CN111417566B - 用于车辆悬架的车轮承载构件 - Google Patents

Abstract

一种车轮承载构件(10)，其具有混合结构，混合结构包括主体(30)、至少一个壳体元件(28、28’，28”和28”’)和多个金属插入件(32、34、36、38、52)，主体由具有纤维增强的热塑性基体的复合材料制成，至少一个壳体元件由具有热塑性基体的层压件制成并固定在主体(30)的外侧上，以及多个金属插入件用于将车轮承载构件(10)连接或固定到悬架的或车辆的其他部件(18、22)，所述金属插入件(32、34、36、38、52)至少部分地嵌入到主体(30)中从而牢固地连接至主体(30)而无需使用粘合工具。

Description

用于车辆悬架的车轮承载构件

技术领域

本发明涉及一种用于车辆悬架的车轮承载构件，其既可以用于车辆的前悬架，也可以用于车辆的后悬架。

背景技术

众所周知，车辆悬架的车轮承载构件用于经过轴承和轮毂将车轮连接到悬架连杆，即，连接到悬架的臂或杠杆的组合件。车轮承载构件还提供用于制动钳安装、用于与车轮相关联的传感器(例如，ABS传感器)和用于减震器的座。在车辆中，车轮承载构件既设置在前悬架中也设置在后悬架中，并且基于悬架的类型(例如，麦克弗森(McPherson)，双叉骨，“多连杆”)而具有不同的几何特征。

钢、铝和铸铁是通常用于此部件的材料。

还已知用于车辆悬架的车轮承载构件，该构件具有混合结构，其具有由纤维增强的聚合物基体形成的主体并且具有多个金属插入件，所述金属插入件牢固地连接至所述聚合物基体并用于将车轮承载构件与车辆悬架的其他部件连接。

例如从DE 10 2007 053120中已知具有这种混合结构的车轮承载构件。这种已知的解决方案包括由热固性聚合物基体形成的主体，因此，相应的制造周期尤其包括固化步骤，该固化步骤涉及增加周期时间。另外，插入件的形状和将它们固定到主体的方式使得插入件仅可以用作负载传递元件，而不能用作负载承载元件，因此，基本上并没有有助于车轮承载构件的整体强度和刚度。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有混合结构的类型的用于车辆悬架的车轮承载构件，其比上述现有技术更简单，更快和更便宜地制造并且具有更高的强度和刚度。

根据本发明，借助于具有在所附独立权利要求1中阐述的特征的车轮承载构件，完全实现了该目的和其他目的。

在从属权利要求中定义了本发明的有利实施例，从属权利要求的主题被认为构成以下描述的组成部分。

本发明的另一方面涉及一种用于车辆悬架的车轮承载构件的制造方法，该方法包括独立权利要求11中所述的步骤。

简而言之，本发明基于提供具有混合结构的车轮承载构件的思想，该车轮承载构件包括：

具有纤维增强的热塑性基体的复合材料的主体；

具有热塑性基体的层压件形成的至少一个壳体元件，所述至少一个壳体元件固定在主体的外侧(即，在车辆上车轮承载元件的安装状态下横向向外指向的主体的一侧)；和

多个金属插入件，其用于将车轮承载构件连接至悬架的和/或车辆的其他部件，每个金属插入件嵌入主体中，从而在不使用粘合工具的情况下牢固地连接至主体。

通过这种结构，根据本发明的车轮承载构件比由钢、铝或铸铁制成的常规车轮承载构件更轻。此外，通过方便地选择主体的几何形状，以及壳体元件(或多个壳体元件)的几何形状和布置，可以提供明确地实现在例如机械强度、刚度等方面的特定要求的车轮承载构件。由于不需要固化步骤，因此将热塑性材料用于主体的聚合物基体可以加快制造周期。另外，插入件的特定形状以及将它们固定到车轮承载构件的主体的方式允许将插入件不仅用作负载传递元件，而且更重要地用作负载承载元件，负载承载元件有助于车轮承载构件的整体强度和刚度。

根据本发明的实施例，主体成形为中空主体，并且具有朝着内侧开口的横截面。

此外，主体优选地设置有多个加强肋，这些加强肋与主体形成为单件，并且方便地被布置和定尺寸以增加主体的整体机械强度和刚度，从而增加车轮承载构件的整体机械强度和刚度。

由热塑性基体层压件形成的至少一个壳体元件有利地通过热成型工艺获得。此类元件的几何形状和布置、每个层的特征(编织或单向纤维)、碳纤维的方向以及增强纤维的类型(玻璃纤维或碳纤维，长纤维或短纤维)将基于车轮承载构件的机械要求进行选择。热塑性树脂的类型将基于用于车轮承载构件的结构和环境要求来选择。

