KR102278976B1 - 비틀림 하중을 받는 바 형상의 구성요소 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 바람직하게 섬유 복합 재료로 이루어진 스프링 와이어로 만들어진 바 스프링 또는 코일 스프링으로서 설계되는 비틀림 스프링에 관한 것이다. 상기 비틀림 스프링은 매트릭스 재료로 함침된 복수의 섬유 보강층들 (Sj) 을 가지고, 상기 층들은 인장시 하중을 받는 섬유들 및 압축시 하중을 받는 섬유들을 갖는다. 비틀림 스프링은, 동일한 로딩 방향의 층들 (Sj) 의 그룹들 (Gk) 이 존재하고, 안에서 밖으로 보았을 때 적어도 2 개의 그룹들의 그룹 강성이 다른 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 섬유 복합 재료로 이루어진 비틀림 스프링을 설계하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

비틀림 하중을 받는 바 형상의 구성요소{BAR-SHAPED COMPONENT LOADED IN TORSION}

본 발명의 주제는, 특히 모든 재료층들의 하중 지탱 능력의 개선된 활용을 보장하는 섬유 보강 플라스틱의 바 스프링 또는 헬리컬 스프링으로서 비틀림 스프링, 및 이러한 스프링을 설계하기 위한 방법이다.

스프링들은 종종 모터 차량들의 섀시에 사용된다. 결과적으로, 스프링들은, 또한, 가장 중요한 고려사항으로서 이런 용수철 하질량 (unsprung masses) 을 지향하는, 경량의 구성을 얻기 위해 노력하도록 요구된다. 이와 관련하여, 섬유 복합 재료들 (FCM) 의 사용은 이미 여러 번 제안되었다. 이것은 특히 탄소 섬유 보강 플라스틱 (CRP) 또는 유리 섬유 보강 플라스틱 (GRP) 의 비틀림 스프링들에 적용된다. 특히 여기에서는 관련 로딩을 위해 적절하면서 동시에 낮은 가격으로 이 구성요소들을 제조하는 것이 문제가 된다.

추가적 어려운 점은, 섬유들이 각각의 경우에 인장력 또는 압축력만 전달할 수 있고, 그 결과 스프링 와이어에서 거시적 전단 로딩이 (모어 (Mohr) 의 응력 이론에 따라 응력 주 축선들, 바 축선에 대해 +-45°에 대하여) 인장 성분과 압축 성분으로 나누어져야 한다는 점이다. .

현재 알려진 FCM 스프링들은, 바 축선에 대해 +/-45°의 각도로 섬유들을 권취함으로써 가능한 한 유리하게 재료에서 인장력과 압축력 분배를 수용하는 것을 목표로 한다.

또한, 전적으로 +45° 로 인장 섬유를 권취하는 것도 알려져 있고, 전단 응력 성분들은 매트릭스 재료에 의해 또는 코어에서 압축 응력에 의해 지탱된다.

적합한 스프링들의 구조 설계 목표는 사용되는 전체 스프링 재료가 로딩 면에서 균질하게 이용되도록 하는 것이다. 따라서, 재료에서 어떠한 특정 (dedicated) 약점들이 존재해서는 안 되고, 오히려 전체 재료가 균일한 최대 로딩 하에 로딩 한계에 도달하도록 의도된다. 이것은 재료의 최대 가능한 활용, 및 따라서 최대 달성가능한 정도의 경량 구성에 대응한다.

EP 0637700 은, 바 축선 둘레에서 +-30° ~ +-60°의 각도로 권취된 탄소 섬유들이 사용되는 스프링 구성을 설명한다. 특징적 특성은, 사용되는 인장 섬유들의 개수가 압축 섬유들의 개수와 다르다는 점이다. 특히, 압축 섬유들의 개수는 인장 섬유들과 비교해 증가된다. 이것의 목표는, 사용된 재료의 보다 양호한 특정 활용을 유발하는, 섬유들의 보다 균일한 로딩에 있다. 인장 방향 및 압축 방향의 섬유들이 다른 정량적 비들로 사용된 결과 재료가 더 양호하게 이용될지라도, 스프링 와이어의 직경에 대한 재료 활용 의존성은 없어지지 않는다.

US 5603490 은, 압축 하중 섬유들 없이 인장 방향으로만 섬유들을 사용하는 것을 제안한다. 섬유들은 인장 하중만 받도록 권취될 것이다. 중공-프로파일 단면을 갖는 스프링의 경우에, 이것은 빠르게 전단 응력으로 인한 파괴를 이끌 것이고, 이런 이유로 응력을 흡수하는 압축 안정 코어가 여기에서 요구된다. 하지만, 코어에서 지속적인 등방 (hydrostatic) 응력 상태 및 권취 섬유 엔벨로프에서 전단 응력 상태는 플라스틱 매트릭스 (에폭시) 의 불리한 크리프 (creep) 를 이끈다. 따라서, 이 해결책은 예를 들어 차량 구성에 적용하기 위해 사용될 수 없다 (차량 중량으로 인한 연속 로딩). 섬유들에 대해 단 하나의 방향만 사용하는 것은 섬유들의 인장 로딩 잠재성이 최적으로 이용되는 것을 의미할지라도, 그러면 압축 섬유 지지 부족으로 인해 대부분 플라스틱 매트릭스를 통하여 전달되어야 하는 전단 응력은, 강한 크리프 효과가 연속 로딩 하에 발생하는 것을 의미한다.

