KR101750298B1

KR101750298B1 - 고강도, 경량 합성 리프 스프링 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101750298B1
Application number: KR1020157028660A
Authority: KR
Inventors: 조나단 스피젤; 벤자민 디. 필펠; 에드워드 디. 필펠; 마이클 고던
Original assignee: 폴리원 코포레이션
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2017-06-23
Also published as: US9597938B2; WO2014145585A1; MX2015012227A; CN105358860B; KR20150121248A; CN105358860A; EP2971843A1; CA2905512A1; US20140284855A1; EP2971843A4; JP2016520769A; CA2905512C

Abstract

합성 리프 스프링은 상기 합성 리프 스프링의 매트릭스에 매설 및 정렬된 섬유들로 보강된 열가소성 매트릭스 재료를 포함한다. 차량 제조자들은 오랫동안 자동차, 트럭, 다용도 트럭, 및 레저 차량의 연료 경제성을 개선하고, 탑재량 용적을 증가시키고, 승차 및 조작 특성을 강화할 목적으로 차량들의 중량을 감소시키기 위해 노력해 왔다. 대부분의 차량들에는 현가 장치에서 하중 운반 및 에너지 저장 장치로서 강철 리프 스프링을 채택된다.

Description

고강도, 경량 합성 리프 스프링 및 그 제조 방법{HIGH STRENGTH, LIGHT WEIGHT COMPOSITE LEAF SPRING AND METHOD OF MAKING}

본 발명은 일반적으로 리프 스프링(또는 판 스프링; leaf spring), 특히 자동차 및 트럭 현가 장치와 같은 용례들을 위한 합성 리프 스프링 및 상기 리프 스프링의 제조 방법에 관한 것이다.

차량 제조자들은 오랫동안 자동차, 트럭, 다용도 트럭, 및 레저 차량의 연료 경제성을 개선하고, 탑재량 용적을 증가시키고, 승차 및 조작 특성을 강화할 목적으로 차량들의 중량을 감소시키기 위해 노력해 왔다. 대부분의 차량들에는 현가 장치에서 화물 운반 및 에너지 저장 장치로서 강철 리프 스프링이 채택된다. 강철 리프 스프링의 장점으로는 그들이 에너지 저장 장치로서의 능력 뿐만 아니라 부착 연결 장치 및/또는 구조적 부재들로서 사용될 수 있다는 점을 들 수 있으나, 그들은 단위 질량 당 에저지 저장 능력의 관점에서는 다른 타입의 스프링들에 비해 대체로 효율이 저하된다. 강철 리프 스프링은 본질적으로 무겁고 소음과 부식에 취약하다. 이와 같은 중량은 장착 조건들 뿐만 아니라 감쇠 조건에 대한 추가의 고려 사항을 요구한다. 예를 들어, 작동 조건 하에 상기 리프 스프링의 질량을 조절하기 위해 강철 리프 스프링을 사용할 경우 종종 충격 흡수 장치가 필요하게 된다.

따라서, 단위 질량 당 고 에너지를 제공할 수 있고 따라서 경량의 조립체로 구성될 수 있는 대안적인 리프 스프링에 대한 필요성이 대두된다.

본원에 설명된 양태들에 따라서, 합성 리프 스프링의 매트릭스에 매설 및 정렬된 섬유들로 보강된 열가소성 매트릭스 재료를 포함하는 합성 리프 스프링이 제공된다.

도 1은 실시예들에 따른 평평한 제 2 스테이지를 갖는 하이브리드 합성 리프 스프링 조립체의 개략 설명도.
도 2는 도 1의 하이브리드 합성 리프 스프링의 주(또는, 일차) 스테이지의 단면도.
도 3은 실시예들에 따른, 강철 메인 리프(main leaf) 및 평평한 합성 제 2 스테이지 하중 리프(load leaf)를 포함하는 합성 리프 스프링의 대안적 구성을 설명하는 개략도.
도 3a는 실시예에 따른, 강철 메인 리프 및 만곡된 형태의 합성 제 2 스테이지 하중 리프를 포함하는 합성 리프 스프링에 대한 추가의 구성을 설명하는 개략도.
도 4는 실시예에 따른, 일체형 부착 아이(eye)들을 포함하는 완전 합성 리프 스프링의 사시도를 설명하는 개략도.
도 5는, 실시예들에 따른 상승 속도 장착 구성(rising rate mounting configuration)을 나타내고, 현가 조절 아암 및 스프링으로서 기능하는, 실시예들에 따른 합성 현가 조절 아암의 부분 사시도를 나타내는 개략도.
도 5a는 실시예들에 따른, 가로 방향으로 장착된 전체 합성 리프 스프링의 개략도.
도 6은 뒷차축용 위치 설정 부재로서의 라미네이트를 포함하는, 실시예들에 따른 합성 리프 스프링의 다른 구성을 사용하는 프레임 조립체에서의 후부 현가 장치 외팔보의 부분 사시도.
도 7은 뒷차축용 위치 설정 부재로서의 라미네이트를 포함하는, 실시예들에 따른 합성 리프 스프링의 추가의 구성을 사용하는 프레임 조립체에서의 후부 현가 장치 외팔보의 사시도.
도 8은 뒷차축용 위치 설정 부재로서의 라미네이트를 포함하는, 실시예들에 따른 합성 스프링의 추가의 구성을 사용하는 프레임 조립체에서의 후부 현가 장치 외팔보의 측면도.
도 9는 5가지 타입의 리프 스프링들을 나타내는 도 9a 내지 도 9e에 대한 설명도로서, 도 9a는 표준 리프 스프링을 나타내고; 도 9b는 실시예들에 따른 아이 장착 스프링을 나타내고; 도 9c는 실시예들에 따른 테이퍼 단부형 슬라이드 스프링을 나타내고; 도 9d는 실시예들에 따른 점증형 스프링(progressive spring)을 나타내고; 도 9e는 실시예들에 따른 트레일러 스프링(trailer spring)을 나타내는 설명도.
도 10은 테이퍼형 프로파일을 형성하는 적층된 연속층들을 포함하는, 실시예들에 따른 합성 리프 스프링의 개략도.
도 11은, 도 10의 층들과 같은, 가열 및 통합된 연속층들 다음에 얻어지는 테이퍼형 스프링 프로파일을 나타내는, 실시예들에 따른 합성 리프 스프링의 개략도.
도 12는 포장형 연속층들을 포함하는, 실시예들에 따른 합성 리프 스프링의 개략도.
도 13은 포장형 연속층들, 부착 아이들 및 인서트를 포함하는, 실시예들에 따른 합성 리프 스프링의 개략도.
도 14는 연속층들을 포함하고, 상기 층들이 가열 및 통합된 후 얻어지는 만곡된 프로파일에서 나타나는, 실시예들에 따른 합성 리프 스프링의 개략도.
도 15는 포장형 층들이 가열 및 통합된 후 얻어지는 테이퍼형 스프링 프로파일을 나타내는, 실시예들에 따른 합성 리프 스프링의 개략도.
도 16은 평평하고 섬유 보강된 합성 제 2 스테이지를 포함하는, 실시예들에 따른 다중 리프 스프링의 사시도를 설명하는 개략도. 여기서는 3개의 플레이트들이 주 리프 구성의 일부로서 도시되어 있으나, 필요에 따라서는 그보다 많거나 적은 플레이트들이 채택될 수 있음은 주지의 사실이다.
도 17은 만곡되고 섬유 보강된 합성 제 2 스테이지를 포함하는, 실시예들에 따른 다중 리프 스프링의 사시도를 설명하는 개략도. 여기서는 3개의 플레이트들이 주 리프 구성의 일부로서 도시되어 있으나, 필요에 따라서는 그보다 많거나 적은 플레이트들이 채택될 수 있음은 주지의 사실이다.
도 18은 하이브리드 리프, 금속 주 리프, 및 섬유 보강된 열가소성 합성 피복재를 포함하는, 실시예들에 따른 합성 리프 스프링의 사시도를 설명하는 개략도.
도 19는 본원에 설명된 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 재료들을 포함하는, 특히 만곡된 형상에 대항하여 작동하는 외팔보 구성으로 도시된, 실시예들에 따른 합성 리프 스프링의 개략도로서, 도 19a 및 도 19b로서 도시된다.
도 20은 실시예들에 따른 부유 외팔보 구성의 개략도로서, 도 20a 및 도 20b로서 도시된다.
도 21은 실시예들에 따른 다중 링크 합성 리프 조립체의 개략도.
도 22는 실시예들에 따른 다른 다중 링크 합성 리프 조립체의 개략도.
도 23은 실시예들에 따른 또 다른 다중 링크 합성 리프 조립체의 개략도.
도 24는 실시예들에 따른 전체 가로 방향 리프의 개략도.
도 25는 외팔보 스프링으로서 기능하는, 상부 아암을 갖는, 실시예들에 따른 합성 리프 조립체 구성의 개략도로서 도 25a 및 도 25b로서 도시된다.
도 26은, 실시예들에 따른 도 27에서와 같은, 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 합성 리프 스프링/조립체를 사용하여 대체될 수 있는 코일 스프링을 사용하는 승객용 후부 현가 장치 서브-조립체 구성을 나타내는 개략도.
도 27은 실시예들에 따른 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 합성 리프 스프링/조립체를 포함하는 후부 현가 장치 서브-조립체 구성을 나타내는 개략도.
도 28은 만곡된 형태의 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 합성 리프 스프링에 대한 추가의 실시예를 나타내는 개략도.
도 29는 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 크리프 변형율 대 시간을 나타내는 그래프.
도 30은 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 인장 강도(Psi)의 그래프.
도 31은 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 영율의 그래프.
도 32는 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 인장 강도(Psi)에 대한 추가의 그래프.
도 33은 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 영율을 나타내는 추가의 그래프.
도 34는 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 압축 강도를 나타내는 그래프.
도 35는 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 압축 모듈을 나타내는 그래프.
도 36은 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 압축 강도를 나타내는 추가의 그래프.
도 37은 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 압축 모듈을 나타내는 추가의 그래프.
도 38은 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 평면내 전단 강도를 나타내는 그래프.
도 39는 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 평면내 전단 모듈을 나타내는 그래프.
도 40은 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 층간 전단 강도를 나타내는 그래프.
도 41은 본 발명의 실시예들에 따른 표본 1에 대한 크리프 변형율 대 시간을 나타내는 그래프.
도 42는 본 발명의 실시예들에 따른 표본 2에 대한 크리프 변형율 대 시간을 나타내는 그래프.
도 43은 본 발명의 실시예들의 테스트에 대한 응력 대 변형율을 나타내는 그래프.

