CN1088518A - 弹性体的回跳、震动及相关的压缩弹簧 - Google Patents

Abstract

一种波纹管形压缩弹簧，具有可变的弹簧刚度， 由塑性应变与弹性应变之比大于1.5比1的弹性材 料制成。这种压缩弹簧特别适用于轻型、低车身汽车 的撑杆组件，用于减小噪音，从车轮传至车身的振动 和冲击力。

Description

本发明涉及弹性体构成的压缩弹簧，更具体来说，本发明主要涉及用于汽车悬挂系统的压缩弹簧的改进。

本世纪七十年代早期，汽车设计的焦点在于轻型及低车身型，上述设计必须使悬挂系统至少在两方面得到改进。首先，低车身型要求减小悬挂行程。第一，轻型要求向很软的弹簧刚性转变。我们认为，上述转变要求在悬挂撑杆组件的震动和回跳缓冲器方面有进一步的改进。尽管多年来对上述轻型和低车型汽车的设计，其悬挂系统仍将不尽人意的噪音，振动和路面冲击传至乘客。因此，主要的汽车制造厂商要求对目前的回跳缓冲器要有若干种不同的设计，并希望弹簧要有柔软的送进和较长的行程。因此，本发明主要与解决汽车的悬挂撑杆组件的上述问题有关。

撑杆组件的回跳缓冲器一般由聚氨酯弹性材料制成，其目的只是当悬挂系统的撑杆由于车轮组件压陷入车身而伸至其最大长度时软化并缓冲回跳冲击。目前这种缓冲器具有套装在撑杆塞柱上的小聚氨酯橡胶垫圈，其厚度有限，只是在回跳的最后2至3毫米时对车轮有缓冲作用。而且它们具有恒定的，高弹性刚度，几乎无助于消弱噪音，振动或冲击力。

目前的撑杆组件的震动缓冲器，与回跳缓冲器相似，性能亦不尽如人意。通过使用微孔聚氨酯已对这些缓冲器作出某些改进。另外，在美国专利4，962，916号中提出了一种由热固性和热塑性聚氨酯制成的震动缓冲器，其中缓冲器具有可变的壁厚以提供可变的弹簧刚性。该专利也提到了共聚多酯如Hytrel

，但是并没有提出解决共聚多酯的压缩调整问题。美国专利4，235，427号公开了利用乙缩醛，聚乙烯，聚丙烯，四氟乙烯，尼龙和挠性聚氯乙烯制成的弹簧，取得了满意的效果，其中弹簧特性主要取决于内、外旋绕的不同半径，其弹性是由于旋绕的弯曲而不是弹性材料的弹性变形。

虽然现有技术与本申请无关，但是它们确实使用了用共聚多酯如Hytrel^R制成的有效的压缩弹簧。这些现有技术包括美国专利4，198，037号，题目是“制造聚酯弹性体压缩弹簧的方法及有关的产品”和美国专利4，566，678号，题目是“聚合装置及其制造方法”。

上述专利中的压缩弹簧主要应用在火车车厢缓冲装置和其它吸收能量的装置中。这些应用中需要很高的弹簧刚度来吸收大至300，000磅的由火车车厢产生的冲击力。这些压缩弹簧并不解决当今汽车所面临的问题，即在轻型车辆中要求柔软的行驶舒适性能。

本发明包括主要用于汽车悬挂系统撑杆中的压缩弹簧。它是一种由弹性材料制成的长形中空体，其塑性变形与弹性变形之比值大于1.5比1。这种弹性材料最好是共聚多酯聚合物弹性材料如由E.I.Pont de Nemoirs公司制造的商标为Hytrel

的产品。

这种中空体最好呈长波纹管形，可以放置在撑杆的塞杆上。波纹管是由侧壁形成的，其连接部分的尺寸沿波纹管长度可以改变以提供预定的，可变的弹簧刚度。

因此，本发明的主要目的是提供：

1.一种改进的车辆撑杆组件，其中将回跳缓冲器从功能上结合进撑杆中以利于消除，缓冲和隔绝噪音，对车辆乘员振动和路面冲击;

2.一种改进的撑杆组件，具有一回跳缓冲器，其弹簧缓冲行程超过2毫米，可提供柔软的送进和可变的弹簧刚度以消除噪音，振动或冲击力;

