机动车悬架的轻质聚合滑柱上支架的制作方法

专利名称：机动车悬架的轻质聚合滑柱上支架的制作方法
技术领域：
01本发明涉及麦弗逊滑柱型机动车悬架系统，具体地，涉及单
紧固件式麦弗逊滑柱上支架，以及更具体地，涉及其主结构部件由聚合 材料构成的滑柱上支架。
背景技术：
02机动车悬架系统设置成当车辆沿着道路行驶时车轮能够顺应 道路表面的高度变化。当遇到道路表面隆起时，悬架系统以"颠簸"模 式响应，在该模式下车轮能够相对于车辆框架向上移动。另一方面，当 遇到道路表面下降时，悬架系统以"回弹"模式响应，在该模式下车轮 能够相对于车辆的整体车体/框架结构向下移动。无论是在"颠簸"还是 在"回弹"模式，弹簧(即，盘簧、板簧、扭簧等)与车体结构结合以 便向车轮相对于车体结构的相应竖直移动提供弹性响应。然而，为了防 止车轮的弹跳和过度的车体运动，在车轮上设置有震动吸收器或滑柱以 緩沖车轮和车体的运动。在美国专利5， 467，971中公开了麦弗逊滑柱的一
个实例。
03由于在滑柱上支架工作期间所遇到的高应力，本领域常规的 做法是制造主结构元件由钢制成的滑柱上支架。在这一点上，在2007年2 月21日提交的、属于Paul A. Winocur并转让给本文受让人的、序列号为 11/677， 070的美国专利申请中例举了一种创新性的滑柱上支架的实例， 该专利申请的公开内容在此以参见的方式引入。
04机动车领域所追求的目标之一是在减小机动车重量的基础上 提高燃油经济性。因此，如果可以通过以某种方式克服那些要求主结构 部件由金属制成的应力因素，使得可以使用更轻的聚合材料作为主结构 部件，从而将滑柱上支架以某种方式制造得更轻，那么这是非常期望的。

发明内容
05本发明为一种滑柱上支架，其以轻质聚合材料作为传统使用 的钢材料的替代而用于主结构部件，其中，可以使用聚合材料是因为，
6为其构件及其所接合的车体结构采用了策略性的几何布置方式，从而成 功地控制了与滑柱上支架应力相关联的因素。
06根据本发明的单路径滑柱上支架设置成相对于滑柱塔的支撑 壳体可支撑地安置，该支撑壳体在其下端连接到机动车的车体结构。本 发明的滑柱上支架所使用的支架圆顶由例如玻璃增强尼龙的轻质聚合主 结构部件和例如橡胶的弹性体构成，其中弹性体结合到聚合主结构部件， 其中，支架圆顶的形状与滑柱塔的支撑壳体的形状互补，使得支架圆顶 以被抱置的方式安置在支撑壳体中。
07聚合主结构部件为环形的，具有中心聚合壁、与中心聚合壁 隔开的外聚合壁、以及跨接中心聚合壁和外聚合壁的上聚合壁。弹性体 部分地模制在聚合主结构部件上，其中弹性体分别结合地覆盖外聚合壁 和上聚合壁，以用作与滑柱塔之间的弹性界面，弹性体还结合地覆盖中 心聚合壁以提供中心弹性元件，中心弹性元件具有杯状的金属插入物， 并且弹性体在中心聚合壁的底表面处结合地覆盖中心聚合壁以提供邻接 元件。
08轴承毗邻中心弹性元件，并与金属插入物相邻。颠簸緩冲板 具有邻接轴承的下座圏的内部板法兰，其中颠簸緩冲板带有弹簧座和颠 簸緩沖界面。滑柱轴具有由轴肩所限定的减小了直径的螺紋端部，其中 内部板法兰邻接轴肩。第一螺母旋拧到滑柱轴的螺紋端部上，并将下座 圏压在内部板法兰上。支架保持器包括保持垫圏，其通过第二螺母固定 到螺紋端部。
