CN107255130B - 复合盘簧 - Google Patents

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Abstract

一种复合盘簧(20)，其包括沿着盘旋轴线(24)延伸的簧丝体(2)。簧丝体包括芯部(38)以及浸渍有聚合物材料的多个纤维层(32)。多个纤维层在距离盘旋轴线不同径向距离的位置处围绕芯部地布置。多个纤维层中的每一个相对于盘旋轴线呈倾斜纤维角并且围绕盘旋轴线延伸。所述多个纤维层中的每一个包括一定数量的纤维，所述数量是共同纤维基数乘以选自一组非零正整数中的一个非零正整数的乘积。所述多个纤维层中的至少一个的非零正整数与所述多个纤维层的至少另一个的非零正整数不同。

Description

复合盘簧
本申请是名称为“复合盘簧”、国际申请日为2012年8月17日、国际申请号为PCT/US2012/051318、国家申请号为201280074995.5的发明专利申请的分案申请。
相关申请
本申请要求享有于2012年7月18日提交的美国序列号No.13/551,977的优先权。
技术领域
本公开涉及一种可以用在车辆悬架系统中的复合盘簧。
背景技术
盘簧是已知的并且用在多种不同的应用(例如，车辆悬架系统)中。典型的盘簧由钢材制成以提供这类应用所需的期望机械性能和耐用性。作为替代方案，出于重量节省目的，期望用复合盘簧替代钢盘簧。然而，尽管复合盘簧可能是已知的并且可用在一些应用中，但是通常难以设计具有期望的机械性能以用于给定应用的复合盘簧，其次还难以经济地制造该复合盘簧。
发明内容
复合盘簧包括沿着盘旋轴线延伸的簧丝体。簧丝体包括芯部以及浸渍有聚合物材料的多个纤维层。所述多个纤维层在距离盘旋轴线不同径向距离的位置处围绕芯部地布置。所述多个纤维层中的每一个相对于盘旋轴线呈倾斜纤维角地围绕盘旋轴线延伸。多个纤维层中的每一个均包括一定数量的纤维，所述数量是共同纤维基数乘以选自一组非零正整数中的一个非零正整数的乘积。多个纤维层中的至少一个的非零正整数与多个纤维层中的至少另一个的非零正整数不同。
在另一方面中，复合盘簧包括沿着盘旋轴线延伸的簧丝体。簧丝体包括浸渍有聚合物材料的多个纤维层以及含纤维的芯部。多个纤维层在距离盘旋轴线不同径向距离的位置处围绕含纤维的芯部地布置。多个纤维层中的每一个相对于盘旋轴线呈倾斜角地围绕盘旋轴线延伸。多个纤维层的每一个以及含纤维的芯部包括一定数量的纤维，所述数量是共同纤维基数乘以选自一组非零正整数中的一个非零正整数的乘积。多个纤维层中的至少一个的非零正整数与含纤维的芯部的非零正整数不同。
在又一方面中，制备复合盘簧的方法包括形成如前所述的簧丝体。
附图说明
根据以下详细描述，对于本领域中的技术人员而言本公开的各种特征和优点将变得显而易见。能够如下简单地描述随附于详细说明书之后的附图。
图1示出了复合盘簧。
图2示出了垂直于图1的盘簧的盘旋轴线获取的盘簧横截面。
图3示出了图1的复合盘簧的纤维层的一部分。
图4示出了图1的复合盘簧的纤维层的交替纤维定向。
图5示出了用于复合盘簧的示例性含纤维的芯部。
图6示出了用于复合盘簧的示例性实心芯部。
图7示出了用于复合盘簧的示例性中空管芯部。
图8示出了用于复合盘簧的示例性被填充管芯部。
具体实施方式
