具有用于拉伸及压缩负载的不同纤维加强的扭转负载杆状部件制造技术

本发明专利技术的主题是一种扭转弹簧，该扭转弹簧优选构造为由包括纤维复合材料的弹簧丝制成的扭转杆或螺旋弹簧。所述扭转弹簧具有浸渍有基质材料的纤维加强的多个层(Sj)，其中各层均具有承受拉伸负载的纤维和承受压缩负载的纤维。其特征在于至少一个承受压缩负载的组(Gk)的组刚度低于具有最高组刚度的承受拉伸负载的组(Gk)。另外，还公开了由纤维复合材料设计扭转弹簧的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种扭转弹簧以及设计这种扭转弹簧的方法，该扭转弹簧尤其为由纤维加强塑料制成并且以具有成本效益的方式生产的扭转杆或螺旋弹簧的形式，并且尤其与仅由碳纤维加强塑料组成的弹簧相比，其具有改善的弹性能量存储能力。
技术介绍
弹簧通常被用于机动车辆的底盘中。因此存在力求实现轻量结构的需求，这尤其适用于这些底盘的未被弹簧支承的质量。为此，纤维复合材料(FCM)的使用已被提出许多次。这尤其涉及由碳纤维加强塑料(CRP)或玻璃纤维加强塑料(GRP)制成的扭转弹簧。特别困难的是以提供正确的负载能力的方式实现对这些部件的低成本的制造。困难还在于各纤维仅能传递拉伸力或压缩力，因此弹簧丝中的宏观剪切负载必须被分成拉伸分量和压缩分量(关于应力主轴线、根据摩尔应力理论与纵轴线成+/-45°)。已知的FCM制成的弹簧旨在通过利用与纵轴线成+/-45°卷绕纤维从而以最有利的方式适应材料中的拉伸力和压缩力的分布。另外已知的是专门成+45°的拉伸纤维卷绕，剪切应力分量是通过基质材料或通过芯中的压缩应力来承受的。适合的弹簧的设计的目的在于实现对所使用的所有弹簧材料的均匀负载。因此意在使材料中不存在明确的薄弱点，而是施加均匀的最大应力会造成全部材料达到其负载极限。这使得对材料的利用最大化，因此代表对轻量结构的最好的实现程度。EP0637700描述了使用其中碳纤维以+/-30°至+/-60°的角度绕纵轴线卷绕的弹簧设计。其特征在于所使用的拉伸纤维数与压缩纤维数不同。特别地，压缩纤维数多于拉伸纤维数。目的在于使纤维的负载更均匀，从而能够对所使用的材料进行更好地具体利用。尽管由于以不同的量比和各自不同的层厚度使用拉伸方向和压缩方向的纤维而能够更好地利用材料，然而仍未消除材料利用对于弹簧丝直径的依赖。US5603490提出了仅使用沿拉伸方向的纤维而不使用压缩负载纤维。这些纤维被卷绕成仅承受拉伸负载。在中空弹簧的情况下，这会由于剪应力而从根本上导致失效，并且为此需要适应这种应力的抗压的芯。然而，这种芯中的长期静应力和卷绕的纤维包络(Faserhülle)中的剪应力导致塑料基质(环氧树脂)的不利蠕变。因此，该方案不能用于例如车辆结构中的应用(由于车辆的重量而造成长期的负载)。尽管仅在一个纤维方向上进行使用关于拉伸负载最佳地利用了纤维的潜在能力，然而由于缺少压缩纤维支持造成的剪应力在很大程度上必须通过塑料基质来传递意味着长期负载导致强蠕变效应。WO2014/014481A1提出了一种纤维构造，其中各个层和芯中的纤维数是共同基数的倍数。还公开了在弹簧中使用若干不同材料(例如玻璃、碳或混合物)。另外，还公开了纤维片层中的各个纤维相对于纵轴线的角度能够交替变化(尤其在正角度与负角度之间交替变化)。弹簧的芯可以由单向纤维构成，但是也公开了实体芯或中空芯。还提出了具有形状记忆的材料的芯。尽管提到了弹簧材料可以由混合材料组成，然而并没有提供相关的实用信息，因此混合结构的加工步骤和效果仍然是不清楚的。这些纤维应该是以共同参考基数的整数倍的数量被布置在层中的，但是效果同样不清楚。这种布置的缺点在于纤维仅以整倍数的数量存在于层中，因此缺乏对层厚度的最优的适当调节。现有技术的弹簧设计无法达到最佳程度的轻量结构，这是因为无法对所使用的材料进行有效地利用。
技术实现思路
因此产生的问题是提供一种承受扭转的弹簧丝内的纤维的布置，其中压缩负载纤维和拉伸负载纤维均根据其负载极限被最大程度地利用，以便实现改进的基于质量的储能密度。本专利技术的特定的目的是尽可能仅使用有限数量的不同的纤维材料，并且由此实现关于材料利用的低成本的设计，并且本专利技术提出一种用于设计这种类型的弹簧的方法。螺旋弹簧中的弹簧丝呈卷绕螺旋的形式。弹簧、尤其螺旋弹簧具有弹簧轴线，弹簧丝围绕该弹簧轴线呈螺旋的形式。弹簧丝的横截面优选为圆环形的，但是也可以是椭圆形的或多边形的。本专利技术通过权利要求1所述的弹簧设计实现该目的。从属权利要求公开了有利的实施方式。特别地，所述目的是通过实现以下三个子目的来实现的：·基于经济考虑来选择片层，并且因此尤其将高负载的碳纤维片层用于拉伸负载纤维片层，·拉伸片层和压缩片层均匀地负载，·为了防止基质材料的蠕变和由此造成的整个弹簧的长期变形，使由片层之间的基质传递的剪切力或应力最小化。承受扭转的长形部件的范围仅包括弹簧支承结构而不包括负载引入元件，例如在弹簧板上的适当设计的区域或弹簧约束部的适当设计的区域。下文中使用了具有给出以下定义的如下术语：-拉伸方向：符号+-压缩方向：符号--纵轴线：-位于弹簧丝中央处的沿其长度延伸的轴线，也称为弹簧丝轴线。-纤维角度αj：-纤维角度是纤维方向和纵轴线之间的角度。-片层Li：-片层(Lage)可以结合有若干层，例如多轴向无纬基布(Multiaxialgelege)/螺旋卷绕/编织织物片层通常包括具有不同纤维方向的两个层(分别为一个“+”层和一个“-”层，例如+/-45°)。该片层的各个层通常彼此连接(例如通过起皱或编结或缝合或粘结)。-与之相比，UD(单向)无纬基布片层通常仅包括沿着对齐的(ausgerichteter)纤维的方向的一个层。-然而，多个片层也可以形成一个层(具有相同角度方向和相同片层材料的多个相邻的UD片层形成一个UD层)。-一个片层通常由无机加强纤维(例如玄武岩纤维、玻璃纤维)、金属加强纤维(例如钢纤维)、有机加强纤维(例如碳纤维、芳纶纤维)或天然纤维(例如麻纤维)构成。-片层具有相关的片层壁厚LWi。-片层还可以是不含加强纤维的同质塑料片层并且归为非承载的(例如结构的外边界部分)。-片层还可以是短纤维加强塑料片层或长纤维加强塑料片层并且被归为非承载的，其中纤维是以没有优选方向的方式布置的。