CN107074052B - 悬架子组件 - Google Patents

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Abstract

一种悬架子组件包括具有控制臂部分和弹簧构件部分的纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合材料上控制臂/弹簧组件。悬架子组件可以调整车辆在转弯期间的侧倾刚度。FRP热塑性复合材料的上控制臂/弹簧组件包括用嵌入并对准排列在组件基体中的纤维增强的热塑性基体材料。

Description

悬架子组件
技术领域
本公开总的涉及板簧，并且具体涉及复合板簧以及制造用于诸如汽车和卡车悬架系统的应用场合的板簧的方法。本公开更具体地涉及悬架子组件。
背景技术
为了提高燃料经济性、增加有效载荷能力并增强汽车、卡车、多用途车辆和休闲车辆的行驶和操纵特性，车辆制造商一直寻求减少车辆的重量。大部分车辆采用钢制板簧作为其悬架系统中的负载承载和能量存储装置。虽然钢制板簧的优点在于它们除了作为能量存储装置的能力之外还可以用作附接的连杆和/或结构构件，但是就每单位质量的能量存储容量而言，它们基本上不如其它类型的弹簧有效。钢制板簧本质来说重、噪音大、易腐蚀。这个重量需要额外考虑安装要求以及阻尼要求。例如，为了在工作条件下控制板簧的质量，钢制板簧往往需要使用减震器。
因此，需要的是可以提供更高的每单位质量能量并且因此更轻的组件构造的替代板簧。而且需要替代的悬架子组件。
发明内容
根据本文所示的方面，提供了复合板簧，其包括用嵌入并对准在复合板簧的基体中的纤维增强的热塑性基体材料。
根据本文的另外方面，提供了悬架子组件，其包括具有控制臂部分和弹簧构件部分的纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合上控制臂/弹簧组件，其中，悬架子组件可以调整车辆在转弯期间的侧倾刚度。
附图说明
图1为根据实施例的具有扁平第二级的混合式复合板簧组件的示意图；
图2为图1的混合式复合板簧的主体级的横截面图；
图3为根据实施例的包括主钢板和扁平复合第二级负载板的复合板簧组件的替代构造的示意图；
图3A为根据实施例的包括主钢板和弯曲形式的复合第二级负载板的复合板弹簧的另一构造的示意图；
图4为根据实施例的包括集成附接小孔的全复合板簧的立体图的示意图；
图5为根据实施例的复合悬架控制臂的局部立体示意图，其中，根据实施例，复合悬架控制臂用作悬架控制臂和弹簧并且以上升比率安装构造示出；
图5A为根据实施例的横向安装的全复合板簧的示意图；
图6为根据实施例的使用复合板簧的另一构造的框架组件中的后悬架悬臂的局部立体图，后悬架悬臂包括作为用于后轴的定位构件的层压件；
图7为根据实施例的使用复合板簧的另一构造的框架组件中的后悬架悬臂的立体图，后悬架悬臂包括作为用于后轴的定位构件的层压件；
图8为根据实施例的使用复合弹簧的另一构造的框架组件中的后悬架悬臂的侧视图，后悬架悬臂包括作为用于后轴的定位构件的层压件；
图9在图9A-9E中示出了五种类型的板簧的侧视图；具体地，图9A示出了标准板簧；图9B示出了根据实施例的小孔安装弹簧；图9C示出了根据实施例的锥形端滑块弹簧；图9D示出了根据实施例的渐进式弹簧；图9E示出了根据实施例的拖车弹簧；
图10为根据实施例的复合板簧的示意图，其包括形成锥形轮廓的堆叠连续层；
图11为根据实施例的复合板簧的示意图，其示出了在诸如图10的层之类的连续层被加热和固结之后获得的锥形弹簧轮廓；
图12为根据实施例的包括缠绕的连续层的复合板簧的示意图；
图13为根据实施例的包括缠绕的连续层、附接小孔和插入件的复合板簧的示意图；
图14为根据实施例的包括连续层、附接小孔和插入件的复合板簧的示意图，并且以层被加热和固结之后所获得的弯曲轮廓示出；
图15为根据实施例的复合板簧的示意图，其示出了在缠绕层被加热和固结之后获得的锥形弹簧轮廓；
图16为根据实施例的包括扁平的纤维增强复合材料第二级的多板簧的立体示意图。应注意，该图示出了作为主板构造的一部分的三个板，然而，可根据需要采用更多或更少的板；
图17为根据实施例的包括弯曲的纤维增强复合材料第二级的多板簧的立体示意图。应注意，该图示出了作为主板构造的一部分的三个板，然而，可根据需要采用更多或更少的板；
图18为根据实施例的复合板簧的立体示意图，复合板簧包括混合板、金属主板和纤维增强热塑性复合材料包层；
图19在图19A和19B处示意性地示出根据实施例的复合板簧，其包括本文所公开的纤维增强聚合物(FRP)热塑性材料，并且具体地以弯曲形式致动的悬臂构造示出；
图20在图20A和20B处示意性地示出根据实施例的浮动悬臂构造；
图21为根据实施例的多连杆复合板组件的示意图；
图22为根据实施例的另一多连杆复合板组件的示意图；
图23为根据实施例的另一多连杆复合板组件的示意图；
图24为根据实施例的完整横向板的示意图；
图25在图25A和25B处示意性地示出了根据实施例的复合板组件构造，其上臂用作悬臂弹簧；
图26示意性地示出了根据实施例的使用卷簧的乘客后悬架子组件构造，其可以通过使用如图27所示的纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合板簧/组件来代替；
图27示意性地示出了根据实施例的包括纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合板簧/组件的后悬架子组件构造；
图28示意性地示出了采用弯曲形式的纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合板簧的另一实施例；
图29示出了显示用于测试本发明的实施例的蠕变应变对时间的曲线图；
图30示出了用于测试本发明的实施例的拉伸强度(psi)的曲线图；
图31示出了用于测试本发明的实施例的杨氏模量的曲线图；
