KR20170019353A - 인장 및 압축 하중에 대한 다른 섬유 보강부들을 구비한 비틀림 하중을 받는 로드형 구성 요소 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 주제는, 바람직하게, 섬유 복합 재료를 포함하는 스프링 와이어로부터 비틀림 바 또는 헬리컬 스프링으로 바람직하게 구성되는 비틀림 스프링이다. 상기 비틀림 스프링은 매트릭스 재료로 함침되는 복수의 섬유 보강층들 (Sj) 을 가지고, 층들은 인장 하중을 부여받는 섬유들과 압축 하중을 부여받는 섬유들을 갖는다. 그것은, 압축 하중을 부여받는 적어도 하나의 그룹 (Gk) 이 인장 하중을 부여받는 최고 그룹 강성을 갖는 그룹 (Gk) 보다 낮은 그룹 강성을 가지는 것을 특징으로 한다. 또한, 섬유 복합 재료로 비틀림 스프링을 설계하기 위한 방법이 개시된다.
Description
본 발명은, 섬유 보강 플라스틱으로 만들어지고 비용 효율적으로 제조될 수 있고, 특히 단지 탄소 섬유 보강 플라스틱으로만 이루어진 스프링들과 비교해 개선된 탄성 에너지 저장 능력을 가지는, 특히 비틀림 바 또는 헬리컬 스프링 형태의 비틀림 스프링, 및 이런 유형의 스프링의 설계 방법에 관한 것이다.
스프링들은 종종 모터 차량들의 섀시에 사용된다. 따라서, 스프링들은, 또한, 이런 섀시의 용수철 하질량 (unsprung masses) 에 특히 적용되는 경량의 구성을 달성하려는 시도에 포함된다. 이와 관련하여, 섬유 복합 재료들 (FCM) 의 사용에 대한 많은 제안이 이미 존재하였다. 이것은 특히 탄소 섬유 보강 플라스틱 (CRP) 및 유리 섬유 보강 플라스틱 (GRP) 으로 만들어진 비틀림 스프링들에 관련된다. 특히 여기에서는 정확한 하중 능력을 제공하는 식으로 이 구성 요소들의 저비용 제조를 달성하는 것이 어렵다.
각각의 섬유들이 단지 인장력 또는 압축력만 전달할 수 있고, 따라서 스프링 와이어에서 거시적 전단 하중이 (모어 (Mohr) 의 응력 이론에 따라 주 응력 축선들, 종방향 축선에 대해 +-45°에 대하여) 인장 성분과 압축 성분으로 나누어져야 한다는 점에서 어려움은 더욱 증가된다.
FCM 으로 만들어진 공지된 스프링들은, 종방향 축선에 대해 +/-45°의 각도로 섬유들의 권취를 이용함으로써 가능한 가장 유리하게 재료에서 인장력과 압축력 분배를 수용하도록 의도된다.
또한, 전적으로 +45° 로 인장 섬유를 권취하는 것도 알려져 있고, 전단 응력 성분들은 여기에서 매트릭스 재료에 의해 또는 코어에서 압축 응력에 의해 지탱된다.
적합한 스프링들은 사용된 스프링 재료 전부의 균질한 하중을 달성하려는 의도로 설계된다. 따라서, 재료에서 어떠한 규정된 약점들도 없고, 그 대신 균일한 최대 응력의 적용은 전체 재료가 하중 한계에 도달하도록 의도된다. 이것은 재료 활용을 최대화하고, 따라서 최대 달성가능한 레벨의 경량 구성을 나타낸다.
EP 0637700 은, 종방향 축선 둘레에서 +-30° ~ +-60°의 각도로 권취된 탄소 섬유들을 사용한 스프링 설계를 설명한다. 특징적 특성은, 사용되는 인장 섬유들의 개수가 압축 섬유들의 개수와 다르다는 점이다. 특히, 압축 섬유들의 개수는 인장 섬유들의 개수에 비해 증가된다. 여기에서, 섬유들의 보다 균일한 하중과 결과적으로 사용된 재료의 개선된 특정한 활용이 의도된다. 이것은, 인장 방향 및 압축 방향의 섬유들이 다른 정량적 비율로 사용되기 때문에, 재료의 개선된 활용을 제공할지라도, 스프링 와이어 직경에 대한 재료 활용 의존성은 없어지지 않는다.
US 5603490 은, 압축 하중을 받는 섬유들을 사용하지 않고 단지 인장 방향으로만 섬유들을 사용하는 것을 제안한다. 섬유들은 단지 인장 하중만 받도록 권취될 것이다. 중공 스프링의 경우에, 이것은 급진적으로 전단 응력으로 인한 파괴를 이끌 것이고, 이런 이유로 응력을 수용하는 압력 저항 코어가 여기에서 요구된다. 하지만, 코어에서 장기 등방 (hydrostatic) 응력 및 권취 섬유 쉘에서 전단 응력은 플라스틱 매트릭스 (에폭시) 의 불리한 크리프 (creep) 를 이끈다. 따라서, 이 해결책은 예로서 차량 구성에 적용하기 위해 사용될 수 없다 (차량 중량으로 인한 장기 하중). 단 하나의 섬유 방향만 사용하는 것은 인장 하중에 대한 섬유 퍼텐셜의 사용을 최적화할지라도, 장기 하중은 전단 응력으로 인한 심각한 크리프를 유발하고, 그 대부분은 압축 섬유 지지 부족으로 인해 플라스틱 매트릭스를 통하여 전달되어야 한다.
WO 2014/014481 A1 은, 층들과 코어에서 섬유들의 개수가 공용 기수 (shared base number) 의 배수인 섬유 구조를 제안한다. 스프링에서 복수의 다른 재료들 (예를 들어 유리, 탄소 또는 혼합물) 의 사용이 또한 개시된다. 게다가, 종방향 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 재료로 만들어진 코어가 또한 제안된다. 스프링 재료가 혼합 재료들로 이루어질 수도 있는 것으로 언급되지만, 관련된 실제적 정보가 제공되지 않고, 혼합 구조의 절차 및 효과는 여전히 불분명하다. 층들에 배치된 섬유들의 개수는 공용 기준 베이스의 정수 배수이어야 하지만, 이 효과는 마찬가지로 불분명하다. 이런 배열은, 섬유들이 단지 정수 인자들로부터 유도된 수의 층들에만 존재하고, 따라서 층 두께의 최적화된 알맞은 조정이 부족하다는 단점을 갖는다.
