一体式复合材料混合型减振塔的制作方法

本发明涉及减振塔、以及车轮盖和/或增强构件，减振塔、以及车轮盖和/或增强构件结合在一起并且由聚合物复合材料形成为单件式部件，以提供混合型减振塔构型。

背景技术：

车辆利用许多不同的悬架系统和部件来吸收来自道路载荷输入的振动，从而改善车辆控制和乘客舒适性。一种这样的悬架部件是下述减振塔(shocktower)：使用该减振塔以便于将阻尼部件安装在车辆固定结构与用于车辆车轮的悬架部件之间。传统上，减振塔由冲压钢部件形成，冲压钢部件被焊接在一起形成最终组件。这些钢制减振塔较重、组装起来耗时并且对燃料经济性产生不利影响。压铸的铝和镁制减振塔提供了相比于传统的钢制减振塔的减轻的重量；然而，这些解决方案因成本高昂而仅适用于某些应用。

技术实现要素：

在一个示例性实施方式中，减振塔组件包括由聚合物复合材料构成的减振塔本体、以及车轮盖和/或至少一个增强构件，车轮盖结合到减振塔本体中，所述至少一个增强构件在第一包覆模制接合部处结合到减振塔本体中，以使减振塔本体、以及车轮盖和/或至少一个增强构件形成单件式部件。所述至少一个增强构件由金属和连续纤维增强聚合物复合材料中的至少一者构成。

在另一示例性实施方式中，一种形成减振塔组件的方法包括：(a)由连续纤维增强热塑性塑料形成至少一个增强构件；(b)用聚合物复合材料环绕增强构件的第一部分，以形成减振塔本体；以及(c)将增强构件与减振塔本体一体地模制以形成单件式部件，其中，单件式部件包括减振塔本体，减振塔本体具有位于增强构件的第一部分处的包覆模制部分，并且单件式部件包括增强构件的从减振塔本体向外延伸的第二部分。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，步骤(a)包括将由连续纤维增强热塑性片材形成的增强构件热成形成预定形状。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，在增强构件的包覆模制部分处形成至少一个附接特征。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，增强构件包括支架、罩、凸缘或板，并且其中，所述至少一个附接特征包括至少一个孔、间隔件和/或紧固件。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，在增强构件的第二部分处形成至少一个附接特征，其中，所述至少一个附接特征构造成将减振塔组件附接至车辆结构。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，该方法包括将由聚合物复合材料构成的车轮盖与减振塔本体一体地模制以形成单件式部件。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，步骤(a)还包括将所述至少一个增强构件形成为具有承载部分和包覆模制部分的支架，并且其中，步骤(b)还包括将支架放置在注射工具中并将聚合物复合材料注射到注射工具中以使聚合物复合材料环绕支架的包覆模制部分；并且其中，步骤(c)还包括将成品部件从注射工具移除，其中，成品部件包括支架的从成品部件向外延伸的承载部分和支架的被聚合物复合材料环绕的包覆模制部分。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，该方法包括在步骤(b)之前对支架进行修整并在支架的包覆模制部分处形成至少一个附接特征，以及/或者包括在步骤(b)之前对支架进行修整并在支架的承载部分处形成至少一个附接特征。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，所述至少一个附接特征形成在支架的包覆模制部分处，并且其中，该附接特征包括至少一个孔以便于在注射模制期间与聚合物复合材料机械结合，以及/或者其中，附接特征包括至少一个凸缘以便于在注射模制期间与聚合物复合材料机械结合。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，所述至少一个附接特征形成在支架的承载部分处，并且在用于支架的注射工具中形成有至少一个定位特征，并且该方法还包括：在步骤(b)期间将支架的承载部分插入到定位特征中，使得：保护该附接特征在注射模制期间免受聚合物复合材料的影响，并且对支架的相反侧部施加压力以将支架保持就位。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，定位特征包括凹槽，并且其中，附接特征包括至少一个孔，并且该方法包括将支架的承载部分插入到凹槽中以将支架定位在注射工具中。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，该方法包括使用至少第一滑动件对支架的第一侧部施加压力，并且使用第二滑动件对支架的与第一侧部相反的第二侧部施加压力，使得支架在聚合物复合材料的注射期间被牢固地夹持在第一滑动件与第二滑动件之间，以防止支架移动并将支架与聚合物复合材料隔离。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，所述至少一个增强构件包括构造成将减振塔本体安装至固定的车辆结构的至少一个金属板或支架。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，所述至少一个增强构件包括由连续纤维增强聚合物复合材料构成的至少一个安装结构。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，所述至少一个安装结构包括构造成接纳支柱部件的减振塔罩，以及/或者其中，所述至少一个安装结构包括悬架控制臂安装凸缘。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，所述至少一个增强构件包括至少一个金属板和由连续纤维增强聚合物复合材料构成的至少一个安装结构，并且可选地，其中，所述至少一个金属板构造成将减振塔本体安装至固定的车辆结构，并且所述至少一个安装结构包括悬架控制臂安装凸缘和/或构造成接纳支柱部件的减振塔罩。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，第一包覆模制接合部位于减振塔本体与所述至少一个金属板之间，并且减振塔组件包括位于所述至少一个安装结构与减振塔本体之间的第二包覆模制接合部。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，由聚合物复合材料构成的车轮盖与减振塔本体结合成一体以形成单件式部件。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，所述至少一个增强构件包括至少一个板和至少一个安装结构，其中，所述至少一个板由金属材料构成并在第一包覆模制接合部处结合到减振塔本体中，所述至少一个安装结构由连续纤维增强聚合物复合材料构成并在第二包覆模制接合部处结合到减振塔本体中，并且可选地，减振塔组件包括将螺母、紧固件和套筒中的至少一者结合到减振塔本体中的第三包覆模制接合部。