图32示出了用于测试本发明的实施例的拉伸强度(psi)的另一曲线图；
图33示出了用于测试本发明的实施例的杨氏模量的另一曲线图；
图34为示出了用于测试本发明的实施例的压缩强度的曲线图；
图35为示出了用于测试本发明的实施例的抗压模量的曲线图；
图36为示出了用于测试本发明的实施例的压缩强度的另一曲线图；
图37为示出了用于测试本发明的实施例的抗压模量的另一曲线图；
图38为示出了用于测试本发明的实施例的平面内剪切强度的曲线图；
图39为示出了用于测试本发明的实施例的平面内剪切模量的曲线图；
图40为示出了用于测试本发明的实施例的层间剪切强度的曲线图；
图41为示出了根据本发明的实施例的用于样本1的蠕变应变对时间的曲线图；
图42为示出了根据本发明的实施例的用于样本2的蠕变应变对时间的曲线图；
图43为用于测试本发明的实施例的应力对应变的曲线图；
图44示意性地示出了具有纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合材料上控制臂/弹簧组件的悬架子组件的另一实施例；以及
图45为图44的悬架子组件的俯视图。
具体实施方式
本发明人已经确定，本文所公开的由纤维增强聚合物(FRP)材料、特别是纤维增强热塑性材料构成的复合板簧可以提供高得多的每单位质量的能量存储，并因此比例如传统的钢板弹簧提供更轻的组件。此外，本文所公开的纤维增强复合板簧和组件传递比钢板弹簧更小的噪声，并且在工作条件下需要更少的阻尼力来保持控制。
因此，根据实施例，用于制造聚合物复合材料和/或其复合层的聚合物基体包含热塑性基体材料。
嵌入在聚合物基体材料中以形成热塑性复合材料的颗粒或纤维可以包括但不限于嵌入在聚合物基体材料中以形成聚合物复合材料的碳、玻璃、纤维、芳族聚酰胺纤维、前述材料的组合等。除了上述颗粒和纤维之外，铁颗粒也可以掺入本文所公开的复合材料中。这样，形成层的上述层片可以被感应加热，从而使材料层片粘结和/或固化在一起。
根据实施例，纤维增强热塑性复合板簧通常可由热塑性基体材料、高强度增强纤维和其它增强材料的组合构成。热塑性基体材料可包括适合于应用的热塑性质的任何材料或材料的组合，包括但不限于：聚偏二氟乙烯(PVDF)，其可以期望地赋予所得复合材料耐火性；聚酰胺(尼龙)；聚乙烯；聚丙烯；聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚苯硫醚；聚醚醚酮和其它热塑性聚合物及其组合。聚合物基体材料较佳地可利用更高分子量的聚乙烯，诸如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和高密度交联聚乙烯(HDXLPE)，在某些较低性能的应用中，可使用其它聚乙烯，诸如交联聚乙烯(PEX或XLPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)和极低密度聚乙烯(VLDPE)。
通过重量加载的热塑性可以根据产品板的预期用途的物理性能要求而有着广泛变化。以热塑性基体材料加纤维的重量计，复合材料可包含约50至约15wt％的热塑性基体材料，更优选约40至约20wt％，以及最优选约30至约25wt％的热塑性基体材料。
所使用的增强纤维可包括但不限于玻璃纤维(例如E-玻璃和S-玻璃)、芳族聚酰胺纤维(凯夫拉尔(KEVLAR))、碳纤维和其它高强度纤维及其组合。也可以掺入其它纤维，优选与E-玻璃和/或S-玻璃组合，但可选择代替E-玻璃和/或S-玻璃。此类其它纤维包括ECR、A和C玻璃以及其它玻璃纤维；由石英、氧化镁铝硅酸盐、非碱性铝硼硅酸盐、硼硅酸钠、硅酸钠、碱石灰-硅铝酸盐、硅酸铅、非碱性铅硼铝、非碱性钡硼铝、非碱性锌硼铝、非碱性铁铝硅酸盐、硼酸镉，氧化铝纤维、石棉、硼、碳化硅、石墨，以及诸如由聚乙烯、聚乙烯醇、莎纶、芳族聚酰胺、聚酰胺、聚苯并咪唑、聚恶二唑、聚苯撑、PPR、石油和煤沥青(各向同性)、中间相沥青、纤维素和聚丙烯腈、陶瓷纤维的碳化得到的那些碳、例如由钢、铝金属合金等得到的那些金属纤维构成的纤维。
在需要高性能和成本合理的情况下，可使用由芳香族聚酰胺、例如凯夫拉尔形成的高强度有机聚合物纤维。其它优选的高性能单向纤维束通常具有大于7克/旦尼尔的拉伸强度。这些束形高性能纤维更优选可为芳族聚酰胺、延伸链超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚[对亚苯基-2,6-苯并二恶唑](PBO)和聚[二咪唑并亚吡啶(二羟基)亚苯基]中的任一种或其组合。
此外，诸如例如铝、钢和其它含铁和/或有色金属的金属、塑料、环氧树脂、复合材料和/或其它合适材料的材料可被用作增强剂、添加剂或插入物，以在整个弹簧中或者在弹簧的特定区域中均匀赋予特定的机械、尺寸或其它物理特性。
应注意，根据实施例的用于复合板簧的材料的特定合适的组合为用E-玻璃纤维增强的尼龙基体。
以下阐述根据实施例的板簧和组件的各种构造和构形。应注意，关于以下描述和实施例有利的是，板簧和/或组件的任何或所有部件可以由前述纤维增强聚合物(FRP)复合材料和可选的附加增强件及其材料的任何组合制成。
参考图1，根据本发明的第一实施例的混合板簧总的由附图标记10表示。混合板簧10包括具有第一弹性模量的细长的主板12、张力表面14、相对的压缩表面16和安装部18，安装部18被示为但不限于与用于将主板12联接到车辆车架的细长主板12的端部整体形成的安装小孔。细长的主板12由合适的材料、诸如但不限于例如钢是金属构成。另选地，主板12可由金属基体复合材料制成，金属基体复合材料可包括嵌入金属基体中的多种纤维。此外，主板12可由前述的纤维增强聚合物(FRP)复合材料和可选的附加增强件及其材料的任何组合制成。
通常但不限于具有比主板12的材料更低的弹性模量的至少一层复合材料被设置为基本上平行于并结合到主板12的张力表面14和压缩表面16。至少一层复合材料优选由嵌入聚合物基体中的多根基本上平行的纤维构成。如图1所示，第一层复合材料20被粘合到主板12的张力表面14，而第二层复合材料22被粘合到主板12的压缩表面16。
