CN108368906A - 用于机动车辆的管弹簧和用于制造管弹簧的方法 - Google Patents

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CN108368906A CN201680052598.6A CN201680052598A CN108368906A CN 108368906 A CN108368906 A CN 108368906A CN 201680052598 A CN201680052598 A CN 201680052598A CN 108368906 A CN108368906 A CN 108368906A
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迪特·莱希纳
蒂莫·斯特拉卡
弗兰克·施耐德
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Thyssen Krupp Spring And Stabilizer Co Ltd
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Federn und Stabilisatoren GmbH
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Thyssen Krupp Spring And Stabilizer Co Ltd
ThyssenKrupp AG
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Abstract

本发明涉及一种用于机动车辆的管弹簧(1)，特别是螺旋弹簧(3)、扭杆弹簧(2)和/或稳定器(4)，管弹簧(1)包括至少一个金属管元件(5)，金属管元件(5)具有管内横截面(6)、管内径(DI)、管外径(DA)、管内壁(7)和管壁厚度(W)。至少一个金属泡沫(8)至少在子区域内设置在管弹簧(1)的至少一个金属管元件(5)的管内横截面(6)中，并且至少一个金属管元件(5)具有至少部分马氏体微结构。

Description

用于机动车辆的管弹簧和用于制造管弹簧的方法
技术领域
本发明涉及用于机动车辆的管弹簧和用于制造管弹簧的方法。
现有技术
在现有技术中，来自成形钢管或钢丝的弹簧和扭杆在多个实施例中是已知的。例如，扭杆也被称为扭杆弹簧、稳定器扭杆或扭转弹簧杆。钢弹簧和扭杆弹簧特别用于机动车辆中，其中，钢弹簧例如在弹簧/阻尼系统中使用，以用于缓冲路面的不平坦，并且扭杆弹簧用于在转弯时、穿过不断变化的路面时以及在路面不平坦的情况下稳定机动车辆的侧倾运动。这种稳定器通常设置在前轴和后轴的区域中，并且大多数情况下延伸穿过车辆的整个宽度。可以根据现有技术中已知的成形方法，使钢管或钢丝成形为弹簧和扭杆。在所述成形之前或之后，对钢管或钢丝进行各种制备步骤，这些制备步骤影响弹簧特性和强度特性并且进一步改进材料的特定使用特性。因此，可以以较低的材料投入以及因此较低的重量和材料成本，来制造强度值较高的弹簧和/或扭杆。与杆弹簧相比，本文中的管弹簧在相同的弹簧特性下具有较低的重量，其中管状稳定器的刚度和弯曲能力取决于直径和壁厚。然而，由于在成形期间和部件的操作过程中产生较高的内部应力，因此弯曲能力降低，故，直径壁厚比只可以在有限的范围内增加(该增加有利于较大地减轻重量)。因此，管弹簧在几何尺寸上的特性和由此导致的弹簧特性上的特性被限制在狭窄的范围内，或者对于现有技术中已知的一些成形方法钢管或钢丝的成形能力受到限制。具体而言，强度和韧性参数与弹簧的成形能力和使用寿命有关。另外，一方面，与具有相同的几何外部尺寸的管弹簧相反，杆弹簧具有较高的重量，而另一方面，管弹簧需要防止管内表面上的腐蚀，而管弹簧难以进入，所述防腐蚀保护需要其他方法步骤，例如喷丸处理。
