CN101918232B - 结构性工字梁汽车悬架臂 - Google Patents

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Abstract

一种包括车辆悬架控制臂的结构元件，其由复杂的单件式金属板冲压部件构造，所述冲压部件由均匀厚度的材料形成。所述冲压部件被构造为具有正确的平面视图形状并且被形成为工字梁横截面，所述工字梁横截面包括中央腹板部和两个凸缘部。所述中央腹板部被构造为具有单一材料厚度并且所述凸缘部包括具有连续重叠折回段的上延和下延封闭段。金属板的敞开端在中央腹板部处或其附近终止并且被焊接至腹板部，在一个替换实施例中，金属板的敞开端还被焊接至连续重叠折回段，以产生有利的结构性工字梁截面，其中凸缘部的厚度是腹板部厚度的两倍。

Description

结构性工字梁汽车悬架臂
技术领域
本发明适用于结构元件的制造工艺，所述结构元件由金属板形成，本发明特别适用于需要高的刚度重量比和强度重量比的部件。尤其是，本发明适用于汽车悬架臂。
背景技术
大多数现代道路车辆应用某种形式的悬架系统来将乘客室与由道路表面崎岖不平引起的车轮干扰隔离开。这些悬架系统通常包括某种形式的能量储存介质(诸如弹簧)、控制弹簧运动的装置(诸如减震器)以及控制车轮运动的运动学的连杆机构。所述部件的组合被构造成允许车辆的车轮以受控方式向上运动并越过道路的崎岖不平。最常见形式的连杆机构是四杆连杆构造，其由心轴组件、车辆本体以及通常称为控制臂的两个枢转结构元件构造。
图1显示了常见的现有技术的四杆连杆构造。控制臂(1)(2)相对于车辆本体(4)确定心轴组件(3)的位置并引导它的运动。心轴组件承载着统称为簧下质量(5)的车轮、轮胎、轴承组件以及刹车组件。所述簧下质量还包括控制臂重量的一部分。因为在将簧下质量向上移过道路表面不平时涉及较大的能量，所以优选尽可能大地减小所述子组件的组合重量。另外，因为车辆的操作特征直接取决于簧下部件的受控运动，所以有必要使控制臂具有充分的刚度和强度来抵抗施加到它们上面的巨大载荷。
因此，重要的是悬架控制臂是坚固和刚性的以便在受到载荷时正确运行，并且重量是轻的以便减少簧下质量。减少重量一般会导致强度和刚度的降低。需要大的独创性来设计具有减少重量而性能特征相同的部件。施加在悬架控制臂上的操作载荷是离散的并且很好掌握，从而可以研制非均匀结构以便沿着应用所需要的方向和位置提供选择的刚度和强度。在平面图中，车辆悬架控制臂通常被构造为“A”型或“L”型，这取决于本体安装件构造与心轴的关系。在任一情形下，主导性感生载荷都处于“A”型或“L”型平面中并且因此需要高的平面内刚度。用于抵抗这些感生载荷的最有效形状要求材料高度聚集在“A”型或“L”型边缘周围以便最大化平面内第二区域力矩值。图2显示了常见的现有技术的“L”型悬架控制臂(8)，其中通过浇铸制造工艺促进材料高度聚集在结构边缘周围。这种结构与常规结构性截面做法一致，其中工字梁被认为是承载弯曲载荷的最有效方法。工字梁构造将材料聚集在远离质心或中心轴线的截面末端。图2A是典型的现有技术工字梁的横截面视图，即图2的浇铸成型“L”型悬架控制臂。工字梁的相对两端被称为凸缘(6)，而单个中央部件被称为腹板(7)。使凸缘比腹板更厚从而充分实现工字梁的结构性优势是有利的。
对于优化控制臂结构在形状上非均匀的要求已经促使应用多种复杂的制造工艺。与车辆控制臂构造相关联的最常见的制造方法是将压制成型的金属冲压部件浇铸、铸造以及焊接成子组件。因为涉及复杂形状，所以非常难以由简单的压制成型的金属冲压部件制造优化的车辆控制臂。
在其构造中应用压制成型金属冲压部件的大多数悬架控制臂被构造成封闭的箱体截面。图3显示了由两个U型压制成型金属冲压部件构造的典型悬架控制臂的截面。这种类型的结构截面相比较工字梁在抵抗平面内弯曲载荷方面效率低很多并且它需要材料交叠很多以促进所需的角焊缝接头。所述材料交叠最终在结构上是多余的并且导致比替换的浇铸或铸造构造更重。
