本發(fā)明涉及一種扭轉(zhuǎn)彈簧以及設(shè)計這種扭轉(zhuǎn)彈簧的方法，該扭轉(zhuǎn)彈簧尤其為由纖維加強(qiáng)塑料制成并且以具有成本效益的方式生產(chǎn)的扭轉(zhuǎn)桿或螺旋彈簧的形式，并且尤其與僅由碳纖維加強(qiáng)塑料組成的彈簧相比，其具有改善的彈性能量存儲能力。

背景技術(shù)：

彈簧通常被用于機(jī)動車輛的底盤中。因此存在力求實(shí)現(xiàn)輕量結(jié)構(gòu)的需求，這尤其適用于這些底盤的未被彈簧支承的質(zhì)量。為此，纖維復(fù)合材料(FCM)的使用已被提出許多次。這尤其涉及由碳纖維加強(qiáng)塑料(CRP)或玻璃纖維加強(qiáng)塑料(GRP)制成的扭轉(zhuǎn)彈簧。特別困難的是以提供正確的負(fù)載能力的方式實(shí)現(xiàn)對這些部件的低成本的制造。

困難還在于各纖維僅能傳遞拉伸力或壓縮力，因此彈簧絲中的宏觀剪切負(fù)載必須被分成拉伸分量和壓縮分量(關(guān)于應(yīng)力主軸線、根據(jù)摩爾應(yīng)力理論與縱軸線成+/-45°)。

已知的FCM制成的彈簧旨在通過利用與縱軸線成+/-45°卷繞纖維從而以最有利的方式適應(yīng)材料中的拉伸力和壓縮力的分布。

另外已知的是專門成+45°的拉伸纖維卷繞，剪切應(yīng)力分量是通過基質(zhì)材料或通過芯中的壓縮應(yīng)力來承受的。

適合的彈簧的設(shè)計的目的在于實(shí)現(xiàn)對所使用的所有彈簧材料的均勻負(fù)載。因此意在使材料中不存在明確的薄弱點(diǎn)，而是施加均勻的最大應(yīng)力會造成全部材料達(dá)到其負(fù)載極限。這使得對材料的利用最大化，因此代表對輕量結(jié)構(gòu)的最好的實(shí)現(xiàn)程度。

EP 0637700描述了使用其中碳纖維以+/-30°至+/-60°的角度繞縱軸線卷繞的彈簧設(shè)計。其特征在于所使用的拉伸纖維數(shù)與壓縮纖維數(shù)不同。特別地，壓縮纖維數(shù)多于拉伸纖維數(shù)。目的在于使纖維的負(fù)載更均勻，從而能夠?qū)λ褂玫牟牧线M(jìn)行更好地具體利用。盡管由于以不同的量比和各自不同的層厚度使用拉伸方向和壓縮方向的纖維而能夠更好地利用材料，然而仍未消除材料利用對于彈簧絲直徑的依賴。

US 5603490提出了僅使用沿拉伸方向的纖維而不使用壓縮負(fù)載纖維。這些纖維被卷繞成僅承受拉伸負(fù)載。在中空彈簧的情況下，這會由于剪應(yīng)力而從根本上導(dǎo)致失效，并且為此需要適應(yīng)這種應(yīng)力的抗壓的芯。然而，這種芯中的長期靜應(yīng)力和卷繞的纖維包絡(luò)(Faserhülle)中的剪應(yīng)力導(dǎo)致塑料基質(zhì)(環(huán)氧樹脂)的不利蠕變。因此，該方案不能用于例如車輛結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用(由于車輛的重量而造成長期的負(fù)載)。盡管僅在一個纖維方向上進(jìn)行使用關(guān)于拉伸負(fù)載最佳地利用了纖維的潛在能力，然而由于缺少壓縮纖維支持造成的剪應(yīng)力在很大程度上必須通過塑料基質(zhì)來傳遞意味著長期負(fù)載導(dǎo)致強(qiáng)蠕變效應(yīng)。