例如，DE 103 15 418B3中已知用于生产热成形螺旋弹簧的方法。
DE 198 39 383C2中描述了对用于受扭转应力的弹簧元件的钢进行热机械处理的方法。
因此，本发明基于如下目的：提供用于机动车辆的改进的管弹簧(特别是改进的螺旋弹簧、扭杆弹簧和/或稳定器)，并且提供用于制造该管弹簧的方法，其中，该弹簧和方法避免了前述缺点。具体而言，通过这种改进的管弹簧和用于制造管弹簧的改进方法，由钢管制造的弹簧的优点可以至少部分地与由钢丝制造的弹簧的优点相结合。此外，通过根据本发明的管弹簧和用于制造管弹簧的改进方法，可以提供较常规管弹簧和方法改进了的弯曲能力，并且避免由成形方法引起的裂缝。此外，可以省却对管内表面提供防腐蚀保护的需求。此外，通过用于制造管弹簧的改进方法，将提供可以以简单且可靠的方式在现有方法中实施的稳定的制造过程。此外，可以有针对性地为管弹簧的各种局部区域和/或直径设定预定的几何惯性矩，并且还可以在各种局部区域和/或直径中以可变的方式设定所述几何惯性矩。
发明内容
该目的通过根据权利要求1所述的管弹簧和根据权利要求6所述的用于制造在至少一个局部区域中发泡的管弹簧的方法来实现。
与常规管弹簧相比，根据本发明的用于机动车辆的管弹簧具有以下优点：杆状弹簧的特性至少部分地与管弹簧的特性相结合。具体而言，根据本发明的管弹簧的变形能力远超过常规管弹簧的弯曲能力。此外，在根据本发明的管弹簧的情况下，可以根据弹簧的每个部分和/或区域中的要求来建立特性，特别是刚度和弯曲刚度。此外，在根据本发明的管弹簧的情况下，刚度特性和弹簧特性可以借助于直径壁厚比来设定，同时考虑轻量化的构造模式。而且，根据本发明的管弹簧无需对管内表面提供任何防腐蚀保护。此外，在预定外管直径和/或预定壁厚的情况下可以产生多种不同的弹簧劲度。
与常规方法相比，根据本发明的用于制造在至少一个局部区域中发泡的管弹簧的方法具有以下优点：可以省却对管内表面提供防腐蚀保护的方法步骤。此外，借助于根据本发明的、用于制造在至少一个局部区域中发泡的管弹簧的方法，改进了管弹簧的弯曲能力，由此大大避免了由成形方法导致的裂缝。根据本发明的方法的另一个优点在于，所述方法可以以简单和可靠的方式结合到已有的方法中。此外，借助于插入到管弹簧的相应局部区域中的金属泡沫并且借助于所述金属泡沫的特性，管弹簧的沿管弹簧的长度的刚度可以以可变方式设定。由此，导致在操作负载下适应的应力分布。
因此，本发明的主题是管弹簧(特别是用于机动车辆的螺旋弹簧、扭杆弹簧和/或稳定器)，该管弹簧包括至少一个金属管元件，该金属管元件具有管内横截面、管内径、管外径、管内壁和管壁厚度，其中，至少一个金属泡沫在至少一个局部区域内设置在管弹簧的至少一个金属管元件的管内横截面中，并且至少一个金属管元件具有至少部分马氏体结构。
本发明的另一主题是用于制造在至少一个局部区域中发泡的管弹簧(特别是用于机动车辆的螺旋弹簧、扭杆弹簧和/或稳定器)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供至少一种初始材料组合物，该初始材料组合物包含具有熔融温度的至少一种金属组分和发泡剂组分；
b)提供包括至少一个金属管元件的管弹簧，该金属管元件具有管内横截面、管内径、管外径、管内壁和管壁厚度；
c)将步骤a)中提供的至少一种初始材料组合物插入到步骤b)中提供的管弹簧的至少一个金属管元件中，其中，至少一个金属管元件被完全或部分地填充；
d)至少对在步骤c)中被完全或部分地填充的至少一个金属管元件进行回火，所述回火包括以下步骤
i.将在步骤c)中被完全或部分地填充的至少一个金属管元件至少加热到硬化温度，其中，硬化温度是比金属管元件的最小再结晶温度高的温度，优选等于或高于金属管元件的奥氏体起始温度，并且其中，硬化温度等于或高于在步骤c)中插入的至少一种初始材料组合物的熔融温度，其中，初始材料组合物发泡，同时产生在至少一个局部区域中发泡的至少一个金属管元件；
