо этого содержит зазоры 220, в которых не используется необязательный или посторонний матери (по крайней мере, в отношении конкретного набора требований к конструкции).
[0052] В этом конкретном примере кольцо 200 шарнирного соединения содержит четыре набора распорок 212, 214, 216 и 218. Распорка 212 проходит по диагонали от первой стороны 202 кольца 200 шарнирного соединения в первой области 206 до второй стороны 204 кольца 200 шарнирного соединения во второй области 208. Аналогичным образом, распорка 214 проходит по диагонали от второй стороны 204 кольца 200 шарнирного соединения в первой области 206 до первой стороны 202 кольца 200 шарнирного соединения во второй области 208. Распорка 214 перекрывает распорку 212, так что распорка 214 в радиальном направлении находится наружу от распорки 212. В зоне, где распорки 212 и 214 перекрываются, распорки 212 и 214 не соединены. Эта конфигурация перекрывающихся распорок обеспечивает противодействие кольца 200 шарнирного соединения сдвигающим силам, в то же время адекватно поддерживая соответствие другим ожидаемым нагрузкам во время работы. Кроме того, конфигурация перекрывающихся распорок может обладать геометрией, которая обеспечивает перемещение распорок 212 и 214 друг относительно друга, но без прямого контакта друг с другом, снижая за счет этого величину износа кольца 200 шарнирного соединения с течением времени. Распорки 212 и 214 могут быть выполнены в виде единого целого с первой областью 206 и второй областью 208, так что кольцо 200 шарнирного соединения может быть выполнено в виде единого компонента.
[0053] В некоторых вариантах осуществления кольцо 200 шарнирного соединения также содержит боковые распорки 216 и 218, которые служат в качестве дополнительных усиливающих конструкций для кольца 200 шарнирного соединения. Распорка 216 проходит от второй стороны 204 первой области 206 до второй стороны 204 второй области 208, тогда как распорка 218 проходит от первой стороны 202 первой области 206 до первой стороны 202 второй области 208. Все вместе распорки 212, 214, 216 и 218 могут образовать сетку косых опор, которая обеспечивает сопоставимую или улучшенную структурную деформируемость, но с меньшим количеством материала и с меньшим весом по сравнению с традиционными сплошными и непрерывными кольцами шарнирных соединений.
[0054] Как показано на фиг. 5 и 6, на фиг. 5 представлен увеличенный вид узла шарнирного соединения, показанного на фиг. 2, в поперечном разрезе, сделанном по линиям 5-5. Как показано на фиг. 5, кольцевая дистальная секция 122 первого хомута 100 проходит через часть кольцевой проксимальной секции 126, образуя проходящую в осевом направлении щель 125. Аналогичным образом, кольцевая дистальная секция 172 второго хомута 150 проходит через часть кольцевой проксимальной секции 176, образуя проходящую в осевом направлении щель 175. Щели 125 и 175 могут представлять собой узкие щели, выполненные с возможностью приема концов 304 и 306 сильфона 300, соответственно, который показан на фиг. 6. Как описано выше, отверстия 124 и 174 можно использовать для подачи флюса для пайки или клея в щели 125 и 175, соответственно, для герметичного соединения, в свою очередь, сильфона 300 с первым хомутом 100 и вторым хомутом 150. Однако отверстия 127 и 174 являются необязательными деталями, и также можно использовать другие способы соединения сильфона 300 с первым хомутом 100 и вторым хомутом 150.
[0055] На фиг. 5 и 6 также представлено выравнивание расточенного отверстия 112 первого хомута 100 и расточенного отверстия 222 кольца 200 шарнирного соединения. Штифт, лапка или другие соединительного приспособления можно вставлять через выровненные расточенные отверстия 112 и 222, соединяя за счет этого первый хомут 100 с кольцом 200 шарнирного соединения. Подобный метод соединения также можно использовать для совмещенных расточенных отверстий 162 и 222 (не показано на фиг. 5 и 6).