본 발명자들은 본원에 개시된, 섬유 보강된 중합체(FRP) 재료들, 특히 섬유 보강된 열가소성 재료들로 구성되어, 예를 들면 전통적인 강철 리프 스프링보다 훨씬 경량인 조립체인 합성 리프 스프링을 개발했다. 또한, 본원에 개시된 섬유 보강된 합성 리프 스프링 및 조립체는 강철 리프 스프링보다 적은 소음을 전달하며, 작업 조건 하에서 조절을 지속하기 위한 감쇠력을 덜 필요로 하게 된다.

따라서, 중합체 합성 및/또는 합성층들이 제조되는 중합체 매트릭스는 실시예들에 따라 열가소성 매트릭스 재료를 포함한다.

열가소성 합성 재료를 형성하기 위해 상기 중합체 매트릭스 재료에 매설된 입자들 또는 섬유들은 탄소, 유리, Kevlar® 섬유, 아라미드 섬유, 상술된 재료들의 혼합물, 및 중합체 합성 재료를 형성하기 위해 중합체 매트릭스 재료에 매설된 유사물들을 포함하나, 이들에 제한되지는 않는다. 상술된 입자들 또는 섬유들에 더하여, 철분 입자들도 또한 본원에 개시된 합성 재료 내에 합체될 수 있다. 이와 같은 방식에 있어서, 상기 층들을 형성하는 플라이들은 유도 가열될 수 있으며, 따라서 재료의 플라이들을 함께 접착 및/또는 경화시킨다.

실시예들에 따라서, 섬유 강화된 열가소성 합성 리프 스프링은 일반적으로 열가소성 매트릭스 재료들, 고강도 보강 섬유들 및 기타 보강 재료들의 조합으로 구성될 수 있다. 상기 열가소성 매트릭스 재료는 다음을 포함하는 용례에 적합한 열가소성 성질을 갖는 특정 재료 또는 재료들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다: 유발 합성 재료들에 대한 바람직한 내화 특성을 제공할 수 있는 폴리비닐이딘 플루오라이드(PVDF), 폴리아미드(나일론), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 및 기타 열가소성 중합체 및 그들의 조합들. 상기 중합체 매트릭스 재료는 적합하게도 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 및 고밀도 가교 폴리에틸렌(HDXLPE)과 같은 고분자량 폴리에틸렌을 사용할 수 있으며, 특정의 낮은 성능의 용례들에 있어서는 가교 폴리에틸렌(PEX 또는 XLPE), 중간 밀도 폴리에틸렌(MDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 및 극저밀도 폴리에틸렌(VLDPE)과 같은 다른 폴리에틸렌들이 사용될 수 있다.

중량으로 열가소성 하중은 제품 시트의 사용 의도에 대한 물리적 특성 요구 조건에 기초하여 폭넓게 변할 수 있다. 합성 재료는, 열가소성 매트릭스 재료에다 섬유들을 더한 중량으로, 약 50 내지 약 15 중량 열가소성 매트릭스, 적합하게는 약 40 내지 약 20 중량, 가장 적합하게는 약 30 내지 약 25 중량의 열가소성 매트릭스 재료를 포함할 수 있다.

사용되는 보강 섬유들로는 유리 섬유(예를 들면, E-유리 및 S-유리), 아라미드 섬유(KEVLAR®), 탄소 섬유, 및 기타 고 강도 섬유들 및 그들의 조합을 포함할 수 있으나, 이들에 제한되지는 않는다. 그러나, 또한 다른 섬유들도 적합하게도, 선택적인 E-유리 및/또는 S-유리 대신에, E-유리 및/또는 S-유리와의 조합으로서 합체될 수 있다. 그와 같은 다른 섬유들로는 ECR, A 및 C 유리, 뿐만 아니라 기타 유리 섬유들; 석영, 마그네시아 알루무니노실리케이트(magnesia alumuninosilicate), 무알카리 알루미노보로실리케이트(non-alkaline aluminoborosilicate), 소다 보로실리케이트, 소다 실리케이트, 소다 석회-알루미노실리케이트, 납 실리케이트, 무알카리 납 보로알루미나, 무알카리 바륨 보로알루미나, 무알카리 아연 보로알루미나, 무알카리 철분 알루미노실리케이트, 카튬 붕산염, 알루미나 섬유, 석면, 붕소, 실리콘 카바이드, 폴리에틸렌의 탄화로부터 파생되는 흑연 및 탄소, 폴리비닐알콜, 사란, 아라미드, 폴리아미드, 폴리벤지미다졸, 폴리옥사디아졸, 폴리페닐렌, PPR, 석유 및 석탄 피치(이소트로픽), 이방성 피치, 셀룰로즈 및 폴리아크릴로니트릴, 세라믹 섬유, 예를 들면 강철, 알루미늄 금속 합금과 같은 금속 섬유 등으로부터 형성된 섬유를 포함한다.

고성능 및 가격 타당성이 요구되는 경우, Kevlar에 의해 정형화된 아라미드로부터 형성된 고강도 유기 중합체 섬유들이 사용될 수 있다. 다른 적합한 고성능의, 단향성 섬유 번들은 일반적으로 데니어(denier)당 7 그램 초과의 인장 강도를 갖는다. 이와 같은 번들형 고성능 섬유들은 더욱 적합하게는 아라미드, 확대 사슬 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 폴리[p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸](PBO), 및 폴리[디이미다조 피리디닐렌(디히드록시) 페닐렌] 중 어느 하나 또는 그들의 조합일 수 있다.

또한, 스프링을 통해 균일하게 또는 스프링의 특정 영역으로 특수한 기계적, 치수적 또는 기타 물리적 특성을 제공하기 위해, 예를 들면, 알루미늄, 강철, 및 기타 철금속 및/또는 비철금속, 플라스틱, 에폭시, 합성물, 및/또는 기타 적합한 물질들과 같은 금속 재료들이 보강물, 첨가물 또는 인서트로서 사용될 수 있다.

실시예들에 따른 주지의 사실로서, 합성 리프 스프링에 대한 재료들의 특히 적합한 조합으로서 E-유리 섬유로 보강된 나일론 매트릭스를 들 수 있다.

실시예들에 따른 리프 스프링들 및 조립체들의 다양한 구조 및 구성들이 이하에 개시된다. 다음의 상세한 설명 및 실시예들에 대한 장점으로서, 상기 리프 스프링 및/또는 조립체의 특정 구성요소 또는 모든 구성요소들은 상술된 섬유 보강된 중합체(FRP) 합성 재료들 및 선택적 추가 보강물들과, 그 재료들의 임의 조합으로 제조될 수 있음은 주지의 사실이다.

도 1에 있어서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 하이브리드 리프 스프링은 일반적으로 도면부호 10으로 표시되어 있다. 상기 하이브리드 리프 스프링(10)은 제 1 탄성률을 갖는 세장형 주 리프(12), 인장면(14), 대향 압축면(16) 및 장착부(18)를 포함하며, 상기 장착부는 상기 주 리프(12)를 차량 프레임에 결합시키기 위해 상기 세장형 주 리프(12)의 단부와 일체로 형성되는 장착 아이(eye)들로서 도시되었으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 세장형 주 리프(12)는 예를 들면 강철과 같은 적합한 재료로 구성되나, 그와 같은 금속으로 제한되지는 않는다. 선택적으로, 상기 주 리프(12)는 금속 매트릭스에 매설된 복수의 섬유들을 포함할 수 있는 금속-매트릭스 합성 재료로 제조될 수 있다. 또한, 상기 주 리프(12)는 상술된 섬유 보강된 중합체(FRP) 합성 재료들 및 선택적 추가 보강물과, 그 물질들의 임의의 조합으로 제조될 수 있다.

