УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ДВУХ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ШПАНГОУТОВ ВОЗДУШНОГО ИЛИ КОСМИЧЕСКОГО СУДНА
DEVICE FOR JOINTING TWO CURVED FRAMES OF AIRCRAFT OR SPACECRAFT

Уровень техники
Такие устройства используются для соединения криволинейных шпангоутов воздушного или космического судна, в частности, в сферической области фюзеляжа. В плоскости шпангоута, который проходит перпендикулярно продольной оси воздушного судна, соединяются вместе, например, две или несколько частей шпангоута, образуя целый шпангоут, согласно радиусу фюзеляжа в этой плоскости.
На фиг.5 показано изображение известного заявителю устройства для соединения двух криволинейных шпангоутов 1 и 2. Продольная ось соответствующего воздушного или космического судна, которая не видна на изображении внутреннего пространства 4, перпендикулярна плоскости чертежа. Каждый из шпангоутов имеет внутреннюю кромку с внутренним поясом 14, который имеет внутренний радиус R1, R2. По радиусу в направлении внешнего пространства 3 шпангоут 1, 2 имеет высоту Н1, Н2, затем начинается его внешний пояс 13. Внешний пояс 13 имеет вырезы, через которые проходят стрингеры 10, 11. К внешнему поясу 13 примыкает внешняя обшивка 12 воздушного или космического судна. На конце каждого из шпангоутов 1, 2 в области соединения 16 предусмотрена соединительная секция V1, V2, в которой при помощи крепежных деталей 8 установлен соединительный элемент 5. Этот соединительный элемент позволяет соединить два шпангоута 1, 2. Соединительный элемент 5 спроектирован так, что контур его нижней кромки совпадает с контуром внутренних поясов 14 шпангоутов 1, 2.
Приходится проектировать и изготавливать соединительный элемент, специально адаптированный к внутреннему радиусу, как при одинаковой, так и при меняющейся высоте шпангоута. Это относится в равной степени к соединительным элементам и к деталям пластинчатых соединительных элементов из экструдированного материала (RP = реформированный пластик), а также к соединительным элементам, вырезанным из листового алюминия.
Недостатками таких соединительных элементов являются большое многообразие деталей и высокие производственные расходы, например, на реформирование заготовок для соединительных пластин (детали из RP), или на вытяжку заготовок для экструдированных соединительных элементов, с последующими расходами на выпрямление, а также большая потеря материала при фрезеровании соединительных элементов из листового алюминия. Кроме того, на изготовление всех соединительных элементов уходит много времени.
Дальнейший серьезный недостаток заключается в том, что при каждом изменении внутреннего контура приходится изготавливать новый соединительный элемент, адаптированный к внутреннему радиусу.
Раскрытие изобретения
Ввиду изложенного задачей настоящего изобретения является обеспечение соединительного устройства, которое позволяет избавиться от вышеупомянутых недостатков или в значительной степени уменьшить их эффект.
Согласно изобретению эта задача решается при использовании соединительного устройства, обладающего признаками пункта 1 формулы изобретения.
Соответственно, изобретение предусматривает устройство для соединения двух криволинейных шпангоутов воздушного или космического судна посредством соединительного элемента, который посредством предопределенных соединительных участков может быть присоединен к соответствующим соединительным секциям двух шпангоутов; при этом по меньшей мере указанные предопределенные соединительные участки соединительного элемента имеют прямолинейную форму, и по меньшей мере соответствующие соединительные секции двух шпангоутов имеют прямолинейные участки внутреннего пояса для прямолинейного соединения предопределенных соединительных участков соединительного элемента.
Настоящее изобретение обеспечивает преимущество, которое заключается в том, что устройство для соединения предусматривает соединение прямолинейных соединительных секций шпангоутов при помощи прямого, легкого в изготовлении и поэтому предпочтительного соединительного элемента, который позволяет значительно уменьшить сопутствующие расходы на изготовление и выпрямление.
Благодаря прямолинейной форме соединительных секций соединяемых криволинейных шпангоутов, которая обеспечивается за счет прямолинейных участков внутреннего пояса, соединительный узел одной и той же формы можно использовать в различных местах фюзеляжа воздушного или космического судна.
Зависимые пункты формулы изобретения характеризуют предпочтительные варианты осуществления и усовершенствования настоящего изобретения.
В предпочтительном варианте осуществления предусматривается, что переход от каждого прямолинейного участка внутреннего пояса соединительных секций к контуру каждого внутреннего пояса, имеющему внутренний радиус, выполнен с переходным радиусом. В этом случае в качестве переходного радиуса выбирается относительно большой радиус, например, равный или превышающий 1000 мм. Благодаря этому предотвращается возникновение концентрации напряжений в шпангоутах и соединительных элементах.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления предусматривается, что в случае соединения криволинейных шпангоутов, которые имеют внутренние пояса с внутренними радиусами разной величины, прямолинейные участки внутреннего пояса соединительных секций образуют отрезки касательной к большему сегменту дуги из сегментов дуг с указанными внутренними радиусами. Поэтому можно также использовать простые соединительные элементы с прямолинейными соединительными участками, которые легко изготовить с небольшими затратами, причем касательная проходит под углом к перпендикуляру, опущенному на внешнюю обшивку воздушного или космического судна через середину соединительных секций.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления проходящий прямолинейно внутренний пояс может быть выполнен в соединительных секциях таким образом, чтобы он представлял собой отрезок касательной к сегменту дуги с соединительным радиусом, причем указанный сегмент имеет радиус, который меньше внутренних радиусов соединяемых шпангоутов на определенную величину. Здесь эта касательная проходит под прямым углом к перпендикуляру, опущенному на внешнюю обшивку воздушного или космического судна через середину соединительных секций. Особо предпочтительно, чтобы эта определенная величина была одинаковой для всех устройств для соединения криволинейных шпангоутов в воздушном или космическом судне. Поэтому простой прямолинейный соединительный элемент можно использовать для этой цели несколько раз, даже если внутренние радиусы меняются, тем самым значительно уменьшая многообразие деталей.
Соединительные элементы могут быть выполнены из отрезков экструдированного профиля, которые отрезают по длине, или отрезают по длине и подвергают механической обработке. Такой экструдированный профиль легко отрезать по длине и его можно изготовить из самых разных материалов, например из сплавов с высоким усталостным сопротивлением. Это устраняет недостатки пластинчатых соединительных элементов постоянной толщины, поскольку преимущество обрабатываемых по размеру экструдированных профилей заключается в том, что они не нуждаются во фрезерной обработке с точки зрения толщины и формы.
Соединительный элемент может быть также сконструирован в виде простой пластинчатой кромочной детали постоянной толщины.
В альтернативном варианте осуществления предусматривается, что соединительный элемент спроектирован в виде фрезерованной детали или что он состоит из отрезанной по длине детали и механически обработанной детали, благодаря чему расширяется область его применения.
Краткое описание чертежей
Далее в тексте будет представлено подробное объяснение изобретения со ссылкой на примерный вариант осуществления, проиллюстрированный на чертежах.
Фиг.1 показывает частичное изображение первого примерного варианта осуществления соответствующего изобретению устройства для соединения двух криволинейных шпангоутов воздушного или космического судна.
Фиг.2 показывает частичное изображение устройства для соединения по фиг.1 без соединительного элемента.
Фиг.3a показывает примерный вариант осуществления соединительного элемента на виде сбоку.
Фиг.3b показывает примерный вариант осуществления соединительного элемента по фиг.3a на виде в разрезе по линии А-А.
Фиг.4 показывает частичное изображение второго примерного варианта осуществления соответствующего изобретению устройства для соединения.
Фиг.5 показывает частичное изображение соответствующего уровню техники устройства для соединения двух криволинейных шпангоутов воздушного или космического судна.
Если не указано иначе, одинаковые номера позиций на фигурах обозначают одинаковые или функционально одинаковые компоненты.
Осуществление изобретения
Устройство для соединения, соответствующее уровню техники, уже объяснено во вводной части, со ссылкой на фиг.5, причем его основные элементы используются также в дальнейших фигурах.
На фиг.1 показано частичное изображение первого примерного варианта осуществления соответствующего изобретению устройства для соединения двух криволинейных шпангоутов 1, 2 воздушного или космического судна.
Каждый из шпангоутов 1, 2 имеет внутренний пояс 14 с внутренним радиусом R1, R2. В этом первом примерном варианте осуществления оба внутренних радиуса R1, R2 по существу одинаковы. Концы шпангоутов 1, 2 соединены в области 10 соединения посредством соединительного элемента 5, причем концы шпангоутов расположены напротив друг друга и между ними имеется определенный промежуток. Этот образовавшийся при соединении промежуток закрыт соединительным элементом 5.