混合板簧10通常通过以下方式制成：将第一层复合材料20和第二层复合材料22粘合到主板12，并将组装好的部件放置在压机中，该压机采用形状与完工混合板簧的所期望的未加载形状相符的受热模具。然后将部件压在一起，并且通过热和压力的组合，形成具有一致的可重复形状的混合板簧。然而，本发明并不受限于这方面，因为可采用相关领域的技术人员已知的其它制造技术，诸如模塑。
根据实施例，采用夹紧装置24将板簧10以三点构型联接到车辆的车轴26。在所示的实施例中，夹紧装置24包括围绕车轴26延伸的一对U形螺栓28，其中板簧10被接纳在U形螺栓之间。限定用于接纳U形螺栓28的端部34的两对孔32的锁定板30邻近第二层复合材料22定位，并且紧固件36与U形螺栓的端部以螺纹方式接合，以用于将U形螺栓和板簧10可释放地夹紧到车轴26上。此外，在第二层复合材料22和锁定板30之间插入用于增强板簧10在最高应力区中的承载能力的负载板38。负载板38可以被粘合到第二层复合材料22，或者其可以通过夹紧装置24保持与第二层复合材料接触。负载板38可为弯曲的或扁平的，并且可在横截面上变化或不变化，并且例如由金属和/或复合材料构成。
为了沿车轴26正确地定位板簧10，根据实施例，定位器40与车轴26接合，并且在图1的所示实施例中，定位器40延伸穿过板簧10、负载板38和锁定板30并进入车轴26，从而相对于车轴26固定板簧10的位置。定位器40可采用各种形式，并且在所示实施例中为销；然而，也可以使用螺栓等，而不脱离本发明的范围。
有利地，本发明人在此确定，图1的板簧10的一个或所有部件可以由前述的纤维增强聚合物(FRP)材料制成。
如图2所示，为了增加粘合强度，粘合层42被插置在主板12与第一复合材料层20和第二复合材料层22中的每一个之间，第一复合材料层20和第二复合材料层22中的每一个包括设置在粘合层42内的用虚线示意性地表示的片材增强层44。每个粘合层42优选为热固性环氧树脂粘合剂，但是在不脱离本发明的范围的情况下也可为其它类型的粘合剂。例如，粘合剂可为传统的一种或两种液体结构粘合剂，诸如环氧树脂，或者可为聚氨酯和热塑性塑料。
图3中示出了另一实施例，其中先前描述的元件具有相同的附图标记。在该实施例中，根据实施例，主板例如为没有复合层的常规主钢板，以及第二级负载板138为扁平纤维增强聚合物(FRP)复合结构，并且提供用于增强板簧10在最高应力区中的承载能力。图3A示出了类似的板簧组件，其中，第二级板140为本发明的弯曲FRP复合结构，提供了增强的主板簧的次级支撑，其具有减少的重量和定制的次级弹簧特性，这在某些重载应用场合中是有利的。
图4示出了本发明的实施例，其包括由上述本发明的纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合材料制成的板簧112，板簧112在每端具有用于附接到车辆底盘的圆形小孔118。小孔118可例如为模制和锚固在复合本体116中的钢或其它金属插入件，或者它们可为特别设计的复合结构，其具有在复合结构中形成小孔的缠绕的连续高强度纤维，诸如包括本文所公开的FRP热塑性复合材料。弹簧还具有安装区114，安装区114通常在圆形小孔118之间的中点处或附近，圆形小孔118被设计成经由夹紧机构并且使用或不使用套筒附接到车辆的车轴。
作为对图4的所示圆形小孔118的替代，可以采用连杆来固定该结构。此外，可以在板112的一端上采用一个小孔118，而板112的另一端包括扁平构造而不是第二小孔118。
仅仅通过说明的方式，板簧112可以用于替换如图1所示的构形中的主板簧12，由此，有可能通过改变加强类型和针对给定应用来选择层构形，来提供重量节省和可定制的弹簧特性。它也可以仅用作在应用中不需要第二级补充支撑的单级板簧。此类应用可包括轻拖车应用等。
因此，根据本文的实施例的复合板簧可利用如图4所示的单板设计或诸如例如图1、图3和图3A所示的板簧组件的多级板设计。
根据实施例，其它部件可被用作悬架的结构和/或定位构件，并且板簧仅可以用作例如能量存储装置，在此情况下，板簧可以或可以不在弹簧的端部采用安装小孔。
在一些构形中，诸如图5和图5A所示，本发明的实施例可采用复合控制臂500，其在图5中以上升比率安装构形示出。复合结构在控制臂中具有用于附接到悬架的无弹簧部分的安装孔502。如图5A所示，其可横向地安装在车辆(未示出)中，使得板簧的纵向轴线垂直于车辆的前后中心线安装。复合结构可在用于附接到悬架的无弹簧(例如，无载荷、无车辆重量)部分的控制臂中具有安装孔502。板簧504的中心被附接到底盘510，并且每个端部作为悬臂弹簧独立有效地作用在例如车辆的悬架上，每个端部通常直接或经由连杆连接到用于控制车辆上的各个车轮和轮胎组件512的动作的结构构件。在该实施例中，除了作为能量存储装置之外，弹簧也可用作悬架的结构或定位构件。另选地，实施例可利用圆形小孔(未示出)，其可以在板簧的一端或两端一体地模制到复合结构中，以作为悬架的接合部。图5所示的实施例具有用于安装到悬架的无弹簧部分的端部的安装孔502。应注意，图5和图5A的实施例中示出的任何或所有部件可以有利地包括前述的纤维增强聚合物(FRP)复合材料和增强件，这用于获得高强度、轻重量的结构和/或部件。
在图6、图7和图8所示的附加构形中，根据实施例的复合板簧600可被用在后悬架悬臂框架组件中，其中，组件的一端601被约束在底盘610、710、810中，并且另一端602、702、802以能量存储容量作用于悬架。图6的复合板簧600被示为多级板簧。图7和8的复合板簧700和800分别被示为用作更轻重量应用的单级板簧。还应注意，实施例也可使用本文所公开的复合板簧作为定位或结构装置，并且可不必在板簧的任一端采用圆形小孔，如图6、图7和图8所示，其中，端部被固定到车轴612、712、812。
