CN101612871B - 机动车悬架的轻质聚合滑柱上支架 - Google Patents

Abstract

一种机动车悬架的轻质聚合滑柱上支架，其使用的支架圆顶包括以轻质聚合材料作为传统使用的钢材料的替代而用于主结构部件。可以使用聚合材料是因为，为其构件及其所接合的车体结构采用了策略性的几何布置方式，例如通过将支架圆顶设置成与滑柱塔的支撑壳体成邻接关系，其中聚合材料被置于压缩状态下，从而成功地控制了与滑柱上支架应力相关联的因素。在最大颠簸的情况下，提供了载荷分流。

Description

机动车悬架的轻质聚合滑柱上支架

技术领域

本发明涉及麦弗逊滑柱型机动车悬架系统，具体地，涉及单紧固件式麦弗逊滑柱上支架，以及更具体地，涉及其主结构部件由聚合材料构成的滑柱上支架。

背景技术

机动车悬架系统设置成当车辆沿着道路行驶时车轮能够顺应道路表面的高度变化。当遇到道路表面隆起时，悬架系统以“颠簸”模式响应，在该模式下车轮能够相对于车辆框架向上移动。另一方面，当遇到道路表面下降时，悬架系统以“回弹”模式响应，在该模式下车轮能够相对于车辆的整体车体/框架结构向下移动。无论是在“颠簸”还是在“回弹”模式，弹簧(即，盘簧、板簧、扭簧等)与车体结构结合以便向车轮相对于车体结构的相应竖直移动提供弹性响应。然而，为了防止车轮的弹跳和过度的车体运动，在车轮上设置有震动吸收器或滑柱以缓冲车轮和车体的运动。在美国专利5,467,971中公开了麦弗逊滑柱的一个实例。

由于在滑柱上支架工作期间所遇到的高应力，本领域常规的做法是制造主结构元件由钢制成的滑柱上支架。在这一点上，在2007年2月21日提交的、属于Paul A.Winocur并转让给本文受让人的、序列号为11/677,070的美国专利申请中例举了一种创新性的滑柱上支架的实例，该专利申请的公开内容在此以参见的方式引入。

机动车领域所追求的目标之一是在减小机动车重量的基础上提高燃油经济性。因此，如果可以通过以某种方式克服那些要求主结构部件由金属制成的应力因素，使得可以使用更轻的聚合材料作为主结构部件，从而将滑柱上支架以某种方式制造得更轻，那么这是非常期望的。

发明内容

本发明为一种滑柱上支架，其以轻质聚合材料作为传统使用的钢材料的替代而用于主结构部件，其中，可以使用聚合材料是因为，为其构件及其所接合的车体结构采用了策略性的几何布置方式，从而成功地控制了与滑柱上支架应力相关联的因素。

根据本发明的单路径滑柱上支架设置成相对于滑柱塔的支撑壳体可支撑地安置，该支撑壳体在其下端连接到机动车的车体结构。本发明的滑柱上支架所使用的支架圆顶由例如玻璃增强尼龙的轻质聚合主结构部件和例如橡胶的弹性体构成，其中弹性体结合到聚合主结构部件，其中，支架圆顶的形状与滑柱塔的支撑壳体的形状互补，使得支架圆顶以被抱置的方式安置在支撑壳体中。

聚合主结构部件为环形的，具有中心聚合壁、与中心聚合壁隔开的外聚合壁、以及跨接中心聚合壁和外聚合壁的上聚合壁。弹性体部分地模制在聚合主结构部件上，其中弹性体分别结合地覆盖外聚合壁和上聚合壁，以用作与滑柱塔之间的弹性界面，弹性体还结合地覆盖中心聚合壁以提供中心弹性元件，中心弹性元件具有杯状的金属插入物，并且弹性体在中心聚合壁的底表面处结合地覆盖中心聚合壁以提供邻接元件。

