CN109676952A - 具有集成眼衬套的由纤维增强塑料制成的板簧的制造方法，以及由纤维增强塑料制成的板簧 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纤维增强塑料板簧(1)和一种用于制造纤维增强塑料板簧(1)的方法，该板簧(1)特别适用于机动车辆。它具有纵长的板簧主体(2)，该板簧主体(2)包含在第一端部处的第一眼衬套和在第二端部处的第二眼衬套(12)。在这种情况下，板簧主体(2)以及第一和第二眼衬套(11、12)使用复合材料(例如预浸料)的至少第一层(13)和第二层(14)形成，每个层(13、14)沿着板簧主体(2)的中心线(18)被引导以形成板簧主体(2)，并且分别围绕具有第一中心轴(z3)的衬套元件(3)和围绕具有第二中心轴(z4)的衬套元件(4)包裹以形成第一和第二眼衬套(11、12)。本发明的进一步特征在于，在第一步骤中，第一层(13)在第一圆周方向()上围绕第一衬套元件(3)和围绕第二衬套元件(4)包裹，并且在第二步骤中，第二层(14)在与第一圆周方向()相反的第二圆周方向()上围绕第一衬套元件(3)和第二衬套元件(4)包裹。

Description

具有集成眼衬套的由纤维增强塑料制成的板簧的制造方法， 以及由纤维增强塑料制成的板簧
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的特征的特别是车辆中的悬架系统的由纤维增强塑料制成的板簧或复合板簧的制造方法。本发明还涉及一种如权利要求10所述的由纤维增强塑料制成的板簧。
背景技术
用纤维增强塑料部件或复合部件替换钢部件是未来机动车辆或汽车的成本和重量优化解决方案的重要工具。其中的一个示例是由纤维增强复合材料制成的板簧，其重量为比可比钢部件低多达60％。
此外，纤维增强复合材料的机械性能提供了优于传统材料的进一步优势。由纤维增强复合材料制成的板簧(也被称为复合板簧)比钢更容易地吸收能量，并且当安装在减震装置的弹簧系统中时改进车辆的乘员的乘坐舒适性。除了比钢弹簧更大的抗疲劳性之外，复合材料中材料失效的开始是渐进的并且因此可提前识别，从而使避免金属部件的突发、灾难性故障成为可能。此外，纤维增强塑料板簧易于抵抗典型的环境条件。它们具有耐腐蚀性并且可抵抗冬季的盐害以及油、汽油和电池酸液。相比于金属，复合板簧也不必涂覆有保护性防腐涂料。
复合板簧通常通过将增强纤维布置在塑料材料(例如环氧基质或其他聚合物树脂的基质)中来制造。通常，纤维材料以网或卷的形式提供，并且在铺叠在模具中之前在模具中被切割成一定尺寸。然后将它们以彼此相距一定距离放置在模具中，然后模具填充树脂或另一种可比聚合物。形成板簧的化学反应通过热处理引发。另一种典型的复合材料是预浸料。在预浸料的情况下，使用替代的制造方法。在这种情况下，形成由预浸有活性树脂的织物制成的纤维基质半成品或纤维增强树脂体系以通过压制和热处理得到复合板簧。
此外，为了安装或装配板簧，一个或多个所谓的眼衬套设置在板簧的端部处。将这些圆柱形衬套集成在由纤维增强塑料材料制成的板簧的端部处而不破坏纤维轮廓以便获得具有集成附接装置的强健、长寿命和成本效益的塑料板簧是个挑战。
在现有技术中，US 2012/0211931A1公开了一种复合板簧，该复合板簧由嵌入在固化树脂中的纤维增强体制成，具有中心部分和相对的端部部分。纤维以多层网布置，该多层网以连续网的形式实质上完全延伸到复合板簧的中心部分和任何端部部分上。网材料本身具有多个股线，这些股线沿着网在纵向方向上(即在纤维增强体的长度的方向上)延伸。此外，网包含一排横向延伸的元件，这些元件相对于纤维增强体的长度横向地(倾斜地或总体上垂直地)延伸。