有利地，通过在至少一个壳体元件上包覆模制复合材料来制造主体。同样，将基于机械要求和车轮承载构件的工作环境来选择主体的几何形状、树脂的类型和增强纤维的类型(玻璃纤维或碳纤维，长纤维或短纤维)。

金属插入件优选地由铝或钢制成，并且优选地经过表面预处理(喷砂，激光处理等)以增加与主体的复合材料的粘附性。另外，插入件优选具有至少一个底切部分，该底切部分由主体的注入材料填充，从而增加了在插入件与主体之间的接合处的结合，并且改善车轮承载构件的整体强度和刚度特性。

附图说明

从下面的详细描述中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，仅通过非限制性示例的方式参考附图给出，其中：

图1是根据本发明的实施例的车轮承载构件的立体图，处于在机动车辆上的安装状态下，特别是用于支撑机动车辆的前轮；

图2和图3分别是图1的车轮承载构件的从外侧和内侧的立体图。

图4是图1的车轮承载构件的壳体元件的立体图。

图5是图1的车轮承载构件的一部分的剖视图，其布置成与机动车辆的转向臂连接。

图6是图1的车轮承载构件的金属插入件的立体图，该金属插入件用于将悬架的摆动臂连接至车轮承载构件。

图7是图1的车轮承载构件的一部分的立体图，其中图6的金属插入件被固定。

图8和图9分别是根据本发明又一实施例的车轮承载构件的从外侧和内侧的立体图。

图10是沿图9的剖面线X-X截取的图8和图9的车轮承载构件的剖视图。

图11是沿图9的剖面线XI-XI截取的图8和9的车轮承载构件的剖视图。

图12是沿图9的剖面线XII-XII截取的图8和9的车轮承载构件的剖视图。和

图13是沿图9的剖面线XIII-XIII截取的图8和9的车轮承载构件的剖视图。

具体实施方式

在下面的描述和权利要求中，术语“前”和“后”，“上”和“下”等旨在指代车轮承载构件在机动车辆上的安装状态。

首先参考图1，根据本发明的实施方式的车轮支撑构件总体上用10表示，并且在本文中用于在麦克弗森悬架系统中支撑机动车辆的前轮。然而，将车轮承载构件用于麦克弗森前悬架纯粹是仅作为非限制性示例，因为根据本发明的车轮承载构件可以用于任何其他类型的悬架中，它可以是前悬架或后悬架。

还参考图2和图3，车轮承载构件10具有用于安装轴承14以支撑车轮的座12。车轮承载构件10还包括用于安装减震器18的安装部分16、用于安装制动钳22的安装部分20、用于安装摆动臂(未示出)的安装部分24以及用于安装转向臂(未示出)的安装部分26。

当然，基于悬架的类型，安装部分的数量和布置可以相对于附图中所示的那些而改变。例如，在后悬架的情况下，车轮通常是非转向车轮，车轮承载构件10将不包括安装部分26。此外，在例如多连杆悬架的情况下，车轮承载构件10将包括多个安装部分，这些安装部分用于安装悬架的多个杆/臂。

根据本发明，车轮承载构件10具有混合结构，该混合结构包括壳体元件28、主体30和多个插入件(即，用于将车轮承载构件10固定至减震器18的一对插入件32、将车轮承载部件10固定到制动钳22的一对插入件34、将车轮承载部件10连接到摆动臂的插入件36和用于将车轮承载部件10连接到转向臂的插入件38)。壳体元件28(在这种情况下其为单个壳体元件)由具有热塑性基体的层压件形成，并固定到主体30的外侧。主体30由具有纤维增强的热塑性基体的复合材料制成，并且成形为中空主体，其横截面朝着内侧(即，在车辆上的车轮承载构件的安装状态下朝着面向车辆内侧的那侧)打开。插入件32、34、36和38由金属制成，例如铝或钢。

外壳元件28有利地通过热成型工艺制成。外壳元件的整体几何形状、每层的特征(编织或单向纤维)、碳纤维的定向以及增强纤维的类型(玻璃纤维或碳纤维，长纤维或短纤维)将基于车轮承载构件的机械要求进行选择。热塑性树脂的类型将基于用于车轮承载构件的结构和环境要求来选择。

根据一个实施例，例如，壳体元件28是通过堆叠预浸层制成的，预浸层用单向碳纤维增强，指向为0度/45度/-45度/90度。上面指出的四个方向的选择允许最大程度的各向同性，其理论上可以通过堆叠具有单向纤维的层获得。壳体元件28在45度的方向上平衡，从而避免了在缺乏平衡的情况下会发生的弯曲和扭转之间的耦合作用。