종래 기술의 스프링 설계들은, 사용되는 재료의 효과적 활용을 달성하지 못하기 때문에, 최적 레벨의 경량 구성을 달성하지 못한다.
Helmut Schurmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden [섬유-플라스틱 복합재와 설계], 1 판, Springer Verlag 2005
따라서, 발생하는 문제점은 개선된 질량 기반 에너지 저장 밀도를 달성하기 위해서 하중 한계에 따라 압축- 및 인장-하중을 받는 섬유들의 하중이 최대화되는 비틀림 하중을 받는 스프링 와이어 내에 섬유들을 배치하는 것이다. 본 발명의 특별한 목적은 가능한 한 단지 제한된 수의 다른 섬유 재료들만 사용하여서, 재료들의 사용에 대해 저비용의 설계를 달성하고, 이런 유형의 스프링의 설계를 위한 방법을 제안하는 것이다. 헬리컬 스프링에서 스프링 와이어는 권취된 헬릭스의 형태를 취한다. 스프링, 구체적으로 헬리컬 스프링은 스프링 축선을 가지고 상기 스프링 축선 둘레에서 스프링 와이어는 헬릭스 형태를 취한다. 스프링 와이어의 단면은 바람직하게 원형 고리이지만, 또한 타원형 또는 다각형일 수 있다.
본 발명은 청구항 1 에서 주장된 바에 따른 스프링 설계로 목적을 달성한다. 종속항들은 유리한 실시형태들을 개시한다.
특히, 다음 3 가지 하위 목적들을 달성함으로써 상기 목적이 달성된다:
● 플라이들은 경제적 고려에 따라 선택되고, 따라서 특히 높은 하중을 받는 탄소 섬유 플라이들은 인장 하중을 받는 섬유 플라이들에 사용되고,
● 인장 플라이들 및 압축 플라이들은 균일하게 하중을 받고,
● 매트릭스 재료의 크리프와 그에 따른 전체 스프링의 장기 변형을 방지하도록, 플라이들 사이에서 매트릭스에 의해 전달된 전단력 또는 응력이 최소화되어야 한다.
비틀림 하중을 받는 세장형 구성 요소의 영역은 단지 스프링 지지 구조만 포함하고, 하중 도입 요소들, 예를 들어 스프링 플레이트 또는 스프링 구속부의 알맞게 설계된 구역들을 포함하지 않는다.
다음 표현들은 또한 하기 의미로 사용된다:
- 인장 방향: + 부호가 선행됨
- 압축 방향: - 부호가 선행됨
- 종방향 축선: - 스프링 와이어 축선으로도 지칭되는, 길이를 따라 스프링 와이어의 중심에서의 축선.
- 섬유 각도 αj: - 섬유 각도는 섬유 배향과 종방향 축선 사이 각도이다.
- 플라이 Li: - 플라이는 복수의 층들을 조합할 수 있고; 예로서, 다축 배치된 스크림 (scrim)/ 헬리컬 권취/ 편조 (braided) 패브릭 플라이는 일반적으로 다른 섬유 배향을 갖는 2 개의 층들을 포함한다 (각각, 하나의 + 층 및 하나의 - 층; 예컨대 +-45°). 플라이의 층들은 보통 서로 연결되어 있다 (예컨대, 크림프되거나 편성되거나 스티칭되거나 합착 본딩됨).
- 반면에, UD (단방향) 배치된 스크림 플라이는 일반적으로 배향된 섬유들의 배향으로 단 하나의 층만 포함한다.
- 하지만, 복수의 플라이들이 또한 층을 형성할 수 있다; (동일한 각도상 배향과 동일한 플라이 재료를 갖는 복수의 인접한 UD 플라이들은 UD 층을 형성한다).
- 플라이는 일반적으로 무기 보강 섬유들 (예컨대, 현무암 섬유들, 유리 섬유들), 금속 보강 섬유들 (예컨대, 강 섬유들), 유기 보강 섬유들 (예컨대, 탄소 섬유들, 아라미드 섬유들) 또는 천연 섬유들 (예컨대, 대마 섬유들) 로 이루어진다.
- 플라이는 연관된 플라이 벽 두께 (LWi) 를 갖는다.
- 플라이는 또한 보강 섬유들이 없는 균질한 플라스틱 플라이일 수 있고, 비하중 지탱부 (예를 들어: 배열체의 외부 종단부) 로서 분류된다.
- 플라이는, 또한, 배열체가 우선적 방향을 가지지 않는 섬유들을 가지는 단섬유 또는 장섬유 보강 플라스틱 플라이일 수 있고, 상기 플라이는 비하중 지탱부로서 분류된다.
- 플라이는 또한 금속 재료 (예를 들어, 판금으로 만들어진 종단 플라이) 로 이루어질 수 있다.
- 플라이 번호 i 는 내부에서 외부로 증가한다.
- 층 Sj: - 연속-섬유-/직물-섬유 보강층들의 경우에, 층 (Sj) 의 모든 섬유들은 균일한 각도상 배향 (αj) 을 갖는다.
- 하지만, 층에서, 서로 인접하거나 혼합물로 존재하는 다른 재료들 (Mj) 의 섬유들이 또한 있을 수 있다.
- 층들은 또한 보강 섬유들이 없는 균질한 플라스틱 플라이들, 단섬유 또는 장섬유 보강 플라스틱을 포함하는 플라이들, 금속 플라이들 등일 수 있다.
- 층 번호 j 는 내부에서 외부로 증가한다.
- 인장 방향 (+) 으로 20° ~ 70° 또는 압축 방향 (-) 으로 -20° ~ -70° 범위의 섬유 각도를 갖는 층들은 하중 지탱층들 (바람직하게 인장 방향 (+) 으로 30° ~ 60° 또는 압축 방향 (-) 으로 -30° ~ -60°) 로서 지칭된다.
- 하중 지탱층은 섬유 방향으로 대개 인장 (부호 +) 응력 또는 압축 (부호 -) 응력을 수용하는 역할을 한다.
- 인장 방향 (+) 으로 20° ~ 70° 또는 압축 방향 (-) 으로 -20° ~ -70° 의 각도상 범위 밖의 각도들을 갖는 모든 층들은 비하중 지탱부로서 분류된다.
- 단면적 ASj: - 각각의 층은 연관된 단면적 (ASj) 을 갖는다.