轴承毗邻中心弹性元件，并与金属插入物相邻。颠簸缓冲板具有邻接轴承的下座圈的内部板法兰，其中颠簸缓冲板带有弹簧座和颠簸缓冲界面。滑柱轴具有由轴肩所限定的减小了直径的螺纹端部，其中内部板法兰邻接轴肩。第一螺母旋拧到滑柱轴的螺纹端部上，并将下座圈压在内部板法兰上。支架保持器包括保持垫圈，其通过第二螺母固定到螺纹端部。

根据本发明的滑柱上支架的显著优点是，其使用了轻质聚合材料作为其主结构部件，这与常规的以钢作为主结构部件材料的滑柱上支架相比，以较低的成本提供了显著的质量减少。然而，应该理解，虽然期望使用聚合材料作为滑柱上支架的主结构部件以便节省质量，但是，对传统滑柱支架的钢材料进行这种替代不是浅显易见的，由于施加在支架上的高运行应力以及来自硬紧固在车辆车体结构上的滑柱上支架的结构的高刚度要求，而是充满困难的。

因此，在这一点上，首先需要理解本发明的几个要点：1)以特殊的几何布置将圆顶形支架用在滑柱塔截面上，将允许车辆车体的钢结构支撑，从而大大地减小了圆顶形支架的工作应力；以及2)当以压缩方式遭受应力时，聚合材料提供了对破坏最好的抵抗强度和最小的变形，同时最大限度地减小了张应力和弯曲应力。

由于上述的创新性要点，根据本发明有五个主要的实施因素，据此在单路径滑柱上支架中聚合材料可被用来替代钢材料：1)与常规的钢制主结构部件相比，聚合主结构部件的外径被扩大了，其中聚合主结构部件的横截面厚度被选择成提供足够的强度和刚度；2)支架圆顶以浮动、抱置邻接的方式安置在滑柱塔的支撑壳体上，支撑壳体用于环绕地支持主要的支架构件，由此减小了聚合主结构部件中的运行应力；3)为最大颠簸载荷做好了准备，其确保在橡胶及其与聚合结构的结合界面中的运行应力不超过容许水平，在此期间，颠簸缓冲板冲击重叠了聚合主结构部件的中心聚合壁弹性体的邻接元件，从而载荷经由其被传递到滑柱塔；4)支架圆顶的内径小于聚合主结构部件的内径；以及5)支架圆顶与滑柱塔的支撑壳体在外聚合壁处的弹性体界面是倾斜的，以便在车辆自重的作用下，在聚合主结构部件的聚合材料中产生压缩应力，其中，如所提到的，聚合材料，例如玻璃加强尼龙，在抵抗压缩应力方面比抵抗剪切力或张力更强。

本发明的滑柱上支架中的低质量聚合材料提供了显著的质量减少，例如比常规的滑柱上支架减少了大约25％的重量，这个重量减少是提供给位于机动车中较高较前位置的机动车构件的。这样，所实现的不仅是车辆质量的减少，而且还实现了车辆重心高度的降低，并且改善了从前到后的质量分布。

因此，本发明的一个目的是提供一种滑柱上支架，其以轻质聚合材料作为传统使用的钢材料的替代而用于主结构部件，其中，可以使用聚合材料是因为，为其构件及其所接合的车体结构采用了策略性的几何布置方式，从而成功地控制了与滑柱上支架应力相关联的因素。

本发明的这个目的和更多目的、特征以及优点从下面对优选实施例的说明中将变得更加清晰。

附图说明

图1是根据本发明的滑柱上支架的局部截面侧视图。

图2是根据本发明的支架圆顶的从下方看的透视图。

图3是图1的圈3中可见的滑柱上支架的详细截面图。

图4是图2的滑柱上支架的左侧局部截面图，现在示出的是在最大颠簸载荷下的情形。

具体实施方式

现在参照附图，图1至图4以举例而非限制的方式描绘了根据本发明的车体结构滑柱上支架(strut top mount and body structure)的不同方面。