WO 2014/014481 A1 은, 층들과 코어에서 섬유들의 개수가 공통 기수 (common base number) 의 배수인 섬유 구성을 제안한다. 스프링에서 다수의 다른 재료들 (예를 들어 유리, 탄소 또는 혼합물) 의 사용이 또한 개시된다. 게다가, 바 축선에 대한 섬유 플라이들 (plies) 의 개별 섬유들의 각도들은 (특히 양의 각도와 음의 각도 사이에서) 교대할 수 있음이 개시된다. 스프링의 코어는 단방향 섬유들로 구성될 수도 있지만, 중실형 코어 또는 중공 코어가 또한 개시된다. 형상 기억 재료의 코어가 또한 제안된다. 스프링 재료가 혼합 재료들로 이루어질 수도 있는 것으로 언급되지만, 명령으로 주어지는 것이 아니고, 그 결과 혼합 유형의 구성의 절차 및 효과는 여전히 불분명하다. 섬유들은 공통 기준 베이스의 정수 배수인 수의 층들에 배치되어야 하고, 효과는 비슷하게 여전히 불분명하다. 이런 배열은, 섬유들이 정수 인자 수의 층들에만 존재하고, 그 결과 최적 층 두께 조정이 제공되지 않는 단점을 갖는다.

종래 기술의 스프링 구성 유형들은, 사용되는 재료를 효과적으로 활용하지 않기 때문에, 최적 정도의 경량 구성을 달성하지 못한다.

Helmut Schurmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden [섬유-플라스틱 복합재들 구조 설계], 1 판, Springer Verlag 2005

결과적으로, 목적은 최고 가능한 질량 관련 에너지 저장 밀도를 달성하기 위해서 스프링 와이어의 모든 단면 구역들에서의 모든 섬유들이 로딩 면에서 가능한 한 효과적으로 또는 균질하게 이용되는 비틀림 하중을 받는 스프링 와이어 내에 섬유들의 배열체를 제조하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 이러한 스프링을 설계하기 위한 방법을 제안하는 것이다. 헬리컬 스프링에서, 스프링 와이어 (또한 스프링 바) 는 나선형으로 권취된다. 스프링, 구체적으로 헬리컬 스프링은 스프링 축선을 가지고, 상기 스프링 축선 둘레에서 스프링 와이어는 나선형 방식으로 안내된다. 스프링 와이어의 단면은 바람직하게 환형이지만, 또한 타원형 또는 다각형 또는 임의의 다른 단면일 수도 있다.

본 발명에 따르면, 목적은 청구항 1 에서 주장된 바와 같은 스프링 구성에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 스프링을 설계하기 위한 유리한 방법은 청구항 16 에서 개시된다. 유리한 실시형태들은 종속항들에서 개시된다.

특히, 다음 3 가지 부분 목적들을 달성함으로써 상기 목적이 달성된다:

● 기하학적 조건들이 거의 신장되지 않음을 의미할지라도, 스프링 와이어의 내부층들은 또한 하중 지탱해야 하고, 다시 말해서 로딩 면에서 크게 이용되어야 하고,

● 인장 플라이들 및 압축 플라이들은 로딩 면에서 균일하게 이용되어야 하고,

● 섬유 플라이들 사이에서, 매트릭스 및 결과적으로 스프링의 크리프를 전체적으로 방지하도록, 매트릭스는 최소 가능한 전단력 또는 최저 가능한 응력을 전달해야 한다.

비틀림 하중을 받는 바 형상의 구성요소의 구역은, 예를 들어 스프링 플레이트 또는 스프링 구속부에서의 조정된 구역들과 같은, 하중 도입 요소들 없이 스프링 지지 구조만 포함한다.

하기에 제공된 의미들을 갖는 다음 용어들이 이하 사용된다:

- 인장 방향: 부호 +

- 압축 방향: 부호 -

- 바 축선: - 스프링 와이어 축선 또는 스프링 바 축선 또는 간단히 바 축선으로서 지칭되는 종방향 범위를 따르는 스프링 와이어의 중심에서의 축선.

- 섬유 각도 α_j: - 섬유 각도는 바 축선에 대한 섬유 배향의 차동 각도를 나타낸다.

- 플라이 L_i: - 플라이는 다수의 층들의 조합체일 수도 있고, 예를 들어 다축 부직포, 나선형 와인딩 및 편조 (braided) 패브릭을 포함한 플라이는 일반적으로 다른 섬유 배향을 갖는 2 개의 층들을 포함한다 (각각의 경우에, + 층 및 - 층; 예를 들어 +-45°). 플라이의 층들은 보통 서로 연결된다 (예를 들어 크림프되거나 편성되거나 재봉되거나 재료 본드에 의해 고정됨).

- 한편 UD (단방향) 부직포를 포함하는 플라이는 일반적으로 단지 정렬된 섬유들의 배향으로 하나의 층을 포함한다.

- 하지만, 다수의 플라이들이 또한 층을 형성할 수도 있다 (동일한 각도상 배향을 갖는 다수의 인접한 UD 플라이들은 UD 층을 형성한다).

- 플라이는 일반적으로 무기 보강 섬유들 (예를 들어, 현무암 섬유들, 유리 섬유들), 금속 보강 섬유들 (예를 들어, 강 섬유들), 유기 보강 섬유들 (예를 들어, 탄소 섬유들, 아라미드 섬유들) 또는 천연 섬유들 (예를 들어, 대마 섬유들) 로 구성된다.

- 플라이는 할당된 플라이 벽 두께 (LW_i) 를 갖는다.

- 플라이는 또한 보강 섬유들이 없는 균질한 플라스틱 플라이일 수도 있고 비하중 지탱부 (비하중 지탱부; 예를 들어: 배열체의 외부 종단부) 로서 분류된다.

- 플라이는, 또한, 섬유들이 우선적 방향 없이 배열되는 단섬유 또는 장섬유 보강 플라스틱 플라이일 수도 있고, 그것은 비하중 지탱부로서 분류된다.

- 플라이는 또한 금속 재료 플라이 (예를 들어, 금속 시트의 종단 플라이) 로 구성될 수도 있다.

- 플라이 넘버링 i 는 내부에서 외부로 증가한다.

- 층 S_j: - 연속/직물-섬유 보강 층들의 경우에, 층 (S_j) 의 모든 섬유들은 균일한 각도상 배향 (α_j) 을 갖는다.

- 층에서, 하지만 서로 접하거나 함께 혼합된 다른 재료들 (M_j) 의 섬유들이 또한 있을 수도 있다.