Область 10 соединения лежит в области двух стрингеров 9 и 10, имеет длину V и разделена на две соединительные секции V1 и V2. В этой соединительной области V контур внутреннего пояса 14 шпангоутов 1, 2 выполнен таким, что он проходит прямолинейно на участке 15 внутреннего пояса.
Соединительный элемент 5, который более подробно рассматривается ниже, своими соединительными поверхностями 6, 7 (см. фиг.3) крепится к соединительным секциям V1, V2 шпангоутов 1, 2 при помощи крепежных деталей 8, например заклепок. Благодаря этому между шпангоутами 1, 2 образуется соединение. Соединительный элемент 5 имеет нижнюю кромку, которая выполнена прямолинейной и соответствует прямолинейному участку 15 внутреннего пояса.
Контуры внутренних поясов 14, которые имеют внутренние радиусы R1, R2, переходят в прямолинейный участок 15 внутреннего пояса посредством переходных радиусов RU. Благодаря наличию переходных радиусов RU предотвращается возникновение концентрации напряжений в шпангоутах 1, 2 и соединительном элементе 5. Переходный радиус RU выбирается равным приблизительно 1000 мм или более. Эта величина определена заявителем экспериментальным путем.
Описание примерной конструкции участка 15 внутреннего пояса, который проходит прямолинейно в соединительных секциях V1, V2 на концах соединяемых шпангоутов 1, 2 сделано со ссылкой на фиг.2 и на так называемую геометрию по высоте шпангоута, где показано частичное изображение соответствующего изобретению устройства для соединения по фиг.1 без соединительного элемента 5.
Геометрию по высоте шпангоута в области 10 соединения определяют по центру между двумя стрингерами 9, 11 (половина расстояния SA между стрингерами), под прямым углом к участку 15 внутреннего пояса, при размере по высоте, равном Н. Для этой цели в точке I на внешней обшивке 12, которая находится на половине расстояния 1/2 SA между стрингерами, проводят перпендикуляр N, на котором откладывают размер Н от точки I пересечения в направлении внутреннего пространства 4. В точке II пересечения перпендикуляра N, на расстоянии Н от первой точки I пересечения, строят прямую линию G под прямым углом к перпендикуляру. Эта прямая линия G образует базис прямолинейной траектории участка 15 внутреннего контура области 10 соединения. Прямая линия G в то же самое время является касательной к соединительному радиусу RV в точке II пересечения.
Размер Н по высоте складывается из высоты НА внешнего пояса и размера НВ по высоте:
Н=НА+НВ
Размер НВ по высоте является суммой высоты Н1, 2 шпангоута и разницы HD по высоте:
HB=H1,2+HD
Величину разницы HD по высоте выбирают таким образом, чтобы она была одинаковой для всех внутренних радиусов шпангоута, используемых в воздушном или космическом судне. Преимущество этого заключается в том, что во всех устройствах для соединения шпангоутов можно использовать одинаковую геометрическую форму независимо от внутренних радиусов, благодаря чему все соединительные элементы 5 могут иметь одинаковую геометрическую форму.
Величину разницы HD по высоте можно определить опытным путем. Например, для воздушного судна с высотой шпангоутов Н1, Н2, равной 120, 160 и 190, величина разницы HD по высоте, определенная заявителем, составляет 8 мм.
Кроме того, величина разницы HD по высоте - это та величина, на которую соединительный радиус RV меньше внутренних радиусов R1, R2.
На фиг.3a показан примерный вариант осуществления соединительного элемента 5 на виде сбоку, а на фиг.3b показан разрез соединительного элемента 5 по линии А-А.
На фиг.3a на виде сбоку показан соединительный элемент 5 простой прямоугольной формы. Поперечные стороны могут иметь разную форму, как показано, например, на фиг.1 и 2.