在任一上述实施方式的另一实施方式中，所述至少一个增强构件包括由连续纤维增强聚合物复合材料构成的至少一个支架，支架具有从减振塔本体向外延伸的承载部分和在第一包覆模制接合部处附接至减振塔本体的包覆模制部分，并且支架包括形成在支架的承载部分中的至少一个附接特征，其中，附接特征构造成附接至承载部件，并且可选地，其中，所述至少一个附接特征包括孔和凸缘中的至少一者，并且可选地，其中，承载部分不具有聚合物复合材料。

本发明的这些特征和其他特征可以通过以下的说明和附图最佳地理解，以下为附图的简略说明。

附图说明

图1a是用于车辆车轮的悬架组件的示意图。

图1b是如在图1a的悬架组件中使用的复合材料减振塔和复合材料车轮盖的分解视图。

图2a是一体地形成为单件式部件的复合材料减振塔和车轮盖的立体图。

图2b是图2a的复合材料减振塔和车轮盖的俯视图。

图2c是图2a的复合材料减振塔和车轮盖的侧视图。

图2d是图2a的复合材料减振塔和车轮盖的仰视图。

图3是包覆模制到减振塔本体中以用于附接至悬架控制臂的增强构件的放大视图。

图4a是减振塔罩以及要与减振塔罩模制在一起的安装特征的分解视图。

图4b是图4a的罩和减振塔本体的罩安装区域的分解视图。

图4c是图4b的部件被一起模制为单件式部件的立体图。

图4d是如图4c中所标识的截面图。

图5a是前安装凸缘以及要与前安装凸缘模制在一起的安装特征的分解视图。

图5b是图5a的前安装凸缘和减振塔本体的前凸缘安装区域的分解视图，其中，前安装凸缘与前凸缘安装区域被模制在一起以形成单件式部件。

图5c是穿过图5b的结构截取的截面图。

图6a是后安装凸缘以及要与后安装凸缘模制在一起的安装特征的分解视图。

图6b是图6a的后安装凸缘和减振塔本体的后凸缘安装区域的分解视图，其中，后安装凸缘与后凸缘安装区域被模制在一起以形成单件式部件。

图6c是穿过图6b的结构截取的截面图。

图7a是增强构件和减振塔本体的分解视图。

图7b是与减振塔一体模制以形成单件式部件的图7a的增强构件的立体图，并且图7b还示出了增强构件与减振塔本体之间的包覆模制接合部。

图8a是安装构件和减振塔本体的分解视图。

图8b是安装构件在包覆模制到图8a的减振塔本体中时的截面图。

图9a至图9d公开了用于制造具有包覆模制的cfrp支架的部件的方法步骤。

图10是由图9a至图9d中所示方法制成的部件的示意图。

具体实施方式

图1a提供了用于定位在车轮盖14内的车辆车轮12的悬架组件10的示意图。使用由弹簧16a和减振器16b制成的支柱16来阻抑来自车轮12的道路载荷输入，以便于车辆控制并提高乘客舒适度。使用减振塔18以便于将支柱16安装至固定的车辆结构20，比如框架、底盘、车身等。使用减振塔18还便于将支柱16连接至与车轮12相关联的悬架控制臂22。车轮盖14通常通过机械紧固件或点焊连接至支柱16。