- 층들은 또한 보강 섬유들이 없는 균질한 플라스틱 플라이들, 단섬유 또는 장섬유 보강 플라스틱 플라이를 갖는 플라이들, 금속 플라이들 등일 수도 있다.

- 층 넘버링 j 는 내부에서 외부로 증가한다.

- 20° ~ 70° (인장 방향 +) 또는 -20° ~ -70° (압축 방향 -) 범위의 섬유 각도를 갖는 층들은 하중 지탱층들 (바람직하게 30° ~ 60° (인장 방향 +) 또는 -30° ~ -60° (압축 방향 -)) 로서 지칭된다.

- 하중 지탱층은 섬유들의 방향으로 대개 인장 (부호 +) 응력 또는 압축 (부호 -) 응력을 흡수하는 역할을 한다.

- 20° ~ 70° (인장 방향 +) 또는 -20° ~ -70° (압축 방향 -) 의 각도상 범위 밖의 각도들을 갖는 모든 층들은 비하중 지탱부로서 분류된다.

- 단면적 A_Sj: - 각각의 층은 할당된 단면적 (A_Sj) 을 갖는다.

- 단면적의 법선은 바 축선이다.

- 예를 들어 환형 단면의 경우에, 단면적 계산은 환형부의 면적 콘텐트에 대한 식을 사용하여 수행된다.

- 층 축선: - 각각의 층은 바 축선에 대해 섬유 각도 (α_j ) 로 뻗어있고 바 축선을 따라 나선형으로 층의 진행과 함께 회전하는 축선을 갖는다.

- 층 직경 D_j: - 대응하는 층의 내부 직경 및 외부 직경의 산술 평균 직경.

- 크림프된 플라이들 (예를 들어, 편조 패브릭) 에서처럼, 2 개의 층들이 유도되는 경우에 대해, 2 개의 층들은 동일한 층 직경을 갖는다.

- 층 강성 E _Sj : 층 강성 (E _Sj ) 은 바 축선에 대해 +/- 45° 의 배향으로 변환된 (고전 적층 이론의 혼합 규칙 (예를 들어 Puck, Tsai, Niederstadt, Geier) 에 따른) 각각의 층의 모든 섬유 및 매트릭스 성분들의 단일 또는 혼합 모듈에 대응한다.

- 절대값들만 사용된다.

- 층 강성 (E _Sj ) 에 대한 계산식:

c=cos(|α|-45°) 이고 s=sin(|α|-45°)

E _Sj - 층 강성, E₁ - 재료 (M_j) 의 섬유에 대한 종방향 강성, E₂ - 재료 (M_j) 의 섬유 방향에 대한 횡방향 강성, G₁₂ - 재료 (M_j) 의 전단 모듈러스, ν ₁₂ - 재료 (M_j) 의 큰 푸아송 비, ν ₂₁ - 재료 (M_j) 의 작은 푸아송 비.

- 그룹 G_k: - 서로 접하게 놓여 있는 하나의 로딩 방향 (인장 또는 압축 정렬) 의 하나 이상의 하중 지탱층들이 함께 그룹 (G_k) 을 각각 형성한다.

- 그룹 형성은 사용된 재료들 또는 플라이들의 결합 (association) 과 독립적이다.

- 비하중 지탱부로서 분류된 층들 또는 플라이들은 서로 접하게 놓여 있는 상태의 평가에서 고려되지 않아서, 심지어 물리적으로 접촉하지 않는 층들도 서로 접하게 놓여 있는 것으로 간주될 수도 있다.

- 그룹들의 카운팅은 내부에서부터 시작한다.

- 그룹 축선: 인장 또는 압축 정렬에 따르면, 각각의 그룹은, 바 축선에 대해 +45° (인장) 또는 -45° (압축) 로 뻗어있고 바 축선을 따라 나선형으로 층이 진행할 때 회전하는 그룹 축선을 갖는다.

- 그룹 강성 E _Gk : 그룹 강성 (E _Gk ) 은 (고전 적층 이론의 혼합 규칙 (예를 들어 Puck, Tsai, Niederstadt, Geier) 에 따른) 각각의 그룹의 모든 섬유 및 매트릭스 성분들의, 면적 가중되고 그룹 축선 방향으로 변환된, 단일 또는 혼합 모듈에 대응한다.

- 절대값들만 사용된다.

- 그룹 강성 (E _Gk ) 에 대한 계산식:

이 식에서 층들 (j) 은 그룹 (k) 에 속한다.

E _Gk - 그룹 (k) 의 그룹 강성, E _Sj - 층 (j) 의 층 강성

A _Sj - 층 (j) 의 단면적

- 그룹 확장 강성 F _Gk : - 그룹 강성과 그룹의 할당된 단면적의 곱

- 그룹 확장 강성 (F _Gk ) 에 대한 계산식:

이 식에서 층들 (j) 은 그룹 (k) 에 속한다.

F _Gk - 그룹 (k) 의 그룹 확장 강성, E _Gk - 그룹 (k) 의 그룹 강성, A _Sj - 층 (j) 의 단면적

- 쌍 P_n: - 서로 접하여 놓여 있는 2 개의 그룹들은 각각 쌍을 형성한다 (그룹 형성은 반드시 한 쌍이 +45° 와 -45°의 그룹 축선을 구비한 2 개의 그룹들로 구성되는 효과를 갖는다)

- 비하중 지탱부로서 분류된 층들 또는 플라이들은 서로 접하게 놓여 있는 상태의 평가에서 고려되지 않아서, 심지어 물리적으로 접촉하지 않는 층들도 서로 접하게 놓여 있는 것으로 간주될 수도 있다.

- 쌍 형성은 최내측 그룹으로 시작하고 연속적으로 바깥쪽으로 계속된다.

- 한 쌍에 이미 성공적으로 할당된 그룹은 서로 접하게 놓여 있는 다른 그룹과 쌍을 형성할 수 없다.

