复合悬架部件的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年6月22日提交的美国临时专利申请序列号62/183043的权益和优先权，其内容以援引的方式并入本申请。

本发明背景

本主题整体涉及汽车领域中的复合连杆技术，并且更加特别地涉及用于重型车辆的悬架中的复合连杆部件。

已经发现复合连杆技术应用于汽车领域中一段时间，然而其使用范围因若干原因而受到限制。

复合材料整体上具有各向异性。因此，复合材料的机械和其它物理性能随着方向而发生改变。各向同性材料(例如铝或钢)沿着所有方向具有均匀一致的性能并且因此将不受施加的力和/或力矩的方向的影响而具有相同的刚度。

复合材料还在涉及重和复杂应力应用场合(例如，在悬架连杆的情况中)时具有一些劣势。作为一个示例，片簧必须操纵在单独的平行平面中作用的拉伸力和压缩力。这些应力产生了第三种形式的应力：层状剪切力，所述层状剪切力将显著应力施加在环孔中的弹簧端部处。作为另一个示例，扭矩杆必须操纵沿着其纵向轴线作用的较强压缩力、拉伸力和扭转力。指向连杆的压缩力还在扭矩杆的臂中产生了拉伸剪切力。

针对这些问题的一种方法是将复合材料的使用限制到要求较少的应用场合中。另一个方法已经针对某些应用场合发展了更先进的复合材料。然而，这些进步局限于它们的应用场合并且需要耗费大量时间和成本来制造。

其它的响应包括将铝或者钢环孔用螺栓安装在复合连杆(例如，复合片簧臂(图a))的端部上。这种方法增加了辅助部件和将金属环孔连接到复合结构的相关连结硬件的成本和重量。

因此，期望克服复合悬架连杆部件(特别地用于重型车辆的复合悬架连杆部件)的经济和效率设计、制造和使用中所存在的这些挑战和/或缺陷中的一项或多项。

技术实现要素：

本主题存在可以在本文描述和声明权益的装置和系统中单独或者一起实施的若干方面。可以单独采用这些方面或与本主题的其它方面组合采用这些方面，并且这些方面的共同描述并不旨在排除这些方面的单独使用或者在附属权利要求中陈述的这些单独方面的声明。

在本公开的一个方面中，车辆悬架部件包括第一臂和第一环孔，所述第一臂和所述第一环孔均具有第一部分和第二部分。第一臂和第一环孔连接并且由树脂制成，所述树脂包含多根细长纤维。树脂和多根细长纤维延伸通过第一臂的第一部分进入到第一环孔的第一部分中并且通过第一臂的第二部分进入到第一环孔的第二部分中。第一臂的第一部分和第二部分连结在一起形成它们之间的结合部。与第一臂关联的紧固件将第一臂的第一部分和第二部分连接在一起以增强所述第一部分和第二部分之间的结合部或者防止它们相互分离开。

在本公开的第二方面中，车辆悬架部件包括第一环孔、臂和第二环孔，所述第一环孔、臂和第二环孔均具有第一部分和第二部分。臂连接到第一环孔和第二环孔并且皆由树脂形成，所述树脂包含多根细长纤维。树脂和多根细长纤维延伸通过臂的第一部分进入到第一环孔的第一部分中并且通过臂的第一部分进入到第二环孔的第一部分中，通过所述臂的第二部分进入到第一环孔的第二部分且通过臂的第二部分进入到第二环孔的第二部分中。臂的第一部分和第二部分连结在一起形成结合部。臂还包括第一外表面，所述第一外表面限定了悬架部件臂中的开口。