根据本发明的单路径滑柱上支架100设置成与滑柱塔104的支撑壳体102抱置地接合，该支撑壳体在其下端连接到机动车的车体结构。支撑壳体102具有上壳体壁102a和环形壳体侧壁102b，该侧壁相对于上壁的法线具有锐角α(也可参见图3)。本发明的滑柱上支架100所使用的支架圆顶由例如玻璃增强尼龙的轻质聚合主结构部件108和例如橡胶的弹性体110构成，其中弹性体110结合到聚合主结构部件。就抱置而言(nestling)，由上圆顶壁106a和环形圆顶侧壁106b(如图3所示，定向成锐角α’)所限定的支架圆顶106，其圆顶形状与滑柱塔104的支撑壳体102的形状互补，使得支架圆顶以被邻接地抱置方式安置在支撑壳体102中，其中聚合主结构部件108处于压缩状态，弹性体以弹性邻接于支撑壳体的方式浮动，如下文进一步详细讨论的。

聚合主结构部件108为环形的，具有中心聚合壁108a、外聚合壁108b、以及跨接中心聚合壁和外聚合壁的上聚合壁108c。合适的聚合材料的一个实例是玻璃加强尼龙，例如尼龙中含有30％至50％的玻璃加强纤维，可以通过例如新泽西州07828的Mount Olive的BASF公司购买。

弹性体110部分地模制在聚合主结构部件108上，其中弹性体分别结合地固定到外聚合壁108b和上聚合壁108c的外表面108b’、108c’上。在这一点上，如图2和图3最佳示出的，弹性体110用作与滑柱塔104的支撑壳体102的上壳体壁102a和壳体侧壁102b有邻接界面的弹性外部元件110a。还是在这一点上，弹性体110结合地固定到中心聚合壁108a的内表面108a’上，以提供中心弹性元件110b。环形的、大致为倒L形的金属插入物112位于中心弹性元件110b内，并为中心弹性元件提供充足的结合面使得剪切载荷广泛地分布在其结合面上。弹性体110的邻接元件122在中心聚合壁108a的底表面108a”处结合到中心聚合壁108a上。用于弹性体的合适材料为肖氏硬度55的橡胶，例如可以通过新泽西州07507的Hawthorne的Hawthorne Rubber Mfg.公司购买。

轴承114由与中心弹性元件110b的轴承座110c邻接地接合的上座圈114a构成，其与金属插入物112相邻，轴承114还由下座圈114b构成。颠簸缓冲板116具有邻接轴承114的下座圈114b的内部板法兰116a，其中颠簸缓冲板带有弹簧座116b和颠簸缓冲界面116c。滑柱轴118具有由轴肩118b所限定的减小了直径的螺纹端部118a，其中内部板法兰116a邻接轴肩。第一螺母120，例如管螺母，旋拧到滑柱轴118的螺纹端部118a上，并将轴承114的下座圈114b压在内部板法兰116a上。

支架保持器124包括保持垫圈126和保持垫圈橡胶元件126a。支架保持器124通过第二螺母128固定到滑柱轴118的螺纹端部118a。

如图2所示，支架圆顶106，如上所述，为聚合主结构部件108(图2中示出为非阴影部分)和弹性体110(图2中示出为阴影部分)的结合复合体。聚合主结构部件108的特征包括凹进130，其中多个支肋132横跨凹进，其中凹进最大限度地减小了聚合材料的质量，而支肋为其提供了强度，特别是在由壳体侧壁102b向外聚合壁108b所提供的压缩载荷方面。

