用于悬挂系统的Σ弹簧的制作方法

本发明主要涉及悬挂系统和车辆悬挂系统。特别地，本发明涉及至车辆底盘的负荷传递元件，其可由金属合金、金属基复合材料或具有纳米大小元素的异质复合金属玻璃基质制造。此外，本发明涉及在微机电系统(MEMS)和在纳米级的纳米机电系统(NEMS)的应用。

背景技术：

最初，1900年公开的Parfrey，W.的专利号为US662876的专利描述了一种具有恒定厚度的中央加载波纹单板簧，其由中心水平部分构成，从该中心水平部分的两侧纵向对称延伸出向上弯曲部分，从该向上弯曲部分延伸出一个半圆形部分，该半圆形部分终止于延伸部，该延伸部被用来固定至车辆。该专利还包括稳定装置，该稳定装置由套筒和立柱构成。该发明由未回火钢制成。

最近1914年公开的Winkler,F.G.的专利号为US1096582的专利描述了一种中央加载波纹单板簧，包括枢转杆、桥连接构件和持续提供耐负荷的半刚性构件。该专利包括持续提供耐负荷的复合弹簧的弹性环。该发明由钢制成。

1974年公开的Curtis等人的专利号为US3815887的专利公开了一种塑料弹簧。该专利描述了一种薄壁孔和提供非线性率的伸缩作用的塑料波纹弹簧。该塑料弹簧由聚丙烯制成且主要应用于座椅和靠背应用上。

1979年公开的Jarret,J.M.等人的专利号为US4172590的专利。该专利描述了S或C形弹簧，包括金属材料芯，该金属材料芯被紧紧嵌入充填有弹性体的扁平部分的弹性管内。该专利的弹性管的热膨胀系数比所述弹性体的热膨胀系数高，从而当承受静压力时，保持了弹簧的基本恒定的工作特性。该专利的弹性件的厚度基本上是恒定的。

1989年公开的Doller等人的专利号为US4850464的专利，提出了一种辊子离合器蓄势弹簧，其具有保护褶。该专利描述了一种手风琴式滚子离合器蓄 势弹簧，其具有当该类型弹簧的不摆正端叶倾斜时发生侧推力以安装入座体的优点。

1989年公开的Rose等人的专利号为US4805885的专利，展示了一种蜿蜒弹簧。该专利描述了一种呈大致E形或蜿蜒布置的用于开关致动组件的弹簧。

1991年出版的Spedding的专利号为US5013013的专利示出一种弹簧组件。该专利描述了由增强形纤维塑料材料条制成的之字形弹簧，其具有通过弯折部分连接的分支。

1996年出版的Miller的专利号为US5540418的专利提出了一种具有可折叠蜿蜒弹簧的可折叠床。该专利描述了一种可折叠床，其在展开位置与折叠位置之间移动，在展开位置中，相互连接的座椅、腔体、主体部分基本水平对齐并具有基本均匀的深度，在折叠位置中，主体部分水平设置，座椅部分是基本直立的并在主体部分和座椅部分之间延伸。

1996年出版的Miller的专利号为US5535460的专利展示了一种用于座椅和床的弹簧组件。该专利描述了一种结合可收缩弹簧使用的滑丝，该滑丝包括多个大致平行并大致对齐的滑动部分。

爱思唯尔科技有限公司在1999年出版，卷号为S0263-8223(98)00136-6中公开的Sancaktar,E.和Gratton,M.的题为“Design,Analysis,and Optimization of Composite Leaf Springs for Light Vehicle Applications”的出版物，其特征在于用于轻型车辆应用的复合板簧设计。Sancaktar的出版物描述了复合板簧的设计和制造的各个方面，其替代传统的钢制半椭圆多板簧。

作者为Sardou，MA和Ptricia，D，题为“Light and Low Cost Composite Compression C-springs for Vehicle Suspension”的著作由汽车工程师协会(SAE)发表在2000年的卷2000-01-0100上，其展示了用于车辆悬架应用的C形复合弹簧的设计。该Sardou的著作描述了C形复合弹簧的设计和制造的各方面，其作为传统的钢制半椭圆形多板簧和复合板簧的替代。

虽然上述现有技术在本领域改进了弹簧设计和结构，但是仍需要一种弹簧，其在紧凑空间条件下提供优异的变形能力从而有助于振动隔离，以及根据负荷情况在同一个紧凑空间内提供可控的弹簧刚度，同时保持高的强度-重量比、高承载能力、轻重量以及低成本。

现有技术的弹簧形状和结构不能实现这些理想的特征的完美平衡。现有技术的弹簧结构和材料被认为可提供在大空间要求下的被证实的变形功能和引起相对较高水平的应力，或在紧凑空间要求下的拙劣的变形能力和引起较低水平的应力。

Parfrey的专利号为US662876的发明的缺点包括：该发明的波纹形状和弹簧圈使得在弹簧的整个展开长度使用一个以上的叶片不切实际，因为叶片在负荷下预期滑动的预期阻断，并且其整个弹簧展开长度的恒定厚度的拙劣设计表现出在整个弹簧展开长度的高应力部分的高诱导应力，从而导致较低的弹簧耐久性。