图9示出五种类型/构形的板簧的正视立体图，其可以包括上述纤维增强聚合物(FRP)复合板簧部件/组合物和本文所公开的本发明的实施例的用于任何或所有板簧部件的可选附加增强件及其任何组合。
通过说明的方式，在图9A中最初示出了标准弹簧902，其中，根据实施例，图9A的任何或所有部件可以有利地包括本文所公开的FRP热塑性复合材料组合物和可选的增强件。
图9B示出了根据实施例的小孔安装弹簧904，其具有柔性的中心安装件，其中，其任何或所有部件包括纤维增强热塑性复合元件。
图9C示出了根据实施例的锥形端部滑动弹簧906，其没有小孔附接件，并且类似地具有用于其任何一个或所有部件的纤维增强热塑性复合元件。
根据实施例，图9D的渐进弹簧908类似于上文关于图1、图3和图3A所述的弹簧，并且也包括用于其任何或所有部件的纤维增强热塑性复合元件。
根据实施例，在图9E中示出了重载拖车弹簧910，其类似地可以具有如本文所述作为其纤维增强热塑性复合结构元件的任何或所有板部件。
现在参考图10-18，其中示出的是根据实施例的复合板簧的各种构形。如在本文先前描述的实施例的情况下，图10-18中的每一个的一些或全部部件有利地包括具有可选的加强件的前述纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合材料。例如，图10为根据实施例的复合板簧200的示意图，其包括形成锥形轮廓的堆叠连续层210。应注意，尽管图10的实施例被示为没有例如圆形小孔，但是此类特征可以被包含在其中。这对于本文公开的没有特别示出圆形小孔特征的其它实施例也是如此。此外，还应注意，本文所公开的各种实施例的分层或堆叠也可以用包括本文所公开的FRP热塑性材料的复合板替代，并且与机械紧固件联接以例如将初级板固定到第二级板等等。
图11为根据实施例的复合板簧220的示意图，其示出了在诸如图10的层210之类的连续层被加热和固结之后获得的锥形弹簧轮廓。
图12为根据实施例的包括缠绕而成的连续层240的复合板簧230的示意图。应注意，本实施例可以被用作包括上述FRP热塑性材料的预成型件，然后将预成型件加热并固结成所需的最终形式。
图13为根据实施例的包括缠绕而成的连续层240、附接小孔118和插入件260的复合板簧250的示意图。如在本文所公开的其它各种实施例的情况下，所示的复合板簧的所有或一些部件可以包括前述FRP热塑性材料。根据实施例，此处所示的弯曲插入件260也可以采用其它期望的形状，诸如扁平等，并且也可以由诸如钢的金属制成。图13的结构也可以用作预成型件，该预成型件随后被加热和固结以实现例如图14所示的结构270。
图14为根据实施例的复合板簧270的示意图，其包括加热和固结的连续层、附接小孔118和插入件260，并且以各层被加热和固结之后获得的弯曲轮廓示出。应注意，为了例如减少使用用于结构的材料，根据实施例，所示的插入件260可以另选为打开的隔件。
图15为根据实施例的复合板簧280的示意图，其示出了在缠绕层被加热和固结之后所获得的锥形弹簧轮廓。应注意，本实施例以及本文所公开的其它实施例可以被用作多级板构造的第二和第三级。
图16为根据实施例的包括扁平的纤维增强复合材料第二级300的多板簧290的立体示意图。应注意，该图示出了作为主板构造的一部分的三个板310，然而，可根据需要采用更多或更少的板；
图17为根据实施例的包括弯曲的纤维增强复合材料第二级的多板簧320的立体示意图。应注意，该图示出了作为主板构造的一部分的三个板310，然而，可根据需要采用更多或更少的板；
图18为根据实施例的复合板簧330的立体示意图，其包括混合板，该混合板包括例如具有本文公开为包层350的纤维增强热塑性复合材料的金属主板340。
本发明人进一步确定了如何有效地使用本文公开的纤维增强聚合物(FRP)热塑性材料以各种构造来控制在加载下的结构的形状(例如，曲率)。例如，可利用径向形式，从而提供渐进比率的增加。可以在结构的两端处采用具有附加连杆的相对联轴器来提供所期望的弯曲。此外，可以使用例如附加机械加工以恒定的应力分布来制造该结构。作为进一步说明，图19A和19B示出了根据实施例的复合板簧360，其包括本文所公开的纤维增强聚合物(FRP)热塑性材料，并且特别地以悬臂弯曲形式示出。应注意，弯曲形式可以控制应力水平并提供比率渐进。
图20示出了在图20A和20B中的根据实施例的浮动悬臂构造370，其中，悬臂通过施加到一端的联轴器来加载。附加的连杆可被用于将相对的联轴器施加到钩环端部，从而引起纯弯曲载荷。
图21示出了多连杆复合板组件380，其中，连杆用于控制几何形状。在该实施例中，悬臂弹簧385由连杆直接致动。
类似地，图22示出了另一多连杆复合板组件390，其中，连杆用于控制几何形状。具体地，悬臂弹簧385经由钩环组件致动，从而允许调整比率渐进。
图23示出了也采用连杆以控制几何形状的另一多连杆复合板组件400。在该实施例中，悬臂弹簧385处于由连杆致动的静止的弯曲形式。
图24示出了根据实施例的呈完全横向板和钩环构形的纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合板410。
图25在图25A和25B处示出根据实施例的复合板组件420，其中，其上臂430用作悬臂弹簧。
在图26中，示出了根据实施例的包括纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合板簧/组件的乘客后悬架子组件构造440，以及在图27中，示出了根据实施例的也包括纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合板簧/组件的后悬架子组件构造450，并且所述后悬架子组件构造可以用作现有底盘的直接替代物。在图27所示的实施例中，左侧被示为直接作用，以及右侧被示为钩环构形。
纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合片状弹簧460的另一实施例在图28中以弯曲形式示出，其在每端处具有圆形小孔118并包括金属，例如具有应力轮廓的FRP次级板480的主钢板470。此构形可以为例如轻型卡车底盘提供重量减轻的构造并且可以通过螺栓直接连接到卡车底盘。
