CN104870124A - 包括金属基加强构件的部件及其形成方法 - Google Patents

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大卫·詹姆森
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Abstract

本发明的实施方式提供了一种形成具有固定部分的部件的方法，该固定部分用于将另一部件附接至该部件，该方法包括：执行铸造操作以形成该部件的铸造部分，固定部分包括铸造部分的至少一部分以及由铸造部保持的至少一个金属基复合材料的加强构件，固定部分具有孔，加强构件具有纵向轴线，所述纵向轴线至少具有与该孔的纵向轴线大致平行或一致的分量，固定部分设置成允许第二部件被插入到固定部分的孔中以使第二部件能够被附接至固定部分。

Description

包括金属基加强构件的部件及其形成方法
技术领域
本发明涉及铸造操作以及铸造部件的方法。
背景技术
已知通过将熔融铝浇铸到模具中来提供铸铝部件。可以用铝和其他相对较轻的金属如铝合金、镁或镁合金来代替诸如钢之类的较重的材料，以减轻部件的重量。这有助于诸如机动车辆之类的多部件产品的制造商控制产品的重量。然而，铝具有相对较小的杨氏模量(大约70Gpa)。因而铝的强度特性小于钢的强度特性。因此，如果需要由铝来形成轻且刚性的部件，则通常必须使用比另外由诸如钢(杨氏模量为大约207Gpa)之类的较刚性的材料制成的部件所需的材料更多的材料。所需的额外的材料通常被散布以增大部件的截面惯性矩。因此，部件的几何形状被调节以增大部件的刚度，例如弯曲刚度和/或扭转刚度、或抗弯刚度和/或抗扭刚度。在某些应用中，部件所必须配装至其中的可用空间可能是受限的，需要使用诸如钢之类的较刚性的材料以满足所需的部件刚度规格。然而，钢的使用导致部件的重量增加并且在某些应用中是非常不期望的。
铸造部件的可能对应力特别敏感的部分是使另一部件能够与该铸造部件相联接的固定部分。固定部分可以保持轴承容置部或诸如螺栓等等之类的固定元件，轴可以以可旋转的方式联接至所述轴承容置部并进而联接至该铸造部件，所述固定元件用于将另一部件附接至该铸造部件。
发明内容
本发明的实施方式可以参照所附权利要求来理解。
本发明的方面提供了方法、部件、系统、车辆、飞行器和船舶。
在本发明的要求保护的方面中，提供了一种形成具有固定部分的部件的方法，该固定部分用于将另一部件附接至该部件，该方法包括：执行铸造操作以形成部件的铸造部分，固定部分包括铸造部分的至少一部分以及由铸造部分保持的至少一个金属基复合材料的加强构件，固定部分具有孔，加强构件具有纵向轴线，所述纵向轴线至少具有与所述孔的纵向轴线大致平行或一致的分量，固定部分被设置成允许第二部件被插入到固定部分的孔中以使得第二部件能够被附接至固定部分。
本发明的实施方式具有下述优点：与将诸如螺栓之类的固定元件附接至部件的固定部分相关联的轴向应力可以至少部分地由加强构件来承受。
本发明的某些实施方式具有下述优点：部件可以设置成具有这样的固定部分：该固定部分在发生部件的损坏之前能够经受住诸如螺栓压裂载荷之类的与固定元件相关联的较大的压裂载荷。
本发明的某些实施方式具有下述优点：部件可以设置成具有能够经受住较大的胀裂载荷或周向应力的固定部分。
固定部分可以包括多个加强构件，例如绕固定部分的孔在周向上设置的长形构件。加强构件可以彼此大致平行地设置。替代性地，加强构件可以是不平行的。
要理解的是，部件可以是大致完全地铸造的，加强构件至少提供了对固定部分的加强。加强构件可以部分地由绕加强用内嵌材料如纤维材料、可选地为织造纤维材料的铸造基质材料来形成。
加强构件可以形成为大致由部件的铸造部分的一部分包围。
方法可以包括设置呈长形构件的形式的、可选地呈长形杆构件的形式的金属基复合材料的加强构件。
有利地，该方法可以包括设置加强构件，由此，加强构件包括管构件，该管构件具有至少部分地穿过该管构件而形成的孔。
该管构件可以是大致圆筒形。