[0056] На фиг. 7А и 7В представлен иллюстративный вариант применения, в котором первый хомут 100 соединен с трубопроводом 400, а второй хомут 150 соединен с трубопроводом 450. На фиг. 7А представлен узел, на котором шарнирное соединение не находится под нагрузкой, так что трубопроводы 400 и 450 выровнены и не имеют углового отклонения друг относительно друга. Напротив, на фиг. 7В представлен сценарий, в котором узел шарнирного соединения находится под нагрузкой, в результате чего трубопровод 450 смещен под углом 462 относительно оси 460 трубопровода 400.
[0057] Как показано на фиг. 7В, поворотное соединение, образованное лепестками 160 второго хомута 150, обеспечивает отклонение трубопровода 450 влево (с точки зрения, показанной на фиг. 7В). Аналогичным образом, поворотное соединение, образованное лепестками 110 первого хомута 100, обеспечивает отклонение трубопровода 450 вверх (с точки зрения, показанной на фиг. 7В). Таким образом, узел шарнирного соединения, образованный из первого хомута 100, второго хомута 150 и кольца 200 шарнирного соединения, обеспечивает угловое отклонение с двумя степенями свободы.
[0058] На фиг. 8-14F представлен альтернативный вариант осуществления узла шарнирного соединения, который может упоминаться в данном документе как «блокирующая» конструкция шарнирного соединения или конструкция «с двойным сдвигом». Подобно варианту осуществления, показанному и описанному выше со ссылкой на фиг. 1А-7А, блокирующий узел шарнирного соединения содержит пару хомутов (первый хомут 500 и второй хомут 550), расположенных внутри самого кольца шарнирного соединения (кольца 600 шарнирного соединения). Кроме того, первый хомут 500 и второй хомут 550 содержат пары выполненных в виде единого целого и топологически эффективных лепестков 510 и 560, соответственно, которые содержат расточенные отверстия (например, расточенное отверстие 512, показанное на фиг. 14F), которые выровнены с соответствующими расточенными отверстиями 620, образованными в кольце 600 шарнирного соединения. Штифты, например, штифты 630 или штифт 640, показанный на фиг. 12, можно вставлять через выровненные расточенные отверстия для соединения кольца 600 шарнирного соединения с первым хомутом 500 и вторым хомутом 550.
[0059] Как упоминалось, в отличие от варианта осуществления, показанного и описанного выше со ссылкой на фиг. 1А-7А, в котором кольцо 200 шарнирного соединения расположено концентрически внутри лепестков 110 и 160, первый хомут 500 и второй хомут 550 почти целиком расположены концентрически внутри кольца 600 шарнирного соединения. Кроме того, тогда как кольцо 200 шарнирного соединения содержит перекрывающиеся перекрещивающиеся распорки 212 и 214, кольцо 600 шарнирного соединения содержит проходящую по диагонали распорку 612 и пару проходящих в осевом направлении косых опор 614 и 616, которые вместе образуют сетку сдвига для придания структурной жесткости кольцу 600 шарнирного соединения.
[0060] Первый хомут 500 и второй хомут 550 могут обладать одной или несколькими деталями хомутов 100 и 150, описанных выше. Например, хомуты 500 и 550 могут содержать дистальные секции 522 и 572, соответственно, и проксимальные концы 524 и 574, соответственно. Кроме того, хомуты 500 и 550 могут также содержать проходящие в осевом направлении щели 525 и 575 для приема концов сильфона (не показано). Хомуты 500 и 550 могут содержать любую комбинацию деталей хомутов или лепестков, описанных в данном документе в отношении любого из вариантов осуществления настоящего раскрытия.