如图1b中所示，减振塔18包括减振塔本体24和车轮盖26。减振塔本体24和车轮盖26一体地一起形成为如图2a至图2d中所示的单件式部件。减振塔18包括一体式聚合物复合材料混合型减振塔。使用例如呈注射模制树脂和连续纤维增强热塑性塑料(cfrp)形式的聚合物材料来减小减振塔18的总重量。可以将例如附加部件比如支架、套筒、垫圈、螺母、螺栓、螺钉等包覆模制到减振塔18中以进一步降低成本并提供混合型构型。下面将对此进行更详细地论述。

如图2a至图2d中所示，减振塔本体24和车轮盖26两者由相同的聚合物复合材料在单个过程中制成，由此产生一体的单件式部件。在一个示例中，使用注射模制过程来实现该一体化，这将在下面更详细地论述。在一个示例中，根据针对具体车辆应用的设计要求，减振塔本体24具有从2mm至8mm变化的厚度。车轮盖26的厚度可以类似于减振塔本体24的厚度，或者也可以根据具体应用的需要而变化。

在一个示例中，减振塔18包括结合到减振塔本体24中的至少一个增强构件。在一个示例中，增强构件包括一个或更多个支架或板30、32、34，所述一个或更多个支架或板30、32、34与减振塔本体24一起模制为单件式部件的一部分。在一个示例中，板30、32、34由金属材料构成并且被包覆模制在第一包覆模制接合部36(图2d和图7b)处以形成混合型构型。在一个示例中，金属材料包括金属片材或与用于相关联的白车身(biw)的金属材料相同的金属材料，其中，白车身对应于例如如图1a中所示的固定的车辆结构20。在一个示例中，板30、32、34便于将减振塔18附接至biw。

在另一示例中，所述至少一个增强构件包括减振塔罩40，减振塔罩40由cfrp制成并且在第二模制接合部42(图2d以及图4c至图4d)处与减振塔本体24包覆模制在一起。在另一示例中，所述至少一个增强构件包括前安装凸缘44和后安装凸缘46，前安装凸缘44和后安装凸缘46由cfrp制成并且在第三模制接合部48(图2d、图5b至图5c以及图6b至图6c)处与减振塔本体24包覆模制在一起。包括包覆模制的减振塔罩40和前安装凸缘44/后安装凸缘46在期望区域中提供了增大的机械性能，减振塔罩40和前安装凸缘44/后安装凸缘46在所示的示例中分别与支柱16和悬架控制臂22接合。

图2d中还示出了以特定肋状图案形成的多个肋50，所述多个肋50用以增大减振塔18在期望区域中的刚度。在减振塔本体24或车轮盖26中可以采用诸如方形、矩形、x形、蜂巢形或圆形之类的各种形式的肋状图案，以加强减振塔18。可以经由注射模制过程以任何期望的数目/图案形成肋状图案。

在减振塔罩40和减振塔本体24中还可以形成有一个或更多个安装孔52，以提供用于支柱16的安装接合部。另外，减振塔18可以包括一个或更多个附加的安装孔54，所述一个或更多个附加的安装孔54提供用于将减振塔18与车辆的其他元件组装在一起的接合部。