제한적이지는 않지만, 상기 주 리프(12)의 재료보다 낮은 탄성률을 갖는 적어도 하나의 합성 재료층은 일반적으로 상기 주 리프(12)의 압축면(16) 및 인장면(14)과 대체로 평행하게 배치 및 결합된다. 적어도 하나의 합성 재료층은 적합하게도 중합체 매트릭스에 매설된 복수의 대체로 평행한 섬유들로 제조될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 합성 재료층(20)은 상기 주 리프(12)의 인장면(14)에 결합되고, 제 2 합성 재료층(22)은 상기 주 리프(12)의 압축면(16)에 결합된다.

하이브리드 리프 스프링(10)은 대표적으로 상기 제 1 합성 재료층(20) 및 제 2 합성 재료층(22)을 상기 주 리프(12)에 부착시키고 또한 조립된 구성 요소들을 최종 하이브리드 리프 스프링의 소망의 미하중 형태와 일치하는 형태를 갖는 가열 다이를 채택한 프레스에 위치시킴으로써 제조된다. 다음에, 상기 구성 요소들은 함께 압축되고, 그를 통해 일정한 반복 가능 형태의 가열 및 압축 하이브리드 리프 스프링들의 조합이 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이와 같은 관점으로 제한되지 않으며, 몰딩과 같은 적절한 기술 분야의 당업자들에게 공지된 다른 제조 기술들도 채택될 수 있다.

실시예들에 따라, 리프 스프링(10)을 차량의 축(26)에 3지점 구성으로 결합시키기 위한 클램핑 수단(24)이 채택된다. 상술된 실시예에 있어서, 상기 클램핑 수단(24)은 U-볼트들 사이에 수용되는 리프 스프링(10)과 함께 상기 축(26) 주위로 연장하는 상기 한쌍의 U-볼트들(28)을 포함한다. 상기 U-볼트들(28)의 단부들(34)을 수용하기 위한 2쌍의 구멍들(32)을 규정하는 록킹 플레이트(30)는 상기 제 2 층의 합성 재료들(22)에 인접 위치되며, 체결구들(36)은 상기 축(26) 상으로 상기 U-볼트들 및 리프 스프링(10)을 해제 가능하게 클림핑하기 위해 상기 U-볼트들의 단부들과 나사식 결합된다. 또한, 가장 높은 응력의 영역에서 상기 리프 스프링(10)의 화물 운반 용량을 강화하기 위한 하중 리프(38)가 상기 제 2 층의 합성 재료(22) 및 상기 록킹 플레이트(30) 사이로 개입된다. 상기 하중 리프(38)는 상기 제 2 층의 합성 재료(22)에 접착될 수 있거나 또는 상기 클램핑 수단(24)에 의해 상기 제 2 층의 합성 재료와 접촉식 보유될 수 있다. 상기 하중 리프(38)는 만곡되거나 또는 평평할 수 있으며, 단면적이 변하거나 또는 변하지 않을 수도 있으며, 또한 예를 들면 금속 및/또는 합성 재료로 구성될 수 있다.

상기 리프 스프링(10)을 상기 축(26)을 따라 적절히 위치시키기 위해, 실시예들에 따라 포지셔너(40)가 상기 축(26)과 결합하며, 도 1의 예시적 실시예들에 있어서, 상기 리프 스프링(10), 상기 하중 리프(38), 및 상기 록킹 플레이트(30)를 통해 축(26) 안으로 연장하고, 그로 인해 상기 리프 스프링(10)의 위치를 상기 축(26)에 대해 고정시킨다. 상기 포지셔너(40)는 다양한 형태들을 취할 수 있으며, 설명된 실시예에서는 핀으로서 제공되나; 볼트 등도 또한 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 사용될 수 있다.

유리하게도, 본 발명자들은 도 1의 리프 스프링(10)의 구성 요소들 중 하나 또는 모두가 상술된 섬유 보강 중합체(FRP) 재료로서 제조될 수 있다는 사실을 밝혀내었다.

도 2에 도시된 바와 같이, 접착 강도를 증가시키기 위해, 접착층(42)이 상기 주 리프(12)와, 상기 접착층(42) 내에 배치되고 개략적으로 파선들로 나타낸, 각각의 보강 시트 재료층(44)을 포함하는 제 1 및 제 2 합성층들(20, 22) 사이에 삽입된다. 각각의 접착층(42)은 적합하게는 열경화성 에폭시 접착제이나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서의 다른 타입의 접착제일 수 있다. 예를 들어, 상기 접착제는 에폭시와 같은 전통적인 하나 또는 두개 부품의 액체 구조 접착제들일 수 있거나, 또는 우레탄 및 열가소성일 수 있다.

다른 실시예가 상술된 요소들이 동일한 도면 부호를 유지하는 도 3에 도시되어 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 주 리프는 예를 들어 합성층들 없는 종래의 강철 주 리프이며, 제 2 스테이지 하중 리프(138)는 실시예들에 따른 평평한 섬유 보강된 중합체(FRP) 합성 구조이며, 가장 높은 응력의 영역에서 상기 리프 스프링(10)의 화물 운반 용적을 강화하기 위해 제공된다. 도 3a는 상기 제 2 스테이지 리프(140)가 본 발명의 만곡된 FRP 합성 구조인 유사한 리프 스프링 조립체를 나타내며, 특정 중하중 용례에 적합한 감소된 중량 및 맞춤형 2차 스프링 특성을 갖는 주 리프 스프링의 강화된 2차 지지부를 제공한다.

도 4는 차량 섀시들에 부착하기 위한 각각의 단부에 원형 아이들(118)을 갖는 본 발명의 상술된 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 합성 재료로 제조된 리프 스프링(112)을 포함하는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 상기 아이들(118)은 예를 들면 상기 합성 몸체(116)에 성형 및 고정된 강철 또는 다른 금속 인서트들일 수 있거나 또는, 예를 들면 상술된 FRP 열가소성 합성 재료들을 포함하는, 상기 합성 구조에 있어서 아이를 형성하는 권선된 연속 고강도 섬유들을 갖는 특별 설계된 합성 구조체일 수 있다. 상기 스프링은 또한 일반적으로 슬리브를 사용하거나 또는 사용하지 않고서 클램핑 기구를 통해 차량의 축에 부착하도록 설계된 원형 아이들(118) 사이의 중간 지점에 또는 그 근방에 장착 영역(114)을 갖는다.

도 4에 도시된 원형 아이들(118)에 대한 대안으로서, 연결 장치가 상기 구조체에 부착하도록 채택될 수 있다. 또한, 하나의 아이(118)가 상기 리프(112)의 단부 상에 채택될 수 있으며, 상기 리프(112)의 다른 단부에는 제 2 아이(118) 대신 평평한 구조체를 포함한다.

오직 설명을 목적으로, 리프 스프링(112)이 도 1에 도시된 바와 같은 구조에 있어서 주 리프 스프링(12)을 대신하여 사용될 수 있으며, 따라서 주어진 용례를 위해 선택된 층 구성 및 보강 타입의 변형에 의해 잠재적으로 중량 저감 및 맞춤식 스프링 특성을 제공한다. 그것은 또한 어떠한 제 2 스테이지 보충 지지부들도 상기 용례에서 필요로 하지 않는 단일 스테이지 리프 스프링 단독으로 작용할 수 있다. 그와 같은 용례들로는 경량 트레일러 용례 등을 포함할 수 있다.

따라서, 본원의 실시예들에 따른 합성 리프 스프링들은 예를 들면 도 4에 도시된 바와 같은 단일 리프 디자인 또는 예를 들면 도 1, 도 3 및 도 3a에 도시된 리프 스프링 조립체와 같은 다중 스테이지 리프 디자인들을 사용할 수 있다.

실시예들에 따라, 다른 구성 요소들이 구조적 및/또는 현가 장치의 위치 설정 부재로서 사용될 수 있으며, 상기 리프 스프링은 오직 예를 들면 상기 리프 스프링이 상기 스프링의 단부(들)에 장착 아이들을 채택하거나 또는 채택하지 않을 수 있는 경우의 에너지 저장 장치로서만 사용될 수 있다.