此外，US 3,900,357的教导描述了用于由纤维增强复合材料制成的板簧的各种弹簧配置和制造方法以及其在机动车辆中的应用的可能性。所公开的是使用细丝或纤维作为应力吸收器。纤维抵靠彼此平放并且通过合适的基质材料保持在一起，其中在单个层片中这些纤维实质上在相同的方向上延伸。可以将预浸有基质材料的多个层片组合以产生多层层状结构。然后，板簧可以以具有两层复合材料的螺旋的方式封装。在这种情况下，尤其首先将第一螺旋形层包裹在左旋螺旋中，并且然后将第二螺旋形层围绕整个板簧包裹在右旋螺旋中。
US 4,414,049的目的是具体说明一种用于制造具有可变横截面和可变厚度的板簧的方法。在这种情况下，细丝材料在螺栓或衬套元件之间编织为单个连贯的股线以便形成板簧。在这种情况下，合并螺栓或衬套元件越多，板簧的横截面越大。
US 9,194,451 B2涉及一种用于以纤维复合材料制造板簧的方法，其中在至少一个轴向端部处形成轴承眼。在这种情况下，首先制备预浸料的条带并且在条带的相应端部处配置轴承眼。为了形成板簧的基本结构，多个预浸料条带上下布置以形成预浸料堆叠。以这种方式制造的板簧仅由单一材料构成，并且在轴向端部中的至少一个处具有集成到板簧中的轴承眼。因为板簧不包含不同材料的配对，所以在操作中，通过至少一个轴承眼传递到板簧的静态力和动态力容易地集中在板簧的中心部分中作为拉伸和压缩应力，并且因此最终转换为热能。
JP 57124141 A通过以下方式增加了板簧的端位置孔眼部分的强度：板簧的两个端部部分围绕衬套的开头包裹并且剩余部分与板簧的中心部分缝合或编织在一起。这使得即使在简单制造的情况下在孔眼部分的区域中实现高强度成为可能。
US 4,565,356示出了将纤维材料与衬套连接以便减少板簧的应力集中的可能性。在这种情况下，衬套包含具有中心开口的管状部分，其中肋束从管状部分向外延伸。
US 4,749,534还公开了一种复合板簧的制造方法，其目的在于通过改变板簧的宽度来更好地分配载荷。在这种情况下制造的板簧还配备有附接眼。附接眼和板簧之间的连接通过金属插入件来建立。
EP 0 215 365 A2涉及一种纤维增强塑料板簧，其中圆柱形衬套存在于端部处并且由纤维束包围，并且保持装置附接在中间。本发明提供了形成从衬套延伸到衬套的纤维束以便包围衬套，并且在穿过衬套之后，在连续纤维束处终止。
从US 4,468,014中已知的方法提供一种复合板簧，该复合板簧通过将彼此间隔开的层定位在模具中并随后将材料浇注到该空间中或者将芯材料注入到层之间的空间中来制造。优选地，形成模具的壳体具有恒定的宽度和厚度以便降低制造成本。在大多数常见的汽车应用中，弹簧在中间部分具有最大厚度的点(在那里弯矩最大)，并且朝向每个端部逐渐变细。
US 4,696,459提供一种具有两个板形加强元件的塑料板簧。根据一个有利实施例，加强元件通过螺栓彼此连接并且连接到板簧的端部。
发明内容
鉴于这里提出的现有技术，由纤维增强塑料或复合材料制成的板簧的制造方法仍然留有改进的空间。因此，本发明是基于提供一种用于具有集成眼衬套的由纤维增强塑料制成的高强度、长寿命、重量轻且有成本效益的板簧的改进的制造方法的目的，其中特别是相同或均匀的壁厚在板簧的任何地方都可以实现。本发明还基于提供这种板簧的目的。
根据本发明，该目的通过用于制造特别是适合于应用在机动车辆中的纤维增强塑料板簧的方法(具有权利要求1的特征)和通过特别是用于机动车辆的纤维增强塑料板簧(具有权利要求10的特征)来实现。在从属权利要求中公开了本发明的其他有利配置。
应当指出的是，在以下说明书中单独指定的特征和措施可以以任何技术上期望的有意义的方式彼此组合，并且公开了本发明的进一步配置。该说明书特别是结合附图进一步表征和具体说明本发明。
