CN107000523B - 底盘和用于制造底盘的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机动车底盘,其包括至少一个由金属材料制成的并且接收或传导力的构造元件,至少一个由纤维增强塑料制成的增强元件(5)通过热接合施加到所述构造元件的表面上。尤其是所述构造元件(如车桥支架2或导杆或其他)设置用于,以相同的几何尺寸安装于在其重量和/或驱动功率方面不同的机动车类型上,其中,在使用于具有较高重量和/或较高驱动功率的机动车类型时,增强元件(5)施加到所述构造元件的至少一个形成负载路径的表面区段上,所述增强元件(5)在具有较小重量和/或较小驱动功率的其他机动车类型中完全不设置或以较小的确定尺寸设置。

Description

底盘和用于制造底盘的方法
技术领域
本发明涉及一种机动车底盘,其包括至少一个由金属材料制成的并且接收或传导力的构造元件,以及本发明涉及一种用于制造对应的车辆底盘的方法。
背景技术
在按照现有技术的机动车中,底盘部件主要由金属材料制造。在此特别是使用原型成型和变型的方法。在此,所述部件部分地对于每种车辆类型特意地设计并且适配。但此外也使用所谓的标准构件,其中,相同的构造元件用于不同的车辆类型。因此,如果预设一定的标准构件,则多个车辆派生品或类型(它们的底盘部件具有基本上相同的几何尺寸)可以被一种唯一的相同的构造元件覆盖。因为不同的车辆类型或派生品通常在其驱动功率和/或其重量方面不同,所以必须将所述相同构件在其于导致构造元件最高负载的车辆类型的使用方面进行设计。通常它是具有较高驱动功率和/或较高重量的派生品。结果导致相应部件或上述相同构造元件对于其他(具有较小驱动功率和/或较小重量的)车辆派生品而言超尺寸。超尺寸例如出于重量原因而不被希望。
此外已知用于由纤维缠结材料或纤维增强塑料制成底盘构件的不同方法。这些方法提供了制造较轻部件的可能性,然而所述部件至少迄今基于有限的强度、缺乏塑性特性以及高费用而未全面地使用在底盘区域中。
在底盘部件被分开制造时,不同于使用标准构件系统,则产生用于结构、规划、生产资料的购置和随后的物流的高费用。在使用标准构件时相反经常出现所述超尺寸,这一方面导致希望能避免的材料消耗并且导致重量增加。此外要注意,在制造金属构件以及塑料构件时,在后来的开发阶段中或将要批量生产过程时的改变只能非常困难地并且在高的费用下进行。特别是在倾向对于大件数的低成本的变型制造方法中,只能够以高的花费针对性地将对负载途径的增强引入构件中。
发明内容
本发明的任务在于,给出一种用于车辆的底盘,该底盘在低成本制造和装配的情况下可以耐久运行。尤其是应该在此解决低成本制造、轻型结构和刚度之间的冲突。此外,本发明的任务在于,给出一种用于制造底盘的相应方法。
为此,本发明提出一种机动车的底盘,包括至少一个由金属材料制成的并且接收或传导力的构造元件,至少一个由纤维增强塑料制成的增强元件通过热接合施加到所述构造元件的表面上,在所述构造元件的不熔化的金属材料与所述增强元件之间形成微观形锁合或在纳米范围内的形锁合。本发明还提出一种用于制造用于车辆的底盘的方法,其中,将至少部分地由纤维增强塑料制成的增强元件在压紧力下焊接在底盘的金属的并且接收或传导力的构造元件上,在所述构造元件的不熔化的金属材料与所述增强元件之间形成微观形锁合或在纳米范围内的形锁合。
因此,本发明通过一种机动车底盘解决,所述底盘具有金属制的构造元件或型材构件,所述构造元件或型材构件接收或传导力并且局部地通过施加到构造元件表面上的由纤维增强塑料制成的增强元件增强。例如底盘具有车桥支架。车桥支架又具有纵梁。所述纵梁可以由金属制的一个或多个型材构件制成或组装而成。各个型材构件或所谓的构造元件在纵梁中例如可以是管形或壳形的金属件,所述金属件一起焊接或拧接成纵梁。在本发明的范围中规定,在底盘的至少一个相应构造元件或型材构件上施加由纤维增强塑料制成的面状增强元件,更确切地说是通过热接合来施加,所述热接合通常以一定的压紧力进行。
