KR102640878B1

KR102640878B1 - 코일 스프링 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102640878B1
Application number: KR1020207007710A
Authority: KR
Inventors: 르네 포니어; 프랑수아 마송; 루크 드자르댕; 제르맹 벨랑저
Original assignee: 레조르뜨 리베르떼 인코포레이티드
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2024-02-27
Also published as: CN111465778A; EP3673184A1; JP7227251B2; CA3072836C; JP2020532697A; EP3673184A4; MX2020002097A; CA3072836A1; BR112020003795A2; US20210156442A1; KR20200045509A; CN111465778B; WO2019036801A1; US11248674B2

Abstract

권취 방향으로 스프링 축을 중심으로 구부러진 길이 방향 축의 와이어로 제조된 복합 스프링 및 스프링의 제조방법에 있어서, 와이어는 코어; 및 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하고, 스프링 축에 대한 와이어의 권취 방향에 의존하여, 섬유 층들 각각의 스프링 층에 대한 각도 위치는 스프링의 높은 고유 진동수, 좌굴에 대한 내성 및 스프링의 압축 로드에 의해 유발되는 인장 및 압축 응력 성분에 대한 내성 중 하나 이상을 조정하기 위해 코어의 길이를 따라 선택된다.

Description

코일 스프링 및 그 제조 방법

본 발명은 코일 스프링에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 복합 코일 스프링 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

스프링은 일반적으로 에너지를 저장한 후 방출하여 충격을 흡수하거나 접촉 표면 사이의 힘을 유지하는 데 사용된다. 적용된 로드(load)에 따라 변형되어 언로드(unload)시 원래 길이로 돌아간다. 압축에 저항하도록 설계된 압축 코일 스프링, 신축에 견디도록 설계된 인장/연장 코일 스프링, 비틀림 동작에 저항하도록 설계된 비틀림 코일 스프링, 바퀴 달린 차량의 서스펜션에 일반적으로 사용되는 판 스프링(leaf spring), 원뿔 나선 스프링, 벨빌 스프링(Belleville spring) 등을 포함하여 광범위한 스프링이 존재한다.

자동차 산업에서 사용되는 스프링은 일반적으로 강철로 만들어지며 목표 기계적 응력 및 피로 특성을 충족하도록 설계되었다. 스프링의 재질, 사용된 와이어의 형상 및/또는 스프링의 지오메트리, 제조 방법 등을 선택하여 스프링의 무게를 줄이면서 피로 또는 최대 로드에 대한 내성을 증가시키는 노력이 필요하다.

최근 자동차 산업에서, 예를 들어 판 스프링 및 구동 샤프트(drive shaft)와 관련하여 복합 재료가 점점 더 많이 사용되고 있다.

코일 스프링 및 그 제조 방법이 여전히 당 업계에 필요하다.

보다 구체적으로, 본 개시에 따르면, 권취 방향으로 스프링 축을 중심으로 구부러진 길이 방향 축의 와이어로 만들어진 복합 스프링이 제공되며, 와이어는 코어; 및 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하고, 스프링 축에 대한 섬유 층들의 각각의 각도 위치는 스프링 층을 중심으로 와이어의 권취 방향에 의존하여, 코어의 길이를 따라 선택되어, 스프링의 높은 고유 진동수, 좌굴에 대한 내성 및 스프링의 압축 로드에 의해 유발되는 인장 및 압축 응력 성분에 대한 내성 중 적어도 하나를 조정한다.

코어 및 적어도 두 개의 섬유 층들을 포함하는 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계; 비경화 프리폼을 스프링으로 선택적으로 성형하는 단계; 및 경화시키는 단계를 포함하는 복합 스프링을 제조하는 방법이 더 제공된다.

본 개시의 다른 목적, 장점 및 특징은 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 주어진 다음의 특정 실시 예의 비 제한적인 설명을 읽을 때 더욱 명백해질 것이다.

첨부된 도면에서:
도 1은 우측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링의 개략도이다;
도 2는 좌측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링의 개략도이다;
도 3은 좌우 권선 방향을 갖는 유사한 코일 스프링 사이의 카이랄성(chirality)을 도시한다;
도 4a는 압축 로드 하에서 좌측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링의 개략도이다;
도 4b는 압축 로드 하에서 우측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링의 개략도이다;
도 4c는도 4a의 상세도이다;
도 4d는도 4b의 상세도이다;
도 5는 와이어 상의 비틀림 모멘트(torsional moment) 및 직접 전단(direct shear)의 개략도이다;
도 6a는 좌측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링 상의, 코일 스프링의 내부 표면에서, 압축 로드의 효과를 나타내는 개략도이다;
도 6b는 좌측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링 상의, 코일 스프링의 외부 표면에서, 압축 로드의 효과를 나타내는 개략도이다;
도 6c는 우측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링 상의, 코일 스프링의 내부 표면에서, 압축 로드의 효과를 나타내는 개략도이다;
도 6d는 우측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링 상의, 코일 스프링의 외부 표면에서, 압축 로드의 효과를 나타내는 개략도이다;
도 7은 본 개시의 일 양태의 실시 예에 따른 스프링의 프리폼(preform)의 섬유(fiver)의 각도 위치를 도시한다;
도 8은 우측 권취 방향을 갖는 폐쇄형(closed-end) 압축 코일 스프링의 개략도이다;
도 9a는 본 개시의 일 양태의 실시 예에 따른 선 A-A를 따른 도 8의 단면도이다;
도 9b는 본 개시의 일 양태의 다른 실시 예에 따른 선 A-A를 따른 도 8의 단면도이다;
도 10a는 본 개시의 일 양태의 실시 예에 따른 좌측 권선 압축 코일 스프링을 도시한다;
도 10b는 본 개시의 일 양태의 실시 예에 따른 우측 권선 압축 코일 스프링을 도시한다;
도 10c는도 10a의 코일 스프링의 와이어의 상세도이다;
도 10d는도 10b의 코일 스프링의 와이어의 상세도이다;
도 11은 본 개시의 일 양태의 실시 예에 따라, 테이퍼형 단자 단부를 갖는 우측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링의 개략도이다;
도 12a는 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 타원형 프리폼(ovoid preform)의 단면도이다;
도 12b는 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 각기둥 모양의 프리폼(prismatic preform)의 단면도이다;
도 12c는 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 감자 형상의 프리폼의 단면도이다;
도 13은 본 개시의 양태의 실시 형태에 따른 압축 코일 스프링의 와이어의 개략도이다;
도 14a는 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 직선 비경화 프리폼의 개략도이다;
도 14b는 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 비직선 비경화 프리폼의 개략도이다;
도 15는 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 가변 피치 원통형 코일 스프링을 도시한다;
도 16은 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 원뿔형 코일 스프링을 도시한다;
도 17은 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 배럴형(barrel-shaped) 코일 스프링을 도시한다;
도 18은 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 모래 시계 형상(hourglass shape) 코일 스프링을 도시한다;
도 19는 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 접지 단부를 갖는 코일 스프링을 도시한다;
도 20a는 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 프리폼의 부분도이다;
도 20b는 본 개시의 한 양태의 실시 예에 따른 도 20a의 프리폼으로부터 제조된 스프링을 도시한다;
도 21은 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 다각형 단부 단면을 갖는 코일 스프링을 도시한다;
도 22는 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 방법의 단계를 도시한다;
도 23은 본 개시의 양태의 실시 예에 따른, 평균 스프링 직경(