- 그룹 비 GV_n: - 쌍을 이루는 그룹들은 다음과 같이 그룹 비를 할당한다: 그룹 축선 -45°를 갖는 그룹의 그룹 확장 강성에 의해 나누어진 그룹 축선 +45°를 갖는 그룹의 그룹 확장 강성 (그룹 확장 강성들은 이 경우에 부호를 갖지 않는데, 왜냐하면 그룹 강성의 절대값들만 계산에 포함되기 때문이다)

- 쌍 비 PV_n: - 서로 접하여 놓여 있는 2 개의 쌍들은 다음과 같이 쌍 비를 할당한다: 접하여 놓여 있는 쌍의 강성에 의해 나누어진 내부 쌍의 강성.

압축 세트: - 압축 방향의 모든 그룹들은 압축 세트를 형성한다.

- 세트 그룹들은 내부에서 외부로 분류된다.

인장 세트: - 인장 방향의 모든 그룹들은 인장 세트를 형성한다.

- 그룹들은 내부에서 외부로 분류된다.

혼합 섬유 다른 재료들의 필라멘트들로 이루어진 섬유 번들 또는 조방사.

스프링 와이어에서 섬유 배열 및 설계 방법을 추가로 고려하기 위해, 완성된 구성요소에서 계산되거나 규정된 섬유 각도들 (α_j) 이 이상적으로 일치하는 것으로 가정된다. 형성 작동 (예를 들어: 스프링 축선을 따라 신장된 스프링 와이어를 나선형으로 권취) 으로 인한, + 방향과 - 방향의 계산값들로부터 각각 임의의 각도상 변위들, 플랜트 특정 제조 편차들 (예를 들어: 권취 기계의 회전 속도 변동) 또는 완성된 구성요소에서 취급 작동 (예를 들어, 중간 제품들의 수동 수송) 으로 인한 변위들은, 절대 각도 차이가 20° 미만, 바람직하게 10° 미만, 가장 특히 바람직하게 5° 미만이기만 하면, 제시된 설계 방법의 발견과 관련되지 않는다.

본 발명에 따른 스프링을 설계하기 위한 바람직한 방법은 다음과 같이 제공한다:

스프링의 예비 설계는 실험값들을 기반으로 종래 기술에 따라 수행된다. 이 스프링의 파라미터들은 본 발명에 따른 방법에 따라 스프링을 최적화하기 위한 시작 파라미터들로서 사용된다.

후술되는 모든 설계 단계들은, 하나의 루핑 프로세스에서 모든 필요한 설계 기준을 충족시키도록 그 자체에서 되풀이하여 또는 전체적으로 반복하여 실시되어야 한다.

단계 1:

제 1 단계에서는, 2 개의 세트들 중 하나에서 인접한 그룹들의 그룹 강성이 내부에서 외부로 적어도 한 번 감소하도록 스프링 와이어의 구조가 만들어진다. 각각 세트에서, 추가 그룹들은 바람직하게 내부에서 외부로 동일한 그룹 강성을 가지거나 내부에서 외부로 감소하는 그룹 강성을 갖는다. 특히 바람직하게, 인접한 그룹들의 그룹 강성은 두 세트 모두에서 스프링 와이어의 전체 반경에 대해 내부에서 외부로 감소한다.

이것은 예를 들어 다음 가능성들 중 하나 또는 다음 가능성들 중 2 개 또는 3 개의 조합에 의해 달성된다:

가능성 I: 다른 섬유 재료들

- 이 가능성에 대해, 높은 강성의 섬유들 (예를 들어 UHM-CF) 이 내부 그룹들에 사용되고, 중간 강성의 섬유들 (예를 들어 IM-CF) 은 중간 그룹들에 사용되고, 스티프한 섬유들 (예를 들어 HT-CF) 은 또한 외부에 사용되고 낮은 강성의 섬유들 (예를 들어 GF) 은 외부 그룹들에 사용된다.

가능성 Ⅱ: 다른 섬유 각도들

- 강성의 미세 조정은 층들에서 섬유 각도들에 의해 달성될 수도 있어서, 동일한 재료의 다수의 층들의 경우에 강성은 그럼에도 불구하고 섬유 각도에 의해 내부에서 외부로 조정될 수 있다.

가능성 Ⅲ: 다른 섬유들의 혼합물

- 강성 차이가 섬유 각도들에 의해 얻을 수 있는 밸런스에 비해 너무 커진다면, 베이스 섬유 유형들의 혼합물을 갖는 다른 재료들이 또한 하나의 그룹의 층들에서, 그렇지 않으면 하나의 그룹에서 다음 그룹으로 사용될 수도 있다.

단계 2:

그 후, 쌍들은 내부에서 외부로 형성된다. 연속 하중의 경우에 매트릭스 재료의 크리프 문제점 원인은 일반적으로 스프링에서 그룹들 사이 매우 높은 전단 응력 때문이다. 그룹들 사이 전단 응력을 회피하도록, 한 쌍의 그룹들은 비슷한 그룹 확장 강성을 가져야 하고, 이것은 예를 들어 단면적, 섬유 체적 콘텐트, 섬유 각도 또는 재료 선택에 의해 영향을 받을 수 있다. 한 쌍의 2 개의 그룹 확장 강성들이 그룹 비를 계산하는데 사용된다. 그룹 비는 주어진 범위 내에 있어야 한다. 설계 방법은, 그룹 비 (GV) 가 0.2<=GV<=5, 바람직하게 0.5<=GV<=2, 가장 특히 바람직하게 0.75<=GV<=1.33 의 범위에 있도록 제공한다.