图3示出了与减振塔本体24包覆模制在一起且与悬架控制臂22配合的前安装凸缘44和后安装凸缘46的接合部的放大视图。控制臂22通过穿过开口56的紧固件而被附接，其中，一个紧固件被紧固到图3左侧的对应的开口58中，并且另一紧固件被紧固到右侧的对应的开口60中。减振塔本体24包括接纳前安装凸缘44和后安装凸缘46的相应的端部的槽或套筒部分62。这些套筒部分62包括下述壁：所述壁包覆模制成在包覆模制接合部48处接合前安装凸缘44的相反侧部和后安装凸缘46的相反侧部。

面向外的壁64包括槽或开口66，以允许紧固件分别朝向开口58、60而穿过。面向内的壁68包括为紧固件的头部提供座部的平坦区域70以及将平坦区域70附接至壁68的一个或更多个臂72。在包覆模制的套筒部分62周围设置有附加的支柱或肋结构74，以将载荷传递至主减振塔本体24并增大附接接合部的机械性能。

图4a至图4d示出了减振塔罩40，减振塔罩40经由直接接触和穿过开口52的紧固件将载荷从支柱16传递至减振塔18。在一个示例中，罩40可以在注射模制之前由经热成形或冲压的cfrp或金属片材制成。可选地，罩40可以通过一步法(成形和注射)直接形成。罩40具有环状本体，该环状本体具有位于罩40的中央处的、用以接纳支柱16的头部和/或与支柱16相关联的任何传感器或电子设备线束的开口76。在一个示例中，罩40包括下述外凸缘78：该外凸缘78沿朝向减振塔本体24的方向绕环状本体的外周延伸以提高刚度并将载荷传递至减振塔竖向壁80。

减振塔竖向壁80向上延伸至围绕罩40模制的上部罩部分。在一个示例中，上部罩部分区域包括用以接纳罩40的外周边缘的周缘凹部82以及围绕罩40模制的臂84。臂84在竖向壁80与中央环形部86之间延伸，其中，中央环形部86包括与罩40中的中央开口76对准的开口。

在减振塔18的顶部处另外设置有多个肋88，以根据需要增大强度和刚度。在一个示例中，支柱16直接安装至罩40，并且孔52包括钻穿罩40的用以允许紧固件通过的三个径向对称的孔。可以设置附加的孔90以用于定位目的。

在一个示例中，在注射模制过程期间，在孔52中包覆模制有附加的安装特征、比如带凸缘的衬套/压缩限制件92，以保持金属与金属的接触并将载荷从支柱16传递至减振塔本体24的上部罩。当聚合物材料以夹置的关系位于紧固件的头部与组装的支柱16之间时，需要这些带凸缘的衬套/压缩限制件92，使得聚合物材料的厚度不会由于由所施加的连续力引起的蠕变而随时间减小。

图5a至图5c示出了将前安装凸缘44与减振塔本体24包覆模制在一起。在一个示例中，前安装凸缘44在注射模制过程之前是通过对cfrp片材进行热成形而预先制造的单独部件。前安装凸缘44用于安装上述控制臂22。前安装凸缘44的厚度可以例如在2mm至8mm的范围，但是也可以根据车辆载荷要求而变化。在一个示例中，出于消除蠕变的相同原因，金属衬套/压缩限制件94被压入到前安装凸缘44中的一个或更多个孔96中，以避免cfrp材料与金属安装紧固件的直接接触。前安装凸缘44则在注射模制过程期间经由上述套筒部分62被包覆模制。加强肋74可以围绕前安装凸缘形成，以根据需要增强附接区域。出于相同的原因，在减振塔本体24中可以包覆模制有带螺母100的金属间隔件98，以用于控制臂附接。