-片层还可以由金属材料片层(例如由金属片制成的终止片层)组成。-片层编号i从内向外增大。-层Sj：-在连续纤维/织物纤维加强层的情况下，层Sj的所有纤维具有均一的角度方向αj。-然而在一个层中也可以存在相互并排或混合在一起的不同材料Mj的纤维。-层也可以是没有加强纤维的同质的塑料片层、具有短纤维加强塑料片层或长纤维加强塑料片层的片层、或金属片层等。-层编号j从内向外增大。-具有纤维角度沿拉伸方向(+)在20°至70°范围内或沿压缩方向(-)在-70°至-20°范围内的层被称为承载层(优选沿拉伸方向(+)30°至60°或沿压缩方向(-)-60°至-30°)。-承载层用于显著地吸收沿纤维方向的拉伸应力(符号+)或压缩应力(符号-)。-具有处于沿拉伸方向(+)20°至70°或沿压缩方向(-)-70°至-20°的角度范围之外的角度的所有层被归为非承载的。-横截面面积Αsj：-每个层具有相关的横截面面积Αsj。-横截面区域的法线是纵轴线。-例如在圆环形横截面的情况下，横截面面积是通过用于包含在圆环内的面积的公式计算的。-层轴线：-每个层具有轴线，该轴线关于纵轴线以纤维角度αj延伸并且根据层沿着纵轴线呈螺旋形式的层轮廓旋转。-层直径Dj：-由相应的层的内直径和外直径得出的算数平均直径。-在具有起皱的层(例如编织纤维)的情况下，得到两个层的情况，这两个层具有相同的层直径。-层刚度Esj：-层刚度Esj是各个层的所有纤维组分和基质组分被本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种扭转弹簧，所述扭转弹簧为由弹簧丝制成的扭转杆或螺旋弹簧，所述弹簧丝由纤维复合材料制成，所述扭转弹簧具有浸渍有基质材料的纤维加强的多个层，其中各个层均仅具有承受拉伸负载的纤维或仅具有承受压缩负载的纤维，其特征在于，存在有由层组成的拉伸负载组和由层组成的压缩负载组，并且至少一个压缩负载组的组刚度低于具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.11 DE 102014211096.31.一种扭转弹簧，所述扭转弹簧为由弹簧丝制成的扭转杆或螺旋弹簧，所述弹簧丝由纤维复合材料制成，所述扭转弹簧具有浸渍有基质材料的纤维加强的多个层，其中各个层均仅具有承受拉伸负载的纤维或仅具有承受压缩负载的纤维，其特征在于，存在有由层组成的拉伸负载组和由层组成的压缩负载组，并且至少一个压缩负载组的组刚度低于具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度。2.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，至少一个压缩负载组的组刚度比所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度低至少10％、优选20％、尤其优选40％。3.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，至少一个位于内侧的压缩负载组的组刚度低于位于更外侧的拉伸负载组的组刚度。4.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度为至少60GPa、优选至少80GPa、尤其优选至少90GPa。5.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述具有最高组刚度的拉伸负载组完全由碳纤维组成。6.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的至少50％、优选75％、尤其优选95％的质量分数由碳纤维组成，并且尤其优选地完全由碳纤维组成。7.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的至少50％、优选75％、尤其优选95％的质量分数的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于50％、优选小于30％、尤其优选小于15％。8.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所有拉伸负载组的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于50％、优选小于30％、尤其优选小于15％，并且尤其优选地所有拉伸负载组的组刚度是相同的。9.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的至少20％、优选50％、尤其优选95％、并且尤其优选100％的质量分数的组刚度低于所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度。10.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的至少50％、优选75％、尤其优选95％的质量分数的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于50％、优选小于30％、尤其优选小于15％。11.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所有压缩负载组的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于50％、优选小于30％、尤其优选小于15％，并且尤其优选地所有压缩负载组的组刚度是相同的。12.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的至少3...

【专利技术属性】
技术研发人员：约恩·基拉，维尔纳·胡芬巴赫，马丁·莱珀，延斯·维尔纳，
申请(专利权)人：蒂森克虏伯股份公司，蒂森克虏伯弹簧与稳定器有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE