CN105090448A - 使用复合材料的金属部件组件的膨胀减小 - Google Patents

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Abstract

提供了用于使用于车辆的组件(例如，轴承组件)中的热膨胀最小化的方法。所述组件具有至少两个部件，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数(CLTE)。所述组件具有CLTE的第一聚合物复合材料、具有第二CLTE的轻质金属部件(例如，外壳)和具有第三CLTE的第三部件(例如，轴承部件)。第二CLTE超过第三CLTE≥25%。第一CLTE小于或等于第三CLTE，使得联接到第一表面的聚合物复合材料结构减小第一金属部件的径向热膨胀并且使第一金属部件的第二表面与第二部件的分离最小化。

Description

使用复合材料的金属部件组件的膨胀减小
技术领域
本公开涉及通过利用聚合物复合材料的策略性并入(例如，通过将聚合物复合材料并入具有轻质金属部件的机动车轴承组件)来使轻质金属部件的热膨胀差最小化。
背景技术
本节提供与本发明有关的背景信息，其未必是现有技术。
为了车辆中的燃料经济性而减轻重量已激励人们使用各种轻质金属部件，例如铝和镁。虽然这样的轻质金属的使用用来减轻总重量并大体上提高燃料效率，但这些金属相比传统的钢或陶瓷材料也具有相对高的线性热膨胀系数。在部件组件中，使用这样的轻质金属可造成在某些热操作条件下相对于具有较低线性热膨胀系数的相邻部件(如钢或陶瓷材料)的不均匀的热体积膨胀。
对于某些应用来说，尤其是在动力传动系单元和轴承组件中，在轴承组件内的合适的预加载和间隙保持性能的效率，而不均匀的热膨胀会造成自旋损失并因此减弱性能和燃料效率。在过去，轴承组件中的各种部件(包括外壳和轴承本身)由如钢或陶瓷的类似材料形成，这些材料共享类似的线性热膨胀系数。因此，对于具有线性热膨胀系数类似的材料的常规系统来说，车辆操作期间温度中的波动不导致影响轴承组件或其它部件组件中的预加载或间隙的显著的体积变化。
虽然使用轻质金属部件有可能减小归因于重量减小的燃料经济性增益，但由于线性热膨胀系数中的显著差异导致的轴承间隙的波动性和不一致性可潜在地导致显著的自旋损失和其它降低的性能效率。因此，用于减小具有包括轻质金属(具有相对高的线性热膨胀系数)和传统材料(具有较低线性热膨胀系数)的部件的机动车系统中的热膨胀的系统和方法将是期望的，以控制这样的热膨胀并进一步提高操作的效率和燃料经济性。
发明内容
本节提供本发明的总体概述，而不是对本发明的完整范围或其全部特征的全面公开。
在某些方面，本公开提供了使在具有至少两个部件的用于车辆的部件组件中的热膨胀最小化的方法，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数。该方法可包括将具有第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量的聚合物复合材料结构联接到具有第二CLTE的第一金属部件的第一表面。第一金属部件还限定与第一表面相对的第二表面。第二表面设置成与具有第三CLTE的第二部件紧邻。第二CLTE超过第三CLTE大于或等于约25%，而第一CLTE小于或等于第三CLTE。联接到第一表面的聚合物复合材料结构减小第一金属部件的径向热膨胀并且使第一金属部件的第二表面与第二部件的分离最小化。
在其它方面，本公开提供了一种具有至少两个部件的用于车辆的部件组件，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数。部件组件包括联接到第一金属部件的第一表面的聚合物复合材料结构。聚合物复合材料结构具有小于或等于约10×10-6/℃的第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量。第一金属部件限定第一表面和相对的第二表面。第一金属部件具有大于或等于约20×10-6/℃的第二CLTE。第二部件设置成紧邻相对的第二表面并且具有小于或等于约20×10-6/℃的第三CLTE。联接到第一表面的聚合物复合材料结构减小第一金属部件的径向热膨胀并且使第一金属部件的第二表面与第二部件的分离最小化。
在某些方面，本公开提供了使在具有至少两个部件的用于车辆的预加载的轴承组件中的热膨胀最小化的方法，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数。该方法可包括将具有第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量的聚合物复合材料结构联接到由具有第二CLTE的轻质金属形成的外壳的第一表面。外壳还限定与第一表面相对的第二表面。第二表面设置成与具有第三CLTE的轴承部件紧邻。轴承部件以静态预负载抵靠第二表面设置。第二CLTE超过第三CLTE大于或等于约25%。第一CLTE小于或等于第三CLTE。联接到第一表面的聚合物复合材料结构减小外壳的径向热膨胀并且使外壳的第二表面与轴承部件的分离最小化。