发明人为Kusama等人的美国专利No.5,662,348披露了一种专门由压制成型件制造的悬架臂。Kusama要求保护一个很宽范围的不同截面的构造，所述构造均旨在以与感生载荷兼容的方式加强车辆的悬架控制臂。然而，Kusama没有教导利用压制成型技术形成真正的工字梁截面的方法。
使用工字梁截面在悬架臂技术中是已知的并且通常涉及利用浇铸或铸造技术制造，如图2和2A所示。然而，应用两个杯型压制成型冲压部件、将它们背靠背地布置并且凸焊在一起以形成具有所需平面视图形状的工字梁截面也是常见的做法。虽然已经通过用这种方法结合两个相对简单的冲压部件而形成工字梁截面，但是凸缘的厚度是腹板厚度的一半，从而导致结构性能差。图4显示了由两个杯型压制成型冲压部件构造的典型现有技术工字梁悬架控制臂的横截面视图。重要的是要注意现有技术制造工艺规定凸缘为单一材料厚度，而腹板为两倍材料厚度。这不是最佳结构构造。
授予Layman的美国专利No.1,380,659涉及连杆、杠杆等，并且尤其涉及由金属板形成的物件。Layman没有提及车辆悬架控制臂并且明确地指出发明目的是降低制造本发明所涉及种类的连杆、杠杆等的成本。没有表明理解感生载荷与车辆悬架控制臂相关联并且图示涉及普通连杆和杠杆。Layman显示了多种由金属板形成的可能的横截面，但是仅有一种可以被解释为代表真正的工字梁截面。然而不是在描述汽车悬架控制臂的环境下显示这种工字梁截面的，并且没有显示所需部件的数目、任何接头或将金属板连接在一起的方法(诸如焊接)。从这个角度出发，Layman的工字梁截面没有被充分描述为能够实施。最后，Layman的工字梁截面显示了凸缘和腹板为相同的材料厚度。这不是最佳的结构构造。
发明人为Howell等人的美国专利申请No.2005/0104315A1披露了一种真正的工字梁截面的车辆悬架臂，其应用压制成型金属板部件构造。与Layman不同，Howell充分描述了用于连结冲压金属部件以便形成可实现的工字梁车辆控制臂的方法。然而，Howell的所述工字梁截面与Layman一样具有相同的限制，原因是凸缘和腹板具有相同的材料厚度。另外，Howell要求将两个冲压部件连接在一起以便形成真正的工字梁截面。
发明内容
因此，有利的是产生悬架控制臂，其能够应用诸如金属板压制成型等低成本制造技术提供高的内在刚度和强度，同时保持相对低的质量。已经证明：对于诸如由汽车工业规定的大体积应用，金属板压制成型是制造结构部件最成本有效的方法。当前制造的几乎每辆汽车都利用几乎完全由铝或钢冲压部件构造的车体结构和选择子框架，所述冲压部件应用压制成型技术制造。因此本发明的目的是利用金属压制成型制造车辆悬架控制臂。
在本发明的一个实施例中，包括车辆悬架控制臂的结构元件由复杂的单件式金属板冲压部件构造，所述冲压部件由均匀厚度的材料形成。所述冲压部件对于所述应用构造有正确的平面视图形状，即“A”、“L”或其它合适的形状，并且形成为包括中央腹板部和两个凸缘部的工字梁横截面。所述中央腹板部构造为单一材料厚度并且所述凸缘部包括上延和下延封闭段。所述上延和下延封闭段构造有由均匀厚度金属板形成的连续重叠折回段，从而每个凸缘部的厚度是腹板部厚度的两倍。金属板的敞开端适于抵靠中央腹板部终止并且利用MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法被焊接至腹板部。最终的组件具有有利的结构工字梁截面，因为凸缘部厚度是腹板部厚度的两倍。