일부 구성들에 있어서, 도 5 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 상승 속도 장착 구성으로 도 5에 도시된 합성 조절 아암(500)을 채택할 수 있다. 상기 합성 구조체는 현가 장치의 비탄성부에 부착하기 위해 조절 아암에 장착 구멍(502)을 갖는다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 그것은 상기 리프 스프링의 길이 방향 축이 상기 차량의 전-후부 중심 라인과 수직으로 장착되도록 차량(도시되지 않음)에 가로 방향으로 장착된다. 상기 합성 구조체는 상기 현가 장치의 비탄성(예들 들면, 차량의 중량이 없는 비하중)부에 부착하기 위해 조절 아암에 장착 구멍(502)을 가질 수 있다. 상기 리프 스프링(504)의 중심은 상기 섀시(510)에 부착되고, 각각의 단부는, 예를 들면 차량의 현가 장치 하에, 일반적으로 상기 차량 상의 타이어 조립체(512) 및 개별 휠의 작용을 조절하는 구조적 부재들에 직접 또는 연결 장치를 통해 연결하는, 외팔보 스프링으로서 독립적이고 효과적으로 작용한다. 본 실시예에 있어서, 상기 스프링은 또한 에너지 저장 장치로서 뿐만 아니라 현가 장치의 구조적 또는 위치 설정 부재로서 기능할 수 있다. 실시예들은 대안적으로 상기 현가 장치와의 인터페이스로서 상기 리프 스프링의 한 단부 또는 양단부들에서 합성 구조체 내에 일체로 성형될 수 있는 원형 아이(도시되지 않음)를 사용할 수 있다. 도 5에 도시된 실시예는 상기 현가 장치의 비탄성부에 장착되는 단부를 위한 장착 구멍(502)을 갖는다. 상기 도 5 및 도 5a의 실시예들에서 도시된 구성 요소들 중 임의의 또는 모든 요소들은 유리하게도 고강도, 경량 구조체 및/또는 조립체를 얻기 위해 상술된 섬유 보강된 중합체(FRP) 합성 재료 및 보강재들을 포함할 수 있는 것은 주지의 사실이다.

추가의 구성들에 있어서, 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 실시예들에 따른 합성 리프 스프링(600)은 후부 현가 장치 외팔보-프레임 내장-조립체에 사용될 수 있으며, 여기서 상기 조립체의 한 단부(601)는 상기 섀시들(610, 710, 810)에 속박되며, 다른 단부(602, 702, 802)는 에너지 저장 용량에서의 현가 장치에 작용한다. 도 6의 합성 리프 스프링(600)은 다중 스테이지 리프 스프링으로서 도시되었다. 도 7 및 도 8의 합성 리프 스프링들(700 및 800)은 각각 훨씬 경량의 용례들을 위한 단일 스테이지 리프 스프링으로서 도시되었다. 실시예들은 또한 본원에서 위치 결정 및 구조적 장치들로서 설명된 합성 리프 스프링들을 사용할 수 있으며, 또한, 상기 단부가 상기 축(612, 712, 812)에 부착되는 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은, 리프 스프링의 양 단부에 원형 아이를 반드시 채택할 필요는 없다는 것 또한 주지의 사실이다.

도 9는, 상기 리프 스프링 구성 요소들 중 임의의 또는 모든 요소들을 위해, 본원에 설명된 본 발명의 실시예들에 따른 상술된 섬유 보강된 중합체(FRP) 합성 리프 스프링 요소들/구성들 및 선택적 추가 보강재들 및 임의의 조합을 포함할 수 있는, 5가지 타입/구성의 리프 스프링들에 대한 전방 사시도를 나타내고 있다.

설명을 목적으로, 표준 스프링(902)이 먼저 도 9a에 도시되었으며, 실시예들에 따라, 도 9a의 임의의 또는 모든 구성 요소들은 유리하게도 본원에 설명된 FRP 열가소성 합성 구성물 및 선택적 보강재들을 포함할 수 있다.

도 9b는 실시예들에 따라 가요성인 중앙 장착부를 갖는 아이 장착 스프링(904)을 도시하고 있으며, 여기서 그의 구성 요소들 중 임의의 또는 전체 구성 요소들은 섬유 보강된 열가소성 합성 요소들을 포함한다.

도 9c는 실시예들에 따라 아이 장착을 갖지 않는 테이퍼 단부형 슬라이드 스프링(906)을 도시하고 있으며, 여기서도 유사하게 그의 임의의 한개 또는 전체 구성 요소들을 위한 섬유 보강된 열가소성 합성 요소들을 갖는다.

실시예들에 따른, 도 9d의 점증형 스프링(908)은 상기 도 1, 도 3 및 도 3a와 관련하여 설명된 스프링들과 유사하며, 또한 그의 구성 요소들 중 임의의 또는 모두를 위한 섬유 보강된 열가소성 합성 요소들을 포함한다.

실시예들에 따른, 중하중 트레일러 스프링(910)가 도 9e에 도시되어 있으며, 여기서도 유사하게 상술된 바와 같은 섬유 보강된 열가소성 합성 구성 요소들로서 그의 리프 구성 요소들 중 임의의 또는 전체 구성 요소들을 가질 수 있다.

이제, 도 10 내지 도 18과 관련하여, 실시예들에 따른, 합성 리프 스프링들의 다양한 구성들이 도시되어 있다. 상술된 실시예들의 경우에서와 같이, 각각 도 10 내지 도 18의 구성 요소들 중 일부 또는 전부는 유리하게도 선택적 보강재들과 함께 상술된 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 합성 재료들을 포함한다. 예를 들어, 도 10은 실시예들에 따라 테이퍼형 프로파일을 형성하는 적층형 연속층들(210)을 포함하는 합성 리프 스프링(200)의 개략도이다. 도 10의 실시예가 예를 들면 원형 아이들이 없는 상태를 도시하고 있으나, 그와 같은 특징들도 그 안에 포함될 수 있다는 것은 주지의 사실이다. 이는 또한 상기 원형 아이 특징들에 대해 특별히 설명하지 않은 다른 실시예들에 대한 경우도 동일하다. 또한, 본원에 설명된 다양한 실시예들의 층형성 또는 적층은 또한 본원에 설명된 FRP 열가소성 재료들을 포함하는 합성 플레이트로 대체될 수 있으며, 또한 예를 들면 주 스테이지 리프를 제 2 스테이지 리프 등에 부착하기 위해 기계적 체결구들과 결합된다는 것도 주지의 사실이다.

도 11은 도 10의 층들(210)과 같은 연속층들이 가열 및 통합된 후에 얻은 테이퍼형 스프링 프로파일을 도시하는 실시예들에 따른 합성 리프 스프링(220)에 대한 개략도이다.

도 12는 포장형 연속층들(240)을 포함하는 실시예들에 따른 합성 리프 스프링(230)에 대한 개략도이다. 본 실시예는 상술된 FRP 열가소성 재료를 포함하는 프리폼(preform)으로서 채택될 수 있으며, 그 후 소망의 최종 형태로 가열 및 통합된다는 것은 주지의 사실이다.

도 13은 포장형, 연속층들(240), 부착 아이들(118) 및 인서트(260)를 포함하는 실시예들에 따른 합성 리프 스프링(250)에 대한 개략도이다. 본원에 설명된 다른 다양한 실시예들의 경우과 같이, 상술된 합성 리프 스프링의 구성 요소들 중 일부 또는 모두는 상술된 FRP 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 본원에 설명된 만곡된 인서트(260)가 예를 들면 평평한 형태 등과 같은 다른 소망의 형태들로 될 수 있으며, 또한 강철과 같은 금속으로 제조될 수 있다. 도 13의 구조체는 또한 예를 들면 도 14에서 설명하고 있는 구조체(270)를 성취하기 위해 가열 및 통합되는 프리폼으로서 채택될 수 있다.

도 14는, 실시예들에 따라, 가열 및 통합된 연속층들, 부착 아이들(118) 및 인서트(260)를 포함하고, 상기 층들이 가열 및 통합된 후 얻어진 만곡된 프로파일로 설명된, 합성 리프 스프링(270)에 대한 개략도이다. 예를 들면, 상기 구조체를 위한 재료의 사용을 감소시키기 위해, 설명된 인서트(260)는 실시예들에 따라 대안적으로 개방 스페이서일 수 있다는 것은 주지의 사실이다.

도 15는, 실시예들에 따라, 포장형 층들이 가열 및 통합된 후에 얻어진 테이퍼형 스프링 프로파일을 나타내는, 합성 리프 스프링(280)에 대한 개략도이다. 본 실시예 뿐만 아니라 본원에 설명된 다른 실시예들도 다중 스테이지 리프 구성의 제 2 및 제 3 스테이지 모두로서 채택될 수 있다는 것은 주지의 사실이다.

도 16은, 실시예들에 따라, 평평한 섬유 보강된 합성 제 2 스테이지(300)를 포함하는, 다중 리프 스프링(290)의 사시도를 설명하는 개략도이다. 3개의 플레이트들(310)이 주 리프 구조체의 일부로서 그 안에 도시되어 있으나, 필요에 따라 그 이상 또는 그 이하의 플레이트들이 채택될 수 있다는 것은 주시의 사실이다.