3.一种改进的撑杆组件，具有一震动缓冲器，耐久的弹簧缓冲行程超过2毫米，其送进柔软，弹簧刚性可变以消除噪音，振动或冲击力;

4.一种由弹性材料构成的弹簧，这种弹性材料耐久，与汽车撑杆组件的液体的反应呈惰性，不传扩撕裂，其拉伸特性使其塑性应变与弹性应变的比大于1.5比1;

5.一种弹性体弹簧，呈中空波纹管形，具有可变的厚度，直径，长度和角度的壁部和连接部以得到可变的弹簧刚性，特别适于各种应用场合;

6.一种低成本，高效率和有效的弹性材料弹簧及其制造方法，以使其向着圆筒形空间82的侧壁膨胀。按照本发明，圆筒形空间82的壁呈褶状表面，如图所示。当施加压力时，型坯60径向扩张形成一波纹管，波纹管有斜壁部分86和连接部分88，如图4a所示。

吹模80可以设有从模和型坯60侧壁之间的空间排气的孔（未画）。吹模也可设有整体式或分置式的感应或电阻加热元件，再次将型坯加热至接近熔化状态以便吹模成形。本专业技术人员知道，通过将Hytrel^R弹性材料注射入模66并注射到阳模68上，也可完成大批量生产，在冷却之前，将阳模68上的型坯60转移至吹模80而不冷却。在这种情况下，阳模68也可设有导管用来接受液压并将其传导到型坯60的内径上。

图6中示出了本发明的吹模内表面90的推荐实施例，图中给出了一种吹模80的实际尺寸。相应于波纹管的斜壁部分86和连接部分88，吹模表面包括斜壁部分92和连接部分94。在接近吹模80的顶部处，其斜壁部分和相应的波纹管的斜壁部分86要比吹模和波纹管底部处来得长些。另外，接近模顶的表面角度的外径也比接近模底的表面的外径来得大，因而所生产的波纹管靠近顶部有较大的直径。，是于波纹管侧壁厚度，斜壁部分86的长度，连接部分88的角度，以及波纹管直径等尺寸差，本发明的压缩弹簧具有变化的弹簧刚度。因而向回跳缓冲器送进柔软而弹簧刚性增加以减小回跳缓冲器触底的可能性。

当型坯吹制成波纹管形之后，下一个制造本发明压缩弹簧的步及

7.一种可以特制以提供适用于各种场合的可变弹簧刚度的弹性材料弹簧的制造方法。

参照以下附图详细描述本发明，可更好地解释上述目的实现方式和本发明其它特点。

图1是适用于连接在车身和车轮之间的汽车撑杆组件的侧视图，图中局部剖开;

图2是按照本发明的回跳缓冲器的力-位移曲线与通用汽车公司（General    Motors）目前使用的聚氨酯垫圈的力-位移曲线的比较图;

图3是用于制造本发明压缩弹簧的弹性材料型环的剖面图;

图3a是制造图3型坯的阴模及挤压机的剖面图;

图3b是制造图3型坯的阳模的侧视图;

图4是吹模的剖面图，向该吹模中插入一加热的型坯，向着吹模壁膨胀以形成波纹管形;

图4a是用图4的吹模制成的波纹管的侧视图;

图5是已经过不可逆塑性变型的成品弹簧的侧视图;

图5a是使用图4a所示波纹管承受不可逆塑性变形时使用的压板和阳模的侧视图;

图5b是图5a所示方法中使用的阳模的侧视图;以及

图6是图4所示吹模内部尺寸的放大侧视图。冲器的压缩特性。这种回跳缓冲器是一种聚氨酯垫圈，响应于0至1900牛顿的静力作用，其总行程大约是2毫米。路面状况使撑杆10完全伸出时出现的短行程和大的回跳力，使冲击掉的力传递到车身上。这种回跳缓冲器将路面不平产生的噪音，振动和冲击力传递到车辆及其负载而不是将其隔绝开来。

与聚氨酯垫圈缓冲器相比，本发明可使回跳行程超过20毫米。如图2左侧曲线所示，本发明的回跳缓冲器50一般使缓冲弹簧伸出的高度达大约40毫米。当迂到某些路面状况时，内、外缸20和22相对于活塞30的向下运动使回跳缓冲器被接合。由于本发明可变的弹簧刚度，回跳缓冲器最初的接合很软。随着相对向下运动的继续，弹簧刚度增加，缓冲器弹簧的弹力当超过弹簧允许的压缩量（20毫米以上）时即以增高的弹性刚度阻止进一步的运动。结果就消除了大部分（如果不是全部的话）噪音和在回跳中作用在撑杆组件上的振动和冲击力。活塞向回跳缓冲器中的软送进及长行程也有助于形成平稳的行驶舒适性能。

