CN115916501A - 用于连接机械部分的压缩-拉伸部件 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于连接两个机械部分的纤维增强塑料压缩‑拉伸部件。该部件具有连接两个联接单元的弯曲连接构件。弯曲连接构件的一部分具有基本U形横截面几何形状。U形横截面几何形状可以包括具有向外延伸的翼片的直立部分。该压缩‑拉伸部件的几何形状使其能够替换由金属制成且具有不同几何形状的更重压缩‑拉伸部件。

Description

用于连接机械部分的压缩-拉伸部件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年7月1日提交的美国临时申请第63/046,958号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及压缩-拉伸部件，其被用来连接对部件施加张力、压缩或两者的机械部分。这种压缩-拉伸部件被用于车轮结构，例如，作为车轮组件的悬挂臂。然而，本文提供的材料和概念可以应用于任何连接结构，这些结构必须在施加张力和/或压缩应力下执行，其中两个机械部件被连接以将移动从一个部分传递至另一部分。

背景技术

正在努力提高各种类型车辆的燃料性能。在该工作的一个方面，可以通过最小化部件部分的重量同时保持部分的强度和耐久性来提高燃料性能。通常，从钢到铝到塑料部件，特别是纤维增强塑料(FRP)的过渡正在被仔细研究。考虑到钢的密度通常在7.75至8.05g/cm³之间，铝的密度为2.7g/cm³，而塑料的密度约为0.6g/cm³至约3.0g/cm³，这令人感兴趣。纤维增强塑料的密度取决于基体塑料、用于增强的纤维以及纤维的含量，并且密度可从1.0g/cm³到3.8g/cm³变化。

通过从比钢和铝更低的密度开始，纤维增强塑料可以显著减少部件部分重量。然而，通常，当试图用纤维增强塑料直接替代压缩-拉伸部件中的铝或钢时，FRP部分在比原始铝或钢部分更低的压缩和/或拉伸负载下失效。

通常，压缩-拉伸部件的结构受形状和几何要求的限制，这进一步加剧了FRP部分的更低失效负载。许多这样部分是非笔直的(例如，可能是弯曲的或如下文进一步定义的)且必须适配至被其他部件和结部分所限制的空间中。此外，部分必须包括与其他机械部分联接的组件的要求导致进一步的设计困难。

因此，需要一种FRP压紧-拉伸部件，例如悬挂臂组件的非笔直部分，其既要满足强度和刚度的要求，同时也符合几何设计约束。

发明内容

本发明在第一结构实施例中提供了一种用于连接两个机械部分的压缩-拉伸部件，包括：非笔直连接构件，其具有两个端部以及位于连接构件的每个端部处的联接单元；其中，压缩-拉伸部件包括纤维增强塑料，压缩-拉伸部件的平均密度为1.8g/cm³或更小，并且连接构件的至少一部分包括大体U形的横截面几何形状。

在该第一结构实施例的一个方面，压缩-拉伸部件的连接构件的至少一部分包括呈对称U形的横截面几何形状。在实施例中，U形可以被描述为"C形"或"C形通道"。

在该第一结构实施例的一个方面，压缩-拉伸部件的连接构件的至少一部分包括呈部分对称U形的横截面几何形状。在另一实施例中，该U形可以被认为是不对称的。

在第一结构实施例的一个方面，纤维增强塑料包括选自由碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维组成的组的至少一种纤维，其可以包括但不限于选自诸如玄武岩、石墨或Zylon和其他各种材料的族的纤维，并且在一个特殊方面，纤维增强塑料包括碳纤维。

在第一结构实施例的另一方面，大体U形结构包括水平基底和两个大体竖直直立部分，其中直立部分中的至少一个包括翼片，其在该直立部分的端部以与直立部分的内表面成一定角度向外延伸。在另一特殊方面，两个直立部分都包括翼片。在根据这些方面的构造中，翼片的至少一个从直立部分的端部水平向外延伸。

在其他实施例中，至少一个翼片从直立部分的端部以自直立部分在水平方向上方或下方成一定角度向外延伸。

在第一结构实施例的另一个方面，大体U形结构包括水平基底和两个大致竖直直立部分，其中直立部分中的至少一个可以包括或不包括翼片。在一个实施例中，如果存在翼片，则翼片可以或不可以在直立部分的端部以与直立部分的内表面成一定角度向外延伸。在一个实施例中，两个直立部分都不具有翼片。

在第一个结构实施例的一个方面，U形结构包括一个水平基底和两个大体竖直直立部分。这些直立部分可以彼此相等或不相等。此外，直立部分中的至少一个包括翼片，其在直立部分的端部处以与直立部分的线成一角度向外延伸，并且在该方面的特殊形式中，两个直立部分均包括翼片，其在直立部分的端部处以与直立部分的内表面成一定角度向外延伸。根据这些方面，翼片中的一个或两个可以以与直立部分的内表面水平地向外延伸。