本发明提出了一种用于制造例如通常用于机动车辆的纤维增强塑料板簧的方法。无论是由金属还是纤维增强塑料制成的板簧都具有纵长的板簧主体。该板簧主体几乎总是弯曲的。为了充当弯曲弹簧，纵长的主体的两个端部和弯曲的顶点都适当地安装。当力作用在弯曲弹簧上时，例如由道路中的坑洞引起，弯曲弹簧随着曲率的减小而变形。在该过程中，来自碰撞的能量在板簧中转换为内能。一旦移除力，弯曲弹簧就会试图恢复到其初始形状，也就是说其原始曲率半径。两个眼衬套设置在用于安装板簧的板簧主体的端部。至少两个眼衬套具有两个通常为圆柱形的衬套元件，该衬套元件配置为金属插入件，并且每个都具有中心轴。
在纤维增强塑料板簧的情况下，主体和眼衬套两者都由至少两层塑料和/或复合材料(例如预浸料)制成。在这种情况下，原则上使用上述已知的制造方法是可能的。根据本发明，每个层沿着板簧的中心线被引导以形成板簧主体。中心线连接衬套元件的中心轴并且复制板簧的曲率轮廓。中心线的一种可能的轮廓是沿着形成板簧的主体的两层的接触表面。在纵长的板簧的端部区域中，这些层围绕衬套元件的中心轴包裹以形成两个眼衬套。
本发明的特征在于，在第一步骤中，第一层在第一圆周方向上围绕第一衬套元件包裹并且在相同的圆周方向上围绕第二衬套元件包裹。因此，板簧的中心线优选地不交叉或相交。在第二，特别是随后步骤中，第二层在与第一圆周方向相反的第二圆周方向上围绕两个衬套元件包裹，以使中心线优选地不再相交。这种包裹方法允许将衬套元件强健、长寿命、重量轻且有成本效益地集成到板簧中，其中各个层的纤维轮廓不会被中断。在两层的包裹结束之后，衬套元件(例如金属衬套)被纤维增强复合材料完全包围并且因此稳定地集成到板簧中。
在本发明的可选改进的情况下，在第二步骤之后的另一步骤中，附加层在每种情况下在交替的圆周方向上围绕第一和第二衬套元件包裹，其中至少在第三步骤中第三层在第一圆周方向上围绕第一衬套元件并且在相同的第一圆周方向上围绕第二衬套元件包裹。
换句话说，多于两层的纤维增强塑料材料用于形成塑料板簧。这产生了例如用于更重的车辆的更稳定并且能够支撑更大载荷的悬架系统。在这种情况下，这些层在相对于彼此交替的圆周方向上围绕衬套元件包裹。例如，如果第一层在顺时针方向上围绕两个衬套元件包裹，则第二层在逆时针方向上围绕两个衬套元件包裹。最后，第三层再次在顺时针方向上围绕两个衬套元件包裹，而第四层再次在逆时针方向上围绕两个衬套元件包裹。重复这一过程直到已实现纤维增强塑料的所需壁厚。
根据本发明的制造方法的有利实施例，每个层沿着中心线在仅一个层片中被引导。在纤维增强塑料的壁厚随每个添加层均匀增长的情况下，重要的是确保每层始终沿着中心线在一个层片中被引导。因此，应该避免层的双层片引导，例如折叠和返回。
一种有利的方法变体提供每个层仅沿中心线的一侧被引导，其中这些层在中心线的各自的不同侧上交替地被引导。在纤维增强塑料的壁厚在中心线的两侧上均匀增长的情况下，重要的是确保当使用多层的纤维增强塑料时，层总是沿着中心线在交替侧上被引导。因为，由于在第一和第二圆周方向上的交替包裹方向而导致各个层的端部位于眼衬套区域中的中心线的相对侧上并且在仅一个层片中沿着中心线延伸，所以在眼衬套的区域中和在板簧主体的区域中形成整体均匀的壁厚是可能的。
