CN103133583B - 车辆悬架用塑料复合弹簧及其制造装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种车辆悬架用波纹塑料复合弹簧及其制造装置和方法。该装置包括波纹挤压部、编织部、和拉挤部。波纹挤压部形成具有中空波纹结构的预成型件。编织部在预成型件上编织三维织物。拉挤部用热固性树脂浸渍三维织物。

Description

车辆悬架用塑料复合弹簧及其制造装置和方法

技术领域

本发明涉及一种车辆悬架用波纹塑料复合弹簧。更具体地，本发明涉及车辆悬架用塑料复合弹簧以及用于制造能够代替典型的金属螺旋式弹簧的波纹塑料复合弹簧的装置和方法。

背景技术

通常，车身由与轮胎连接的悬架所支撑。悬架吸收车辆行驶过程中所产生的振动和冲击以提供舒适的乘坐感，并起到根据路面状况控制车身的整体平衡的作用。而且，悬架使得驾驶员能够应对车辆转向过程中产生的离心力而稳定操作，并防止车辆由于离心力而在一个方向上倾斜。

悬架分为具有堆叠钢板的片簧和具有螺旋状钢丝的螺旋弹簧。片簧和螺旋弹簧通常由金属材料形成。近来，为了克服因腐蚀引起的耐崩裂性降低并实现车重降低，已经进行了许多研究以用塑料复合物来代替金属材料。

由于片簧具有相对简单的平面结构，已用塑料复合物来代替片簧。然而，在螺旋弹簧的情况中，当简单地用塑料复合物代替金属材料时，因金属与塑料复合物之间的刚度差异而难以实现足够高以用于车辆悬架的弹簧常数。

尽管可通过在提高轮胎直径和宽度并采用高刚度材料的同时保持螺旋形状来在一定程度上实现弹簧常数，但迄今为止，重量和材料成本的增加阻碍使用高刚度材料的螺旋弹簧的批量生产。

因此，为了使用高刚度材料代替金属螺旋式弹簧，已经引起对具有螺旋、波形、和波纹形状的各种塑料复合弹簧的研究。其中，具有波纹形状的塑料复合弹簧因其封闭截面结构对实现期望的弹簧常数是最有利的。

涉及波纹塑料复合弹簧的技术在美国专利第4,235,427中公开。然而，由于必须使用高刚度材料将其制成封闭截面结构以实现足够高以用于车辆悬架的弹簧常数，因此成形工艺困难，并且生产力低，使其批量生产困难。而且，由于该技术包括作为高价工序的手糊工序和纤维缠绕工序，因此在代替典型的金属螺旋式弹簧中存在限制。

尽管已经提出使用典型的吹塑工序制造波纹塑料复合弹簧的方法，用于制造波纹塑料复合弹簧的材料限于含有至少一定量的强度增强材料的塑料复合物、或纯热塑性树脂。难以实现足以用于车辆的弹簧常数和耐久性。

而且，在上述典型的制造方法中，由于可通过仅使用单一材料来制造波纹塑料复合弹簧，难以保证对振动和噪声的足够的隔离性能。这导致噪声、振动和声振粗糙度(NVH)特性降低。

上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供用于制造车辆悬架用波纹塑料复合弹簧的装置和方法，其通过使用不同的材料制造波纹塑料复合弹簧而能够容易地保障NVH特性，并且通过其中三步工序连接的连续成形而能提高生产力并实现批量生产。

本发明还提供一种波纹塑料复合弹簧，其通过省略部件例如典型的金属螺旋式弹簧的防尘罩和上下弹簧垫而能使悬架模块简化，便于减少用于部件的制造工序和成本，并且有助于车重降低。

一方面，本发明提供用于制造车辆悬架用波纹塑料复合弹簧的装置。该装置包括：形成具有中空波纹结构的预成型件的波纹挤压部；在预成型件上编织三维织物的编织部；和用热固性树脂浸渍三维织物的拉挤部。