WO2014/014481A1提出了一種纖維構(gòu)造，其中各個層和芯中的纖維數(shù)是共同基數(shù)的倍數(shù)。還公開了在彈簧中使用若干不同材料(例如玻璃、碳或混合物)。另外，還公開了纖維片層中的各個纖維相對于縱軸線的角度能夠交替變化(尤其在正角度與負(fù)角度之間交替變化)。彈簧的芯可以由單向纖維構(gòu)成，但是也公開了實(shí)體芯或中空芯。還提出了具有形狀記憶的材料的芯。盡管提到了彈簧材料可以由混合材料組成，然而并沒有提供相關(guān)的實(shí)用信息，因此混合結(jié)構(gòu)的加工步驟和效果仍然是不清楚的。這些纖維應(yīng)該是以共同參考基數(shù)的整數(shù)倍的數(shù)量被布置在層中的，但是效果同樣不清楚。這種布置的缺點(diǎn)在于纖維僅以整倍數(shù)的數(shù)量存在于層中，因此缺乏對層厚度的最優(yōu)的適當(dāng)調(diào)節(jié)。

現(xiàn)有技術(shù)的彈簧設(shè)計無法達(dá)到最佳程度的輕量結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)闊o法對所使用的材料進(jìn)行有效地利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此產(chǎn)生的問題是提供一種承受扭轉(zhuǎn)的彈簧絲內(nèi)的纖維的布置，其中壓縮負(fù)載纖維和拉伸負(fù)載纖維均根據(jù)其負(fù)載極限被最大程度地利用，以便實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的基于質(zhì)量的儲能密度。本發(fā)明的特定的目的是盡可能僅使用有限數(shù)量的不同的纖維材料，并且由此實(shí)現(xiàn)關(guān)于材料利用的低成本的設(shè)計，并且本發(fā)明提出一種用于設(shè)計這種類型的彈簧的方法。螺旋彈簧中的彈簧絲呈卷繞螺旋的形式。彈簧、尤其螺旋彈簧具有彈簧軸線，彈簧絲圍繞該彈簧軸線呈螺旋的形式。彈簧絲的橫截面優(yōu)選為圓環(huán)形的，但是也可以是橢圓形的或多邊形的。

本發(fā)明通過權(quán)利要求1所述的彈簧設(shè)計實(shí)現(xiàn)該目的。從屬權(quán)利要求公開了有利的實(shí)施方式。

特別地，所述目的是通過實(shí)現(xiàn)以下三個子目的來實(shí)現(xiàn)的：

·基于經(jīng)濟(jì)考慮來選擇片層，并且因此尤其將高負(fù)載的碳纖維片層用于拉伸負(fù)載纖維片層，

·拉伸片層和壓縮片層均勻地負(fù)載，

·為了防止基質(zhì)材料的蠕變和由此造成的整個彈簧的長期變形，使由片層之間的基質(zhì)傳遞的剪切力或應(yīng)力最小化。

承受扭轉(zhuǎn)的長形部件的范圍僅包括彈簧支承結(jié)構(gòu)而不包括負(fù)載引入元件，例如在彈簧板上的適當(dāng)設(shè)計的區(qū)域或彈簧約束部的適當(dāng)設(shè)計的區(qū)域。

下文中使用了具有給出以下定義的如下術(shù)語：

-拉伸方向：符號+

-壓縮方向：符號-

-縱軸線：-位于彈簧絲中央處的沿其長度延伸的軸線，也稱為彈簧絲軸線。

-纖維角度α_j：-纖維角度是纖維方向和縱軸線之間的角度。

-片層L_i：-片層(Lage)可以結(jié)合有若干層，例如多軸向無緯基布(Multiaxialgelege)/螺旋卷繞/編織織物片層通常包括具有不同纖維方向的兩個層(分別為一個“+”層和一個“-”層，例如+/-45°)。該片層的各個層通常彼此連接(例如通過起皺或編結(jié)或縫合或粘結(jié))。

-與之相比，UD(單向)無緯基布片層通常僅包括沿著對齊的(ausgerichteter)纖維的方向的一個層。

-然而，多個片層也可以形成一個層(具有相同角度方向和相同片層材料的多個相鄰的UD片層形成一個UD層)。

-一個片層通常由無機(jī)加強(qiáng)纖維(例如玄武巖纖維、玻璃纖維)、金屬加強(qiáng)纖維(例如鋼纖維)、有機(jī)加強(qiáng)纖維(例如碳纖維、芳綸纖維)或天然纖維(例如麻纖維)構(gòu)成。