在第一结构实施例的另一个方面，纤维增强塑料包括连续纤维，并且在该方面的特殊形式中，连续纤维可以是单向的或者织造成织物或其组合。在该方面的另一种特殊形式中，连续纤维可以在整个压缩-拉伸部件的结构中以基本均匀微结构设置。根据这些方面，连续纤维的束可以从1K到80K。

在第一结构实施例的更详细方面，压缩-拉伸部件的连接构件的横截面几何形状随着从连接构件的内部的区域朝每个联接单元延伸而独立变化，包括基本U形结构的横截面几何形状存在于该区域中。

在第一结构实施例的这些更详细方面的进一步描述中，翼片的水平向外延伸部在连接构件的内部区域中最大并且在朝向非笔直连接构件的每个端部的每个方向上减少。

在第一结构实施例的这些更详细方面的进一步描述中，连接构件靠近联接单元的横截面几何形状可以包括水平基底，其具有与连接构件的内部的基本U形结构不同的至少一个竖直部分。

在一个明确实施例中，本发明提供一种用于车辆的悬挂臂。

在该明确实施例的进一步方面，悬挂臂包括位于连接构件中的至少一个附接单元，并且另外，该至少一个附接单元包括用于插入紧固装置的腔体。

在第一结构实施例的另一个方面，连接构件使得在拉伸或压缩分析下确定的轴向应力的符号变化最小化。

在第一实施例的另一个方面，压缩-拉伸部件是采用主流复合材料技术制成的模制结构，该技术可以包括但不限于片状模塑料(SMC)技术、预浸料(纤维-树脂组合)技术和/或液体模制技术(RTM或各种其他类型)。

在其他明确实施例中，本发明包括一种悬挂构件，包括：具有两个端部以及位于臂的每个端部处的开口的非笔直臂；其中，悬挂构件包括纤维增强塑料，悬挂构件的平均密度为1.8g/cc或更小，并且悬挂构件包括基本U形的横截面几何形状。

进一步包括一种汽车悬挂构件，包括：具有两个端部以及位于臂的每个端部处的开口的非笔直臂；其中，汽车悬挂构件包括碳纤维增强塑料，并且臂通过压缩模制工艺制成，并且臂包括基本U形的横截面几何形状。

进一步包括一种悬挂构件，包括：具有两个端部以及位于臂的每个端部处的开口的弯曲或非笔直臂；其中，悬挂构件包括纤维增强塑料并且非笔直臂通过低流量SMC模制工艺制成，悬挂构件包括基本U形的横截面几何形状。

上述段落是以一般介绍的方式提供的并不意图限制以下权利要求的范围。参照以下结合附图的详细描述，可以最好地理解所描述的实施例以及进一步的优点。

附图说明

当结合附图来考虑时，参照下面的详细说明，对本公开及其许多附带优点的更全面理解将更容易获得以及变得更好理解，其中：

图1A示出了现有技术中铝制悬架臂的等距正透视图。

图1B示出了图1A的现有技术铝制悬挂臂的侧视图。

图1C示出了图1A的现有技术铝制悬架臂的俯视图。

图2A以截面标记示出了图1A的现有技术铝制悬挂臂的侧视图。

图2B-2K各自示出了沿线2B-2K截取的相应横截面图。

图3A示出了悬挂臂的等距正透视图。

图3B示出了图3A的悬挂臂的侧视图。

图3C示出了图3A的悬挂臂的顶部平面图。

图4A以截面标记示出了图3A的悬挂臂的正面俯视图。

图4B-4K各自示出了沿线4B-4K截取的相应横截面图。

图5A显示了悬挂臂的前透视图。

图5B显示了图5A的悬挂臂的侧视图。

图5C显示了图5A的悬挂臂的顶部平面图。

图5D是沿线5D截取的横截面图。

具体实施方式

本发明人进行了广泛的研究，这些研究涉及用重量更轻的纤维增强塑料(FRP)材料和特定三维设计来替代铝制压缩-拉伸部件，特别是用于车辆车轮组件的悬挂臂。

下文的方法和描述可以应用于用FRP制成的部件替换金属压缩-拉伸部件，特别是用于车辆车轮组件的悬挂臂且甚至更特别是具有非笔直形状的悬挂臂。因此，注意到，尽管下面描述中许多涉及悬架臂，但要描述的材料和结构总体适用于设计为在压缩和/或拉伸应力发挥作用的任何部件。

材料

纤维增强塑料材料是本领域技术人员公知的，其包含至少一种树脂成分和至少一种增强纤维。

树脂成分可以是热塑性树脂或热固性树脂，并且每种类型的树脂都可以应用于选定的最终使用装置。例如，热塑性树脂可包括聚酰胺，例如但不限于PA6和PA66或聚丙烯，而FRP行业中已知的热固性树脂包括环氧树脂和乙烯基树脂。通常，当单元由片状模制工艺生产时，采用热固性树脂；而当由注射模制形成时，采用热塑性树脂。这些示例并不是限制性的，并且本发明中也包括行业中常规采用的树脂。

