具有受控径向热膨胀的发动机壳体和发动机组件
引言
组装结构可包括由各种不同形状和材料制成的部件。单个部件对加热可能有不同的响应，并且在诸如那些不希望有不同膨胀速率的组件中，需要考虑到那些不同的速率。处理不同热膨胀的一种方法是考虑制造单个部件时所实施的组件的设计公差的差异。这种方法可能效果有限，例如，当膨胀率造成部件之间产生间隙时。
发明内容
提供了发动机壳体，并且发动机壳体包括圆柱形主体，圆柱形主体具有至少一个周向槽和纤维复合带，周向槽从圆柱形主体的外表面向内延伸，纤维复合带设置在至少一个周向槽中的每一个内。所述至少一个纤维复合带中的每个均表现出第一线性热膨胀系数(CLTE)，并且圆柱形主体表现出高于第一CLTE的第二CLTE。所述至少一个纤维复合带可各自包含嵌入固化基体中的多个连续纤维。连续纤维可以在张力下嵌入固化基体中。基体可包含环氧树脂、聚己内酰胺、聚[亚氨基(1，6-二氧代六亚甲基)亚氨基六亚甲基]、聚醚醚酮、酚醛树脂、聚苯硫醚、聚丙烯以及双马来酰亚胺中的一种或多种。纤维可包括碳、石墨、玻璃、芳族聚酰胺、玄武岩、聚乙烯及其组合。圆柱形主体可包含铝和/或镁。所述至少一个槽中的每个均可呈燕尾形并从圆柱形主体的外表面向内延伸至槽底部，其中，所述至少一个槽中的每个在外表面处具有第一宽度并在槽底部处具有大于第一宽度的第二宽度。
提供了发动机组件，并且发动机组件包括发动机壳体和设置在发动机壳体内的发动机。发动机壳体可以包括圆柱形铝和/或镁主体，圆柱形主体具有从该圆柱形主体的外表面向内延伸的多个周向槽，以及设置在所述多个周向槽中的每个内的纤维复合带。所述至少一个纤维复合带中的每一个均可表现出第一线性热膨胀系数(CLTE)，并且圆柱形主体可表现出高于第一CLTE的第二CLTE。每个纤维复合带均可包含嵌入固化基体中的连续纤维。连续纤维可以在张力下嵌入固化基体中。基体可包含环氧树脂、聚己内酰胺、聚[亚氨基(1，6-二氧代六亚甲基)亚氨基六亚甲基]、聚醚醚酮、酚醛树脂、聚苯硫醚、聚丙烯以及双马来酰亚胺中的一种或多种。纤维可包括碳、石墨、玻璃、芳族聚酰胺、玄武岩、聚乙烯及其组合。所述多个槽中的每个均可呈燕尾形并从圆柱形主体的外表面向内延伸至槽底部，其中，所述多个槽中的每个在外表面处均具有第一宽度并在槽底部处具有大于第一宽度的第二宽度。发动机可包括转子和定子，并且定子收缩配合到发动机壳体中。
提供了用于控制铝和/或镁发动机壳体的径向热膨胀的方法。该方法包括：提供发动机壳体，该发动机壳体包括圆柱形铝和/或镁主体，该圆柱形主体具有从圆柱形主体的外表面向内延伸的多个周向槽；将多个连续纤维设置在一个或多个槽内；将基体涂覆到连续纤维上；以及使基体固化以在槽内形成纤维复合带。所述多个槽中的每个均可呈燕尾形并从圆柱形主体的外表面向内延伸至槽底部，其中，所述多个槽中的每个在外表面处均具有第一宽度并在槽底部处具有大于第一宽度的第二宽度。将多个连续纤维设置在一个或多个槽内可以包括在固化基体之前在张力下将连续纤维设置在槽内。多个纤维复合带中的每一个可表现出第一线性热膨胀系数(CLTE)，并且圆柱形主体可表现出高于第一CLTE的第二CLTE。可以控制各个纤维复合带的连续纤维的张力以调节纤维复合带的CLTE。
通过以下对示例性实施例和附图的详细描述，示例性实施例的其他目的、优点和新颖特征将变得更加显而易见。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施例的发动机组件的示意性等距视图；
图2示出了根据一个或多个实施例的发动机壳体的截面示意性侧视图；以及
图3示出了根据一个或多个实施例的发动机壳体的透视图。
具体实施方式
如本文所描述和说明的，所公开实施例的部件可布置和设计成各种不同配置。因此，以下详细描述并非旨在限制所要求保护的本公开的范围，而是仅代表其可能的实施例。另外，尽管在以下描述中阐述了许多具体细节以便提供对本文所揭示的实施例的透彻理解，但可在没有这些细节中的一些的情况下实践一些实施例。此外，为了清楚起见，没有详细描述相关领域中的某些技术材料，以避免不必要地模糊本公开。为了方便和清楚起见，可以参考附图使用方向术语。这些方向术语以及类似的方向术语不应被解释为限制本公开的范围。此外，如本文所示和描述的，本公开可以在缺少本文未具体公开的要素的情况下实施。