该方法可以包括设置加强构件，由此，加强构件的孔与固定部分的孔大致同轴。
该方法可以包括将管构件形成为具有大致完全地穿过该管构件而形成的孔，固定部分具有大致完全地穿过该固定部分的对应的孔。
铸造部分可以铸造成使得管构件的孔的至少一部分覆盖有铸造材料。
铸造部分可以铸造成使得加强构件大致整体地嵌入在铸造部分内，使得管构件的孔被大致完全地覆盖在铸造部分的铸造材料中。
有利地，形成铸造部分包括铸造轴承容置部，由此，轴承容置部的至少一部分设置在管构件内。
该方法可以包括在轴承容置部中设置轴承组件。
铸造部分可以铸造成使得管构件的孔基本上没有铸造材料。
该方法可以包括在固定部分的孔中设置轴承组件。
设置轴承组件可以包括设置轴承座圈。
该方法可以包括设置通过轴承组件而被以可旋转的方式支撑的旋转轴构件。
固定部分可以设置成为固定元件提供固定，该方法包括将固定元件插入穿过管构件的孔。
该方法可以包括通过固定元件向固定部分施加压缩载荷，压缩载荷至少具有与管构件的孔的轴线相平行的分量。
该压缩载荷可以设置成将固定元件固定至该部件。
该固定元件可以包括螺栓构件。
该方法可以包括至少部分地通过附接至螺栓构件的螺母而向固定部分施加压缩载荷。
加强构件的金属基复合材料可以包括铝基复合材料。
该方法可以包括由包括铝的熔融金属形成铸造部分。
熔融金属可以是从铝和铝合金中选出的一者。
该方法可以包括将加强构件设置到模具中；以及将熔融金属导入到模具中以形成部件的至少一部分。
该方法可以包括将部件形成为汽车部件或航天器部件。
该方法可以包括将部件形成为悬架系统的部件。
在本发明的另一方面中，提供了一种具有固定部分的部件，该固定部分用于将另一部件附接至该部件，该部件包括：
铸造部分，固定部分包括铸造部分的至少一部分以及由铸造部分保持的至少一个金属基复合材料的加强构件，
该固定部分具有孔，加强构件具有纵向轴线，所述纵向轴线至少具有与所述孔的纵向轴线大致平行或一致的分量，固定部分设置成允许第二部件被插入到固定部分的孔中以使得第二部件能够被附接至固定部分。
加强构件可以大致由该部件的铸造部分的一部分包围。
加强构件可以呈大致长形构件的形式，可选地呈大致长形杆构件的形式。
有利地，加强构件包括管构件，管构件具有至少部分地穿过该管构件而形成的孔。
管构件的孔可以大致完全地穿过该管构件。
该部件可以设置成与轴承组件相结合，该轴承组件设置在固定部分中。
另外或代替地，该部件可以设置成与固定元件相结合，该固定元件穿过固定部分的孔。
固定元件可以设置成用以向固定部分施加压缩载荷。
固定元件可以设置成通过压缩载荷而被固定至固定元件。
有利地，加强构件的金属基复合材料可以包括铝基复合材料。
铸造部分可以包括铝。
铸造部分可以是从铝和铝合金中选出的一者。
在本发明的要求保护的另一方面中，提供了一种包括根据前述方面的部件的悬架系统。
在本发明的要求保护的又一方面中，提供了一种包括根据前述方面的部件或悬架系统的机动车辆。
在本发明的要求保护的方面中，提供了一种包括根据前述方面的部件的飞行器或船舶。
在本发明的要求保护的一方面中，提供了一种形成具有固定部分的部件的方法，该固定部分用于将另一部件附接至所述部件，该方法包括：
提供金属基复合材料的管构件，该管构件具有至少部分地穿过该管构件而形成的孔；
形成具有铸造部分的部件，该铸造部分被铸造，由此该部件包括固定部分，该固定部分包括管构件，该管构件由铸造部分保持，该固定部分设置成允许第二部件被插入到管构件的孔中以将该第二部件固定至该固定部分。
在本发明的要求保护的另一方面中，提供了一种形成具有固定部分的部件的方法，该固定部分用于将另一部件附接至该部件，该方法包括：
执行铸造操作以形成该部件的至少一部分，该固定部分包括铸造部分的至少一部分以及由铸造部分保持的至少一个大致长形的金属基复合材料的加强构件，该固定部分具有孔，该加强构件具有与该孔的纵向轴线大致平行或一致的纵向轴线，该固定部分被设置成允许第二部件被插入到该固定部分的孔中以使得该第二部件能够被附接至该固定部分。
