CN114072595B - 由纤维塑料复合材料制成的柔性弹簧元件 - Google Patents
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Abstract
由纤维塑料复合材料（4，22）制成的柔性弹簧元件(1)在两个彼此相对的外侧(9,10)上具有各一个由第一纤维塑料复合材料(4)制成的覆盖层(2,3)，其中所述覆盖层(2,3)内的纤维(5)至少以成束的方式相对于彼此平行对齐并平行于各自所属的覆盖层(2,3)的外侧(9,10)伸展。所述柔性弹簧元件(1)具有至少一个弯曲部分(13,14)，在该弯曲部分(13,14)中在两个覆盖层(2,3)之间以相同间距伸展的未加载的柔性弹簧元件(1)的中间平面(8)在柔性弹簧元件(1)的轴向方向(7)上弯曲伸展。柔性弹簧元件(1)还具有至少一个轴向部分(15,16,17)，在该轴向部分(15,16,17)中未加载的柔性弹簧元件(1)的中间平面(8)没有显著的弯曲或弯曲反转。在至少一个弯曲部分（13、14）中，柔性弹簧元件（1）具有布置在两个覆盖层（2、3）之间的由与两个覆盖层(2,3)不同的材料制成的间距扩展元件(20,21)。间距扩展元件(20,21)的材料可以是具有短且无定向的纤维（23）的第二纤维塑料复合材料（22）。
Description
本发明涉及由纤维塑料复合材料制成的柔性弹簧元件，其中所述柔性弹簧元件在两个彼此相对的外侧上具有各一个由第一纤维塑料复合材料制成的覆盖层，其中所述覆盖层内的纤维至少以成束的方式相对于彼此平行对齐并平行于各自所属的覆盖层的外侧伸展，其中所述柔性弹簧元件具有至少一个弯曲部分，在该弯曲部分中在两个覆盖层之间以相同间距伸展的未加载柔性弹簧元件的中间平面在柔性弹簧元件的轴向方向上弯曲伸展，其中柔性弹簧元件具有至少一个轴向部分，在该轴向部分中未加载柔性弹簧元件的中间平面没有显著的弯曲或弯曲反转，并且其中在柔性弹簧元件的预定偏转下，在弯曲部分中向外指向布置的覆盖层部分受到拉伸，并且在弯曲部分中相对的且向内指向的覆盖层部分受到压缩。
柔性弹簧元件可以设计为一件式的并且形成柔性弹簧或柔性弹簧装置。同样可以将多个柔性弹簧元件组合成一个柔性弹簧装置并彼此有效连接。例如，单个的柔性弹簧元件可以设计成条形并且具有直的或略微弯曲的走向。具有复杂的弯曲走向和例如C形或S形造型或多个交替且回形设计的弯曲的柔性弹簧元件也是已知的。
柔性弹簧元件可以由各种材料制成。传统的柔性弹簧元件例如经常由合适的弹簧钢制成。这种柔性弹簧元件可以廉价地制造，其中柔性弹簧元件的造型可以与各自的任务设置相匹配。由弹簧钢或其他合适的金属制成的柔性弹簧元件是耐抗的并具有有利的弹簧性能。
由合适的纤维塑料复合材料制造柔性弹簧元件同样是已知的并且已经针对各种应用领域受到了检验。在此，通常使用将准无端纤维嵌入在合适的塑料基质材料中的纤维塑料复合材料。通过决定性地负责沿柔性弹簧元件传递拉伸和压缩的各个纤维的布置和取向可以促进有利的弹簧性能。与由金属制成的柔性弹簧元件相比，由纤维塑料复合材料制成的柔性弹簧元件可以具有更轻的重量和更好的对环境条件的抵抗能力，尤其是对湿气的抵抗能力。由合适的纤维塑料复合材料制成的柔性弹簧元件可以以有利的方式用于机动车辆中。
然而，由纤维塑料复合材料制造柔性弹簧元件经常与高的制造耗费相关联，并且与此随之而来的高制造成本相关联。在此，特别是在具有变化的厚度的柔性弹簧元件的情况下，为准备大量不同长度的预制的纤维塑料复合材料条带或预浸料、将它们布置在模具中及其随后的压制而产生的耗费是相当可观的并且对于制造成本经常是决定性的。