增强纤维可以包括至少一种主流复合材料增强纤维，其可以包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维，其可以包括但不限于选自诸如玄武岩、石墨或Zylon和其他各种材料的族的纤维。在一些实施例中，碳纤维可以是优选的，碳纤维增强塑料(CFRP)在本领域中众所周知。

纤维在树脂基质中可以是连续的或不连续的。在不连续增强塑料的情况下，纤维在增强塑料基质中随机定向并被树脂彼此粘连。不连续纤维的长度可以从0.5到100mm变换，可替代地为25-50mm。

装置设计和三维几何形状

压缩-拉伸部件，特别是用于车辆车轮组件的悬挂臂，可在其端部处承受拉伸或压缩负载，且因此可制成为笔直杆，例如在其整个最长轴线上呈具有基本相似横截面的大体棱柱形状的杆。因此，笔直杆部件所承受的负载将解析为纯轴向拉伸或压缩应力状态，其由施加的负载除以横截面面积(P/A)给出。在理想情况下，压缩-拉伸部件可以呈图5A-5C中所示笔直杆形式。图5A-5C的构件所承受的负载可解析为纯轴向拉伸或压缩应力状态，其由施加的负载除以横截面积(P/A)给出。

然而，由于相邻部分的位置和要求，其他几何约束可能排除了笔直杆几何形状。这些约束可能要求部件装配至复杂三维空间构造中，该构造通常包括部件结构的弯曲。这些一个或多个弯曲的结果是非笔直或弯曲部分，如图1A-1C和图3A-3C中所示。

这些几何形状的弯曲产生了弯曲应力，其叠加于结构部分/部件/元件所经历的纯轴向拉伸或压缩应力且反过来大大增加了部件所经历的整体应力状态。整体应力状态可以为P/A计算的标称轴向应力状态的3到7倍。这些弯曲应力可以通过部件的厚度而变化并可以在中性轴线上改变符号。此外，根据部件的几何形状，应力可以为使得在给定的位置处，其可以改变应力状态的符号。例如，如果部件被压缩加载，则部分可以在大多数位置处经历压缩应力，但在特定点处，应力状态可以转变符号且成为纯粹拉伸。在应力状态的符号发生变化的位置处，存在应力集中点，并且这种点会导致部件在压缩-拉伸部件(如悬挂臂)的负载下过早失效。因此，压缩-拉伸部件的设计必须考虑到这些应力点。

本发明人还发现，材料必须与部件几何形状相一致以最大化效用。使用错误的材料将导致性能更低部分，其可能不适于代替现有金属部分，如悬挂臂。

该示例描述了一种对于传统上采用的铝制悬架臂的重量减轻替代悬架臂。尽管该示例公开了一种压缩-拉伸臂的明确实施例，但本发明并不意图仅局限于该明确实施例而是包括本文所公开的作为压缩-拉伸部件使用的多个实施例方面。

因此，在第一实施例中，本发明提供了一种用于连接两个机械部分的压缩-拉伸部件10，包括：

非笔直连接构件12，其具有两个端部14/16以及位于连接构件的每个端部处的联接单元18/20；其中，压缩-拉伸部件包括纤维增强塑料，压缩-拉伸部件的平均密度为1.8g/cc或更小，并且连接构件的至少一部分包括大体U形的横截面几何形状。更特别地，连接构件的包括基本U形横截面几何形状的一个或多个部分被发现位于连接构件12的非笔直部分中、中央部分中或者接近或位于端部处或其一些组合。图3C示出了连接构件的一部分44，其包括基本U形横截面几何形状。

根据结构约束(这些约束可能被强加在根据该第一实施例的压缩-拉伸部件上)，连接根据的结构可以发生变化。例如，在一个方面，连接根据12的至少一部分包括具有对称U形的横截面几何形状。例如，图4D-4F所示的横截面示出了对称U形。在一个实施例中，对称U形可以被认为是具有"相等的"的大体竖直直立部分26/28。在其他实施例中，横截面几何形状具有非对称U形。例如，图4G-4H所示的横截面示出了非对称U形。在又一实施例中，部件部分的横截面几何形状可以沿其长度在对称和非对称U形之间变化。例如，基于图4D-4F的对称U形和图4G-4H的非对称U形是沿非笔直连接构件12的长度截取的横截面的事实，这种对称和非对称U形横截面的变化是显而易见的。在优选实施例中，如图4A的连接构件12，对称和非对称U形之间的变化可以平滑地发生。然而，在可替代实施例中，这种变化可以是突然的。在一些实施例中，连接构件的横截面几何形状沿连接构件的长度独立变化。非对称U形可以通过直立部分26/28的长度或角度或通过翼片30/32或其他结构的存在或不存在和/或翼片延伸部的角度或长度而是非对称的。

