[发明专利]一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸

说明书

本发明公开一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，通过在传统数控缠绕机上增加缠绕头角度时变装置，打破了常见的0°、±45°、90°的缠绕方法对复合材料结构性能极限上的限制，实现单圈圆周方向的预浸料方向的变化，并用于无金属内衬的碳纤维缸筒和活塞杆上。本发明与传统碳纤维缸相比，提出的方法可以根据使用工况进行定制化设计，实现了刚度的定制，可以更有效地重新分配外部载荷，从而形成从加载点到支架的最佳载荷路径，碳纤维缸筒或活塞杆的屈曲能力增加30%。无金属内衬的设计使得碳纤维液压缸的轻量化水平进一步提升，搭配变刚度的缸筒和活塞杆单元，实现了液压缸的高功率密度。

技术领域

本发明属于液压执行元件领域，尤其涉及一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸。

背景技术

随着科学技术的进步，液压元件逐渐朝智能化、小型化、轻量化发展。智能化关注电气化和控制技术，小型化和轻量化集中利用新技术和新结构实现同等输出参数下重量和体积的减少，对提升整机的性能、降低机器的排放起到至关重要的作用。其中液压缸作为液压领域最常见的执行元件，被广泛应用到航空航天、工程机械和石油冶金等领域。除了开发比强度更高的金属材料，复合材料以其出色的力学性能，通过对金属的替代，达到强度增加，重量减轻的双重效果，受到工业界的追捧。

虽然碳纤维液压缸在功率密度上较传统金属缸有优势，但是也存在屈曲特性较差，在恶劣工况下无法服役的问题。目前的碳纤维液压缸依靠数控缠绕机缠绕成型，采用0°、±45°、90°的固定缠绕角缠绕，限制了复合材料结构的可设计性和可裁剪性，和其他金属件无法进行传统的连接，如螺钉联接、销钉联接等。固定的缠绕角度造成复合材料性能的浪费，无法根据工况实现最佳的设计，液压缸适用范围窄，极端工况下的可靠性无法保障。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，突破技术壁垒，提供一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸。解决现有碳纤维液压缸适用范围较窄、环境适应性不高的问题；同时提供一种可根据环境外载荷设计碳纤维液压缸刚度的方法，其结合有限元分析，求解出最佳的纤维路径，以此实现刚度的定制，可以更有效地重新分配外部载荷，从而形成从加载点到支架的最佳载荷路径。解决现有碳纤维液压缸环境适应性不足的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可变刚度的无金属内衬碳纤维增强液压缸，包括可变刚度的碳纤维缸筒和活塞杆单元，所述活塞杆单元包括活塞和可变刚度的活塞杆，所述可变刚度的碳纤维缸筒和可变刚度的活塞杆均由碳纤维缠绕得到，均包括碳纤维增强层和变刚度层，所述碳纤维增强层的单圈内缠绕角度固定，所述变刚度层单圈内不同圆周位置通过不同的碳纤维缠绕角度实现变刚度。

进一步地，所述可变刚度的碳纤维缸筒是以金属芯轴为基体，芯轴上涂刷脱模剂，随后在芯轴上通过带有缠绕头角度时变调整装置的缠绕设备进行碳纤维缠绕，缠绕过程中缠绕角度不改变，即得到碳纤维增强层；更改缠绕过程中的角度，实现碳纤维缸筒的变刚度；缠绕完成后，带芯轴一起固化成型，而后脱去芯轴，完成变刚度无金属内衬的碳纤维缸筒制造。

进一步地，所述缠绕头角度时变调整装置通过驱动电机传递动力给变速箱，进而传递给主动齿轮轴，齿轮轴在端盖上转动，传输动力给从动齿轮轴，通过齿轮外啮合传输给缠绕头主轴，进而通过缠绕头接口与缠绕头相连。驱动电机可双向旋转，经过齿轮系传递后，驱动缠绕头角度时变，在单圈圆周中可以实现角度的变化。

进一步地，变刚度的缠绕方式有两种：层内变刚度和层间变刚度；所述层内变刚度通过单圈内缠绕角度的变化来实现，层间变刚度通过不同层之间的刚度匹配来实现。

进一步地，所述活塞杆采用和可变刚度的碳纤维缸筒同样的变刚度的缠绕方式，实现活塞杆的变刚度，同时不需要去掉金属芯轴，将金属芯轴作为活塞杆的承接部件，活塞杆和碳纤维缸筒之间实现不同刚度值的匹配。

进一步地，变刚度层的层数比例不超过缠绕总层数的40%，单圈内的单次角度变化量不超过5°，以防止在内压下纤维增强层破坏。