09根据本发明的滑柱上支架的显著优点是，其使用了轻质聚合 材料作为其主结构部件，这与常规的以钢作为主结构部件材料的滑柱上 支架相比，以较低的成本提供了显著的质量减少。然而，应该理解，虽 然期望使用聚合材料作为滑柱上支架的主结构部件以便节省质量，但是， 对传统滑柱支架的钢材料进行这种替代不是浅显易见的，由于施加在支 架上的高运行应力以及来自硬紧固在车辆车体结构上的滑柱上支架的结 构的高刚度要求，而是充满困难的。
10因此，在这一点上，首先需要理解本发明的几个要点1) 以特殊的几何布置将圆顶形支架用在滑柱塔截面上，将允许车辆车体的 钢结构支撑，从而大大地减小了圓顶形支架的工作应力；以及2)当以压 缩方式遭受应力时，聚合材料提供了对破坏最好的抵抗强度和最小的变形，同时最大限度地减小了张应力和弯曲应力。
11由于上述的创新性要点，根据本发明有五个主要的实施因素，
据此在单路径滑柱上支架中聚合材料可被用来替代钢材料1)与常规的 钢制主结构部件相比，聚合主结构部件的外径被扩大了，其中聚合主结 构部件的横截面厚度被选择成提供足够的强度和刚度；2)支架圆顶以浮 动、抱置邻接的方式安置在滑柱塔的支撑壳体上，支撑壳体用于环绕地 支持主要的支架构件，由此减小了聚合主结构部件中的运行应力；3)为 最大颠簸载荷做好了准备，其确保在橡胶及其与聚合结构的结合界面中 的运行应力不超过容许水平，在此期间，颠簸緩沖板冲击重叠了聚合主 结构部件的中心聚合壁弹性体的邻接元件，从而栽荷经由其被传递到滑 柱塔；4)支架圆顶的内径小于聚合主结构部件的内径；以及5)支架圆 顶与滑柱塔的支撑壳体在外聚合壁处的弹性体界面是倾斜的，以便在车 辆自重的作用下，在聚合主结构部件的聚合材料中产生压缩应力，其中， 如所提到的，聚合材料，例如玻璃加强尼龙，在抵抗压缩应力方面比抵 抗剪切力或张力更强。
12本发明的滑柱上支架中的低质量聚合材料提供了显著的质量 减少，例如比常规的滑柱上支架减少了大约25%的重量，这个重量减少是 提供给位于机动车中较高较前位置的机动车构件的。这样，所实现的不 仅是车辆质量的减少，而且还实现了车辆重心高度的降低，并且改善了 从前到后的质量分布。
13因此，本发明的一个目的是提供一种滑柱上支架，其以轻质 聚合材料作为传统使用的钢材料的替代而用于主结构部件，其中，可以 使用聚合材料是因为，为其构件及其所接合的车体结构采用了策略性的 几何布置方式，从而成功地控制了与滑柱上支架应力相关联的因素。
14本发明的这个目的和更多目的、特征以及优点从下面对优选 实施例的说明中将变得更加清晰。


15图l是根据本发明的滑柱上支架的局部截面侧视图。16图2是根据本发明的支架圆顶的从下方看的透视图。17图3是图1的圏3中可见的滑柱上支架的详细截面图。18图4是图2的滑柱上支架的左侧局部截面图，现在示出的是在最大颠簸载荷下的情形。
具体实施例方式
19现在参照附图，图1至图4以举例而非限制的方式描绘了根据 本发明的车体结构滑柱上支架(strut top mount and body structure) 的不同方面。
20根据本发明的单路径滑柱上支架100设置成与滑柱塔104的支 撑壳体102抱置地接合，该支撑壳体在其下端连接到机动车的车体结构。 支撑壳体102具有上壳体壁102a和环形壳体侧壁102b，该侧壁相对于上壁 的法线具有锐角ot(也可参见图3)。本发明的滑柱上支架100所使用的支 架圆顶由例如玻璃增强尼龙的轻质聚合主结构部件108和例如橡胶的弹 性体110构成，其中弹性体110结合到聚合主结构部件。就抱置而言 (nestling),由上圆顶壁106a和环形圆顶侧壁106b (如图3所示，定向 成锐角a，)所限定的支架圆顶106，其圆顶形状与滑柱塔104的支撑壳体 102的形状互补，使得支架圆顶以被邻接地抱置方式安置在支撑壳体102 中，其中聚合主结构部件108处于压缩状态，弹性体以弹性邻接于支撑壳 体的方式浮动，如下文进一步详细讨论的。