도 17은, 실시예들에 따라, 만곡된 섬유 보강된 합성 제 2 스테이지를 포함하는, 다중 리프 스프링(320)의 사시도를 설명하는 개략도이다. 3개의 플레이트들(310)이 주 리프 구조체의 일부로서 그 안에 도시되어 있으나, 필요에 따라 그 이상 또는 그 이하의 플레이트들이 채택될 수 있다는 것은 주지의 사실이다.

도 18은, 실시예들에 따른, 예를 들면 본원에서 피복재(350)로서 설명된 섬유 보강된 열가소성 합성 재료를 갖는 금속 주 리프(340)를 포함하는, 하이브리드 리프를 구비한, 합성 리프 스프링(330)의 사시도를 설명하는 개략도이다.

본 발명자들은 하중 하의 구조체의 형상(예를 들면, 곡률)을 조절하기 위해 어떻게 다양한 구성들로서 본원에 설명된 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 재료를 효과적으로 채택할 것인지에 대해 추가적으로 결정하였다. 예를 들어, 방사상 형태는 점증비 증가(progressive rate increase)를 제공함으로써 사용될 수 있다. 소정의 만곡을 제공하기 위해, 추가의 연결 장치들을 갖는, 상기 구조체의 양쪽 단부들에 위치하는 대향 커플들이 채택될 수 있다. 또한, 상기 구조체는 예를 들면 추가의 기계 가공을 사용하여 일정한 응력 프로파일로 제조될 수 있다. 추가의 설명을 위해, 도 19a 및 도 19b는, 실시예들에 따른, 본원에 설명되고 특히 외팔보인 만곡 형상으로 도시된 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 재료들을 포함하는, 합성 리프 스프링(360)을 나타낸다. 상기 만곡 형태가 응력 레벨을 조절할 수 있고 점증비를 제공한다는 것은 주지의 사실이다.

도 20은, 실시예들에 따른 부유 외팔보 구성(370)을, 도 20a 및 도 20b로서 나타내며, 여기서 상기 외팔보는 한 단부에 제공된 커플에 의해 적재된다. 순 절곡 하중을 포함하는, 섀클 연결된(shackled) 단부에 대향 커플을 제공하기 위해 추가의 연결 장치가 사용될 수 있다.

도 21은 연결 장치가 기하학적 구조를 조절하기 위해 사용되는 다중-링크 합성 리프 조립체(380)를 나타낸다. 본 실시예에서, 외팔보 스프링(385)은 상기 연결 장치에 의해 직접 작동된다.

유사하게도, 도 22는 상기 연결 장치가 기하학적 구조를 조절하기 위해 사용되는 다른 다중-링크 합성 리프 조립체(390)를 나타낸다. 특히, 상기 외팔보 스프링(385)은 점증적 튜닝비를 허용하는 섀클 조립체를 통해 작동된다.

도 23은 또한 상기 기하학적 구조를 조절하기 위한 연결 장치를 채택하는 추가의 다중-링크 합성 리프 조립체(400)를 나타낸다. 본 실시예에 있어서, 상기 외팔보 스프링(385)는 정지 상태에 있고, 상기 연결 장치에 의해 만곡된 형태로 작동된다.

도 24는, 실시예들에 따라, 전체 가로 방향 리프 및 섀클 연결된 구성을 갖는 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 합성 리프(410)를 나타낸다.

도 25는, 실시예들에 따른 합성 리프 조립체(420)를 도 25a 및 도 25b로서 나타내고 있으며, 이 경우 그의 상부 아암(430)은 외팔보 스프링으로서 기능한다.

도 26에는, 실시예들에 따른, 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 합성 리프 스프링/조립체를 포함하는 승객용 후부 현가 장치 서브-조립체 구성(440)이 도시되어 있으며, 도 27에는 또한, 실시예들에 따른, 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 합성 리프 스프링/조립체를 포함하고 또한 기존의 섀시에 대한 직접 대체품으로서 기능할 수 있는 후부 현가 장치 서브-조립체 구성(450)이 도시되어 있다. 도 27에 도시된 실시예에 있어서, 좌측면도는 직접 작동 구성으로서 도시되었고, 우측면도는 섀클 연결된 구성으로 도시되었다.

예를 들면 응력 분포 FRP 2차 리프(480)를 갖는 강철 주 리프(470)를 포함하고, 상기 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 합성 리프 스프링(460)에 대한 추가의 실시예가 도 28에 각각의 단부에 원형 아이들(118)을 갖는 만곡 형태로 도시되어 있다. 그와 같은 구성은 예를 들면 경량 트럭 섀시를 위한 저감된 중량의 구조를 제공할 수 있으며 또한 그 위에 직접 볼트 체결될 수 있다.

예를 들면, 경량 트럭 용례에 대한 볼트 작업에 대한 추가의 대안으로서, 실시예들에 따라, 상기 합성 리프/조립체를 현가 장치 디자인을 수용하도록 프레임 상에 직접 용접 및 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

제조 방법에 있어서, 실시예들에 따른 합성 리프 스프링, 조립체 등은, 일반적으로 완전 조립체에 대한 최종 형태를 제공하는 몰드 또는 다른 장치에 있어서, 가열 및/또는 압력의 존재 하에 보강 섬유 및 기타 유사 재료들을 포함하는 상술된 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 재료를 결합함으로써 제조될 수 있는 것은 주지의 사실이다. 상기 가열 및 통합은 일반적으로 예를 들면 450°F 내지 약 550°F를 포함해서 약 400°F 내지 약 600°F의 온도와, 약 50 psi를 포함하는 약 25 psi 내지 약 100 psi의 압력 하에서 수행될 수 있다. 실시예들에 따라, 상기 구조체를 제조하기 위해 채택되는 압력은 열경화성 중합체 물품의 제조시 요구될 수 있는 압력보다 덜 중요하다는 것은 주지의 사실이다. 대조적으로, 에폭시 재료들과 같은, 그와 같은 열경화성 재료들은 제조를 위해 약 300 psi를 요할 수 있다. 따라서, 본원에 설명된 실시예들의 장점으로 제조시 채택될 수 있는 압력의 감소로 인해 전체 제조 공정의 효율 및 비용이 개선된다는 점을 들 수 있다.

또한 본원에 설명된 실시예들이 갖는 추가의 장점으로서, 예를 들면, 상기 가열 및 통합 공정 동안, 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 합성 리프 스프링/조립체의 섬유들이 상기 중합적 열가소성 재료의 유동 동안 수력 작용에 의해 정렬된다는 점을 들 수 있다. 그와 같은 정렬은, 예를 들면, 상기 섬유들이 인장되고 따라서 증가된 압축 강도가 제공될 때, 증가된 강도를 제공한다. 상기 섬유들은 열가소성 재료 유동 및 그의 수력 작용 때문에 그와 같은 정렬을 지속시킬 수 있는 장점을 가지며, 본 발명자들은 열경화성 재료들과 같은 다른 중합체 재료에서는 발생하지 않는다는 사실을 밝혀냈음을 주지하는 바이다.

상기 최종 강도 및 강성 뿐만 아니라 다른 바람직한 특성들은 사용된 열가소성 재료(들) 뿐만 아니라 사용된 다른 재료들 및 보강재들의 타입, 크기 및 배향에 기초한다. 또한 최종 제품의 강도 및 강성은 또한 길이, 폭, 두께 및 단면적을 포함하는 상기 합성 리프 스프링의 전반적인 치수 형태에 기초한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 합성 리프 스프링의 형태는 예비 함침된 (프리프레그) 보강 재료층들의 강화에 의해 발전될 수 있다. 이와 같은 강화된 층들은 일반적으로 성형 공구 또는 몰드 내로 삽입되며, 여기서 상기 재료들을 통합시키기 위해 열 및/또는 압력이 인가될 수 있다.

상기 리프 스프링의 형태는 또한, 상기 스프링의 폭과 길이와 관련하여 요구되는 단면 프로파일을 발전시키기 위해, 예비 성형된 코어 또는 적합한 물질로 제조된 일련의 코어들 주변에, 또는 일련의 제거 가능한 코어들 또는 핀들 주변에 예비 함침된 보강 재료를 권선시킴으로써 발전될 수 있다. 본 실시예는 보강 재료의 연속 포장에 매립되는 장착 아이들의 개재를 용이하게 하고, 종래의 장착 시스템을 차량에 사용하게 한다. 그와 같은 실시예는 도 4에 도시되어 있으며, 여기서는 상기 아이들(118)이 합성 리프 스프링 내에 합체될 수 있다. 이와 같이 예비 권선된 조립체는 다음에 공구 또는 몰드 내로 삽입되고, 필요한 경우 가열 및/또는 압력에 종속된다.