例如在US 3,968,958中描述了一种设计为基本上平面的板式弹簧的柔性弹簧元件。不同长度的预制预浸料的批量生产，特别是将它们布置在模具中及其在压力下进行的预浸料在模具中的固化过程期间的固定与相当大的并且经常仅可手动进行的耗费相关联。板式弹簧的中间部分通过布置在外部的覆盖层之间的较短形成的额外的中间层而被额外地增强。
在具有在其中柔性弹簧元件的走向改变至少超过 90°、但在许多实际应用情况中大约 180°的弯曲部分的柔性弹簧元件的情况下，弯曲部分经常比邻接的在其中柔性弹簧元件的走向没有变化或至少没有显著变化的轴向部分形成得更厚。在横向于该走向以轴向方向指向的力的作用下，柔性弹簧元件在弯曲部分中承受更高的负载。在这种情况下，在柔性弹簧元件的预定偏转下，通过该作用的力，在弯曲部分中向外指向布置的覆盖层部分受到拉伸，并且在弯曲部分中相对的且向内指向的覆盖层部分受到压缩，而柔性弹簧元件的邻接轴向部分中的覆盖层部分较少受到拉伸或压缩。
如果柔性弹簧元件是以一致的厚度或以两个覆盖层之间一致的间距来形成的，则柔性弹簧元件的厚度必须与在最大预先确定的预定的力的作用下能够出现在柔性弹簧元件的弯曲部分上的拉伸和压缩负载相匹配。在这种情况下，在邻接的轴向部分中出现明显更小的负载，因此柔性弹簧元件在一致厚度的情况下在该轴向部分中尺寸过大。那么，柔性弹簧元件的重量以及材料耗费将过大，这被认为是不利的，尤其是考虑到通常寻求的具有纤维塑料复合材料的轻型结构。
因此，本发明的目的是设计一种由塑料复合材料制成的柔性弹簧元件，从而该柔性弹簧元件可以廉价地制造，可以以简单的方式在不同的部分中与通常出现的应力相匹配并且可以具有尽可能有利的弹簧性能。
根据本发明，所述目的通过如下实现，即，柔性弹簧元件在至少一个轴向部分中仅具有两个覆盖层，并且该柔性弹簧元件在至少一个弯曲部分中具有布置在两个覆盖层之间的间距扩展元件，该间距扩展元件由不同于两个覆盖层的材料制成。已经表明，能够用很少的材料耗费和制造耗费以简单的方式通过如下实现特别有利的弹簧性能，即，在柔性弹簧元件的至少一个弯曲部分中并且优选地在多个弯曲部分中布置间距扩展元件，通过其可以增大横向于柔性弹簧元件的轴向方向测量的柔性弹簧元件的厚度。由于在预定负载下的柔性弹簧元件的弯曲应力而出现的变形力可以通过间距扩展元件被通过其而增厚的弯曲部分特别有利地吸收，并转化为弹簧能量。通过增大横向于轴向方向测量的覆盖层的间距并因此增大覆盖层距中间平面和在其中伸展的中立纤维的间距，柔性弹簧元件在弯曲部分中具有比在邻接的轴向部分中更大的变形阻力，而不必为此在覆盖层之间布置仅跨越弯曲部分延伸的额外的中间层。
在此，根据本发明，布置在弯曲部分中在两个覆盖层之间的间距扩展元件在轴向方向上具有连续变化的厚度，从而该间距扩展元件连续地从尖端开始的第一端出发连续变厚并且在中间区域中具有最大厚度，以便朝向相对的第二端逐渐变细并且同样地再次从尖端开始。以这种方式，可以避免柔性弹簧元件中突然的厚度变化，经验表明，在柔性弹簧元件的预定使用期间，这会导致负载峰值和通常非常高并且可能过度的应力。
有利的是，间距扩展元件由尽可能抗切和抗剪的材料制成。原则上可以想到，间距扩展元件例如由木材或由合适的塑料材料制成。间距扩展元件可以是预制的或事先制造的，其中所述间距扩展元件有利地已经具有与弯曲部分内的未加载的柔性弹簧元件的造型或走向相匹配的造型。