图6a至图6c示出了将后安装凸缘46与减振塔本体24包覆模制在一起。在一个示例中，后安装凸缘46在注射模制过程之前是通过对cfrp片材进行热成形而预先制造的单独部件。后安装凸缘44用于安装上述控制臂22。后安装凸缘46的厚度可以例如在2mm至8mm的范围，但是也可以根据车辆载荷要求而变化。在一个示例中，出于上述相同的原因，金属衬套/压缩限制件94被压入到后安装凸缘46中的一个或更多个孔96中，以避免cfrp材料与金属安装紧固件的直接接触。后安装凸缘46则在注射模制过程期间经由上述套筒部分62被包覆模制。加强肋74可以围绕后安装凸缘形成，以根据需要增强附接区域。出于相同的原因，在减振塔本体24中可以包覆模制有带螺母100的金属间隔件98，以用于控制臂附接。

图7a至图7b示出了包覆模制到减振塔18中以用于组装至biw的金属板30、32、34。使用板30、32、34以便于按照目前的电阻点焊和紧固件组装过程而将减振塔18组装到车辆中。金属板30、32、34形成为具有将与上工具的表面和下工具的表面接触的至少一个上表面和一个下表面。这是为了确保对金属板30、32、34进行定位并防止金属板30、32、34在注射模制期间运动。这些金属板30、32、34可能需要表面处理以避免电化学腐蚀，这是将非相似材料组装到biw中的标准做法。

图8a至图8b示出了将例如附加的附接构件104、比如金属螺母与减振塔18包覆模制在一起。这些附加的附接构件可以用于通过紧固件将其他金属部件紧固在减振塔上。在一个示例中，在聚合物复合材料包含碳纤维的情况下，所有金属部件都被用涂层进行处理或者所有金属部件都由不锈钢制成，以避免由于不同的电极电位而引起的任何电化学腐蚀。

本发明使用例如聚合物复合材料、比如用不连续及连续纤维增强的pa66，以在没有损害机械性能要求(nvh、坑洼载荷(potholeload)、耐久性等)的情况下，提供了减振塔18相比于当前的压铸设计而言改进的机械性能以及降低的重量和成本。另外，将减振塔与车轮盖结合成单个部件提供了降低部件成本、消除子组装步骤、降低资本投资的益处且同时还避免了腐蚀和部件撕裂。

各种肋形式、例如呈特定图案的长形延伸的竖向肋和水平肋提供了减振塔在悬架附接区域处与biw安装区域的连接，从而有效地降低了减振塔在载荷作用下塌缩并失效的风险。可以将肋拼补至较大面积，从而在使用了最少的材料的情况下有效地增大局部刚度。此外，cfrp安装凸缘的包覆模制使得能够使用高性能材料来满足由悬架系统引起的载荷要求。金属板的包覆模制通过使用在汽车工业中广泛采用的现有的电阻点焊和紧固件组装过程而提供了减振塔与biw的无缝组装。

在另一示例构型中，承载支架28(图2c)作为减振塔18的一部分被包覆模制。当用聚合物复合材料混合型结构来代替传统的压铸铝或镁减振塔时，结构特征中的一些结构特征不能通过使用直接注射聚合物复合材料来形成这些结构特征而再现。例如，较长的承载支架由于诸如注射长度、翘曲的风险、拔模角度等问题而不能直接注射模制为减振塔的一部分。本发明将由cfrp材料形成的支架30包覆模制为减振塔的一部分。cfrp的使用使得能够在注射部件内制造较长支架，而这如前所述在传统的注射过程中是不可行的。此外，cfrp的使用还具有为支架30提供更高承载能力的优点。

图9a至图9d中示出了制造具有支架28的部件38的方法。如图9a中所示，支架30由cfrp形成并且包括承载部分132。支架28被放置在包括底部工具134a和顶部工具134b的注射工具134中，底部工具134a与顶部工具134b配合以将支架28围封在内腔136(图9b)内。将聚合物复合材料m注射到注射工具34中以环绕支架28的一个端部，如图9c中所示。如图9d中所示，将成品部件38从注射工具34移除。成品部件38包括在包覆模制接合部处围绕支架28的包覆模制部分142模制的部件本体140。支架28的承载部分132从部件本体140向外突出并且没有环绕材料。