本发明的震动缓冲器52的压缩弹簧特性曲线与图2所示回跳缓冲器特性曲线相似，也有可变的弹簧刚度，柔软的送进和大缓冲行程。

本发明的压缩弹簧由弹性材料制成，弹性材料的拉伸特性使其塑性应变与弹性应变之比大于1.5比1。一种这样的弹性材料是E.I.du Pont de Nemoirs公司的商标为Hytrel^R的共聚多酯聚

现对图1描述本发明的推荐实施例。汽车撑杆组件10的顶端12适于连接在车身（未画）上，下端14包括一安装板16，适于连接有关的车辆和轮胎组件。内、外缸20和22安装在安装板16上并从安装板16向上延伸。在内、外缸20和22上部之间有一环形杯24，其中心开孔26接纳密封并提供一支承面。从孔26中穿过一根活塞杆28，其下端有活塞30。活塞30上可设有限流孔（未画）用来限制在由内缸20和活塞30所限定的上、下室32和34之间的流体流量。撑杆组件的顶端12包括用来压紧隔环38的活塞安装螺母36和一个向下开口的设置在活塞杆28减径上的止动杯40。填有弹性体44的一环形安装杯42包围着隔环38。杯42固定在车身（未画）上。悬挂系统的螺簧通常套装在这种撑杆组件上。

在这种普通的撑杆组件10上使用本发明并从本发明受益，本发明将一回跳缓冲器50装入上室32，处于环形杯24和固定在活塞杆28上的环形座25之间。本发明也将一震动缓冲器52插入止动杯40并向下延伸，缓冲撑杆组件10的向上运动。这两个压缩弹簧的缓冲器50和52的目的是借助柔软的送进，长的行程和可变的弹簧刚性来减小噪音、振动和冲击力。具体来说，本发明的压缩弹簧用做回跳缓冲器，与用于同一目的的现有聚氨酯垫圈相比，大大改善了行驶舒适性能。图2部分地表明了本发明的上述改进，图中比较了本发明与聚氨酯垫圈的压缩特性。

图中右侧曲线是通用汽车公司W-Car型汽车现有的回跳缓合物，它对撑杆组件中的液体具有适宜的惰性，非常耐用。另外，这种弹性材料不易扩展撕裂，即使照本发明要求的那样做成较薄的横断面也是如此。我们建议使用du Pont公司生产的商标为Hytrel^R的5556号产品（这种弹性材料详见美国专利4，198，037号）。

通常，选购的这种弹性材料呈丸粒状，按照本发明要将其注射或挤压入一环形模以制成一型坯。如图3所示，型坯60是圆筒形的，具有不变的内径62和变化的外径63。因此，其壁厚是变化的，一端薄，一端厚。经过加热的上述弹性材料由挤压或注射成型机64送入模66，模66具有直径变化的环形空间67。直径不变的环形阳模68从中心插入模66的开口67为型坯60形成一圆筒形空间。制造撑杆组件用的型坯中使用的模具尺寸包括模66的内径，从1.219英寸至1.339英寸，以及阳模68的外径，为1.050英寸。上述尺寸使型坯具有变化的壁厚，如图3所示。模66最好做成两个半圆筒形部分，由螺栓紧固在一起，或者以普通的方式由压机压在一起。在将熔化的Hytrel^R弹性材料挤入上述空间以形成型坯之后，在弹性材料冷却及至少部分固化时，分开模具的两个部分，从阳模68上取下型坯60，以供在其后的步骤中进行吹模成形，如图4和4a所示。

图4所示的吹模80也设有接纳型坯60的中央圆筒形空间82。其底部和顶部由板84密封，板84之一可拆下以便插入型坯。顶板84上有从液压源S接受液压的孔，由液压源向型坯60中提供压力骤是将其压过弹性变形点（弹性变形后可以复原），进入塑性变形（塑性变形后不能复原）。这样做是为了使弹性材料的分子结构定向，使波纹管永久压缩变形，减至图5所示的长度。当波纹管已经被塑性变形后，当压缩至其弹性应变范围时，象弹簧一样动作，在弹性应变范围内反复地复原，用做有效的压缩弹簧。