D₁)보다 큰 직경(

D₂)의 마지막 코일을 포함하는 모래 시계형 스프링을 도시하고;
도 24는 본 개시의 양태의 실시 예에 따른 플레이트 지오메트리의 단부 코일을 갖는 원통형 코일 스프링을 도시한다; 그리고
도 25는 도 24에 도시된 플레이트 지오메트리를 제조하는 방법의 단계를 도시한다.

본 발명은 하기 비-제한적 실시 예에 의해 더욱 상세하게 설명된다.

코일 스프링은 전형적으로 길이 방향 축(Y)의 와이어를 포함하며, 이는 축(X)을 중심으로 길이 방향 축(X)의 코일로 감아 형성된다.

도 1은 축(X)을 중심으로 반 시계 방향으로 구부러진 길이방향 축(Y)의 와이어(12)를 우측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링(10)으로 도시한다.

도 2는 축(X)을 중심으로 시계 방향으로 구부러진 와이어 (12)를 도시하며, 좌측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링(14)으로 도시한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 축(X)을 중심으로 동일한 회전 수, 동일한 스프링 평균 직경(

D), 동일한 와이어 단면 직경(

d) 및 동일한 스프링 자유 높이(h)의 와이어(12)를 포함하는, 스프링들(10 및 14)은 카이랄 오브젝트(chiral object)이며, 이들은 평면(O)을 기준으로 미러 이미지로부터 구별되며 이들의 권취 방향이 다르기 때문에 이와 겹쳐 질 수 없다.

도 4는 각각의 축 (X)을 따라 동일한 압축 로드(P)를 적용한 스프링(10)(도 4b) 및 스프링(14)(도 4a)를 도시한다. 평행 6면체(Parallelepiped) 요소들(140, 141 및 100, 101)은 스프링에 가해진 압축 로드(P)으로 인한 변형 및 관련 응력을 따르기 위해 스프링의 표면을 가리킨다. 도 4c 및 도 4d에서 가장 잘 보이는 바와 같이, 스프링(10)의 와이어(12) 표면 상의 요소(101) 및 스프링(14)의 와이어(12) 표면 상의 요소(141)는 축(X)에 가깝게 위치되며, 즉, 각각 스프링들(10, 14)의 내측에 상에 위치되며, 반면 스프링(10)의 와이어(12) 표면 상의 요소(100) 및 스프링(14)의 와이어(12) 표면 상의 요소(140)는 축(X)으로부터 떨어져 위치되며, 즉, 각각 스프링들(10 및 14)의 외측 상에 위치된다.

도 6은 압축 스프링들(10, 14)에 적용된 로드(P)로 인한, 도 4의 요소들(140, 141 및 100, 101)의 변형을 도시한다. 적용된 로드(P)는 와이어 섹션에 비틀림 모멘트(M)와 직접적인 전단력(V)를 생성한다.

도 5에 도시된 바와 같이, M = P x

D/2로 정의된 비틀림 모멘트는 와이어 표면에 대한 접선 방향을 따라 와이어 섹션의 원주에 변형을 야기한다. 직접 전단력(V)은 가해진 로드(P)의 방향, 즉 스프링의 축(X)을 따라 변형을 유발한다. 따라서, 스프링의 내측 상에, 두 변형은 동일한 방향을 가지지만, 그들은 스프링의 외측 상에 반대 방향을 갖는다.

따라서, 이들 두 개의 구성 요소들은 도 6에서 점선(직접 전단력) 및 대시선(비틀림 모멘트)으로 도시된 바와 같이, 그들의 측면들이 더 이상 수직이 아닌 방식으로 요소들(140, 141 및 100, 101)을 변형시키는 전단 응력을 야기한다.

이들 효과는 스프링의 내부 측에서 더해지고(예를 들어, 101 및 141로 예시) 반면 그들은 스프링의 내부 측에서 차감되는 것을 볼 수 있다(예를 들어, 100과 140으로 예시). 전체적인 순 효과는 도 6에서 굵은 실선으로 표시된다.

예를 들어, 내부 요소들(101 및 141)와 외부 요소들(100 및 140)을 비교함으로써 도 6에서 명확하게 보여지는 바와 같이, 스프링의 권취 방향과 와이어(12)의 길이 방향 축(Y)과 관련하여 재료 요소에 작용하는 전단 응력의 배향 사이에는 관계가 있다. 이러한 전단 응력은, 도 6에서 각각 T 및 C로 언급된, 요소들의 대각선을 따라 인장 및 압축 응력 성분과 관련될 수 있다. 다시 스프링의 권취 방향과 인장 및 압축 응력 성분의 길이 방향 축(Y)에 대한 방향 사이에는 직접적인 관계가 있다.

와이어 직경 (

d)에 대한 스프링 평균 직경 (

D)의 비에 의해 c =

D/

d와 같이 정의된 스프링의 인덱스는 또한 와이어 상의 위치에 따라 극미한(infinitesimal) 재료 요소의 길이에 영향을 미치며, 이는 또한 로드를 받는 와이어 섹션에서 발생하는 전단 응력을 결정한다. 비(c)가 낮을수록, 즉 와이어의 직경 (d)이 클수록, 스프링의 축(X)과 내측 사이의 거리(

D/2-

d/2)및 외측 사이의 거리(

D/2 +

d/2)가 거리가 커진다. 비틀림 모멘트 아래에서, 와이어는 다른 방식으로 섹션의 상대 회전에 따라 변형된다; 와이어의 내부 원주가 더 짧기 때문에 스프링의 내부(예를 들어 101 및 141로 예시)를 향한 효과(전단 응력)가 증가한다.

따라서, 비틀림 모멘트, 직접 전단 및 곡률은 와이어 단면의 주변에 전단 응력 분포를 결합하여 산출한다. 약 10의 인덱스를 갖는 스프링의 경우, 전단 응력은 스프링의 외 측면에 비해 스프링의 내 측면에서 30%까지 더 클 수 있다. 인덱스가 6이하인 경우, 이 효과가 더 클 수 있다. 최대 전단 응력은 항상 스프링의 내부에서 발생한다. 따라서, 와이어의 균열 형태의 스프링 고장은 일반적으로 스프링의 내부에서 시작된다.