在本发明的有利改进的情况下，第一和第二眼衬套的区域中的层彼此相对布置，其中每个层完全包围第一和第二眼衬套的区域中的各自的下层。也就是说，每个层完全包围两个眼衬套的区域中的各自的下层。因此，新层的起点和终点被选择为位于主体和眼衬套之间的过渡区域中。一旦第一眼衬套被包裹并且下层已经被完全覆盖，至少沿着圆周，也就是说在圆周方向上，该层沿着中心线被引导并且围绕第二眼衬套包裹，以使下层再次被完全覆盖。这种包裹的方式意味着在两个眼衬套的区域中的壁厚或纤维增强塑料的使用材料在圆周上的每个点处是相同的。由于每层沿中心线在一个层片中被引导并且各自的层的起点和终点位于中心线的不同相对侧的事实，纵长的板簧主体的壁厚或材料厚度也对应于眼衬套区域中的壁厚或材料厚度。因此，板簧的壁厚总体上是均匀的。这样产生了改进的弹簧性能和增加的使用寿命。
特别优选地，根据本发明的方法使用奇数层，优选三层或五层。
在根据本发明的方法的一个可选实施例中，在使用奇数层的情况下，中心线形成曲线，并且布置在具有较小曲率半径的中心线的一侧上的层的数量大于布置在具有较大曲率半径的一侧上的层的数量。因此，具有较小曲率半径的中心线那一侧上的壁厚大于具有较大曲率半径的那一侧上的壁厚。因此，即使在相对高的载荷下，板簧在张力加载的区域中也更强。
优选地，在根据本发明的方法中，每个层(也就是说每个层片)整体地实现。因此，这些层不是由连接在一起的多个不同区域构成。这简化了制造过程。特别地，对于每个层，提供塑料和/或复合材料(例如预浸料)的连续条带，条带的长度取决于其位置。因此，在距衬套元件的各自的中心轴较小径向距离处的层的条带比在距衬套元件的各自的中心轴较大径向距离处的层的条带更短。这一方面使随着每层增加的眼衬套的圆周均衡，并且另一方面使各自的起点和终点的偏移均衡。
根据优选的方法变体，衬套元件可以被实现为一件式金属衬套或者以具有外金属套筒、内金属套筒和橡胶类插入件(特别是橡胶插入件)的多个部件实现。
在引言中提及的本发明的类型的板簧具有纵长的板簧主体，该板簧主体具有在第一端部处的第一眼衬套和在第二端部处的第二眼衬套。在这种情况下，板簧主体和第一和第二眼衬套使用塑料和/或复合材料(例如预浸料)的至少第一层和第二层形成。每个层沿着板簧主体的中心线被引导以形成板簧主体，并且为了形成第一和第二眼衬套，分别围绕具有第一中心轴的衬套元件和围绕具有第二中心轴的衬套元件包裹。根据本发明的板簧的特征在于，每个层沿着中心线在一个层片中延伸，第一层在第一圆周方向上围绕第一衬套元件包裹并且在相同的圆周方向上围绕第二衬套元件包裹以使第一层沿着中心线的第一侧延伸。第二层在与第一圆周方向相反的方向上围绕第一衬套元件包裹并且在相同的圆周方向上围绕第二衬套元件包裹以使第二层沿着中心线的与第一侧相对的第二侧延伸，其中板簧主体和第一和第二眼衬套分别具有均匀的壁厚。因此，每个其他的层可以交替延伸以便形成均匀的壁厚。
附图说明
在以下附图说明中公开了本发明的其他有利配置。在附图中：
图1是具有集成眼衬套的根据本发明的板簧的示例性实施例的示意性侧视图；
图2是图1的示例性实施例的第一眼衬套的示意性侧视图；以及
图3是图1的示例性实施例的第二眼衬套的示意性侧视图。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的部件总是设有相同的附图标记，因此所述部件通常也仅描述一次。
图1示出了根据本发明的板簧1的示例性实施例，该板簧1由纤维增强塑料或复合材料制成，该板簧1具有板簧主体2，该板簧主体2具有用于将板簧1安装和/或固定例如在车辆减震装置的弹簧系统中的第一和第二集成衬套元件3、4。第一衬套元件3包含外金属套筒5、内金属套筒7和橡胶插入件9。第二衬套元件4也包含外金属套筒6、内金属套筒8和橡胶插入件10。所描述的板簧1是轴对称的并且具有弧形或弯曲轮廓。虚线的中心线18是连接第一衬套元件3的中心轴z3和第二衬套元件4的中心轴z4的假想线。中心线18复制板簧1的曲率轮廓。如果板簧1经历机械载荷，则曲率减小。当移除载荷时，曲率将恢复到其原始轮廓。