因此，包括车辆悬架臂的由金属板形成的结构元件包括：由均匀厚度的材料形成的金属板冲压部件，其包括中央腹板部和位于所述中央腹板部相对侧的两个凸缘部；所述中央腹板部被构造为具有单一材料厚度；所述凸缘部包括上延和下延封闭段；所述上延和下延封闭段被构造为具有由金属板形成的连续重叠折回段，藉此每个凸缘部的厚度是中央腹板部厚度的两倍；其中金属板的敞开端适于抵靠中央腹板部终止并且被刚性地固定，从而所述结构元件为工字梁截面，藉此每个凸缘部的厚度是中央腹板部厚度的两倍。
在本发明的另一方面：
a)所述金属板冲压部件由均匀厚度的铝板、钢板或类似金属材料板压制成型，所述冲压部件包括中央腹板部和位于所述中央腹板部相对侧的两个凸缘部；
b)所述中央腹板部被构造为具有单一材料厚度并且在预定点包括挤压成型开口，所述开口适于产生合适的结构来接纳心轴组件的球窝接头；
c)所述凸缘部包括上延和下延封闭段；
d)所述上延和下延封闭段被构造为具有由金属板形成的连续重叠折回段，藉此每个凸缘部的厚度是中央腹板部厚度的两倍；
e)金属板的切边端适于抵靠中央腹板终止并且借助MIG、TIG、弧焊或者激光焊或者类似方法被刚性固定至中央腹板；
f)至少一个断裂被引入凸缘部以便产生合适的结构来接纳车辆本体附接零件。
在本发明的一个优选实施例中，通过应用MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法将衬套支撑结构刚性附接至主要臂部件而产生所需的平面视图形状，即用于所述应用的“A”型、“L”型或其他合适的形状。所述主要臂部件以与前述金属板冲压部件相同的方式构造，但是它具有比完全分叉构造更容易制造的更简单的平面视图形状。衬套支撑结构被构造为具有敞开或封闭截面的简单的金属冲压部件并且适于接纳圆形的衬套支撑件。以这种方式，由车辆悬架几何形状要求所规定的高度复杂的平面视图形状可以与具有相对简单平面视图形状的金属板冲压部件相适应，同时保留前述高级工字梁截面的所有优点。
附图说明
图1是常见四杆连杆机构车辆悬架系统的透视图；
图2是典型的浇铸成型的现有技术悬架控制臂的透视图；
图2A是图2中典型的现有技术悬架控制臂的截面图；
图3是典型的冲压成型的现有技术悬架控制臂的截面图；
图4是典型的冲压成型的工字梁截面的现有技术悬架控制臂的截面图；
图5是本发明的悬架控制臂的透视图；
图6是本发明的悬架控制臂的截面透视图；
图7是本发明悬架控制臂的分解透视图；
图8是本发明的悬架控制臂的优选实施例的典型截面图；
图9是包括焊接接头细节的图8中本发明悬架控制臂的优选实施例的典型截面图；
图10是本发明悬架控制臂的替换实施例的截面图；
图11是包括焊接接头细节的图10中本发明悬架控制臂的替换实施例的截面图；
图12是本发明悬架控制臂的另一替换实施例的透视图；
图12A是图12中本发明悬架控制臂的另一替换实施例的分解透视图。
具体实施方式
参照图5、6、7和8，车辆悬架控制臂(10)大致由以下构造：复杂的单件式金属板冲压部件(11)、圆形衬套支撑件(18)、直列式销衬套支撑件(19)和球窝接头(27)。通过将由钢、铝或其它合适的金属(例如钛、钨等)或合金形成的均匀厚度的平板压制成型为由车辆悬架几何形状要求所规定的所需平面视图形状而制造所述金属板冲压部件(11)。而且，所述冲压部件在压制成型过程中被构造为具有单一材料厚度的腹板部(12)以及位于中央腹板部(12)相对侧的两个凸缘部(13)。每个凸缘部(13)包括上延封闭段(14)和下延封闭段(15)，它们形成有连续的折回段(16)，所述折回段(16)重叠折回到其中一个封闭段上，从而切边端(17)抵靠着中央腹板部(12)终止，这有效地在该区域使截面厚度加倍。这些两倍材料厚度凸缘部(13)围绕着冲压部件的整个外围延伸，除了需要特殊形状以方便车辆本体附接的局部区域以外，所述局部区域即圆形衬套支撑件(18)和直列式衬套支撑件(19)以及球窝接头(27)。