- 단면적의 법선은 종방향 축선이다.
- 예로서 원형 고리 단면의 경우에, 단면적은 원형 고리 내에 포함된 면적에 대한 식을 통하여 계산된다.
- 층 축선: - 각각의 층은 종방향 축선에 대해 섬유 각도 (αj ) 로 뻗어있고 종방향 축선을 따라 헬릭스로 층 프로파일에 따라 회전하는 축선을 갖는다.
- 층 직경 Dj: - 대응하는 층의 내부 직경과 외부 직경으로부터 유도된 산술 평균 직경.
- 크림프된 층들 (예컨대, 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 종방향 축선에 대해 +/- 45° 의 배향으로 변환된 (고전 적층 이론의 혼합 규칙 (예컨대 Puck, Tsai, Niederstadt, Geier) 에 따른) 각각의 층의 모든 섬유 성분들 및 매트릭스 성분들의 개별 또는 조합된 모듈들이다.
- 절대값들만 사용된다.
- 층 강성 (E Sj ) 의 계산을 위한 식:
여기에서 c=cos(|α|-45°) 이고 s=sin(|α|-45°)
E Sj - 층 강성, E1 - 재료 (Mj) 의 섬유에 대한 종방향 강성, E2 - 재료 (Mj) 의 섬유 방향에 수직인 강성, G12 - 재료 (Mj) 의 전단 모듈러스, ν 12 - 재료 (Mj) 의 큰 푸아송 비, ν 21 - 재료 (Mj) 의 작은 푸아송 비.
- 그룹 Gk: - 하중 방향 (인장 배향 또는 압축 배향) 으로 서로 접촉하는 하나 이상의 하중 지탱층들이 함께 그룹 (Gk) 을 각각 형성한다.
- 그룹 형성은 사용된 재료들 또는 임의의 특정 플라이에 대한 할당에 좌우되지 않는다.
- 층들 또는 플라이들 사이 접촉 평가는 비하중 지탱부로서 분류된 것을 무시하고; 따라서 서로 물리적으로 접촉하지 않는 층들은 또한 간혹 서로 접촉하는 것으로 간주될 수 있다.
- 그룹들의 번호는 내부에서부터 시작한다.
- 그룹 축선: 인장 배향 또는 압축 배향에 따르면, 각각의 그룹은, 종방향 축선에 대해 +45° (인장) 또는 -45° (압축) 로 뻗어있고 종방향 축선을 따라 헬릭스로 층 프로파일에 따라 회전하는 그룹 축선을 갖는다.
- 그룹 강성 E Gk : 그룹 강성 (E Gk ) 은 (고전 적층 이론의 혼합 규칙 (예컨대 Puck, Tsai, Niederstadt, Geier) 에 따른) 각각의 그룹의 모든 섬유 성분들 및 매트릭스 성분들의, 그룹 축선 방향으로 변환된, 면적 가중된 개별 또는 조합된 모듈들에 대응한다.
- 절대값들만 사용된다.
- 그룹 강성 (E Gk ) 의 계산을 위한 식:
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 관련 단면적의 곱
- 그룹 확장 강성 (F Gk ) 을 계산하기 위한 식:
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 Pn: - 서로 접촉하는 2 개의 그룹들은 각각 쌍을 형성한다; (그룹 형성의 필연적인 결과는, 한 쌍이 항상 +45° 와 -45°의 그룹 축선을 구비한 2 개의 그룹들로 이루어진다는 점이다)
- 층들 또는 플라이들 사이 접촉 평가는 비하중 지탱부로서 분류된 것을 무시하고; 따라서 서로 물리적으로 접촉하지 않는 그룹들은 또한 간혹 서로 접촉하는 것으로 간주될 수 있다.
- 쌍 형성은 최내측 그룹에서 시작하고 연속적으로 바깥쪽으로 계속된다.
- 한 쌍에 이미 성공적으로 할당된 그룹은 서로 접촉하는 다른 그룹과 쌍을 형성할 수 없다.
- 그룹 비 GVn: - 그룹 비는 쌍을 이루는 그룹들에 다음과 같이 할당된다: -45° 그룹 축선을 갖는 그룹의 그룹 확장 강성으로 나눈 +45° 그룹 축선을 갖는 그룹의 그룹 확장 강성; (여기에서 그룹 확장 강성 값들은 어떠한 부호도 선행되지 않는데, 왜냐하면 계산은 그룹 강성에 대해 단지 절대값들만 사용하기 때문이다).
- 쌍 비 PVn: - 쌍 비는 서로 접촉하는 2 개의 쌍들에 다음과 같이 할당된다: 접촉하는 쌍의 강성으로 나눈 내부 쌍의 강성.
- 혼합 섬유 - 다양한 재료의 필라멘트들로 이루어진 섬유 번들 또는 조방사.
스프링 와이어에서 섬유 배열 또는 설계 방법에 관한 하기 고려 사항은 제조된 구성 요소에서 계산되거나 규정된 섬유 각도들 (αj) 의 이상적인 일치를 기반으로 한다. 형성 작동 (예를 들어: 헬릭스를 제공하기 위해서 스프링 축선을 따라 신장된 스프링 와이어의 권취) 으로 인한, 계산값들로부터 각각 + 방향과 - 방향의 가능한 각도상 변위들, 플랜트 특정 제조 공차들 (예를 들어: 권취 플랜트의 회전 속도 변동), 또는 제조된 구성 요소에서 취급 작동 (예를 들어, 중간 제품들의 수동 수송) 으로 인한 변위들은, 절대 각도 차이가 20° 미만, 바람직하게 10° 미만, 매우 특히 바람직하게 5° 미만이기만 하면, 제시된 설계 방법을 위해 상관없다.
본 발명의 스프링의 설계를 위한 바람직한 방법은 다음과 같이 제공한다:
스프링의 예비 설계는 종래 기술에 따라 경험으로부터 유도된 값들을 기반으로 한다. 이 스프링의 파라미터들은 본 발명의 방법에 의한 스프링의 최적화를 위한 시작 파라미터들로서 사용된다.
후술되는 모든 설계 단계들은, 루프 기반 프로세스에서 모든 요구되는 설계 기준을 따르도록 그 자체에서 되풀이하여 또는 전체적으로 반복하여 실시되어야 한다.