ii.将被完全或部分地填充的并且在步骤i.中至少加热到硬化温度的至少一个金属管元件淬火至第一冷却温度，其中，第一冷却温度是比金属管元件的最小再结晶温度低的温度，并且在被完全或部分地填充的至少一个金属管元件中形成至少部分马氏体结构；
iii.将在步骤ii.中进行淬火的、被完全或部分地填充的至少一个金属管元件再加热到比奥氏体起始温度低的第一回火温度；
iv.将在步骤iii.中再加热的、被完全或部分地填充的至少一个金属管元件冷却至第二冷却温度，其中，第二冷却温度至少低于第一回火温度，
其中，在于至少一个局部区域中发泡的至少一个金属管元件的管内壁与在至少一个局部区域中发泡的至少一个金属管元件的金属泡沫之间，在至少局部区域中构成至少部分材料一体连接。
本发明的另一主题是在至少一个局部区域中发泡的管弹簧在车辆(特别是机动车辆)的悬架系统中的使用。
具体实施方式
在本发明的内容中，管弹簧理解为包括至少一个金属管元件的部件，该金属管元件在应力下屈服并且在解除应力后恢复到初始形状。特别地，管弹簧可以是由钢管以螺丝状或螺旋方式缠绕的部件、以杆状方式伸长的部件、或者呈角度弯曲的部件。管弹簧的示例选自包括下列各项的组合：螺旋弹簧(特别是压缩螺旋弹簧、拉伸螺旋弹簧)、锥形弹簧、拉伸弹簧、柔性弹簧(特别是螺旋状弹簧)、缠绕扭转弹簧及其组合。
在本发明的内容中，扭杆弹簧理解为包括至少一个金属管元件的部件，其中，在两端固定夹紧的情况下，紧固端部围绕扭杆弹簧轴线执行相互枢转运动。特别地，机械应力基本上借助于以与扭杆弹簧轴线相切的方式施加的扭矩产生。扭杆弹簧也被理解为例如直扭杆、角度扭杆、扭转弹簧、稳定器扭杆、稳定器、分体式稳定器及其组合。
在本发明的内容中，金属泡沫理解为包含至少一种金属组分并且借助于至少一种发泡剂组分而发泡的泡沫。具体而言，至少一种金属组分选自包括下列各项的组合：铝合金(特别是铝和硅的共晶合金)、AlCU、AlMn、AlSi、AlMg、AlMgSi、AlZn、钛合金及其组合。例如，金属组分可以在已被压(特别是通过挤压)成几何形状的初始材料组合物中被提供。几何形状的示例可以选自包括下列各项的组合：条状、杆状、管状、十字架状元件及其组合。具体而言，所提供的初始材料组合物可以作为块体材料插入到管弹簧中。发泡剂组分的示例为包含至少一种金属氢化物的组合物，该金属氢化物特别地选自包括下列各项的组合：例如碱金属和碱土金属的化学计量金属氢化物、高聚物金属氢化物、复合金属氢化物、非化学计量金属氢化物及其组合。发泡剂组分特别地选为氢化钛和二氢化钛。
在本发明的一个优选实施例中，至少一个金属泡沫至少部分地材料一体地连接到至少一个金属管元件的管内壁，其中该金属泡沫在至少一个局部区域内设置在管弹簧的至少一个金属管元件的管内横截面中。
在本发明的另一个实施例中，至少一个金属管元件的管外径相对于管壁厚度之比大于8、优选大于12、特别优选大于20、最特别优选大于30。
根据本发明的另一个可能的实施例，设置在至少一个金属管元件的管内横截面中的至少一个金属泡沫的密度小于1g/cm3、优选小于0.6g/cm3、特别优选在从0.1g/cm3至0.5g/cm3的范围内。
在本发明的一个有利实施例中，至少一个金属管元件至少部分地成形为不完全构造成直线的管弹簧。
具体而言，初始材料组合物例如在挤出机中已经经历成形过程，已经被压实，并且具有适于输送的基本结构，使得可以借助于剪切方法进行插入，特别是对管弹簧进行填充。
在本发明的内容中，至少部分材料一体连接理解为不可拆卸连接，例如焊接(特别是扩散焊接)，该至少部分材料一体连接构造为位于在至少一个局部区域中发泡的至少一个金属管元件的金属泡沫与在至少一个局部区域中发泡的至少一个金属管元件之间。例如，扩散焊接所需的除了热输入之外的力的作用(特别是至少一个泡沫金属管元件的内壳面上的压力)可以通过发泡金属泡沫的膨胀压力来执行。
