CN104271372B - 管状扭转梁和形成该管状扭转梁的方法 - Google Patents

管状扭转梁和形成该管状扭转梁的方法 Download PDF

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Abstract

一种管状扭转梁，包括管状本体(20)，该管状本体包括U形槽(22)、管状端部部段(28)以及位于U形槽与管状端部部段之间的过渡部段(26)。U形槽(22)的宽度w从每个过渡部段(26)至管状本体(20)的中心点C连续地减小并且在中心点C处是最窄的，以将应力从过渡部段(26)转移至中心点C周围的区域。管状本体(20)还包括沿着每个过渡部段(26)的侧壁(38)的凹陷部(24)，以将应力导引至U形槽(22)的底面并且进一步使沿着管状本体(20)的长度的应力水平平衡。因此，管状本体(20)能够在不牺牲性能的情况下形成为具有减小的厚度t并且因此具有减小的重量。本申请还提供了一种形成管状扭转梁的方法。

Description

管状扭转梁和形成该管状扭转梁的方法
相关申请的交叉引用
本PCT专利申请要求2012年6月15日提交的序列号为No.61/660,151、题为“轻量型管状扭转梁部件(Light Weight Tubular Twist Beam Part)”的美国临时专利申请的权益，该申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分，并且通过参引并入本文。
技术背景
1.发明领域
本发明涉及用于机动车辆的扭转梁，并且更特别地涉及管状扭转梁以及形成管状扭转梁的方法。
2.相关技术
机动车辆包括扭力梁以通过使用纵向控制臂将两个后轮连接在一起。在后悬架上使用的特定类型的扭力梁为扭转梁。扭转梁通常包括具有O型、C型、U形或V型的横截面的管状部件，该管状部件具有足以防止弯曲的刚性和足以允许扭转的挠性。因此，管状扭转梁不仅为结构构件，而且也用作扭力弹簧。美国专利申请公开No.2010/0301577中公开了管状扭转梁的示例。
管状扭转梁的重量优选为低的，因为其构成机动车辆的总重量。然而，管状扭转梁经受由于扭转和其他因素而产生的大量的应力。因此，最大应力水平、尤其是由于扭转而产生的最大应力水平需要最小材料厚度并由此决定管状扭转梁的重量。
管状扭转梁也用于控制车辆的侧倾率，车辆的侧倾率影响车辆的行驶和操纵。如果没有包括横向加速度在内的作用，侧倾率类似于车辆的行驶有效刚度，使车辆的簧载质量侧倾。侧倾率表示为车辆簧载质量侧倾每一度的扭矩，并且通常以牛·米/度(Nm/degree)来计量。车辆的侧倾率不改变在车辆上转移的重量的总量，而是改变特定的车桥上的重量通过车辆底盘转移至另一车桥的百分比以及速度。通常，在车辆的车桥上的侧倾率越高，在该车桥上转移的重量的百分比越高并且转移得越快。较慢的重量转移减小了车辆倾翻情况的可能性。管状扭转梁的尺寸和设计对车辆的侧倾率具有显著的影响。
发明内容
本发明提供一种管状扭转梁，该管状扭转梁包括管状本体，该管状本体沿着中心轴线在相对的端部部段之间纵向地延伸。每个端部部段呈现有围绕中心轴线的圆筒形开口。管状本体包括上壁和侧壁。侧壁设置在上壁的相对两侧。上壁从端部部段中的每个端部部段向内地且朝向均等地设置在相对的端部部段之间的中心点、并且向下地朝向中心轴线延伸以呈现过渡部段。侧壁中的每个侧壁沿着过渡部段包括凹陷部。管状本体的上壁在侧壁之间呈现有U形槽。U形槽沿着中心轴线在过渡部段之间纵向地延伸。管状本体的侧壁在它们之间呈现有宽度。管状本体的宽度沿着中心轴线从过渡部段中的每个过渡部段沿着U形槽向中心点连续地减小。