另一方面，本发明提供车辆悬架用波纹塑料复合弹簧的制造方法。该方法包括使用挤压机的可旋转成型块将热塑性聚合物材料形成为具有波纹结构的预成型件；使用多根纱线在预成型件的外周面上形成三维织物；和用热固性树脂浸渍三维织物然后使三维织物硬化。

附图说明

现在将参考附图图示的本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是说明根据本发明的示例性实施方式的用于制造车辆悬架用波纹塑料复合弹簧的装置和方法的图；

图2是说明根据本发明的示例性实施方式的车辆悬架用波纹塑料复合弹簧的结构的图；

图3是说明典型的螺旋弹簧与根据本发明的示例性实施方式的车辆悬架用波纹塑料复合弹簧之间的比较的图。

在附图中提到的附图标记包括对在下面进一步讨论的下述元件的参照：

10：波纹挤压部

11：螺钉

12：冷却器

13：挤压机

14：可旋转成型块

15：预成型件

20：编织部

21：工作台(table)

22：托架

23：纱线

24：三维织物

25：中间产品

27：第一拉出器

30：拉挤部

31：低温浸渍罐

32：连续工艺炉

应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。

在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例在附图中图示，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

下面将参考所附的附图详细描述本发明的示例性实施方式。

可以通过用波纹塑料复合弹簧代替典型的金属螺旋式弹簧来实现悬架用弹簧的耐久性提高及其重量降低，以解决腐蚀相关的问题。而且，波纹塑料复合弹簧的内层和外层可由不同的材料形成，以提高对振动和噪声的隔离。

如图1所示，使用不同的材料连续形成悬架系统用波纹塑料复合弹簧(例如具有中空波纹结构的复合弹簧)的装置，可包括波纹挤压部10、编织部20、和拉挤部30。波纹挤压部10可形成中空波纹结构的预成型件。在编织部20中，可使用连续的纤维在预成型件上编织三维织物而无单独的热处理。在拉挤部30中，可浸渍热固性树脂并使其硬化。

波纹挤压部10可装备有用于转移和搅拌热塑性聚合物材料的螺钉11。挤压机13可包括螺钉11外周上的冷却器12。可设置冷却器用于使热塑性聚合物材料的转移和搅拌过程中升高的温度冷却。而且，可在挤压机13的出口侧布置可旋转成型块14，以将热塑性聚合物材料形成为期望的中空波纹形状的预成型件15。

通过波纹挤压部10进行的波纹挤压工序，即预成型件形成工序，可按照如下顺次而相继进行：在热塑性聚合物材料沿螺钉11熔融时的转移/搅拌工序，和将热塑性聚合物材料形成为具有中空波纹形状的预成型件的工序。更具体地，在将热塑性聚合物材料供应至挤压机13时，热塑性聚合物材料可通过与挤压机13连接的真空机拉长，并可在形成于挤压机13的内壁中的波纹成型表面例如挤压机13的壁面上聚集。同时，可通过挤压机13的旋转而形成具有封闭截面波纹形状的预成型件15。在这种情况下，用于形成预成型件15的热塑性树脂可包括热塑性弹性体(TPE)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVD)、和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)中的至少一种。因此，通过在波纹挤压部10处连续挤压热塑性聚合物材料而制造中空波纹形状的预成型件15之后，可将预成型件转移至编织部20以用于下一工序。

可通过编织部20及其编织工序在预成型件15上将例如强度增强材料的连续纤维编织成三维织物而无单独的热处理工序。通过编织部20及其编织工序，可在由热塑性聚合物所形成的预成型件15的外周上将强度增强材料例如玻璃纤维、碳纤维、芳纶、和石墨纤维织成三维形状。

编织部20可包括在其中心具有开口以使预成型件15通过的工作台。而且，在工作台21的开口周围可布置多个托架22，其可解开地(unwindably)缠绕有强度增强纱线23例如玻璃纤维、碳纤维、芳纶、和石墨纤维。

在这种情况下，所述多个托架22可沿移动路径(未示出)按工作台21中形成的八字形(∞-形)旋转。当缠绕在托架21上的纱线23沿各托架21的∞-形的移动路径被解开时，编织的三维织物24可在预成型件15的表面上形成。因此，可在预成型件15的外层上形成编织的三维织物24，作为波纹塑料复合弹簧的中间产品25。

接着，波纹塑料复合弹簧的中间产品25可转移至拉挤部30，在所述中间产品25中，通过编织部20经由编织工序在由热塑性聚合物材料所形成的预成型件15上形成三维织物24。在拉挤部30中，可用热固性树脂浸渍三维织物24，然后可使其硬化。拉挤部30可包括用于使用热固性树脂浸渍三维织物24的低温浸渍罐31和用于对浸渍在波纹塑料复合弹簧的中间产品25的三维织物24中的热固性树脂加热并使之交联的连续工艺炉32。

热固性树脂可包括环氧树脂、不饱和聚酯树脂和乙烯基酯树脂中的至少一种。而且，拉挤部30可包括用于将通过连续工艺炉32硬化的产品切割成适当长度的切割器33。

在低温浸渍罐31中，为进行有效的浸渍并减少树脂损失，可通过在特定位置上喷洒或倾注树脂，同时旋转波纹塑料复合弹簧的中间产品25来进行浸渍。

因此，可通过在拉挤部30的低温浸渍罐31中用热固性树脂浸渍三维织物24，对浸渍在波纹塑料复合弹簧的中间产品25的三维织物24中的热固性树脂加热并使之交联，并使用切割器33将硬化的产品切割成适当长度，来制造根据本发明的实施方式的悬架用波纹塑料复合弹簧。

在加工过程中能以恒定速度转移产品的第一拉出器27也可以布置在编织部20的端部。此外，与第一拉出器27相似的第二拉出器34可以布置在拉挤部30的连续工艺炉32与切割器33之间。第一和第二拉出器27和34可包括一对以与产品的转移方向相同的方向旋转的辊，并且可以垂直布置。通过辊的旋转力，可以以恒定速度转移产品。

如图2所示，悬架用波纹塑料复合弹簧可具有内层和外层，所述内层由起弹性体作用、使用热塑性树脂的预成型件15形成，所述外层由预成型件15上的三维织物24形成，其中三维织物24浸渍有热固性树脂。

以下，将详细描述本发明的示例性实施方式以使本领域技术人员能够容易地将其实施。

实施方式

根据本发明的实施方式的波纹塑料复合弹簧的内部材料(热塑性弹性体)由TPE-V型热塑性弹性体(产品名：Santoprene 101-87)形成。其外部材料使用具有三轴(0°，±45°)编织织花、使用玻璃纤维的三维织物形成，并且通过在常温(约25℃)在低温浸渍罐中用环氧树脂浸渍三维织物并将其在约120～175℃保持于连续工艺炉中约30分钟来制造。

比较例

作为比较例1，制造典型的钢螺旋式弹簧。作为比较例2，使用热固性树脂和玻璃纤维制造螺旋式弹簧。作为比较例3，使用热固性树脂和碳纤维制造螺旋式弹簧。最后，作为比较例4，使用热固性树脂和玻璃/碳纤维制造螺旋式弹簧。

测试例

测量实施方式和比较例1-4的弹簧常数。测量结果示于下表1中。

表1

如表1所示，根据本发明的实施方式的波纹塑料复合弹簧的弹簧常数测量为约1.76kgf/mm。尽管根据比较例1的钢螺旋弹簧的弹簧常数在比较例1至4中测量为最高的弹簧常数(例如，约1.42kgf/mm)，但其比本发明的实施方式的弹簧常数低。因此，由于根据本发明的实施方式的波纹复合物的内层是由具有优异的隔离和阻尼性能的弹性热塑性树脂形成的，并且其外层由作为高刚度复合物的浸渍有热固性树脂的三维织物形成，因此内层可显示出针对振动和噪声的隔离和阻尼特性。