유효 그룹 비들을 달성하기 위해서, 예를 들어 조정된 단면적들을 통해 다른 유형들의 섬유의 다른 재료 강성들을 보상할 필요가 있다. 이 목적으로, 바람직한 절차에서 섬유 강성은 로딩 면에서 섬유들의 활용 능력에 대응하도록 선택된다. 따라서, UHM-CF 는 예를 들어 단지 낮은 압축 하중을 흡수할 수 있어서 바람직하게 인장 하중 층들에 효율적으로 사용될 수 있다. IM-CF 섬유들은 양호한 압축성을 가져서, 또한 압축 하중 층들에 잘 사용될 수 있다. 예를 들어, UHM-CF 섬유들의 인장 하중 그룹 및 IM-CF 섬유들의 압축 하중 그룹은 따라서 각각의 경우에 단 하나의 층과 한 쌍을 형성한다. 그러면, 인장 하중 그룹 (UHM-CF) 은 압축 하중 그룹 (IM-CF) 보다 높은 그룹 강성을 갖는다. 바람직한 그룹 비를 설정하도록, 층 벽 두께, 및 따라서 단면적을 조정할 수 있다. 그룹 강성과 할당된 단면적의 곱은 그룹 확장 강성을 형성한다. UHM-CF 섬유 및 IM-CF 섬유로 구성된 쌍에 대해, 층 벽 두께들은 예를 들어 인장 하중 그룹에 대해 1 ㎜ 이고 압축 하중 그룹에 대해 1.5 ㎜ 일 수도 있다. 그 결과, 인장 하중 그룹 및 압축 하중 그룹에 대한 그룹 확장 강성들은 할당된 단면적들을 통하여 유사하게 만들어질 수 있고, 그룹 비는 원하는 범위 내의 값을 갖는다. 그 결과, 그룹들 사이에 전단 응력은 거의 없고 스프링 와이어는 그 결과 유리한 크리프 거동을 갖는다.

추가 바람직한 실시형태들은, 매우 얇아서 그 결과 구성 요소의 하중 지탱 거동에 거의 기여하지 않는 하나 이상의 중간 또는 외부 층들의 사용을 구상하는데, 이것은 섬유 배향에 의해, 예를 들어, 횡력에 대한 스프링의 강성에 기여하거나 내측 (medial) 환경 로딩에 대한 종단층을 나타낸다. 하지만, 본 발명에 따르면 스프링 와이어 질량 (코어 없음) 의 단지 최대 25%, 바람직하게 15%, 특히 바람직하게 5% 가 비하중 지탱부로서 분류되는 층들로 구성되어야 한다.

또한, 내부에서 외부로 감소하거나 동일하게 유지되는 그룹 강성을, 인장 세트 및 압축 세트 내에서 가지는 그룹들의 스프링 와이어 (코어 없음) 의 총 질량의 적어도 50%, 바람직하게 75%, 특히 바람직하게 95% 의 비율로, 스프링 와이어의 그룹들이 구성하는 스프링 와이어를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 스프링 와이어의 내부에서 외부로 감소하는 그룹 강성을 갖는, 층들의 상기 인장 하중 그룹들 및 층들의 상기 압축 하중 그룹들의 질량은, 코어 질량을 무시한 상기 스프링 와이어 질량의 최대 50% 인 것일 수 있다.

또한, 스프링 와이어의 그룹들이 쌍에 성공적으로 할당된 스프링 와이어 (코어 없음) 의 총 질량의 적어도 50%, 바람직하게 75%, 특히 바람직하게 95% 의 비율로 가지는 스프링 와이어를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 섬유 보강 없이 외부 플라스틱 플라이 또는 매트릭스 재료의 플라이를 적용하는 것이 바람직하다. 하지만, 본 발명에 따른 방법은, 로딩의 경우에, 탄성 에너지의 적어도 75%, 바람직하게 85%, 특히 바람직하게 95% 가 외부 플라스틱 플라이가 아니라 섬유 복합 재료에 의해 저장되도록 제공한다. 이것은 또한 외부 플라스틱 플라이 인열 가능성을 포함하지만, 섬유 보강 플라이들 및 선택적으로 존재하는 코어는 손상되지 않은 채로 유지한다.

본 발명에 따른 스프링의 컴퓨터를 이용한 (computational) 설계는 바람직하게 컴퓨터 지원 방식으로 수행된다. 본 발명에 따른 방법은, 설계 후, 스프링이 종래 기술의 방법들에 의해 제조되도록 제공한다.

본 발명에 따르면, 스프링 와이어의 전체 단면을 통하여 로딩 면에서 균질하게 재료를 이용하도록 하중 지탱 스프링 단면 (비하중 지탱부인 코팅 등은 무시됨) 은 강성 특성이 조정된다. 이것은 바람직하게 바 축선에서 시작하여 반경 방향으로 감소하는 층 강성에 의해 발생한다. 특히, 내부 플라이들의 언더로딩 또는 외부 플라이들의 오버로딩을 보상하도록, 그룹 강성은 내부에서 외부로 감소한다. 모든 플라이들에서 로딩 한계는 거의 동시에 도달되도록 스프링이 바람직하게 설계된다.

본 발명에 따른 스프링의 스프링 바는 바람직하게 원형 단면을 갖는다. 하지만, 타원형 단면 또는 다각형 단면이 또한 가능하다. 스프링은 선택적으로 코어를 갖는다. 이것은, 바람직하게, 섬유 복합 재료로 구성되고, 그 경우에 섬유들은 바 축선에 평행하게 단방향으로 뻗어있다. 추가 바람직한 실시형태들은 중공 코어를 제공하고, 그 경우에 축선 중공 공간은 섬유 복합 재료 또는 미보강 플라스틱 서라운드에 의해 둘러싸여 있다. 또한, 완전히 플라스틱으로 구성되는 코어 또는 전적으로 중공 공간에 의해 형성되는 코어가 바람직하다.

또한, 인접한 쌍들은 서로에 대해 단지 아주 적게 벗어나는 쌍 비를 형성하는 것이 바람직하여서, 또한 최저 가능한 전단 응력이 그 쌍들 사이에 발생하고, 그 결과 스프링 와이어는 최저 가능한 크리프 경향을 갖는다. 이런 쌍 비는 두 쌍의 그룹들의 강성들로부터 계산된다.

본 발명에 따른 스프링은 바람직하게 모터 차량들 및 레일 차량들을 위한 차량 구성에서 사용된다. 하지만, 헬리컬 스프링들, 또는 일반적으로 비틀림 스프링들의 모든 사용 영역들에서 용도를 생각할 수 있고, 이 경우에 환경 조건들은 스프링에 사용되는 재료들을 받아들일 수 없는 정도로 공격하지 않는다.