熔融温度理解为至少一种金属组分熔融(特别是从固体转化为液体聚集态)的温度。
最小再结晶温度理解为仍进行再结晶的最低温度(特别是钢丝结构仍进行再结晶的最低温度)。
再结晶温度是退火温度，在具有预定成形程度的冷成形结构的情况下，该退火温度导致在有限的时间范围内完全再结晶。再结晶温度没有固定值，但取决于先前的冷成形程度和材料的熔融温度(特别取决于钢种的熔融温度)。例如，对于钢种来说，再结晶温度也取决于相应钢的碳含量和合金。
在本发明的内容中，奥氏体起始温度理解为转变为至少部分奥氏体结构的温度。具体而言，在奥氏体化温度下转变为至少部分奥氏体结构。
例如，在步骤c)中，可以通过放置、填塞、浇注及其组合，将步骤a)中提供的至少一种初始材料组合物插入到步骤b)中提供的管弹簧的至少一个金属管元件中。例如，可以将喷枪用作插入装置。
在本发明的另一个实施例中，步骤b)中提供的至少一个金属管元件至少部分具有铁素体珠光体结构。
在本发明的一个优选实施例中，通过使用碳含量的重量比在从0.02％至0.8％范围内的钢管，来制造管弹簧。特别地，在本发明的内容中，碳含量的重量比在从0.02％至0.8％的范围内的钢种理解为亚共晶钢种。
根据本发明的另一个可能的实施例，通过选自包括下列各项的组合的热传递，在步骤i.中至少对被完全或部分填充地至少一个金属管元件进行加热，和/或在步骤iii.中至少对被完全或部分填充地至少一个金属管元件进行再加热：热传导(特别是传导加热)、热辐射(特别是感应加热)、对流及其组合。
在本发明的内容中，例如，在步骤i.中进行的加热、在步骤iii.中进行的再加热和/或其他热传递理解为是选自包括下列各项的组合的加热：热传导(特别是传导加热)、热辐射(特别是红外辐射、感应加热)、对流(特别是加热鼓风机)及其组合。
具体而言，在加热中实现比金属组分的熔融温度高(例如，高于620℃)的温度。特别地，在比熔融组分的熔融温度低(例如，低于620℃)的温度下进行再加热。
在本发明的另一个有利的实施例中，在步骤iii.中，将被完全或部分地填充的并且在步骤ii.中进行淬火的至少一个金属管元件再加热到第一回火温度，该第一回火温度低于金属组分的熔融温度。
在本发明的内容中，步骤d)中的回火可以是局部回火或整体回火。
根据本发明的另一个可能的实施例，在另一个步骤e)中，将步骤b)中提供的至少一个金属管元件和/或在步骤d)中在至少一个局部区域中发泡的并且进行回火的至少一个金属管元件成形为不完全构造为直线并且在至少一个局部区域中发泡的管弹簧。
在本发明的一个有利的实施例中，在步骤e)中，成形是冷成形，并且在冷成形温度下在步骤d)中的回火之后顺序执行，其中，冷成形温度是比金属管元件的最小再结晶温度低的温度，优选低于金属管元件的奥氏体起始温度。
在本发明的内容中，冷成形理解为钢管在再结晶温度以下进行成形。具体而言，随着成形程度增加，材料(例如，钢)的韧性和成形能力因冷凝而降低，因此在冷成形的情况下，形状变化能力受到限制。冷成形的示例是冷卷绕、冷缠绕、冷弯曲及其组合。
根据本发明的另一个可能的实施例，在步骤e)中，成形是热成形，并且在热成形温度下在步骤d)中的回火之前顺序执行，其中，热成形温度是比金属管元件的最小再结晶温度高的温度，优选等于或高于金属管元件的奥氏体起始温度。具体而言，热成形温度低于金属管元件的马氏体起始温度并且低于初始材料组合物的熔融温度。
在本发明的内容中，热成形理解为钢管在再结晶温度以上进行成形。具体而言，材料(例如，钢)在热成形期间再结晶或在热成形之后立即再结晶，由此材料恢复其初始特性。例如，热成形被看作是材料结构在成形同时再结晶。热成形的示例是热卷绕、热弯曲及其组合。
在本发明的一个有利的实施例中，以至少2K/s、优选大于20K/s、特别优选大于50K/s、最特别优选大于200K/s的加热速度，在步骤i.中至少对被完全或部分地填充的金属管元件进行加热，和/或在步骤iii.中至少对被完全或部分地填充的金属管元件进行再加热。