如图3所示，由于根据本发明的实施方式的波纹塑料复合弹簧不同于典型的金属螺旋弹簧，其不使用例如防尘罩和上下弹簧垫的部件，因此在本发明的示例说明的实施方式中存在与所需部件相关的成本降低。再者，制造弹簧的整体工序简化。

根据本发明的实施方式，通过使用不同于常规使用的材料制造悬架系统用波纹塑料复合弹簧，NVH特性可以容易地得到保障，并且通过将三步工序连接可以进行连续形成，从而也能改进生产力。而且，通过省略部件例如典型金属螺旋式弹簧的防尘罩和上下弹簧垫，可以使悬架模块简化，并且也可以降低用于部件的制造工序和成本。此外，可实现车重降低。

特别地，由于内层和外层分别是由浸渍有弹性热塑性树脂和热固性树脂的三维织物所形成的，可实现对振动和噪声的隔离的改进。

已经参考其示例性实施方式详细描述本发明。然而，本领域的技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式做出改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。

Claims (14)

1.一种用于制造车辆悬架用波纹塑料复合弹簧的装置，所述装置包括：

波纹挤压部，其被配置为形成具有中空波纹结构的预成型件；

编织部，其被配置为在所述预成型件上编织三维织物；和

拉挤部，其被配置为用热固性树脂浸渍所述三维织物。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述波纹挤压部包括：

螺钉，其被配置为转移并搅拌热塑性聚合物材料；和

挤压机，其包括配置为将所述热塑性聚合物材料形成为波纹预成型件结构的可旋转成型块。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述编织部包括：

工作台，在其中心具有开口以使所述预成型件通过；和

多个托架，其布置在所述工作台的开口周围，并且可解开地缠绕有强度增强纱线。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述拉挤部包括：

低温浸渍罐，其被配置为用所述热固性树脂浸渍所述三维织物；和

连续工艺炉，其被配置为对浸渍在所述三维织物中的热固性树脂加热并使之交联。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述拉挤部还包括配置为将通过所述连续工艺炉硬化的产品切割成适当长度的切割器。

6.如权利要求1所述的装置，还包括分别布置在所述编织部的端部和所述拉挤部的连续工艺炉与切割器之间的第一和第二拉出器，从而以恒定速度转移产品。

7.一种用于制造车辆悬架用波纹塑料复合弹簧的方法，所述方法包括：

通过波纹挤压部，使用挤压机的可旋转成型块将热塑性聚合物材料形成为具有波纹结构的预成型件；

通过编织部，使用多根纱线在所述预成型件的外周面上形成三维织物；和

通过拉挤部，用热固性树脂浸渍所述三维织物；和

在浸渍之后，使所述三维织物硬化。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述热塑性聚合物材料包括热塑性弹性体(TPE)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVD)、和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)中的至少一种，且

所述热固性树脂包括环氧树脂。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述热固性树脂包括不饱和聚酯树脂。

10.如权利要求7所述的方法，其中所述热固性树脂包括乙烯基树脂。

11.如权利要求7所述的方法，其中所述三维织物的纱线选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶、和石墨纤维。

12.如权利要求7所述的方法，还包括在所述三维织物的硬化之后通过切割器将产品切割成适当长度。

13.一种车辆悬架用波纹塑料复合弹簧，具有内层和外层的双截面结构，并使用根据权利要求1所述的装置制成中空波纹形状。

14.如权利要求13所述的车辆悬架用波纹塑料复合弹簧，其中所述内层由使用热塑性树脂的预成型件形成，并且所述外层通过在所述预成型件的外周面上形成三维织物并同时用热固性树脂浸渍所述三维织物而制造。