根据实施例，用于例如轻卡应用的螺栓连接的另一替代方案可以包括将复合板/组件直接焊接和制造在框架上以适应悬架设计。
关于制造方法，应注意，根据实施例的复合板簧、组件等可以在热和/或压力的存在下，通常在给予完工的组件最终形状的模具或其它装置中，通过将包括增强纤维的前述纤维增强聚合物(FRP)热塑性材料和其它合适的材料组合在一起来制造。加热和固结通常可以在例如约400°F和约600°F之间、包括约450°F和约550°F之间，并且在例如约25psi和约100psig之间、包括约50psi的压力下进行。应注意，根据实施例，在制造该构造中所采用的压力显著小于在热固性聚合物制品的制造中所需的压力。相比之下，此类热固性材料、诸如环氧树脂材料可能需要约300psi以用于此构造。因此，由于本文所公开的实施例的优点在于可在构造中采用减小的压力，从而产生整个制造过程的改进的成本和效率。
此外，本文所公开的实施例的另一优点在于，在例如加热和固结过程期间，纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合板簧/组件的纤维在聚合物热塑性材料流动期间通过液压作用而对准。此类对准在例如纤维在受力情况下时提供增加的强度，并因此也提供增加的压缩强度。另外应注意到，由于热塑性材料流动和其液压作用，纤维可以有利地保持这种对准，本发明人已经确定其不会与其它聚合物材料诸如热固性材料发生作用。
最终强度和刚度以及其它所需特性取决于所使用的热塑性材料以及所使用的增强材料和其它材料的类型、尺寸和取向。此外，最终产品的强度和刚度也取决于复合板簧的整体尺寸形状，包括长度、宽度、厚度和横截面积。
在一些实施例中，复合板簧的形状可通过预浸渍(预浸料)增强材料层的堆积而形成。这种堆积的层通常被插入到可施加热和/或压力以固结材料的成形工具或模具中。
板簧的形状也可通过围绕预成形芯或一系列合适材料的芯、或者围绕一系列可移除芯或销来缠绕预浸渍的加强材料而形成，以便形成相对于弹簧的宽度和长度所需的横截面轮廓。该实施例允许容易地包括安装小孔，该安装小孔然后被包裹在增强材料的连续圈层中，从而允许在车辆中使用常规安装系统。此实施例在图4中示出，其中，小孔118可以被并入复合板簧中。然后将该预缠绕组件插入工具或模具中，并根据需要经受热和/或压力。
此外，上述缠绕过程也可伴随着在接触点处或其附近对预浸渍材料的局部加热，其中，每个连续的预浸渍材料层与前一预缠绕材料层在连续过程中接触。该实施例将允许储存预缠绕材料的预成形“坯料”以用于未来的成形和/或进一步的固结，而没有材料变形的风险。
实例
根据本发明的实施例，进行测试以证明纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合板簧/组件的各种机械特性。此类测试条件和结果在下面详细阐述。
应注意，测试的目的是使用静态负载法来确定样本的拉伸蠕变特性。根据实施例，样本包含70wt.％玻璃连续纤维增强聚丙烯基体。所采用的试验方法包括在规定的环境条件下测定塑料的拉伸或压缩蠕变和蠕变断裂。虽然这些试验方法概述了使用三点加载来测量挠曲中的蠕变，但是也可以使用在试验方法D 790中概述的设备和原理来使用四点加载(其使用频率较低)。对于蠕变断裂的测量，张力为优选的应力模式，因为对于一些韧性塑料，在挠曲或压缩中不发生断裂。这里进行的蠕变试验是在实验室空气、室温环境中总计进行24小时。
图29设置了根据实施例的测试数据汇总(蠕变应变)对时间的曲线图，并且下表1A给出了蠕变结果的表格汇总。这些疲劳试验结果的进一步细节也在下面描述。
表1 A-ASTM D 2990蠕变
应力(psi) 61097
负载(lbs) 2751
初始时间(秒) 88
初始应变 0.013034
24小时应变 0.020454
24小时蠕变(∈) 0.007420
因此，进行测试以评估纤维增强热塑性复合材料的机械特性。根据实施例，样本包含70wt.％玻璃连续纤维增强聚丙烯基体。应注意，下面引用的图30-34包括60wt.％玻璃增强聚丙烯的数据。
试验步骤根据美国测试和材料协会(ASTM)标准试验方法来进行。具体地，ASTM试验方法包括ASTM D 3039的纤维树脂复合材料拉伸特性，ASTM D 695的硬质塑料的压缩特性的标准试验方法，ASTM D 5739的通过V形缺口束法的复合材料的剪切特性的标准试验方法，ASTM D 2344的聚合物基体复合材料及其层压材料的短束强度的标准试验方法，ASTM E228的航空航天系列-金属材料-试验方法；使用玻璃质二氧化硅膨胀仪的固体材料的线性热膨胀，ASTM D 2990的塑料的拉伸、压缩和挠曲蠕变和蠕变断裂的标准试验方法，以及ASTM D 3479的聚合物基复合材料的张力-张力疲劳的标准试验方法。通常来说，使用包括一个固定和一个活动构件的试验机进行测试以确定样本在纤维方向、横向方向或剪切中的例如强度、模量、泊松比、热膨胀系数、蠕变和疲劳寿命。
用于进行这些ASTM标准试验方法的测试装置在ASTM标准E 4的“验证试验机的实践(Practices for Lad Verification of Testing Machines)”中描述。所有测试在实验室空气中进行。用于进行这些测试的样本被加工成在每个规范中描述的标称尺寸。使用FM-73粘合剂将由与样本相同的材料制成的接片粘合到样本上。通过具有数字控制器和数据采集的MTS 100kN伺服液压测试架对样本施加负载。使用具有非侵蚀性表面的楔块(以高达2000psi的抓握压力)的液压夹具。使用应变指示器(量规)以及伸长计来确定应变，并且使用MTS负载架来确定相应的负载。伸长计可提供有直到样本失效的应变信息。
这些标准可用于测量和描述材料、产品或组件在受控实验室条件下对机械和热负载的响应。试验的结果可被用作负载能力评估或负载生存性评估的元素，所述评估考虑与特定最终用途的负载能力或负载生存性的评估相关的所有因素。