现在将附加地参照着图3详细地阐述压缩载荷是如何由支撑壳体102的壳体侧壁102b施加到聚合主结构部件108的外聚合壁108b上的。

如上文所提到的，壳体侧壁102b相对于竖直线具有锐角α，该竖直线是壳体上壁102a的法线，壳体上壁通常平平地放置在水平方向(即，水平方向垂直于竖直线)。支架圆顶106具有圆顶侧壁106a(它的最大直径由凹槽(flute)110f限定)，其处于基本也是α的锐角角度。为了允许聚合主结构部件108的构造变化和压缩，圆顶侧壁106a在凹槽110f处的横截面超过了壳体侧壁102的内表面102b’的横截面。因此，如图3所示，当支架圆顶106安置在支撑壳体102中时，凹槽110f压缩到位置110f’，而圆顶侧壁压缩到位置106a’。所引起的弹性外部元件110a的压缩被施加到外聚合壁108上，由此聚合主结构部件处在压缩状态下。

现在将讨论滑柱上支架100的运行方面。

滑柱塔104的支撑壳体102提供了车体的钢制支持结构以当支架圆顶被抱置在其中时支撑支架圆顶，由此极大地减小了聚合主结构部件108的工作应力。与常规的钢制主结构部件相比，外聚合壁108b的外径扩大了，其中横截面厚度被选择成提供足够的强度和刚度。支撑壳体102的上壳体壁102a具有通常与上圆顶壁106a重叠的区域，其中上圆顶壁106a和上聚合壁108c成并列关系，上壳体壁和上圆顶壁相互平行。

圆顶侧壁和壳体侧壁具有预先确定的相互尺寸关系和预先确定的相互角度关系，使得当圆顶上表面邻接壳体上表面时，聚合主结构部件被位于聚合外侧壁和壳体侧壁之间的外部弹性元件的弹性压缩置于压缩状态下。在这一点上，包含了凹槽110f的圆顶侧壁106a的尺寸及其相对于壳体侧壁102b的内表面102b’的角度，在车辆自重的作用下，在聚合主结构部件的聚合材料中产生压缩应力，这导致对聚合主结构部件108的压缩，其中，如所提到的，聚合材料，例如玻璃加强尼龙，在抵抗压缩应力方面比抵抗剪切力或张力更强。

图4示出了在最大颠簸的情况下运行的情形。在最大颠簸载荷的情况下，在弹性体110及其与聚合主结构部件108的聚合材料的结合界面中的运行应力不超过预先确定的容许水平是很重要的。在这一点上，在最大颠簸中，弹簧座116b中的颠簸缓冲板116在重叠了聚合主结构部件108的中心聚合壁108a的位置冲击弹性体的邻接元件122。这样，颠簸载荷通过经中心聚合壁108a传递到滑柱塔104的支撑壳体102的上壳体壁102a而分流(bypass)了。优选邻接元件122为齿形。在最大颠簸的情况下，邻接元件122用于温和地制止和阻碍竖直位移。

滑柱上支架100具有两个运行区域，一个是大约500N/mm的低刚度区域，其影响正常运行，一个是大约5kN/mm的高刚度区域，其影响大颠簸载荷输入，这两个区域由响应“膝”(response“knee”)限定，其对应于何时涉及载荷分流，即，颠簸缓冲板116何时冲击邻接元件122。滑柱上支架100被模制在其满回弹位置，当加载了车辆的独立负重(corner weight)时，它向上移动到一个位置，该位置对应于在载荷挠度曲线上所模制的位置和响应膝之间的大约一半处。

从以上的描述可以看到，与常规的以钢作为主结构部件材料的滑柱上支架相比，根据本发明的滑柱上支架100以较低的成本提供了显著的质量减少。

对于本发明所述领域的技术人员而言，可对以上描述的优选实施例进行变化或修改。这种变化或修改可在不偏离本发明范围的情况下进行，本发明的范围仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (19)