단계 1:
제 1 단계에서는, 적어도 하나의 인장 하중을 받는 그룹에서, 매우 강성인 섬유 재료, 예를 들어 탄소 섬유들을 사용하도록 스프링 와이어의 구조가 설계된다. 따라서, 최고 그룹 강성을 가지는 인장 하중을 받는 그룹을 설계 프로세스로부터 식별할 수 있다. 그러면, 보다 낮은 그룹 강성을 가지도록 적어도 하나의 압축 하중을 받는 그룹을 설계할 필요가 있다. 그룹 강성이 인장 하중을 받는 그룹의 최대 90%, 바람직하게 최대 80%, 특히 최대 60% 이라면, 분류 "낮음" 이 압축 하중을 받는 그룹에 적용된다. 적어도 하나의 압축 하중을 받는 그룹에 대해, 따라서, 그룹 강성은 최고 그룹 강성을 갖는 인장 하중을 받는 그룹에 비해 적어도 10%, 바람직하게 적어도 20%, 특히 바람직하게 40% 만큼 감소되었다. 낮은 그룹 강성은, 예를 들어, 유리 섬유 재료를 사용함으로써 바람직하게 달성된다. 서로 접촉하는 낮은 그룹 강성의 압축 하중을 받는 그룹들과 탄소 섬유들로 만들어진 복수의 인장 하중을 받는 그룹들이 존재하는 것이 바람직하다. 인장 하중을 받는 그룹들 전부 탄소 섬유들로 이루어지고 압축 하중을 받는 그룹들 전부 낮은 그룹 강성을 가지는 것이 특히 바람직하다.
이것은 예로서 다음 가능성들 중 1 개, 또는 2 개 또는 3 개의 조합에 의해 달성된다:
가능성 I: 다른 섬유 재료들
- 이를 위해, 고강도 섬유들 (예컨대, HTCF) 이 인장 하중을 받는 그룹에 사용되고, 저강성 섬유들 (예컨대, GF) 이 압축 하중을 받는 그룹에 사용된다.
가능성 Ⅱ: 다른 섬유 각도들
- 압축 하중을 받는 그룹이 낮은 그룹 강성을 가지도록 그룹 강성의 알맞은 미세 조절이 섬유 각도들에 의해 달성될 수도 있다.
가능성 Ⅲ: 다양한 섬유들의 혼합물
- 다른 가능성은, 강성 변화가 너무 커서 섬유 각도들에 의해 보상되지 않는다면, 압축 하중을 받는 그룹을 위해 요구되는 낮은 그룹 강성 값들을 달성할 수 있도록 주요 섬유 유형들의 혼합물을 갖는 다른 재료를 사용하는 것이다.
단계 2:
그 후, 쌍들은 내부에서 외부로 형성된다. 장기 하중의 경우에 매트릭스 재료의 크리프 문제점은 일반적으로 스프링에서 그룹들 사이 매우 높은 전단 응력에 의해 유발된다. 그룹들 사이 전단 응력을 회피하거나 크게 감소시키기 위해서, 한 쌍의 그룹들은 비슷한 그룹 확장 강성을 가져야 하고; 이것은 예로서 단면적, 섬유 체적 함량, 섬유 각도 또는 재료 선택을 통하여 영향을 받을 수 있다. 한 쌍의 2 개의 그룹 확장 강성 값들로부터 그룹 비가 계산된다. 그룹 비는 미리 규정된 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.
받아들일 수 있는 그룹 비들을 달성하기 위해서, 예로서 알맞게 조절된 단면적들을 사용하여서 다른 섬유 유형들의 다른 재료 강성 값들을 보상할 필요가 있다. 이를 위해, 바람직한 절차는 섬유들의 하중 능력에 따라 섬유 강성을 선택한다. 예로서, 탄소 섬유들 (HTCF) 은 압축 하중 하에 낮은 에너지 저장 밀도를 가지고, 따라서 바람직하게 인장 하중을 받는 층들을 위해 효율적으로 사용될 수 있다. 유리 섬유들은 양호한 압축성을 가져서, 또한 압축 하중을 받는 층들을 위해 성공적으로 사용될 수 있다. 예로서, 각각 단 하나의 층인, HTCF 섬유들로 만들어진 인장 하중을 받는 그룹과 유리 섬유들로 만들어진 압축 하중을 받는 그룹은 그러면 한 쌍을 형성한다. 그러면, 인장 하중을 받는 그룹 (HTCF) 은 압축 하중을 받는 그룹 (GF) 보다 더 높은 그룹 강성을 갖는다. 바람직한 그룹 비는, 층 벽 두께, 및 이와 함께 단면적을 알맞게 조절함으로써 설정될 수 있다. 그룹 강성과 관련 단면적의 곱은 그룹 확장 강성을 제공한다. HTCF 섬유 및 유리 섬유로 이루어진 쌍의 경우에, 층 벽 두께들은 예로서 인장 하중을 받는 그룹에 대해 1 ㎜ 이고 압축 하중을 받는 그룹에 대해 2.5 ㎜ 일 수도 있다. 따라서, 관련 단면적들을 통하여, 인장 하중을 받는 그룹과 압축 하중을 받는 그룹에 대해 유사한 그룹 확장 강성 값들을 달성할 수 있고, 그룹 비의 값은 원하는 범위 내에 있다. 따라서, 그룹들 사이에 전단 응력은 거의 없고 스프링 와이어는 따라서 유리한 크리프 거동을 갖는다.
다른 바람직한 실시형태들은, 매우 얇아서 구성 요소의 지지 거동에 거의 어떠한 기여도 하지 못하는 하나 이상의 중간 또는 외부 층들을 사용하는 것을 제공하지만, 이것은 섬유 배향에 의해, 예로서, 스프링의 횡방향 강성에 기여하거나 환경 매체의 악영향에 대응하는 종단층이다. 하지만, 본 발명은 스프링 와이어 (코어 없음) 의 질량의 단지 최대 25%, 바람직하게 15%, 특히 바람직하게 5% 만 비하중 지탱부로서 분류되는 층들로 이루어지도록 의도된다.