在此提供了用于控制发动机壳体的径向热膨胀的方法，以及表现出现最小径向热膨胀或不表现径向热膨胀的发动机壳体。这种发动机壳体包括复合带，该复合带表现出与发动机壳体主体不同的线性热膨胀系数(CLTE)。因此，以下描述涉及用于控制热膨胀和热残留的结构和方法。
图1示出了发动机组件10的示意性等距视图，其以虚线示出了一些内部部件。发动机组件10包括大体上设置在圆柱形发动机壳体22内的发动机20。发动机20包括转子24和定子26(其两者都被发动机壳体22隐藏而看不见，并且用虚线示意性地示出)。定子26可以压配合或收缩配合至例如发动机壳体22中。圆柱形发动机壳体22可以包含模量小于450GPa且CLTE大于0ppm/K的材料。例如，圆柱形发动机壳体22可以包含例如铝和铝合金，和/或镁和镁合金。电磁力通过转子24和定子26之间的相互作用而转换成旋转力，使得安装在转子24上的轴(未示出)旋转。由转子24和定子26之间的相互作用产生的感应热引起发动机壳体22的膨胀，尤其是在径向向外的方向上。此外，将定子26收缩配合到发动机壳体22中可能会造成发动机壳体22的不期望的热膨胀。
图2示出了发动机壳体22的截面示意性侧视图。图3示出了发动机壳体22的透视图。发动机壳体22包括圆柱形主体23，圆柱形主体具有从圆柱形主体23的外表面31向内延伸的至少一个周向槽30。纤维复合带40设置在至少一个周向槽30中的每个内。纤维复合带40表现出第一CLTE，发动机壳体22的圆柱形主体23表现出高于第一CLTE的第二CLTE。因此，一个或多个纤维复合带40防止或最小化发动机壳体22的径向热膨胀。径向80被限定为垂直于轴向78。可选地，至少一个槽30中的每一个均呈燕尾形。换言之，槽30在外表面31处具有第一宽度，而在槽底部32处具有第二宽度。这种燕尾形槽30与设置在其中的相应的纤维复合材料带40机械地锁定，特别地，防止纤维复合材料带40与圆柱形主体23分离，同时后者径向向内收缩，例如在冷却期间。
纤维复合带40包含嵌入固化基体42中的多个纤维41。在一些实施例中，多个纤维41可以是围绕槽30的整个圆周延伸的连续纤维。纤维41可包含表现出高刚度和低热膨胀的一种或多种材料。纤维41可包含碳、石墨、玻璃、芳族聚酰胺(例如，对位芳族聚酰胺、间位芳族聚酰胺)、玄武岩、聚乙烯(例如，超高分子量聚乙烯(UHMWPE))及其组合。
固化基体42可包含诸如热固性或热塑性的树脂或聚合物。示例性聚合物包括但不限于：丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、纤维素、乙酸纤维素、环烯烃共聚物(COC)、苯并噁嗪、双马来酰亚胺(BMI)、氰酸酯、环氧树脂、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)、乙烯-乙烯醇(EVOH)、氟塑料(包括PTFE、FEP、PFA、CTFE、ECTFE、ETFE)、酚醛树脂(PF)、聚缩醛(POM或缩醛)、聚丙烯酸酯(丙烯酸)、聚丙烯腈(PAN或丙烯腈)、聚酰胺(PA)、聚己内酰胺、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚芳醚酮(PAEK或酮)、聚丁二烯(PBD)、聚异丁烯(PB)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚己内酯(PCL)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸环己撑二亚甲基酯(PCT)、聚碳酸酯(PC)、聚羟基链烷酸酯(PHA)、聚酮(PK)、聚酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)、聚砜、聚氯乙烯(PEC)、聚酰亚胺(PI)、聚乳酸(PLA)、聚甲基戊烯(PMP)、聚苯醚(PPO)、聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚苯乙烯(PS)、聚砜(PSU)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚氨酯(PU)、聚乙酸乙烯酯(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVDC)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、聚碳酸酯+丙烯腈丁二烯苯乙烯混合物(ABS+PC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、不饱和聚酯、乙烯基酯、硅氧烷或其任意量的组合或共混物，或者可以是另一类型。