然而，壳体元件28也可以例如通过堆叠具有编织的碳纤维的预浸层制成。

更一般地，壳体元件28将由一系列碳纤维(可能还有玻璃纤维)预浸层形成，方便地配置成使部件的机械性能最大化并承受在使用中部件经受的应力。此外，壳体元件28可以具有可变的厚度，在施加较高的应力的区域中具有较大的厚度，或者可选地，在施加较高的应力的区域中具有局部加强件的恒定厚度。

壳体元件28可以为车轮承载构件10提供比由主体30提供的刚度更高的刚度。在层的平面中提供了壳体元件28的最大的刚度贡献。然而，由于在上述安装部分处的壳体元件28的特定几何形状，并且更具体地，由于沿着壳体元件的周长的一些长度存在弯曲边缘(例如，参见在图4中边缘40)，壳体元件28还在层的平面之外也对刚度提供了一定的贡献。

主体30由复合材料制成，该复合材料具有热塑性基体，例如具有机械特性的聚邻苯二甲酰胺(PPA)或聚酰胺(PA6，PA66)基体，该机械特性是基于车轮承载构件的性能要求来选择的。由于聚邻苯二甲酰胺的吸水趋势降低，因此该材料特别适用于(尽管不是直接地)暴露于天气的部件，如车轮承载构件的情况。

优选地，用于壳体元件28的热塑性基体的相同材料也用于主体30的热塑性基体，从而避免了模制期间壳体元件与主体之间的相容性问题。

主体30的复合材料的增强纤维例如是玻璃纤维，特别是所谓的“短切”玻璃纤维。

除了由壳体元件28提供的刚度之外，主体30还为车轮承载构件10提供了额外量的刚度。特别地，主体30对层的平面外的刚度做出贡献。

通过将复合材料(例如，装载有玻璃纤维或碳纤维，长纤维或短纤维的聚邻苯二甲酰胺)包覆模制在壳体元件28上或通过相同的成型操作(所谓的“一次注射”技术)或一旦已经获得层成型壳体元件28则在随后的操作中，可以来制造主体30。

主体30优选地具有多个肋，所述多个肋的几何形状和厚度基于使用中的车轮承载构件所经受的应力状态而方便地限定。肋与主体30一体制成，并且被配置成粘附到壳体元件28及其弯曲边缘40(如果有的话)。

插入件32、34、36和38优选通过插入件模制牢固地固定到主体30。为了改善与主体30的复合材料的粘附，插入件32、34、36和38可以根据众所周知的过程进行表面预处理(喷砂，激光处理等)，因此在此不详细描述。另外，插入件可以方便地成形为具有底切部分，该底切部分由主体30的材料填充，以便改善插入件与主体之间的接合处的结合。

参考图5，用于将车轮承载构件10连接到转向臂的插入件38例如被制成为锥形插入件，在其中头部42的锥形销(如图1所示)旨在被插入并用螺母固定，头部42通过球形接头耦合到转向臂。使用锥形插入件(在其中头部的锥形销被容纳并被锁定)允许分配转向载荷，不仅在径向方向上而且在轴向方向上都投射了交换的力。

图6和图7详细示出了用于将车轮承载构件10连接至摆动臂的插入件36。插入件36具有用于容纳圆柱形销钉头(未示出)的座44，该销钉头例如通过压配合、螺纹连接或铆接而刚性地连接至摆动臂。

优选地，插入件36形成突起46和至少一个底切部分，用于增加插入件36的金属材料与主体30的复合材料之间的接触表面并改善插入件与主体之间的结合(通过主体的注入材料流入底切部分)。

参照图1至图3，车轮承载构件10与减振器18之间的连接是通过在插入件32的区域中将支架48拧到车轮承载构件上而获得的，该支架48例如通过焊接刚性地连接到减振器主体上。

插入件32、34和38优选地容纳在复合材料的相应的套筒中，所述套筒由主体30一体地形成，并且主体30的肋在该套筒处终止。

在图8至图13中示出了根据本发明的车轮承载构件的另一实施方式，其中与图1至图7所示的部件或元件相同或相对应的部件和元件用相同的附图标记表示。

根据该另一实施例，车轮承载构件10包括主体30和多个壳体元件28,所述多个壳体元件28彼此分离(在当前情况下，三个壳体元件用28’，28”和28”’表示)并且固定到主体30的外侧(即，在车轮承载构件10在车辆上的安装状态下面向车辆外侧的那侧)上。

在图8至图13所示的示例中，壳体元件28’，28”和28”’分别位于用于减震器的安装部分16中、用于制动钳的安装部分20中以及用于转向臂的安装部分26中。当然，壳体元件的数量和位置可以基于特定要求而改变。

另外，在该实施例中，主体30被制成为中空主体，该中空主体具有朝向内侧开口的横截面。因此，在这种情况下，以上参照图1至图7的实施例描述的弯曲边缘40由主体30而不是由壳体元件(或由壳体元件之一)形成。