전술한 바와 같이 스프링 와이어의 축 대칭 단면에 걸친 이러한 불균일한 응력 분포로 인해, 일반적으로, 축 대칭 섹션을 갖는 스프링 와이어를 갖는 스프링의 에너지 저장 및 방출 용량은 와이어 상의 더 간청된(solicited) 위치에 의해 제한되는 반면, 스프링의 나머지 부분은 사용되지 않는다.

도 7은 와이어(12)의 길이 방향 축(Y)에 대한, 복합 와이어(12) 내의 섬유들의 각도 위치를 도시한다. 섬유(16)는 축(Y)을 기준으로 90°로 배향되며, 섬유(18)는 축(Y)에 대하여 0°로 배향되고, 섬유 (20)는 축(Y)에 대해 +

°로 배향되고 섬유(22)는 축(Y)에 대해 -

°로 배향된다.

도 8은 우측 권취 방향을 갖는 폐쇄형 압축 코일 스프링을 도시한다. 도 9에서 도 8의 선 A-A를 따라 단면으로 도시된 바와 같이, 도 8의 스프링은 코어(24) 및 코어(24) 주위에 권취된 섬유의 여러 층들(26)을 포함하는 와이어(12)를 포함한다. 층들(26)의 섬유들은 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 이들의 조합일 수 있으며, 예를 들어 폴리에스테르, 에폭시 또는 우레탄과 같은 수지에 매립될 수 있다. 예를 들어 주변 섬유 층들(26)을 갖는 코어(24)는 열 수축 튜브(28)에 매립되거나(도 9a 참조) 수축 테이프(30)로 싸여 있거나(도 9b 참조) 또는 공압출된 가요성 열가소성 시스에 싸여 있거나 스프레이된 플라스틱 필름으로 덮일 수 있다.

본 개시의 양태의 실시 예에 따르면, 스프링 와이어 내에서 섬유의 각도 위치, 즉, 스프링으로 코일링된 와이어의 방향(Y)에 대한 섬유의 배향 각도, 및 와이어의 단면의 중심에 가장 가까운 섬유에서 가장 멀리 떨어진 섬유에 이르는 섬유들의 순서는 권취 방향에 따라 선택된다.

도 10c 및 10d는 코어(24) 및 와이어의 외부 표면 상에 위치한 최 외각 층(34), 중간층(32) 및 중간층과 코어(24) 사이에 위치하며, 수지에 함침된 섬유로 제조된 최 내층(36)을 포함하는 복합 적층의 대칭적 적층 순서를 포함하는 와이어를 도시하고; 주어진 층에 대해 축(Y)에 대한 섬유의 각도 위치가 선택되고 층은 와이어(12)의 코어(24)에 따라 권취된다.

우측 권취 스프링(도 10b)에서, 적층 순서는, 즉 스프링 와이어의 축(Y)에 대해 -

°보다 +

°로 배향된 동일한 수의 층 또는 동일한 양의 섬유로, 균형을 이룰 수 있고; 또는 적층 순서는, 스프링 와이어의 축(Y)에 대해 +

°로 배향된 것보다 -

°로 배향된 더 많은 수의 층들 또는 더 많은 양의 섬유들로, 불균형을 이룰 수 있다(도 10b, 10d 참조).

좌측 권취 스프링(도 10a)에서, 적층 순서는, 즉 스프링 와이어의 축(Y)에 대해 -

°보다 +

°로 배향된 동일한 수의 층들 또는 동일한 양의 섬유들로, 균형을 이룰 수 있고; 또는 즉, 스프링 와이어의 축(Y)에 대해 -

°보다 +

°로 배향된 더 많은 수의 층들 또는 더 많은 양의 섬유들로, 불균형을 이룰 수 있다(도 10a, 10c 참조).

섬유의 각도 위치, 즉 스프링 와이어의 축(Y)에 대한 섬유의 배향 각도는, 스프링의 높은 고유 진동수, 스프링의 좌굴(buckling)에 대한 내성, 및 스프링에 압축 로드를 가하여 유도되는 인장 및 압축 응력 성분에 대한 내성을 포함하는 스프링의 목표 특성에 따라, 스프링 축(X)을 중심으로 하는 스프링 권취 방향의 방향에 의존하여 선택된다. 따라서, 우측 권취 또는 좌측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링에서 섬유의 각도 레이아웃은 다음과 같을 수 있다:

최 내층(36)은 스프링 와이어의 축(Y)에 대해 약 + 75° 내지 약 + 90° 범위 또는 약 -75° 내지 약 -90° 범위의 각도로 배향되어 권취 방향과 독립적으로 스프링의 높은 고유 진동수를 증가시키고; 및/또는

최 내층(36)은 스프링 와이어의 축(Y)에 대해 약 0° 내지 약 +15°, 또는 약 0° 내지 약 -15° 범위의 각도로 배향되어, 권취 방향과 무관하게 스프링의 좌굴에 대한 내성을 증가시키고;

중간층(32)은 스프링 와이어의 축(Y)에 대해 약 +35° 내지 약 +55°의 범위 또는 약 -35° 내지 약 -55°의 각도로 배향되어, 스프링에 압축 로드를 가함으로써 유발되는 인장 및 압축 응력 성분에 대한 내성을 증가 시키고(도 10c, 10d 참조);

좌측 권취 방향에서, 최 외층(34)은 스프링 와이어의 축(Y)에 대해 약 +35° 내지 약 +55° 범위의 각도로 배향되어, 인장 응력 성분에 대한 내성을 증가시키고(도 10a, 10c 참조)

우측 권취 방향에서, 최 외각 층(34)은 스프링 와이어의 축(Y)에 대해 약 -35° 내지 약 -55° 범위의 각도로 배향되어, 인장 응력 성분에 대한 내성을 증가시킨다(도 10b, 10d 참조).

또한, 섬유 층들, 즉 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 매트릭스 내의 섬유 층들의 수, 또는 와이어(12) 내의 섬유들의 양은 와이어의 길이를 따라 선택적으로 변할 수 있고; 예를 들어, 와이어(12) 내의 섬유 층들의 수 또는 섬유들의 양은 스프링의 단부들(40, 42)에서, 이들 단부들(40, 42) 사이의 길이를 따라 존재하는 것보다, 더 작을 수 있다. 예를 들어, 도 11은 테이퍼형 단자 단부들(40, 42)을 갖는 우측 권취 방향을 갖는 압축 코일 스프링을 도시한다. 대안적으로, 코일 스프링은 예를 들어 도 20b에 도시된 바와 같이 두꺼운 단부를 가질 수 있다.