本发明还提供形成管状扭转梁的方法。该方法包括提供沿着中心轴线在相对的端部部段之间纵向地延伸的管状本体。管状本体包括均等地设置在相对的端部部段之间的中心点，并且管状本体的端部部段各自呈现有围绕中心轴线的圆筒形开口。该方法接下来包括：在保持位于端部部段处的圆筒形开口的同时朝向中心轴线挤压管状本体的上壁以形成U形槽，该U形槽在侧壁之间且在相对的端部部段之间沿着中心轴线纵向地延伸。朝向中心轴线挤压上壁的步骤包括在端部部段与U形槽之间形成过渡部段。在过渡部段中，上壁朝向中心轴线和中心点向内地延伸。该方法还包括将每个过渡部段的侧壁向内挤压以形成凹陷部；以及沿着U形槽向内挤压管状本体的侧壁，使得U形槽的宽度沿着中心轴线从过渡部段中的每个过渡部段至中心点连续地减小。
管状本体的沿着U形槽连续减小的宽度使应力从过渡部段转移至中心点周围的区域。另外，凹陷部将应力导引至下壁，该下壁也称作U形槽的底面。管状本体的设计使得沿着管状本体长度的应力水平平衡，并且使总体应力水平降低。因此，管状本体能够在不超过最大应力水平或不牺牲性能的情况下形成为具有减小的厚度并且因此具有减小的重量。
附图说明
由于通过参照结合附图考虑的以下详细描述将更好地理解本发明，本发明的其他优点将被更容易地理解，在附图中:
图1为根据本发明的一个实施方式的包括管状本体的管状扭转梁的立体图；
图2为图1的管状本体的示出了开口的截面区域的另一立体图；
图2A为示出了凹陷部的深度的图2的部分的放大视图；
图3为图1的管状本体的侧视图；
图4为图1的管状本体的俯视图；
图4A为沿图1的线A-A所截取的管状本体的放大横截面图；
图5为图1的管状本体的仰视图；
图6为示出了近似的应力水平分析的图1的管状本体的另一俯视图；
图7为示出了近似的应力水平分析的图1的管状本体的另一仰视图；
图8为比较性的管状扭转梁的立体图；以及
图9为图8的比较性的管状扭转梁的侧视图。
具体实施方式
参照附图，总体示出了包括管状本体20的管状扭转梁。管状本体20包括U形槽22、一对管状端部部段28、以及位于管状端部部段28与U形槽22之间的过渡部段26。U形槽22的宽度w从过渡部段26至管状本体20的中心点C连续地减小。宽度w在中心点C处是最窄的，以使应力转移远离过渡部段26。U形槽22的宽度w能够被调节以获得所需的侧倾率。此外，沿着每个过渡部段26的侧壁38形成有凹陷部24，即凹进部，以将应力导引至下壁34，该下壁34也称作U形槽22的底面。U形槽22的连续改变的宽度w和凹陷部24平衡了整个管状本体20上的应力并且使总体应力水平降低。因此，管状本体20能够由较少的材料形成并且可以使管状本体20的总重量减小。图1至图7示出了根据一个示例性实施方式的管状本体20的立体图、侧视图、俯视图以及仰视图。
管状本体20由围绕中心轴线A并且沿着该中心轴线A纵向地延伸的金属管形成。管可包括多种不同的尺寸，但是图1至图7中所示的示例性管状本体20由直径为90mm、长度为930mm以及厚度为2.8mm的管形成。管状本体20沿着中心轴线A在相对的两个端部部段28之间纵向地延伸。如图1至图5中所示，中心点C以均等的方式设置在端部部段28之间。通过参照侧壁38、下壁34和面对下壁34的上壁32来描述管状本体20的几何形状。侧壁38、上壁32和下壁34彼此成一体并且围绕中心轴线A。侧壁38使上壁32和下壁34彼此间隔开并且设置在上壁32和下壁34的相对两侧。
用于形成管状本体20的金属管的端部保持不变以呈现管状端部部段28。如图2和图2A中所示，管状端部部段28各自呈现有围绕中心轴线A的圆筒形开口以及横过中心轴线A延伸的直径D。端部部段28的圆筒形开口呈现圆形的横截面。圆筒形开口沿着中心轴线A的一部分纵向地延伸并且随后沿着U形槽22过渡成U形开口。如图2和图2A中所示，该开口的横截面面积X和尺寸沿着端部部段28是恒定的，但是沿着管状本体20的其余部段连续地改变。
U形槽22和过渡部段26是通过对金属管进行挤压、挤夹或者以其他方式使金属管变形而形成的。管状本体20的上壁32通常被朝向中心轴线A向内且向下地挤压，并且管状本体20的侧壁38被朝向彼此以及中心轴线A向内挤压或挤夹。管状本体20的挤压或挤夹的程度取决于所需的侧倾率。然而，下壁34通常保持沿着管状本体20的长度凸出的轮廓。