在某些其它方面，本公开设想出一种具有至少两个部件的用于车辆的预加载的轴承组件，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数。预加载的轴承组件可包括联接到由轻质金属形成的外壳的第一表面的聚合物复合材料结构。聚合物复合材料结构具有第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量。外壳具有第二CLTE。轴承部件以静态预负载紧邻与第一表面相对的外壳的第二表面设置。轴承部件具有第三CLTE。第二CLTE超过第三CLTE大于或等于约25%。第一CLTE小于或等于第三CLTE。联接到第一表面的聚合物复合材料结构减小外壳的径向热膨胀并且使外壳的第二表面与轴承部件的分离最小化。
本发明包括如下方案：
一种使在具有至少两个部件的用于车辆的部件组件中的热膨胀最小化的方法，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数，所述方法包括：
将具有第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量的聚合物复合材料结构联接到具有第二CLTE的第一金属部件的第一表面，其中，所述第一金属部件还限定设置成紧邻具有第三CLTE的第二部件的与所述第一表面相对的第二表面，其中，所述第二CLTE超过所述第三CLTE大于或等于约25%，而所述第一CLTE小于或等于所述第三CLTE，使得联接到所述第一表面的所述聚合物复合材料结构减小所述第一金属部件的径向热膨胀并且使所述第一金属部件的所述第二表面与所述第二部件的分离最小化。
2.根据方案1所述的方法，其中，所述第一CLTE小于或等于约10×10-6/℃，所述第二CLTE大于或等于约20×10-6/℃，并且所述第三CLTE小于或等于约20×10-6/℃。
3.根据方案1所述的方法，其中，所述联接包括通过一个或多个机械互锁特征将所述聚合物复合材料结构附接到所述第一金属部件。
4.根据方案1所述的方法，还包括通过机加工而在所述第一金属部件的所述第一表面中形成机械互锁特征。
5.根据方案1所述的方法，其中，所述联接包括将预浸渍复合材料施加到所述第一金属部件的所述第一表面，然后使所述预浸渍复合材料固化以形成所述聚合物复合材料结构。
6.根据方案1所述的方法，其中，所述第一金属部件的所述第一表面为周向的，并且所述聚合物复合材料结构是围绕所述第一表面设置的带或环形结构。
7.根据方案1所述的方法，其中，所述聚合物复合材料结构沿着所述第一表面的分立的不连续区域设置。
8.根据方案1所述的方法，其中，所述第一金属部件包括选自由下列项所组成的组的金属：铝、镁、以及它们的合金，所述第二部件包括选自由下列项所组成的组的材料：钢和陶瓷，并且所述聚合物复合材料结构包括热塑性树脂和选自由下列项所组成的组的多种增强材料：碳纤维、玻璃纤维、以及它们的组合。
9.根据方案1所述的方法，其中，所述第一金属部件为轴承组件外壳，并且所述第二部件是预加载的轴承部件的一部分。
10.一种使在具有至少两个部件的用于车辆的预加载的轴承组件中的热膨胀最小化的方法，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数，所述方法包括：
将具有第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量的聚合物复合材料结构联接到由具有第二CLTE的轻质金属形成的外壳的第一表面，其中，所述外壳还限定设置成紧邻具有第三CLTE的轴承部件的与所述第一表面相对的第二表面，其中，所述第二CLTE超过所述第三CLTE大于或等于约25%，而所述第一CLTE小于或等于所述第三CLTE，使得联接到所述第一表面的所述聚合物复合材料结构减小所述外壳的径向热膨胀并且使所述外壳的所述第二表面与所述轴承部件的分离最小化。
11.根据方案10所述的方法，其中，所述第一CLTE小于或等于约10×10-6/℃，所述第二CLTE大于或等于约20×10-6/℃，并且所述第三CLTE小于或等于约20×10-6/℃。
12.根据方案10所述的方法，其中，所述外壳包括选自由下列组成的组的金属：铝、镁、以及它们的合金，所述轴承部件包括选自由下列组成的组的材料：钢和陶瓷，并且所述聚合物复合材料结构包括热塑性树脂和选自由下列组成的组的多种增强材料：碳纤维、玻璃纤维、以及它们的组合。
13.根据方案10所述的方法，其中，所述轴承部件是渐缩的滚柱轴承组件的一部分。
14.根据方案10所述的方法，其中，所述轴承部件是角接触滚珠轴承。
15.一种具有至少两个部件的用于车辆的部件组件，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数，所述部件组件包括：