21聚合主结构部件108为环形的，具有中心聚合壁108a、外聚 合壁108b、以及跨接中心聚合壁和外聚合壁的上聚合壁108c。合适的聚 合材料的一个实例是玻璃加强尼龙，例如尼龙中含有30%至50%的玻璃加 强纤维，可以通过例如新泽西州07828的Mount 01 ive的BASF/厶司购买。
22弹性体110部分地模制在聚合主结构部件108上，其中弹性体 分别结合地固定到外聚合壁108b和上聚合壁108c的外表面108b，、 108c， 上。在这一点上，如图2和图3最佳示出的，弹性体110用作与滑柱塔104 的支撑壳体102的上壳体壁102a和壳体侧壁102b有邻接界面的弹性外部 元件110a。还是在这一点上，弹性体110结合地固定到中心聚合壁108a 的内表面108a，上，以提供中心弹性元件110b。环形的、大致为倒L形的 金属插入物112位于中心弹性元件110b内，并为中心弹性元件提供充足的 结合面使得剪切载荷广泛地分布在其结合面上。弹性体110的邻接元件 122在中心聚合壁108a的底表面108a，，处结合到中心聚合壁108a上。用于 弹性体的合适材料为肖氏硬度55的橡胶，例如可以通过新泽西州07507 的Hawthorne的Hawthorne Rubber Mfg.公司购买。23轴承114由与中心弹性元件110b的轴承座110c邻接地接合的 上座圈114a构成，其与金属插入物112相邻，轴承114还由下座圈114b构 成。颠簸緩冲板116具有邻接轴承114的下座圏114b的内部板法兰116a， 其中颠簸緩冲板带有弹簧座116b和颠簸緩冲界面116c。滑柱轴118具有由 轴肩118b所限定的减小了直径的螺紋端部118a，其中内部板法兰116a邻 接轴肩。第一螺母120，例如管螺母，旋拧到滑柱轴118的螺紋端部118a 上，并将轴承114的下座圏114b压在内部板法兰116a上。
24支架保持器124包括保持垫圈126和保持垫圈橡胶元件126a。 支架保持器124通过第二螺母128固定到滑柱轴118的螺紋端部118a。
25如图2所示，支架圆顶106,如上所述，为聚合主结构部件108 (图2中示出为非阴影部分)和弹性体IIO (图2中示出为阴影部分)的结 合复合体。聚合主结构部件108的特征包括凹进130，其中多个支肋132 横跨凹进，其中凹进最大限度地减小了聚合材料的质量，而支肋为其提 供了强度，特别是在由壳体侧壁102b向外聚合壁108b所提供的压缩载荷 方面。
26现在将附加地参照着图3详细地阐述压缩栽荷是如何由支撑 壳体102的壳体侧壁102b施加到聚合主结构部件108的外聚合壁108b上的。