在压缩-拉伸部件的另一详细方面中，大体U形部分44可以由水平基底24形成，其具有顶部表面38和两个大体竖直直立部分26/28。在一个实施例中，大体竖直直立部分在沿连接构件12的长度的某些横截面处从水平基底的顶部表面突出，形成处于90°-130°，优选地90°-120°，更优选地90°-110°范围内或大约100°或大约95°的内部角度40。在本实施例中，90°角度可被视为完全竖直。如图4E所示，该内部角度40是由直立部分的内表面48和水平基底的顶部表面38形成。在另一实施例中，某些横截面可以具有与顶部表面形成垂直角度的一个或两个大体竖直直立部分，这意味着一个或两个直立部分完全竖直。

在可替代实施例中，一个或两个直立部分26/28可以突出到水平基底的底部46下方。其示例示出在图5D中，其中可替代连接构件的横截面具有直立部分60，其突出至水平基底62的上方和下方。

如上述实施例所述，"U形"描述了仅由三条线段组成的U型：基底和两侧。在可替代实施例中，U形可以更接近于连接两个线段的弯曲的基底部分。在另一实施例中，可以使用V形横截面或者可以在连接构件的一部分中存在V形截面替代U形，但处于本公开和本文提出的权利要求的目的，这种形状应被视为U形。在相关实施例中，连接构件12或压缩-拉伸部件10是"非笔直"的意味着存在于笔直构造或几何形状的实质偏差(例如，参见对于笔直构造的一种变型的现有技术压缩构件--其中的中心构件基本笔直，尽管有某些突出部从那里突出)。优选地，非笔直连接构件或非笔直压缩-拉伸部件是弯曲的。然而，在其他实施例中，非笔直部分可以是成角度的、曲弯的、锯齿状的，或成角度部段与弯曲部段的组合。

在一个实施例中，连接构件的一个或多个部分可以不具有一个或两个大体竖直直立部分。例如，在图4B的横截面处的连接构件没有任何大体竖直直立部分，而图4J和4K的横截面只显示一个大体竖直直立部分26。沿着连接构件在具有和不具有大体竖直直立部分的区域之间的长度，大体竖直直立部分的高度可以平滑地变化。

在一个实施例中，连接构件12的一部分或整个长度可以有结构脊34/36，其位于水平基底的顶部表面38上。在一个实施例中，连接构件可以具有结构脊34/36，如图3C所示，其从连接构件的第一端部14和第二端部16朝彼此延伸。在此，结构脊可以在其朝彼此延伸时从顶部表面平滑地降低高度并可变得与顶部表面平齐。例如，在图4D和图4H的横截面中，结构脊(分别为36和34)是可见的，但在图4E-4G的横截面中，结构脊不存在。

如前所述，连接构件的至少一部分包括基本U形横截面几何形状。在一个实施例中，U形横截面可以存在于连接构件的内部区域中。在一个实施例中，内部区域可以大约为连接构件的中间三分之一。在另一实施例中，内部区域可以是连接构件的任何长度，但不延伸到连接构件的任何一个端部。在另一实施例中，内部区域的长度包括连接构件的中点或中间，或包括连接联接单元18/20的中心的线段的中点。

在一个实施例中，基本U形部分44的长度可以用连接构件的长度来表示，其中两个大体竖直直立部分26/28均存在。该长度可以是连接构件12的长度的50-95％，优选地60-90％，更优选地70-85％，或约80％。

在压缩-拉伸部件的另一细节方面，大体U形部分可以包括水平基底24和两个大体竖直直立部分26/28，其中，直立部分的至少一个的端部包括翼片30/32，其以与直立部分的内部48和外部表面52成一定角度向外延伸。在此，以一定角度向外延伸的翼片是指翼片的顶部表面42与直立部分的内部48和/或外部表面52形成处于45°-135°，优选地60°-120°，更优选地70°-110°，甚至更优选地75°-105°范围中的角度。

在另一方面中，两个直立部分各自包括单个翼片，例如，如图4D-4I所示。在一个实施例中，翼片的顶部标面42基本平面。此外，在连接构件12的侧向横截面中，例如图4D–4I，翼片的顶部标面42的线基本平行于水平基底38的顶部表面。换言之，一个或两个翼片30/32可以从直立部分26/28水平向外延伸。然而，在其他实施例中，或在连接构件的某些横截面中，一个或两个翼片30/32可以以这种方式向外延伸使得翼片的顶部表面42成一定角度而不基本平行于水平基底38的顶部表面。

在一个实施例中，一个或两个翼片30/32均可以沿着连接构件的长度从直立部分26/28以不同长度向外延伸。例如，图3C中的翼片30/32的顶部表面可以看到为随着一个顶部表面从连接构件的端部朝连接构件的中间三分之一移动而进一步延伸远离水平基底38的顶部标面。在可替代实施例中，一个或两个翼片可以从直立部分的端部向内延伸。在另一可替代实施方案中，一个或两个翼片可以从直立部分向内且向外延伸。

连接构件12的横截面几何形状可以随着从位于连接构件的内部的区域朝每个联接单元18/20延伸而独立地变化，包括大体U形结构44的横截面几何形状存在于该区域中。在一个或多个翼片30/32水平向外延伸的方面，翼片的水平向外延伸可以在连接构件12的内部区域中最大并在朝向连接构件的每个端部延伸的每个方向上减少，例如在图3C中所示。