本发明的弹簧为消除塑性应变部分而进行的压缩如图5a和5b所示。从吹模80取下波纹管，插入另一个阳模97，再将阳模97插入板100的孔98，从孔中穿过直到波纹管被压缩到实体位置，当阳模90撤出时，波纹管扩张到其弹性程度，压缩永久变形至部分或全部塑性应变的范围之内。

在各种型号的汽车中，具有不同重量和不同要求的行驶舒适特性，本发明的压缩弹簧都没有一种特定的设计能适应全部型号的汽车，因而要求对每种可能的应用场合进行一些试验工作。尽管如此，要遵守的一个主要的设计标准是两相邻斜壁部分86的综合高度（图5中由字母a标出）与壁厚之比值。该比值应该小于17。当为一种新的应用场合而制造按照本发明的压缩弹簧时，推荐的简捷步骤是制造两个或更多弹簧，相互对照和比较其尺寸和因此产生的弹簧刚度之间的关系，然后修改尺寸直至获得需要的弹簧刚度。

塑料成形和压缩弹簧专业的技术人员将会发现，对本发明做出许多修改都能获得令人满意的结果。例如，最好主要通过改变壁厚和波纹管长度取得可变的弹簧刚度。本专业的技术人员将会发现，直径的变化和波纹管角度的变化也会有效地改变弹簧刚度。另外，如图3所示，在型坯较厚的壁部可做出槽96以改善弹簧的压缩特性。这些槽96可利用模66上的棱94来形成。另外，波纹管的侧壁和其连接角可呈各种形状和半径。不过，我们推荐很小的半径，这样从实用观点构成顶点。其它可改善弹簧功能的修改包括在弹簧内径和活塞杆28之间的滑配合，以及从顶部和底部的壁径向延伸的较厚的凸缘。很重要的一点是，弹性材料技术领域的人员将会发现，在某些应用场合也可使用除Hytrel

之外的弹性材料。在波纹管结构方面，在壁上可做有许多孔以避免在波纹管中积液，或用做限流孔。

本发明的压缩弹簧的成形方法也可包括各种改进。例如，压缩弹簧可以直接在一个模中成形，而无需首先做成图2所示的型坯。同样，挤压吹模法和旋转模制成形都可取得合格的弹簧。本专业技术人员可做出上述和其它改变而并不超出权利要求书中限定的本发明的范围。

Claims (16)

1、一种在车辆撑杆组件中的改进的回跳缓冲器弹簧，所述车辆撑杆组件具有一缸体，一活塞和从缸体中穿过的活塞杆，撑杆组件连接于车身和车轮组件之间，用于缓冲车辆的弹簧系统，所述回跳缓冲器弹簧具有：

a.由塑性应变与弹性应变之比大于1.5比1的弹性材料制成的一长形件，所述长形件装在所述撑杆组件中以消除噪音，振动和路面冲击；

b.所述长形件具有斜壁部分和连接角以形成一波纹管形；

c.在至少一方向上使所述长形件塑性变形从而使所述长形件的斜壁部分和连接角的分子结构定向；

d.所述长形件的尺寸使得两相邻斜壁部分的综合高度与壁厚之比值小于17；

e.所述斜壁部分的长度和所述壁厚至少在所述长形件的一段上是变化的，以便提供可变的弹簧刚度；以及

f.所述长形件具有一个长度，以便在所述弹簧系统回跳时缓冲一个大于3毫米的距离，并且在其行程的一部分提供最初的柔软的弹簧刚度，而在其行程的其余部分提供较高的弹簧刚度。

2、按照权利要求1所述的回跳缓冲器弹簧，其特征在于：所述的波纹管预压缩变形超过其长度的30%，以便形成一压缩永久变形，使所述弹簧在其后的工作中弹回到这一压缩永久变形。

3、按照权利要求1所述的压缩弹簧，其特征在于：所述长形件是圆筒形的。

4、一种在车辆撑杆组件中的改进的回跳缓冲器弹簧，所述撑杆组件具有一个缸，一个活塞和一个在所述缸中穿过的活塞杆，所述撑杆组件连接于车身和车轮组件间，用于缓冲车辆弹簧系统，所述回跳缓冲器弹簧具有：

a.由塑性应变与弹性应变之比大于1.5比1的弹性材料制成的长形件，所述长形件安装在所述撑杆组件中以便消除噪音，振动和路面冲击;

b.在至少一个方向上使所述长形件作一些塑性变形，使所述长形件的分子结构定向;

c.所述长形件的尺寸使得两相邻壁部的高度与其壁厚之比值不超过17;以及

d.所述长形件具有一个长度以便在所述弹簧系统回跳时缓冲一个大于3毫米的距离，并且在其行程的一部分提供最初的柔软的弹簧刚度，而在其行程的其余部分提供较高的弹簧刚度。