加强构件可以包括由金属基复合材料构成的杆、条、棒或其他构型。
本发明的包括在文中所描述的任何方面的实施方式中所使用的金属基复合材料可以呈成段的纤维、可选地为织造纤维的形式。
在本申请的范围内，所想到的是，在前述段落中、在权利要求中和/或在下列说明和附图中陈述的各个方面、实施方式、示例、特征和替代方案可以独立地或以任意组合的方式进行采用。参照一个实施方式描述的特征能够应用于所有实施方式，除非这些特征之间存在不相容性。
为了避免疑问，要理解的是，关于本发明的一方面所描述的特征可以单独地或者以与一个或更多个其他特征适当结合的方式而包括在本发明的任何其他方面内。
在本申请的范围内，明确意欲：在前述段落中、在权利要求中和/或在下列说明和附图中陈述的各个方面、实施方式、示例和替代方案以及特别是其各个特征可以独立地或以任意组合的方式进行采用。参照一个实施方式描述的特征能够应用于所有实施方式，除非这样的特征是不相容的。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例的方式对本发明的一个或更多个实施方式进行描述，在附图中：
图1为已知的部件的示意性图示，示出了：(a)不具有钢插入件的铝杆端部中的夹紧接头，以及(b)具有钢插入件的铝杆端部，该钢插入件能够使部件的半径减小；
图2为根据本发明的实施方式的铝杆端部的示意性图示；以及
图3为根据本发明的实施方式的铸铝部件的示意性图示，该铸铝部件中设置有轴承容置部。
具体实施方式
图1(a)示出了已知的铸铝部件100的端部部分100E。端部部分100E相对于部件100的杆部部分100R是增大的以提供用于固定元件的固定部分。在示出的实施方式中，在端部部分100E中已经形成有孔110B，螺栓103B已经穿过该孔100B从而将第二部件190固定至部件100。螺母130N已经被旋拧至螺栓130B的自由端部上以施加将第二部件190迫压成与部件100的端部部分100E相抵接的压缩载荷，从而将第二部件固定至该端部部分100E。端部部分100E相对于孔110B的中心线具有半径R1。
R1的值被选定为提供这样的端部部分100E：该端部部分100E足够坚固以抵抗通过螺栓130B施加于端部部分100E的压裂载荷。
图1(b)示出了另一已知的铸铝部件200的端部部分200E，与图1(a)的设置的特征相似的图1(b)的设置的特征由相似的增大了100的附图标记来表示。端部部分200E设置有钢插入件或衬套220，该钢插入件或衬套220呈在每个端部处开放的一段中空钢管的形式。插入件220通过干涉配合而被保持在端部部分200E中并为端部部分200E提供额外的强度。钢的强度特性大于铝的强度特性。因此，当采用钢插入件220时，端部部分的半径可以被减小至值R2，R2<R1。
要理解的是，为了制造杆200，需要精密机加工以形成在其中设置插入件220的孔210B、以及为插入件220在孔210B中提供相对较紧密的干涉配合。铝制端部部分200E必须具有这样的直径：该直径足以使端部部分200E能够经受住与插入件220在端部部分200E中的干涉配合相关联的胀裂载荷。
图2示出了根据本发明的实施方式的铸铝杆300R的端部部分300E。与图1(b)的设置的特征相似的图2的设置的特征由相似的增大了100的附图标记来表示。端部部分300E具有插入构件320，该插入构件320呈由铝基复合材料(AMC)形成的中空管的形式。AMC包括用铝浸渍的氧化铝纤维用以形成插入构件320。插入构件320可以通过如下方式来制造：绕成型装置缠绕氧化铝纤维以形成纤维预成型件，之后用熔融铝来浸渍该预成型件。在根据本发明的实施方式的示例中，AMC可以包括颗粒增强体。这种AMC材料包括在铝的基质内以指定的体积分数均匀散布的颗粒。其他设置也是有用的。例如，形成复合结构的其他类型的纤维和其他方法也是可用的。插入构件320的AMC具有比端部部分300E的其余部分的铝更强的强度特性。