도 1a 및 도 1b 는 본 발명에 따른 비틀림 스프링의 2 가지 실시형태들을 개략적으로 도시한다. 도 1a 에서는 비틀림 스프링이 코어를 구비한 헬리컬 스프링으로서 나타나 있고 도 1b 에서는 비틀림 스프링이 코어가 없는 헬리컬 스프링으로서 나타나 있다.
도 2 는 중실형 코어 (1) 및 연관된 층 벽 두께들과 층 재료들을 갖는 다양한 층들 (S₁ ~ S_J) 을 구비한 도 1a 에 도시된 바와 같은 스프링의 단면 A-A 를 개략적으로 도시한다.
도 3 은 관형 코어 (1) 및 연관된 층 벽 두께들과 층 재료들을 갖는 다양한 층들 (S₁ ~ S_J) 을 구비한 도 1a 에 도시된 바와 같은 스프링의 단면 A-A 를 개략적으로 도시한다.
도 4 는 코어가 없고 연관된 층 벽 두께들과 층 재료들을 갖는 다양한 층들 (S₁ ~ S_J) 을 구비한 도 1b 에 도시된 바와 같은 스프링의 단면 B-B 를 개략적으로 도시한다.
도 5 는 편조 직물과 4 ㎜ 의 코어 직경을 갖는 본 발명에 따른 예시적 실시형태 1 의 스프링 구성 배열을 개략적으로 도시한다 (표 1 및 표 2).
도 6 은 (예를 들어 코일링 기계에서의) 권취 직물 및 3.5 ㎜ 의 코어 직경을 구비한 본 발명에 따른 예시적 실시형태 2 의 스프링 구성 배열을 개략적으로 도시한다 (표 3 및 표 4).
도 7 은 편조 직물을 구비한 본 발명에 따른 예시적 실시형태 3 의 스프링 구성 배열을 개략적으로 도시하고, 제 4 플라이는 UD 부직포이고 균질한 플라스틱 외부 플라이는 스프링의 외부에 놓인다 (표 5 및 표 6).

표 1 은 편조 직물 및 4 ㎜ 의 코어 직경을 구비한 본 발명에 따른 설계 방법의 예시적 실시형태 1 을 보여준다.

표 2 는 예시적 실시형태 1 에 사용된 섬유 재료들을 특성들로 보여준다. 특성들은 종래 기술에 공지되어 있고 단지 여기에서 컴파일되었다.

표 3 는 (예를 들어 코일링 기계에서의) 권취 직물 및 3.5 ㎜ 의 코어 직경을 구비한 본 발명에 따른 설계 방법의 예시적 실시형태 2 를 보여준다.

표 4 는 예시적 실시형태 2 에 사용된 섬유 재료들을 특성들로 보여준다. 특성들은 종래 기술에 공지되어 있고 단지 여기에서 컴파일되었다.

표 5 는 편조 직물을 구비한 본 발명에 따른 설계 방법의 예시적 실시형태 3 을 보여주고, 제 4 플라이는 UD 부직포이고 균질한 플라스틱 외부 플라이는 스프링의 외부에 배치된다.

표 6 은 예시적 실시형태 3 에 사용된 섬유 재료들을 특성들로 보여준다. 특성들은 종래 기술에 공지되어 있고 단지 여기에서 컴파일되었다.

예시적 실시형태들

모든 예시적 실시형태들에서, 단면적 계산은 환형부 단면에 대한 식을 사용함으로써 수행된다. 각각의 예시적 실시형태들에 대해, 구체적 상황들은 스프링 와이어의 단면도, 스프링 와이어 특성값들을 설명하는 표, 및 할당된 재료 특성값들을 제공하는 표에 의해 설명된다.

예시적 실시형태 1 (표 1) 은, 편조 직물의 6 개의 플라이들 및 4 ㎜ 직경의 중공 코어로 구성된, 본 발명에 따른 스프링의 간단한 구성을 보여준다. 편조 패브릭 플라이들은 12 개의 하중 지탱층들을 형성한다. 종래 기술에 따르면, 플라이는 인장 하중 층 및 압축 하중 층으로 나누어지고, 이 층들은 둘 다 동일한 층 반경을 갖는다. 도 5 에서, 스프링 와이어의 단면도가 개략적으로 나타나 있다. 예시를 위해, 절단 (breakdown) 시 압축 하중 층은 항상 내부에 나타나 있다. 그렇지만, 계산은 종래 기술에 따라 실시된다 (표 1). 예시적 실시형태 1 은 단지 하중 지탱층들로서 분류되는 층들을 갖는다. 직물 플라이들은, 절단된 층들로서, 바 축선에 대해 +45° 및 -45°의 섬유 각도를 가지도록 배치된다. 편조 패브릭 플라이들은 표 2 에 따른 재료들을 내부에서 외부로 갖는다. 이 경우에, 재료 강성은 섬유를 따라 내부에서 외부로 감소하도록 재료들이 선택된다. 이 거동은, 또한, 내부에서 외부로 층 및 그룹 강성의 감소가 반영되는, 층 축선의 방향으로 변환 후 (이 경우에는, 수치 변화 없음) 유지된다. 층들은 교대로 압축 방향과 인장 방향으로 되어 있고, 이것은 각각의 층이 개별 그룹을 형성하는 결과를 갖는다. 일단 그룹들이 내부로부터 외부로 그리고 압축 로딩 및 인장 로딩에 따라 분류되고 나면, 압축 세트 (G₁, G₃, G₅, G₇, G₉, G₁₁) 는 압축 로딩 후 획득되고 인장 세트 (G₂, G₄, G₆, G₈, G₁₀, G₁₂) 는 인장 로딩 후 획득된다. 개별 세트들은, 이 경우에, 내부로부터 외부로 감소하는 그룹 강성을 갖는다. 그룹 확장 강성들의 관계가 요구되는 범위 내에 있으므로, 내부로부터 시작한, 쌍 형성은 모든 그룹들에 대해 성공적으로 진행한다. 6 쌍이 형성되고, 모두 1 의 그룹 비를 갖는다. 예시적 실시형태 1 에서, 스프링 와이어의 질량의 100% 는 내부로부터 외부로 감소하거나 동일하게 유지되는 그룹 강성을 갖는 그룹들에 있다. 동시에, 모든 그룹들이 쌍들에 할당된다. 그 결과, 본 발명에 따르면, 예시적 실시형태 1 은 로딩 및 낮은 크리프 경향 면에서 균일하게 재료를 이용하는 바람직한 실시형태이다.