图1示出了示例性复合盘簧20，所述复合盘簧可以用在例如车辆的悬挂系统中。然而，应当理解的是复合盘簧20不局限于这类用途。复合盘簧20可以是螺旋状的或者替代性地具有不同的簧丝形状。在本公开中，“簧丝”或其变型指的是围绕固定的线性轴线(例如，图1中的轴线A)连续弯曲的簧丝体。正如将理解的，复合盘簧20是强力型的并且轻质的因而提供了重量降低以代替车辆或其它应用中的金属盘簧，这能够提高燃油里程。
复合盘簧20包括簧丝体22，所述簧丝体沿着盘旋轴线24在终端26/28之间延伸。另外还参考图2中所示的簧丝体22的横截面以及图3中所示的复合盘簧20的一部分，簧丝体22包括聚合物材料30和浸渍有聚合物材料30的多个纤维层32。例如，聚合物材料30能够是环氧树脂或聚酯。替代地，聚合物材料能够是不同于环氧树脂或聚酯的有机聚合物复合物。各“层”围绕整个层周缘具有均匀的径向厚度。
每个纤维层32均包括多根纤维34，所述多根纤维相对于盘旋轴线24呈倾斜纤维角α(alpha)地布置。例如，纤维34是或者包括金属纤维、陶瓷纤维、有机纤维或其组合。在其它实例中，纤维34是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或其组合。出于描述目的，在图2中未示出纤维层32的纤维34。
每个纤维层32中的纤维34以选择性的倾斜纤维角α围绕盘旋轴线24地延伸。在一个示例中，倾斜纤维角α是+/-20-54°以提供具有高强度的簧丝体22。纤维层32可以交替纤维定向，从而使得在沿着盘旋轴线24的每个位置处所述纤维层32中的任一纤维的倾斜纤维角α相对于所述纤维层32中的一个或两个直接相邻的纤维也是倾斜的(图4)。
如以附图标记36所示，纤维层32布置在距离盘旋轴线24不同径向距离的位置处。在本公开中，径向距离36是盘旋轴线24与纤维层32的径向内表面之间的距离。
如图2中所示，多个纤维层32包括纤维层32a-f。纤维层32a是就距离盘旋轴线24的径向距离而言的最内层，而纤维层32f是就距离盘旋轴线24的径向距离而言的最外层。如在本公开中所使用的，术语“最内”指的是在最内纤维层32a径向向内没有其它纤维层以及“最外”指的是在最外纤维层32f径向向外没有其它纤维层。
在本示例中，各纤维层32围绕芯部38地卷绕。芯部38能够是浸渍有聚合物30的含纤维的芯部138(图5)。含纤维的芯部138的纤维34能够基本上平行于盘旋轴线24、在+/-20°以内地延伸。在另一替代方案中，芯部38能够是聚合物或金属的实心非含纤维的芯部238(图6)。在其它替代方案中，芯部38可以是中空管338(图7)或具有内腔450的管438(图8)，所述内腔包括有填充材料452。填充材料452的成分能够不同于管448的材料，例如两种不同的聚合物成分、金属成分或组合。能够对芯部38的材料和直径进行选择，从而使得芯部38是柔性的以允许形成所需的簧丝形状。在上述示例的任一个中，芯部38能够是形状记忆材料或能够包括形状记忆材料，所述形状记忆材料响应于相对温度阈值的温度变化地改变形状以协助形成簧丝形状。
各纤维层32中的每一个以及任选地含纤维的芯部138均包括一定数量的纤维34，所述数量是共同纤维基数乘以选自一组非零正整数中的一个非零正整数的乘积。共同基数是对于各纤维层32和含纤维的芯部138中的每一个而言相等的预定数。至少一个纤维层32的非零正整数与含纤维的芯部38的非零正整数不同，并且至少一个纤维层的非零正整数还能够与至少另一个纤维层32的不同。使用作为共同纤维基数乘以选自一组非零正整数中的非零正整数的乘积的纤维34数量，有助于制备并且还提供所需的强度分布。
