CN103573892B - 弹簧、特别是用于机动车的承载弹簧 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹簧、特别是用于机动车的承载弹簧，由纤维复合材料构成，设有至少一根金属丝（5），所述金属丝的电阻根据弹簧（1）的变形而改变。

Description

弹簧、特别是用于机动车的承载弹簧

技术领域

本发明涉及一种弹簧、特别是用于机动车的承载弹簧/支承弹簧/悬架弹簧，其由纤维复合材料制成。

背景技术

弹簧应用在各种不同的领域中。一例子是将这种弹簧用作机动车承载弹簧，该承载弹簧被配设给减振器或者形成这种减振器的一部分。通过包括这种承载弹簧的这种减振器将车辆的各个车轮支撑在车身一侧。用于这种应用的弹簧通常设计为螺旋弹簧，也就是说具有圆柱形的基本形状。此外但也充分已知了具有其它几何结构的弹簧，例如盘簧、板簧、蝶形弹簧等等。这些弹簧也可用于多种用途。

这种弹簧的基本任务在于，吸收并减小力或者存储力。这在力传递的情况下无论如何都导致了弹簧的变形、也就是说导致了几何结构的变化。

通常，弹簧由金属或含有金属的材料制成。但也已知了，这种弹簧由纤维复合材料制成，例如参阅US7,311,124B2或者US2009/0243174A1。这种复合材料弹簧例如包括柔性芯，该柔性芯被多层的树脂浸渍的纤维织物、例如玻璃纤维或碳纤维包围。树脂、也就是说纤维组织的基体硬化，由此与内置的纤维的加强性能相结合地使弹簧获得其规定的弹性。替代于利用完成的纤维织物或纤维层来包覆柔性芯也可以考虑的是，通过围绕弹性芯卷绕单个的纤维或长丝而形成这种纤维层，其中所述单个的长丝穿过液态树脂被拉出，对此例如参阅US7,311,124B2。正如不仅可以在材料方面而且可以在长度和布置结构方面应用不同的纤维那样，当然也可以应用不同的树脂、也就是说基体。优选的是硬化树脂，如环氧树脂、乙烯基酯树脂或聚酯树脂。

如所实施地，这些弹簧一方面用于实现在两个通过所述弹簧运动耦合的部件之间的相对运动，另一方面用作蓄能器等等。对于一些应用，例如在机动车中用于控制对机动车运行产生影响的驾驶员辅助系统或调节系统，如电子稳定程序、防抱死系统、自动减振调节系统等等，可能适宜的是关于在弹簧区域中的给出的力关系/力作用条件的信息，其中这种信息获得当然不限于这些应用领域。然而在现有技术中不能获取任何相关信息。

发明内容

因此本发明的目的是，提出一种弹簧，该弹簧能够实现，获得关于在弹簧一侧给出的力关系的信息。

为了实现该目的，对于开头所述类型的弹簧根据本发明设有至少一根金属丝，该金属丝根据弹簧的变形而改变其电阻。

根据本发明的由纤维复合材料制成的弹簧的突出特点在于，至少一个在弹簧侧固定布置并且跟随地执行任意弹簧变形的金属丝，由于施加在弹簧侧的力的变化必然引起的弹簧几何结构变化使得该金属丝改变其电阻。该电阻可以通过合适的下游的控制装置没有问题地检测到。测得的实际电阻，正如它也就是说被相应地测量到那样，与弹簧的相应变形相互关联，这种变形又必然与规定的力关系相互关联。在将四个承载弹簧形式的根据本发明的弹簧集成在机动车中的情况下，在车辆的未受负载的状态中例如给出一种规定的初始状态。其例如可以用作为基准状态。可能由于所装入的重量或者在运行中由于相应负载变化等引起的任意车辆负载都会导致各个弹簧的相应几何结构变化，该几何结构变化又引起规定的电阻变化。通过检测各个电阻，随后可以实现与所引入的力的准确关联，也就是说，由此可以直接确定出弹簧力或车轮支承力。

在根据本发明的弹簧作为机动车中承载弹簧的应用情况下在此情况下该信息可以被用于调节相应的驾驶员辅助系统或调节系统，如电子稳定程序、防抱死系统或减振器调节系统，用以对行驶机构产生影响，据此也可以根据所确定的车轮支承力来充分利用轮胎在行车道上的最大附着能力。

作为所述金属丝可以应用任何如下的长丝：其与弹簧变形相关地具有规定的——优选线性的——电阻变化曲线，其中线性的相关性当然不是先决条件。如果仅是原则上给定并且已知了在电阻和丝几何结构之间的关系并且该关系被存储在控制装置中，便足够了。