聚合物复合材料结构，其联接到第一金属部件的第一表面，所述聚合物复合材料结构具有小于或等于约10×10-6/℃的第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量；
所述第一金属部件，其限定所述第一表面和相对的第二表面，其中，所述第一金属部件具有大于或等于约20×10-6/℃的第二CLTE；以及
第二部件，其设置成紧邻所述相对的第二表面并且具有小于或等于约20×10-6/℃的第三CLTE，其中，联接到所述第一表面的所述聚合物复合材料结构减小所述第一金属部件的径向热膨胀并且使所述第一金属部件的所述相对的第二表面与所述第二部件的分离最小化。
16.根据方案15所述的部件组件，其中，所述聚合物复合材料结构的厚度小于或等于约10mm。
17.根据方案15所述的部件组件，其中，所述聚合物复合材料结构通过一个或多个机械互锁特征联接到所述第一金属部件。
18.根据方案17所述的部件组件，其中，所述一个或多个机械互锁特征包括燕尾榫接头。
19.根据方案15所述的部件组件，其中，所述第一金属部件的所述第一表面为周向的，并且所述聚合物复合材料结构是围绕所述第一表面设置的带或环形结构并且沿着所述第一表面的分立的不连续区域设置。
20.根据方案15所述的部件组件，其中，所述第一金属部件包括选自由下列组成的组的金属：铝、镁、以及它们的合金，所述第二部件包括选自由下列组成的组的材料：钢和陶瓷，并且所述聚合物复合材料结构包括热塑性树脂和选自由下列组成的组的多种增强材料：碳纤维、玻璃纤维、以及它们的组合。
另外的适用范围将从本文提供的描述变得显而易见。本发明内容中的描述和具体示例仅意图用于举例说明，而并非意图限制本发明的范围。
附图说明
本文描述的图仅仅是出于说明所选实施例而不是所有可能的实施方式的目的，并且并不意图限制本发明的范围。
图1示出了在机动车后转移单元中的示例性轴承组件的剖视图；
图2示出了沿图1中的线2-2截取的详细视图，显示了根据本公开的某些方面的用于减小轴承组件中的轻质金属的热膨胀的聚合物复合材料部件；
图3示出了根据本公开的某些方面的用于减小轻质金属的热膨胀的环形式的聚合物复合材料部件的透视图；以及
图4示出了根据本公开的某些其它方面的用于减小轴承组件中的轻质金属的热膨胀的聚合物复合材料部件的备选变型的详细剖视图。
贯穿附图的各视图，对应的附图标记指示对应的部分。
具体实施方式
现在将结合附图更全面地描述示例性实施例。
提供这些示例性实施例使得对本领域技术人员来说本发明是彻底的，并且充分表现本发明的范围。阐述了诸如具体组成、部件、装置和方法的示例的许多具体细节，以提供对本发明的实施例的透彻理解。对于本领域的技术人员来说显而易见的是不需要采用具体细节，可以以许多不同形式来体现示例性实施例，并且不应将任一者理解为限制本发明的范围。在某些示例性实施例中，未详细地描述熟知的过程、熟知的装置结构和熟知的技术。
本文所用的技术术语仅用来描述特定示例性实施例，而并非旨在进行限制。如本文所用，除非上下文另有明确表述，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”均可能旨在包括复数形式。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的且因此指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或增加。不应将本文所述的方法步骤、过程和操作理解为一定要求其按照所讨论或示出的特定顺序的执行，除非被具体地确定为执行顺序。还应理解的是可以采用附加或备选的步骤。
当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，其可以直接在该另一元件或层上、直接接合、连接或联接到该另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上面”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用来描述元件之间的关系的其它词应以类似的方式解释(例如，“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻”与“紧邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括相关的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。
虽然可在本文中使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部段，但这些元件、部件、区域、层和/或部段不应受到这些术语的限制。这些术语仅用来区分一元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段。诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语在本文中使用时不暗示次序或顺序，除非上下文清楚地指出。因此，在不脱离示例性实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部段可以称为第二元件、部件、区域、层或部段。