过渡部段26形成于每个端部部段28与U形槽22之间并且将端部部段28连接至U形槽22。相对的过渡部段26由向内凹进或塌陷的上壁32限定。上壁32从端部部段28中的每个端部部段28朝向中心轴线A并且朝向中心点C向内且向下地延伸。在过渡部段26中，上壁32具有沿着中心轴线A纵向地延伸至U形槽22的凹进的轮廓。过渡部段26的上壁32还从每个侧壁38朝向中心轴线A向内地倾斜。因此，每个过渡部段26的构型可以视为艰难成型的。
如图3中所示，过渡部段26还具有沿着中心轴线A从管状端部部段28到U形槽22连续地减小的高度h。管状本体20的高度h从上壁32延伸至下壁34，并且等于沿着上壁32和下壁34的竖直对齐的点之间的距离。如图2A和图4中最佳地示出的，过渡部段26的宽度w沿着中心轴线A从管状端部部段28至U形槽22连续地减小。宽度w是从侧壁38的水平对齐的最外侧的点测量到的并且等于这些点之间的距离。如图2和图2A中最佳地示出的，开口的横截面面积X也沿着过渡部段26连续地减小。
凹陷部24沿着过渡部段26中的每个过渡部段26形成于侧壁38中的每个侧壁38中，以将应力导引至U形槽22的下壁34或底面。每个过渡部段26的凹陷部24在相对的侧壁38上纵向地彼此对齐。如图1中所示，每个凹陷部24从外边缘25延伸至内边缘27并且具有介于边缘25与边缘27之间的凹进的轮廓。凹陷部24是通过对管状本体20的侧壁38进行挤压、挤夹或者以其他方式使管状本体20的侧壁38变形从而使得侧壁向内凹进或塌陷而形成的。如图2A中所示，每个凹陷部24具有朝向中心轴线A向内延伸的深度dd。在示例性实施方式中，凹陷部24各自具有17.18mm的深度dd。每个过渡部段26的沿着中心轴线A的位置能够通过每个凹陷部24的内边缘27来部分地限定。过渡部段26起始于上壁32开始向内凹进的位置，并且过渡部段26终止于凹陷部24的内边缘27处。上壁32继续向内凹进或塌陷并且沿着过渡部段26向下朝向下壁34延伸。最终，上壁32延伸到中心轴线A下方并且呈现出U形槽22。
由管状本体20的上壁32呈现的U形槽22设置在侧壁38之间。U形槽22也被称作扭力部段，并且U形槽22的尺寸设计成实现所需的侧倾率。U形槽22在相对的两个过渡部段26之间连续地延伸，相对的两个过渡部段26通常终止于每个凹陷部24的内边缘27处。每个U形槽22沿着中心轴线A在过渡部段26的凹陷部24与中心点C之间纵向地延伸。如图2A和图4中所示，U形槽22的侧壁38还呈现有在侧壁38之间延伸的宽度w，并且该宽度w沿着中心轴线A且沿着U形槽22的长度从每个凹陷部24的内边缘27至中心点C连续地减小。管状本体20的侧壁38在每个过渡部段26与中心点C之间沿着U形槽22的任意点处都不彼此平行。
如图2A和图4A中所示，U形槽22还呈现有从位于侧壁38之间的与上壁32的顶部对齐的点延伸至下壁34的深度dg。U形槽22的深度dg从过渡部段26中的每个过渡部段26至中心点C连续地增大。开口的横截面面积X也沿着U形槽22朝向中心点C连续地减小，并且开口的横截面面积X在中心点C处是最小的。在一个实施方式中，壁32、34和38在中心点C处聚集在一起，从而使开口在中心点C处完全地闭合。如图3中所示，管状本体20的高度h沿着U形槽22的位于中心点C附近的一部分略微地增大。如图4A中最佳地示出的，管状本体20的上壁32还在侧壁38与U形槽22之间呈现有膨隆部36。过渡部段26还可包括该膨隆部36。
如图4A中所示，管状本体20的每个壁32、34、38都呈现有厚度t，并且每个壁32、34、38的厚度t通常等于其他壁32、34、38的厚度t。例如，管状本体20可具有2.8mm、3.2mm或3.6mm的厚度t。然而，管状本体20的厚度t可根据成形工艺、所需的侧倾率或其他因素而增大或减小。沿着管状本体20的长度的厚度t通常是恒定的，但是也可略微地改变。围绕中心轴线A的管状本体20的厚度t通常也是恒定的，但是也可围绕中心轴线A而改变。
相比于比较性的扭转梁，本发明的包括管状本体20的管状扭转梁提供了若干优点。图8和图9中以120示出了比较性的扭转梁的示例。比较性的扭转梁120也具有管状端部部段128、U形槽122和过渡部段126。然而，在比较性的扭转梁120中，U形槽122具有恒定的宽度w并且侧壁134沿着U形槽122的大部分是彼此平行的。