Winkler的专利号为US1096582的发明的缺点包括：由于弹簧结构具有枢转部分而不是连续结构，因此弹簧的预期耐久性降低。

Curtis等人的专利号为US3815887的发明的缺点包括：因为在整个弹簧长度的统一的厚度导致的低负荷承载能力，以及在紧凑空间条件下的弱变形能力。

Jarret的专利号为US4172590的发明的缺点包括：提出的S或C形外臂最初采取水平位置以及在负荷下向内变形到低于与弹簧圈相遇点的位置，从而引起弹簧的运行问题，诸如与悬挂质量摩擦。

Doller等人的US4850464专利的缺点包括：因为大侧运动而导致的大空间要求和因为贯通整个弹簧长度的统一厚度而导致的低负荷承载能力。

Rose等人的专利号为US4805885的发明的缺点包括：因为弹簧的两个外臂最初是水平的，从而在外部自由端的外部负荷导致的弹簧外部的不安全压缩模式、因为弹簧的大曲率半径的U形位于外部自由端的负荷线导致的弱变形能力、以及没有提及如何通过设置弹簧在不同负荷水平的几何结构来控制弹簧刚度。

Spedding的专利号为US5013013的发明的缺点包括：因为沿整个弹簧长度的统一的厚度导致的低负荷承载能力，以及因为整个U形弹簧具有相等的曲率半径导致的弱变形能力。

Miller的专利号为US5540418的发明的缺点包括：由于整个弹簧长度的统一厚度导致的低负荷能力以及大空间需求。

Miller的专利号为US5535460的发明的缺点包括：因为弹簧变形能力依赖 于有限的金属丝的弹性应变，导致弱变形能力，和大空间需求。

技术实现要素：

本发明的一个主要目的是减轻冲击。本发明的另一个目的是允许车轮适应路面凹凸。本发明的还有一个目的是在车辆运行期间的承受所有施加到车辆上的水平外力。本发明的还有一个目的是在任何给定的车辆底盘截面上降低从车轮传递到车辆底盘的负荷，这些负荷可能导致车辆底盘的横截面尺寸减小。本发明的还有一个目的是减弱可能由于各半主动车辆悬挂弹簧的配合引起的噪音。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有大写字母∑形状的弹簧，在静态或动态负荷条件下，质量能够垂直悬挂在所述弹簧上。

较佳地，所述弹簧具有两条倾斜臂，以及当所述弹簧处于全负荷条件下时，所述两条倾斜臂的上端和下端变成水平，从而确保安全的压缩模式。

较佳地，当所述弹簧处于全负荷条件下时，聚合物行程限位止动件(6)被用来确保安全的压缩模式。

较佳地，所述弹簧具有两组相对的不同尺寸的圈数，曲率半径较小的一组位于所施加的外部负荷的作用线的一侧，而相对的另一组则具有大的曲率半径，从而最大化弹簧的垂直变形能力。

较佳地，所述弹簧的厚度沿整个展开长度逐渐变化，从而最小化由于冲击引起的应力、重量和成本。

较佳地，通过增加或减少所述弹簧的圈数，能够将所述弹簧的刚度调整到一个理想值。

较佳地，所述弹簧的刚度随负荷增加而增加，从而允许较小的潜在动能并提供较好的振动隔离。

较佳地，所述弹簧具有以下四种应用：被动车辆悬挂系统，其具有相同自阻尼特征的两个相对的∑弹簧；具有液压减震器的被动车辆悬挂系统，其具有相同特征的两个相对的∑弹簧；半主动车辆悬挂系统，其具有两组相邻的弹簧(1、7)，每一组弹簧具有相同的弹簧刚度和不同的与车辆的纵向中心线平行的放置高度，该放置高度位于具有相同自阻尼特征的两个相对的高∑弹簧(1) 的同一作用线上，从而在轻-中负荷时较高的一组动作而在重负荷时两组同时动作，或具有两组相邻弹簧的半主动车辆悬挂系统，每一组弹簧具有相同的弹簧刚度和不同的与车辆的纵向中心线平行的放置高度，该放置高度位于具有相同特征的两个相对的高∑弹簧的同一作用线上并穿过液压减震器的外部负载的作用线，从而在轻-中负荷期间较高的一组弹簧(1)动作而在重负荷期间两组弹簧(1、7)同时动作。

较佳地，所述弹簧通过负荷拆分卸扣鞋(4)连接到车辆底盘(3)，该负荷拆分卸扣鞋具有中心拆分座，该中心拆分座将从车轮(5)传送到车辆底盘(3)的负荷拆分成4个垂直分量，每个垂直分量在不同于另一截面的截面处施加到车辆底盘(3)上。

较佳地，所述弹簧由做成纳米大小的粉末状纤维以纳米级加强过的树脂的聚合物基复合材料、金属基复合材料、具有纳米尺寸元素的异质复合金属玻璃基质、或整体金属单片材料制成。