在本文中可以为了便于说明使用诸如“内部”、“外部”、“下面”、“以下”、“之下”、“之上”、“上”等空间相对术语来描述如图所示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。空间相对术语可以意图除图中所描绘的取向之外还涵盖装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或特征“以下”或“下面”的元件将因此被定向为在其它元件或特征“之上”。因此，示例性术语“以下”可以涵盖之上和之下的两个取向。该装置可被另外定向（旋转90度或处于其它取向），并且相应地解释本文所使用的空间相对描述语。
应当理解，对于“包括”某些步骤、成分或特征的方法、组合物、装置或系统的任何详述来说，在某些备选的变型中，还可设想出，这样的方法、组合物、装置或系统也可基本上由所枚举的步骤、成分或特征组成，使得将实质上改变本发明的基本和新颖性特性的任何其它步骤、成分或特征都从其排除。
贯穿本公开，数值表示对范围的近似量度或极限以涵盖与给定值和具有大约所提及的值的实施例以及具有精确地所提及的值的实施例的最小偏差。除在具体实施方式的末尾处提供的工作示例中之外，在包括所附权利要求的本说明书中的参数(例如，数量或条件的参数)的所有数值均应理解为在所有情况下被术语“约”修饰，而不论在该数值之前实际上是否出现“约”。“约”表示所述数值允许一些微小的不精确(一定程度上接近该值的精确值；大致或合理地接近该值；几乎)。如果“约”提供的不精确不能用这种本领域中的常见含义来理解，则本文所用“约”至少表示测量和使用这样的参数的常规方法可能引起的偏差。
此外，范围的公开包括所有值的公开和在整个范围内的进一步划分的范围，包括端值和为所述范围给定的子范围。
在诸如汽车的车辆中，发动机是产生用于推进的扭矩的功率源。功率传输或功率传递单元(PTU)将旋转功率(扭矩)选择性地传递到车辆的前和/或后轴或轮轴。变速器或PTU是零件的组件，包括将功率从发动机传递到驱动轮轴的变速齿轮、轴和轴承。例如，在四轮驱动或全轮驱动车辆中，变速器或PTU将扭矩传递到前轮轴和后轮轴。接收旋转扭矩的每个轮轴将扭矩传递到车辆的相关联的车轮以推进车辆。
参看图1，显示了局部剖视图，该图示出了示例性的后轮驱动变速器10以示出本公开的某些原理。因此，应当理解，本教导不限于这样的变速器10，因此图1中所示的类型、构型和设计仅仅是示例性的和非限制性的，以示出本公开的某些原理。变速器10包括第一轴承组件20，其包括组件外壳14和可旋转的轴22。多个轴承30定位成与轴22接合。如图所示，第一轴承32与第二轴承34在第一轴承组件20中配对地相对。
第一轴承32和第二轴承34是成角度或渐缩的滚柱轴承，其设置和支撑在由外壳14限定的座置区域或兜孔36、38内。渐缩的滚柱轴承和角接触滚珠轴承常常用来在变速器组件中支撑可旋转的轴或齿轮。滚动轴承通常在操作时保持一些内部间隙，然而，在某些应用中，希望提供将它们保持在内应力或“预加载”下的负间隙。用于轴承的静态预负载可实现正确的工作，以通过使在各种操作条件下的轴向和径向游隙、自旋损失和噪音最小化而使部件的耐久性最大化。预负载通常被施加到轴承，其中径向间隙可在安装期间被调整，例如角接触滚珠轴承或渐缩的滚柱轴承。通常，两个轴承例如利用预负载面对面或背对背安装以形成一对双重的轴承，如第一轴承32和第二轴承34。
如图所示，第一渐缩的滚柱轴承32或第二渐缩的滚柱轴承34包括内圆锥或内环50、外杯或外环52、以及滚动轴承元件54。这样的轴承部件(50、52或54)可由钢合金材料或陶瓷材料形成。外环52邻近和/或接触外壳14，以便在两者间限定第一接口区域56。内环50邻近和/或接触轴22以在两者间限定第二接口区域58。轴22可由诸如钢的常规材料形成。
如上文所讨论的，在根据本教导的某些方面中，外壳14可由这样的材料形成：该材料具有相比用于形成在第一接口区域56处与外壳14交接的轴承30的材料的对比线性热膨胀系数(α)显著不同的线性热膨胀系数(α)。在某些优选变型中，外壳14可由诸如铝或镁的轻质金属形成。在某些方面，当在组件(尤其是用于车辆的轴承组件)中的相邻材料之间的线性热膨胀系数(α)(CLTE)中存在显著差异或不匹配时，本教导是有用的。在CLTE中的这样的“显著不匹配”或差异可以大于或等于约10%，可选地大于或等于约25%，可选地大于或等于约50%，可选地大于或等于约75%，可选地大于或等于约100%，可选地大于或等于约125%，可选地大于或等于约150%，可选地大于或等于约175%，并且在某些变型中大于或等于约200%。在这样的情况下，轴承组件中的相邻材料之间的不匹配可造成径向膨胀中的差异，这往往是影响轴承预负载的主导方向。要注意的是，本公开的原理也可广泛地应用于除了仅轴承组件之外的其它系统，其中彼此相关联的材料具有显著的CLTE不匹配或差异，或者其中尺寸公差和预负载是重要的。