또한, 상술된 포장 공정은, 미리 함침된 재료의 각각의 연속층이 연속 공정에서 예비 권선된 재료의 이전 층과 접촉하는 접촉 지점에서 또는 그 근방에서, 상기 미리 함침된 재료에 대해 국부적 가열을 인가함으로써 수행될 수 있다. 이와 같은 실시예는 미리 권선된 재료의 미리 성형된 "블랭크들(blanks)"을 재료가 미포장될 위험 없이 미래의 성형 및/또는 미래의 통합을 위해 저장되게 한다.

예들

본 발명의 실시예들에 따라, 섬유 보강된 중합체(FRP) 열가소성 합성 리프 스프링/조립체들의 다양한 기계적 특성들을 증명하기 위한 테스트가 수행되었다. 그와 같은 테스트 조건들 및 결과들은 이하에 상세히 개시되어 있다. 테스트의 목적은 정적 하중법을 사용하여 표본들의 인장 크리프(creep) 특성들을 결정하기 위한 것임이 자명하다. 실시예들에 따른 상기 표본들은 70 중량%의 연속 유리 섬유 보강된 폴리프로필렌 매트릭스를 포함한다. 상기 채택된 테스트 방법은 특수 환경 조건들 하의 플라스틱들의 인장 또는 압축 크리프 및 크리프 파열의 결정을 커버한다. 이와 같은 테스트 방법들이 만곡부에서 크리프를 측정하기 위한 3-지점 하중의 사용을 개괄하고 있으나, 테스트 방법 D 790에서 개괄하고 있는 바와 같은 장비와 원리를 갖는, (덜 빈번히 사용되는) 4-지점 하중도 또한 사용될 수 있다. 일부 연성 플라스틱 파열이 만곡 또는 압축시에는 발생하지 않으므로, 크리프 파열의 측정을 위한 적합한 응력 모드로서 인장을 들 수 있다. 상기 크리프 테스트는 실험실 공기, 실온 환경 하에서 전체 24 시간 동안 실행되었다.

도 29는 실시예들에 따른 테스트 데이터 개요 (크리프 변형율) 대 시간의 그래프를 나타낸 것이며, 아래의 표 1A는 크리프 결과들에 대한 표의 개요를 나타낸다. 이와 같은 피로 테스트 결과들에 대한 추가의 상세한 설명이 또한 다음에 설명된다.

표 1A - ASTM D 2990 크리프

따라서, 테스트는 섬유 보강된 열가소성 합성 재료의 기계적 특성을 평가하기 위해 수행되었다. 실시예들에 따른 표본들은 70 중량%의 연속 유리 섬유 보강된 폴리프로필렌 매트릭스를 포함한다. 아래에 참고된 도 30 내지 도 34는 60 중량%의 유리 보강된 폴리프로필렌에 대한 데이터를 포함한다는 사실은 자명하다.

상기 테스트 절차들은 미국 재료 시험 학회(ASTM) 표준 테스트 방법과 관련하여 실행되었다. 특히 상기 ASTM 테스트 방법은 섬유 수지 합성물의 ASTM D 3039 인장 특성, 강성 플라스틱의 압축 특성을 위한 ASTM D 695 표준 테스트 방법, V-노치 빔 방법에 의한 합성 재료의 전단 특성에 대한 ASTM D 5739 표준 테스트 방법, 중합체 매트릭스 합성 재료 및 그들의 라미네이트의 단-빔(Short-Beam) 강도에 대한 ASTM D 2344 표준 테스트 방법, ASTM E 228 항공 우주 시리즈 - 금속 재료 - 테스트 방법; 융해 석영 팽창계(Vitreous Silica Dilatometer)를 이용한 고형 재료의 선형 열팽창, 플라스틱의 인장, 압축, 및 굴곡 크리프 및 크리프 파열에 대한 ASTM D 2990 표준 테스트 방법, 및 중합체 매트릭 합성 재료의 인장-인장 피로에 대한 ASTM D 3479 표준 테스트 방법을 포함한다. 일반적으로, 테스트는, 예를 들면, 강도, 모듈러스, 푸아송비, 열챙창 계수, 섬유 방향, 가로 방향에서의 표본들의 크리프 및 피로 수명, 또는 하나의 고정 부재 및 하나의 이동 부재를 합체시키는 테스트기를 사용하는 전단을 결정하기 위해 수행되었다.

이와 같은 ASTM 표준 테스트 방법을 수행하기 위해 사용되는 테스트 장치는 ASTM 표준 E4, 테스트기의 라드 검증을 위한 관례(Practices for Lad Verification)에 설명되어 있다. 모든 테스트는 실험실 공기에서 수행되었다. 이와 같은 테스트들을 수행하기 위해 사용된 표본들은 각각의 사양에서 설명된 정상 치수들에 매칭되었다. 상기 표본들과 같은 재료로 제조된 탭들이 FM-73 접착제를 사용하는 표본들에 부착되었다. 부하는 디지털 제어기 및 데이터 수집을 갖는 MTS 100 kN 서보유압(servohydraulic) 테스트 프레임에 의해 상기 표본들에 인가되었다. (2000 Psi 이하의 그립 압력에서) 비침식성 표면을 갖는 웨지 합체된 유압식 그립이 사용되었다. 신장계와 함께, 변형율 지시자(게이지)가 변형율을 결정하기 위해 사용되었으며, 상기 MTS 부하 프레임이 대응하는 부하를 결정하기 위해 사용되었다. 상기 신장계는 표본 불이행시까지 변형율 정보를 제공할 수 있다.

이와 같은 표준들은 조절된 연구소 조건 하에서 기계적 및 열적 부하에 대한 재료, 재품 또는 조립체들의 반응을 측정 및 설명하기 위해 사용될 수 있다. 상기 테스트의 결과들은 특수 최종 용도의 부하 능력 또는 부하 생존성의 평가와 관련된 모든 인자들을 고려하는 부하 능력 평가 또는 부하 생존성 평가의 요소들로서 사용될 수 있다.

표 1에 기재된 모든 표본들에 대한 테스트 매트릭스

표 2는 상기 결과들에 대한 평균 특성 결과들 및 각각의 테스트에 대한 ASTM 표준 방법의 요약을 기재하고 있다.

Table 2

예 1-섬유-수지 합성물의 ASTM D3039 인장 특성

수지-매트릭스 합성물의 인장 특성을 결정하기 위한 테스트 결과가 연속 또는 불연속 고 모듈러스>20 Gpa(>3xl0⁶ Psi) 섬유들의 배향에 의해 보강되었다. 상기 테스트는 ASTM 표준 테스트 방법 D 3039에 따라 수행되었다. 상기 표본들의 인장 강도 및 탄성 계수는 하나의 고정 부재 및 하나의 이동 부재가 합체된 테스트기를 사용하여 결정되었다. 이는 다음의 방정식을 사용하여 인장 강도의 결정 수단을 제공할 수 있다: S = P/bd, 여기서: S = 최후 인장 강도, MPa 또는 psi, P = 초대 부하, N 또는 lbf, b = 폭, mm 또는 in., 그리고 d = 두께, mm 또는 in. 탄성 계수를 산출하기 위해, 다음의 방정식이 사용된다: E = (ΔP/Δl)(l/bd), 여기서: E = 탄성 계수, MPa 또는 psi, ΔP/Δl = 만곡부의 선형 부분 내의 변형율의 함수로서 부하 좌표의 기울기, l = 측정 도구의 게이지 길이, mm 또는 in., b = 폭, mm 또는 in., 그리고 d = 두께, mm 또는 in.

도 30 및 도 31은 각각 섬유 방향 강도 및 모듈러스에 대한 ASTM D 3039 테스트 데이터 요약 결과를 나타내고 있다.

아래의 표 3은 표본들의 추가 테스트 결과들을 나타낸다.

표 3

도 32 및 도 33은 각각 ASTM D 3039 테스트 표준을 사용한 가로 방향 인장 강도 및 모듈러스 결과를 나타내고 있다. 표 4는 추가의 표본들에 대한 테스트 결과들을 나타낸다.

표 4

ASTM 표준 테스트 방법 D 3039, 섬유-수지 합성물의 인장 특성에 따라, 실시예들에 따른 섬유 보강된 단향성 열가소성 합성물의 평균 섬유 방향 인장 강도 및 탄성 모듈러스가 각각 40,572 Psi 및 3,637,626, Psi가 되도록 결정되고,

평균 가로 방향 인장 강도 및 탄성 모듈러스가 각각 551 Psi 및 508,371 Psi가 되도록 결정되었다. 상기 합성물에 대한 푸아송비는 실시예들에 따라 0.14가 되도록 결정되었다.

예 2-강성 플라스틱의 압축 특성에 대한 ASTM D 695 표준 테스트 방법

아래에는 연속 또는 불연속 고 모듈러스 섬유들의 배향에 의해 보강된 수지 매트릭스 합성물의 압축 특성을 결정하기 위한 테스트 결과가 개시되어 있다.