附图说明

在描述优选实施例的过程中，参照附图，在所述附图中，相同的附图标记表示相同的零件，在所述附图中：

图1是在现有技术复合片簧的一部分的立体图，其中，螺栓位于环孔上；

图2是包含细长纤维的复合悬架部件的一部分的示意性立体图；

图3是图2中示出的悬架部件的示意性侧等距视图；

图4a是根据本公开的方面的悬架部件的一部分的示意性立体图；

图4b是图4a中示出的实施例的一部分的示意性截面图；

图5a是根据本公开的另一个方面的悬架部件的一部分的示意性立体图；

图5b是图5a中示出的实施例的一部分的示意性截面图；

图6a是根据本公开的另一个方面的悬架部件的一部分的示意性立体图；

图6b是图6a中示出的实施例的一部分的示意性截面图；

图7a是根据本公开的另一个方面的悬架部件的一部分的示意性立体图；

图7b是图7a中示出的实施例的一部分的示意性截面图；

图8a是根据本公开的另一个方面的悬架部件的一部分的示意性立体图；

图8b是图8a中示出的实施例的一部分的示意性截面图；

图9a是根据本公开的另一个方面的悬架部件的一部分的示意性立体图；

图9b是图9a中示出的实施例的一部分的示意性截面图；

图10a是根据本公开的另一个方面的复合部件的一部分的示意性立体图；

图10b是图10a中示出的实施例的一部分的示意性截面图；

图11a是根据本公开的另一个方面的悬架部件的一部分的示意性立体图；

图11b是图11a中示出的实施例的一部分的示意性截面图；

图12a是包含本公开的方面的片簧的立体图；

图12b是图12a中示出的实施例的侧等距视图；

图13是根据本公开的方面的悬架部件的一部分的示意性侧等距视图；

图14是根据本公开的另一个方面的图13的悬架部件的一部分的示意性立体图；

图15是根据本公开的另一个方面的图13的悬架部件的一部分的示意性立体图；

图16是根据本公开的一方面的横向扭矩杆的立体图；

图17是包含本公开的各方面的横向扭矩杆的立体图；

图18a至图18c是根据本公开的各方面的具有多种构造的扭矩杆的一部分的立体截面图。

具体实施方式

本文公开的实施例用于提供本主题的描述，并且应当理解的是本主题可以以在此没有详细示出的各种其它方式和组合加以实施。因此，本文公开的具体设计和特征并不理解为限制如在附属权利要求中限定的主题。

当在此使用时，将关于悬架部件或者其所属的特征或零件理解术语x轴线或x方向、y轴线或y方向和z轴线或z方向。因此，x轴线或方向表示平行于毗邻环孔的悬架部件臂的纵向轴线的轴线或者方向。y轴线或方向表示垂直于x轴线或者方向并且平行于最近环孔的中央轴线的轴线或方向。z轴线或方向表示垂直于毗邻环孔的悬架部件臂的x或纵向轴线并且垂直于最近环孔的中央轴线的轴线或者方向。

术语z轴线增强指的是本公开所设想的用于沿着大体平行于悬架部件的z轴线的轴线将向内指向的相反的力直接或者间接施加到悬架部件臂或臂的构成元件、或者将向内指向的相反的力传送到悬架部件臂或者臂的构成元件的方法和结构。

图2和图3示意性示出示例复合悬架部件4的一部分，所述部分可以接收本公开所设想的z轴线增强。示例性复合悬架部件4(图2至图3)能够以符合本公开的多种方式制造而成。在一个示例性方法中，通过拉动细长玻璃、碳或其它结构纤维通过树脂浴，使细长玻璃、碳或其它结构纤维被均匀润湿。根据需要单衬套或环孔还是双衬套或环孔，将润湿的纤维随后卷绕在单个销或两个销上。优选地，基于对应成品环孔的所需内径来选择销直径。润湿的纤维束(fiberhank)随后被放置到模具中，所述模具被切割成正在制造的零件的所需外形。此后用适当的树脂聚合物填充模腔，所述树脂聚合物在本公开中实际上可以是热固或热塑的、并且在优选实施例中为环氧树脂。从模具中挤压出多余树脂。包含细长纤维的树脂随后凝固和固化。