또한, 보다 낮은 그룹 강성을 갖는 압축 하중을 받는 그룹들의 질량이 스프링 와이어의 압축 하중을 받는 그룹들 전체의 질량을 기반으로 적어도 20%, 바람직하게 50%, 특히 바람직하게 95% 의 비율을 구성하는 스프링 와이어를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 비틀림 스프링의 매우 특히 바람직한 실시형태는, 인장 하중을 받는 그룹들이, 내부에서 외부로, 동일한 그룹 강성 (제조 공차 밸런스 내) 을 가지도록 제공한다. 추가로 특히 바람직한 실시형태에서, 압축 하중을 받는 그룹들도 또는 단지 이들만 내부에서 외부로 동일한 그룹 강성 (제조 공차 밸런스 내) 을 갖는다. 적어도 하나의 내부에 위치한 압축 하중을 받는 그룹이 더 바깥쪽에 위치한 인장 하중을 받는 그룹보다 낮은 그룹 강성을 가지는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 스프링 와이어 그룹들 중, 스프링 와이어 (코어 없음) 의 총 질량의 적어도 50%, 바람직하게 75%, 특히 바람직하게 95% 의 비율이 성공적으로 쌍에 할당된 스프링 와이어를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 외부 플라스틱 플라이 또는 섬유 보강부가 없는 매트릭스 재료로 만들어진 플라이를 적용하는 것이 바람직하다. 하지만, 본 발명에 따른 방법은, 하중이 발생할 때, 탄성 에너지의 적어도 75%, 바람직하게 85%, 특히 바람직하게 95% 가 외부 플라스틱 플라이가 아니라 섬유 복합 재료에 의해 저장되도록 제공한다. 여기에 포함된 다른 가능성은, 외부 플라스틱 플라이는 파단되지만, 섬유 보강 플라이들과 선택적으로 존재하는 코어는 손상되지 않은 채로 유지되는 것이다.
본 발명의 스프링의 컴퓨터를 이용한 (computational) 설계를 위한 컴퓨터 지원 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 방법에 따라 설계 후, 스프링은 종래 기술의 프로세스들에 의해 제조된다.
본 발명은, 압축- 및 인장-하중을 받는 그룹들이 소수의 다른 섬유 재료들로 이루어지도록 스프링의 하중 지탱 단면 (비하중 지탱부인 코팅 등은 무시됨) 을 위한 재료 선택을 설계한다. 압축 하중을 받는 그룹들을 위한 저가의 재료, 예로서 유리 섬유 (GF) 를 사용하는 것이 바람직하다. 인장 하중을 받는 섬유들의 구역에서, 비질량 에너지 저장 밀도를 증가시키도록 탄소 섬유 (CF) 를 또한 사용할 수 있다.
본 발명의 스프링의 스프링 와이어가 원형 단면을 가지는 것이 바람직하다. 하지만, 타원형 또는 다각형 단면들도 또한 가능하다. 스프링은 선택적으로 코어를 갖는다. 이것은, 바람직하게, 섬유들이 종방향 축선에 평행하게 단방향으로 뻗어있는 섬유 복합 재료로 이루어진다. 다른 바람직한 실시형태들은, 섬유 복합 재료 또는 미보강 플라스틱 쉘이 축방향 공동을 둘러싸는 중공 코어를 제공한다. 또한, 완전히 플라스틱으로 이루어지는 코어 또는 전적으로 공동에 의해 형성되는 코어가 바람직하다.
또한, 인접한 쌍들의 쌍 비들은 서로 단지 약간만 상이하여서, 쌍들 사이에서 발생하는 전단 응력은 또한 최소화되고, 따라서 스프링 와이어의 크리프 경향이 최소화되는 것이 바람직하다. 상기 쌍 비는 두 쌍의 그룹들의 강성 값들로부터 계산된다.
본 발명의 스프링은 바람직하게 차량 구성, 모터 차량들 및 레일 차량들에서 사용된다. 하지만, 헬리컬 스프링들, 또는 보다 일반적으로 환경 조건들이 받아들일 수 없는 정도로 스프링에 사용되는 재료들을 공격하지 않는 비틀림 스프링들의 모든 적용 분야에서 사용할 수 있다.
도 1a 및 도 1b 는 본 발명의 비틀림 스프링의 2 가지 실시형태들의 도면들이다. 도 1a 는, 비틀림 스프링을, 코어를 구비한 헬리컬 스프링으로서 도시하고, 도 1b 는, 비틀림 스프링을, 코어가 없는 헬리컬 스프링으로서 도시한다.
도 2 는 중실형 코어 (1) 및 연관된 층 벽 두께들과 층 재료들을 갖는 다양한 층들 (S1 ~ SJ) 을 구비한 도 1a 의 스프링의 단면 A-A 의 도면이다.
도 3 은 관형 코어 (1) 및 연관된 층 벽 두께들과 층 재료들을 갖는 다양한 층들 (S1 ~ SJ) 을 구비한 도 1a 의 스프링의 단면 A-A 의 도면이다.
도 4 는 코어가 없고 연관된 층 벽 두께들과 층 재료들을 갖는 다양한 층들 (S1 ~ SJ) 의 도 1b 의 스프링의 단면 B-B 의 도면이다.
도 5 는 권취 직물을 구비한 본 발명의 실시예 1 (표 1 및 표 2) 에 대응하는 본 발명의 스프링 와이어의 배열 도면이고, 층들은 항상 유리 섬유 플라이 (압축 하중을 받음) 및 탄소 섬유 플라이 (인장 하중을 받음) 의 형태로 교대로 배열된다. 스프링의 외부측에 배열된 균질한 외부 플라스틱 플라이가 있다.
도 6 은 권취 직물을 구비한 본 발명의 실시예 2 (표 3 및 표 4) 에 대응하는 본 발명의 스프링 와이어의 배열 도면이고, 압축 하중을 받는 층들은 현무암 섬유 플라이의 형태를 취하고 인장 하중을 받는 층들은 탄소 섬유 플라이의 형태를 취한다. 제 4 플라이에서, 스프링은 종방향 축선을 따라 배향된 섬유들을 갖는다.
도 2 는 중실형 코어 (1) 및 연관된 층 벽 두께들과 층 재료들을 갖는 다양한 층들 (S1 ~ SJ) 을 구비한 도 1a 의 스프링의 단면 A-A 의 도면이다.
도 3 은 관형 코어 (1) 및 연관된 층 벽 두께들과 층 재료들을 갖는 다양한 층들 (S1 ~ SJ) 을 구비한 도 1a 의 스프링의 단면 A-A 의 도면이다.
도 4 는 코어가 없고 연관된 층 벽 두께들과 층 재료들을 갖는 다양한 층들 (S1 ~ SJ) 의 도 1b 의 스프링의 단면 B-B 의 도면이다.