상기 표본들의 압축 강도 및 탄성 계수는 하나의 고정 부재 및 하나의 이동 부재가 합체된 테스트기를 사용하여 결정되었다. 이와 같은 테스트 방법은, 상대적으로 낮는 균일성의 변형율 또는 부하율 하에 압축이 인가될 때, 고 모듈러스 합성물을 포함하는, 미보강된 그리고 보강된 강성 플라스틱의 기계적 특성들의 결정을 커버한다. 스탠드 형태의 테스트 표본들이 채택된다. 배향된 연속, 불연속 또는 크로스-플라이 보강재들로 보강된 수지-매트릭스 합성물의 압축 특성에 대해, ASTM D 3410에 따라 테스트가 실행되었다.

도 34 및 도 35는 각각 ASTM D 695를 사용한 섬유 방향 압축 강도 및 모듈러스 결과들을 나타낸다. 아래의 표 5는 추가의 표본 테스트 결과들을 나타낸다.

표 5

도 36 및 도 37은 각각 ASTM D 695 테스트 표준을 사용한 가로 방향 압축 강도 및 모듈러스 결과들을 나타낸다. 아래의 표 6은 추가의 표본들에 대한 테스트 결과들을 나타낸다.

표 6

ASTM 표준 테스트 방법 D 695에 따라, 실시예들에 따른 섬유 보강된 단향성 열가소성 합성물의 평균 섬유 방향 압축 강도 및 압축 모듈러스가 각각 32,409 Psi 및 3,685,869, Psi가 되도록 결정되었고, 평균 가로 방향 압축 강도 및 압축 모듈러스는 각각 6,156 Psi 및 1356,638가 되도록 결정되었다.

예 3-V- 노치 빔 방법(V-Notched Beam Method)에 의한 합성 재료의 전단 특성에 대한 ASTM D 5379 테스트 방법.

아래에는 V-노치 빔 방법에 의한 연속 또는 불연속 고 모듈러스 섬유들의 배향에 의해 보강된 수지 매트릭스 합성물의 전단 특성을 결정하기 위한 테스트 결과가 개시되어 있다.

상기 표본들의 전단 강도 및 모듈러스는 하나의 고정 부재 및 하나의 이동 부재가 합체된 테스트기를 사용하여 결정되었다. 이와 같은 테스트 방법은 고 모듈러스 섬유들에 의해 보강된 합성 재료들의 전단 특성의 결정을 커버한다. 상기 합성 재료들은 다음의 형태들에 있어서의 연속 섬유 또는 불연속 섬유 보강된 합성물이었다: 1) 하중 축에 평행하거나 또는 수직으로 배향된 섬유 방향을 갖는, 오직 단향성 섬유상 라미네이트로만 구성되는 라미네이트들; 2) 상기 하중 축에 평행하거나 또는 수직으로 배향된 포장 방향을 갖는 오직 직물 필라멘트 라미네이트로만 구성되는 라미네이트들; 3) 상기 하중 축에 평행하거나 또는 수직으로 배향된 방향이 0이고, 균형 및 대칭적으로 적층된 시퀀스에서 0 내지 90 배향된 동일한 플라이 부재들을 포함하는, 오직 단향성 섬유 라미네이트로만 구성되는 라미네이트들; 4) 대부분의 섬유들이 임의로 분배되는 단-섬유-보강 합성물. 이와 같은 전단 테스트 개념은 원래 금속 또는 세라믹과 같은 등방성 재료들에서 사용하기 위해 섬유 방향에 대한 관련 없이 발전되었다.

도 38 및 도 39는 ASTM D 5379를 사용한 평면내 전단 강도 및 평면내 전단 모듈러스를 나타낸다. 아래의 표 7은 추가의 표본 테스트 결과들을 나타낸다.

표 7

ASTM 표준 테스트 방법 D-5379에 따라, 실시예들에 따른 섬유 보강된 단향성 열가소성 합성물의 평균 전단 강도 및 모듈러스가 각각 3580 Psi 및 147,463이 되도록 결정되었다.

예 4-중합체 매트릭스 합성물 및 그의 라미네이트들의 단-빔 강도에 대한 ASTM D 2344 표준 테스트 방법.

아래에는 단 빔 전단 방법에 의해 연속 또는 불연속 고 모듈러스 섬유들의 배향에 의해 보강된 수지-매트릭스 합성물의 명백한 층간 전단 특성을 결정하기 위한 테스트 결과가 개시되어 있다.

상기 표본들의 명백한 층간 전단 강도는 하나의 고정 부재 및 하나의 이동 부재가 합체된 테스트기를 사용하여 결정되었다. 이와 같은 테스트 방법은 고 모듈러스 섬유-보강된 합성 재료들의 단-빔 강도를 결정한다. 상기 표본은 만곡된 또는 평평한 라미네이트를 6.00 mm(0.25 in.) 이하의 두께로 기계가공한 단-빔이었다. 상기 빔은 3-지점 만곡부에서 하중을 받았다. 본 테스트 방법의 용례는 연속- 또는 불연속-섬유-보강된 중합체 매트릭스 합성물에 대한 것이었으며, 그의 탄성적 특성은 상기 빔의 길이 방향 축에 대해 균형 및 대칭된다. 도 40은 이와 같은 층간 전단 강도 결과들을 나타내며, 아래의 표 8은 추가의 표본 테스트 결과들을 나타낸다.

표 8

ASTM 표준 테스트 방법 D 2344에 따라, 실시예들에 따른 섬유 보강된 단향성 열가소성 합성물의 상기 명백한 평균 층간 전단 강도는 3743 Psi이었다.

예 5- ASTM E 228 항공 우주 시리즈-금속 재료들; 융해 석영 팽창계를 이용한 고형 재료들의 선형 열팽창.

아래에는 연속 또는 불연속 고-모듈러스 섬유들의 배향에 의해 보강된 수지-매트릭스 합성물의 선형 열팽창을 결정하기 위한 테스트 결과가 개시되어 있다. 상기 테스트는 비쉐이 마이크로-메저먼츠 테크 노트 티엔-513-1(Vishay Micro-Measurements Tech Note TN-513-1)에 따라 수행되었다(또는, 상술된 바와 같은, ASTM E 228 표준 넘버 E 228과 관련하여 언급됨).

상기 표본들의 선형 열팽창은 디지털 제어기 또는 비팽창 세라믹 기준 표본을 갖는 오븐을 사용하여 결정되었다. 아래의 표 9 및 표 10은 각각 유발되는 길이 방향의 열팽창 계수(CTE) 데이터 및 가로 방향 열팽창 계수 데이터를 나타낸다.

표 9

표 10

앞의 테스트에 따라, 실시예들에 따른 섬유 보강된 단향성 열가소성 합성물의 섬유 방향 및 가로 방향 평균 선형 열팽창 계수는 각각 5.4 με/F 및 35.9 με/F가 되도록 결정되었다.

예 6-플라스틱의 인장, 압축, 및 굴곡 크리프와 크리프-파열에 대한 ASTM D 2990 표준 테스트 방법.

아래에는 ASTM D 2990 테스트에 따른 인장 크리프 특성을 결정하기 위한 테스트 결과를 나타낸다.

상기 표본들의 인장 크리프 특성은 정적 하중법을 사용하여 결정되었고, 인장 또는 압축 크리프의 결정 및 특수 환경 조건하에서 재료의 크리프-파열을 커버한다. 이와 같은 테스트 방법은 만곡부에서 크리프를 측정하기 위한 3-지점 하중의 사용에 대해 개괄하고 있으나, 테스트 방법 D 790에서 개괄하고 있는 바와 같은 장비와 원리를 갖는 4-지점 하중도 또한 사용될 수 있다. 일부 연성 플라스틱 파열이 만곡 또는 압축시에는 발생하지 않으므로, 크리프-파열의 측정을 위해 적합한 응력 모드로서 인장을 들 수 있다. 상기 크리프 테스트는 실험실 공기, 실온 환경 하에서 전체 24 시간 동안 실행되었다.

도 41 및 도 42는 각각 표본 1 및 표본 2에 대한 크리프 변형율 대 시간을 나타낸다. 아래의 표 11은 이와 같은 표본들에 대한 추가의 테스트 데이터 결과들을 나타낸다.

표 11 (ASTM D 2990 크리프)

Per ASTM 표준 테스트 방법 D 2990에 따라, 실시예들에 따른 섬유 보강된 단향성 열가소성 합성물의 24 시간에 대한 평균 실온 인장 크리프 변형율은 24.3 με이 되도록 결정되었다.