또한, 와이어(12) 내의 섬유 층들의 수 또는 섬유들의 양은, 도 12와 관련하여 아래에서 논의되는 바와 같이, 예를 들어 원형, 정사각형 또는 직사각형 또는 육각형과 같은 다각형, 볼록한 또는 난형 또는 감자와 같은 형상일 수 있는, 와이어의 단면을 맞추기 위해 선택적으로 조정될 수 있다. 스프링 와이어의 단면의 지오메트리는 따라서 #스프링의 의도된 용도에 기초하여 선택될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 21은 스프링의 안정성을 위해 그 단부에 다각형 단면을 갖는 와이어를 도시하고, 나머지 단면은 원형이다.

섬유는 층들 사이에 삽입되어, 도 13과 관련하여 아래에서 논의되는 바와 같이 코어 주위에 비축대칭 섬유 층 배치를 생성할 수 있다.

코일 스프링은 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같은 일정한 피치(pitch) 또는 예를 들어 도 15에 도시된 바와 같은 가변 피치를 가질 수 있다. 코일 스프링은 예를 들어 도 1 및 도 15에 도시된 바와 같이 원통형 형상, 예를 들어 도 16에 도시된 바와 같이 원추형, 예를 들어 도 17에 도시된 바와 같은 배럴 형상, 또는 예를 들어 도 18에 도시된 바와 같이 모래 시계 형상을 가질 수 있다.

코일 스프링은 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같은 개방 단부 또는 예를 들어 도 8에 도시된 바와 같이 폐쇄 단부, 접지 단부(도 19) 또는 비접지 단부(도 1)를 가질 수 있다.

본 개시의 양태의 실시 예에 따른 방법에서, 코어, 및 적어도 두 개의 섬유 층들을 포함하는 복합, 비축대칭 또는 축대칭, 비경화, 즉 비고화, 따라서 가요성 프리폼이 제조된다.

도 14에 개략적으로 도시된 바와 같이, 경화되지 않은 프리폼(25)은 직선형(도 14a) 또는 비직선형(도 14b)이지만 유연하다. 이어서, 권취 단계 동안, 경화되지 않은 프리폼(25)은 스프링의 목표 성능에 따라 스프링으로 선택적으로 배향된다. 이러한 모든 단계들은 주위 온도(ambient temperature)에서 수행될 수 있다.

선택적으로, 예를 들어 도 9와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이, 튜빙(tubing)(28) 또는 테이프(30)와 같은 수축성 플라스틱 재료의 외부 엔벨로프(external envelope)는 성형 전에 경화되지 않은 프리폼(25) 주위에 위치될 수 있다. 프리폼을 제조할 때, 이러한 외부 엔벨로프는 액체 형태인 동안 수지의 균일한 분포를 보장할 수 있는데, 이러한 외부 엔벨로프는 불침투성이고 수지를 함유하고 매트릭스의 응고 전에 이전에 배향된 섬유의 올바른 습윤을 보장한다. 또한 습윤 섬유의 정확한 압축과 올바른 최종 섬유 대 수지 비율을 보장할 수 있다. 이어서, 외부 엔벨로프는 경화 후에 일단 형성된 스프링으로부터 제거될 수 있다. 그러나, 이는 후술하는 바와 같이 최종 스프링에서 유지되기로 결정될 수 있다.

와이어의 비축 대칭 형상은 다음의 적어도 하나에 의해 달성될 수 있다: 1) 비축대칭 단면의 코어를 선택, 2) 코어 주위의 섬유 층들의 비축대칭 배치를 선택, 3) 섬유와 수지 사이의 비율을 선택적으로 선택하여, 그리고 4) 경화 전에 권취된 프리폼(25)의 코어(24)의 측면 변위에 의해(도 22 참조).

따라서, 코어는 예를 들어 난형, 프리즘형 또는 감자 형 코어로서 선택될 수 있다.

비축대칭 섬유 층 배치는 예를 들어 도 13에 도시된 바와 같이 프리폼의 층들 사이에 섬유 직물을 삽입함으로써 달성될 수 있다. 이들 직물들(50, 51, 52, 53, 54)은 상이한 조성일 수 있다: 매트, 천 또는 단방향의(unidirectional); 이들은 이들 유형의 직물 중 특정 적층(51, 52)으로 결합될 수 있다. 이들 삽입된 직물은 프리폼의 주변부의 일부에만 층화될 수 있거나 프리폼의 전체 둘레에 대해 연장될 수 있다. 상이한 직물(53, 54)의 조합은 생성된 스프링 와이어의 상이한 부분에서 상이한 특성을 달성하기 위해 프리폼의 단면의 전체 주변을 덮기 위해 사용될 수 있다.

생성된 프리폼(25)은 따라서 원형, 정사각형, 직사각형 또는 육각형(도 12b)과 같은 다각형, 볼록 또는 난형(도 12a) 또는 감자형(도 12c) 단면의 단면을 가질 수 있어서, 와이어(12)의 대응하는 단면으로 이어진다.

프리폼의 길이를 따라 상이한 수의 섬유 층들을 선택적으로 위치시킴으로써, 및/또는 프리폼의 길이를 따라 수지와 섬유 사이의 비율을 변화시킴으로써, 및 / 또는 예를 들어 도 21에 도시된 바와 같이 길이를 따라 가변 단면을 갖는 코어를 선택함으로써, 프리폼은, 사용된 복합 재료의 조성을 변경하지 않고, 스프링 와이어의 길이 방향 축(Y)을 따라 스프링 와이어의 강성 또는 보다 유연한 길이를 제공하도록 제조될 수 있다.

도 22에 도시된 바와 같이, 와이어의 축(Y)에 대한 섬유의 비축대칭 배치를 달성하는 다른 방법은 중공 코어(24) 내에 케이블을 삽입한 후 이어서 케이블의 각 단부에 장력을 가함으로써, 경화되기 전에, 여전히 경화되지 않은 상태에서 코어(24)를 그 길이를 따라 권취된 프리폼의 내측을 향해 편향시키는 것이다.

도 20a에서, 프리폼(25)은 길이(L₁)에 걸쳐 제1 일정 직경(

d1)을 가지며, 그 단부에서 단면의 직경이

d2>

d1가 될 때까지 그 각각의 단부에서 길이(L₂)를 따라 점점 더 큰 직경으로 도시된다(끝에만 표시). 따라서, 도 20b에 도시된 결과적인 스프링은 두껍게된 단부(34), 즉 그 길이의 나머지 부분을 따라 직경

d1보다 큰 직경

d2의 단부를 포함한다. 스프링 와이어(12)의 단부의 이러한 두꺼운 단부는 스프링의 단자 코일들 사이의 접촉을 최소화하면서 스프링의 사전 압축을 허용하며, 이는 그렇지 않으면 기계적 손상을 유발할 수 있다.