도 5 는 권취 직물을 구비한 본 발명의 실시예 1 (표 1 및 표 2) 에 대응하는 본 발명의 스프링 와이어의 배열 도면이고, 층들은 항상 유리 섬유 플라이 (압축 하중을 받음) 및 탄소 섬유 플라이 (인장 하중을 받음) 의 형태로 교대로 배열된다. 스프링의 외부측에 배열된 균질한 외부 플라스틱 플라이가 있다.
도 6 은 권취 직물을 구비한 본 발명의 실시예 2 (표 3 및 표 4) 에 대응하는 본 발명의 스프링 와이어의 배열 도면이고, 압축 하중을 받는 층들은 현무암 섬유 플라이의 형태를 취하고 인장 하중을 받는 층들은 탄소 섬유 플라이의 형태를 취한다. 제 4 플라이에서, 스프링은 종방향 축선을 따라 배향된 섬유들을 갖는다.
표들
표 1 은 권취 직물을 구비한 본 발명의 설계 방법의 본 발명의 실시예 1 을 보여주고, 층들은 항상 유리 섬유 플라이 (압축 하중을 받음) 및 탄소 섬유 플라이 (인장 하중을 받음) 의 형태로 교대로 배열된다. 표는 두 부분을 가지고, 가독성을 개선하도록 특징적인 정보를 포함한 첫 번째 4 개의 칼럼들은 두 번째 부분에서 반복된다.
표 2 는 본 발명의 실시예 1 에 사용된 섬유 재료들과 그것의 특성들을 보여준다. 특성들은 종래 기술에 공지되어 있고, 단지 여기에서 수집, 분석되었다.
표 3 은 권취 직물을 구비한 본 발명의 설계 방법의 본 발명의 실시예 2 를 보여주고, 배열체는 유리 섬유 플라이 또는 현무암 섬유 플라이로서 압축 하중을 받는 층들을 가지고, 탄소 섬유 플라이로서 인장 하중을 받는 층들을 갖는다. 제 4 플라이에서, 본 발명의 실시예 2 는 종방향 축선을 따라 배향된 섬유들을 갖는다. 표는 마찬가지로 두 부분을 가지고, 가독성을 개선하도록 특징적인 정보를 포함한 첫 번째 4 개의 칼럼들은 두 번째 부분에서 반복된다.
표 4 는 본 발명의 실시예 2 에 사용된 섬유 재료들과 그것의 특성들을 보여준다. 특성들은 종래 기술에 공지되어 있고, 단지 여기에서 수집, 분석되었다.
본 발명의 실시예
모든 본 발명의 실시예들에서, 단면적은 원형 고리의 단면에 대한 식을 통하여 계산된다. 각각의 본 발명의 실시예에 대해, 구체적인 사실에 근거한 상황은 스프링 와이어의 단면도, 스프링 와이어 특성값들을 설명하는 표, 및 재료들의 관련 특성들을 보여주는 표를 사용하여 설명된다.
본 발명의 실시예 1 은 권취 직물 플라이들 및 중공 코어로 이루어진 본 발명의 스프링 와이어 배열을 보여준다 (도 5). 표 1 및 표 2 는 스프링 와이어의 배열 특성들 및 사용된 재료들의 특성들을 보여준다. 스프링 와이어는, 그것이 압력 하중에 대한 유리 섬유 플라이와 인장 하중에 대한 탄소 섬유 플라이를 항상 교대로 사용하는 것을 특징으로 한다. 유리 섬유와 탄소 섬유 사이 섬유 강성 값들의 큰 차이는 단면적을 통한 그룹 확장 강성의 상호 조절을 요구한다. 이 실시예에서 이것은 1.1 ㎜ 의 유리 섬유층과 비교해 0.4 ㎜ 의 탄소 섬유층의 상당히 더 낮은 층 벽 두께를 통하여 달성된다. 균질한 플라스틱 플라이로서, 인장 배향 또는 압축 배향 하중 방향으로 어떠한 우선적 섬유 보강부도 가지지 않기 때문에, 플라이 (9) 는 비하중 지탱층이다. 그 대신, 플라이 (9) 는 환경에 대한 스프링 와이어의 외부 종단부를 나타낸다. 여기에서 가능한 기능들은 주변 매체 영향, 가능한 충돌 보호 (예를 들어, 돌의 충돌), 마모로부터 보호 (예를 들어, 스프링 플레이트들에서 내마찰성 보호층) 또는 접촉 부식 방지로부터 보호하는 것이다. 비하중 지탱층들의 질량 비율은, 스프링 와이어의 단면의 총 질량을 기반으로 약 7% 이다 (존재할 가능성이 있는 임의의 스프링 와이어 코어의 질량은 무시됨).
각각의 본 발명의 실시예에서 유리 섬유층들과 탄소 섬유 층들은 그룹들을 형성한다. 모든 그룹들은 성공적으로 쌍에 할당된다. 본 발명에 따르면, 모든 압축 하중을 받는 그룹들은 더 낮은 그룹 강성을 가지고, 따라서 본 발명의 실시예 1 은 본 발명의 비틀림 스프링의 바람직한 변형예를 제공한다.