通过应用MIG(金属惰性气体)、TIG(钨惰性气体)、弧焊或激光焊或类似方法将重叠折回金属板部分的切边端(17)刚性附接至中央腹板部(12)而完成最终的悬架控制臂结构(10)。由所述形成和附接方法产生的典型截面被显示在图9的横截面视图中。角焊缝(22)被构造成连续的或间断的并且适于将重叠折回金属板部分的切边端(17)刚性附接至中央腹板部(12)。通过这种方式，产生了一种高效的工字梁截面，其中凸缘部(13)的厚度(T1)是中央腹板部(12)厚度(T2)的两倍，因此在结构上优于图4所示的现有技术的截面。
图10和图11显示了本发明的替换实施例，其中重叠折回金属板部分的切边端(17)稍微远离中央腹板部(12)终止，从而产生间隙(D1)。所述间隙(D1)被构造为促进由MIG或类似焊接方法产生的三种材料的焊接。所产生的角焊缝(23)以单个结构性接头将切边端(17)、中央腹板部(12)以及凸缘部(13)的连续折回段(16)刚性附接在一起。通过这种方式，凸缘部(13)的封闭段被非常有效地连接至中央腹板部(12)。
参照图5和7，悬架控制臂(10)被构造为具有适于接纳球窝接头(27)的挤压成型开口(20)。通过冲压一个孔并且将一挤压件压制成型到金属板冲压部件(11)的中央腹板部(12)的所述孔中而产生所述挤压成型开口(20)。悬架控制臂(10)还被构造为具有凸缘部中的至少一个断裂，从而可以方便车辆本体的附件(18)(19)。该断裂可以为适于接纳垂直定向的圆形衬套支撑件(18)的复杂形状，或者为适于接纳直列式销钉(19)的简单的平直切口。
图12显示了本发明的一个替换优选实施例，其中通过应用MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法将衬套支撑结构(30)刚性附接至主要臂部件(31)而产生悬架控制臂(10)的所需平面视图形状。所述主要臂部件(31)以与前述金属板冲压部件(11)相同的方式构造。衬套支撑结构(30)被构造为具有敞开或封闭截面的简单金属冲压部件并且适于接纳圆形衬套支撑件(18)。通过这种方式，通常由车辆悬架几何形状要求所规定的高度复杂的平面视图形状可以与主要臂部件(31)相适应，所述臂部件(31)以与前述金属板冲压部件(11)相同的方式构造，但是其具有相对简单的平面视图形状，同时保留前述高级工字梁截面的所有优点。
虽然已经显示了本发明的优选实施例，但是本领域的普通技术人员显然明白可以对图示结构进行变型或改变，而不会脱离本发明的精神或范围。

Claims (16)

1.一种包括车辆悬架臂的由金属板形成的结构元件，其包括：
a)由均匀厚度材料形成的金属板冲压部件，所述冲压部件包括中央腹板部和位于所述中央腹板部的相对侧的两个凸缘部；
b)所述中央腹板部被构造为具有单一材料厚度；
c)所述凸缘部包括上延封闭段和下延封闭段；
d)所述上延封闭段和下延封闭段被构造为具有由所述金属板形成的连续重叠折回段，藉此每个凸缘部的厚度是所述中央腹板部的厚度的两倍；
其中所述金属板的切边端适于抵靠所述中央腹板部终止并且被刚性地固定，从而所述结构元件是工字梁截面，藉此每个凸缘部的厚度是中央腹板部厚度的两倍。
2.根据权利要求1的包括车辆悬架臂的结构元件，其中所述金属板冲压部件由铝板、钢板或类似金属板材料压制成型。
3.根据权利要求1的包括车辆悬架臂的结构元件，其中所述金属板冲压部件的切边端借助MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法被刚性固定至中央腹板部。
4.根据权利要求1的包括车辆悬架臂的结构元件，其中所述金属板冲压部件被构造为具有位于中央腹板部预定点处的挤压成型开口，以便形成合适的结构以接纳心轴组件的球窝接头。
5.根据权利要求1的包括车辆悬架臂的结构元件，其中至少一个断裂被引入凸缘部中以便形成合适的结构以接纳车辆本体附接零件。