为了使车轮承载构件的结构更坚固，主体30具有带肋的结构，该肋结构具有与主体自身一体形成的多个肋50(特别是在图9中可以看到)。

参考图10至12，金属插入件(在图10至12中仅金属插入件32、34和36，以及另外的金属插入件52(在图10中以截面图示出，其限定了用于安装车轮轴承的座12))都具有至少一个底切部分54，底切部分由主体30的注入材料填充，这允许改善插入件与主体之间的结合并增加车轮承载构件的整体强度和刚度特性。

关于用于主体和壳体元件的材料以及车轮承载构件的制造过程，上面参照图1至图7的实施例所说明的内容仍然适用。

由于轮承载构件的主体和壳体元件由复合材料制成并且金属材料仅用于插入件，因此，根据本发明的轮承载构件具有比完全由金属(例如钢，铝或铸铁)制成的传统车轮承载构件显著更低的重量，而不会因此不利地影响车轮承载构件的性能。实际上，通过主体和壳体元件的几何形状和结构的方便设计，可以提供一种车轮承载构件，其能够实现用于设计车轮承载构件的特定应用的要求。

当然地，本发明的原理保持不变，实施例和构造细节可以与纯粹通过非限制性示例的方式描述和示出的实施例和构造细节相差很大，而不会因此脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围。

特别地，如上所述，车轮承载构件的整体几何形状、插入件的数量、布置和构造以及一个或多个壳体元件和主体的几何形状和内部结构可以基于用于设计车轮承载构件的特定应用而改变。

Claims (12)

1.一种用于车辆悬架的车轮承载构件(10)，车轮承载构件具有混合结构，混合结构包括具有纤维增强的热塑性基体的复合材料的主体(30)、至少一个具有热塑性基体的层压件制成的并固定在主体(30)的外侧上的壳体元件(28、28’，28”和28”’)和多个金属插入件(32、34、36、38、52)，所述多个金属插入件用于将车轮承载构件(10)连接或固定到悬架的或车辆的其他部件(18、22)，所述金属插入件(32、34、36、38、52)通过模制至少部分地嵌入到主体(30)中从而牢固地连接至主体(30)而无需使用粘合工具；

其中，所述壳体元件(28、28’，28”和28”’)是通过堆叠预浸层制成的，预浸层用单向碳纤维增强，指向为0度/45度/-45度/90度。

2.根据权利要求1所述的车轮承载构件，其特征在于，至少一个所述壳体元件(28、28’，28”和28”’)的热塑性基体和/或所述主体(30)的热塑性基体由聚邻苯二甲酰胺或聚酰胺制成。

3.根据权利要求1或2所述的车轮承载构件，其特征在于，所述主体(30)的热塑性基体由与至少一个所述壳体元件(28、28’，28”和28”’)的热塑性基体相同的材料制成。

4.根据权利要求1或2所述的车轮承载构件，其特征在于，所述金属插入件(32、34、36、38、52)都包括由主体(30)的材料填充的至少一个底切部分(54)。

5.根据权利要求1或2所述的车轮承载构件，其特征在于，包括单个壳体元件(28)，所述单个壳体元件沿着其周边的至少一定长度具有弯曲的边缘(40)。

6.根据权利要求1或2所述的车轮承载构件，其特征在于，所述主体(30)被制成为中空主体，所述中空主体具有朝向内侧开口的横截面。

7.根据权利要求6所述的车轮承载构件，其特征在于，所述主体(30)沿着其周边形成多个弯曲边缘(40)。

8.根据权利要求1或2所述的车轮承载构件，其特征在于，所述多个金属插入件(32、34、36、38、52)包括用于将车轮承载构件(10)固定到悬架的减震器的插入件(32)、用于将车轮承载构件(10)固定至制动钳(22)的插入件(34)、用于将车轮承载构件(10)连接至悬架的摆动臂或另一臂/杆的插入件(36)、限定了用于安装车轮轴承(14)的座(12)的插入件(52)和/或用于将车轮承载构件(10)连接至转向臂的插入件(38)。

9.根据权利要求1或2所述的车轮承载构件，其特征在于，所述主体(30)具有肋状结构。

10.一种车辆悬架，包括根据前述权利要求中任一项所述的车轮承载构件(10)。

11.一种根据权利要求1至9中任一项所述的用于车辆悬架的车轮承载构件(10)的制造方法，包括以下步骤：

a)通过热成型提供至少一个所述壳体元件(28、28’，28”和28”’)；

b)通过在至少一个所述壳体元件(28、28’，28”和28”’)上包覆模制复合材料来提供主体(30)；和

c)通过插入模制将金属插入件(32、34、36、38、54)固定到主体(30)。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤a)，b)和c)在相同的形成过程中执行，或者在所述步骤a)之后执行所述步骤b)和c)。