在此当在机动车中应用时原则上存在这样的可能性：即针对不同的温度，例如被分级地在间隔开的、相应的电阻力特征曲线簇中存储。已知电阻也与温度相关。为了在机动车的使用领域方面较大的温度波动的情况下——机动车在直至-40°的低的零度以下温度并且也在直至+60°的高温下运行——即使在极端情况下仍能正确地确定相应的力关系，提出了这样一种温度分级的特征曲线簇展开形式（Kennfeldaufspreizung）。得出的温度例如可以在机动车侧没有问题地通过相应的、检测外界温度的温度传感器检测出，紧接着控制装置选出相应的、与温度有关的特征曲线簇并且根据该特征曲线簇结合电阻测量来确定相应的力。

尽管已经足够的是，在弹簧侧仅设置一个金属丝，然而适宜的是，设有多个在其电阻变化方面可分开检测的金属丝。由此得出这样的可能性，一方面检测冗余的电阻值，以便确保，在不管由于何种原因也出现了金属丝故障的情况下提供至少一个另外的电阻测量值。此外存在这样的可能性，在检测多个电阻值时，通过与另外的电阻值进行比较对主要的电阻值在其可信度方面进行检查并且在测得的可信度的情况下将该主要的电阻值作为其它控制/调节的基础。

在所述金属丝的几何布置结构方面可以考虑不同的设计方案。可能的是，将金属丝集成在弹簧的内部或者布置在弹簧的外侧上，可能在相应的保护漆或类似物的情况下。例如，金属丝可以简单地沿弹簧、也就是说平行于位于内部的芯延伸并且被嵌入一树脂纤维基体中。例如可能的是，该基体通过给在初始状态中为长形的芯缠绕经树脂浸渍的纤维织物和类似物以及随后压缩成型为期望的弹簧形状而形成。另选地可以考虑，所述金属丝、如基体丝围绕位于内部的芯缠绕，这例如可以通过应用根据US7,311,124B2的制造原理来实现，在那里从围绕纵向运动的芯转动的丝储存容器（Fadenreservoir）中将丝退卷。如果在这里通过金属丝储存容器输送金属丝，则这强制性地导致了盘旋形地由金属丝缠绕内芯。

金属丝的端部为了能够实现触点接通而在弹簧侧——优选在弹簧的端部处——被从相应的树脂纤维基体中引出，以便能够实现集成的金属丝的尽可能大的长度。在弹簧端部上可以设置相应的连接可能性，用以与控制装置或类似装置的触点接通和连接。

纤维复合材料可以是任意的天然材料，优选的是GFK、也就是说玻璃纤维增强的塑料，或者是CFK、也就是说碳纤维增强的复合材料。

弹簧可以设计为任意类型。可以考虑的是，弹簧设计为螺旋弹簧、盘簧、板簧、蝶形弹簧或者扭杆弹簧，其中这里列出的弹簧类型当然不是排它的（所有类型）。

除了弹簧自身之外，本发明还涉及一种机动车，其中每个车轮配设有具有至少一个前述类型弹簧的减振装置。

每个弹簧或所有弹簧共同地可以配设有控制装置，该控制装置根据测得的电阻值确定出相应车轮的弹簧力和/或车轮支承力并且根据所确定的力值来控制机动车的至少一个运行系统。如所设计地，其在此可以涉及车辆的任意的驾驶员辅助或调节系统。

在此适宜的是，控制装置根据在一弹簧上确定的另一电阻值来确定测得的电阻值的可信度。其前提是，在每个单独的弹簧上设有至少两个金属丝，该金属丝提供分开的与几何结构相关的电阻值。

在此，可以在存在多个这种金属丝的情况下检测力值，其方法是，例如对测得的电阻值进行平均，或者根据相应的加权规定来确定一加权的力值。

最后适宜的是，在控制装置中存储有多个与规定的温度或温度范围相对应的、涉及与几何结构相关的金属丝电阻曲线的特征曲线簇，其中控制装置根据测得的室温选择出与该温度相对应的特征曲线簇并且将该特征曲线簇作为后续的力值确定的基础。为此，尽管电阻曲线的温度相关性优选较低，但仍在确定力值时对其进行考虑。

附图说明

从下面描述的实施例中以及根据附图得出本发明的其它优点、特征和细节。图中示出：

图1示出适合作为机动车承载弹簧的螺旋弹簧形式的本发明弹簧的原理图，

图2示出根据第一个实施方式的这种具有沿弹簧延伸的金属丝的弹簧的截面图，

图3示出根据图2的截面图，其中在此金属丝围绕内芯缠绕，和

图4示出根据本发明的机动车。

具体实施方式

图1示出螺旋弹簧形式的根据本发明的弹簧1，该弹簧由纤维复合材料制成（见图2，3）。仅示范性地在图2和3中示出由树脂或类似材料制成的已硬化的基体2，在该基体中分布地布置有多个单个的纤维3、例如玻璃纤维或碳纤维。虽然在图2和3中无规则地示出纤维3，但是当然可以考虑的是，将层或织物形式的纤维统一（einigermaβen）定向地引入。在此这仅涉及了原理视图，其绝不是限制性的。