6.根据权利要求1的包括车辆悬架臂的结构元件，其中一衬套支撑结构被构造成借助MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法刚性附接至金属板冲压部件，并且所述衬套支撑结构适于接纳车辆本体附接零件。
7.根据权利要求6的包括车辆悬架臂的结构元件，其中所述金属板冲压部件和衬套支撑结构由铝板、钢板或类似的金属材料板压制成型。
8.根据权利要求6的包括车辆悬架臂的结构元件，其中所述金属板冲压部件的切边端借助MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法刚性地固定至中央腹板部。
9.根据权利要求6的包括车辆悬架臂的结构元件，其中所述金属板冲压部件被构造为具有位于中央腹板部预定点处的挤压成型开口，以便形成合适的结构以接纳心轴组件的球窝接头。
10.根据权利要求6的包括车辆悬架臂的结构元件，其中至少一个断裂被引入凸缘部以便产生合适的结构来接纳附加的车辆本体附接零件。
11.一种包括车辆悬架臂的由金属板形成的结构元件，其包括：
a)由均匀厚度材料形成的金属板冲压部件，所述冲压部件包括中央腹板部和位于所述中央腹板部的相对侧的两个凸缘部；
b)所述中央腹板部被构造为具有单一材料厚度；
c)所述凸缘部包括上延封闭段和下延封闭段；
d)所述上延封闭段和下延封闭段被构造为具有由所述金属板形成的连续重叠折回段，藉此每个凸缘部的厚度是所述中央腹板部的厚度的两倍；
其中一衬套支撑结构被构造成借助MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法刚性附接至金属板冲压部件，并且所述衬套支撑结构适于接纳车辆本体附接零件；以及
所述金属板冲压部件的切边端远离中央腹板部一小段距离终止，从而产生间隙，并且所述切边端借助MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法被刚性固定至中央腹板部和连续重叠折回段。
12.一种包括车辆悬架臂的由金属板形成的结构元件，其包括：
a)由均匀厚度材料形成的金属板冲压部件，所述冲压部件包括中央腹板部和位于所述中央腹板部的相对侧的两个凸缘部；
b)所述中央腹板部被构造为具有单一材料厚度；
c)所述凸缘部包括上延封闭段和下延封闭段；
d)所述上延封闭段和下延封闭段被构造为具有由所述金属板形成的连续重叠折回段，藉此每个凸缘部的厚度是所述中央腹板部的厚度的两倍；
其中所述金属板冲压部件的切边端远离中央腹板部一小段距离终止，从而产生间隙，所述切边端借助MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法被刚性固定至中央腹板部及连续重叠折回段。
13.一种包括车辆悬架臂的由金属板形成的结构元件，其包括：
a)由均匀厚度的铝板、钢板或类似金属材料板压制成型的金属板冲压部件，所述冲压部件包括中央腹板部和位于所述中央腹板部的相对侧的两个凸缘部；
b)所述中央腹板部被构造为单一材料厚度并且包括位于预定点处的挤压成型开口，所述挤压成型开口适于形成合适的结构以接纳心轴组件的球窝接头；
c)所述凸缘部包括上延封闭段和下延封闭段，并且包括至少一个断裂，从而产生合适的结构以接纳车辆本体附接零件；
d)所述上延封闭段和下延封闭段被构造为具有由所述金属板形成的连续重叠折回段，藉此每个凸缘部的厚度是所述中央腹板部厚度的两倍；
其中所述金属板的切边端抵靠所述中央腹板部终止并且借助MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法被刚性地固定至中央腹板部，从而所述结构元件是工字梁截面，藉此每个凸缘部的厚度是中央腹板部厚度的两倍。