在一个实施例中，水平基底的顶部标面38在侧向方向上可以是笔直的，但在纵向方向上是弯曲的。例如，如图4B-4K的整个横截面所示，顶部标面38看起来水平。然而，在连接构件12的整个长度上且如图3B和4A的侧视图所显示的，顶部表面遵循曲线。从任何一个连接构件端部14/16开始，顶部标面遵循正曲率，然后是负曲率，然后是正曲率。在一个实施例中，具有负曲率的顶部表面的长度可以是连接构件12的长度的30-70％，优选地40-60％。连接构件12的总长度可以定义为从第一端部14到第二端部16的直线的长度，或者可替代地可以定义为联接单元18/20之间的距离。

连接构件12的长度可以处于10-50cm，优选地15-40cm，更优选地20-35cm，甚至更优选地25-32cm，或28-35厘米地范围中或约30cm。在一个实施例中，连接构件12的宽度可以处于2.8-8cm，优选地3.2-7.2cm的范围中并且可以在连接构件12的整个长度上变化。联接单元可以包括具有直径处于2.5-5.5cm、优选地3.0-5.2cm，更优选地3.4-5.0cm的范围内的圆柱形孔。直立部分26/28和翼片30/32的侧壁厚度可处于2-10mm、优选地3-8mm，更优选地4-7mm的范围内。直立部分26/28可独立地从水平基底的顶部表面38延伸，其最大高度处于1.0-5.0cm、优选地1.5-4.5cm、更优选地2.2-4.0cm或2.3-3.5cm的范围内。翼片30/32可以独立地从直立部分26/28延伸，其最大长度处于3-20mm、优选地4-10mm的范围内。水平基底24的厚度可处于5-20mm、优选地6-15mm，更优选地7-12mm的范围内。结构脊34/36可以从水平基底的顶部表面38延伸，其最大高度处于2-10mm、优选地3-8mm的范围内。在可替代实施例中，连接构件的横截面可以在水平基底的顶部表面上居于一个以上结构脊或者可以具有位于直立部分的内部或外部表面48/52、翼片30/32或水平基底的底部46上的一个或多个结构脊。例如，在图5D中，压缩-拉伸部件56的可替代实施例具有线性连接构件58，其在顶部和底部表面具有三个结构脊58。

在一个实施例中，沿连接构件12的最小横截面面积可以处于200-550mm²、优选地250-500mm²，更优选地300-480mm²，甚至更优选地350-450mm²的范围内。在一个实施例中，沿连接构件12的最大横截面面积可以处于2400-900mm²、优选地500-800mm²，更优选地600-780mm²，甚至更优选地650-750mm²的范围内。

压缩-拉伸部件10的质量可以处于200-500g、优选地250-450g，更优选地280-400g，更优选地300-380g，更优选地320-370g的范围内。压缩-拉伸成分10的密度可处于0.9-3.5g/cc、优选地1.0-3.0g/cc，更优选地1.2-2.8g/cc，甚至更优选地1.3-2.2g/cc或1.2-2.0g/cc，1.3-1.8g/cc，1.3-1.7g/cc的范围内或大约1.5g/cc。在一个实施例中，压缩-拉伸部件10的密度可以是2.5g/cc或更小，2.2g/cc或更小，2.0g/cc或更小，1.8g/cc或更小，1.6g/cc或更小，1.5g/cc或更小。

在一个实施例中，水平基底46的底部在侧向方向上也可以是笔直的，例如，如图4B和4C的横截面中所示。底部46也可以有略微向上弯曲的部段，如图4D、4H和4I的横截面所示。底部46可以进一步具有成角度或斜面部分50，如图4E、4F、4G、4J和4K中所示。与水平基底的顶部表面38在纵向方向上弯曲类似，水平基底46的底部的一个或多个表面在从一个端部到另一端部穿越连接构件12时可以弯曲。这在图3B和4A的侧视图中可以观察到，其中底部46的最低点被观察为具有一系列正和负曲率，正如对水平基底的顶部表面38所讨论的那样。在一个实施例中，底部46的最低点可以上升到压缩-拉伸部件10的中心轴线上方，例如，其中，中心轴线由连接两个联接单元18/20的中心的线段确定。在一个实施例中，结构脊34可以从底部46的一部分突出，如图4J所示。

在一个实施例中，结构脊34/36的顶部处于同一个几何平面内，并且其高度在从连接构件的端部延伸时降低是水平基底的顶部表面38遵循弯曲路径的结果。

在该压缩-拉伸部件10的第一实施例的另一方面，连接构件12在联接单元附近的横截面几何形状可以包括水平基底24，其具有与连接构件的中心区域附近的横截面的基本U形结构不同的至少一个直立部分。例如，在图4C和4J-4K中可以可见。

纤维增强塑料可包括一种或多种主流增强纤维，通常选自由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和适合这些纤维内的所有纤维组成的组，这些纤维可以包括但不限于玄武岩和石墨。玻璃纤维和碳纤维可以是优选的，且碳纤维可以是最优选的。