-片層具有相關(guān)的片層壁厚LW_i。

-片層還可以是不含加強(qiáng)纖維的同質(zhì)塑料片層并且歸為非承載的(例如結(jié)構(gòu)的外邊界部分)。

-片層還可以是短纖維加強(qiáng)塑料片層或長纖維加強(qiáng)塑料片層并且被歸為非承載的，其中纖維是以沒有優(yōu)選方向的方式布置的。

-片層還可以由金屬材料片層(例如由金屬片制成的終止片層)組成。

-片層編號i從內(nèi)向外增大。

-層S_j：-在連續(xù)纖維/織物纖維加強(qiáng)層的情況下，層S_j的所有纖維具有均一的角度方向α_j。

-然而在一個層中也可以存在相互并排或混合在一起的不同材料M_j的纖維。

-層也可以是沒有加強(qiáng)纖維的同質(zhì)的塑料片層、具有短纖維加強(qiáng)塑料片層或長纖維加強(qiáng)塑料片層的片層、或金屬片層等。

-層編號j從內(nèi)向外增大。

-具有纖維角度沿拉伸方向(+)在20°至70°范圍內(nèi)或沿壓縮方向(-)在-70°至-20°范圍內(nèi)的層被稱為承載層(優(yōu)選沿拉伸方向(+)30°至60°或沿壓縮方向(-)-60°至-30°)。

-承載層用于顯著地吸收沿纖維方向的拉伸應(yīng)力(符號+)或壓縮應(yīng)力(符號-)。

-具有處于沿拉伸方向(+)20°至70°或沿壓縮方向(-)-70°至-20°的角度范圍之外的角度的所有層被歸為非承載的。

-橫截面面積Α_sj：-每個層具有相關(guān)的橫截面面積Α_sj。

-橫截面區(qū)域的法線是縱軸線。

-例如在圓環(huán)形橫截面的情況下，橫截面面積是通過用于包含在圓環(huán)內(nèi)的面積的公式計算的。

-層軸線：-每個層具有軸線，該軸線關(guān)于縱軸線以纖維角度α_j延伸并且根據(jù)層沿著縱軸線呈螺旋形式的層輪廓旋轉(zhuǎn)。

-層直徑D_j：-由相應(yīng)的層的內(nèi)直徑和外直徑得出的算數(shù)平均直徑。

-在具有起皺的層(例如編織纖維)的情況下，得到兩個層的情況，這兩個層具有相同的層直徑。

-層剛度E_sj：-層剛度E_sj是各個層的所有纖維組分和基質(zhì)組分被轉(zhuǎn)換成關(guān)于縱軸線成+/-45°方向的單一或混合模量(根據(jù)經(jīng)典層合理論的混合定律，例如Puck,Tsai,Niederstadt,Geier)。

-僅使用絕對值。

-用于層剛度E_sj的計算公式：

mit c＝cos(|α|-45°)und s＝sin(|α|-45°)

E_sj-層剛度，E₁-關(guān)于材料M_j的纖維的縱向剛度，

E₂-關(guān)于材料M_j的纖維方向的橫向剛度，

G₁₂-材料M_j的剪切模量，

v₁₂-材料M_j的大泊松比，

v₂₁-材料M_j的小泊松比。

-組G_k:-沿負(fù)載方向(拉伸方向或壓縮方向)彼此相互接觸在一起的一個或多個承載層分別形成組G_k。

-組的形成不受使用的材料或任何特定片層定位的影響。

-確定層之間或片層之間的接觸不考慮被歸為非承載的層或片層，因此在一些情況下非物理接觸的層可被認(rèn)為彼此相互接觸。

-組的計數(shù)從內(nèi)側(cè)開始。

-組軸線：根據(jù)拉伸方向或壓縮方向，每個組具有相對于縱軸線成+45°(拉伸)或-45°(壓縮)延伸并且根據(jù)層沿著縱軸線呈螺旋形式的層輪廓旋轉(zhuǎn)的組軸線。

-組剛度E_Gk：-組剛度E_Gk對應(yīng)于各個組的所有纖維組分和基質(zhì)組分的以沿著組軸線方向轉(zhuǎn)換的面積加權(quán)的單一或混合模量(根據(jù)經(jīng)典層合理論的混合定律，例如Puck,Tsai,Niederstadt,Geier)。