所有样本的试验基体如表1所示。
表2给出了进行试验的平均特性结果的汇总和每个试验的ASTM标准方法。
表2
进行的试验 ASTM 平均属性
纤维方向拉伸强度 D-3039 40,572psi
纤维方向拉伸模量 D-3039 3,637,626psi
横向抗拉强度 D-3039 551psi
横向拉伸模量 D-3039 508,371psi
泊松比 D-3039 0.14
纤维方向压缩强度 D-695 32,409psi
纤维方向抗压模量 D-695 3,685,869psi
横向压缩强度 D-695 6156psi
横向抗压模量 D-695 135,638psi
平面内剪切强度(IOSEPESCU) D-5379 3580psi
平面内剪切模量(IOSEPESCU) D-5379 147,463psi
层间剪切强度(短束剪切) D-2344 3743psi
纤维方向热膨胀系数 E-228引用 5.4μ∈/F
横向热膨胀系数 E-228引用 35.9μ∈/F
室温环境蠕变 D-2990 24.3μ∈
张力-张力疲劳 D-3479 11750个循环
实例1-ASTM D3039纤维-树脂复合材料的拉伸特性
用于通过定向连续或非连续高模量>20Gpa(>3×106psi)纤维来增强的树脂基体复合材料的拉伸特性的试验结果。试验根据ASTM标准试验方法D 3039来进行。样本的拉伸强度和弹性模量使用包括一个固定构件和一个活动构件的试验机来确定。这可以提供使用以下方程式来确定拉伸强度的手段：S＝P/bd，其中：S＝极限拉伸强度(以MPa或psi为单位)，P＝最大负载(以N或lbf为单位)，b＝宽度(以毫米或英寸为单位)，以及d＝厚度(以毫米或英寸为单位)，使用了下列方程式来计算弹性模量：E＝(ΔP/Δl)(l/bd)，其中：E＝弹性模量(以MPa或psi为单位)，ΔP/Δl＝作为曲线的线性部分内的变形的函数的负载曲线的斜率，l＝测量仪器的量规长度(以毫米或英寸为单位)，b＝宽度(以毫米或英寸为单位)，d＝厚度(以毫米或英寸为单位)。
图30和31分别给出了纤维方向强度和模量的ASTM D 3039试验数据汇总结果的汇总。
下表3给出了样本的进一步试验结果。
表3
样本 强度(psi) 最大应变 模量(psi)
1 48708 0.01359 3634968
2 37053 0.01105 3471866
3 33756 0.00921 3790564
4 46405 0.01342 3818362
5 36938 0.01092 3472370
平均值 40572 0.01164 3637626
标准偏差 6562 0.00185 166469
图32和33分别给出了使用ASTM D 3039试验标准的横向拉伸强度和模量结果。下表4给出了其它样本的试验结果。
表4
样本 强度(psi) 最大应变 模量(psi)
6 596 0.00106 530723
7 362 0.00060 516071
8 963 0.00158 551641
9 523 0.00152 478909
10 313 0.00036 464512
平均值 551 0.00103 508371
标准偏差 257 0.00054 36135
根据实施例，根据ASTM标准试验方法D 3039的纤维-树脂复合材料的拉伸性能，纤维增强的单向热塑性复合材料的平均纤维方向拉伸强度和弹性模量分别被确定为40,572psi和3,637,626psi，并且平均横向拉伸强度和弹性模量分别被确定为551psi和508,371psi。根据实施例，复合材料的泊松比被确定为0.14。
实例2-ASTM D 695硬质塑料的压缩特性的标准试验方法
下面给出的为用于确定由定向连续或非连续高模量纤维增强的树脂基体复合材料的压缩特性的试验结果。
样本的压缩强度和弹性模量使用包括一个固定构件和一个活动构件的试验机来确定。该试验方法涵盖了当以相对低的均匀应变或加载速率进行压缩加载时，确定未增强和增强的刚性塑料(包括高模量复合材料)的机械特性。采用台架形状的试样。对于用定向连续、非连续或交叉增强物增强的树脂基复合材料的压缩性能，可根据ASTM D 3410进行测试。
图34和35分别示出了使用ASTM D 695的纤维方向压缩强度和抗压模量结果。下表5给出了进一步的样本试验结果。
表5
样本 模量(psi) 强度(psi)
1和试验 3574469 395586
2和a 3468934 29288
3和b 3731030 32049
4和c 3787475 30986
5和d 3867438 30134
平均值 3685869 32409
标准偏差 161865 4141
图36和37分别使用ASTM D 695试验标准给出了横向压缩强度和抗压模量结果。下表6给出了其它样本的试验结果。
表6
样本 模量(psi) 强度(psi)
6和e 110161 6199
7和f 129991 6181
8和g 113723 6027
9和h 155372 6322
10和i 168941 6050
平均值 135638 6156
标准偏差 257786 120
根据ASTM标准试验方法D 695，根据实施例的纤维增强的单向热塑性复合材料的平均纤维方向压缩强度和抗压模量分别被确定为32,409psi和3,685,869psi，并且平均横向压缩强度和抗压模量分别被确定为6,156psi和1356,638psi。
实例3-ASTM D 5379通过V形缺口束法的复合材料的剪切特性的试验方法
下面给出的是通过V形缺口束法确定由定向连续或非连续高模量纤维增强的树脂基体复合材料的剪切特性的试验结果。