직경이

d1에서

d2로 증가하는 전이 길이 L₂를 제공하면 응력 집중이 방지된다. 생성된 스프링은 데드 코일 및 국부적으로 제기된 기계적 응력에 대한 내성 없이 선형적으로 변하는 스프링 상수를 특징으로 한다.

프리폼은, 예를 들어 테이퍼형 말단을 갖는, 그 단면이 선형적으로 변하는 직경으로 제조될 수 있어서, 생성된 스프링이 테이퍼형 단부를 갖도록 하여(예를 들어 도 11 참조), 당업계에서 통상적으로 수행되는 그라인딩 단계(grinding step)를 억제한다.

따라서, 권취 단계 동안 권취 방향과 무관하게, 생성된 스프링의 와이어의 단면은 스프링의 길이를 따른 위치에 따라 변할 수 있다.

도 23은 평균 스프링 직경

D₁보다 큰 직경

D₂의 마지막 코일을 포함하여 이에 의해 증가된 접촉 표면을 제공하며, 이는 종래 기술에서 일반적으로 수행되는 바와 같이, 데드 코일 또는 안정성을 위한 보상 플레이트의 사용을 제거하는 모래 시계 모양 압축 스프링을 도시한다.

도 24는 나선형 섹션을 형성한 후, 단부 코일에서 선택된 직경 및 두께의 플레이트 지오메트리(60)를 오버몰딩하여, 스프링의 전체 코일이 작동하게 하는 것을 포함하는 다른 실시 예를 도시한다. 단부 코일의 이러한 오버몰딩은 예를 들어 압력 다이-캐스팅(die-casting)에 의해 폴리에스테르/섬유 화합물과 같은 벌크 몰딩 화합물(BMC)을 사용하여 권취된 프리폼에서 직접 수행될 수 있다(도 25 참조).

따라서, 비경화 프리폼을 코일 스프링 형상으로 형성함으로써, 직선 또는 비직선 비경화 프리폼을 사용하여 제조된 복합 코일 스프링이 제공된다.

원하는 스프링 평균 직경 및 프리폼의 외부 직경에 따라, 권취 단계 동안의 나선형 형성은 곡률, 즉 스프링의 내부와 외부 측 사이의 길이 차이를 포함하고, 이는 성형이 완료되면 섬유가 최종 스프링에 위치하는 유효 각도를 결정한다. 직선형 프리폼을 실현하기 위해 사용된 섬유의 각도 배치는 스프링의 평균 직경뿐만 아니라 스트레스가 최대인, 프리폼의 중심으로부터의 위치 및 스프링의 내부 측에서 원하는 각도에 따라 선택된다. 또한 가변 평균 직경 스프링, 즉 원추형, 모래 시계 또는 배럴 형상의 경우, 프리폼의 섬유의 각도 배치는 전체 스프링에 대해 스프링의 내측에서 최적의 섬유 배향을 목표로 최종 지오메트리를 고려하여 그의 길이를 따라 수정될 수 있다.

코어(24)는 예를 들어 코팅된 섬유를 포함하는 금속 필라멘트와 같은 도전성 요소 또는 꼬인 와이어가 통합된, 즉 캡슐화된 가요성 플라스틱 튜브일 수 있어서, 내성 및 유도 가열에 의해 열경화성 수지 매트릭스를 경화시키는데 필요한 열을 발생시키기 위해 전원의 사용을 허용한다. 대안적으로, 프리폼의 최 외층은 수지 매트릭스를 경화시켜 프리폼의 응고를 허용하기 위해 섬유 또는 필라멘트와 같은 전기 도전성 요소를 포함할 수 있다. 응고는 또한 마이크로파 또는 복사 가열과 같은 다른 방법을 통해 달성될 수 있다. 가요성 튜브는 경화 후에 제거될 수 있고, 결과적인 스프링의 단면에서 내부 공동을 생성하여 스프링의 중량을 감소시킨다.

대안적으로, 코어(24)의 내부 공동은 기능성 요소를 수용함으로써 선택된 특성을 스프링에 추가하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이는 댐핑 효과를 허용하는 점성과 탄성을 지는(viscoelastic) 또는 요변성(thixotropic) 재료로 채워질 수 있다. 광섬유, 센서 게이지 또는 가는 와이어 케이블은 예를 들어 유도 효과, 굴절(deflection), 변형에 기초한 기계적 특성을 위한 센서로서 삽입될 수 있다.

대안적으로, 코어(24)는 예를 들어 스틸 케이블 방식으로 꼬인 형태의 금속 와이어로 제조될 수 있다. 금속 와이어의 비틀림 방향을 선택하면, 코어(24)는 프리폼의 권취된 강화 섬유와의 접착력을 향상시키고 코일 스프링의 전체적인 강도를 증가시킬 수 있는 요동되지 않은(undulated) 표면으로 형성될 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 와이어에는 열수축 튜브(28)와 같은 외부 엔벨로프가 제공되거나 수축 테이프(30) 또는 공압출된 가요성 열가소성 시스에 싸여있거나 스프레이된 플라스틱 필름으로 덮일 수 있다.

예를 들어 서스펜션 스프링이 자동차 및 트럭과 같은 도로 차량 및 오토바이, ATV 및 스노우 모빌과 같은 도로 차량에 노출되는 것이 일반적이므로, 이러한 외부 엔벨로프는 바위, 진흙, 모래 또는 기타 부스러기의 돌출부로 인한 충격 및 마모로 인한 손상으로부터 스프링을 보호할 수 있다. 또한 외부 엔벨로프는 비와 같은 기상 조건이나 습도나 햇빛에 장시간 노출될 경우로 인한 또는 또는 제빙 소금, 해수 등과 같이 사용중인 스프링과 접촉하기 쉬운 화학 물질로 인한 스트레스로부터 스프링을 보호 할 수 있습니다. 외부 엔벨로프는 또한 착색, 발광 외피, 또는 패턴, 도면, 로고 등을 포함하는 층으로서, 도장, 라벨링 또는 데칼 적용과 같은 전통적인 마무리 공정의 대체물로서 선택될 수 있다. 외부 엔벨로프는 또한 예를 들어 표면 마감(거칠기), 엠보싱 또는 텍스쳐링을 제공하는 층으로서 선택될 수 있다.

또한 대안적으로, 외부 엔벨로프는 투명 외피로 선택될 수 있으며, 이에 의해 거친 수지 색상이 보여질 수 있다. 이 색은 수지에 착색 또는 발광 안료를 첨가함으로써 변형될 수 있다.

따라서, 원뿔형, 배럴형, 모래 시계 형 등 다양한 형태의 범위, 와이어 단면의 범위 및 개방 단부, 폐쇄 단부, 테이퍼형 단부, 두꺼운 단부, 접지, 비접지 단부와 같은 단부 유형의 범위에서 일정한 피치 또는 가변 피치를 갖는 압축력을 위해 설계된 복합 나선형 스프링이 제공된다.