27如上文所提到的，壳体侧壁102b相对于竖直线具有锐角a， 该竖直线是壳体上壁102a的法线，壳体上壁通常平平地放置在水平方向 (即，水平方向垂直于竖直线)。支架圆顶106具有圆顶侧壁106a (它的 最大直径由凹槽(flute) 110f限定)，其处于基本也是a的锐角角度。 为了允许聚合主结构部件108的构造变化和压缩，圆顶侧壁106a在凹槽 110f处的横截面超过了壳体侧壁102的内表面102b，的横截面。因此，如 图3所示，当支架圆顶106安置在支撑壳体102中时，凹槽110f压缩到位置 110f，，而圆顶側壁压缩到位置106a，。所引起的弹性外部元件110a的压 缩被施加到外聚合壁108上，由此聚合主结构部件处在压缩状态下。
28现在将讨论滑柱上支架100的运行方面。
29滑柱塔104的支撑壳体102提供了车体的钢制支持结构以当支 架圆顶被抱置在其中时支撑支架圆顶，由此极大地减小了聚合主结构部 件108的工作应力。与常规的钢制主结构部件相比，外聚合壁108b的外径 扩大了，其中横截面厚度被选择成提供足够的强度和刚度。支撑壳体102
10的上壳体壁102a具有通常与上圆顶壁106a重叠的区域，其中上圆顶壁 106a和上聚合壁108c成并列关系，上壳体壁和上圆顶壁相互平行。
30圆顶侧壁和壳体侧壁具有预先确定的相互尺寸关系和预先确 定的相互角度关系，使得当圆顶上表面邻接壳体上表面时，聚合主结构 部件被位于聚合外侧壁和壳体侧壁之间的外部弹性元件的弹性压缩置于 压缩状态下。在这一点上，包含了凹槽110f的圆顶侧壁106a的尺寸及其 相对于壳体侧壁102b的内表面102b，的角度，在车辆自重的作用下，在聚 合主结构部件的聚合材料中产生压缩应力，这导致对聚合主结构部件108 的压缩，其中，如所提到的，聚合材料，例如玻璃加强尼龙，在抵抗压 缩应力方面比抵抗剪切力或张力更强。
31图4示出了在最大颠簸的情况下运行的情形。在最大颠簸栽 荷的情况下，在弹性体110及其与聚合主结构部件108的聚合材料的结合 界面中的运行应力不超过预先确定的容许水平是很重要的。在这一点上， 在最大颠簸中，弹簧座116b中的颠簸緩沖板116在重叠了聚合主结构部件 108的中心聚合壁108a的位置沖击弹性体的邻接元件122。这样，颠簸栽 荷通过经中心聚合壁108a传递到滑柱塔104的支撑壳体102的上壳体壁 102a而分流(bypass ) 了。优选邻接元件122为齿形。在最大颠簸的情况 下，邻接元件122用于温和地制止和阻碍竖直位移。
32滑柱上支架100具有两个运行区域， 一个是大约500N/mm的低 刚度区域，其影响正常运行， 一个是大约5kN/mm的高刚度区域，其影响 大颠簸载荷输入，这两个区域由响应"膝"(response "knee")限定， 其对应于何时涉及载荷分流，即，颠簸緩冲板116何时沖击邻接元件122。 滑柱上支架100被模制在其满回弹位置，当加栽了车辆的独立负重 (corner weight )时，它向上移动到一个位置，该位置对应于在载荷挠 度曲线上所模制的位置和响应膝之间的大约一半处。
33从以上的描述可以看到，与常规的以钢作为主结构部件材料 的滑柱上支架相比，根据本发明的滑柱上支架100以较低的成本提供了显 著的质量减少。
34对于本发明所述领域的技术人员而言，可对以上描述的优选 实施例进行变化或修改。这种变化或修改可在不偏离本发明范围的情况 下进行，本发明的范围仅受所附权利要求的范围限制。
权利要求
1.一种机动车的车体结构滑柱上支架，包括滑柱塔，其包括支撑壳体，所述支撑壳体包括壳体侧壁和壳体上壁；以及支架圆顶，其包括由聚合材料构成的聚合主支撑部件；以及结合到所述聚合主支撑部件的弹性体，所述弹性体具有设置在其中的金属插入物，金属插入物与所述聚合主支撑部件成远离关系，其中，所述支架圆顶安置成与所述支撑壳体成邻接关系。