根据本发明的制造方法的示例性实施例的包裹顺序通过图2和图3中的第一眼衬套11和第二眼衬套12的示意性侧视图以相同的方式示出。纤维增强复合材料的各种层13、14、15、16和17(例如树脂垫的层)根据以下方法顺序包裹：
·在第一步骤中，第一层13在如由所示的箭头方向所示的第一圆周方向上顺时针地围绕第一衬套元件3包裹(图2)。然后，第一层13沿着板簧1的中心线18被引导并且最终在第一圆周方向上顺时针地围绕第二衬套元件4包裹(图3)。
·在第二步骤中，第二层14在如由所示的箭头方向所示的第二圆周方向上逆时针地围绕第一衬套元件3包裹(图2)。然后，第二层14沿着板簧1的中心线18被引导并且最终在第二圆周方向上逆时针地围绕第二衬套元件4包裹(图3)。
·在第三步骤中，第三层15在如由所示的箭头方向所示的第一圆周方向上顺时针地围绕第一衬套元件3包裹(图2)。然后，第三层15沿着板簧1的中心线18被引导并且最终在第一圆周方向上顺时针地围绕第二衬套元件4包裹(图3)。
·在第四步骤中，第四层16在如由所示的箭头方向所示的第二圆周方向上逆时针地围绕第一衬套元件3包裹(图2)。然后，第四层16沿着板簧1的中心线18被引导并且最终在第二圆周方向上逆时针地围绕第二衬套元件4包裹(图3)。
·在第五步骤中，第五层17在如由所示的箭头方向所示的第一圆周方向上顺时针地围绕第一衬套元件3包裹(图2)。然后，第五层17沿着板簧1的中心线18被引导并且最终在第一圆周方向上顺时针地围绕第二衬套元件4包裹(图3)。
根据板簧1的所需厚度，更多层按照需要可以根据上述顺序在其他步骤中包裹。在每个随后步骤中，各个层13、14、15、16和17以及其他层的起点和终点在板簧主体2的方向上偏移，或者相对于相应的中心轴z1或z2的各自的距离增加。
这种逐层结构允许所有区域中(在沿着板簧主体2和在眼衬套3、4的区域中)的恒定的壁厚。如果第一层13首先逆时针包裹，则覆盖层相应地交替。随着纤维增强塑料的壁厚增加，各个层的起点和终点变得距衬套元件的中心轴z3、z4更远。
附图标记列表
1 板簧
2 板簧主体
3 第一衬套元件
4 第二衬套元件
5 第一外金属套筒
6 第二外金属套筒
7 第一内金属套筒
8 第二内金属套筒
9 第一橡胶插入件
10 第二橡胶插入件
11 第一眼衬套
12 第二眼衬套
13 第一层
14 第二层
15 第三层
16 第四层
17 第五层
18 板簧主体的中心线
第一圆周方向
第二圆周方向
z3 第一眼衬套/第一衬套元件的中心轴
z4 第二眼衬套/第二衬套元件的中心轴

Claims (10)

1.一种用于制造特别是用于机动车辆的纤维增强的板簧(1)的方法，所述板簧(1)具有纵长的板簧主体(2)，所述板簧主体(2)具有在第一端部处的第一眼衬套(11)和在第二端部处的第二眼衬套(12)，
其中所述板簧主体(2)以及所述第一和第二眼衬套(11、12)使用塑料和/或例如预浸料的复合材料的至少第一层(13)和第二层(14)通过以下方式形成：
每个所述层(13、14)沿着所述板簧主体(2)的中心线(18)被引导以形成所述板簧主体(2)，并且分别围绕具有第一中心轴(z3)的第一衬套元件(3)和围绕具有第二中心轴(z4)的第二衬套元件(4)包裹以形成所述第一和第二眼衬套(11、12)，
其特征在于
在第一步骤中，所述第一层(13)在第一圆周方向上围绕所述第一衬套元件(3)并且在相同的第一圆周方向上围绕所述第二衬套元件(4)包裹，并且
在第二步骤中，所述第二层(14)在与所述第一圆周方向相反的第二圆周方向上围绕所述第一衬套元件(3)并且在相同的第二圆周方向上围绕所述第二衬套元件(4)包裹。
2.如权利要求1所述的方法，
其特征在于