5、按照权利要求4所述的压缩弹簧，其特征在于：

a.所述长形件由壁部和连接部构成，具有手风琴样的横截面形状;

b.所述长形件沿着其长度的至少一部分的尺寸是变化的以便提供可变的弹簧刚度;以及

c.在所述长形件的轴向和径向上使长形件做一些塑性变形，使长形件的分子结构定向。

6、按照权利要求4所述的压缩弹簧，其特征在于：所述壁部和壁部厚度的尺寸是变化的，以提供可变的弹簧刚度。

7、按照权利要求4所述的压缩弹簧，其特征在于：所述长形件是圆筒形的，并具有变化的直径以提供可变的弹簧刚度。

8、由可定向的热塑性弹性材料制成的压缩弹簧，具有：

a.由塑性应变与弹性应变之比大于1.5比1的弹性材料制成的长形件;

b.所述长形件具有壁部和连接角以形成一波纹管形状;

c.至少在一个方向上使所述长形件塑性变形，从而使所述长形件的壁和角的分子结构定向;

d.所述中空长形件的尺寸使得两相临壁部的综合高度与壁厚之比值小于17;以及

e.至少在所述长形件长度的一部上所述壁部的长度和所述壁的厚度是变化的，以便提供可变的弹簧刚度。

9、按照权利要求8所述的压缩弹簧，其特征在于：所述长形件是圆筒形的。

10、由可定向的热塑性弹性材料制成的压缩弹簧，具有：

a.由塑性应变与弹性应变之比大于1.5比1的弹性材料制成一长形件;

b.在至少一个方向上，所述长形件经过一些塑性变形，因而所述长形件的分子结构是定向的;以及

c.所述长形件的尺寸使得两相临壁部的综合尺寸与壁厚之比值不超过17。

11、按照权利要求10所述的压缩弹簧，其特征在于：

a.所述长形件是由壁部和连接部构成的，具有手风琴样的横截面形状;

b.所述长形件沿其长度的至少一部分的尺寸是变化的，以提供可变的弹簧刚度;以及

c.在所述长形件的轴向和径向上，所述长形件经过一些塑性变形，因而长形件的分子结构是定向的。

12、按照权利要求10所述的压缩弹簧，其特征在于：所述壁部的尺寸和壁厚是变化的，以提供可变的弹簧刚度。

13、按照权利要求10所述的压缩弹簧，其特征在于：所述长形件是圆筒形的，具有变化的直径，以提供可变的弹簧刚度。

14、用可定向的热塑性材料制造压缩弹簧的方法，具有以下步骤：

a.成形一中空长形型坯，其壁厚沿型坯长度是变化的;

b.加热所述型坯;

c.将所述型坯插入一压模中，该压模具有环形突起和凹陷以形成一波纹管形模面;

d.向所述型坯的一表面加压，使其另一表面与所述压模的突起和凹陷接触，并保持压力直至所述型坯呈现所述突出和凹陷的形状;以及

e.向所述波纹管形件加力压缩至少原尺寸的30%，以便使所述波纹管形件的分子结构定向。

15、按照权利要求14所述的方法，其特征在于：所述力加在波纹管形件的轴向上。

16、用弹性材料制造压缩弹簧的方法，具有以下步骤：

a.将一个由拉伸特性为塑性应变与弹性应变之比大于1.5比1的弹性材料注射入一个具有基本为圆筒形的，其厚度沿长度方向是变化的空腔的模中以形成一中空长形型坯;

b.将所述型坯插入一压模中，该压模具有环形突起和凹陷以形成不同长度的壁部和不同角度的连接部;

c.向所述型坯的一表面加压，使型坯另一表面与所述模的突起和凹陷接触，并保持压力直至所述型坯呈现所述突起和凹陷的形状;以及

d.向所述波纹管形件施加压力至少压缩至原尺寸的30%，以便使所述波纹管形件的分子结构定向并形成永久性压缩变形。

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