以举例的方式，铝(Al)具有大约24×10-6/℃的线性热膨胀系数(CLTE)。应当指出，在具体实施方式中描述的任何列举参数或测量值可以变化±10%。此外，本领域的技术人员可以理解，这样的值通常是代表性的，而不是限制性的，因为各种金属的合金可以包含不同的合金成分，并且因此可以一定程度上不同于纯金属或基合金测量值。镁(Mg)具有大约26×10-6/℃的代表性CLTE。相比之下，用于作为轴承部件的这些应用的钢合金通常具有大约12×10-6/℃至13×10-6/℃的平均CLTE。因此，当外壳14包括铝或另一种轻质金属并且轴承30的对应的外环52包括钢合金时，CLTE中的差异从其中外壳14由常规钢(而不是由新的轻质铝金属)制成的对比系统增加至少约85%。同样，如果外壳14包括镁并且轴承30的对应的外环52包括钢合金，那么CLTE中的差异从其中外壳14由常规钢制成的对比系统增加至少约100%。如上文所讨论的，CLTE中的这样的差异在较高温度下可造成严重的问题，尤其是在其中在轴承上的预负载量可通过相邻材料的不均匀的膨胀速率而减小的轴承组件中，这潜在地导致自旋损失和较低效的性能。
根据本公开的某些方面，提供了抵消和减小与较低CLTE材料相关联的较高CLTE材料的膨胀量的方法(例如，为了有助于贯穿典型的操作温度范围保持具有CLTE不匹配材料的轴承系统中的预定的预负载量)。
因此，本公开设想出使在具有至少两个部件的用于车辆的部件组件中的热膨胀最小化的方法，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数。在某些变型中，这样的方法可包括将具有第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量的聚合物复合材料结构联接到具有第二CLTE的第一金属部件的第一表面。在某些变型中，聚合物复合材料的拉伸模量大于或等于约50GPa，可选地大于或等于约60GPa，可选地大于或等于约64GPa，可选地大于或等于约70GPa，可选地大于或等于约75GPa，可选地大于或等于约100GPa，可选地大于或等于约150GPa，可选地大于或等于约200GPa，并且在某些变型中，可选地大于或等于约250GPa。聚合物复合材料结构的这样的相对高的拉伸模量提供了必要的刚度和结构以约束第一金属部件的径向膨胀。第一金属部件还限定设置成紧邻具有第三CLTE的第二部件的与第一表面相对的第二表面。
在某些方面，第一金属部件的第二CLTE超过第二部件的第三CLTE大于或等于约25%，可选地大于或等于约40%，可选地大于或等于约100%或上文在显著不同的CLTE(CLTE不匹配)的上下文中讨论的值中的任一个。
如上所述，第二CLTE与第三CLTE相差上文之前列出的值中的任一个。在某些方面，第一金属部件的第二CLTE超过第二部件的第三CLTE大于或等于约40%。在其它方面，第二CLTE可以超过第二部件的第三CLTE大于或等于约100%。
在某些变型中，聚合物复合材料结构可具有小于或等于约10×10-6/℃的第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量。在某些方面，第一CLTE可选地小于或等于约8×10-6/℃，可选地小于或等于约6×10-6/℃，可选地小于或等于约4×10-6/℃，并且在某些变型中，可选地小于或等于约2×10-6/℃。第一金属部件限定第一表面和相对的第二表面。第一金属部件具有第二CLTE大于或等于约20×10-6/℃，可选地大于或等于约24×10-6/℃，并且在某些变型中，可选地大于或等于约26×10-6/℃。部件组件还包括第二部件，其设置成紧邻相对的第二表面并且其第三CLTE小于或等于约20×10-6/℃，可选地小于或等于约15×10-6/℃，可选地小于或等于约12×10-6/℃，可选地小于或等于约10×10-6/℃，可选地小于或等于约7×10-6/℃，可选地小于或等于约5×10-6/℃，并且在某些变型中，可选地小于或等于约4×10-6/℃。联接到第一表面的聚合物复合材料结构减小第一金属部件的径向热膨胀并且使第一金属部件的第二表面与第二部件的分离最小化。在某些变型中，聚合物复合材料的第一CLTE优选地小于或等于约10×10-6/℃，第一金属部件的第二CLTE大于或等于约20×10-6/℃，并且第二部件的第三CLTE小于或等于约20×10-6/℃。
根据本教导的某些方面，表1提供了对于可根据本公开的原理使用的合适材料来说的不同的CLTE和拉伸模量值的非限制性列表。
因此，根据本公开的某些方面，聚合物复合材料结构联接到第一金属部件，用来减小第一金属部件的径向热膨胀并使第一金属部件的第二表面与第二部件的分离最小化。当第一金属部件和第二部件具有热不匹配，但又希望贯穿广泛的操作温度保持在预加载的应力下以提高性能时，这是特别有利的。