1.一种机动车的车体结构滑柱上支架，包括：

滑柱塔，其包括支撑壳体，所述支撑壳体包括壳体侧壁和壳体上壁；以及

支架圆顶，其包括：

由聚合材料构成的聚合主结构部件；以及

结合到所述聚合主结构部件的弹性体，所述弹性体具有设置在其中的金属插入物，金属插入物与所述聚合主结构部件成远离关系，

其中，所述支架圆顶的形状与支撑壳体的形状互补，并且所述支架圆顶安置成与所述支撑壳体成邻接关系。

2.根据权利要求1所述的车体结构滑柱上支架，其中：

所述聚合主结构部件包括：

中心聚合壁；

外聚合壁；以及

跨接所述中心聚合壁和外聚合壁的上聚合壁；

所述弹性体结合到所述外聚合壁和上聚合壁，从而形成外部弹性元件；以及

所述弹性体结合到所述中心聚合壁，从而形成中心弹性元件，在中心弹性元件处设置有所述金属插入物；

其中，所述支架圆顶安置成与所述支撑壳体成邻接关系包括外部弹性元件与所述壳体侧壁和所述壳体上壁成邻接关系。

3.根据权利要求2所述的车体结构滑柱上支架，其中，所述聚合材料包括玻璃加强尼龙材料。

4.根据权利要求2所述的车体结构滑柱上支架，其中，所述支架圆顶的侧壁和所述壳体侧壁的相互尺寸关系和相互角度关系设置成使得当所述支架圆顶的上表面邻接所述壳体的上表面时，所述聚合主结构部件被位于所述外聚合壁和所述壳体侧壁之间的所述外部弹性元件的弹性压缩置于压缩状态下。

5.根据权利要求4所述的车体结构滑柱上支架，其中，所述聚合主结构部件具有在所述中心聚合壁和外聚合壁之间形成于其中的环形凹进；以及其中，多个支肋设置在所述凹进中，横跨在所述中心聚合壁和外聚合壁之间。

6.根据权利要求5所述的车体结构滑柱上支架，还包括：

多个凹槽，它们整体地形成在与所述外聚合壁重叠的所述外部弹性元件上；

所述弹性体的邻接元件；以及

所述中心聚合壁具有相对于所述上聚合壁相对地设置的底表面，其中，所述弹性体的所述邻接元件结合到所述底表面。

7.根据权利要求6所述的车体结构滑柱上支架，还包括：

轴承，其具有毗邻所述中心弹性元件的上座圈，与所述金属插入物相邻；以及

颠簸缓冲板，毗邻轴承的下座圈；

其中，所述颠簸缓冲板相对于所述邻接元件设置成邻接，使得在最大颠簸的情况下，所述颠簸缓冲板冲击所述邻接元件，其中，颠簸载荷经所述中心聚合壁被传递到所述壳体上壁。

8.根据权利要求7所述的车体结构滑柱上支架，还包括：

滑柱轴，其具有螺纹端部，所述螺纹端部由轴肩限定；以及

第一螺母，其旋拧在所述螺纹端部上，所述第一螺母相对于所述轴肩固定所述下座圈和所述颠簸缓冲板。

9.根据权利要求8所述的车体结构滑柱上支架，还包括：

支架保持器，其包括保持垫圈；以及

第二螺母，其旋拧在所述螺纹端部上，所述第二螺母将所述支架保持器固定到所述滑柱轴。

10.一种机动车的车体结构滑柱上支架，包括：

滑柱塔，其包括支撑壳体，所述支撑壳体包括壳体侧壁和壳体上壁；以及

支架圆顶，所述支架圆顶包括：

由聚合材料构成的聚合主结构部件，所述聚合主结构部件包括中心聚合壁、外聚合壁、以及跨接所述中心聚合壁和外聚合壁的上聚合壁，其中所述聚合主结构部件具有在所述中心聚合壁和外聚合壁之间形成于其中的环形凹进，以及其中，多个支肋设置在所述凹进中，横跨在所述中心聚合壁和外聚合壁之间，以及其中，所述中心聚合壁具有相对于所述上聚合壁相对地设置的底表面；以及