然后，将插入构件320插入到下述模具中：杆300R随后在所述模具中进行铸造。插入构件320由此被铸造到杆300R的端部部分300E中。
要理解的是，因为插入构件320被铸造到端部部分300E中，所以插入构件320是通过端部部分300E所包括的铝与在杆300R被铸造时浇注到模具中的铝的紧密结合和/或混合而被保持在端部部分300E中的。因此，端部部分300E不必像在图1(b)中的采用钢插入件220的已知设置的情况下那样经受因插入构件320的干涉配合所引起的巨大胀裂应力。因此，端部部分300E的半径与图1的结构的端部部分的半径相比可以减小。要理解的是，由于插入构件320包括铝，因此，还可以基本上减少或消除与采用插入构件的已知设置相关联的由于不同金属之间的接触所引起的诸如腐蚀和不同的热膨胀之类的问题。
插入构件320的AMC材料与铸造的端部部分的铝相比具有更强的强度特性。在根据本发明的实施方式的示例中，这在螺栓连接的接合部的接合面处提供了增强的局部强度特性，允许减小截面和质量，同时还获得这样的强度特性：该强度特性允许较大的螺栓预加载荷以实现在不同的紧固策略下的增大的鲁棒性。
在图2中的实施方式中，插入构件320的内表面在铸造操作期间未覆盖有铸造材料。在某些替代性实施方式中，插入构件的内表面可以设置成覆盖有铸造材料。
本发明的实施方式具有下述优点：铸铝部件可以设置有固定部分，其他部件可以固定至该固定部分，该固定部分相比已知的固定部分能够经受住更大的压裂载荷。
图3示出了根据本发明的实施方式的部件400，其中，(a)示出了截面图，并且(b)示出了正视图。部件400呈铸铝轴承容置部400的形式。部件400具有铸造本体部分400B，铸造本体部分400B铸造成包括由铝基复合材料(AMC)形成的管状插入构件420。在图3(和图2)的实施方式中，插入构件420是圆筒形的。在图3的实施方式中，插入构件420被整体嵌入在本体部分400B内，当部件400被铸造时，插入构件420基本上完全被铝金属包围。在部件400的铸造期间，轴承支撑部分401被铸造于插入构件420内。支撑部分401提供了可以借以保持轴承组件430B的装置。轴承支撑部分401设置在贯穿部件400的本体部分400B而形成的孔410B内。插入构件420设置成与孔410B同轴，孔410B穿过插入构件420。
本体部分400B的位于插入构件420的孔内的部分的成形为限定轴承支撑部分401。轴承支撑部分401具有分级式直径，由此提供肩状部410S，轴承组件430B可以设置成与该肩状部410S相抵接。肩状部410S辅助防止组件430B轴向滑动超出肩状部410S。
轴承组件430B通过干涉配合而被保持在轴承容置部的孔410B内，但是用于保持轴承组件430B的其他设置也是可用的。插入构件420的存在向部件400提供了额外的强度，使得部件400能够经受住与轴承组件430B的干涉配合相关联的呈胀裂载荷或周向应力的形式的应力。
轴承组件430B承载轴440并且设置成允许轴440相对于本体部分400B旋转。
本体部分400B具有在本体部分400B的在直径方向上相反的位置处从本体部分400B沿径向向外突出的一对安装凸缘400F，以允许部件400附接至结构。凸缘400F设置有贯穿凸缘400F的孔口400FA，以便利于通过固定装置将部件400附接至结构。
要理解的是，图3的部件400使得轴承组件430B能够被牢固地保持在与已知部件相比具有减小的尺寸的部件内。这是因为设置有呈管或圆筒的形式的AMC插入构件420以对部件400进行加强，插入构件420能够经受住径向的胀裂载荷和周向应力。
要理解的是，插入构件320、420可以具有任意适当的截面形状，例如圆形的、方形的、五边形的、六边形的或者具有任意其他适当的形状。其他设置也是可用的。
本发明的实施方式通过在铸造部件中嵌入其中具有孔的加强构件而使得该铸造部件的固定部分能够被加强并且从而使该铸造部件更加紧凑。加强构件设置成围绕形成于该部件中的孔的至少一部分。
加强构件可以设置成用以使该部件能经受住的与该加强构件的圆筒轴线平行地施加的压裂载荷的量增大。另外或替代地，加强构件可以设置成用以使该部件能经受住的胀裂载荷或周向应力的量增大。