예시적 실시형태 2 (표 3 및 표 4) 에서는, 예를 들어 종래 기술에 따른 코일링 프로세스로 생산될 수 있고 총 14 개의 플라이들을 가지는 본 발명에 따른 스프링 와이어 배열체가 있다. 도 6 에 나타낸 것은 권취된 플라이들 및 3.5 ㎜ 직경의 중공 코어를 구비한 기본 구조에 대응한다. 또한 2 개의 제 1 그룹들 (G₁, G₂) 을 형성하는 2 개의 제 1 층들 (S₁, S₂) 은, 섬유 강성이 로딩 면에서 섬유들의 활용 능력에 대응하도록 선택되는 경우를 보여준다. 보다 높은 압축 강도를 가지는 IM 탄소 섬유들이 압축 하중 층에 사용되고 UHM 탄소 섬유들이 인장 하중 층에 사용된다. 2 개의 그룹들이 쌍 형성에서 가능한 한 적은 전단 응력을 갖는 거동을 보여주도록, 2 개의 그룹들 (G₁, G₂) 의 그룹 확장 강성들이 층 벽 두께를 조정함으로써 서로 비슷해져서, 그것의 비는 특히 바람직한 그룹 비의 범위 내에 있다. 추가 외향 플라이들 (5, 6, 7) 은 2 개의 층들을 형성한다. 바 축선에 대해 동일한 섬유 재료와 동일한 섬유 각도의 기술적으로 가능한 배치 (deposition) 로 인해, 플라이들 (6, 7) 은 단 하나의 층 (S₆) 만 형성한다. 층들 (S₅, S₆) 은, 서로 접하여 놓여 있는 하나의 로딩 방향의 다수의 하중 지탱층들이므로, 그룹 (G₅) 을 발생시킨다. 그룹 7 (G₇) 은, 하나의 로딩 방향의 층들 (S₈, S₉, S₁₀) 이 함께 그룹을 이루는데 어떤 방법이 영향을 미치는지 보여준다. 이 층들은, 다른 섬유 재료들과 다른 섬유 각도들에 의해 유발되는, 크기가 다른 층 강성들을 갖는다. 그룹 7 의 그룹 강성은 그룹과 연관된 층들의 면적을 평균낸 산술 평균으로서 계산된다. 예시적 실시형태 2 에서, 인장 로딩 및 압축 로딩 세트들은 내부에서 외부로 감소하는 그룹 강성들, 및 그 결과 로딩 면에서 균일한 이용을 갖는다. 그룹 확장 강성들을 기반으로 성공적으로 형성된 쌍들은 바람직한 그룹 비들의 범위 내에 있다.

예시적 실시형태 3 (표 5 및 표 6) 에서는, 본 발명에 따른 스프링의 보다 복잡한 구성을 나타낸다. 구성은 도 7 의 도면에 대응한다. 내부에서 외부로, 스프링 와이어는 편조 직물의 3 개의 플라이들 (L₁, L₂ 및 L₃) 로 이루어지고, 권취 플라이 (L₄) 가 뒤따르고, 편조 직물의 2 개의 플라이들 (L₅ 및 L₆) 이 뒤따르고 끝으로 전적으로 플라스틱인 플라이 (L₇) 가 뒤따른다. 편조 직물 플라이들에 대해, 층, 그룹 할당 및 쌍 형성은 예시적 실시형태 1 과 유사한 방식으로 일어난다. 이것으로부터 출발한 것은, 사용된 재료가 또한 이 경우에 베이스 섬유 유형들의 저알칼리 유리 섬유 및 HT 탄소 섬유의 혼합 섬유들을 포함하는 상황이다. 이들은 특히 섬유들의 종방향으로 다른 강성들을 유발하는 질량 분율로 이루어진다. 편조 직물들에 혼합 섬유들을 사용하면 유리 섬유와 탄소 섬유 사이 강성의 큰 차이가 더 잘 보상될 수 있도록 한다. 예시적 실시형태 1 의 획정으로서, 추가 주요 차이점은, 비하중 지탱부로서 분류되어 그 결과 그룹들을 형성할 수 없는, 플라이들 (L₄, L₇) 이다. 플라이 (4) 는 여기에서 0°의 섬유 각도를 갖는 탄소 섬유 플라이로 구성된다. 이것은 20° ~ 70°의 범위 또는 -20° ~ -70°의 범위 밖의 섬유 각도를 갖는 층이고, 이것은 따라서 비하중 지탱부로서 분류된다. 이러한 층은 스프링 축선 둘레에 나선형으로서 권취된 스프링 와이어의 횡하중 불감도 (insensitivity) 에 유리한 영향을 미치므로, 어느 정도 적절하다. 균질한 플라스틱 플라이로서, 인장 지향 또는 압축 지향 로딩 방향으로 우선적 섬유 보강을 가지지 않기 때문에, 플라이 (7) 는 유사하게 비하중 지탱층이다. 오히려, 플라이 (7) 는 주변에 대한 스프링 와이어의 외향 종단부를 나타낸다. 여기에서 가능한 기능은, 내측 주위 영향, 가능한 충돌 보호 (예를 들어, 돌의 충돌), 마찰학적 저항 (예를 들어, 스프링 플레이트들에서 내마찰성 보호층) 또는 접촉 부식 방지로부터 보호하는 것이다. 비하중 지탱층들은 스프링 와이어의 단면의 총 질량에 대해 21% 의 질량 분율을 갖는다 (존재할 가능성이 있는 스프링 와이어 코어의 질량은 계산에 고려되지 않음). 본 발명에 따른 이 변형예에서, 그룹 강성들은 내부에서 외부로 감소하고 방법은 모든 그룹들이 성공적으로 쌍들을 형성하는데 영향을 미치므로, 그룹들은 두 요건을 위해 75% 초과 질량 분율을 나타내고, 그 결과 이 예시적 실시형태 3 이 바람직한 배열체이다. 또한, 상기 스프링 와이어는 베이스 섬유 유형들의 혼합물을 갖는 비하중 지탱부로서 분류된 층들을 추가로 포함하고, 베이스 섬유 유형들의 혼합물을 갖는 비하중 지탱부로서 분류된 층들에 대해, 각각의 베이스 섬유 유형은 적어도 10% (질량 관련) 의 비율로 혼합 섬유층에 존재할 수 있다.