如可从图2和3中看出地，根据本发明的弹簧具有位于内部的例如弹性材料的芯4，其中然而这种芯4并不是一定要设置。围绕该芯4在所示的实施例中布置有树脂基体2和纤维3，其中整个弹簧被加固并且决定性地确定了其弹性特性。

如图1-3所示，在弹簧中内置地接纳有金属丝5，该金属丝，如图1示范性示出地，在弹簧端部上被导出并且在相应的接触位置上通过线路连接与一相应的控制装置10相连接。金属丝由如下材料制成：该材料根据由弹簧1的几何结构变化引起的金属丝5的几何结构变化而显示出尽可能大的电阻变化。金属丝5被牢固地并且绝对不能运动地嵌入树脂基体2中，因此确保了，该金属丝对于即便是很小的弹簧运动或者几何结构变化也跟随执行。由此随后引起了长丝的几何结构变化。这又引起了虽然可能同样很小的金属丝电阻变化。如果现在通过控制装置测量该电阻，其方法是，通过金属丝导引很低的测量电流，则可以实现，由测得的电阻值确定瞬时给出的力，该力与弹簧的几何结构变化并且进而与电阻变化相关联。该力值的认识（对此在下文中还要参照图4进行探讨）可以被用于进一步控制或调节子系统。

如图2所示，在弹簧的该设计方案中金属丝5近似纵向走向地并且与位于内部的芯4平行地延伸。该金属丝也就是说在弹簧1的长度上延伸，也就是说，金属丝的长度近似等于弹簧长度。这种丝走向例如以如下方式实现：基体2连同纤维3一起例如通过经树脂浸渍的纤维织物构造或者围绕芯4缠绕。在两个这种层之间可以插入金属丝5。随后以期望的弹簧形式实施纵向缠绕并且使基体2硬化。

替代于此，图3示出以下可能性，将金属丝5盘旋形地、也就是说螺旋形地围绕内芯4缠绕，也就是说，该金属丝近似按照双螺旋的类型一方面围绕芯4缠绕，另一方面也相应于弹簧自身的螺旋形式围绕中央的弹簧轴缠绕。围绕芯4的缠绕通过点状的箭头线表示。这种丝引导例如可以以如下方式实现：通过围绕内芯4转动的纤维线圈卷绕出基体2或纤维3，纤维从该纤维线圈退卷。通过这种线圈可以输入金属丝5，因此在这里也可以嵌入多层的、缠绕的纤维结构。

作为基体可以应用任意的已硬化的基体，优选是基于聚合物的基体，例如环氧树脂或类似物。作为金属丝可以使用任意的电阻按规定方式根据几何结构改变的金属丝。

图4最后示出一种根据本发明的机动车6，包括四个车轮7，在示出的实施例中仅示出其中两个车轮。每个车轮7配设有减振装置8，该减振装置包括减振器9以及根据本发明的弹簧1。每个弹簧1包括至少一金属丝5。每个金属丝5通过相应线路与控制装置10相连接，该控制装置能够检测出每个单个的金属丝的相应的电阻。在控制装置10中，如在原理图中示出地，存储有一个或多个特性曲线11，所述特性曲线表明了电阻曲线以及与之对应的在相应弹簧1上存在的力。由相应的特性曲线（对此还要在下面进行探讨）随后纯粹通过计算确定所给出的力值、如弹簧力或车轮支承力。该力值随后可以被输送给用于其它配设的驾驶员辅助系统12（例如ESP系统）、13（例如ABS系统）或14（例如自动减振调节器）的控制或调节装置。

如图4还示出地，设有温度传感器15，该温度传感器提供关于在弹簧1的区域中的环境温度或室温的信息，其也就最终测量外界温度。在控制装置10中现在可以存储多个与温度相关的特征曲线簇11，该特征曲线簇对应于规定的温度或者规定的温度范围。根据所获取到的实际环境温度，控制装置现在选择出对应的特性曲线并且随后将其作为后续控制的基础。