在该第一实施例的另一方面，纤维增强塑料可以包括连续纤维且连续纤维可以是单向的、织造成织物或其组合。在一个特殊方面，连续纤维在整个压缩-拉伸部件的结构中以基本均匀微结构设置。

连续纤维的束可以是1K到80K，优选地2到30K且最优选地3到15K。

在第一实施例的又一方面，压缩-拉伸部件10是由三种主流复合材料技术(片状模塑料(SMC)技术、预浸料(纤维-树脂组合)技术和/或液体模制技术(如树脂传递模塑(RTM)或其他类型))中的一种或其组合制成的模制结构。SMC在使用时可以表现出低流动(例如，材料装料的高模具覆盖)或高流动(材料装料的低模具覆盖)。

片状模塑料(SMC)是一种复合片状材料形式，其通常以卷或卷筒形式可用，可供模制。片状材料是由切碎的且通常是随机分布的纤维束/股组成，夹设在热固性树脂薄膜层之间。该树脂可以是聚酯、环氧树脂、乙烯基酯或其他聚合物的组合。纤维的长度在0.5in.到4in.之间变化，且通常为1到2in.。然而，在一些应用中，也使用连续(无限长，如本领域所理解的术语)纤维，特别是作为局部增强物。从SMC卷或卷筒中，根据需要模制的部分的总体形状切割出更小的一个或多个部分，并且通常将多层堆叠在彼此底部以达到部分的需要厚度、体积或重量。这种堆叠被称为装料。与部分的最终形状相比，装料可以小，即会发生明显的材料流动(移动)，使得材料呈现出所需的形状，且该过程通常被称为标准或高流动模制。否则，可以使装料与最终部分的形状完全一致或接近完全一致，从而使材料在模制期间的最小流动(移动)，且这通常被称为低流动或净形状模制。装料的形状和尺寸对部分的性能有很大影响。然后，SMC装料通常被放置在匹配的金属模具中以经过应用加热和加压的固化过程以转化为最终部分。该过程通常被称为压缩模制。然而，存在例外情况，SMC装料可以用其他方法进行固化，包括但不限于非金属模具、开放模具和高压锅循环。

预浸料是一种复合材料片状材料形式，通常以卷形式可用。片状材料由连续(无限长)纤维的薄层组成，通过对碳纤维的单独束进行铺展和准直而获得，这些纤维已经用部分固化(称为B阶段)的树脂浴进行了预浸渍。这种热固性树脂通常是环氧树脂，但也可以包括酚醛树脂、氰酸酯树脂、双氰胺树脂或其他热固性聚合物。纤维通常都在纵向(卷)方向上排列，称为零方向，且因此被称为单向预浸料。否则，纤维可以以不同的方向织造在一起，包括但不限于所谓的平纹或斜纹且通常被称为织造织物。从预浸料卷中，通常会根据需要模制的部分的特定形状切割出多个更小部分，并且通常会将多层材料彼此相邻且彼此上下定位以达到部分的所需形状、厚度和体积。这些部分的每一个的定向也非常重要，这是由于卷材料只具有一个或几个有限材料定向，且每个部分通过厚度的方向导致所谓的所需堆叠顺序。这种操作可以从有点粗糙到极其精细和详细且通常被称为嵌套操作。将这些小部分设置成多层和彼此相邻的子部段以达到所需形状被称为铺层操作。嵌套、堆叠顺序和铺层程序对部件的性能有巨大影响。然后，预浸料铺层通常被放置在模具工具内，包括但不限于匹配的金属模具或单面非金属模具以经历固化过程，其通常但不总是应用热、真空和压力，以转化为最终部分。固化过程可以在烤箱、高压锅(一种加压烤箱)和加热压力机中进行，但也可以使用其他方法。

液体模制是复合材料加工技术的族，其利用液体热固性树脂来灌注或注射预成型层或一系列干纤维层。灌注或注射可以在一个开放模具或匹配的模具中进行，其可以是金属或非金属的。热固性树脂通常是环氧树脂。一个或多个预成型干纤维层通常被称为预制件且可以通过多种过程获得，包括但不限于编织、各个平面层热成型、切割和喷涂或通过类似于用预浸料执行的嵌套、堆叠、铺层操作来定位干纤维的各个小部分。纤维可以是连续的(无限长)和不连续的(有限长)。干纤维预制件的定向、堆叠和成型对部件的性能有很大的影响。然后，预制件通常被置于模制工具内部，包括但不限于匹配的金属模具或单面非金属模具以进行注射或灌注过程，借助该过程，液体树脂混合物(如树脂、催化剂和固化剂)浸润并包覆整个干预制件。灌注或注射可以在仅真空、高压、低压以及真空和压力组合的情况下进行。在该点处，固化过程初始(其通常但不总是应用热、真空和压力)以将干预制件周围的液体树脂转化为固体复合材料最终部分。固化过程可以在烤箱、高压锅(一种加压烤箱)和加热压力机中进行，但也可以使用其他方法。基于注射/灌注、固化和模制方法的多样性，液体模制过程包括各种子类型过程，包括但不限于树脂转移模制(RTM)、真空辅助树脂转移模制(VaRTM)、液体树脂灌注(LRI)、液体压缩模制(LCM)、真空辅助树脂灌注(VARI)和其他。