在某些方面，联接的步骤可包括将聚合物复合材料通过一个或多个机械互锁特征附接到第一金属部件。例如，如在图2的详细视图中最清楚地示出的，聚合物复合材料结构60联接到外壳14的第一外表面62。外壳14还具有与第一外表面62相对的第二内表面64。第二内表面64紧邻第二部件(这里轴承30的外环52)。应当指出，虽然在第二内表面64和外环52表面之间可存在空隙或间隙，但在轴承组件处于静态预负载时，优选地将建立接触(理想地贯穿所有操作条件温度范围)。外壳14包括限定在第一外表面62上的空隙的多个第一锁定特征66。聚合物复合材料结构60包括多个第二锁定特征68，其与第一锁定特征66的形状互补并且因此将聚合物复合材料结构60与外壳14互锁和机械联接。
因此，在各种方面，外壳14的外表面62限定至少一个机械锁定特征以与聚合物复合材料结构60互锁并保持该结构。如图2所示，第一锁定特征66和互补的第二锁定特征68配合以限定燕尾榫构型；然而，其它机械互锁形状和设计可用于将部件联接在一起。例如，具有不同形状的互补的突出的凸缘、凹槽、通道、锁定翼可用作机械锁定特征。因此，在某些变型中，聚合物复合材料结构60被一体化到由轻质金属材料形成的外壳14的第一外表面62上的燕尾榫凹槽中，使得复合材料和轻质金属将在使用中经历的所有温度下保持牢固地一体化。聚合物复合材料结构60可因此形成箍、环或带，其提供增强并约束其联接到的相邻部件(例如，外壳14)的膨胀。
形成聚合物复合材料结构60的聚合物复合材料(如碳纤维增强聚合物)具有低的CLTE和高的拉伸模量，如上文在表1中所示出的。用来形成外壳14的诸如铝和镁的轻质金属具有高的CLTE和相对适中的拉伸模量。通过联接聚合物复合材料结构60，复合材料的材料属性使得可以消除由以比相邻轴承部件(例如，钢轴承外环52)高的速率热膨胀的轻质金属外壳14造成的影响。如上所述，在不存在聚合物复合材料结构60的情况下，在轻质金属和相邻的钢或陶瓷轴承之间的热膨胀差异造成轴承预负载变化。然而，通过将聚合物复合材料结构60引入到邻近内部钢轴承(例如，外轴承环52)的外壳14的第一外表面62，聚合物复合材料结构60在径向方向上(影响轴承预负载的主导方向)约束热膨胀。
联接步骤可包括将预浸渍复合材料前体施加到外壳14的第一外表面62，然后使预浸渍复合材料固化以形成聚合物复合材料结构。聚合物复合材料可通过使用诸如纤维基材料(例如，布料或石墨带)的复合前体材料的条而形成。复合材料可形成有一个或多个层，其中每个层可通过接触和/或重叠纤维基材料的条而形成。纤维基基底材料也包括树脂。树脂可在纤维基材料被施加到工作表面(这里为外壳14的第一外表面62)之后固化，并且因此可用来将单个或多个层在聚合物复合材料结构60中结合在一起。
两种方法通常用于将树脂引入到浸渍的纤维基基底复合材料系统中：湿法缠绕(或层合)或预浸渍(称为“pre-preg”)。对于湿法缠绕来说，干燥的纤维增强材料通常可通过浸入浴槽中而用树脂润湿，如所使用那样。对于预浸渍(pre-preg)来说，树脂被提前润湿到纤维基材料中，并且通常包括使树脂部分地固化以具有粘稠的或发粘的稠度的步骤(也称为B-阶段局部固化)，然后将预浸渍的纤维基材料缠绕起来以供日后使用。预浸渍的复合材料系统往往会使用热固性树脂系统，其可通过高温固化，其中固化时间范围从约30分钟至约2小时(根据固化温度)。然而，一些预浸渍材料可以采用利用光化辐射(例如，紫外线辐射(UV))固化的树脂。
在某些其它方面，本教导还设想出联接步骤，其中增强材料例如通过缠绕成型法而施加在第一锁定特征66附近、之内和/或之上。该方法可以可选地包括将未固化的树脂组合物施加或引入到纤维基增强材料之内或之上。所谓“施加”是指未固化的树脂组合物湿透到纤维基材料上，并且因此可以被涂布在纤维基材料的表面上或吸入/浸渍到增强纤维基材料中(例如，进入增强纤维基材料的孔或开口中)。在树脂被引入到具有增强材料的区域之后，然后固化以形成包括第二锁定特征68的聚合物复合材料结构。
在其它变型中，复合前体材料可被注塑或以其它方式施加到第一外表面62和第一锁定特征66，然后可以进行固化以形成聚合物复合材料结构60。
如图2所示，聚合物复合材料结构60被施加到第一锁定特征66内，以限定第二锁定特征68；然而，其也具有连续的上部主体区域70，该区域从一个相应的第二锁定特征68跨接至相邻的锁定特征。因此，当外壳14的第一外表面62为周向的并且聚合物复合材料结构60设置在第一外表面62周围时，聚合物复合材料结构60可被视为如图3所示的环或带设计。
在某些方面，对应于上部主体区域70的聚合物复合材料结构60的厚度小于或等于约10mm，可选地小于或等于约9mm，可选地小于或等于约8mm，可选地小于或等于约7mm，可选地小于或等于约6mm，可选地小于或等于约5mm，可选地小于或等于约4mm，可选地小于或等于约3mm，可选地小于或等于约2mm，并且在某些变型中，可选地小于或等于约1mm。