在另一示例中，含纤维的芯部138和最外纤维层32f(多重第二纤维层)具有相等的非零正整数。纤维层32a-e是径向布置在含纤维的芯部138和最外纤维层32f之间的中间层(多重第一纤维层)。在本示例中，中间纤维层32a-e具有相等的非零正整数，这些整数与含纤维的芯部138和最外纤维层32f的整数不同。即，至少两个纤维层32具有不同的非零正整数，并且至少一个纤维层32具有与含纤维的芯部138不同的非零正整数。在本示例中，中间纤维层32a-e的非零正整数小于含纤维的芯部138和最外纤维层32f的非零正整数，所述含纤维的芯部的非零正整数能够与所述最外纤维层的非零正整数相等。
在另一示例中，中间纤维层32a-e每个均具有纤维数量N1，含纤维的芯部和最外纤维层32f每个均具有纤维数量N2，所述纤维数量N2与纤维数量N1相差乘数因子。在另一示例中，正的乘数因子是2-20。
作为另一示例，在各纤维层32和含纤维的芯部138的任一个中的纤维34的数量与用于制备簧丝体22的含纤维的芯部138和各纤维层32的一个或更多个纤维粗纱中的纤维34的数量相当。例如，单个纤维粗纱可以具有2000根单独的纤维，在本示例中11个粗纱(其确定了共同纤维基数)将会是22000根纤维。因而，在各纤维层32和含纤维的芯部138的任一个中的纤维34的实际数量将会是22000根纤维乘以各个纤维层32的选择性非零正整数。例如，该组非零正整数在1和20之间。然而，应当理解的是，每个粗纱的纤维34数量和用于确定共同纤维基数的粗纱数量能够改变。在另一示例中，可以使用4至60个粗纱，其中每个粗纱具有2000或4000根纤维。
还应当理解的是，在各纤维层32或含纤维的芯部138的任一个中的纤维34的数量实际上可以稍微改变，这是因为在制备期间少量纤维34可能断裂和/或粗纱可能与标称纤维支数有差别。因而，在其中各纤维层32中的纤维34数量相等或者任一纤维层32和含纤维的芯部138中的纤维34数量相等的示例中，该相等值可以是基于名义纤维数量的。类似地，在其中各纤维层32中的纤维34数量不同或者任一纤维层32和含纤维的芯部138中的纤维34数量不同的示例中，该差值可以是基于名义纤维数量的。
在每个粗纱具有2000根纤维并且具有11个粗纱以确定共同纤维基数的上述示例中，中间层32a-e的非零正整数为1，含纤维的芯部138和最外纤维层32f中的每一个的非零正整数均为3。因此，至少两个纤维层32的非零正整数相差至少2，非零正整数乘数因子为3。
一种制备复合盘簧20的方法包括形成如上所述的簧丝体22。例如，对于给定的纤维层32或可选的含纤维的芯部138，与该纤维层32或含纤维的芯部138的选择性非零正整数相对应的适当数量的线轴或纤维粗纱通过导向装置和聚合物树脂材料储池来提供纤维34，所述聚合物树脂材料储池用于浸渍纤维34。然后使用卷绕设备将已浸渍的纤维围绕芯部38地卷绕。针对每个纤维层32重复此过程，直至卷绕所需数量的纤维层32为止。
然后从卷绕设备上移除所形成的浸渍有树脂的纤维结构。将该结构布置在心轴的簧丝槽中。簧丝槽对应于复合盘簧20的所需端部形状。然后在炉内加热心轴和所述结构以固化树脂，从而形成复合盘簧20的永久形状。加热温度和时间取决于所选的聚合物材料类型，并且根据这一描述本领域中的普通技术人员将能够确定适当的加热温度和时间以满足其特定需求。然后通过机械机构或其它机构移除心轴，余留已完工或接近完工的复合盘簧20。