在一个示例中，支架28由有机片材热成形为预定形状。在支架28呈期望形状时，就可以根据需要将支架28修整且钻孔/机加工成包括一个或更多个附接特征。在一个示例中，附接特征包括便于在注射期间与聚合物复合材料机械结合的至少一个附接孔144。在另一示例中，附接特征包括形成在支架30的一个端部处的便于在注射期间与聚合物复合材料机械结合的至少一个凸缘146。也可以将其他类型的附接特征结合在支架28中，以在注射期间与聚合物复合材料接合，从而增大支架28与部件本体140的结合。

在一个示例中，对支架28进行加热以提高注射期间的粘附性。例如，可以在将支架28放置到工具134中之前或者在注射过程期间使用热源148、比如电加热器或加热元件对支架28进行加热。

在一个示例中，在支架28的承载部分132中形成有至少一个附接特征150。附接特征150可以包括安装孔，该安装孔具有或不具有金属插入件、凸缘等，并且该安装孔构造成用于附接至承载部件。在一个示例中，附接特征150在支架28被插入到工具134中之前被机加工到支架28中。

在一个示例中，在注射工具134中制造至少一个定位特征152。将支架28插入到定位特征152中并对支架28的相反侧部施加压力，以将支架在注射期间保持就位。将支架28的承载部分132插入到定位特征152中，使得保护附接特征150在注射期间免受聚合物复合材料的影响。在一个示例中，定位特征152包括凹槽，并且附接特征150包括至少一个孔。

在一个示例中，使用第一滑动件160对支架28的第一侧部162施加压力，并且使用第二滑动件164对支架28的与第一侧部162相反的第二侧部166施加压力，使得支架28在聚合物复合材料的注射期间被牢固地夹持在第一滑动件160与第二滑动件164之间。滑动件160、164还在工具134的闭合期间将支架30保持就位(图9b)。此外，滑动件160、164提供了防止注射的材料到达定位特征152和支架28的承载部分132/附接特征150的密封接合。滑动件160、164随后被释放以允许将成品部件38从工具134移除(图9d)。

在一个示例中，部件本体140限定了在包覆模制接合部142处环绕支架28的平坦表面170。支架28的承载部分132远离平坦表面170向外延伸至第二端部182，第二端部182构造成经由至少一个紧固件174附接至承载部件176(图10)。在一个示例中，部件本体140由聚合物复合材料在注射过程期间形成。

图10示出了由聚合物复合材料构成的部件本体140的示意图，并且该部件本体140包括由cfrp材料构成的至少一个支架28。承载部分132从部件本体140向外延伸，并且支架28在支架28的包覆模制部分142处附接至部件本体140。承载部件176包括例如与形成在支架28中的附接特征150的孔对准的附接特征178比如孔以及将部件固定在一起的至少一个紧固件174。

支架28从第一端部180延伸至第二端部182以限定支架长度，支架长度可以根据各种设计参数而变化。支架具有限定在由cfrp热形成过程限制的相反的侧部162、166之间的厚度。

在一个示例中，包覆模制部分142包括横向延伸的唇缘或凸缘146，其中，第一端部80用聚合物复合材料包覆模制。这进一步增大了支架28与部件本体140的附接强度。可选地，可以将金属部件通过铆接、紧固等附接至支架28或者在注射模制期间附接至支架28，以进一步提高承载能力。

本发明提供了包覆模制到主部件本体结构、比如说例如减振塔结构中的cfrp支架28，这在与传统的钢和铝部件结构相比时导致重量和成本显著减少。本发明提供了为一体式部件本体的加载进行支承的平面外支架，其中，支架的包覆模制接合部足够牢固以提供与其他承载部件的附接接合部。本发明除了在减振塔中使用之外还可以应用于下述其他部件：所述其他部件通过注射或压缩模制制成并且需要在部件的主平面外具有带承载能力且无需拔模角度的支架。

尽管已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域普通技术人员将认识到的是，某些改型将落入在本发明的范围内。因此，应研究所附权利要求以确定本发明的真实范围和内容。