2. 权利要求1的车体结构滑柱上支架，其中 所述聚合支撑部件包括中心聚合壁； 外聚合壁；以及跨接所述中心聚合壁和外聚合壁的上聚合壁； 所述弹性体结合到所述外聚合壁和上聚合壁，从而形成外部弹性 元件；以及所述弹性体结合到所述中心聚合壁，从而形成中心弹性元件，在 中心弹性元件处设置有所述金属插入物；其中，相对于所述支撑壳体安置成邻接关系的所述支架圆顶包括 与所述壳体侧壁和所述壳体上壁成邻接关系的外部弹性元件。
3. 权利要求2的车体结构滑柱上支架，其中，所述聚合材料包括玻 璃加强尼龙材料。
4. 权利要求2的车体结构滑柱上支架，其中，所述圆顶侧壁和所述 壳体侧壁具有预先确定的相互尺寸关系和预先确定的相互角度关系， 使得当所述圆顶的上表面邻接所述壳体的上表面时，所述聚合主结构 部件被位于所述聚合外侧壁和所述壳体侧壁之间的所述外部弹性元 件的弹性压缩置于压缩状态下。
5. 权利要求4的车体结构滑柱上支架，其中，所述聚合主支撑部件 具有在所述中心聚合壁和外聚合壁之间形成于其中的环形凹进；以及 其中，多个支肋设置在所述凹进中，横跨在所述内聚合壁和外聚合壁 之间。
6. 权利要求5的车体结构滑柱上支架，还包括多个凹槽，它们整体地形成在与所述外聚合壁重叠的所述外部弹 性元件上；所述弹性体的邻接元件；以及所述中心聚合壁具有相对于所述上聚合壁相对地设置的底表面， 其中，所述弹性体的所述邻接元件结合到所述底表面。
7. 权利要求6的车体结构滑柱上支架，还包括轴承，其具有毗邻所述中心弹性元件的上座團，与所述金属插入 物相邻；以及颠簸緩冲板，毗邻轴承的下座圏；其中，所述颠簸緩冲板相对于所述邻接元件设置成邻接，使得在 最大颠簸的情况下，所述颠簸緩沖板冲击所述邻接元件，其中，颠簸 载荷经所述中心聚合壁被传递到所述壳体上壁。
8. 权利要求7的车体结构滑柱上支架，还包括滑柱轴，其具有螺紋端部，所述螺紋端部由轴肩限定；以及 第一螺母，其旋拧在所述螺紋端部上，所述第一螺母相对于所述轴肩固定所述下座圏和所述颠簸緩冲板。
9. 权利要求8的车体结构滑柱上支架，还包括 支架保持器，其包括保持垫圈；以及第二螺母，其旋拧在所述螺紋端部上，所述第二螺母将所述支架保持器固定到所述滑柱轴。
10. —种机动车的车体结构滑柱上支架，包括滑柱塔，其包括支撑壳体，所述支撑壳体包括壳体侧壁和壳体上 壁；以及滑柱上支架，其包括支架圆顶，所述支架圆顶包括由聚合材料构成的聚合主支撑部件，所述聚合主支撑部件包 括中心聚合壁、外聚合壁、以及跨接所述中心聚合壁和外聚合壁的上 聚合壁，其中所述聚合主支撑部件具有在所述中心聚合壁和外聚合壁 之间形成于其中的环形凹进，以及其中，多个支肋设置在所述凹进中， 横跨在所述内聚合壁和外聚合壁之间，以及其中，所述中心聚合壁具 有相对于所述上聚合壁相对地设置的底表面；以及结合到所述聚合主支撑部件的弹性体，所述弹性体具有设置在其中的金属插入物，金属插入物与所述聚合主支撑部件成远离关 系，其中，所述弹性体的邻接元件结合到所述中心聚合壁的所述底表面；以及颠簸緩冲板，其中，所述颠簸緩沖板相对于所述邻接元件设置成， 使得在最大颠簸的情况下，所述颠簸緩沖板冲击所述邻接元件，其中， 颠簸载荷经所述中心聚合壁被传递到所述壳体上壁；其中，所述支架圆顶安置成与所述支撑壳体成邻接关系。