在本发明的一个优选实施例中，在步骤i.中的初始材料组合物的发泡中，将在至少一个金属管元件中发泡的金属泡沫的密度设定为小于1g/cm3、优选小于0.6g/cm3、特别优选在从0.1g/cm3至0.5g/cm3的范围内。
附图说明
将通过附图对根据本发明的管弹簧进行阐述，其中，
图1示意性地示出了根据现有技术的以各种方式成形的管弹簧；
图2示意性地示出了根据现有技术的管弹簧的金属管元件的斜视图；并且
图3示意性地示出了根据本发明实施例的管弹簧的发泡金属管元件的横截面。
在图1中，示出了根据现有技术的以各种方式形成的管弹簧1，并且管弹簧被标记为a)至c)。扭杆弹簧2被示为a)。标记b)示出了螺旋弹簧，并且c)示出了稳定器4。
在图2中，示出了根据现有技术的管弹簧1的金属管元件5的斜视图。金属管元件5具有管内横截面6、具有管内径DI、管外径DA、管内壁7和管壁厚度W。管内横截面6未发泡。
在图3中，示意性地示出了根据本发明的一个实施例的管弹簧1的发泡金属管元件5的横截面。至少金属泡沫8设置在管内横截面6中至少一个局部区域内。根据本发明的金属管元件5具有管内横截面6、具有管内径DI、管外径DA、管内壁7和管壁厚度W。金属泡沫8示为可变多孔结构。
工业适用性
上述类型的管弹簧(特别是螺旋弹簧、扭杆弹簧和/或稳定器)在机动车辆(特别是机动车辆的悬架系统)的制造中使用。
附图标记列表
1＝管弹簧
2＝扭杆弹簧
3＝螺旋弹簧
4＝稳定器
5＝金属管元件
6＝管内横截面
7＝管内壁
8＝金属泡沫
DA＝金属管元件的管外径
DI＝金属管元件的管内径
W＝管壁厚度

Claims (12)

1.一种用于机动车辆的管弹簧(1)，特别是螺旋弹簧(3)、扭杆弹簧(2)和/或稳定器(4)，所述管弹簧(1)包括至少一个金属管元件(5)，所述金属管元件(5)具有管内横截面(6)、管内径(DI)、管外径(DA)、管内壁(7)和管壁厚度(W)，
其特征在于
至少一个金属泡沫(8)在至少一个局部区域内设置在所述管弹簧(1)的所述至少一个金属管元件(5)的所述管内横截面(6)中，并且所述至少一个金属管元件(5)具有至少部分马氏体结构。
2.根据权利要求1所述的管弹簧(1)，其特征在于，所述至少一个金属泡沫(8)以至少部分材料一体的方式连接到所述至少一个金属管元件(5)的所述管内壁(7)，其中所述至少一个金属泡沫(8)在至少一个局部区域内设置在所述管弹簧(1)的所述至少一个金属管元件(5)的所述管内横截面(6)中。
3.根据权利要求1或2所述的管弹簧(1)，其特征在于，所述至少一个金属管元件(5)的所述管外径(DA)与所述管壁厚度(W)之比大于8、优选大于12、特别优选大于20、最特别优选大于30。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的管弹簧(1)，其特征在于，设置在所述至少一个金属管元件(5)的所述管内横截面(6)中的所述至少一个金属泡沫(8)的密度小于1g/cm3、优选小于0.6g/cm3、特别优选在从0.1g/cm3至0.5g/cm3的范围内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的管弹簧(1)，其特征在于，所述至少一个金属管元件(5)至少部分成形为不完全构造为直线的管弹簧(1)。
6.一种用于制造在至少一个局部区域中发泡的管弹簧(1)的方法，所述管弹簧(1)特别是用于机动车辆的螺旋弹簧(3)、扭杆弹簧(2)和/或稳定器(4)，所述方法包括以下步骤：
a)提供至少一种初始材料组合物，所述初始材料组合物包含具有熔融温度的至少一种金属组分和发泡剂组分；
b)提供包括至少一个金属管元件(5)的管弹簧(1)，所述金属管元件(5)具有管内横截面(6)、管内径(DI)、管外径(DA)、管内壁(7)和管壁厚度(W)；