[0061] На фиг. 11 представлен иллюстративный блокирующий узел шарнирного соединения согласно варианту осуществления фиг. 8, но с кольцом 600 шарнирного соединения, показанным полупрозрачным. Прозрачность кольца 600 шарнирного соединения представлена с целью объяснения и не обязательно указывает типы материалов, которые можно использовать для образования кольца 600 шарнирного соединения. Как показано на фиг. 11, лепесток 510 проходит от внешней поверхности кольцевой части первого хомута 500, как в осевом направлении, так и в радиальном направлении, форма лепестка 510 похожа на форму крюка или якоря. Вокруг штифта 630 кольцо 600 шарнирного соединения содержит С-образную выступающую «горловину», которая проходит в радиальном направлении под лепестком 510, образуя карман, в который помещают часть лепестка 510. Конструкция «карман» кольца 600 шарнирного соединения показана более подробно на видах в поперечном разрезе фиг. 13 и 14A-14F.
[0062] Нижняя часть конструкции выступающего кармана кольца 600 шарнирного соединения также содержит расточенное отверстие, которое выровнено с расточенным отверстием 622 кольца 600 шарнирного соединения и расточенным отверстием 512 первого хомута 500 (см. фиг. 14С-Е). В этой конфигурации штифт (например, штифт 630 или 640) проходит через три расточенных отверстия, образуя взаиморасположение «двойного сдвига», которое может противостоять сдвигающим силам более эффективно по сравнению с конструкциями «одинарного сдвига» шарнирных соединений, например, конструкцией шарнирного соединения, показанной и описанной со ссылкой на фиг. 1А-7В.
[0063] На фиг. 12 представлен подробный вид в перспективе, показывающий альтернативный штифт 640, проходящий через расточенные отверстия кольца 600 шарнирного соединения и лепестка 510. Как на фиг. 11, кольцо 600 шарнирного соединения показано полупрозрачным только с целью объяснения. В отличие от штифта 630 штифт 640 содержит головку, которая выступает и выходит за пределы внешней поверхности кольца 600 шарнирного соединения.
[0064] На фиг. 13 представлен увеличенный вид спереди в поперечном разрезе, сделанном по линиям 13-13 на фиг. 11, показывающий лепесток 510, расположенный внутри кармана, образованного между внешней секцией 624 и внутренней секцией 626 кольца 600 шарнирного соединения и расположенного вокруг штифта 630. Как показано на фиг. 13, выровненные расточенные отверстия проходят через внешнюю секцию 624 кольца 600 шарнирного соединения, через лепесток 510 и через нижнюю секцию 626 кольца 600 шарнирного соединения. Когда штифт 630 проходит между этими тремя выровненными расточенными отверстиями, первый хомут 500 и кольцо 600 шарнирного соединения соединены друг с другом по типу «двойного сдвига», что обеспечивает повышенное сопротивление сдвигающим силам.
[0065] На фиг. 14А-14Е представлены виды в перспективе с разрезом блокирующего узла шарнирного соединения, сделанным в различных плоскостях, обозначенных пунктирными линиями, показанными на фиг. 11. Несколько последовательных видов с разрезом показаны для иллюстрации взаимосвязи между кольцом 600 шарнирного соединения, хомутами 500 и 550 и способом, которым они «сцепляются» при взаиморасположении с «двойным сдвигом.
[0066] На фиг. 14А представлен вид в перспективе с разрезом, сделанном по линиям А-А на фиг. 11, показывающий лепесток 510, проходящий из кольцевой части хомута 500 и в «карман» или полость между внешней секцией 624 и внутренней секцией 626 кольца 600 шарнирного соединения. Примечательно, что между кольцом 600 шарнирного соединения и лепестком 510 существует зазор, так что два компонента не соприкасаются напрямую. Как показано на фиг. 14А, лепесток 510 содержит, выступающие части 510а, 510b, 510с и 510d, которые выполнены в виде единого целого и выходят из части кольцевого обода хомута 500.
[0067] На фиг. 14В представлен вид в перспективе с разрезом, сделанном по линиям В-В на фиг. 11, показывающий лепесток 510, расположенный внутри кармана или полости, образованной между внешней секцией 624 и выступающей внутренней секцией 626 кольца 600 шарнирного соединения. Как показано на фиг. 14В, лепесток 510 сначала проходит под кольцом 600 шарнирного соединения, и часть лепестка 510 проходит через карман или полость, образованную внешней секцией 624 и внутренней секцией 626.