虽然在所示的示例中示出了各特征的组合，但是并非需要组合所有特征以实现本公开的各个实施例的优点。换言之，根据本公开的一个实施例所设计的系统将并非必需包括在任一附图中示出的所有特征或者在各附图中示意性示出的所有部分。而且，一个示例性实施例的选择性特征可以与其它示例性实施例的选择性特征组合。
前述描述从本质上来说是示例性而非限制性的。对于本领域中的技术人员而言，对所公开示例的变型和修改可能变得显而易见而不必然会脱离本公开的实质。给予本公开的法律保护范围仅能够通过研究以下权利要求来确定。

Claims (16)

1.一种复合盘簧，所述复合盘簧包括：沿着盘旋轴线延伸的簧丝体，所述簧丝体包括芯部和浸渍有聚合物材料的多个纤维层，所述多个纤维层在距离盘旋轴线不同径向距离的位置处围绕芯部地布置，所述多个纤维层中的每一个相对于盘旋轴线呈倾斜纤维角地围绕盘旋轴线延伸，所述多个纤维层中的每一个均包括一定数量的纤维，所述数量是共同纤维基数乘以选自一组非零正整数中的一个非零正整数的乘积，并且所述多个纤维层中包括玻璃纤维的至少一个纤维层的非零正整数与所述多个纤维层中包括碳纤维的至少另一个纤维层的非零正整数不同；其中，芯部是含纤维的芯部并且所包括的纤维数量是共同纤维基数乘以选自一组非零正整数中的一个非零正整数的乘积，并且所述多个纤维层中至少一个纤维层的非零正整数与含纤维的芯部的非零正整数不同。
2.根据权利要求1所述的复合盘簧，其中，所述芯部是形状记忆材料的。
3.根据权利要求1所述的复合盘簧，其中，所述芯部包括形状记忆材料。
4.一种复合盘簧，所述复合盘簧包括：沿着盘旋轴线延伸的簧丝体，所述簧丝体包括芯部和浸渍有聚合物材料的多个纤维层，所述多个纤维层在距离盘旋轴线不同径向距离的位置处围绕芯部地布置，所述多个纤维层中的每一个相对于盘旋轴线呈倾斜纤维角地围绕盘旋轴线延伸，所述多个纤维层中的每一个均包括一定数量的纤维，所述数量是共同纤维基数乘以选自一组非零正整数中的一个非零正整数的乘积，并且所述多个纤维层中包括玻璃纤维的至少一个纤维层的非零正整数与所述多个纤维层中包括碳纤维的至少另一个纤维层的非零正整数不同；其中，芯部是含纤维的芯部并且所包括的纤维数量是共同纤维基数乘以选自一组非零正整数中的一个非零正整数的乘积，并且所述多个纤维层中至少一个纤维层的非零正整数与含纤维的芯部的非零正整数不同；并且其中，所述多个纤维层中包括碳纤维的所述至少另一个纤维层是最外层。
5.一种复合盘簧，所述复合盘簧包括：沿着盘旋轴线延伸的簧丝体，所述簧丝体包括芯部和浸渍有聚合物材料的多个纤维层，所述多个纤维层在距离盘旋轴线不同径向距离的位置处围绕芯部地布置，所述多个纤维层中的每一个相对于盘旋轴线呈倾斜纤维角地围绕盘旋轴线延伸，所述多个纤维层中的每一个均包括一定数量的纤维，所述数量是共同纤维基数乘以选自一组非零正整数中的一个非零正整数的乘积，并且所述多个纤维层中由玻璃纤维构成的至少一个纤维层的非零正整数与所述多个纤维层中由碳纤维构成的至少另一个纤维层的非零正整数不同。
6.根据权利要求5所述的复合盘簧，其中，所述芯部是实心芯部。
7.根据权利要求6所述的复合盘簧，其中，所述实心芯部是聚合物的。
8.根据权利要求6所述的复合盘簧，其中，所述实心芯部是金属的。
9.一种复合盘簧，所述复合盘簧包括：
簧丝体，所述簧丝体包括芯部和浸渍有聚合物材料的多个纤维层，所述多个纤维层在距离盘旋轴线不同径向距离的位置处围绕芯部卷绕，
所述多个纤维层中的每一个相对于盘旋轴线呈倾斜纤维角地围绕盘旋轴线延伸，