但在机动车底盘中的其他金属构造元件也可以相应地构造,即在它们表面上局部地设有至少一个由纤维增强塑料制成的增强元件,所述增强元件尤其是在所谓的负载路径的区域中施加或沿着所谓的负载路径通过热接合施加。术语“负载路径”对于本领域技术人员是已知的。按照本发明,借助增强元件增强的金属的(并且接收或传导力的)构造元件可以具有敞开的或封闭的横截面。在封闭的横截面上在外部亦或在敞开的横截面时在内部可以安置由纤维增强塑料制成的增强元件。通过这样的增强元件尤其是可以按希望的方式调整相应的构造元件或型材构件的强度和刚度,但也可以调整相应的构造元件或型材构件的声学特性和振动特性。
这样的增强元件的施加在底盘制造过程中相对低成本。昂贵的模具、尤其是对于整个标准构件的底盘的变型而成的金属件在此可以保持不变。借此尤其是可以简单地将所述构造元件(所述构造元件设置用于以相同的几何尺寸安装于在其重量和/或其驱动功率方面不同的机动车类型中)在使用于具有较高重量和/或较高驱动功率的机动车类型时在至少一个形成负载路径的表面区段上按照本发明设置增强元件,所述增强元件在具有较小重量和/或较小驱动功率的其他机动车类型中在所述构造元件上要么完全不设置要么以较小的确定尺寸(在高度或者说厚度或宽度或长度方面)进行设置。
已经提到,所述并且通过增强元件局部增强的或根据需要增强的构造元件可以是车桥支架。在这里要明确指出,所谓的“标准构件”-构造元件的只在一些车辆类型或派生品中设置的增强只是一种可行的应用情况。原则上也可以规定,确定的金属的底盘构造元件以按照本发明的方式对于使用于构造元件安装所在的任何车辆类型中时在表面区段上局部设有由纤维复合材料制成的增强元件。尤其是将所述增强元件沿着延伸经过所述构造元件的负载路径设置。
按照本发明的底盘车桥支架可以具有两个纵梁,所述纵梁通过至少一个横梁相互连接。所述纵梁和所述至少一个横梁分别由一个或多个金属制的型材构件(=所述金属构造元件)组装而成。按照本发明通过热接合施加的并且由纤维增强塑料制成的增强元件至少处于各型材构件或者说构造元件之中的一个上。例如可以基本上在所述至少一个横梁的整个长度上安置这样的增强元件。该安置或热接合也称为热直接接合,其中有不同的已知的方法步骤,借助它们可以进行金属-塑料材料对的热接合。当然,在此相应也需要一定的压紧力,借助所述压紧力,将塑料增强元件通过一般也称为焊接的热接合实际上不可脱开地与金属构造元件的表面连接。在此优选增强元件由多个塑料层构造,不是每个所述塑料层必须设有增强纤维。对此后续还详细说明。
除了车桥支架之外,也能以按照本发明的方式增强任何的用于连接车轮的构件。如已知的那样,车辆车轮通过在这里所谓的用于连接车轮的构件最后与车辆车身连接,这样连接,使得所述车身支承在车轮上。这样的用于连接车轮的构件除了轮架之外可以是枢转支承件或转向节,但也可以是用于导向车轮的导杆如纵向导杆、横向导杆、斜拉杆或减振器,其中,尤其是金属减振器管本身能以按照本发明的方式增强。此外,上述的用于连接车轮的构件在这里构成金属的底盘构造元件或型材构件,所述底盘构造元件或型材构件以增强元件加固或增强。另一个示例是对于本领域技术人员已知的并且通常不仅与车辆的车桥支架而且与车辆车身可脱开地连接的所谓的受剪区,所述受剪区用于在机动车的底盘区域中的加固并且所述受剪区是或具有包括通过热接合或焊接施加的增强元件的金属构造元件。