在所述第二步骤之后的其他步骤中，在每种情况下，附加层(15、16、17)在交替的圆周方向上围绕所述第一和第二衬套元件(3、4)包裹，其中至少在第三步骤中，第三层(15)在所述第一圆周方向上围绕所述第一衬套元件(3)并且在相同的第一圆周方向上围绕所述第二衬套元件(4)包裹。
3.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
每个所述层(13、14、15、16、17)沿着所述中心线(18)仅在一个层片中被引导。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
每个所述层(13、14、15、16、17)仅沿着所述中心线(18)的一侧被引导，其中所述层(13、14、15、16、17)在所述中心线(18)的各自的不同侧上被交替地引导。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
所述层(13、14、15、16、17)至少在所述第一和第二眼衬套(11、12)的区域中上下布置，其中每个所述层(14、15、16、17)至少在所述第一和第二眼衬套(11、12)的区域中完全包围各自的下层(13、14、15、16、17)。
6.如权利要求2至5中任一项所述的方法，
其中包含
奇数层(13、14、15、16、17)，优选是三层或五层(13、14、15、16、17)。
7.如权利要求6所述的方法，
其特征在于
所述中心线(18)形成曲线，并且布置在具有较小曲率半径的所述中心线(18)的一侧上的层(13、15、17)的数量大于布置在具有较大曲率半径的一侧上的层(14、16)的数量。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
每个所述层(13、14、15、16、17)是一体的。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
所述第一衬套元件和/或所述第二衬套元件(3、4)具有外金属套筒(5、6)、内金属套筒(7、8)和特别是橡胶插入件(9、10)的橡胶类插入件。
10.一种纤维增强的板簧(1)，所述板簧(1)特别是通过前述权利要求中任一项所述的方法制造并且优选地用于机动车辆，所述板簧(1)具有纵长的板簧主体(2)，所述板簧主体(2)具有在第一端部处的第一眼衬套(11)和第二端部处的第二眼衬套(12)，
其中所述板簧主体(2)以及所述第一和第二眼衬套(11、12)使用塑料和/或例如预浸料的复合材料的至少第一层(13)和第二层(14)通过以下方式形成，
每个所述层(13、14)沿着所述板簧主体(2)的中心线(18)被引导以形成所述板簧主体(2)，并且分别围绕具有第一中心轴(z3)的第一衬套元件(3)和围绕具有第二中心轴(z4)的第二衬套元件(4)包裹以形成所述第一和第二眼衬套(11、12)，
其特征在于
每个所述层(13、14)沿着所述中心线(18)在一个层片中延伸，其中
所述第一层(13)在第一圆周方向上围绕所述第一衬套元件(3)并且在相同的第一圆周方向上围绕所述第二衬套元件(4)包裹，以使所述第一层(13)沿着所述中心线(18)的第一侧延伸，并且
所述第二层(14)在与所述第一圆周方向相反的第二圆周方向上围绕所述第一衬套元件(3)并且在相同的第二圆周方向上围绕所述第二衬套元件(4)包裹，以使所述第二层(14)沿着所述中心线(18)的与所述第一侧相对的第二侧延伸，其中
所述板簧主体(2)和所述第一和第二眼衬套(11、12)都具有均匀的壁厚。
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