본 발명의 실시예 2 는 권취 직물 플라이들 및 중공 코어로 이루어진 본 발명의 스프링 와이어 배열을 보여준다 (도 6). 표 3 및 표 4 는 스프링 와이어의 배열 특성들 및 사용된 재료들의 특성들을 보여준다. 종방향 축선에 대해 동일한 섬유 재료와 동일한 섬유 각도를 적용할 수 있는 기술적 가능성에 의해, 플라이들 (1, 2) 은 단 하나의 층 (S1) 만 형성한다. 복수의 플라이들에서 동일한 섬유 각도들 및 섬유 재료를 갖는 섬유를 적용하는 것은, 예로서 코일링 프로세스의 경우에, 개별 조방사들이 균일하게 적용된 구조를 형성하도록 의도되고, 서로를 향한 개별 조방사들의 변위 및/또는 개별 조방사들의 부분 중첩을 방지하도록 의도될 때 유리한 것으로 입증될 수 있다. 층 (S1) 은 그룹 (G1) 을 제공한다. 여기에서 발생한 인장 강도 값들이 비교적 낮아서, 재료의 하중 지탱 용량을 초과하지 않기 때문에, 스프링 와이어의 내부를 향해 적절히 위치한 이런 압축 하중을 받는 그룹에 탄소 섬유들이 사용되었다. 본 발명의 실시예 2 에서 플라이 (4) 는 0°의 섬유 각도를 갖는 탄소 섬유 플라이로 이루어진다. 이것은 20° ~ 70° 의 범위 또는 -20° ~ -70°의 범위 밖의 섬유 각도를 갖는 층이고, 상기 층은 따라서 비하중 지탱부로서 분류된다. 이런 유형의 층은 스프링 축선 둘레에 나선형으로 권취된 스프링 와이어의 횡방향 하중에 대한 견고성에 유리한 영향을 미쳐서, 임의의 질량 비율까지 유용하다. 이 경우에, 비하중 지탱층들의 질량 비율은 약 16% 이고, 따라서 스프링 와이어의 총 질량을 기반으로 25% 미만이다. 더 바깥쪽에 위치한 압축 하중을 받는 플라이들 (L5, L6, L8) 은 현무암 섬유 플라이들로 이루어진다. 본 발명에 따르면, 현무암 섬유 플라이들은 최고 그룹 강성 (예컨대 L9) 을 갖는 인장 하중을 받는 플라이보다 낮은 그룹 강성을 갖는다. 여기에서, L5 의 그룹 강성은 58% 만큼 더 낮고, 플라이들 (L6, L8) 의 그룹 강성은 62% 만큼 더 낮다. 단지 플라이들 (L1, L2) 의 질량만 이 기준을 따르지 않기 때문에, 낮은 그룹 강성을 가지는 압축 하중을 받는 섬유 플라이들의 질량 비율은 82% 이다. 동시에, 인장 하중을 받는 플라이 (L9) 의 그룹 강성은 139 ㎬ 이고, 이것은 따라서 요구되는 60 ㎬ 보다 상당히 높다. 여기에서, 인장 하중을 받는 플라이들은 모두 탄소 섬유들로 이루어진다. 본 발명의 실시예 2 는 본 발명의 비틀림 스프링의 바람직한 변형예이다. 모든 그룹들이 쌍들에 성공적으로 할당된다.
Li 플라이 i (자연수들 [1,I] 의 한정된 범위 내 숫자 지수 i)
LWi 플라이 i 의 벽 두께
Sj 층 j (자연수들 [1,J] 의 한정된 범위 내 숫자 지수 j)
αj 층 Sj 의 종방향 축선에 대한 각도상 배향
1 스프링 와이어 코어 (선택적으로 존재)
Mj 층 Sj 의 재료
Dj 층 Sj 의 직경
Wj 층 Sj 의 벽 두께
E Sj 층 Sj 의 강성
E1 재료 Mj 의 섬유에 대한 종방향 강성
E2 재료 Mj 의 섬유 방향에 대한 수직 강성
G12 재료 Mj 의 전단 모듈러스
ν12 재료 Mj 의 큰 푸아송 비
ν21 재료 Mj 의 작은 푸아송 비
Gk 그룹 k (자연수들 [1,K] 의 한정된 범위 내 숫자 지수 k)
A Sj 층 Sj 의 단면적
E Gk 그룹 Gk 의 그룹 강성
F Gk 그룹 Gk 의 그룹 확장 강성
Pn 쌍 n (자연수들 [1,N] 의 한정된 범위 내 숫자 지수 n)
GVn 인장 하중을 받는 그룹 및 압축 하중을 받는 그룹으로부터 계산된 그룹 비 n
Da 스프링 와이어의 외부 직경
CF 탄소 섬유
GF 유리 섬유
BF 현무암 섬유
S2 보다 높은 강성의 유리 섬유
E 정상 강성의 유리 섬유
HT 정상 강성의 (고 강인성) 탄소 섬유
LWi 플라이 i 의 벽 두께
Sj 층 j (자연수들 [1,J] 의 한정된 범위 내 숫자 지수 j)
αj 층 Sj 의 종방향 축선에 대한 각도상 배향
1 스프링 와이어 코어 (선택적으로 존재)
Mj 층 Sj 의 재료
Dj 층 Sj 의 직경
Wj 층 Sj 의 벽 두께
E Sj 층 Sj 의 강성
E1 재료 Mj 의 섬유에 대한 종방향 강성
E2 재료 Mj 의 섬유 방향에 대한 수직 강성
G12 재료 Mj 의 전단 모듈러스
ν12 재료 Mj 의 큰 푸아송 비
ν21 재료 Mj 의 작은 푸아송 비
Gk 그룹 k (자연수들 [1,K] 의 한정된 범위 내 숫자 지수 k)
A Sj 층 Sj 의 단면적
E Gk 그룹 Gk 의 그룹 강성
F Gk 그룹 Gk 의 그룹 확장 강성
Pn 쌍 n (자연수들 [1,N] 의 한정된 범위 내 숫자 지수 n)
GVn 인장 하중을 받는 그룹 및 압축 하중을 받는 그룹으로부터 계산된 그룹 비 n
Da 스프링 와이어의 외부 직경
CF 탄소 섬유
GF 유리 섬유
BF 현무암 섬유
S2 보다 높은 강성의 유리 섬유
E 정상 강성의 유리 섬유
HT 정상 강성의 (고 강인성) 탄소 섬유
Claims (22)
- 섬유 복합 재료로 만들어진 스프링 와이어로 만들어진 비틀림 바 또는 헬리컬 스프링으로서의 비틀림 스프링으로서,
매트릭스 재료로 포화된 복수의 섬유 보강층들을 가지고, 각각의 층은 단지 인장 하중을 받는 섬유들 또는 단지 압축 하중을 받는 섬유들만 가지고,
인장 하중을 받는 층들의 그룹들이 존재하고 압축 하중을 받는 층들의 그룹들이 존재하고, 적어도 하나의 압축 하중을 받는 그룹은 최고 그룹 강성을 갖는 인장 하중을 받는 그룹보다 낮은 그룹 강성을 가지는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 압축 하중을 받는 그룹의 그룹 강성은 상기 최고 그룹 강성을 갖는 인장 하중을 받는 그룹의 그룹 강성보다 적어도 10%, 바람직하게 20%, 특히 바람직하게 40% 낮은 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 내부에 위치한 압축 하중을 받는 그룹은 더 바깥쪽에 위치한 인장 하중을 받는 그룹보다 낮은 그룹 강성을 가지는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 최고 그룹 강성을 갖는 인장 하중을 받는 그룹의 그룹 강성은 적어도 60 ㎬, 바람직하게 적어도 80 ㎬, 특히 바람직하게 적어도 90 ㎬ 인 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 최고 그룹 강성을 갖는 인장 하중을 받는 그룹은 전적으로 탄소 섬유들로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 인장 하중을 받는 그룹들은 적어도 50%, 바람직하게 75%, 