[0068] На фиг. 14С представлен вид в перспективе с разрезом, сделанном по линиям С-С на фиг. 11, показывающий лепесток 510, расположенный внутри С-образного кармана, образованного между внешней секцией 624 и выступающей внутренней секцией 626 кольца 600 шарнирного соединения. Как показано на фиг. 14С, внешняя секция 624 и внутренняя секция 626 выполнены в виде единого целого в качестве части кольца 600 шарнирного соединения. Пространство между внешней секцией 624 и внутренней секцией 626 может иметь форму, по существу отражающую форму лепестка 510, чтобы повысить сопротивление сдвигающей силе, присутствующей в конфигурации с двойным сдвигом.
[0069] На фиг. 14D представлен вид в перспективе с разрезом, сделанном по линиям D-D на фиг. 11 (по существу рядом с линиями С-С и с пересечением штифта 630), на котором также представлен лепесток 510, расположенный внутри С-образного кармана, образованного между внешней секцией 624 и выступающей внутренней секцией 626 кольца 600 шарнирного соединения. Как показано на фиг. 14D, штифт 630 проходит через расточенные отверстия внешней секции 624, лепестка 510 и внутренней секции 626. В этой конфигурации верхняя секция 624 и внутренняя секция 626 выступают в качестве внешнего и внутреннего колец шарнирных соединений, соответственно, обеспечивая структурную целостность и существенное сопротивление сдвигающим силам.
[0070] На фиг. 14Е представлен вид в перспективе с разрезом, сделанном по линиям Е-Е на фиг. 11 (по существу делящий пополам штифт 630), на котором показана выступающая часть 510с лепестка 510, проходящая от части кольцевого обода хомута 500 в карман или полость, образованную между внешней секцией 624 и внутренней секцией 626 кольца 600 шарнирного соединения. Как на фиг. 14D, на фиг. 14Е представлено взаиморасположение с двойным сдвигом, образованное штифтом 630, проходящим через выровненные расточенные отверстия внешней секции 624, лепестка 510 и внутренней секции 626.
[0071] На фиг. 14F представлен вид в перспективе с разрезом, сделанном по линиям F-F на фиг. 10, на котором показан способ, которым каждая выступающая часть 510а, 510b, 510с и 510с лепестка 510 проходит через карман или полость, образованную внутри кольца 600 шарнирного соединения. Как показано на фиг. 14F, выступающие части 510b и 510 с выступают через по существу круглые зазоры, образованные внутри кольца 600 шарнирного соединения, и проходят в направлении (и в конечном итоге сходятся с) выступающими частями 510а и 510d, соответственно. Переплетенные и плотно сжатые геометрические формы хомута 500, хомута 550 и кольца 600 шарнирного соединения могут быть образованы с использованием методов аддитивного производства.
[0072] Как и в иллюстративных вариантах осуществления, показанных и описанных выше со ссылкой на фиг. 1А-7В, компоненты варианта осуществления блокирующего узла шарнирного соединения, например, хомуты 500 и 550 и кольцо 600 шарнирного соединения, могут быть геометрически и/или топологически оптимизированы для уравновешивания структурной целостности узла шарнирного соединения с весом узла шарнирного соединения. Некоторые примеры методов оптимизации описаны более подробно ниже.
[0073] Как описано выше, аспекты конструкции шарнирного соединения могут быть параметрически сгенерированы и/или оптимизированы согласно набору технических требований, проектных ограничений и других соображений, иллюстративный метод включает параметризацию аспектов конструкции шарнирного соединения, например, формы и размера хомутов, лепестков хомутов и кольца шарнирного соединения, толщины материала в различных местах вокруг хомутов и/или кольца шарнирного соединения и параметров любых распорок, косых опор или конструкций сетки сдвига, образованной внутри хомутов и/или кольца шарнирного соединения, среди других аспектов. Таким образом, параметризованная конструкция шарнирного соединения может служить моделью, которая служит основой для создания путем вычислений конкретных вариантов исполнения параметризованной модели.