所述多个纤维层中的每一个均包括一定数量的纤维，所述数量是共同纤维基数乘以选自从1到20的一组非零正整数中的一个非零正整数的乘积，
所述多个纤维层中至少一个纤维层的非零正整数与所述多个纤维层中至少另一个纤维层的非零正整数不同，
其中，至少一个纤维层是玻璃纤维，另一个纤维层是碳纤维，以及
其中，所述多个纤维层中的最内纤维层和最外纤维层均独立地从玻璃纤维和碳纤维中选择，
其中，所述多个纤维层中至少一个纤维层的非零正整数与所述多个纤维层中至少另一个纤维层的非零正整数之差大于2，
其中，与所述多个纤维层中至少另一个纤维层的非零正整数之差大于2的那个具有非零正整数的纤维层是玻璃纤维，而所述另一个纤维层是碳纤维，
其中，所述多个纤维层的每一个纤维层的倾斜纤维角相对于所述多个纤维层中至少一个直接相邻的纤维层也是倾斜的，以及
其中，每个纤维层包含4至60个纤维粗纱。
10.根据权利要求9所述的复合盘簧，其中，每个纤维粗纱具有2000或4000根纤维。
11.一种复合盘簧，所述复合盘簧包括：
簧丝体，所述簧丝体包括芯部和浸渍有聚合物材料的多个纤维层，所述多个纤维层在距离盘旋轴线不同径向距离的位置处围绕芯部卷绕，
所述多个纤维层中的每一个相对于盘旋轴线呈倾斜纤维角地围绕盘旋轴线延伸，
所述多个纤维层中的每一个均包括一定数量的纤维，所述数量是共同纤维基数乘以选自从1到20的一组非零正整数中的一个非零正整数的乘积，
所述多个纤维层中至少一个纤维层的非零正整数与所述多个纤维层中至少另一个纤维层的非零正整数不同，
其中，至少一个纤维层是玻璃纤维，另一个纤维层是碳纤维，以及
其中，所述多个纤维层中的最内纤维层和最外纤维层均独立地从玻璃纤维和碳纤维中选择，
其中，所述多个纤维层中至少一个纤维层的非零正整数与所述多个纤维层中至少另一个纤维层的非零正整数之差大于2，
其中，与所述多个纤维层中至少另一个纤维层的非零正整数之差大于2的那个具有非零正整数的纤维层是玻璃纤维，而所述另一个纤维层是碳纤维，
其中，所述多个纤维层的每一个纤维层的倾斜纤维角相对于所述多个纤维层中至少一个直接相邻的纤维层也是倾斜的，以及
其中，最内纤维层与最外纤维层具有不相等的非零正整数。
12.一种复合盘簧，所述复合盘簧包括：
簧丝体，所述簧丝体包括芯部和浸渍有聚合物材料的多个纤维层，所述多个纤维层在距离盘旋轴线不同径向距离的位置处围绕芯部卷绕，
所述多个纤维层中的每一个相对于盘旋轴线呈倾斜纤维角地围绕盘旋轴线延伸，
所述多个纤维层中的每一个均包括一定数量的纤维，所述数量是共同纤维基数乘以选自从1到20的一组非零正整数中的一个非零正整数的乘积，
所述多个纤维层中至少一个纤维层的非零正整数与所述多个纤维层中至少另一个纤维层的非零正整数不同，
其中，至少一个纤维层是玻璃纤维，另一个纤维层是碳纤维，以及
其中，所述多个纤维层中的最内纤维层和最外纤维层均包含4至60个纤维粗纱。
13.根据权利要求12所述的复合盘簧，其中，所述倾斜纤维角是+/-20-54°。
14.根据权利要求13所述的复合盘簧，其中，与所述多个纤维层中至少另一个纤维层的非零正整数之差大于2的那个具有非零正整数的纤维层是玻璃纤维，而所述另一个纤维层是碳纤维。
15.根据权利要求12所述的复合盘簧，其中，每个纤维粗纱具有2000或4000根纤维。
16.根据权利要求12所述的复合盘簧，其中，最内纤维层与最外纤维层具有不相等的非零正整数。
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