В этом примере соединительный элемент 5 имеет поперечное сечение L-образной формы, которое соответствует соединительным секциям V1, V2 шпангоутов 1, 2, как показано на фиг. 3b. Соединительный участок 6 соединительного элемента 5 образует длинное плечо поперечного сечения L-образной формы, которое имеет размер НВ по высоте. Эта соединительная поверхность 6 служит для присоединения к шпангоуту на высоте Н1, Н2. Вторая соединительная поверхность 7 образует короткое плечо поперечного сечения L-образной формы, выполнена прямолинейной в продольном направлении и соответствует прямолинейному участку 15 внутреннего пояса соединительных секций V1, V2 шпангоутов 1, 2. Это означает, что продольная ось соединительной поверхности 7 параллельна продольной оси соединительной поверхности 6, и обе соединительные поверхности 6 и 7 расположены под прямым углом друг к другу.
Соединительный элемент 5 такой формы легко вырезать по размеру, например, из экструдированного профиля. Возможна дополнительная механическая обработка для придания окончательной формы поперечным сторонам, например, фрезерованием или аналогичным способом. Однако для получения формы, показанной на фиг. 4, возможна также механическая обработка верхней продольной кромки, чтобы она проходила под углом и не была параллельна продольной оси соединительной поверхности 7. В этом случае соединительный элемент 5 изначально может иметь поперечное сечение простой прямоугольной формы.
На фиг. 4 показано частичное изображение второго примерного варианта осуществления соответствующего изобретению устройства для соединения двух криволинейных шпангоутов 1, 2. В этом случае внутренние радиусы R1, R2 обоих шпангоутов имеют разный размер, причем радиус R2 меньше радиуса R1.
В этом случае соответствующие прямолинейные участки 15 внутреннего пояса соединительных секций V1, V2 являются отрезками касательной к большему из сегментов дуги с внутренними радиусами R1, R2. Для того чтобы спроектировать прямолинейный участок 15 внутреннего пояса и воспроизвести геометрию по высоте шпангоута, также проводят перпендикуляр N в точке I пересечения на внешней обшивке 12, как описано применительно к фиг. 2. Более того, на сегменте дуги большего из внутренних радиусов R1 и R2 (здесь R1) находится касательная, которая в устройстве для соединения, показанном на фиг. 4, пересекается с перпендикуляром N в точке III пересечения и с сегментом дуги меньшего внутреннего радиуса R2. Расстояние между двумя точками I и II пересечения на перпендикуляре N представляет собой размер, который состоит из тех же слагаемых, что и размер H по высоте (см. фиг. 2), но его величина может отличаться на разницу по высоте. В том случае, если величина расстояния между двумя точками I и II пересечения на перпендикуляре N определяется опытным путем, то тогда можно установить соответствующую разницу по высоте, направление касательной, то есть прямолинейный участок 15 внутреннего контура. Однако эта касательная пересекается с перпендикуляром N в точке III пересечения не под прямым углом, а под определенным углом α.
В точке IV пересечения этой касательной с сегментом дуги меньшего внутреннего радиуса R2 имеется скругление с переходным радиусом RV. В таком случае эта касательная образует прямолинейный участок 15 внутреннего пояса соединительных секций V1, V2. Кроме того, эту касательную можно выбрать так, чтобы она в то же самое время была касательной к сегментам обеих дуг.
Изобретение не ограничивается описанными выше примерными вариантами осуществления.
Например, соединительный элемент 5 может быть также присоединен на обеих сторонах области 10 соединения.
Соединительный элемент 5 может представлять собой деталь в виде изогнутой пластины, что имеет особое преимущество во втором примерном варианте осуществления. Более того, деталь в виде изогнутой пластины легко изготовить, что имеет особое преимущество из-за ее прямолинейности.
Список обозначений:
1 - Первый шпангоут
2 - Второй шпангоут
3 - Внешнее пространство
4 - Внутреннее пространство
5 - Соединительный элемент
6 - Первая соединительная область
7 - Вторая соединительная область
8 - Первая крепежная деталь
9 - Первый стрингер
10 - Область соединения
11 - Второй стрингер
12 - Внешняя обшивка
13 - Внешний пояс
14 - Внутренний пояс
15 - Участок внутреннего пояса
I, II Точка пересечения
G Прямая линия
Н, НА, НВ Размер по высоте
HD Разница по высоте
Н, Н2, Н2' Высота шпангоута
N Перпендикуляр
R1; R2 Внутренний радиус
RU Переходный радиус
RV Соединительный радиус
SA Расстояние между стрингерами
V Длина области соединения
V1; V2 Соединительная секция
α Угол