14.一种包括车辆悬架臂的由金属板形成的结构元件，其包括：
a)由均匀厚度的铝板、钢板或类似金属材料板压制成型的金属板冲压部件，所述冲压部件包括中央腹板部和位于所述中央腹板部相对侧的两个凸缘部；
b)所述中央腹板部被构造为单一材料厚度并且包括位于预定点的挤压成型开口，所述挤压成型开口适于产生合适的结构以接纳心轴组件的球窝接头；
c)所述凸缘部包括上延封闭段和下延封闭段，并且包括至少一个断裂，从而产生合适的结构以接纳车辆本体附接零件；
d)所述上延封闭段和下延封闭段被构造为具有由所述金属板形成的连续重叠折回段，藉此每个凸缘部的厚度是所述中央腹板部厚度的两倍；
其中所述金属板的切边端远离所述中央腹板部一小段距离终止，从而产生间隙，并且所述切边端借助MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法被刚性地固定至中央腹板部和连续重叠折回段，从而所述结构元件是工字梁截面，藉此每个凸缘部的厚度是中央腹板部厚度的两倍。
15.一种包括车辆悬架臂的由金属板形成的结构元件，其包括：
a)由均匀厚度的铝板、钢板或类似金属材料板压制成型的金属板冲压部件，所述冲压部件包括中央腹板部和位于所述中央腹板部相对侧的两个凸缘部；
b)衬套支撑结构，其由与所述金属板冲压部件类似的材料压制成型并且被构造为借助MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法刚性附接至所述金属板冲压部件；
c)所述衬套支撑结构被构造为具有简单的敞开或封闭截面并且适于接纳车辆本体附接零件；
d)所述中央腹板部被构造为单一材料厚度并且包括位于预定点的挤压成型开口，所述挤压成型开口适于产生合适的结构以接纳心轴组件的球窝接头；
e)所述凸缘部包括上延封闭段和下延封闭段，并且包括至少一个断裂，从而产生合适的结构以接纳附加的车辆本体附接零件；
f)所述上延封闭段和下延封闭段被构造为具有由所述金属板形成的连续重叠折回段，藉此每个凸缘部的厚度是所述中央腹板部厚度的两倍；
其中所述金属板的切边端抵靠所述中央腹板部终止并且借助MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法被刚性地固定至中央腹板部，从而所述结构元件为工字梁截面，藉此每个凸缘部的厚度是中央腹板部厚度的两倍。
16.一种包括车辆悬架臂的由金属板形成的结构元件，其包括：
a)由均匀厚度的铝板、钢板或类似金属材料板压制成型的金属板冲压部件，所述冲压部件包括中央腹板部和位于所述中央腹板部相对侧的两个凸缘部；
b)衬套支撑结构，其由与所述金属板冲压部件类似的材料压制成型并且被构造为借助MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法刚性附接至所述金属板冲压部件；
c)所述衬套支撑结构被构造为具有简单的敞开或封闭截面并且适于接纳车辆本体附接零件；
d)所述中央腹板部被构造为单一材料厚度并且包括位于预定点的挤压成型开口，所述挤压成型开口适于产生合适的结构以接纳心轴组件的球窝接头；
e)所述凸缘部包括上延封闭段和下延封闭段，并且包括至少一个断裂，从而产生合适的结构以接纳附加的车辆本体附接零件；
f)所述上延封闭段和下延封闭段被构造为具有由所述金属板形成的连续重叠折回段，藉此每个凸缘部的厚度是所述中央腹板部厚度的两倍；
其中所述金属板的切边端远离所述中央腹板部一小段距离终止，从而产生一间隙，所述切边端借助MIG、TIG、弧焊或激光焊或类似方法被刚性地固定至中央腹板部和所述连续重叠折回段，从而所述结构元件为工字梁截面，藉此每个凸缘部的厚度是中央腹板部厚度的两倍。
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