结合到所述聚合主结构部件的弹性体，所述弹性体具有设置在其中的金属插入物，金属插入物与所述聚合主结构部件成远离关系，其中，所述弹性体的邻接元件结合到所述中心聚合壁的所述底表面；以及

颠簸缓冲板，其中，所述颠簸缓冲板相对于所述邻接元件设置成，使得在最大颠簸的情况下，所述颠簸缓冲板冲击所述邻接元件，其中，颠簸载荷经所述中心聚合壁被传递到所述壳体上壁；

其中，所述支架圆顶安置成与所述支撑壳体成邻接关系。

11.根据权利要求10所述的车体结构滑柱上支架，其中，所述弹性体结合到所述外聚合壁和上聚合壁，从而形成外部弹性元件；以及其中，所述弹性体结合到所述中心聚合壁，从而形成中心弹性元件，在中心弹性元件处设置有所述金属插入物；其中，所述支架圆顶与所述支撑壳体安置成邻接关系包括外部弹性元件与所述壳体侧壁和所述壳体上壁成邻接关系。

12.根据权利要求11所述的车体结构滑柱上支架，其中，所述支架圆顶的侧壁和所述壳体侧壁的相互尺寸关系和相互角度关系设置成使得当所述支架圆顶的上表面邻接所述壳体的上表面时，所述聚合主结构部件被位于所述外聚合壁和所述壳体侧壁之间的所述外部弹性元件的弹性压缩置于压缩状态下。

13.根据权利要求12所述的车体结构滑柱上支架，还包括多个凹槽，它们整体地形成在与所述外聚合壁重叠的所述外部弹性元件上；其中，所述聚合材料包括玻璃加强尼龙材料。

14.根据权利要求13所述的车体结构滑柱上支架，还包括：

轴承，其具有毗邻所述中心弹性元件的上座圈，与所述金属插入物相邻，所述颠簸缓冲板毗邻轴承的下座圈；滑柱轴，其具有螺纹端部，所述螺纹端部由轴肩限定；以及

第一螺母，其旋拧在所述螺纹端部上，所述第一螺母相对于所述轴肩固定所述下座圈和所述颠簸缓冲板。

15.根据权利要求14所述的车体结构滑柱上支架，还包括：

支架保持器，其包括保持垫圈；以及

第二螺母，其旋拧在所述螺纹端部上，所述第二螺母将所述支架保持器固定到所述滑柱轴。

16.一种机动车的滑柱上支架的支架圆顶，包括：

聚合主结构部件，其包括中心聚合壁、外聚合壁、以及跨接所述中心聚合壁和外聚合壁的上聚合壁，所述中心聚合壁具有与所述上聚合壁相对地设置的底表面，其中，所述聚合主结构部件具有在所述中心聚合壁和外聚合壁之间形成于其中的环形凹进，以及其中，多个支肋设置在所述凹进中，横跨在所述中心聚合壁和外聚合壁之间；以及

结合到所述聚合主结构部件的弹性体，所述弹性体具有设置在其中的金属插入物，金属插入物与所述聚合主结构部件成远离关系；

其中，所述弹性体的邻接元件结合到所述中心聚合壁的所述底表面；以及

其中，所述弹性体结合到所述外聚合壁和上聚合壁，从而形成外部弹性元件；以及其中，所述弹性体结合到所述中心聚合壁，从而形成中心弹性元件，在中心弹性元件处设置有所述金属插入物。

17.根据权利要求16所述的支架圆顶，其中，所述聚合材料包括玻璃加强尼龙材料。

18.根据权利要求17所述的支架圆顶，还包括多个凹槽，它们整体地形成在与所述外聚合壁重叠的所述外部弹性元件上。

19.根据权利要求18所述的支架圆顶，其中，所述外聚合壁设置成相对于所述上聚合壁的法线成锐角角度。

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