-僅使用絕對值。

-用于組剛度E_Gk的計算公式：

其中，層j屬于組k

E_Gk-組k的組剛度，

E_Sj-層j的層剛度，

A_Sj-層j的橫截面面積。

-組延伸剛度F_Gk：-組剛度與相關(guān)的組的橫截面面積的乘積。

-用于組延伸剛度F_G的計算公式：

其中，層j屬于組k

F_Gk-組k的組延伸剛度，

E_Gk-組k的組剛度，

A_Sj-層j的橫截面面積。

-對P_n：-彼此相互接觸的兩個組分別形成一個對(組的形成的必然結(jié)果是對始終由具有+45°和-45°的組軸線的兩個組構(gòu)成)。

-確定層之間或片層之間的接觸不考慮被歸為非承載的層或片層，因此在一些情況下非物理接觸的組可被認(rèn)為彼此相互接觸。

-對的形成從最內(nèi)側(cè)的組開始并且向外連續(xù)形成。

-已被分配于一個對的組不能與與其接觸的另一個組形成一個對。

-組比例GV_n:-對中的組被分配如下的組比例：具有+45°組軸線的組的延伸剛度除以具有-45°組軸線的組的延伸剛度(組延伸剛度在這種情況下沒有符號，這是因?yàn)橛嬎銉H使用用于組剛度的絕對值)。

-對比例PVn-彼此相互接觸的兩個對被分配如下的對比例：內(nèi)側(cè)對的剛度除以與其接觸的對的剛度。

混合纖維：由不同材料的絲線組成的粗紗或纖維叢。

以下關(guān)于設(shè)計方法和彈簧絲中的纖維布置的考慮是基于在成品件中的計算的或限定的纖維角度α_j的理想的一致。只要絕對角度差小于20°、優(yōu)選地小于10°、尤其優(yōu)選地小于5°，成品件中由于成型操作(例如將伸展的彈簧絲沿著彈簧軸線卷繞成螺旋狀)產(chǎn)生的沿著“+”方向和“-”方向與計算值的可能的角度位移、工廠的特定制造公差(例如卷繞機(jī)的轉(zhuǎn)速的波動)、或者由于處理操作(例如手動運(yùn)送半成品)造成的移位與所提出的這種設(shè)計方法的目的無關(guān)。

本發(fā)明的用于設(shè)計彈簧的優(yōu)選的方法包括：

基于經(jīng)驗(yàn)值并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)對彈簧進(jìn)行初步設(shè)計。該彈簧的參數(shù)被用作按照本發(fā)明的方法對彈簧進(jìn)行優(yōu)化的起始參數(shù)。

以下列出的所有設(shè)計步驟必須單獨(dú)反復(fù)進(jìn)行或者一起重復(fù)執(zhí)行從而符合循環(huán)過程中的所有所需的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

步驟1：

在第一個步驟中，將彈簧絲的結(jié)構(gòu)設(shè)計成在至少一個拉伸負(fù)載組中使用非常硬的纖維、例如碳纖維。因此能在設(shè)計過程中確定具有最高組剛度的拉伸負(fù)載組。然后需要以具有較低組剛度的方式設(shè)計的至少一個壓縮負(fù)載組。如果壓縮負(fù)載組的組剛度為拉伸負(fù)載組的組剛度的至多90％、優(yōu)選至多80％、尤其優(yōu)選60％，那么該壓縮負(fù)載組被歸為“低的”。因此，對于至少一個壓縮負(fù)載組，其組剛度相對于具有最高組剛度的拉伸負(fù)載組降低至少10％、優(yōu)選至少20％、尤其優(yōu)選至少40％。較低的組剛度優(yōu)選通過使用例如玻璃纖維材料實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，存在與低剛度的壓縮負(fù)載組相互接觸的多個由碳纖維制成的拉伸負(fù)載組。尤其優(yōu)選的是，所有拉伸負(fù)載組由碳纖維組成，并且所有壓縮負(fù)載組具有較低的組剛度。

這例如是通過以下可能性中的一種可能性或者兩種或三種可能性的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。