在如图4中那样的某些备选变型中，聚合物复合材料结构60A沿着对应于第一锁定特征66的区域的第一外表面62的分立的不连续区域72设置。因此，聚合物复合材料结构60A限定与第一锁定特征66互补的第二锁定特征68A；然而，聚合物复合材料结构60A不像图2和3中所示的实施例那样延伸横跨第一外表面62。
如上所述，在某些变型中，第一金属部件(例如，外壳14)由选自由下列组成的组的金属形成：铝、镁、以及它们的合金，该金属可被容易地机加工或模铸。本公开的方法因此还设想出通过机加工外表面(例如，62)以形成机械互锁特征来形成如图2-4中的多个第一锁定特征66那样的机械互锁特征。在这样的变型中，第二部件(例如，轴承外环52)包括选自由下列组成的组的材料：钢和陶瓷，而聚合物复合材料结构(例如，60或60A)可包括热塑性树脂和选自由下列组成的组的多种增强材料：碳、玻璃、以及它们的组合。在某些变型中，当第一金属部件为轴承组件外壳并且第二部件是预加载的轴承部件的一部分时，所述方法特别有用。通过提供更一致且均匀的预负载，这将导致齿轮的更一致的刚度，这能够实现导致齿轮的更精细啮合的更一致的齿轮图案，这减小了反冲。此外，通过提供更一致且均匀的预负载，可以由于轴承中的较低的阻力损失而改善燃料经济性。同样，由于减少的有效占空比，可以使用较小的轴承。这提供了减小质量并进一步减小阻力损失的优点。
本公开同样设想出一种具有至少两个部件的用于车辆的改进的部件组件，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数。该部件组件可包括聚合物复合材料结构，其联接到第一金属部件(例如，轴承外壳)的第一表面。聚合物复合材料结构可具有小于或等于约10×10-6/℃的第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量。在某些方面，第一CLTE可选地小于或等于约8×10-6/℃，可选地小于或等于约6×10-6/℃，可选地小于或等于约4×10-6/℃，并且在某些变型中，可选地小于或等于约2×10-6/℃。第一金属部件限定第一表面和相对的第二表面。第一金属部件具有第二CLTE大于或等于约20×10-6/℃，可选地大于或等于约24×10-6/℃，并且在某些变型中，可选地大于或等于约26×10-6/℃。部件组件还包括第二部件，其设置成紧邻相对的第二表面并且其第三CLTE小于或等于约20×10-6/℃，可选地小于或等于约15×10-6/℃，可选地小于或等于约12×10-6/℃，可选地小于或等于约10×10-6/℃，可选地小于或等于约7×10-6/℃，可选地小于或等于约5×10-6/℃，并且在某些变型中，可选地小于或等于约4×10-6/℃。联接到第一表面的聚合物复合材料结构减小第一金属部件的径向热膨胀并且使第一金属部件的第二表面与第二部件的分离最小化。如上所述，在某些优选变型中，第一金属部件包括铝、镁或它们的合金，第二部件包括钢或陶瓷，并且聚合物复合材料结构包括热塑性树脂和选自由下列组成的组的多种增强材料：碳纤维、玻璃纤维以及它们的组合。
在其它方面，本公开设想出一种具有至少两个部件的用于车辆的预加载的轴承组件，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数。聚合物复合材料结构联接到外壳的第一表面。聚合物复合材料结构具有第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量。外壳具有第二CLTE。轴承部件在静态预负载下设置成紧邻与第一表面相对的外壳的第二表面，该轴承部件具有第三CLTE。第二CLTE超过第三CLTE大于或等于约25%，或者可以是上文此前规定的值中的任一个。
聚合物复合材料结构可具有小于或等于约10×10-6/℃的第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量。在某些方面，第一CLTE可选地小于或等于约8×10-6/℃，可选地小于或等于约6×10-6/℃，可选地小于或等于约4×10-6/℃，并且在某些变型中，可选地小于或等于约2×10-6/℃。第一金属部件限定第一表面和相对的第二表面。第一金属部件具有第二CLTE大于或等于约20×10-6/℃，可选地大于或等于约24×10-6/℃，并且在某些变型中，可选地大于或等于约26×10-6/℃。部件组件还包括第二部件，其设置成紧邻相对的第二表面并且其第三CLTE小于或等于约20×10-6/℃，可选地小于或等于约15×10-6/℃，可选地小于或等于约12×10-6/℃，可选地小于或等于约10×10-6/℃，可选地小于或等于约7×10-6/℃，可选地小于或等于约5×10-6/℃，并且在某些变型中，可选地小于或等于约4×10-6/℃。联接到第一表面的聚合物复合材料结构减小外壳的径向热膨胀并且使外壳的第二表面与轴承部件的分离最小化。
在某些方面，外壳包括铝、镁或它们的合金。轴承部件可包括钢或陶瓷。聚合物复合材料结构包括热塑性树脂和选自由下列组成的组的多种增强材料：碳纤维、玻璃纤维、以及它们的组合。在其它变型中，轴承部件是渐缩的滚柱轴承组件的一部分。在某些方面，轴承部件是角接触滚珠轴承。