根据本公开可以接收z轴线增强的示例性复合悬架部件4(图2至图3)由包含细长纤维8的树脂制成，所述细长纤维8整体上连续、整体上单向性和/或整体上平行。这种示例性复合悬架部件的纤维与树脂的体积比可以为大约50％。环孔中的纤维重量百分率可以介于60％至85％之间，并且处于该范围的上半部。包含细长纤维的复合树脂延伸通过悬架部件的第一臂14的第一部分16和第二部分18分别进入第一环孔20的第一部分(第一分支)22和第二部分(第二分支)24。在示例性悬架部件中，第一臂14的第一部分和第二部分16、18之间的界面9处的连接主要取决于树脂8的结合强度而非细长纤维8的强度。

本公开设想的z轴线增强能够直接或间接地施加或传送到沿着臂14的x轴线的任何位置处。如果需要增强一体的环孔、特别是为了防止环孔打开，则优选地沿着顺着z方向延伸的截面将z轴线增强施加在毗邻环孔的臂14处，例如，施加在第一部分和第二部分16、18或其相应的细长纤维发散以形成环孔20的位置处或位置附近。

如本文所述和示出那样，z轴线增强的一种形式为通过用单根纤维或多根纤维缝合细长纤维8。本公开的缝合通常能够在卷绕细长纤维之前、期间和之后实施并且无论细长纤维是干还是湿。应当理解的是，如果在干燥时缝合细长纤维，则优选的是使用树脂传递模塑(rtm)(本公开领域的技术人员已知的一种方法)来处理卷绕的缝合纤维，以完成模制零件。使用的缝合纤维可以是玻璃、碳或其它柔性结构纤维，并且可以是与细长纤维的复合物相同或不同的复合物。能够手动实施缝合，然而还可以接受利用工业缝纫或缝合机实施。

图4a至图7b示出了根据本公开可以使用的四个示例性缝合图案，以给悬架部件(例如片簧或者扭矩杆)提供增强，所述悬架部件具有一体的环孔并且由包含细长纤维的树脂构造成。示例性缝合图案沿着z和y方向延伸。这些图案的示例性缝合件单独和/或一起捆束臂14的第一部分和第二部分16、18中的细长纤维。示出的缝合件和缝合图案仅仅为示例，并且可以在不背离本公开的范围的前提下采用不同形状的缝合件和缝合图案。

图4a和图4b示意性示出了第一示例缝合图案。示例缝合图案40整体成波状，前后掠过界面9。尽管能够从与界面9交叉的任意一点开始描述缝合图案40的路径，但是本文从沿着界面9快行进进入卷绕细长纤维8的上聚集部之前的位置开始进行任意描述，所述细长纤维8在制造完成时形成臂14的第一部分16的一部分。

示例性缝合图案40大体沿着z方向延伸离开界面9。优选地，图案40的缝合件大体沿着z方向延伸，直到其行进到位于界面9上方的大量细长纤维的上方为止。示例性图案40的缝合件然后掉头，基本大体一条路径顺着y方向延伸，所述路径在图4b中为大体半圆形、但是可以为任何形状，例如有角度、椭圆、笔直或者方形。图案40的缝合件然后往回大体沿着z方向延伸、穿过界面9、并且连续行进，直到其行进到位于界面9下方的大量纤维的下方为止。然后，图案40的缝合件掉头，并且大体沿着一条路径顺着y方向延伸，所述路径在图4b中大体为半圆形，但是如上所述能够为多种形状中的任意一种。然后，这个示例缝合图案的缝合件往回大体沿着z方向延伸到界面9。在不背离本公开的范围的前提下，如在此示出的其它示例性缝合图案那样，示例性缝合图案40能够跨过将成为悬架部件臂一部分的卷绕细长纤维的宽度连续行进，或者替代地能够以多种方式变化，和/或与多个替代移动相组合。

图5a和5b示意性示出了第二示例缝合图案。第二示例性缝合图案50在其前后掠过界面9的方式上与第一示例图案40类似。然而应当理解的是，如图所示每次行程沿着y方向的前进程度小于第一示例中的前进程度，并且应当理解的是，在界面9的一侧上(如图5b所示位于界面9下方的下部分)，随着第二示例图案沿着y方向前进，第二示例缝合图案50形成了环，缝合件的连续重复延伸通过所述环或者与所述环交叉。作为图5b中示出的交叉环的附加方案或者替代方案，能够在臂14的第一部分16的细长纤维上方形成交叉环(图5b中示出位于臂14的第二部分18的细长纤维下方)。