再次对所述热接合详细说明,所述热接合也称为塑料材料(或者说纤维缠结塑料材料)到所述接收或传导力的构造元件的金属材料上的焊接。这样的大致材料锁合的连接优选在不使用其他粘合剂或类似物的情况下在使用塑料材料的情况下进行,即将纤维增强塑料的所谓的基质作为尤其是在所述增强纤维和金属构造元件之间的连接剂。不同于在真正的焊接中,在此当然没有进行真正意义上的材料锁合,因为所述金属构造元件的金属基本材料不熔化。在这里更准确地说给出一种在金属构造元件表面和增强元件(更准确地说该增强元件的塑料基质)之间的“微观形锁合”(或在纳米范围内的形锁合)。为此可能需要对金属基体进行一般也称为酸蚀的表面预处理,以及必要时向金属表面上施加增附剂层。这样的层有利地也提供针对例如在碳增强纤维和轻金属合金之间的接触腐蚀的保护。对于所述酸蚀,可以在净化过程之后对金属表面在纳米或微米范围内实施结构化,以便在与增强元件的塑料基质焊接时可以形成微观形锁合。相关的金属构件区段的合适的等离子预处理也是可行的。
此外,除了如以上阐述的通过微观形锁合或在纳米范围中的形锁合形成的近似材料锁合的连接之外,也可以在增强元件和所述金属构造元件之间设置符合常规理解的形锁合、即单纯以眼睛可见的形锁合。这样的形锁合例如可以通过结构化(=突起或凹部)来设置或通过销钉或销或类似物在相应的要增强的构造元件中形成。
对于增强元件而言尤其是使用纤维增强带。所述纤维增强带尤其是具有单向定向的增强纤维。这样的带在相应部位上、即尤其是沿(通过相应构造元件要传输的或要接收的力的)负载路径合适地施加在所述金属构造元件上。通过温度和压力的作用,优选将多个带或这样的带的层彼此相叠并且(就此而言涉及与金属构造元件的表面接触的带或层)将它们与该构造元件连接。在此,所述增强元件尤其是通过包括例如热塑性或热固性基质的、碳纤维增强或玻璃纤维增强或芳族聚酰胺纤维增强或天然纤维增强的塑料形成。(相反,按照本发明增强的构造元件的金属材料例如可以是铝合金或钢)。
由多个不同的(尤其是具有不同纤维的)纤维缠结塑料半成品构成的组合也可用于构成增强元件。此外可以的是,例如在纤维增强塑料层之间设置合适的由未增强的、即未通过纤维增强的材料制成的中间层或通常任何的附加层,在所述中间层或附加层中所述材料例如可以是粘弹性材料。这样的附加层例如可以设置在所述金属构造元件的(金属的)基体和施加的第一纤维缠结塑料层(=FVK层)之间和/或设置在各个FVK层之间或设置在增强元件的表面上。在最后提到的情况中,这样的附加层尤其是可以用于针对外部影响、例如碎石进行保护,而在其他情况中,除了更上面已经提到的避免接触腐蚀之外,即实现电隔离,也可以改善在不同层或材料之间的附着。这样的尤其是弹性的附加层或中间层也可以用于补偿不同材料的不同热膨胀并且尤其是在按照本发明增强的构造元件的声学特性方面引起衰减,但也缓冲机械振荡。
所述通过至少一个带或多个相叠地施加的带形成的增强元件也可以通过缠绕要增强的构造元件而形成,所述带本身包含许多单向增强纤维。带的这样的缠绕可以交叉、即相交地进行,即,这样进行,使得多重相叠设置的单向带的增强纤维多重地交叉。参考金属构造元件的纵向延伸方向,增强纤维可以在它们交替地、即相叠缠绕的情况下例如形成在15°至165°的量级中的角度。例如(相叠的)层序列可以这样构造,使得首先所有增强纤维沿第一方向(例如在15°的情况下)并且此后所有增强纤维沿第二方向(例如在165°的情况下)缠绕;备选地,用于形成编织层的交替改变的纤维取向(例如25°、155°、15°、165°等)也是可能的。当然,片段式组合而成的缠绕或只是局部的缠绕也是可行的,并且通过具有塑料基体的缠绕的增强纤维形成的增强元件的优选厚度处于0.3mm至5mm的量级中。因此,在多重缠绕的带(该带本身例如可以具有0.1mm至0.3mm的范围中的厚度)的情况下,可以因此设置该带的在2和大约15之间个相叠缠绕的层。以上尺寸可以以相同的方式也在如下情况下适用,即,增强元件不通过缠绕所述金属构造元件形成,而是通过涂敷所谓的“带”形成。在此,纤维增强塑料带的多个(例如2至15)带条基本上相叠放置地施加到金属构造元件的要增强的表面区段上,类似于在人类运动医学中已知的然而仅单层的人体运动学方面的带。