已经出于图示和说明的目的提供了实施例的前述说明。其并非意图是排他性的或限制本公开。特定实施例的单独元素或特征一般不限于该特定实施例，但在适用的情况下是可互换的，并且可以在所选实施例中使用，即使其未被具体地示出或描述。还可以以许多方式对其进行修改。不应将此类变型视为违背本公开，并且所有此类修改意图被包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种使在具有至少两个部件的用于车辆的部件组件中的热膨胀最小化的方法，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数，所述方法包括：
将具有第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量的聚合物复合材料结构联接到具有第二CLTE的第一金属部件的第一表面，其中，所述第一金属部件还限定设置成紧邻具有第三CLTE的第二部件的与所述第一表面相对的第二表面，其中，所述第二CLTE超过所述第三CLTE大于或等于约25%，而所述第一CLTE小于或等于所述第三CLTE，使得联接到所述第一表面的所述聚合物复合材料结构减小所述第一金属部件的径向热膨胀并且使所述第一金属部件的所述第二表面与所述第二部件的分离最小化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一CLTE小于或等于约10×10-6/℃，所述第二CLTE大于或等于约20×10-6/℃，并且所述第三CLTE小于或等于约20×10-6/℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述联接包括通过一个或多个机械互锁特征将所述聚合物复合材料结构附接到所述第一金属部件。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括通过机加工而在所述第一金属部件的所述第一表面中形成机械互锁特征。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述联接包括将预浸渍复合材料施加到所述第一金属部件的所述第一表面，然后使所述预浸渍复合材料固化以形成所述聚合物复合材料结构。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一金属部件的所述第一表面为周向的，并且所述聚合物复合材料结构是围绕所述第一表面设置的带或环形结构。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚合物复合材料结构沿着所述第一表面的分立的不连续区域设置。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一金属部件包括选自由下列项所组成的组的金属：铝、镁、以及它们的合金，所述第二部件包括选自由下列项所组成的组的材料：钢和陶瓷，并且所述聚合物复合材料结构包括热塑性树脂和选自由下列项所组成的组的多种增强材料：碳纤维、玻璃纤维、以及它们的组合。
9.一种使在具有至少两个部件的用于车辆的预加载的轴承组件中的热膨胀最小化的方法，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数，所述方法包括：
将具有第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量的聚合物复合材料结构联接到由具有第二CLTE的轻质金属形成的外壳的第一表面，其中，所述外壳还限定设置成紧邻具有第三CLTE的轴承部件的与所述第一表面相对的第二表面，其中，所述第二CLTE超过所述第三CLTE大于或等于约25%，而所述第一CLTE小于或等于所述第三CLTE，使得联接到所述第一表面的所述聚合物复合材料结构减小所述外壳的径向热膨胀并且使所述外壳的所述第二表面与所述轴承部件的分离最小化。
10.一种具有至少两个部件的用于车辆的部件组件，所述至少两个部件具有显著不同的线性热膨胀系数，所述部件组件包括：
聚合物复合材料结构，其联接到第一金属部件的第一表面，所述聚合物复合材料结构具有小于或等于约10×10-6/℃的第一线性热膨胀系数(CLTE)和大于或等于约40GPa的模量；
所述第一金属部件，其限定所述第一表面和相对的第二表面，其中，所述第一金属部件具有大于或等于约20×10-6/℃的第二CLTE；以及
第二部件，其设置成紧邻所述相对的第二表面并且具有小于或等于约20×10-6/℃的第三CLTE，其中，联接到所述第一表面的所述聚合物复合材料结构减小所述第一金属部件的径向热膨胀并且使所述第一金属部件的所述相对的第二表面与所述第二部件的分离最小化。
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