예 7-중합체 매트릭스 합성 재료들의 인장-인장 피로에 대한 ASTM D 3479 표준 테스트 방법

아래에는 중합체 매트릭스 합성 재료들의 인장-인장 피로를 결정하기 위한 테스트 결과들을 나타낸다. 상기 테스트는 ASTM D 3479에 따라 수행되었으며, 여기서는 하나의 고정 부재 및 하나의 이동 부재가 합체된 테스트기가 채택되었다. 이와 같은 테스트 방법은 인장 주기적 하중을 겪는 중합체 매트릭스 합성 재료들의 피로 거동을 결정한다. 이와 같이 테스트된 합성 재료는 특히 테스트 방향에 대해 직교 이방성인 연속-섬유 또는 불연속-섬유 보강된 합성물의 형태를 가졌다. 이와 같은 테스트 방법은 일정한 진폭의 단축 평면내 하중에 종속되는 비-노치 테스트 표본들을 위한 것이었으며, 여기서 상기 하중은 테스트 조절 파라미터 개념으로 규정된다. 이와 같은 테스트 방법은 2개의 절차를 채택하며, 그 각각은 다른 테스트 조절 파라미터를 규정한다: 절차 1: 테스트 조절 파라미터가 부하(응력)이고, 기계는 상기 테스트 표본이 반복적인 일정한 진폭 부하 사이클에 종속되도록 조절되는 시스템. 이 절차에 있어서, 상기 테스트 조절 파라미터는 엔지니어링 응력 또는 일정한 진폭 피로 변수로서 제공된 부하를 사용하여 나타낼 수 있다; 절차 2: 상기 테스트 조절 파라미터가 하중 방향에서의 변형율이고, 상기 기계는 상기 표본이 반복적인 일정한 진폭 변형율 사이클에 종속되도록 조절되는 시스템. 이 절차에 있어서, 상기 테스트 조절 파라미터는 일정한 진폭 피로 변수로서 상기 하중 방향에서의 엔지니어링 변형율을 사용하여 나타낼 수 있다

도 43은 상술된 참고 테스트의 결과들을 나타내는 응력 변형율 다이어그램을 나타낸다. 아래의 표 12 및 표 13은 추가의 테스트 결과 및 파라미터들을 나타낸다.

표 12

표 13

상술된 관련 테스트의 관점에서, 상기 섬유 보강된 열가소성 합성 재료는 실시예들에 따라 부하를 강력한 섬유들로 매우 양호하게 전달시키고, 파괴 응력의 80%에 상당하는 하중으로 인해 (30 미소변형율 미만의) 길이 방향의 크리프가 전혀 존재하지 않게 된다. 또한, 24 시간 말기로 향하는 변형율은 거의 일정하므로, 어떠한 추가의 크리프도 24 시간 이후의 하중을 예상할 수 없게 된다. 그 결과들은 길이 방향 및 가로 방향 모두에서 테스트된 3 표본들에 걸쳐 매우 반복 가능한 CTE를 나타낸다. 피로에 있어서, 이와 같은 재료들은 또한 섬유들에 대한 큰 부하 전달을 보여준다. 파괴에 대해 전체 피로 사이클에 걸쳐 오직 최소 모듈러스 손실만이 존재하였다. 파괴는 거의 12000 사이클에서 발생되었다. 이와 같이 섬유 보강된 열가소성 합성 재료에 대해, 실시예들에 따라, 상기 크리프 및 피로와 함께, 수행된 길이 방향 및 가로 방향 강도 및 모듈러스 테스트는 지속적으로 연속 강섬유들에 대한 대부분의 하중 전달이 성취되었음을 보여주었다. 따라서, 이들 테스트로부터의 결과들은, 단순한 모델들(Tsai-Hill, Tsai-Wu, 혼합물 법칙, 등)을 사용하여, 이와 같은 재료의 강도 및 모듈러스를 섬유 용적 분율의 함수로서 예측 가능하게 될 수 있으며, 상기 라미네이트들의 품질이 테스트된 표본들과 일치하는 것으로 가정한다.

추가의 테스트/예

본 발명의 실시예들에 대한 추가의 성공적인 테스트가 또한 수행되었음을 추가로 주지한다. 예를 들어, 실시예들에 따라 섬유 보강된 나일론 블랭크들은 (3개의 샘플) 85% 굴곡 강도에서 150만 사이클에 테스트가 완료되었다. 평균 부하 손실은 파괴없이 3%였다.

비록 본 발명이 그의 상세한 실시예들과 관련하여 도시 및 설명되었으나, 당업자라면 다양한 변화가 이루어질 수 있고 또한 등가물들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 그의 구성 요소들을 대체할 수 있으며, 또한 상기 실시예들은 서로간의 임의의 조합들로서 채택될 수 있다는 사실을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 필수적인 범위로부터 벗어나지 않는 한도 내에서, 특정 상황 또는 재료를 본 발명의 교시에 적응시키도록 변경될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상술된 상세한 설명에 개시된 특정 실시예들에 의해 제한받지 아니하고, 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 모든 실시예들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims

합성 리프 스프링(200)으로서, 열가소성 매트릭스 재료를 구비하되, 상기 열가소성 매트릭스 재료는 상기 합성 리프 스프링(200)의 매트릭스에 매설 및 정렬되는 섬유들로 보강되고 가열 및 통합에 의해 강화되고, 상기 열가소성 매트릭스는 섬유 보강된 중합체 매트릭스를 포함하고, 상기 합성 리프 스프링(200)은 상기 섬유들이 인장된 상태에서 ASTM 표준 시험 방법 D 695에 의해 측정되는 적어도 32,000 psi의 섬유 방향 압축 강도 결과를 갖고, 상기 합성 리프 스프링(200)은 만곡부를 포함하는 합성 리프 스프링.
제 1 항에 있어서, 상기 합성 리프 스프링(200)은:
압축면, 반대편 인장면, 및 주 리프(primary leaf)를 차량 프레임에 부착시키도록 구성된 적어도 하나의 부착부를 갖는 세장형 주 리프 요소를 포함하며,
상기 세장형 주 리프 요소는 상기 매트릭스에 매설 및 정렬된 섬유들로 보강된 열가소성 매트릭스 재료를 포함하는 합성 리프 스프링.
제 2 항에 따른 합성 리프 스프링(200)을 포함하는 조립체로서,
상기 차량 프레임이 자동차 프레임인 조립체.
제 2 항에 있어서, 상기 세장형 주 리프 요소는 만곡되는 합성 리프 스프링.
제 4 항에 있어서, 인서트(260)를 추가로 포함하는 합성 리프 스프링.
제 2 항에 있어서, 상기 세장형 주 리프 요소는 테이퍼진 프로파일을 형성하는 적층형 연속층들(210)을 포함하는 합성 리프 스프링.
제 2 항에 있어서, 상기 세장형 주 리프 요소는 포장형 연속층들(240)을 포함하는 합성 리프 스프링.
제 7 항에 있어서, 만곡된 인서트를 추가로 포함하는 합성 리프 스프링.
제 1 항에 있어서, 금속을 구비하는 만곡된 세장형 주 리프 요소와 상기 매트릭스에 매설 및 정렬되는 섬유들로 보강된 열가소성 매트릭스 재료를 구비하는 상기 주 리프 요소 위의 피복재를 구비하는 합성 리프 스프링.
제 1 항에 있어서, 상기 스프링은 외팔보 스프링(385)인 합성 리프 스프링.
제 1 항에 있어서, 상기 합성 리프 스프링(200)은 ASTM D 2990 크리프 시험(creep testing)에 의해 측정되는 적어도 2,750 파운드의 하중 및 적어도 61,000 psi의 응력을 갖는 합성 리프 스프링.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 합성 리프 스프링(200)은 ASTM 표준 시험 방법 D 5379에 의해 측정되는 적어도 3500 psi의 전단 강도를 갖는 합성 리프 스프링.
제 1 항에 있어서, 상기 합성 리프 스프링(200)은 ASTM 표준 시험 방법 D 2344에 의해 측정되는 적어도 3700 psi의 층간 전단 강도를 갖는 합성 리프 스프링.
제 1 항에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 폴리비닐이딘 플루오라이드, 폴리아미드(나일론), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 및 이들의 조합들로 이루어진 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 합성 리프 스프링.
제 15 항에 있어서, 상기 섬유들은 유리, 아라미드, 탄소, 석영, 마그네시아 알루무니노실리케이트(magnesia alumuninosilicate), 무알카리 알루미노보로실리케이트(non-alkaline aluminoborosilicate), 소다 보로실리케이트, 소다 실리케이트, 소다 석회-알루미노실리케이트, 납 실리케이트, 무알카리 납 보로알루미나, 무알카리 바륨 보로알루미나, 무알카리 아연 보로알루미나, 무알카리 철분 알루미노실리케이트, 카튬 붕산염, 알루미나, 붕소, 실리콘 카바이드, 흑연, 세라믹, 금속, 및 이들의 조합들로 이루어진 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 합성 리프 스프링.
제 16 항에 있어서, 상기 매트릭스 재료는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 나일론 중 적어도 하나를 포함하는 합성 리프 스프링.
제 17 항에 있어서, 상기 섬유들은 유리를 포함하는 합성 리프 스프링.
제 18 항에 있어서, E-유리 섬유들로 보강된 나일론 매트릭스를 포함하는 합성 리프 스프링.
제 16 항에 있어서, 상기 가열 및 통합은 적어도 400°F의 온도와 적어도 50 psi의 압력 하에서 수행되는 합성 리프 스프링.