根据本发明构思的一个有利的实施方案提供了，间距扩展元件的材料是具有纤维的第二纤维塑料复合材料，所述纤维的长度在每种情况下小于30mm，优选小于10mm，特别优选小于1 mm。具有这种短纤维的第二纤维塑料复合材料可以以特别有利且廉价地加工，并赋予其间距扩展元件所需的形状。在此，各个纤维不能跨越大的区域传递拉伸力或压缩力，但这已被证明并非是必不可少的。通过在两个外置的覆盖层之间布置一个间距扩展元件，在弯曲部分中，横向于柔性弹簧元件的轴向方向测量的柔性弹簧元件的厚度可以与柔性弹簧元件的预定弯曲应力相匹配并且设计得比这两个覆盖层的总厚度厚得多。由第二纤维塑料复合材料制造的间距扩展元件可以具有小的自重。通过间距扩展元件的额外的第二纤维塑料复合材料，弯曲部分中的柔性弹簧元件的两个显著更加成本密集的覆盖层可以形成得相对较薄并且与弯曲部分内的柔性弹簧元件覆盖层的预定的或最大预期的拉伸应力和压应力相匹配。
已经证实，如果将纤维无定向布置在第二纤维塑料复合材料中，柔性弹簧元件具有特别有利的弹簧性能。嵌入第二纤维塑料复合材料的基质材料中的纤维的这种无定向布置也被称为无定向纤维。在许多应用情况中适用，第二纤维塑料复合材料中的纤维分布得越均匀，越能更有利地形成弹簧性能。第二纤维塑料复合材料中各个纤维的长度越短，就越能够容易地产生纤维在间距扩展元件中的根据本发明均匀的分布以及各个纤维彼此间均匀分布的取向。
根据本发明构思的一个特别有利的实施方案提供，第二纤维塑料复合材料具有与两个覆盖层完全一致的塑料基质材料。通过将相同的塑料基质材料用于覆盖层和布置在覆盖层之间的间距扩展元件，可以产生间距扩展元件与在两侧上邻接的覆盖层的材料锁合且无过渡的连接。由此，即使在柔性弹簧元件处于高负载的情况下，也避免了覆盖层与间距扩展元件的无意分离并且至少变得困难。
间距扩展元件可以通过在已经预制的和任选预成型的覆盖层之间引入膏状起始材料来制造。在此，根据所使用的材料，间距扩展元件也可以通过已经已知的注塑工艺来制造。然后可以将覆盖层与布置在它们之间的间距扩展元件连接在一起，并且由此制造所需柔性弹簧元件。间距扩展元件也可以通过已经已知的注塑工艺引入到弯曲部分中的已经布置在模具中的覆盖层之间。同样可以想到，将间距扩展元件在单独的工作步骤中与覆盖层分开地制造。然后，可以将覆盖层与布置在它们之间的间距扩展元件连接在一起并且成形为所需柔性弹簧元件并固化。
任选提供，柔性弹簧元件的至少一个弯曲部分中的中间平面的方向变化大于90°，优选大于150°，特别优选约180°。在其走向在轴向方向上的变化超过 150°、优选约 180°的弯曲部分的情况下，通过横向于弯曲部分的两个端部区域指向的力的作用通过弯曲部分内柔性弹簧元件的预定的变形可以被特别有效地吸收，并且在较小的空间需求下，产生高的弹簧回复力，并由此产生大的弹簧效果。
根据本发明的一种变型，有利地提供，柔性弹簧元件具有至少两个通过轴向部分彼此分开的并且在不同的方向上弯曲的弯曲部分，从而跨越这两个弯曲部分的中间平面具有S形的走向。具有至少一个S形形成的弹簧部分的柔性弹簧元件，特别是具有两个或更多个彼此邻接形成的S形弹簧部分的柔性弹簧元件能够实现对于许多应用情况而言特别有利的高弹簧力与尽可能小的空间需求的组合。多个相似或结构相同的柔性弹簧元件可以组合成一个柔性弹簧装置，该柔性弹簧装置将有利的弹簧性能与对环境影响的高抵抗能力和低自重相组合。根据本发明的柔性弹簧元件或由多个柔性弹簧元件组合而成的柔性弹簧装置因此也适合并且特别用作机动车辆中的弹簧元件。