本发明此外包括一种用于制造用于车辆的底盘的方法,其中,将至少部分地由纤维增强塑料制成的增强元件在压紧力下焊接在底盘的金属的并且接收或传导力的构造元件上,即通过热接合施加。优选所述增强元件由纤维增强带的多个相叠施加的层形成,其中,所述带的宽度可以处于50毫米的量级中并且压紧力在每平方厘米500至1500牛的量级中运动。在此获得用于实施所述方法的不同可能性:按照第一可能性,带与润湿的热固性基质(塑料基质)一起被涂敷。在第二方案中,使用热塑性基质。所述带在此具有预浸渍纤维。在涂敷带之前和/或期间和/或之后,将带加热,从而使热塑性基质熔化。代替预浸渍的带也可以使用包括混合纱线的带。这些混合纱线具有包括热塑性塑料的增强纤维。此外在此,将带在涂敷之前、期间和/或之后加热,从而使各个纱线的热塑性塑料熔化。在所有方案中,塑料基质在某一时候硬化并且由此将增强纤维彼此连接并且同时建立(在施加在金属构造元件上的情况下)增强元件和待增强的金属构造元件之间的连接。另外,对于防腐蚀保护,增强元件随后可以尤其是与金属构造元件的邻接在其边缘上的材料一起被以塑料材料注塑包封。
再次换句话说,当前提出,将在机动车底盘区域中的金属构造元件以纤维增强的塑料元件增强,所述纤维增强的塑料元件尤其是通过纤维增强塑料带形成。所述带也称为狭带。所述带是具有连续纤维增强的复合体塑料,所述连续纤维增强在制造过程期间为了后续能力或所谓的标准构件扩展而施加,在所述标准构件扩展的范围内,标准构件-构造元件的使用范围可以进一步扩展。
在所述制造方法中,按照第一方法使用狭带放置方法(纤维铺放),在狭带放置方法中,预浸渍的单向带在温度和压力的作用下直接施加到要增强的金属构造元件的表面上。按照第二方法,进行所述金属型材构件和所述增强(尤其是纤维铺放或包括热成形的纤维成形等)的分开制作以及进行与所述金属构造元件通过热直接接合和/或粘接和/或类似方法的随后连接。狭带或增强元件在金属构造元件上的保持始终通过金属和塑料之间的附着(通过已经多次提到的微观形锁合)必要时也在对金属进行预处理或在附加的可见形锁合的情况下取得。
增强元件可以用于增强专门的负载路径,以及用于在纤维方向的适合取向的情况下大面积增强表面。优选由塑料制成的所述狭带例如为了防腐蚀保护或为了集成附加功能(例如保持功能)而可包覆成型。通过施加增强元件,尤其是通过施加热塑性的单向带,除了刚度之外也能够通过塑料的缓冲特性和(具有增强元件的)所述构造元件的局部动态刚度改变而针对性地调节声学特性。由此,底盘部件能够简单地改变,即与不同车辆类型适配。因此构件可以通过借助增强元件的个性化增强而适配于确定的车辆型号或机动化变型或各地车型,亦或在可能的改变时是能胜任的。因此例如可以在标准构件系统中将各部件统一化并且随后作为协同件通过使用增强元件来适配于相应车辆型号。所述增强元件能够实现,多种设计车辆对于一种标准构件而言较小确定尺寸地使用并且将对于其他派生品而言缺少的功能、例如刚度改变为较高。通过可适配性可以利用唯一的金属基本部件(作为所述构造元件)覆盖多种派生品。