본 복합 코일 스프링은 예를 들어 자동차 서스펜션, 스노우 모빌 서스펜션, 오프로드 차량 서스펜션 및 레저용 차량 서스펜션과 같은 차량 서스펜션 시스템에 사용될 수 있다.

일반적으로 프리폼을 제조하고, 프리폼을 코일 스프링 형태로 형성한 다음, 가열원을 사용하여 이를 응고시키는 단계를 포함하는 복합 코일 스프링의 제조 방법이 제공된다.

예로서, 축(Y)에 대한 섬유의 동일한 각도 위치에서 동일한 코어, 동일한 내부 층, 동일한 양의 섬유 및 섬유 대 수지 비를 갖는 두 개의 동일한 프리폼이 제조되었다. 두 프리폼들 모두 축(X) 주위에 동일한 횟수의 권선으로 감겨 동일한 스프링 평균 직경(

D), 동일한 단면 직경(d) 및 동일한 자유 높이(h)를 산출하였다. 차이점은 최 외각 층의 각도 위치이며, 이는 반대이다. 두 스프링들은 파열될 때까지 압축 상태에서 테스트되었다. 아래 표 1은 측정 결과를 보여준다.

	파열 시 굴절(mm)	파열 시 로드(N)	(0.5로드굴절)/중량
스프링 A-스프링 와이어의 축(Y)을 기준으로 -45°(+45°)로 배향된 층(34)으로 좌측(우측) 권취	111	2287	0.42
스프링 A-스프링 와이어의 축(Y)을 기준으로 +45°(-45°)로 배향된 층(34)으로 좌측(우측) 권취	126	2602	0.56

표 1은 스프링이 부러졌을 때의 스프링 굴절, 파단시 해당 로드 및 세 번째 컬럼에에서 저장된 에너지의 추정치를 기록한다. 코일 스프링의 주어진 권취 방향에 대해 스프링 A에 비해 더 많은 에너지가 스프링 B에 저장될 수 있기 때문에 나중에 가장 바깥쪽에 우선적인 방향이 있는 것으로 보인다.

따라서, 목표 압축 스프링에 따라 단위 질량 당 압축 스프링에 의해 에너지로 저장 및 복원 최적화를 위해 프리폼을 선택적으로 제조하고 코일 스프링에 주어진 권취 방향, 스프링이 압축될 때의 응력 방향, 스프링 와이어 복합 재료의 이방성을 조합하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

청구 범위의 범위는 실시 예에 제시된 예시적인 실시 예에 의해 제한되지 않아야 하고, 그 설명 전체와 일치하는 가장 넓은 해석이 제공되어야 한다.