附图简要说明

通过参照附图，本发明的目的、特点和优点将变得更加清楚，其中相同的标号指代相同的部分以及本发明的一个示例性实施例被示出，附图中：

图1示出具有液压减震器的被动车辆悬挂系统剖视图，其中两个相对的∑弹簧具有相同的特征。

图2示出具有具有液压减震器的被动车辆悬挂系统的侧视图，其中两个相对的∑弹簧具有相同的特征。

图3示出具有液压减震器的半主动车辆悬挂系统的剖视图，其中在轻至中等负荷期间具有相同特征的两个相对的高∑弹簧动作，而在重负荷期间具有相同特征的两个相对的矮∑弹簧动作。

图4示出I形销沿I-I截取的剖视俯视图；

图5示出负荷拆分卸扣鞋沿III-III截取的剖视图；

图6示出负荷拆分卸扣鞋沿II-II截取的俯视图；

图7示出负荷拆分卸扣鞋沿IV-IV截取的侧视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明旨在通过一个特别的大写字母∑形状1来减轻冲击，在静态或动态负荷条件下，车辆的底盘3的质量可垂直悬挂在大写字母∑形状1的上方。∑弹簧1具有两条倾斜臂，当∑弹簧1处于满载条件时，该两条倾斜臂的上端和下端变成水平，从而确保安全的压缩模式。具有∑形状的弹簧1具有两组相对的不同尺寸的圈数，曲率半径较小的一组位于所施加的外部负荷的作用线的一侧，而相对的另一组则具有大的曲率半径，从而最大化弹簧的垂直变形能力。∑弹簧1的厚度沿整个展开长度逐渐变化，从而最小化由于冲击引起的应力、重量和成本。∑弹簧1的弹簧刚度是非线性的从而提供改进的振动隔离，并且对于相同的紧凑可用空间，可以通过增加或减少圈数来调整弹簧的刚度。如图1所示，行程限制橡胶止动件11连接于弹簧1上，并作为一种在冲击负荷下限制车辆悬挂弹簧行程的安全装置。

此外，如图1所示，本发明还旨在通过∑形状的优越的变形能力来允许车轮适应路面凹凸，这允许通过弹簧弹性吸收的能量得到恢复，从而∑弹簧维持了在冲击过后车轮相对于路面的初始位置。这两组相对的不同尺寸的圈数使得∑弹簧1能够响应地适应路面凹凸，其中曲率半径较小的一组位于所施加的外部负荷的作用线的一侧，而与其相对的一组则具有大的曲率半径。

此外，如图1所示，本发明还旨在在车辆运行期间的承受所有施加到车辆上的水平外力，这是通过位于相同高度的彼此相对的两个相同的∑弹簧1来实现的。图1所示的两个相同的∑弹簧1，其基于图2所示的宽度的刚度定位在连接于车轮5和车辆底盘3的轴上，该轴用在图3所示的被动车辆悬挂系统中。此外，两个相同的矮∑弹簧7的刚度，其还通过图3所示的I形销9，帮助对连接于图3所示的被动车辆悬挂系统的车轮5和车辆底盘3的轴进行定位。如图3所示，基于覆盖两个相同的矮∑弹簧7之间接触面的粉末状石墨干润滑剂，将I形销9滑入两个相同的矮∑弹簧7的中心孔。图4所示的L形阻尼橡胶片10连接到图3所示的两个相同的矮∑弹簧7的中心孔的内部转角，从而减弱中心孔与I形销9相互作用的噪音。此外，如图3所示，两个相同的矮∑弹簧7的刚度还有助于对连接到半主动车辆悬架系统的车轮5的轴进行定位。

此外，本发明还旨在降低在任何给定的车辆底盘截面上从车轮5传递到车 辆底盘3的负荷，这些负荷可能导致车辆底盘的横截面尺寸减小。如图3所示，负荷拆分卸扣鞋4，其将车辆悬挂∑弹簧1和7连接到车辆底盘3，将从车轮5传递到车辆底盘3的负荷拆分成一个以上的垂直分量，每一个垂直分量在不同于另一截面的截面上被施加到车辆底盘3。图6示出负荷拆分卸扣鞋4的俯视图。图5和图7分别示出负荷拆分卸扣鞋4沿III-III截取的剖视图和沿IV-IV截取的侧视图。液压减震器2，其穿过两个相同的高∑弹簧1的中心孔，有助于降低从车轮5传递到车辆底盘3的负荷。

此外，如图3所示，本发明旨在通过U形阻尼橡胶片8来减弱噪音，该噪音可能由基于矮∑弹簧7的半主动悬架系统的配合引起。如图3所示，U形阻尼橡胶片8连接在矮∑弹簧7上，从而减弱可能由于在重负荷期间与车辆底盘配合引起的噪音。

∑弹簧可以由做成纳米大小的粉末状纤维以纳米级加强过的树脂的聚合物基复合材料制成。此外，∑弹簧可以由金属基复合材料、具有纳米尺寸元素的异质复合金属玻璃基质、或整体金属单片材料制成。