图6a和图6b示意性示出了第三示例缝合图案。在第三示例缝合图案70中(图6a和图6b)，臂14的细长纤维由水平(y方向)和竖直(z方向)缝合件(环)捆束，所述缝合件(环)相互重叠以产生沿着y和z方向延伸的基体或网。

图7a和图7b示意性示出了第四示例缝合图案。第四示例缝合图案的各个环或者缝合件(图7a和图7b)在依次更大的截面(61、62、63、64、65)中捆束细长纤维，所述依次更大的截面从内部开始并且沿着y方向向外延伸。在不背离本公开的前提下作为第四示例缝合图案60的多个变体中的一个，还能够沿着相反方向(外内)连续捆束细长纤维。

还应当注意的是，缝合纤维(例如，图4a、4b、5a、5b和7a、7b)可以在缝合期间在悬架部件臂上方和下方延伸。优选地拉动额外的缝合纤维通过，以在添加树脂之前或者树脂凝固和固化之后移除松弛部。

应当理解的是，示出的缝合件和缝合图案是示例性，在不背离本公开的范围的前提下，所述缝合件和缝合图案还能够变化和/或与其它不同形状的缝合件和缝合图案组合。

本公开设想的z轴线增强还能够通过除了缝合之外的装置和方法来实现，例如对置的板或垫，所述对置的板或垫构造成在需要z轴线增强的位置处接合悬架部件的顶部表面和底部表面。

图8a至图11b示意性示出了根据本公开的其它方面通过使用各种构造的对置的板或垫80将z轴线增强施加到图2和图3的复合悬架部件。在先前讨论z轴线增强的形式中，缝合件用作紧固件，在这些示例中紧固件是夹具(例如，图8a和图8b中的79；图9a和9b中的79a；图10a和10b中的79b；图11a和11b中的79c)并且包括具有各种构造的第一板或垫和第二板或垫80和一条或多条夹臂84，所述一条或多条夹臂84可以包括一个或多个螺纹轴或螺栓84以及对应的螺母或连接件86。作为螺纹螺栓的替代方案，还可以使用铆钉、螺钉等。

第一板或垫和第二板或垫80中的每一个的尺寸被设计成和构造成分别接合悬架部件臂14的顶部表面15和底部表面19(图8a至图11b)。第一板和第二板孔82和悬架部件孔81构造成接收螺纹螺栓84，所述螺纹螺栓84在由连接件86接收时将压力施加和保持在悬架部件臂14上。图8a至图11b中示出的本公开各方面中的任意一个将与单个夹臂或螺栓和连接件一起工作、或者可以利用其它夹臂或者延伸件，所述其它夹臂或延伸件与第一板和第二板接合或者互连，以便将压力施加和保持在悬架部件臂的相应顶部表面和底部表面上。

夹臂可以延伸通过悬架部件臂14中的相应孔(例如，图8a、8b)或者绕臂的侧边缘或者侧部围绕悬架臂延伸(图9a)。

第一板和第二板80还可以形成为一体(图9a、11a)或者分开形成(图8a、10a)。第一板或者第二板80可以包括延伸部(图9a中的80a；图10a中的80b；图11a中的80c)，所述延伸部可以围绕臂的侧边缘或侧部(90)、部分围绕80b(图10a)或者整体围绕80c(图11a)环孔20的外表面绕悬架部件臂14延伸。

为了增强环孔或者防止环孔20打开，夹具79优选地定位成毗邻环孔20，优选地其中，第一板和第二板80的最靠近边缘沿着悬架部件臂14的x轴线在第一部分和第二部分16、18或其相应的细长纤维发散的位置处或位置附近大体竖直对准。