虽然在图1-3中以及也在图4中示出的弹簧仅具有一个金属丝5，但是当然可以考虑，也在弹簧中设置两个或更多个独立的金属丝。每个单个的金属丝因此在弹簧发生几何结构变化时改变其电阻。控制装置10现在可以对于每个单个的金属丝检测该金属丝的电阻变化。单个的电阻值可以被相对地考虑或者处理以用于可信度检查的目的，但也可以考虑由此形成平均值等等。

如上所述，在根据图4的实施例中根据特性曲线来确定相应的力值。这仅是一种可能方案。也可以考虑，根据以下公式纯粹通过计算来确定该力值：

$R=\mathrm{\ρ}\frac{l}{A}=\mathrm{\ρ}\frac{4\·l}{D^2\·\mathrm{\π}}$

公式中的各符号表示以下参量：

ρ:电阻率

l：金属丝长度

A：横截面积

D：金属丝的直径

电阻变化在负载情况下通常为：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{\mathrm{\δR}}{\mathrm{\δ\ρ}}\·\mathrm{\Δ\ρ}+\frac{\mathrm{\δR}}{\mathrm{\δl}}\·\mathrm{\Δl}+\frac{\mathrm{\δR}}{\mathrm{\δd}}\·\mathrm{\Δd}$

通过微分和转换获得相对电阻变化：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{\mathrm{\ρ}}+\frac{\mathrm{\Δl}}{l}-\frac{2\·\mathrm{\Δd}}{d}$

相对电阻变化取决于纵向应变和横向应变。

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δl}}{l}\mathrm{und}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}}=\frac{\mathrm{\Δd}}{d}=-\mathrm{\μ}\·\mathrm{\ϵ}$

因此得出：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=k\·\frac{\mathrm{\Δl}}{l}=k\·\mathrm{\ϵ}$

其中k表示所谓的k因数：

$k=\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\ϵ}}+1+2\·\mathrm{\μ}$

各个符号表示以下参量：

ε：相对长度变化

ε_ρ：相对横截面变化

μ：横向应变系数/泊松比

k：k因数。

对于在最外层中具有金属丝的螺旋弹簧，如下地确定弹性力：

$F=\frac{\mathrm{\π}{d}^3\·\mathrm{\ϵ}\·G}{8\mathrm{Dm}}$

F：力

D：丝的直径

ε：应变

G：承载弹簧材料的剪切模量

D_m：螺旋弹簧圆柱体的平均直径。

Claims (11)

1.一种弹簧，该弹簧是用于机动车的承载弹簧，该弹簧含纤维复合材料，其特征在于，设有至少一根金属丝(5)，所述金属丝的电阻根据弹簧(1)的变形而改变，所述金属丝(5)内置地接纳在弹簧中，该金属丝(5)在弹簧端部上被导出并且在相应的接触位置上与控制装置(10)相连接。

2.根据权利要求1所述的弹簧，其特征在于，设有多个能分别独立地被检测出电阻变化的金属丝(5)。

3.根据权利要求1或2所述的弹簧，其特征在于，所述金属丝(5)的端部被引出以实现触点接通。

4.根据权利要求3所述的弹簧，其特征在于，所述金属丝(5)的端部在所述弹簧(1)的端部上被引出以实现触点接通。

5.根据权利要求1或2所述的弹簧，其特征在于，所述纤维复合材料是GFK或CFK。

6.根据权利要求1或2所述的弹簧，其特征在于，所述弹簧设计为螺旋弹簧、盘簧、板簧、蝶形弹簧或者扭杆弹簧。

7.一种机动车，其中给每个车轮都配设有一个减振装置，所述减振装置具有至少一个根据权利要求1-6中任一项所述的弹簧(1)。

8.根据权利要求7所述的机动车，其特征在于，给所述弹簧(1)配设有控制装置(10)，所述控制装置根据所测得的电阻值确定出弹簧力和/或车轮支承力并且根据所确定出的力值来控制机动车的至少一个运行系统(12,13,14)。

9.根据权利要求8所述的机动车，其特征在于，在每个单独的弹簧上设有至少两个金属丝，该金属丝提供分开的与几何结构相关的电阻值，所述控制装置(10)根据在该弹簧上确定的另外的电阻值来确定出所测得的电阻值的可信度。

10.根据权利要求8所述的机动车，其特征在于，所述控制装置(10)对多个设置在弹簧侧的金属丝(5)的独立的电阻值进行检测并且根据所有测得的电阻值来确定出一平均力值或加权力值。

11.根据权利要求8所述的机动车，其特征在于，在所述控制装置(10)中存储有多个与规定的温度或温度范围相对应的特征曲线簇(11)，所述特征曲线簇是关于金属丝(5)的电阻的与几何结构相关的变化曲线的特征曲线簇，其中所述控制装置(10)根据所测得的室温来选择出与温度相对应的特征曲线簇(11)。