11. 权利要求10的车体结构滑柱上支架，其中，所述弹性体结合到 所述外聚合壁和上聚合壁，从而形成外部弹性元件；以及其中，所述 弹性体结合到所述中心聚合壁，从而形成中心弹性元件，在中心弹性 元件处设置有所述金属插入物；其中，相对于所述支撑壳体安置成邻 接关系的所述支架圆顶包括与所述壳体侧壁和所述壳体上壁成邻接关系的外部弹性元件。
12. 权利要求11的车体结构滑柱上支架，其中，所述圓顶侧壁和所述壳体侧壁具有预先确定的相互尺寸关系和预先确定的相互角度关 系，使得当所述圓顶的上表面邻接所述壳体的上表面时，所述聚合主 结构部件被位于所述聚合外侧壁和所述壳体侧壁之间的所述外部弹 性元件的弹性压缩置于压缩状态下。
13. 权利要求12的车体结构滑柱上支架，还包括多个凹槽，它们整体地形成在与所述外聚合壁重叠的所述外部弹性元件上；其中，所述 聚合材料包括玻璃加强尼龙材料。
14. 权利要求13的车体结构滑柱上支架，还包括轴承，其具有毗邻所述中心弹性元件的上座圏，与所述金属插入物相邻，所述颠簸緩冲板毗邻轴承的下座围；滑柱轴，其具有螺紋端部，所述螺紋端部由轴肩限定；以及 第一螺母，其旋柠在所述螺紋端部上，所述第一螺母相对于所述轴肩固定所述下座圈和所述颠簸緩冲板。
15. 权利要求14的车体结构滑柱上支架，还包括 支架保持器，其包括保持垫圏；以及第二螺母，其旋柠在所述螺紋端部上，所述第二螺母将所述支架保持器固定到所述滑柱轴。
16. —种机动车的滑柱上支架的支架圆顶，包括聚合主支撑部件，其包括中心聚合壁、外聚合壁、以及跨接所述 中心聚合壁和外聚合壁的上聚合壁，所述中心聚合壁具有与所述上聚合壁相对地设置的底表面，其中，所述聚合主支撑部件具有在所述中 心聚合壁和外聚合壁之间形成于其中的环形凹进，以及其中，多个支肋设置在所述凹进中，横跨在所述内聚合壁和外聚合壁之间；以及 结合到所述聚合主支撑部件的弹性体，所述弹性体具有设置在其中的金属插入物，金属插入物与所述聚合主支撑部件成远离关系； 其中，所述弹性体的邻接元件结合到所述中心聚合壁的所述底表面；以及其中，所述弹性体结合到所述外聚合壁和上聚合壁，从而形成外 部弹性元件；以及其中，所述弹性体结合到所述中心聚合壁，从而形 成中心弹性元件，在中心弹性元件处设置有所述金属插入物。
17. 权利要求16的支架圆顶，其中，所述聚合材料包括玻璃加强尼 龙材料。
18. 权利要求17的支架圆顶，还包括多个凹槽，它们整体地形成在 与所述外聚合壁重叠的所述外部弹性元件上。
19. 权利要求18的支架圆顶，其中，所述外聚合壁设置成相对于所述上聚合壁的法线成预先选定的锐角角度。
全文摘要
一种机动车悬架的轻质聚合滑柱上支架，其使用的支架圆顶包括以轻质聚合材料作为传统使用的钢材料的替代而用于主结构部件。可以使用聚合材料是因为，为其构件及其所接合的车体结构采用了策略性的几何布置方式，例如通过将支架圆顶设置成与滑柱塔的支撑壳体成邻接关系，其中聚合材料被置于压缩状态下，从而成功地控制了与滑柱上支架应力相关联的因素。在最大颠簸的情况下，提供了载荷分流。
文档编号B60G13/00GK101612871SQ20091015034
公开日2009年12月30日 申请日期2009年6月23日 优先权日2008年6月23日
发明者P·A·维诺库尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司