样本的剪切强度和模量使用包括一个固定构件和一个活动构件的试验机来确定。该试验方法涵盖确定由高模量纤维增强的复合材料的剪切特性。复合材料为采用以下形式的连续纤维或非连续纤维增强复合材料：1)仅由单向纤维层压材料组成的层压体，其中，纤维方向取向平行于或垂直于加载轴；2)仅由编织织物长丝层压材料组成的层压体，其经向方向与加载轴平行或垂直；3)仅由单向纤维层压材料组成的层压体，其包含在平衡和对称堆叠序列中以0和90取向的相等数目的层，其中，0方向平行或垂直于加载轴；4)短纤维增强复合材料，其中，大多数纤维是随机分布的。这种剪切试验概念最初是在不考虑纤维方向用于各向同性材料、比如金属或陶瓷的情况下开发的。
图38和39给出了使用ASTM D 5379的平面内剪切强度和平面内剪切模量。下表7给出了进一步的样本试验结果。
表7
样本 强度(psi) 模量(psi)
1 3594 152596
2 3502 154784
3 3635 152208
4 3588 138318
5 N/A 139407
平均值 3580 147463
标准偏差 56 7922
根据ASTM标准试验方法D-5379，根据实施例的纤维增强的单向热塑性复合材料的平均剪切强度和模量分别被确定为3580psi和147,463。
实例4-ASTM D 2344聚合物基体复合材料及其层压体的短束强度的标准试验方法。
下面给出的为用于通过短束剪切方法确定由定向的连续或非连续高模量纤维增强的树脂基体复合材料的表观层间剪切特性的试验结果。
使用包括一个固定构件和一个活动构件的试验机测定样本的表观层间剪切强度。该试验方法确定高模量纤维增强复合材料的短束强度。样本为由弯曲的或扁平的层合体加工成直到6.00mm(0.25英寸)厚的短束。该束以三点弯曲加载。该试验方法的应用场合为连续或非连续纤维增强的聚合物基体复合材料，其弹性特性是平衡的并且相对于束的纵向轴线是对称的。图40给出了这些层间剪切强度试验结果，下面的表8给出了进一步的样本的试验结果。
表8
根据ASTM标准试验方法D 2344，根据实施例的纤维增强的单向热塑性复合材料的平均表观层间剪切强度为3743psi。
实例5-ASTM E 228航空航天系列-金属材料；使用玻璃质二氧化硅膨胀计的固体材料的线性热膨胀。
下面给出了确定通过定向的连续或非连续高模量纤维增强的树脂基复合材料的线性热膨胀的结果。根据Vishay微测量技术说明TN-513-1(也参考上面提到的ASTM E 228标准号E 228)进行测试。
使用具有数字控制器的烘箱和非膨胀陶瓷参考样本来确定样本的线性热膨胀。下面的表9和10分别给出了所得的纵向热膨胀系数数据和横向热膨胀系数数据。
表9
样本 在71.0F的μ∈ 在130.0F的μ∈ CTE(μ∈/F)
标号 0 -393 0
1 0 -86 5.2
2 0 -67 5.5
3 0 -72 5.4
平均值 5.4
表10
样本 在71.0F的μ∈ 在130.0F的μ∈ CTE(μ∈/F)
标号 0 -393 0
1 0 1677 35.1
2 0 1775 36.7
3 0 1723 35.9
平均值 35.9
根据实施例，根据前述试验，纤维增强的单向热塑性复合材料的平均纤维方向和横向线性热膨胀系数分别被确定为5.4μ∈/F和35.9μ∈/F。
实例6-ASTM D 2990塑料的拉伸、压缩和挠曲蠕变和蠕变断裂的标准试验方法。
下面给出根据ASTM D 2990试验确定拉伸蠕变特性的试验结果。
样本的拉伸蠕变特性使用静态负载法来确定，其涵盖在指定环境条件下确定材料的拉伸或压缩蠕变和蠕变断裂。虽然这些试验方法概述了使用三点加载来测量挠曲中的蠕变，但是也可以使用在试验方法D 790中概述的设备和原理来使用四点加载。对于蠕变断裂的测量，张力为优选的应力模式，因为对于一些韧性塑料来说，在挠曲或压缩中不发生断裂。这里的蠕变试验是在实验室空气、室温环境中总计进行24小时。
图41和42分别给出了样本1和2的蠕变应变对时间的变化。下表11给出了这些样本的进一步试验数据结果。
表11(ASTM D 2990蠕变)
根据ASTM标准试验方法D2990，根据实施例的纤维增强的单向热塑性复合材料的24小时的平均室温拉伸蠕变应力被确定为24.3μ∈。
实例7-ASTM D 3479聚合物基体复合材料的张力-张力疲劳的标准试验方法。
下面给出了用于确定聚合物基体复合材料的张力-张力疲劳的试验结果。根据ASTM D 3479进行试验，其中，采用包括一个固定构件和一个活动构件的试验机。该试验方法确定经受拉伸循环加载的聚合物基体复合材料的疲劳行为。所试验的复合材料为采用连续纤维或非连续纤维增强复合材料的形式，其弹性特性相对于测试方向是指定正交各向异性的。该试验方法用于经受恒幅单轴面内加载的无缺口试验样本，其中，加载根据试验控制参数来定义。该试验方法使用两个过程，其中，每个过程定义不同的试验控制参数：过程1：一种系统，其中，试验控制参数为负载(应力)并且机器被控制以使得试样经受重复的恒幅负载循环。在该过程中，试验控制参数可被描述为使用工程应力或所施加的作为恒幅疲劳变量的负载；过程2：一种系统，其中，试验控制参数为在加载方向上的应变，并且机器被控制以使样本经受重复的恒幅应变循环。在该过程中，试验控制参数可被描述为使用加载方向上的工程应变来作为恒幅疲劳变量。
图43给出了示出前述试验的结果的应力应变图。下表12和13给出了进一步的试验结果和参数。
表12
P<sub>峰</sub>(lbs) 1758
P<sub>谷</sub>(lbs) 176
直到失效时的循环数 11750
表13
循环 模量(psi)
0 3977405
505 4037072
1010 4030765
2018 4024557
3036 4014639
4003 4004418
5010 3968809
6019 3908714
7027 3776901
8004 N/A
9012 N/A
10019 N/A