특히 바람직하게 95%, 매우 특히 바람직하게 전적으로 탄소 섬유들의 질량 비율로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 인장 하중을 받는 그룹들의 적어도 50%, 바람직하게 75%, 특히 바람직하게 95% 의 질량 비율은, 상기 최고 그룹 강성을 갖는 인장 하중을 받는 그룹의 그룹 강성과, 50% 미만, 바람직하게 30%, 특히 바람직하게 15% 만큼 다른 그룹 강성을 가지는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 인장 하중을 받는 그룹들 전부는, 상기 최고 그룹 강성을 갖는 인장 하중을 받는 그룹의 그룹 강성과, 50% 미만, 바람직하게 30%, 특히 바람직하게 15% 만큼 다른 그룹 강성을 가지고, 매우 특히 바람직하게 상기 인장 하중을 받는 그룹들 전부의 그룹 강성은 동일한 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 압축 하중을 받는 그룹들의 적어도 20%, 바람직하게 50%, 특히 바람직하게 95%, 매우 특히 바람직하게 100% 의 질량 비율은 상기 최고 그룹 강성을 갖는 인장 하중을 받는 그룹보다 낮은 그룹 강성을 가지는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 압축 하중을 받는 그룹들의 적어도 50%, 바람직하게 75%, 특히 바람직하게 95% 의 질량 비율은, 낮은 것으로 분류되는 최고 그룹 강성을 갖는 압축 하중을 받는 그룹의 그룹 강성과, 50% 미만, 바람직하게 30%, 특히 바람직하게 15% 만큼 다른 그룹 강성을 가지는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 압축 하중을 받는 그룹들 전부는, 낮은 것으로 분류되는 최고 그룹 강성을 갖는 압축 하중을 받는 그룹의 그룹 강성과, 50% 미만, 바람직하게 30%, 특히 바람직하게 15% 만큼 다른 그룹 강성을 가지고, 매우 특히 바람직하게 상기 압축 하중을 받는 그룹들 전부의 그룹 강성은 동일한 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 압축 하중을 받는 그룹들은 적어도 30%, 바람직하게 60%, 특히 바람직하게 80%, 매우 특히 바람직하게 전적으로, 유리 섬유들 또는 현무암 섬유들의 질량 비율로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
비용 효율성을 개선하기 위해서, 최대 6 개, 바람직하게 최대 3 개, 특히 바람직하게 최대 2 개의, 다른 주요 섬유 유형들이 상기 인장 하중을 받는 그룹과 상기 압축 하중을 받는 그룹에 사용되는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
성공적으로 2 개의 그룹들로부터 형성된 적어도 1 쌍은 0.2 ~ 5 의 범위, 바람직하게 0.5 ~ 2 의 범위, 특히 바람직하게 0.75 ~ 1.33 의 범위의 그룹 비를 가지는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
코어의 질량을 무시하고, 상기 스프링 와이어를 기반으로 한, 성공적으로 형성된 쌍들을 가지는 그룹들의 질량 비율은 적어도 50%, 바람직하게 적어도 75%, 특히 바람직하게 적어도 95% 인 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
주요 섬유 유형들의 혼합물을 갖는 층들의 경우에, 혼합 섬유층에 존재하는 각각의 주요 섬유 유형의 양은 적어도 10 질량% 인 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
코어의 질량을 무시하고, 상기 스프링 와이어에서 비하중 지탱부로서 분류된 층들의 질량 비율은 최대 25%, 바람직하게 15%, 특히 바람직하게 5% 인 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 스프링 와이어의 단면은 원형, 타원형, 또는 다각형인 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
섬유 보강 플라스틱 플라이들의 매트릭스는 충전되거나 미충전된 열경화성 플라스틱으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 스프링 와이어는,
a. 중공이거나,
b. 상기 스프링 와이어의 축선 방향으로 단방향 섬유들을 구비한 섬유 보강 재료로 이루어지거나,
c. 섬유 보강되지 않은 재료로 이루어지는 코어를 가지는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링. - 다중 플라이 섬유 복합 재료로 만들어진, 비틀림 바 또는 헬리컬 스프링의 형태로 비틀림 스프링을 설계하는 방법으로서,
다음 단계들:
a. 스프링을 예비 설계하는 단계,
b. 동일한 하중 방향을 가지는 서로 접촉하는 층들로 만들어진 섬유들의 그룹들을 형성하는 단계,
c. 각각의 그룹의 그룹 강성 값들을 컴퓨터를 이용하여 (computational) 결정하는 단계,
d. 최고 그룹 강성을 갖는 인장 하중을 받는 그룹보다 낮은 그룹 강성을 가지도록 압축 하중을 받는 그룹들의 그룹 강성을 알맞게 조절하는 단계,
e. 반경방향으로 인접한 인장 하중을 받는 그룹과 압축 하중을 받는 그룹이 항상 쌍을 형성하도록 내부에서 외부로 쌍들을 형성하는 단계,
f. 한 쌍의 인장 하중을 받는 그룹과 압축 하중을 받는 그룹의 그룹 확장 강성 값들 사이 관계로서 계산된 몫으로서 그룹 비를 결정하는 단계,
g. 상기 그룹 비가 0.2 ~ 5 의 범위에 있을 때까지,
- 층 벽 두께의 변화 및/또는
- 재료 유형의 변화 및/또는
- 섬유 각도의 변화에 의한 강성 비들의 변화를 통하여 인접한 그룹들 사이 전단 응력을 최소화하는 단계,
h. 원하는 하중 지탱 능력이 주어진 스프링 강성 프로파일로 달성될 때까지 단계 b. 내지 단계 g. 를 반복하는 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링을 설계하는 방법. - 제 21 항에 있어서,
단계 1d. 의 그룹 강성을 알맞게 조절하는 단계는,
a. 섬유 재료가 변화되고, 그리고/또는
b. 다양한 섬유 재료들의 혼합물들이 변화되고, 그리고/또는
c. 섬유 각도가 변경된다는 점에서 달성되는 것을 특징으로 하는, 비틀림 스프링을 설계하는 방법.
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| Title |
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