如果两个覆盖层的第一纤维塑料复合材料具有在柔性弹簧元件的轴向方向上单向对齐的纤维，该覆盖层具有特别有利的性能。通过单向且在轴向方向上对齐的纤维，覆盖层可以吸收特别高的拉伸力和压缩力。在此，覆盖层可以具有平行于轴向方向伸展或优选地以与轴向方向成锐角伸展的纤维或纤维束。合适的纤维例如可以是玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、金属纤维或天然纤维。合适的基质材料可以是与各自的纤维匹配的塑料材料，例如合适的热固性塑料、弹性体或热塑性塑料。间距扩展元件可以具有与覆盖层相同的纤维或由其它材料制成的纤维。
任选提供，第一纤维塑料复合材料具有纤维，其长度在轴向方向上跨越整个柔性弹簧元件延伸。作用在覆盖层上的拉伸负载或压缩负载由此被准无端纤维分布在整个柔性弹簧元件上，由此降低了在过载情况下的断裂风险。
下面更详细地解释在附图中示意性示出的示例性实施例。其中：
图1示出了一个具有S形走向的柔性弹簧元件的示意性剖面图，
图2示出了图1中所示柔性弹簧元件沿图1中的线II-II的示意性剖面图，
图3示出了图1中所示柔性弹簧元件沿图1中的线III-III的示意性剖面图，
图4示出了一个根据本发明的具有多个弯曲部分的柔性弹簧元件的示意性剖面图，其确定并适合用于机动车辆中，和
图5示出了一个不同设计但同样提供用于机动车辆中的柔性弹簧元件的示意性剖面图。
在图1至3中以不同的视图示出的柔性弹簧元件1具有两个覆盖层2、3，它们各自由第一纤维塑料复合材料4制成。在这两个覆盖层2、3中各自在基质塑料材料6中如此布置无端纤维5，使得纤维5在轴向方向7上跨越整个柔性弹簧元件1延伸。轴向方向7对应于中间平面8的走向，该中间平面8在两个覆盖层2、3的两个向外指向的外侧9、10之间伸展，在每种情况下与两个外侧9、10的间距相同。在所示的示例性实施例中，中间平面 8 的走向也对应于中立纤维的走向，所述中立纤维在柔性弹簧元件 1的两个端部区域 11、12 上各自横向于轴向方向 7的预定的力的作用 F 下没有被加载。然而，同样可以想到的是，例如，两个覆盖层2、3不具有相同的厚度，因此中间平面8不一定必须对应于中立纤维的走向。
中间平面8具有S形的走向。柔性弹簧元件1具有两个弯曲部分13、14，它们具有大约180°的变化的弯曲走向，它们各自布置在轴向部分15、16、17的两个之间。两个端部区域11、12各自由轴向部分15、17形成，在所述轴向部分中，柔性弹簧元件1具有中间平面8的近似直线的走向。在两个弯曲部分13、14之间同样形成轴向部分16，在轴向部分16中，中间平面8近似直线伸展并且具有从第一弯曲部分13至第二弯曲部分14的弯曲反转。
在轴向部分15、16和17中，两个覆盖层2、3彼此直接毗连地相互连接，如图3中示意性所示。嵌入覆盖层2、3的基质塑料材料6中的纤维5基本上平行于有关覆盖层2、3的各自的外侧9、10伸展并且在轴向方向7上跨越整个柔性弹簧元件1延伸。各个纤维5的取向因此在图3中所示的剖面图中垂直于成像平面并且在图1中所示的剖面图中在成像平面内伸展。在预定作用在柔性弹簧元件上的力F下，纤维5基本上沿着在弯曲部分13、14中向外指向的外侧部分18受到拉伸，并且沿着在弯曲部分13、14中向内指向的外侧部分19受到压缩。