L_i 플라이 i (자연수들 [1,I] 의 폐 구간에서 카운팅 지수 i)
LW_i 플라이 i 의 플라이 벽 두께
S_j 층 j (자연수들 [1,J] 의 폐 구간에서 카운팅 지수 j)
α_j 층 S_j 의 바 축선에 대한 각도상 배향
1 스프링 와이어의 코어 (선택적으로 존재)
M_j 층 S_j 의 재료
D_j 층 S_j 의 층 직경
W_j 층 S_j 의 층 벽 두께
E _Sj 층 S_j 의 층 강성
E₁ 재료 M_j 의 섬유에 대한 종방향 강성
E₂ 재료 M_j 의 섬유들의 방향에 대한 횡방향 강성
G₁₂ 재료 M_j 의 전단 모듈러스
ν₁₂ 재료 M_j 의 큰 푸아송 비
ν₂₁ 재료 M_j 의 작은 푸아송 비
G_k 그룹 k (자연수들 [1,K] 의 폐 구간에서 카운팅 지수 k)
A _Sj 층 S_j 의 단면적
E _Gk 그룹 G_k 의 그룹 강성
F _Gk 그룹 G_k 의 그룹 확장 강성
P_n 쌍 n (자연수들 [1,N] 의 폐 구간에서 카운팅 지수)
GV_n 인장 하중 그룹 및 압축 하중 그룹으로부터 계산된 그룹 비 n
D_a 스프링 와이어 외부 직경
CF 탄소 섬유
BF 현무암 섬유
GF 유리 섬유
S2 보다 높은 강성을 갖는 유리 섬유
E 정상 강성을 갖는 유리 섬유
UHM 매우 높은 강성을 갖는 탄소 섬유 (초 고모듈러스)
IM 고 강성을 갖는 탄소 섬유 (중간 모듈러스)
HT 정상 강성을 갖는 탄소 섬유 (고 강인성)

Claims (18)

1. 섬유 복합 재료의 스프링 와이어를 포함하는 비틀림 스프링으로서,
   상기 비틀림 스프링은 매트릭스 재료로 함침되는 다수의 섬유 보강층들을 포함하며, 각각의 층은 인장 하중 섬유들만 또는 압축 하중 섬유들만 포함하고,
   층들의 인장 하중 그룹들 (G2, G4, G6, G8, G10, G12) 및 층들의 압축 하중 그룹들 (G1, G3, G5, G7, G9, G11) 이 존재하고 적어도 2 개의 그룹들의 그룹 강성이 다르며,
   층들의 상기 인장 하중 그룹들 (G2, G4, G6, G8, G10, G12) 및 층들의 상기 압축 하중 그룹들 (G1, G3, G5, G7, G9, G11) 의 각각에서 상기 스프링 와이어의 단면 중 내부에 위치된 층의 벽 두께는 상기 스프링 와이어의 단면 중 상기 내부 보다 외부에 위치한 층의 벽 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
2. 제 1 항에 있어서,
   동일한 로딩 방향의 그룹들의 그룹 강성은 다른 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
3. 제 1 항에 있어서,
   다른 로딩 방향들의 그룹들의 그룹 강성은 다른 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 그룹 강성은 다른 섬유 재료들의 사용으로 인해 다른 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 그룹 강성은 섬유 재료들로서 혼합 섬유들의 사용으로 인해 다른 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 그룹 강성은 다른 층들에 다른 섬유 각도들의 사용으로 인해 다른 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 그룹 강성은 1 개의 세트에서 적어도 2 개의 그룹들 사이에서 상기 스프링 와이어의 내부로부터 외부로 감소하는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 스프링 와이어의 내부에서 외부로 감소하는 그룹 강성을 갖는, 층들의 상기 인장 하중 그룹들 및 층들의 상기 압축 하중 그룹들의 질량은, 코어 질량을 무시한 상기 스프링 와이어 질량의 적어도 50% 인 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 스프링 와이어의 내부에서 외부로 감소하는 그룹 강성을 갖는, 층들의 상기 인장 하중 그룹들 및 층들의 상기 압축 하중 그룹들의 질량은, 코어 질량을 무시한 상기 스프링 와이어 질량의 최대 50% 인 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 와이어는 베이스 섬유 유형들의 혼합물을 갖는 비하중 지탱부로서 분류된 층들을 추가로 포함하고, 베이스 섬유 유형들의 혼합물을 갖는 비하중 지탱부로서 분류된 층들에 대해, 각각의 베이스 섬유 유형은 적어도 10% (질량 관련) 의 비율로 혼합 섬유층에 존재하는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
11. 제 3 항에 있어서,
    상기 스프링 와이어는 비하중 지탱부로서 분류된 층들을 추가로 포함하고, 비하중 지탱부로서 분류된 층들의 질량은 코어 질량을 무시한 상기 스프링 와이어 질량의 최대 25% 인 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 와이어는 원형, 타원형 또는 다각형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 와이어는
    a. 중공이거나,
    b. 상기 스프링 와이어의 축선 방향으로 단방향 섬유들을 구비한 섬유 보강 재료로 구성되거나
    c. 섬유 보강되지 않은 재료로 구성되는 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링.
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