Claims

권취 방향(winding direction)으로 스프링 축을 중심으로 구부러진 길이 방향 축을 가지는 와이어(wire)로 제조된 복합 스프링(composite spring)에 있어서, 상기 와이어는,
코어(core); 및
상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들(fiber layers)을 포함하고,
상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하고, 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향은 상기 스프링에 의해 단위 질량 당 압축으로 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 코어의 길이를 따라 상기 스프링의 주어진 권취 방향에 대해 선택되고,
상기 최 외측 섬유의 상기 배향은 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향이 우측 권취 방향(right winding direction)인 경우 상기 길이 방향 축에 대해 음의 각도이며, 상기 최 내측 섬유 및 상기 중간 섬유 중 적어도 하나의 배향은 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향이 우측 권취 방향인 경우 상기 길이 방향 축에 대해 양의 각도이고,
상기 최 외측 섬유의 상기 배향은 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향이 좌측 권취 방향(left winding direction)인 경우 상기 길이 방향 축에 대해 양의 각도이며, 상기 최 내측섬유 및 상기 중간 섬유 중 적어도 하나의 배향은 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향이 좌측 권취 방향인 경우 상기 길이 방향 축에 대해 음의 각도인, 복합 스프링.
제1항에 있어서, i) 상기 주어진 권취 방향이 우측 권취 방향인 경우, 상기 최 외측 섬유는 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대해 -35° 내지 -55° 사이의 범위의 각도로 배향되고, ii) 상기 주어진 권취 방향이 좌측 권취 방향인 경우, 상기 최 외측 섬유는 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대해 +35° 내지 +55° 사이의 범위의 각도로 배향되는, 복합 스프링.
제1항에 있어서, 좌측 권취 방향에 있어서,
상기 최 외측 섬유는 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대해 +35° 내지 +55° 사이의 범위의 각도로 배향되고;
상기 최 내측 섬유는 0° 내지 15°사이의 범위의 각도로 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대해 배향되는, 복합 스프링.
삭제
제1항에 있어서, 상기 스프링 축을 중심으로 상기 와이어의 우측 권취 방향에 있어서, 상기 최 외측 섬유는 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대해 -35° 내지 -55° 사이의 범위의 각도로 배향되고;
상기 최 내측 섬유는 0° 내지 +15° 사이의 범위의 각도로 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대해 배향되는, 복합 스프링.
삭제
제1항에 있어서, 상기 코어는 i) 비축대칭 지오메트리(non-axisymmetric geometry) 및 ii) 축대칭 지오메트리(axisymmetric geometry) 중 하나를 갖는, 복합 스프링.
제1항에 있어서, 상기 코어는 그 길이의 적어도 일부를 따라 원형, 다각형, 볼록 및 난형 단면 중 적어도 하나를 포함하는, 복합 스프링.
제1항에 있어서, 상기 와이어는 그 길이의 적어도 일부를 따라 원형, 다각형, 볼록 및 난형 단면 중 적어도 하나를 포함하는, 복합 스프링.
제1항에 있어서, 상기 와이어는 테이퍼형 단부(tapered ends), 상기 와이어의 길이의 나머지 부분을 따른 직경보다 더 큰 직경의 단부, 접지 단부, 비접지 단부, 다각형 단면을 가지는 단부; 및 오버몰딩된(overmolded) 단부 중 적어도 하나를 포함하는, 복합 스프링.
제1항에 있어서, 상기 와이어는 일정한 피치(pitch), 가변 피치, 원통형, 원뿔형, 배럴형; 모래 시계형, 개방 단부 스프링 및 폐쇄 단부 스프링 중 적어도 하나의 스프링 코일로 권취되는, 복합 스프링.
제1항에 있어서, 상기 코어는 중공 튜브(hollow tube)인, 복합 스프링.
권취 방향으로 스프링 축을 중심으로 구부러진 길이 방향 축을 가지는 와이어로 제조된 복합 스프링에 있어서, 상기 와이어는,
코어; 및
상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하고,
상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하고, 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향은 상기 스프링에 의해 단위 질량 당 압축으로 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 코어의 길이를 따라 상기 스프링의 주어진 권취 방향에 대해 선택되고,
상기 코어는 중공 튜브이고, 상기 스프링은 상기 중공 튜브를 통해 연장되는 적어도 하나의 열 또는 전기 전도성 요소를 포함하는, 복합 스프링.
권취 방향으로 스프링 축을 중심으로 구부러진 길이 방향 축을 가지는 와이어로 제조된 복합 스프링에 있어서, 상기 와이어는,
코어; 및
상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하고,
상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하고, 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향은 상기 스프링에 의해 단위 질량 당 압축으로 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 코어의 길이를 따라 상기 스프링의 주어진 권취 방향에 대해 선택되고,
상기 코어는 중공 코어이고, 상기 코어는 기능성 요소를 수용하는, 복합 스프링.
제1항에 있어서, 상기 와이어는 적어도 하나의 열 또는 전기 전도성 요소를 포함하는, 복합 스프링.
제1항에 있어서, 상기 와이어는 외부 엔벨로프(envelope)를 포함하는, 복합 스프링.
제16항에 있어서, 상기 외부 엔벨로프는 i) 보호 엔벨로프; ii) 마감(finish) 엔벨로프; 및 iii) 투명 엔벨로프 중 적어도 하나인, 복합 스프링.
제1항에 있어서, 상기 섬유 층들 중 하나 이상이 i) 착색되지 않은(rough) 수지 및 ii) 착색된(pigmented) 수지 중 하나를 포함하는, 복합 스프링.
제1항에 있어서, i) 상기 코어가 비축대칭 단면을 갖는 것, ii) 상기 섬유 층들이 상기 코어에 대해 비축대칭 배치를 갖는 것, iii) 상기 코어의 길이를 따라 섬유 대 수지 비율을 변화시키는 것; 및 iv) 상기 코어가 상기 와이어의 내부를 향하여 굴절되는 것 중 적어도 하나의 결과로서 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대한 상기 섬유들의 비축대칭 배치를 갖는, 복합 스프링.
권취 방향으로 스프링 축을 중심으로 구부러진 길이 방향 축을 가지는 와이어로 제조된 복합 스프링에 있어서, 상기 와이어는,
코어; 및
상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하고,
상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하고, 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향은 상기 스프링에 의해 단위 질량 당 압축으로 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 코어의 길이를 따라 상기 스프링의 주어진 권취 방향에 대해 선택되고,
상기 코어 주위의 비축대칭 섬유 층 배치를 생성하기 위해 상기 코어 주변부의 적어도 일부에서 상기 섬유 층들 사이에 직물(fabrics)이 삽입된, 복합 스프링.
권취 방향으로 스프링 축을 중심으로 구부러진 길이 방향 축을 가지는 와이어로 제조된 복합 스프링에 있어서, 상기 와이어는,
코어; 및
상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하고,
상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하고, 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향은 상기 스프링에 의해 단위 질량 당 압축으로 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 코어의 길이를 따라 상기 스프링의 주어진 권취 방향에 대해 선택되고,
상기 코어는 그 길이를 따라 일정한 단면을 갖고, i) 섬유 층들의 수 및 ii) 섬유 대 수지 비율 중 적어도 하나는 상기 와이어의 길이를 따라 선택적으로 변화되는, 복합 스프링.
권취 방향으로 스프링 축을 중심으로 구부러진 길이 방향 축을 가지는 와이어로 제조된 복합 스프링에 있어서, 상기 와이어는,
코어; 및
상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하고,
상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하고, 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향은 상기 스프링에 의해 단위 질량 당 압축으로 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 코어의 길이를 따라 상기 스프링의 주어진 권취 방향에 대해 선택되고,
상기 코어는 그 길이를 따라 변하는 단면을 갖고, i) 섬유 층들의 수 및 ii) 섬유 대 수지 비율 중 적어도 하나는 상기 와이어의 길이를 따라 선택적으로 변화되는, 복합 스프링.
권취 방향으로 스프링 축을 중심으로 구부러진 길이 방향 축을 가지는 와이어로 제조된 복합 스프링에 있어서, 상기 와이어는,
코어; 및
상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하고,
상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하고, 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향은 상기 스프링에 의해 단위 질량 당 압축으로 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 코어의 길이를 따라 상기 스프링의 주어진 권취 방향에 대해 선택되고,
상기 스프링 축을 중심으로 상기 와이어의 우측 권취 방향에 있어서, 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대해 -θ°로 배향된 섬유 층들의 수는 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대해 +θ°로 배향된 섬유 층들의 수와 적어도 동일하고; 그리고 좌측 권취 방향에 있어서, 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대해 +θ°로 배향된 층들 또는 섬유들의 수는 상기 와이어의 상기 길이 방향 축에 대해 -θ°로 배향된 층들 또는 섬유들의 수와 적어도 동일한, 복합 스프링.
복합 스프링의 스프링 축을 따라 주어진 권취 방향의 복합 스프링을 제조하는 방법에 있어서,