[0074] В некоторых вариантах осуществления создание конструкции шарнирного соединения может включать две стадии оптимизации. Во-первых, набор проектных ограничений и требований, например, пространственных ограничений, общие параметры или размер узла шарнирного соединения и так далее) могут быть представлены в виде параметров в геометрический оптимизатор. Геометрический оптимизатор может выполнять геометрическую оптимизацию, например, оптимизацию формы и размера) для определения формы, которая удовлетворяет проектным ограничениям с учетом одной или нескольких функций издержек, например, столкновений компонентов или пространства между соседними элементами, общего объема материала, использования предпочтительных форм по сравнению с другими менее предпочтительными формами и так далее). Результатом работы геометрического оптимизатора может быть грубая, пространственно ограниченная версия конструкции шарнирного соединения, которая может не быть топологически оптимизирована и может демонстрировать детали, которые трудно изготовить.
[0075] Методы геометрической оптимизации также можно использовать для дополнения или улучшения инженерной оценки. При разработке первоначальной конструкции комплектующих деталей инженеры по-прежнему полагаются на свое собственное суждение - которое часто требует некоторого количества проб и ошибок и обоснованных предположений. Таким образом, часто бывает, что инженер или проектировщик не знает с уверенностью, будет ли конкретная геометрия обеспечивать подходящую степень структурного соответствия, поддерживать достаточный зазор с другими соседними компонентами в узле или иным образом быть возможной основой для конструкции компонента. В результате инженер может тратить значительное количество времени и ресурсов на разработку первоначального проекта, который впоследствии будет определен как непригодный, непрактичный или несовместимый внутри узла.
[0076] Параметризуя аспекты конструкции компонента и кодируя их в геометрический оптимизатор или оценщик в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящей заявке, инженер может получать обратную связь по предлагаемым конструкциям компонентов почти в реальном времени. Математически геометрический оптимизатор может попытаться определить, существует ли решение системы уравнений (которые определяют ограничения и границы для данного компонента), учитывая одно или несколько значений входных параметров. Если оптимизатор не может найти решение для этих входных значений, которое не нарушает никаких границ или иным образом неприемлемо превышает ограничения, то оптимизатор может сообщить инженеру, что для этого входного набора значений параметров не существует подходящих конструкций. И наоборот, если оптимизатор определяет, что для набора входных значений существует одно или несколько подходящих решений, то оптимизатор может проинформировать инженера о существовании одного или нескольких подходящих решений. Такой геометрический оптимизатор существенно сокращает время, затрачиваемое на разработку первоначальной конструкции компонента.
[0077] Кроме того, геометрический оптимизатор или оценщик может определить, что одна или несколько деталей или элементов компонента являются несовместимыми, необязательными или могут быть опущены иным образом. Например, геометрический оптимизатор может определить, что можно удалить зазор, форму материала, форму пустот и/или другие элементы, удовлетворяя при этом одному или нескольким требованиям к конструкции. Таким образом, геометрический оптимизатор может дополнительно улучшить рабочий процесс проектирования, указав ненужные особенности геометрии данного компонента - ускоряя процесс проектирования и избегая дорогостоящих усилий по созданию и тестированию компонентов, несоответствие которых должно быть обнаружено позже.
[0078] В некоторых случаях из процесса геометрической оптимизации можно исключить одно или несколько требований или ограничений. Например, компоненты блокирующего узла шарнирного соединения, например, вариант осуществления, показанный и описанный со ссылкой на фиг. 8-14F, могут быть образованы с использованием аддитивного производства в частично собранном состоянии. В таких случаях определение того, можно ли собрать два отдельных компонента (например, имеется ли достаточный зазор, позволяющий разместить один компонент внутри, вокруг или иным образом вместе) может быть лишним. Таким образом, для некоторых конструкций узлов топологическая оптимизация может предшествовать геометрической оптимизации.