相比于比较性的部件120，本发明的包括管状本体20的扭转梁在过渡部段26中经受较小的应力，因为U形槽22的宽度w从过渡部段26至中心点C连续地减小并且在中心点C处是最窄的。因此，扭转应变被导引远离过渡部段26并且使过渡部段26中的总峰值应力水平降低。凹陷部24也通过将应力导引至管状本体20的底面而使过渡部段26中的总峰值应力水平降低。
图6和图7分别是示出当管状本体20用于侧倾率为404牛·米/度的车辆中时沿着示例性管状本体20的以MPa/Mises为单位的近似应力水平的俯视图和仰视图。在图中也提供了近似应力水平的图例。与比较性的扭转梁122以及现有技术的其他管状扭转梁的应力水平相比，沿着管状本体20的长度的应力水平更平衡。此外，测试结果表示：在不使总应力水平增高的情况下，与比较性的扭转梁122的厚度相比，管状本体20的厚度能够更小。因此，本发明的包括管状本体20的扭转梁在不超过最大应力水平或不牺牲性能的情况下能够具有减轻的重量并且因此提供显著的成本节约。此外，可通过调节U形槽的宽度w或管状本体的沿着U形槽22的厚度t来调节通过管状本体20提供的侧倾率。例如，通过减小厚度t或减小U形槽22的宽度w能够减小侧倾率。
本发明还提供形成包括管状本体20的管状扭转梁的方法。该方法首先包括提供沿着中心轴线A在相对的端部部段28之间纵向地延伸的管状本体20。在向内挤压上壁32和侧壁38之前，管状本体20具有2.8mm的厚度、930mm的长度以及90mm的直径。
接下来，该方法包括：在保持位于相对的端部部段28处的圆筒形开口的同时朝向中心轴线A挤压管状本体20的上壁32以形成U形槽22。朝向中心轴线A挤压上壁32的步骤还包括在端部部段28与U形槽22之间形成过渡部段26。
该方法还包括：沿着U形槽22向内挤压管状本体20的侧壁38，使得U形槽22的宽度w沿着中心轴线A连续地减小。挤压上壁32的步骤通常包括使U形槽22的深度dg从过渡部段26中的每个过渡部段26至中心点C连续地增大。该方法还包括：将每个过渡部分26的侧壁38的一部分向内挤压以形成凹陷部24。
明显地，根据以上教导可对本发明做出许多修改和变型，并且可以在权利要求的范围内以除了具体描述的方式以外的其他方式实施。

Claims (15)

1.一种管状扭转梁，包括：
管状本体(20)，所述管状本体(20)沿着中心轴线(A)在相对的端部部段(28)之间纵向地延伸，所述管状本体(20)包括均等地设置在所述相对的端部部段(28)之间的中心点(C)，并且所述端部部段(28)呈现有围绕所述中心轴线(A)的圆筒形开口，每个端部部段(28)的所述圆筒形开口呈现圆形的横截面；
所述管状本体(20)包括上壁(32)和设置在所述上壁(32)的相对两侧的侧壁(38)，所述上壁(32)从所述端部部段(28)中的每个端部部段(28)向内地朝向所述中心点(C)且向下地朝向所述中心轴线(A)延伸以呈现过渡部段(26)，并且所述侧壁(38)中的每个侧壁(38)包括沿着所述过渡部段(26)中的每个过渡部段(26)的一个凹陷部(24)以将应力导引至下壁(34)；
所述管状本体(20)的所述上壁(32)呈现有U形槽(22)，所述U形槽(22)位于所述侧壁(38)之间并且沿着所述中心轴线(A)在所述过渡部段(26)之间纵向地延伸；以及
所述管状本体(20)的所述侧壁(38)呈现有在所述侧壁(38)之间延伸的宽度(W)，并且所述宽度(W)沿着所述中心轴线(A)从所述过渡部段(26)中的每个过渡部段(26)和所述U形槽(22)至所述中心点(C)连续地减小，
其中，每个过渡部段(26)的所述凹陷部(24)在相对的所述侧壁(38)上纵向地彼此对齐。
2.根据权利要求1所述的管状扭转梁，其中，所述U形槽(22)呈现有深度(dg)，并且所述深度(dg)在所述中心点(C)处是最大的。