在两个弯曲部分13、14中各自形成一个间距扩展元件20、21。间距扩展元件20、21在弯曲部分13、14内的两个覆盖层2、3的向外指向的外侧部分18与向内指向的外侧部分19之间产生更大的间距，并且由此产生柔性弹簧元件 1在相关弯曲部分 13、14的区域中的有利的弹簧性能。
两个间距扩展元件20、21具有近似镰刀形的造型。在此，根据本发明，布置在两个覆盖层2、3之间的各自的弯曲部分13、14中的间距扩展元件20、21在轴向方向上具有连续变化的厚度，从而间距扩展元件20、21从尖端开始的第一端出发连续变厚并且在中间区域中具有最大厚度，以便朝向相对的第二端逐渐变细并且同样地再次从尖端开始。以这种方式，可以避免柔性弹簧元件 1中突然的厚度变化，经验表明，这会在柔性弹簧元件 1 的预定使用期间导致负载峰值和通常非常高并且可能过度的应力。两个间距扩展元件 20、21 不必必然地相对于中间平面 8 对称设计。
两个间距扩展元件20、21中的每一个都由第二纤维塑料复合材料22制成。第二纤维塑料复合材料22具有与第一纤维塑料复合材料4相同的基质塑料材料6，因此间距扩展元件20、21材料锁合地且均匀地与两个邻接的覆盖层2、3连接，而没有在间距扩展元件20、21与邻接的覆盖层2、3之间形成可能损害柔性弹簧元件1的机械强度的界面。
在第二纤维塑料复合材料22的基质塑料材料6中布置短纤维23，所述短纤维23具有优选一致的1mm至5mm的长度。短纤维23在间距扩展元件20、21中是无定向对齐的，从而在第二纤维塑料复合材料22的基质塑料材料6中存在短纤维23的基本上均匀的分布和在所有方向上对齐的分布。
如此安排间距扩展元件20、21的尺寸，特别是对于各自的横向于中间平面8的走向的厚度，使得柔性弹簧元件1在通常出现的力的作用的预定范围内具有有利的弹簧性能并且基本上排除了对柔性弹簧元件1的损坏。同时，还如此确定覆盖层2、3的尺寸，使得柔性弹簧元件1的预定用途跨越预定的使用时间能够进行，但尽可能少地使用用于覆盖层2、3和间距扩展元件20、21的材料，从而根据本发明的柔性弹簧元件1在特别小的自重的情况下具有有利的弹簧性能。
在图4和5中示出了各一个根据本发明设计的具有多于两个或具有总共四个弯曲部分24的柔性弹簧元件1。各个弯曲部分24分别布置在与两侧邻接的轴向部分15、16、17之间。图4和图5中示例性示出的柔性弹簧元件1中的每一个均具有多个S形设计的并且彼此转向的柔性弹簧部分。在四个弯曲部分24的每一个中，布置有各一个间距扩展元件25，其由具有短且无定向的纤维23的第二纤维塑料复合材料22构成，所述纤维23嵌入基质塑料材料6中。
各个间距扩展元件25不必具有完全一致的造型。相反，各个间距扩展元件25与各自的柔性弹簧元件1的走向7或与相关弯曲部分24的走向7相匹配。
在图4中所示的实施例中，两个端部区域11、12大致彼此平行对齐并在相反方向上开始，其中通过柔性弹簧元件1的固定而预先确定的并且预定的力的作用垂直作用于两个端部区域11、12上。在图5中所示的实施例中，两个端部区域11、12同样彼此平行对齐并且同样在相反方向上开始，但是预定的力的作用近似在通过端部区域11、12的取向预先确定的方向上或平行对齐地作用在端部区域11、12上。
Claims (11)