A) 코어 및 상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하는 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계로서, 상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하는, 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계;
B) 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향에 의존하여, 단위 질량 당 압축으로 스프링에 의해 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 프리폼의 길이를 따라 상기 프리폼의 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향을 선택하는 단계로서,
상기 최 외측 섬유의 상기 배향은 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향이 우측 권취 방향인 경우 상기 길이 방향 축에 대해 음의 각도이며, 상기 최 내측 섬유 및 상기 중간 섬유 중 적어도 하나의 배향은 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향이 우측 권취 방향인 경우 상기 길이 방향 축에 대해 양의 각도이고,
상기 최 외측 섬유의 상기 배향은 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향이 좌측 권취 방향인 경우 상기 길이 방향 축에 대해 양의 각도이며, 상기 최 내측 섬유 및 상기 중간 섬유 중 적어도 하나의 배향은 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향이 좌측 권취 방향인 경우 상기 길이 방향 축에 대해 음의 각도인, 상기 최 외측 섬유의 배향을 선택하는 단계;
C) 상기 스프링 축에 대해 상기 비경화 프리폼을 상기 주어진 권취 방향의 상기 스프링으로 성형하는 단계; 및
D) 경화시키는 단계를 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, i) 비축대칭 단면의 코어를 선택하는 단계, ii) 상기 코어 주위의 상기 최 내측 섬유, 상기 최 외측 섬유 및 상기 중간 섬유의 비축대칭 배치를 선택하는 단계, iii) 섬유 대 수지 비율을 선택하는 단계, 및 iv) 상기 비경화 프리폼의 상기 코어의 측면 변위를 야기시키는 단계 중 적어도 하나에 의해 상기 프리폼의 상기 길이 방향 축에 대해 상기 최 내측 섬유, 상기 최 외측 섬유 및 상기 중간 섬유의 비축대칭 배치를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, i) 상기 프리폼의 길이를 따라 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 중간 섬유를 선택적으로 배치하는 단계, ii) 상기 프리폼의 길이를 따라 섬유 대 수지 비율을 변화시키는 단계, 및 iii) 그 길이를 따라 다양한 단면을 갖도록 상기 코어를 선택하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, 상기 비경화 프리폼을 주어진 권취의 스프링으로 성형하는 단계는, 일정한 피치, 가변 피치, 원통형, 원뿔형, 배럴형, 모래 시계형, 개방 단부 스프링 및 폐쇄 단부 스프링 중 적어도 하나로, 상기 스프링 축을 중심으로 주어진 권취 방향으로 상기 프리폼을 권취하는 단계를 포함하는 방법.
복합 스프링의 스프링 축을 따라 주어진 권취 방향의 복합 스프링을 제조하는 방법에 있어서,
A) 코어 및 상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하는 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계로서, 상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하는, 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계;
B) 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향에 의존하여, 단위 질량 당 압축으로 스프링에 의해 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 프리폼의 길이를 따라 상기 프리폼의 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향을 선택하는 단계;
C) 상기 프리폼의 상기 길이 방향 축에 대해 i) + 75° 내지 + 90° 사이 및 ii) -75° 및 -90° 사이에서 선택된 범위의 각도로 상기 최 내측 섬유를 배향시킴으로써 상기 스프링의 고유 진동수를 조정하는 단계;
D) 상기 스프링 축에 대해 상기 비경화 프리폼을 상기 주어진 권취 방향의 상기 스프링으로 성형하는 단계; 및
E) 경화시키는 단계를 포함하는, 방법.
복합 스프링의 스프링 축을 따라 주어진 권취 방향의 복합 스프링을 제조하는 방법에 있어서,
A) 코어 및 상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하는 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계로서, 상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하는, 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계;
B) 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향에 의존하여, 단위 질량 당 압축으로 스프링에 의해 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 프리폼의 길이를 따라 상기 프리폼의 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향을 선택하는 단계;
C) 상기 프리폼의 상기 길이 방향 축에 대해 i) 0° 내지 +15° 사이 및 ii) 0° 내지 -15° 사이에서 선택된 범위의 각도로 상기 최 내측 섬유를 배향시킴으로써 상기 스프링의 좌굴에 대한 내성을 조정하는 단계;
D) 상기 스프링 축에 대해 상기 비경화 프리폼을 상기 주어진 권취 방향의 상기 스프링으로 성형하는 단계; 및
E) 경화시키는 단계를 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, 상기 프리폼의 상기 길이 방향 축에 대해 i) +35° 내지 +55° 사이 및 ii) -35° 내지 -55° 사이에서 선택된 범위의 각도로 상기 중간 섬유를 배향시키는 단계를 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, 상기 스프링 축을 중심으로 상기 스프링의 우측 권취 방향에 대해, 상기 프리폼의 상기 길이 방향 축에 대해 -35° 내지 -55° 사이의 범위의 각도로 상기 최 외측 섬유를 배향시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, 상기 스프링 축을 중심으로 상기 스프링의 좌측 권취 방향에 대해, 상기 프리폼의 상기 길이 방향 축에 대해 +35° 내지 +55° 사이의 범위의 각도로 상기 최 외측 섬유를 배향시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
복합 스프링의 스프링 축을 따라 주어진 권취 방향의 복합 스프링을 제조하는 방법에 있어서,
A) 코어 및 상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하는 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계로서, 상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하는, 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계;
B) 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향에 의존하여, 단위 질량 당 압축으로 스프링에 의해 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 프리폼의 길이를 따라 상기 프리폼의 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향을 선택하는 단계;
C) 상기 스프링 축에 대해 상기 비경화 프리폼을 상기 주어진 권취 방향의 상기 스프링으로 성형하는 단계로서, 상기 코어는 중공 코어인, 단계;
D) 상기 중공 코어 내에 케이블을 삽입한 다음 상기 케이블의 각 단부에 장력을 가하여 경화 전에 여전히 경화되지 않은 상태에서 상기 권취된 프리폼의 내부 측을 향하여 길이를 따라 상기 코어를 굴절(deflecting)시키는 단계; 및
E) 경화시키는 단계를 포함하는, 방법.
복합 스프링의 스프링 축을 따라 주어진 권취 방향의 복합 스프링을 제조하는 방법에 있어서,
A) 코어 및 상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하는 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계로서, 상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하는, 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계;
B) 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향에 의존하여, 단위 질량 당 압축으로 스프링에 의해 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 프리폼의 길이를 따라 상기 프리폼의 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향을 선택하는 단계;
C) 상기 프리폼 주변부의 적어도 일부에서 섬유 층들 사이에 직물을 삽입하는 단계;
D) 상기 스프링 축에 대해 상기 비경화 프리폼을 상기 주어진 권취 방향의 상기 스프링으로 성형하는 단계; 및
E) 경화시키는 단계를 포함하는, 방법.
복합 스프링의 스프링 축을 따라 주어진 권취 방향의 복합 스프링을 제조하는 방법에 있어서,
A) 코어 및 상기 코어 주위에 권취된 섬유 층들을 포함하는 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계로서, 상기 섬유 층들은 상기 코어에 가장 가까운 최 내측 섬유, 최 외측 섬유 및 상기 최 내측 섬유와 상기 최 외측 섬유 사이의 중간 섬유를 포함하는, 복합 비경화 프리폼을 제조하는 단계;
B) 상기 스프링의 상기 주어진 권취 방향에 의존하여, 단위 질량 당 압축으로 스프링에 의해 저장된 목표 에너지에 따라, 상기 프리폼의 길이를 따라 상기 프리폼의 길이 방향 축에 대한 상기 최 외측 섬유의 배향을 선택하는 단계;
C) i) 상기 스프링 축을 중심으로 상기 스프링의 우측 권취 방향에 대해, 상기 프리폼의 상기 길이 방향 축에 대해 -θ°로 배향된 섬유 층들의 수는 상기 프리폼의 상기 길이 방향 축에 대해 +θ°로 배향된 섬유 층들의 수와 적어도 동일하고; 그리고
ii) 상기 스프링 축을 중심으로 상기 스프링의 좌측 권취 방향에 대해, 상기 프리폼의 상기 길이 방향 축에 대해 +θ°로 배향된 섬유 층들의 수는 상기 프리폼의 상기 길이 방향 축에 대해 -θ°로 배향된 섬유 층들의 수와 적어도 동일한 것을 선택하는 단계;
D) 상기 스프링 축에 대해 상기 비경화 프리폼을 상기 주어진 권취 방향의 상기 스프링으로 성형하는 단계; 및
E) 경화시키는 단계를 포함하는, 방법.