鉴于上述试验，根据实施例的纤维增强热塑性复合材料非常良好地将负载传递给强纤维，并且由于负载等于失效应力的80％，在纵向方向上实际上没有蠕变(小于30微应变)。另外，在24小时结束时的应变几乎是恒定的，因此在超过24小时的加载时，预计不会进一步蠕变。结果显示，在纵向和横向上试验的3个样本有非常可重复的CTE。在疲劳中，这种材料再次表现出对纤维的大的负载传递。在直到失效时的整个循环数中仅有最小的模量损失。失效发生在几乎12000次循环。对于该纤维增强热塑性复合材料，根据实施例，所进行的纵向和横向强度和模量试验连同蠕变和疲劳一致地显示出实现了向强连续纤维的大量负载转移。因此，这些测试的结果可以使用简单模型(Tsai-Hill、Tsai-Wu、混合规则等)预测该材料的强度和模量作为纤维体积分数的函数，假设层压体的质量与试验样本一致。
进一步试验/实例
还应注意，还进行了本发明的实施例的另外成功试验。例如，根据实施例，测试了纤维增强尼龙坯料(其3个样本)在85％挠曲强度下完成超过150万次循环。平均负载损耗为3％，无失效。
图44中示出了本发明的又一实施例。例如，图44示意性地示出了根据实施例的利用纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合材料的上控制臂/弹簧组件510的用作控制臂520和用作弹簧构件530的悬架子组件500的立体图，根据实施例，悬架子组件500可以用于调整车辆在转弯期间的侧倾刚度。图45示意性地示出了利用纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合材料的上控制臂/弹簧组件510的用作控制臂520和弹簧构件530的悬架子组件500的俯视图。在一些实施例中，类似于抗侧倾杆或稳定杆，纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合材料可同时用作悬架控制臂520和用作弹簧构件530以减少转弯期间的车身侧倾。在满足以减小车身侧倾的能力中的至少感知特征与FRP控制臂520的柔性性质和组件510的支撑结构相关。如图44和45所示，悬架子组件500包括连杆540，其通过中心枢转机构560联接控制臂枢轴550，以使得悬架的两侧可自由移动，例如同时垂直向上和向下运动。在一侧独立于另一侧运动的情况下，例如在车辆转弯时，连杆540抵抗控制臂520的枢转动作，从而导致控制臂520弯曲。因此，可通过改变FRP控制臂520的刚度来调节悬架子组件500的侧倾阻力。此外，侧倾刚度也可通过利用具有可调节刚度的中心枢转机构560来调节。例如，刚度可通过用一个不同的刚度来更换枢转机构材料或通过使用可直接或远程调节的可变刚度枢转机构来调节。
因此，根据实施例，提供了悬架子组件，其包括具有控制臂部分和弹簧构件部分的纤维增强聚合物(FRP)热塑性复合上控制臂/弹簧组件，其中，悬架子组件可以调整车辆在转弯期间的侧倾刚度。FRP热塑性复合材料可包括用嵌入并排列在控制臂/弹簧组件的基体中的纤维增强的热塑性基体材料。弹簧构件部分可包括至少两个控制臂枢轴；并且悬架子组件可包括连杆和中心枢转机构，联接至少两个控制臂的连杆通过中心枢转机构枢转，并且连杆被构造成抵抗至少两个控制臂的枢转动作，从而致使至少两个控制臂在转弯期间弯曲。中心控制机构可具有可调节的刚度。
还根据实施例，悬架子组件的热塑性基体可包括玻璃纤维增强的聚丙烯基体，并且FRP热塑性复合材料被构造成根据ASTM标准试验方法D 695实现至少32,000psi的纤维方向抗压强度；和/或FRP热塑性复合材料被构造成根据ASTM D2990蠕变试验实现至少2,750磅的负载和至少61,000psi的应力；和/或FRP热塑性复合材料被构造成根据ASTM标准试验方法D-5379实现至少3500psi的剪切强度；和/或FRP热塑性复合材料被构造成根据ASTM标准试验方法D 2344实现至少3700psi的层间剪切强度。
尽管已经相对于本发明的详细实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并且可用等同物代替其元件，本文所述的实施例及其元件可以被用在彼此的任何组合中。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不旨在局限于以上详细描述中所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (6)

1.一种悬架子组件，包括：
具有控制臂部分和弹簧构件部分的纤维增强聚合物热塑性复合材料制成的上控制臂/弹簧组件，所述控制臂部分包括至少两个控制臂，所述弹簧构件部分包括至少两个控制臂枢轴，其中，所述悬架子组件能够调整车辆在转弯期间的侧倾刚度；
其中，所述纤维增强聚合物热塑性复合材料包括用嵌入并对准排列在所述控制臂/弹簧组件的基体中的纤维增强的热塑性基体材料；并且包括连杆和中心枢转机构，联接所述至少两个控制臂枢轴的所述连杆通过所述中心枢转机构枢转，并且所述连杆被构造成抵抗所述至少两个控制臂的枢转动作，其使得所述至少两个控制臂在转弯期间弯曲。
2.根据权利要求1所述的悬架子组件，其特征在于，所述中心枢转机构具有可调节的刚度。
3.根据权利要求1所述的悬架子组件，其特征在于，所述热塑性基体材料包括玻璃纤维增强的聚丙烯基体，并且所述纤维增强聚合物热塑性复合材料被构造成根据ASTM标准试验方法D 695实现至少32,000psi的纤维方向抗压强度。
4.根据权利要求3所述的悬架子组件，其特征在于，所述纤维增强聚合物热塑性复合材料被构造成根据ASTM D2990蠕变试验实现至少2750磅的负载和至少61,000psi的应力。
5.根据权利要求3所述的悬架子组件，其特征在于，所述纤维增强聚合物热塑性复合材料被构造成根据ASTM标准试验方法D-5379实现至少3500psi的剪切强度。
6.根据权利要求3所述的悬架子组件，其特征在于，所述纤维增强聚合物热塑性复合材料被构造成根据ASTM标准试验方法D 2344实现至少3700psi的层间剪切强度。
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