图12a和12b示出了示例性复合悬架部件(具体是片簧6)，所述复合悬架部件具有臂14和一体形成的对置的第一和第二环孔20、26。每个环孔均构造成接收衬套以枢转安装到底架或框架构件或束缚(shackle)组件。片簧6具有接收的根据本公开不同方面的多种形式的z轴线增强。

在片簧6中(图12a至图12b)，树脂10和细长纤维8延伸通过臂14的第一部分16进入第一环孔20的第一部分22、并且通过臂14的第一部分16进入第二环孔26的第一部分28、并且通过臂14的第二部分18进入第一环孔20的第二部分24、并且通过臂14的第二部分18进入第二环孔26的第二部分30中。片簧6的细长纤维8大体连续、大体单向性、和/或大体平行。

在这个示例性悬架部件中，臂14的第一部分和第二部分16、18之间的界面9处的连接主要取决于树脂的结合强度而非细长纤维8的强度。

利用第一板和第二板将根据本公开的z轴线增强施加到环孔附近来实现第一环孔和第二环孔的增强，其中，第一板和第二板的最靠近边缘与沿着臂14的x轴线在第一部分和第二部分16、18或其相应的细长纤维8发散以形成环孔(图9a至图9b)的位置大体竖直对准。

示例性缝合图案40施加在片簧6的座部和每个相应环孔20、26之间的中部(图12a至图12b)。

应当理解的是在本公开的范围内，在此描述和示出的z轴线增强的任意一种形式能够相互替代或者相互组合。因此，尽管毗邻每个环孔使用第一板和第二板80、并且在片簧6的臂14的更下方使用缝合40(图12a至图12b)，但是在这些位置处的任意一个处任何形式的z轴线增强能够相互替换或相互组合。

图13和14示出了另一个悬架部件，所述另一个悬架部件可以接收如上所述和示出的z轴线增强。图13的悬架部件7具有第一环孔14和形成为一体的大体相对的第一臂和第二臂14、32。包含细长纤维8的树脂10延伸通过第一臂14的第一部分16进入环孔20的第一部分22中、并且通过第一臂14的第二部分(下部分)18进入到环孔20的第二部分24中。包含细长纤维8的树脂10还延伸通过第二臂32的第一部分34进入环孔20的第一部分中，并且通过第二臂32的第二部分36进入环孔20的第二部分中。细长纤维8可以是玻璃、碳或者本公开领域技术人员已知的其它适当结构纤维。

在示例性悬架部件(图13至图15)中，第一臂14中的第一部分和第二部分(16，18)之间和第二臂中的第一部分和第二部分(34、36)之间的界面9处的连接主要取决于树脂的结合强度而非细长纤维8的强度。

不论是由于试图沿着相反方向移动的臂的张力侧和压缩侧导致的沿着界面9或接合部附近的层状剪切力、还是由于在环孔和臂沿其纵向轴线处于压缩条件下时环孔强迫进入任意一条臂中而导致的拉伸剪切力，使得存在独特形状的复合部件7承受剪切失效的趋势，z轴线增强始终具有适当的益处。

图14和图15示意性示出了包含到图13的悬架部件中的本公开的z轴线增强的各方面。以与本文先前描述和示出相同的方式在臂14中使用缝合(图14)和对置板(图15)以提供z轴线增强。在不背离本公开的范围的前提下，这些形式的z轴线增强能够设置在环孔附近和/或沿着每条臂14、32的长度的任何位置处。

图16和图17示出将本公开的各方面包含到扭矩杆中，在特定情况中，所述扭矩杆是横向力矩102。示出的扭矩杆(图16至图17)包含不同形式的z轴线增强、以及本公开的另一方面(在此称作可调顺从性)。可调顺从性根据需要主要改变扭转刚度和侧向刚度。该特征与复合材料的低挠曲模量组合减小了衬套应力，从而允许使用更小的衬套并延长衬套寿命。

在示例性扭矩杆102接收z轴线增强或可调顺从性的加强之前，使用与制造图2至图3中示意性示出的臂和环孔部件相同的技术来制造示例性扭矩杆。因此，图2至图3示意性示出了示例性扭矩杆102(包括臂114和环孔120、126)的树脂细长纤维构造。