在第一实施例的另一方面，当压缩-拉伸部件在压缩加载应力下被分析时，连接构件的内部的大体U形结构不包括压缩-拉伸应力切换点。在另一方面，当在压缩负载应力下分析压缩-拉伸部件时，连接构件12的长度的至少80％不包括压缩-拉伸应力切换点。在其他实施例中，当压缩-拉伸部件10在压缩负载应力下进行分析时，连接件12的长度的至少82％、至少85％或至少90％不包括压缩-拉伸应力切换点。在一个实施例中，压缩负载应力可以是至少1kN、至少5kN、至少7kN、至少10kN、至少15kN、至少20kN或至少25千牛的压缩或拉伸负载的结果。在一个实施例中，压缩负载应力可以是不超过30kN、不超过25kN、不超过20kN、或不超过15kN的压缩或拉伸负载的结果。

在一个特定实施例中，第一实施例的压缩-拉伸部件10是用于车辆的悬挂臂。车辆的悬挂臂可以在连接构件中包含至少一个联接单元或附接单元18/20，并且在另一方面，该至少一个联接单元包括用于插入紧固装置的腔体。优选地，悬挂臂的每各端部都包括联接单元18/20，如图3A-3C所示。在一个实施例中，连接构件12可以具有侧附接结构22，如图3A、3B和图4J的横截面所示。在其他实施例中，或在不同的术语中，压缩-拉伸部件可以被用作或视为稳定杆、摇摆杆、摇摆杆连接件、控制臂、汽车悬挂臂或悬挂臂组件的一部分。

根据本发明的一个优选实施例，如果连接构件横跨其长度被分为Y个等距部段，则在压缩或拉伸分析下，轴向应力在连接构件的上表面或下表面上横跨至少50％的Y部段，优选地横跨至少60％的Y部段，更优选地横跨至少80％的Y部段，且最优选地横跨100％的Y部段没有符号变化。

示例

本发明的方法被应用于替换图1A-1C所示的铝制悬挂臂。图1B示出了根据本发明的一个实施例针对碳纤维增强塑料(CFRP)替换所研究的传统铝制悬挂臂的侧视图，且图1C示出了同一悬挂臂的顶视图。图2B-2K显示了沿图2A所示的铝制悬架臂对应于线2B-2K的横截面。锻造的Al部分的质量为602g。

在传统的金属设计中，如图1A-1C的锻造铝部分，悬挂臂被设计成具有靠近眼睛所在的端部处地十字形(+)截面。十字形截面如图2B、2C和2K所示。悬挂臂向中心过渡为T形横截面(加硬梁)，如图2D-2H所示。

在这项研究中，发明人确定，用CFRP直接替代锻造铝来制造相同形状悬挂臂可以使重量减少约一半。然而，所得到的CFRP臂与锻造铝臂相比应力性能更差，且因此不能用于替代汽车中的铝悬挂臂。所得的CFRP臂在低于目标的负载下失效且没有达到预期目标。

为了给图1A-1C和2A-2K中描述的锻造Al悬挂臂准备替换CFRP部分，发明人在结构限制内重新设计了该部分并重新评估了所用材料。这涉及到减少应力峰值和改善沿悬挂臂长度的应力分布的设计。

因此，通过对设计和结构材料的协调考虑，确定并准备了合适的悬挂臂以替代原始铝单元。

上述描述是为了使本领域的技术人员能够制造和使用本发明并且是在特定的应用及其要求的背景下提供的。对本领域的技术人员来说，对优选实施例的各种修改是显而易见的，这里定义的通用原则可以应用于其他实施例和应用，而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明并不打算局限于所示的实施例，而是要给予与本文所披露的原则和特征相一致的最广泛的范围。在这方面，从广义上考虑，本发明中的某些实施例可能不会显示本发明的每一个好处。

Claims (32)

1.一种用于连接两个机械部分的压缩-拉伸部件，包括：

非笔直连接构件，其具有两个端部以及位于所述连接构件的每个端部处的联接单元；

其中，

所述压缩-拉伸部件包括纤维增强塑料，

所述压缩-拉伸部件的平均密度为1.8g/cc或更小，并且

所述连接构件的至少一部分包括基本U形的横截面几何形状。

2.根据权利要求1所述的压缩-拉伸部件，其中，所述连接构件的至少一部分包括具有对称U形的横截面几何形状。

3.根据权利要求1或2所述的压缩-拉伸部件，其中，所述纤维增强塑料包括选自由碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维组成的组中的至少一种纤维。