通过减少需要的生产变型,减少了用于模具和机器的费用以及物流的花费。通过使用增强元件,能够较好地将底盘部件适配于相应的要求。这样可以通过纤维的各向异性的针对性使用基于沿纤维方向的高机械特性针对性地支撑负载路径。借此可以进一步优化构件重量并且避免材料盈余。此外,施加的带的使用允许底盘部件简单适配于任何变化。因此可以将制造过程简单地适配于预定的变化或适配于其他构件,而不会产生用于对模具适配进行改装的高费用。
附图说明
本发明的其他细节、特征和优点由后续的说明和附图得出。其中:
图1示出按照一种实施例的本发明底盘的后桥支架;
图2示出另一个本发明后桥支架的仰视图和俯视图;
图3示出本发明底盘的前桥支架;
图4示出本发明底盘的三角形横向导杆;
图5示出本发明底盘的两点式导杆;
图6示出本发明底盘的枢转支承件的两个视图;
图7示出按照本发明构造的减振器。
具体实施方式
接着借助图1至7说明机动车底盘1的不同部件,这些部件分别具有金属的构造元件或者是金属的构造元件,所述构造元件以按照本发明的方式通过由纤维增强塑料制成的并且通过热接合施加到金属构造元件表面上的增强元件5机械增强。
图1示出底盘1的车桥支架2、更准确地说是后桥支架。按照图1,车桥支架2具有两个纵梁3和两个横梁4,所述两个横梁将两个纵梁3相互连接。在车桥支架2上存在至少四个车身连接点6。通过所述车身连接点6,车桥支架2与机动车的未示出的车身连接。
在纵梁3侧向上构成车轮连接点7。在所述车轮连接点7上将用于连接车轮的构件、例如图4中的横向导杆8紧固。这些用于连接车轮的构件将未示出的并且通常可旋转地支撑在轮架上的车辆车轮在一定程度上与车桥支架2或车辆车身连接。
车桥支架2由金属、例如铝或钢制成。为了局部的加固以及必要时为了调整声学特性,在示出的实施例中,在横梁4和纵梁3上安装有多个按照本发明的增强元件5。这些增强元件5分别是由以塑料浸渍的单向增强纤维制成的带。通过温度和压力的作用,带的塑料基质已相应熔化,其中,同时也产生与相应金属构造元件、即纵梁3或横梁4的足够牢靠的连接(按照微观形锁合或纳米范围中的形锁合的方式)。
图2以两个视图同样示出车桥支架2(后桥支架),其包括短的增强元件5,用于在纵梁3和/或横梁4上实现局部加固。在后桥支架上,增强元件5也用于改善声学特性,尤其是在机动车的紧固在后桥支架上的后桥传动装置的激励传输方面。
图3示出作为前桥支架的车桥支架2的构成。如在后桥支架中那样,在前桥支架中纵梁3和横梁4也可以利用按照本发明的增强元件5来局部加固。在前桥支架上,增强元件5尤其是用于改变机动车的机械特性(如刚度或强度)、声学传输特性或碰撞特性。
图4至7示出用于连接车轮的构件的示例,所述构件是三角形横向导杆8(图4)、例如可用作纵向导杆的两点式导杆12(图5)、枢转支承件13(图6)和减振器14(图7)。这些构件或者说构造元件8、12、13、14由金属材料制成并且利用由纤维增强塑料制成的按照本发明的增强元件5增强。在减振器14中,该减振器的减振器管利用增强元件5在外侧缠绕。
在导杆8、12和枢转支承件13上,增强元件5尤其是用于改变机械特性、例如刚度、强度和失效载荷。在减振器14上,增强元件5尤其是用于提高破裂压力,所述破裂压力例如对于车辆的障碍跨越是决定性的。
底盘1的增强的型材构件3、4、8、12、13、14分别具有纵向方向11。增强元件5并且因此还有其单向纤维平行或倾斜于纵向方向11设置。因此在减振器14的减振器管上以及或者在车桥支架2上的在纵梁3和横梁4之间的过渡上设置倾斜的布置结构,其中,所述倾斜关于(相应的)管的周向处于+/-(0°至45°)、优选25°至65°的量级。在各图中必要时在位置上标绘构造元件直径9和增强元件5的带宽10。优选的是,带宽10是构件直径9的最多50%。

Claims (12)