c)将步骤a)中提供的所述至少一种初始材料组合物插入到步骤b)中提供的所述管弹簧(1)的所述至少一个金属管元件(5)内，其中，所述至少一个金属管元件(5)被完全或部分地填充；
d)至少对在步骤c)中被完全或部分地填充的所述至少一个金属管元件(5)进行回火，所述回火包括以下步骤
i.将在步骤c)中被完全或部分地填充的所述至少一个金属管元件(5)至少加热到硬化温度，其中，所述硬化温度是比所述金属管元件(5)的最小再结晶温度高的温度，优选等于或高于所述金属管元件(5)的奥氏体起始温度，并且其中，所述硬化温度等于或高于在步骤c)中插入的所述至少一种初始材料组合物的熔融温度，其中，所述初始材料组合物发泡，同时产生在至少一个局部区域中发泡的所述至少一个金属管元件(5)；
ii.将被完全或部分地填充的并且在步骤i.中至少加热到所述硬化温度的所述至少一个金属管元件(5)淬火至第一冷却温度，其中，所述第一冷却温度是比所述金属管元件(5)的所述最小再结晶温度低的温度，并且被完全或部分地填充的所述至少一个金属管元件(5)中形成至少部分马氏体结构；
iii.将在步骤ii.中进行淬火的、被完全或部分地填充的所述至少一个金属管元件(5)再加热至第一回火温度，所述第一回火温度低于所述奥氏体起始温度；
iv.将在步骤iii.中再加热的、被完全或部分地填充的所述至少一个金属管元件(5)冷却至第二冷却温度，其中，所述第二冷却温度至少低于所述第一回火温度，
其特征在于
在于至少一个局部区域中发泡的所述至少一个金属管元件(5)的所述管内壁(7)与在至少一个局部区域中发泡的所述至少一个金属管元件(5)的所述金属泡沫(8)之间，至少在局部区域中构成至少部分材料一体连接。
7.根据权利要求6所述的用于制造在至少一个局部区域中发泡的管弹簧(1)的方法，其特征在于，步骤b)中提供的所述至少一个金属管元件(5)至少部分具有铁素体珠光体结构。
8.根据权利要求6或7所述的用于制造在至少一个局部区域中发泡的管弹簧(1)的方法，其特征在于，在另一步骤e)中，使步骤b)中提供的所述至少一个金属管元件(5)和/或在步骤d)中在至少一个局部区域中发泡并且进行回火的所述至少一个金属管元件(5)成形为不完全构造为直线并且在至少一个局部区域中发泡的管弹簧(1)。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的用于制造在至少一个局部区域中发泡的管弹簧(1)的方法，其特征在于，在步骤e)中，成形是冷成形并且在冷成形温度下在步骤d)中的回火之后顺序执行，其中，所述冷成形温度是比所述金属管元件(5)的最小再结晶温度低的温度，优选低于所述金属管元件(5)的奥氏体起始温度。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的用于制造在至少一个局部区域中发泡的管弹簧(1)的方法，其特征在于，在步骤e)中，成形是热成形并且在热成形温度下在步骤d)中的回火之前顺序执行，其中，所述热成形温度是比所述金属管元件(5)的最小再结晶温度高的温度，优选等于或高于所述金属管元件(5)的奥氏体起始温度。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的用于制造在至少一个局部区域中发泡的管弹簧(1)的方法，其特征在于，在步骤i.中的所述初始材料组合物的发泡中，在所述至少一个金属管元件(5)中发泡的所述金属泡沫(8)的密度小于1g/cm3、优选小于0.6g/cm3、特别优选在0.1g/cm3至0.5g/cm3的范围内。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的在至少一个局部区域中发泡的管弹簧(1)在车辆特别是机动车辆的悬架系统中的使用。
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