要理解的是，除铝基复合材料以外的金属基复合材料也是可用的。类似地，除铝以外的金属如铝合金、镁合金、铝镁合金以及其他金属和合金也是可用的。
贯穿本申请文件的说明书和权利要求书，用语“包括”和“包含”以及这些用语的变体——例如“包括有”和“包括了”——表示“包括但不局限于”，而无意于(并且不)排除其他部分、添加物、部件、整体或步骤。
贯穿本申请文件的说明书和权利要求书，除非上下文另有要求，否则单数形式包含复数形式。特别地，在使用不定冠词的情况下，除非上下文另有要求，否则申请文件应被理解为考虑有多个以及单个。
除非彼此互不相容，否则结合本发明的特定的方面、实施方式或示例而描述的特征、整体、特性、复合物、化学成分或基团应被理解为能够应用于本文中所描述的任意其他方面、实施方式或示例。
附图检索
图1
(a)结合有铝杆端部的夹紧接合部。注意由于铸铝的相对较低的抗压强度所导致的为了经受住夹持载荷所需要的铝的半径(R1)。
(b)将钢插入件结合到铝杆端部中的夹紧接合部。注意：由于钢衬套必须紧密配合在铝杆端部中，因而需要高成本的机加工和组装过程以制造此被夹紧的杆端部。铝杆端部可能需要是较大直径(R2)的以经受住由干涉配合的钢衬套所引起的胀裂载荷。
图2
结合有如下铝杆端部的夹紧接合部：该铝杆端部具有以呈管状构型的AMC加强件加强的铸件。注意：由于压缩力能够通过AMC加强件来接受，因而铝杆端部的为了经受住夹持载荷所需的减小半径(R3)得以减小。

Claims (39)

1.一种形成具有固定部分的部件的方法，所述固定部分用于将另一部件附接至所述部件，所述方法包括：
执行铸造操作以形成所述部件的铸造部分，所述固定部分包括所述铸造部分的至少一部分以及由所述铸造部分保持的至少一个金属基复合材料的加强构件，
所述固定部分具有孔，所述加强构件具有纵向轴线，所述纵向轴线至少具有与所述孔的纵向轴线大致平行或一致的分量，所述固定部分设置成允许第二部件插入到所述固定部分的所述孔中以使所述第二部件能够被附接至所述固定部分。
2.根据权利要求1所述的方法，由此，所述加强构件大致由所述部件的所述铸造部分的一部分包围。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括：设置呈长形构件的形式的、可选地呈长形杆构件的形式的金属基复合材料的加强构件。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：设置所述加强构件，由此，所述加强构件包括管构件，所述管构件具有至少部分地穿过所述管构件而形成的孔。
5.根据权利要求4所述的方法，包括：设置所述加强构件，由此，所述加强构件的所述孔大致与所述固定部分的所述孔同轴。
6.根据权利要求4或5中的任一项所述的方法，由此，所述管构件具有大致完全地穿过所述管构件而形成的孔，所述固定部分具有大致完全地穿过所述固定部分的对应的孔。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的方法，由此，所述铸造部分铸造成使得所述管构件的所述孔的至少一部分覆盖有铸造材料。
8.根据权利要求4至7中的任一项所述的方法，由此，所述铸造部分铸造成使得所述加强构件大致整体地嵌入所述铸造部分内，使得所述管构件的所述孔被大致完全地覆盖在所述铸造部分的铸造材料中。
9.根据权利要求4至8中的任一项所述的方法，由此，形成所述铸造部分包括铸造轴承容置部，由此，所述轴承容置部的至少一部分设置在所述管构件内。
10.根据权利要求9所述的方法，包括：在所述轴承容置部中设置轴承组件。
11.根据权利要求4至6中的任一项所述的方法，由此，所述铸造部分铸造成使得所述管构件的所述孔基本上没有铸造材料。
12.根据权利要求4至8中的任一项或者权利要求11所述的方法，包括：在所述固定部分的所述孔中设置轴承组件。
13.根据权利要求12所述的方法，由此，设置轴承组件包括设置轴承座圈。