1.由纤维塑料复合材料(4，22)制成的柔性弹簧元件(1)，其中所述柔性弹簧元件(1)在两个彼此相对的外侧(9,10)上具有各一个由第一纤维塑料复合材料(4)制成的覆盖层(2,3)，其中所述覆盖层(2,3)内的纤维(5)至少以成束的方式相对于彼此平行对齐并平行于各自所属的覆盖层(2,3)的外侧(9,10)伸展，其中所述柔性弹簧元件(1)具有至少两个弯曲部分(13,14,24)，在该弯曲部分(13,14,24)中在两个覆盖层(2,3)之间以相同间距伸展的未加载的柔性弹簧元件(1)的中间平面(8)在柔性弹簧元件(1)的轴向方向(7)上弯曲伸展，其中柔性弹簧元件(1)具有至少一个轴向部分(15,16,17)，在该轴向部分(15,16,17)中未加载的柔性弹簧元件(1)的中间平面(8)没有显著的弯曲或弯曲反转，并且其中在柔性弹簧元件(1)的预定偏转下，在弯曲部分(13,14,24)中向外指向布置的覆盖层部分(18)受到拉伸，并且在弯曲部分(13,14,24)中相对的且向内指向的覆盖层部分(19)受到压缩，其特征在于，柔性弹簧元件(1)在至少一个轴向部分(15，16，17)中仅具有两个覆盖层(2，3)，并且柔性弹簧元件(1)在至少两个弯曲部分(13、14、24)中具有布置在两个覆盖层(2，3)之间的由不同于两个覆盖层(2，3)的材料制成的间距扩展元件(20，21)，所述柔性弹簧元件(1)具有至少两个通过轴向部分(15、16、17)彼此分开的并且在不同的方向上弯曲的弯曲部分(13,14,24)，从而跨越两个弯曲部分(13,14,24)的中间平面(8)具有S形的走向。
2.根据权利要求1所述的柔性弹簧元件(1)，其特征在于，所述间距扩展元件(20,21)的材料是具有纤维(23)的第二纤维塑料复合材料(22)，其长度在每种情况下小于30mm。
3.根据权利要求2所述的柔性弹簧元件(1)，其特征在于，所述间距扩展元件(20,21)的材料是具有纤维(23)的第二纤维塑料复合材料(22)，其长度在每种情况下小于10mm。
4.根据权利要求2所述的柔性弹簧元件(1)，其特征在于，所述间距扩展元件(20,21)的材料是具有纤维(23)的第二纤维塑料复合材料(22)，其长度在每种情况下小于1mm。
5.根据权利要求2所述的柔性弹簧元件(1)，其特征在于，所述第二纤维塑料复合材料(22)中的纤维(23)是无定向布置的。
6.根据权利要求2-5任一项所述的柔性弹簧元件(1)，其特征在于，所述第二纤维塑料复合材料(22)具有与所述两个覆盖层(2，3)完全一致的基质塑料材料(6)。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的柔性弹簧元件(1)，其特征在于，所述柔性弹簧元件(1)的至少两个弯曲部分(13，14，24)中的中间平面(8)的方向变化大于90°。
8.根据权利要求7所述的柔性弹簧元件(1)，其特征在于，所述柔性弹簧元件(1)的至少两个弯曲部分(13，14，24)中的中间平面(8)的方向变化大于150°。
9.根据权利要求7所述的柔性弹簧元件(1)，其特征在于，所述柔性弹簧元件(1)的至少两个弯曲部分(13，14，24)中的中间平面(8)的方向变化为180°。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的柔性弹簧元件(1)，其特征在于，两个覆盖层(2，3)的第一纤维塑料复合材料(4)具有在柔性弹簧元件(1)的轴向方向(7)上单向对齐的纤维(5)。
11.根据权利要求10所述的柔性弹簧元件(1)，其特征在于，所述第一纤维塑料复合材料(4)具有纤维(5)，其长度在轴向方向(7)上跨越整个柔性弹簧元件(1)延伸。
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