可能性I：不同的纖維材料

-對于該可能性，高強(qiáng)度的纖維(例如HTCF)被用于拉伸負(fù)載組中，低剛度的纖維(例如GF)被用于壓縮負(fù)載組中。

可能性II：不同的纖維角度

-對組剛度的精細(xì)調(diào)節(jié)可以通過纖維角度來實(shí)現(xiàn)，使得壓縮負(fù)載組具有較低的組剛度。

可能性III：不同纖維的混合

-另一種可能性是在剛度的變化太大以至于不足以通過纖維角度補(bǔ)償?shù)那闆r下，使用具有混合的主纖維類型的不同材料以允許實(shí)現(xiàn)用于壓縮負(fù)載組的所需要的更低的組剛度。

步驟2：

隨后從內(nèi)向外形成對。在長期負(fù)載的情況下基質(zhì)材料蠕變的問題的原因在于彈簧中的各個組之間通常存在較高的剪應(yīng)力。為了避免或者在很大程度上降低各個組之間的剪應(yīng)力，一個對中的各個組應(yīng)具有可比的組延伸剛度值(Gruppendehnsteifigkeit)，組延伸剛度值例如會受到橫截面面積、纖維體積含量、纖維角度或材料選擇的影響。組比例通過一個對中的兩個組延伸剛度計算。組比例必須處于給定的范圍內(nèi)。本設(shè)計方法提供的組比例GV介于0.2<＝GV<＝5的范圍內(nèi)、優(yōu)選地介于0.5<＝GV<＝2的范圍內(nèi)、尤其優(yōu)選地介于0.75<＝GV<＝1.33的范圍內(nèi)。

為了實(shí)現(xiàn)能夠可接受的組比例，例如，必須通過使用適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)的橫截面面積來補(bǔ)償不同類型的纖維的不同材料剛度值。為此，優(yōu)選的程序選擇符合纖維的負(fù)載能力的纖維剛度。例如，碳纖維(HTCF)在壓縮負(fù)載下具有較低的能量存儲密度，因此能優(yōu)選被有效地用于拉伸負(fù)載層。玻璃纖維具有良好的壓縮性，因此能優(yōu)選被有效地用于壓縮負(fù)載層。例如，由HTCF纖維制成的拉伸負(fù)載組和由玻璃纖維制成的壓縮負(fù)載組的各自的一個層形成一個對。于是拉伸負(fù)載組(HTCF)具有比壓縮負(fù)載組(GF)更高的組剛度。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)層的壁厚度、借此調(diào)節(jié)橫截面面積，可以設(shè)定優(yōu)選的組比例。組剛度與相應(yīng)的橫截面面積的乘積提供組延伸剛度。在由HTCF纖維和玻璃纖維構(gòu)成對的情況下，層的壁厚度例如對于拉伸負(fù)載組為1mm并且對于壓縮負(fù)載組為2.5mm。因此，能夠通過相應(yīng)的橫截面面積使拉伸負(fù)載組和壓縮負(fù)載組的組延伸剛度值近似，并且這種組比例的值在期望范圍內(nèi)。因此，各個組之間基本不存在剪應(yīng)力并且彈簧絲因而具有有利的蠕變特性。

另外的優(yōu)選實(shí)施方式提出使用非常薄的一個或多個中間層或外側(cè)層，因此對部件的承載性能的貢獻(xiàn)很小，但是，例如通過其纖維方向?qū)椈傻臋M向剛度作出貢獻(xiàn)，或者僅作為抵抗環(huán)境介質(zhì)的不利影響的終止層。然而，本發(fā)明的目的在于僅最多25％、優(yōu)選15％、尤其優(yōu)選5％的彈簧絲質(zhì)量(沒有芯)由非承載層組成。

另外優(yōu)選的是使用以下彈簧絲，其中具有較低組剛度的壓縮負(fù)載組占彈簧絲的所有壓縮負(fù)載組的質(zhì)量的至少20％、優(yōu)選50％、尤其優(yōu)選95％的比例。本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)彈簧的尤其優(yōu)選的實(shí)施例提供了從內(nèi)向外具有相同組剛度(在制造公差的平衡范圍內(nèi))的拉伸負(fù)載組。在給出了其他尤其有利的方式的實(shí)施例中，壓縮負(fù)載組還具有或者僅具有從內(nèi)向外的相同的組剛度(在制造公差的平衡范圍內(nèi))。進(jìn)一步優(yōu)選的是至少一個位于內(nèi)側(cè)的壓縮負(fù)載組的組剛度低于位于更外側(cè)的拉伸負(fù)載組的組剛度。