14.根据权利要求10或者权利要求12或13中的任一项所述的方法，还包括：设置通过所述轴承组件而被以可旋转的方式支撑的旋转轴构件。
15.根据权利要求4至14中的任一项所述的方法，由此，所述固定部分为固定元件提供固定，所述方法包括：将固定元件插入穿过所述管构件的所述孔。
16.根据权利要求15所述的方法，包括：通过所述固定元件向所述固定部分施加压缩载荷，所述压缩载荷至少具有与所述管构件的所述孔的轴线相平行的分量。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法，由此，所述固定元件包括螺栓构件。
18.根据权利要求17所述的方法，包括：至少部分地通过附接至所述螺栓构件的螺母向所述固定部分施加压缩载荷。
19.根据任一前述权利要求所述的方法，由此，所述加强构件的所述金属基复合材料包括铝基复合材料。
20.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：由包括铝的熔融金属形成所述铸造部分。
21.根据权利要求20所述的方法，由此，所述熔融金属为从铝和铝合金中选出的一者。
22.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：将所述加强构件设置在模具中；以及，将熔融金属导入到所述模具中以形成部件的至少一部分。
23.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：将所述部件形成为汽车部件或航天器部件。
24.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：将所述部件形成为悬架系统的部件。
25.一种具有固定部分的部件，所述固定部分用于将另一部件附接至所述部件，所述部件包括：
铸造部分，所述固定部分包括所述铸造部分的至少一部分以及由所述铸造部分保持的至少一个金属基复合材料的加强构件，
所述固定部分具有孔，所述加强构件具有纵向轴线，所述纵向轴线至少具有与所述孔的纵向轴线大致平行或一致的分量，所述固定部分设置成允许第二部件插入到所述固定部分的所述孔中以使所述第二部件能够被附接至所述固定部分。
26.根据权利要求25所述的部件，其中，所述加强构件大致由所述部件的所述铸造部分的一部分包围。
27.根据权利要求25或权利要求26所述的部件，其中，所述加强构件呈大致长形构件的形式，可选地，呈大致长形杆构件的形式。
28.根据前述权利要求25至27中的任一项所述的部件，其中，所述加强构件包括管构件，所述管构件具有至少部分地穿过所述管构件而形成的孔。
29.根据权利要求28所述的部件，其中，所述管构件的所述孔大致完全地穿过所述管构件。
30.根据权利要求25至29中的任一项所述的部件，所述部件与轴承组件相结合，所述轴承组件设置在所述固定部分中。
31.根据权利要求25至30中的任一项所述的部件，所述部件与固定元件相结合，所述固定元件穿过所述固定部分的所述孔。
32.根据权利要求31所述的部件，其中，所述固定元件设置成用以向所述固定部分施加压缩载荷。
33.根据权利要求25至32中的任一项所述的部件，其中，所述加强构件的所述金属基复合材料包括铝基复合材料。
34.根据权利要求25至33中的任一项所述的部件，其中，所述铸造部分包括铝。
35.根据权利要求34所述的部件，其中，所述铸造部分是从铝和铝合金中选出的一者。
36.一种包括根据权利要求25至35中的任一项所述的部件的悬架系统。
37.一种包括根据权利要求25至35中的任一项所述的部件或根据权利要求36所述的悬架系统的机动车辆。
38.一种包括根据权利要求25至35中的任一项所述的部件的飞行器或船舶。
39.一种基本上如在前文中参照附图所描述的方法、部件、系统、车辆、飞行器或船舶。
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