3.根据权利要求2所述的管状扭转梁，其中，所述U形槽(22)的所述深度(dg)从所述过渡部段(26)中的每个过渡部段(26)至所述中心点(C)连续地增大。
4.根据权利要求1所述的管状扭转梁，其中，所述侧壁(38)在所述过渡部段(26)中的每个过渡部段(26)与所述中心点(C)之间沿着所述U形槽(22)的任意点处都不彼此平行。
5.根据权利要求1所述的管状扭转梁，其中，所述过渡部段(26)的所述凹陷部(24)是凹进的。
6.根据权利要求1所述的管状扭转梁，其中，所述管状本体(20)呈现有开口，所述开口具有横截面面积并且在所述相对的端部部段(28)之间连续地延伸，以及其中，所述开口的所述横截面面积沿着所述中心轴线(A)从所述端部部段(28)至所述中心点(C)减小。
7.根据权利要求1所述的管状扭转梁，其中，所述管状本体(20)的所述下壁(34)面对相对的所述上壁(32)，并且所述下壁(34)是凸出的。
8.根据权利要求7所述的管状扭转梁，其中，所述管状本体(20)呈现有从所述下壁(34)延伸至所述上壁(32)的高度(h)，并且所述高度(h)沿着所述中心轴线(A)且沿着所述过渡部段(26)从所述端部部段(28)至所述U形槽(22)减小。
9.根据权利要求8所述的管状扭转梁，其中，所述管状本体(20)的所述高度(h)沿着所述U形槽(22)的位于所述中心点(C)附近的一部分增大。
10.根据权利要求1所述的管状扭转梁，其中，所述管状本体(20)的所述上壁(32)在所述侧壁(38)与所述U形槽(22)之间呈现有膨隆部。
11.根据权利要求1所述的管状扭转梁，其中，所述上壁(32)具有沿着所述过渡部段(26)中的每个过渡部段(26)的所述中心轴线(A)纵向地延伸的凹进的轮廓；并且所述过渡部段(26)的所述上壁(32)从所述侧壁(38)朝向所述中心轴线(A)向内地倾斜。
12.根据权利要求1所述的管状扭转梁，其中，所述管状本体(20)的所述宽度(W)在所述中心点(C)处是最窄的。
13.一种形成管状扭转梁的方法，包括以下步骤：
提供沿着中心轴线(A)在相对的端部部段(28)之间纵向地延伸的管状本体(20)，所述管状本体(20)包括均等地设置在所述端部部段(28)之间的中心点(C)，并且所述管状本体(20)的所述端部部段(28)各自呈现有围绕所述中心轴线(A)的圆筒形开口；
在保持位于所述端部部段(28)处的所述圆筒形开口的同时，将所述管状本体(20)的上壁(32)朝向所述中心轴线(A)挤压以形成U形槽(22)，所述U形槽(22)在侧壁(38)之间且在相对的端部部段(28)之间沿着所述中心轴线(A)纵向地延伸；
所述将所述上壁(32)朝向所述中心轴线(A)挤压的步骤包括在所述端部部段(28)与所述U形槽(22)之间形成过渡部段(26)，其中，所述上壁(32)朝向所述中心轴线(A)和所述中心点(C)向内地延伸；
将每个过渡部段(26)的侧壁(38)向内挤压以形成沿着所述过渡部段(26)中的每个过渡部段(26)的一个凹陷部(24)以将应力导引至下壁(34)；以及
将所述管状本体(20)的侧壁(38)沿着所述U形槽(22)向内挤压，使得所述U形槽(22)的宽度(W)沿着所述中心轴线(A)从所述过渡部段(26)中的每个过渡部段(26)至所述中心点(C)连续地减小，
其中，每个过渡部段(26)的所述凹陷部(24)在相对的所述侧壁(38)上纵向地彼此对齐。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述挤压上壁(32)的步骤包括使所述U形槽(22)的深度从所述过渡部段(26)中的每个过渡部段(26)至所述中心点(C)连续地增大。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述挤压步骤之前，所述管状本体(20)具有2.8mm的厚度、930mm的长度和90mm的直径；并且在所述挤压步骤之后，所述凹陷部具有17.18mm的深度。
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