4.根据权利要求3所述的压缩-拉伸部件，其中，所述纤维增强塑料包括碳纤维。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的压缩-拉伸部件，其中，基本U形结构包括水平基底以及两个大体竖直直立部分，其中，所述直立部分中的至少一个的端部包括以与所述直立部分成一定角度向外延伸的翼片。

6.根据权利要求5所述的压缩-拉伸部件，其中，两个直立部分的端部均包括以与所述直立部分成一定角度向外延伸的翼片。

7.根据权利要求5所述的压缩-拉伸部件，其中，所述翼片的顶部表面与所述水平基底的顶部表面基本平行。

8.根据权利要求6所述的压缩-拉伸部件，其中，两个翼片的顶部表面均与所述水平基底的顶部表面基本平行。

9.根据权利要求2-8中任一项所述的压缩-拉伸部件，其中，对称U形结构包括水平基底以及相等的两个大体竖直直立部分，其中，所述直立部分中的至少一个的端部包括以与所述直立部分成一定角度向外延伸的翼片。

10.根据权利要求9所述的压缩-拉伸部件，其中，两个直立部分的端部均包括以与所述直立部分成一定角度向外延伸的翼片。

11.根据权利要求9所述的压缩-拉伸部件，其中，所述翼片的顶部表面与所述水平基底的顶部表面基本平行。

12.根据权利要求10所述的压缩-拉伸部件，其中，两个翼片的顶部表面均与所述水平基底的顶部表面基本平行。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的压缩-拉伸部件，其中，所述纤维增强塑料包括连续纤维。

14.根据权利要求13所述的压缩-拉伸部件，其中，所述连续纤维是单向的或织造成织物或其组合。

15.根据权利要求13或14所述的压缩-拉伸部件，其中，所述连续纤维在所述压缩-拉伸部件的整个结构中以基本均匀微结构设置。

16.根据权利要求13-15中任一项所述的压缩-拉伸部件，其中，所述连续纤维的束为1K至80K。

17.根据权利要求1-16中任一项所述的压缩-拉伸部件，其中，所述连接构件的所述横截面几何形状随着从位于所述连接构件的内部的区域朝每个联接单元延伸而独立地变化，包括基本U形结构的横截面几何形状存在于所述区域中。

18.根据权利要求8所述的压缩-拉伸部件，其中，所述翼片的水平向外延伸部在所述连接构件的内部区域中最大并在朝所述非笔直连接构件的每个端部延伸的每个方向上减少。

19.根据权利要求12所述的压缩-拉伸部件，其中，所述翼片的水平向外延伸部在所述连接构件的内部区域中最大并在朝所述非笔直连接构件的每个端部延伸的每个方向上减少。

20.根据权利要求1-19中任一项所述的压紧-拉伸部件，其中，所述连接构件靠近所述联接单元的横截面几何形状包括水平基底，其具有与所述连接构件的基本U形结构不同的至少一个直立部分。

21.根据权利要求1-20中任一项所述的压紧-拉伸部件，其中，所述基本U形结构包括水平基底和两个大体竖直直立部分，

其中，所述水平基底的顶部表面具有至少一个结构脊。

22.根据权利要求21所述的压缩-拉伸部件，其中，所述水平基底的所述顶部表面具有两个结构脊，其各自从所述连接构件的相反端部朝彼此延伸。

23.根据权利要求1-22中任一项所述的压缩-拉伸部件，其中，在压缩负载应力分析下，所述连接构件的基本U形结构不包括压缩-拉伸应力切换点。

24.根据权利要求1-23中任一项所述的压缩-拉伸部件，其中，在压缩或拉伸负载下，所述连接构件的长度的至少80％不包括压缩-拉伸应力切换点。

25.根据权利要求24所述的压紧-拉伸部件，其中，所述压缩或拉伸负载为至少10kN。

26.根据权利要求1-25中任一项所述的压紧-拉伸部件，其中，所述部件是用于车辆的悬挂臂。

27.根据权利要求26所述的压紧-拉伸部件，进一步包括位于所述连接构件中的至少一个附接单元。

28.根据权利要求27所述的压缩-拉伸部件，其中，所述连接构件进一步包括侧附接结构。

29.根据权利要求27或28所述的压紧-拉伸部件，其中。所述至少一个附接单元包括用于插入紧固装置的腔体。

30.根据权利要求1-29中任一项所述的压缩-拉伸部件，其中，所述部件是由片状模塑料(SMC)、预浸树脂组合和液体模塑料中的至少一种形成的压缩模制结构。

31.一种悬挂构件，包括：

非笔直臂，其具有两个端部以及位于所述臂的每个端部处的开口；其中

所述悬挂构件包括纤维增强塑料，

所述悬挂构件的平均密度为1.8g/cc或更小，并且

所述悬挂构件包括基本U形的横截面几何形状。

32.一种汽车悬挂构件，包括：

非笔直臂，其具有两个端部以及位于所述臂的每个端部处的开口；

其中，

所述汽车悬挂构件包括碳纤维增强塑料并且所述臂由低流动模制工艺制成，并且

所述臂包括基本U形的横截面几何形状。

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