示例性扭矩杆102具有臂114和两个一体的相对的环孔或者衬套120、126。示例性扭矩杆102的细长纤维(未示出)大体连续、大体单向性、和/或大体平行。臂的第一部分和第二部分沿着臂的纵向轴线大体相互平行地延伸。在臂的每个端部处，臂的第一部分和第二部分延伸或过渡到每个环孔的对应第一部分和第二部分中。包含细长纤维的树脂延伸通过臂114的第一部分116进入第一环孔120的第一部分122、并且通过臂114的第一部分116进入第二环孔126的第一部分128、并且通过臂114的第二部分118进入第一环孔120的第二部分124、并且通过臂114的第二部分118进入到第二环孔126的第二部分130中。

有利地，本公开的z轴线增强可以包含在扭矩杆中以抵抗拉伸剪切力，在压缩力通过环孔120、126沿着扭矩杆的纵向轴线进入扭矩杆中时，所述拉伸剪切力试图沿着z方向分离开臂114的第一部分和第二部分116、118。臂114中具有螺栓84和连接件86的对置的板80(图16)或缝合件140(图17)可以以与在本公开的其它实施例中描述和示出相同的方式提供z轴线增强。

此外，根据本公开的扭矩杆(图16)能够可选地在沿臂的纵向轴线的任何位置处采用本文描述和示出的多个紧固件。能够在臂114处毗邻每个环孔120、126包含对置板，以提供z轴线增强，以便增强臂114的第一部分和第二部分116、118之间的连接，以防止它们相互分离、防止臂屈曲和/或防止在毗邻环孔中发生失效。

图18a至图18c示出了可以应用在本公开设想的悬架部件中的可调顺从性特征。

图18a示出了可调顺从性特征的一个变形方案，其中，臂的截面大体实心并且因此提供了极高的屈曲强度、扭转刚度和侧向刚度。图15a中示出的示例性扭矩杆的臂114为大体矩形。

图18b示出了可调顺从性特征的另一个变形方案，所述另一个变形方案相对于图18a具有稍低的屈曲强度和侧向刚度以及大约一半的扭转刚度。在图18a中，臂114的第一和第二外表面143、153限定相应开口139、149，所述相应开口139、149细长并且从臂114的第一和第二外表面143、153向内延伸，以限定大体相对的第一和第二沟槽141、151。第一和第二沟槽141、151大体垂直于外表面，所述第一和第二沟槽从所述外表面延伸到第一或第二环孔的中央轴线。

图18c示出了可调顺从性特征的另一个变形方案。与图18a和18b的变形方案的变形方案相比，图18c的示例性扭矩具有较少或减小的侧向和扭转刚度。在图18c中，臂114的第一和第二外表面143、153限定了相应开口139、149，所述相应开口139、149细长并且限定了狭槽157，所述狭槽157从第一外表面143延伸通过臂到第二外表面153。狭槽157大体垂直于第一和第二外表面143、153并且垂直于第一或者第二环孔的中央轴线。

如图18b和18c充分所示，还可以发现的是，在本文描述和示出的接收可调顺从性的复合悬架部件臂的横向截面中，先前描述的沟槽或狭槽中的任意一个的总截面面积可以小于由臂的构造材料占据的总截面面积。

应当理解的是，图18a至图18c中示出的示例扭矩杆截面仅仅为示例性的，并且在不背离本公开的范围的前提下可以采用具有不同形状的扭矩杆。以示例而非限制的方式，能够改变沟槽的深度和宽度，使扭矩杆更具有侧向和扭转顺从性、同时最小化屈曲强度的降低。

应当理解的是上述实施例解释了本主题的原理的应用中的一些。在不背离声明权益的主题的精神和范围的前提下本领域中的技术人员可以实施多种修改方案，包括在此单独公开或者声明权益的特征。为此，本公开的范围并不局限于上述描述，而是如在以下权利要求中陈述的那样并且应当理解的是权利要求可以指代其特征，包括在此单独公开或声明权益的特征的组合。