在一些实施例中，固化基体42可以包含环氧树脂、聚己内酰胺、聚[亚氨基(1，6-二氧代六亚甲基)亚氨基六亚甲基]、聚醚醚酮、酚醛树脂、聚苯硫醚、聚丙烯、聚氨酯以及双马来酰亚胺中的一种或多种。
在一个实施例中，纤维复合材料带40可包含碳纤维和环氧基体，其中，碳纤维占纤维复合材料带40约45％的体积百分比(“v％”)至约85％的v％，或约50％的v％至约80％的v％。在一个实施例中，纤维复合带40可包含碳纤维和PA(例如，聚[亚氨基(1，6-二氧代六亚甲基)亚氨基六亚甲基])基体，其中，碳纤维占纤维复合带40的约45％的v％至约85％的v％，或约50％的v％至约80％的v％。在一个实施例中，纤维复合材料带40可包含碳纤维和PEEK基体，其中，碳纤维占纤维复合材料带40约45％的v％至约85％的v％，或约50％的v％至约80％的v％。在一个实施例中，纤维复合带40可包含碳纤维和PF基体，其中，碳纤维占纤维复合带40的约45％的v％至约85％的v％，或约50％的v％至约80％的v％。在一个实施例中，纤维复合材料带40可包含碳纤维和聚己内酰胺基体，其中，碳纤维占纤维复合材料带40约45％的v％至约85％的v％，或约50％的v％至约80％的v％。
一个或多个纤维复合带40可通过以下步骤形成：将多个纤维41设置在槽30内，将基体42涂覆至纤维41上，并使基体42固化以形成纤维复合带40。换言之，纤维41可以是在被润湿之后干燥地置于槽30内，或者是在使用未固化的基体52浸渍之后以预浸渍的形式设置在槽30内的，或者可以以另一形式涂覆。未固化基体42可包含例如未固化的热固性树脂或高于其熔融温度的热塑性塑料。在一些实施例中，纤维41是连续纤维并在张力下嵌入固化基体42中。通过改变纤维41的张力，可以调节纤维复合带40的CLTE以获得发动机壳体22的期望的膨胀性能。
因此，用于控制金属发动机壳体22的径向热膨胀的方法包括：提供金属发动机壳体22，将多个连续纤维41设置在发动机壳体22的一个或多个槽30内；将基体42涂覆到连续纤维41上，并使基体42固化，以在多个槽30中的一个或多个内形成纤维复合带40。如本文中所使用的，“固化”是指诸如热固性材料和热塑性材料的材料的传统的固化以及一般的凝固。如上所述，顺序不取决于所描述的方法的步骤，因此基体可以在不同阶段涂覆到连续纤维41上，包括在用一个或多个槽30设置连续纤维41之前或之后。如上所述，该方法还可包括在使基体42固化之前在张力下将连续纤维41设置在槽30中。在这样的实施例中，可以控制各个纤维复合带40的连续纤维41的张力，以调节纤维复合带40的CLTE。
虽然以上描述了示例性实施例，但是这些实施例并不旨在描述权利要求所涵括的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述的词语而不是限制的词语，并且应当理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种改变。如先前所述，各种实施例的特征可组合以形成本发明的可能未明确描述或示出的另外的实施例。虽然关于一个或多个期望的特性，已将各种实施例描述为提供优点或优于其它实施例或现有技术实施方案，但是本领域的普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可能会被折中以实现期望的整体系统属性，这取决于特定的应用和实施方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、组装容易性等。因此，相对于一个或多个特征而言，被描述为比其他实施例或现有技术实现方式更不是期望的实施例并不在本公开的范围之外，并且对于特殊的应用而言可能是期望的。