1.机动车的底盘,包括至少一个由金属材料制成的并且接收或传导力的构造元件,至少一个由纤维增强塑料制成的增强元件(5)通过热接合施加到所述构造元件的表面上,在所述构造元件的不熔化的金属材料与所述增强元件(5)之间形成微观形锁合,其中,金属材料表面借助酸蚀和/或等离子预处理在纳米或微米范围内实施结构化,以便在与所述增强元件的塑料基质接合时能形成所述微观形锁合,其中,所述接收或传导力的构造元件设置用于,以相同的几何尺寸安装于在其重量和/或其驱动功率方面不同的机动车类型上,其中,在使用于具有较高重量和/或较高驱动功率的机动车类型时,增强元件(5)施加到所述构造元件的至少一个形成负载路径的表面区段上,所述增强元件(5)在具有较小重量和/或较小驱动功率的其他机动车类型中要么完全不设置要么以较小的确定尺寸设置。
2.按照权利要求1所述的底盘(1),该底盘具有车桥支架,所述车桥支架包括至少两个纵梁(3)和至少一个连接这两个纵梁的横梁(4),其中,纵梁(3)和/或横梁(4)是包括焊接的增强元件(5)的金属的所述构造元件或者具有包括焊接的增强元件的金属的所述构造元件。
3.按照权利要求1或2所述的底盘(1),该底盘具有至少一个用于连接车轮的构件,该构件用于将车辆的车轮铰接连接到车辆的车桥支架(2)和/或车身上,其中,所述用于连接车轮的构件是包括焊接的增强元件(5)的金属的所述构造元件或具有包括焊接的增强元件的金属的所述构造元件。
4.按照权利要求3所述的底盘(1),其中,所述用于连接车轮的构件是轮架、枢转支承件(13)、纵向导杆(12)、横向导杆(8)、斜拉杆或减振器(14)。
5.按照权利要求1或2所述的底盘(1),该底盘具有不仅与车辆的车桥支架而且与车身连接的受剪区,所述受剪区是包括焊接的增强元件(5)的金属的所述构造元件或者具有包括焊接的增强元件的金属的所述构造元件。
6.按照权利要求1或2所述的底盘(1),其中,增强元件(5)也形锁合地与所述接收或传导力的构造元件连接。
7.按照权利要求1或2所述的底盘(1),其中,增强元件(5)具有连续的单向的纤维增强。
8.按照权利要求1或2所述的底盘(1),其中,增强元件(5)的增强纤维是碳纤维或玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维或天然纤维。
9.按照权利要求1或2所述的底盘(1),其中,增强元件(5)具有至少一个附加层,该附加层由不具有增强纤维的材料制成。
10.用于制造用于车辆的底盘(1)的方法,其中,将至少部分地由纤维增强塑料制成的增强元件(5)在压紧力下焊接在底盘(1)的金属的并且接收或传导力的构造元件上,在所述构造元件的不熔化的金属材料与所述增强元件(5)之间形成微观形锁合,其中,借助酸蚀和/或等离子预处理对金属材料表面在纳米或微米范围内实施结构化,以便在与所述增强元件的塑料基质接合时能形成所述微观形锁合,其中,所述接收或传导力的构造元件设置用于,以相同的几何尺寸安装于在其重量和/或其驱动功率方面不同的机动车类型上,其中,在使用于具有较高重量和/或较高驱动功率的机动车类型时,增强元件(5)施加到所述构造元件的至少一个形成负载路径的表面区段上,所述增强元件(5)在具有较小重量和/或较小驱动功率的其他机动车类型中要么完全不设置要么以较小的确定尺寸设置。
11.按照权利要求10所述的方法,其特征在于,增强元件(5)由多层纤维增强的带形成。
12.按照权利要求11所述的方法,其特征在于,将所述带与润湿的塑料基质一起施加,或者所述带连同基质被塑料预浸渍,和/或所述带具有混合纱线,其中,将所述带在涂敷之前和/或期间和/或之后加热。
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