[0079] Во-вторых, в топологический оптимизатор в виде параметров можно представить дополнительный набор ограничений (например, детали, которые нельзя изготовить, пространство, за пределы которого не может выходить компонент, и так далее), граничные условия (например, ограничения конкретного способа изготовления, например, разрешающая способность машины для аддитивного производства или другие опорные конструкции, необходимые для конкретного процесса аддитивного производства), определенный диапазон нагрузок или другие технические требования (например, температуры, давления, сдвиг напряжения, сжимающие напряжения, растягивающие напряжения, углы изгиба и так далее) и другие факторы, которые могут ограничить или влияют на конструкцию и работу шарнирного соединения, топологический оптимизатор может служить для оптимизации компоновки и распределения материалов в ограниченном пространстве конструкции, определяемом геометрическим оптимизатором.
[0080] Топологический оптимизатор может, например, попытаться определить топологию как связную сумму или два или более топологических пространства или многообразия. Например, лепестки, показанные в вариантах осуществления на фиг. 1А-7В содержат пять гладких зазоров или отверстий, которые не содержат отсутствующий материал. Топологически лепесток можно рассматривать как связную сумму смежных торов, причем каждому тору соответствует зазор в лепестке. Более конкретно, лепесток можно рассматривать как поверхность «пятого рода», состоящую из пяти «склеенных» или прикрепленных торов. Иллюстративная методика оптимизации может включать геометрическое определение того, что форма с пятью торами удовлетворяет набору требований к конструкции, и последующую топологическую оптимизацию формы лепестка таким образом, чтобы уменьшить или минимизировать количество оставшегося материала, что делает конструкцию пригодной для изготовления с учетом ограничений производственного процесса или станка и/или иного улучшения формы лепестка для повышения структурной целостности сетки сдвига.
[0081] Таким образом, конструкцию компонентов шарнирного соединения можно создать, оптимизировать или доработать иным образом. В некоторых случаях инженер может первоначально разработать конструкции компонентов шарнирного соединения (например, с использованием программного обеспечения автоматизированного проектирования (CAD)), которые впоследствии уточняют или оптимизируют геометрически и/или топологически. В других случаях инженер может разработать параметризованную модель (например, как систему параметризованных уравнений, которая включает в себя целевые функции, функции ограничений, пространства проектирования, заранее заданную форму или набор форм и так далее), которая может служить основой для создания конструкции, которая соответствует определенному набору требований и технических спецификаций. Конкретные параметры, формы, топологии и соображения при разработке параметризованной модели геометрический оптимизатор и/или топологический оптимизатор могут изменять в зависимости от конкретного применения шарнирного соединения (например, автомобильные системы, авиационные системы, аэрокосмические системы и так далее).
[0082] Хотя в данном документе были описаны некоторые иллюстративные способы и устройства, объем действия этого патента этим не ограничен. Напротив, этот патент охватывает все способы, устройства и изделия производства, явно попадающие в объем прилагаемой формулы изобретения, буквально или в соответствии с доктриной эквивалентов.
[0083] Следует понимать, что описанные в данном документе устройства приведены только в целях примера. Таким образом, специалисты в данной области поймут, что вместо этого можно использовать другие устройства и другие элементы (например, машины, интерфейсы, операции, порядки и группировки операций и так далее), и что некоторые элементы можно полностью исключить в соответствии с нужными результатами. Кроме того, можно объединить многие из описанных элементов, являющихся функциональными объектами, которые могут быть реализованы как дискретные или распределенные компоненты или в сочетании с другими компонентами в любой подходящей комбинации и местоположении, или в виде других структурных элементов, описанных как независимые структуры.
[0084] Хотя в данном документе были раскрыты различные аспекты и варианты исполнения, специалистам в данной области будут очевидны другие аспекты и варианты исполнения. Различные аспекты и варианты исполнения, раскрытые в данном документе, предназначены для целей иллюстрации и не предназначены для ограничения, причем истинный объем правовых притязаний указан в следующей формуле изобретения вместе с полным объемом эквивалентов, на которые такая формула изобретения имеет право. Также следует понимать, что используемая в данном документе терминология предназначена только для описания конкретных вариантов исполнения и не предназначена для ограничения.