另外優(yōu)選的是使用以下彈簧絲，其中彈簧絲(沒有芯)的總質(zhì)量的至少50％、優(yōu)選75％、尤其優(yōu)選95％的比例已有成效地形成對。

另外優(yōu)選的是使用沒有纖維加強(qiáng)的外塑料片層或由基質(zhì)材料制成的片層。然而，根據(jù)本發(fā)明的方法提供了在有負(fù)載的情況下彈性能量的至少75％、優(yōu)選85％、尤其優(yōu)選95％由纖維復(fù)合材料存儲而不是由外塑料片層存儲。在此可能的是外塑料片層撕裂而纖維加強(qiáng)片層和可選地存在的芯保持不受損。

本發(fā)明的彈簧的計算設(shè)計優(yōu)選是通過計算機(jī)輔助的方式實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明的方法，在設(shè)計完成后，通過現(xiàn)有技術(shù)的方法生產(chǎn)彈簧。

本發(fā)明通過以下方式設(shè)計選擇用于彈簧的承載橫截面(不考慮涂層等非承載部分)，即，壓縮負(fù)載組和拉伸負(fù)載組由少量的不同纖維材料構(gòu)成。優(yōu)選地使用用于壓縮負(fù)載組的低成本材料，例如玻璃纖維(GF)。在拉伸負(fù)載纖維的區(qū)域中，還能夠使用碳纖維(CF)以增大質(zhì)量特定能量存儲密度。

本發(fā)明的彈簧的彈簧絲優(yōu)選具有圓形橫截面。然而，橢圓形或多邊形橫截面也是可以的。彈簧可選地具有芯。該芯優(yōu)選地由纖維復(fù)合材料構(gòu)成，其中纖維平行于縱軸線單向延伸。另一優(yōu)選的實(shí)施方式提供了中空芯，其中纖維復(fù)合材料或非加強(qiáng)塑料套(Kunststoffumhüllung)圍繞軸向空腔。另外優(yōu)選的是完全由塑料組成的芯或者專門通過空腔形成的芯。

還優(yōu)選的是相鄰的對的對比例彼此相差很小，使得在對與對之間產(chǎn)生的剪應(yīng)力最小化，并且因此彈簧絲發(fā)生蠕變的趨勢最低。所述對比例是由兩個對的組的剛度值計算出的。

本發(fā)明的彈簧優(yōu)選地用于機(jī)動車輛和軌道車輛的車輛結(jié)構(gòu)中。然而，在螺旋彈簧或者一般的扭轉(zhuǎn)彈簧的所有領(lǐng)域進(jìn)行使用是可能的，只要環(huán)境條件不會使彈簧中使用的材料受到無法容許的程度的影響。

附圖說明

圖1a和圖1b是本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)彈簧的兩個實(shí)施方式的視圖。其中，圖1a示出了作為具有芯的螺旋彈簧的扭轉(zhuǎn)彈簧，圖1b示出了作為沒有芯的螺旋彈簧的扭轉(zhuǎn)彈簧。

圖2是圖1a所示的具有實(shí)體芯(1)和具有相關(guān)的壁厚度和層材料的多個層(從S₁至S_J)的彈簧的橫截面A-A的視圖。

圖3是圖1a所示的具有管狀芯(1)和具有相關(guān)的壁厚度和層材料的多個層(從S₁至S_J)的彈簧的橫截面A-A的視圖。

圖4是圖1b所示的沒有芯但包括具有相關(guān)的壁厚度和層材料的多個層(從S₁至S_J)的彈簧的橫截面B-B的視圖。

圖5是本發(fā)明的與發(fā)明實(shí)例1(表1和表2)對應(yīng)的具有卷繞織物的彈簧絲的布置的視圖，其中各個層始終以玻璃纖維片層(壓縮負(fù)載)和碳纖維片層(拉伸負(fù)載)的形式交替布置。在彈簧的外側(cè)布置有均勻的外塑料片層。

圖6是本發(fā)明的與發(fā)明實(shí)例2(表3和表4)對應(yīng)的具有卷繞織物的彈簧絲的布置的視圖，其中壓縮負(fù)載層采用玄武巖片層的形式，并且拉伸負(fù)載層采用碳纖維片層的形式。在第四片層中，彈簧具有沿縱軸線取向的纖維。

表格說明

表1示出了本發(fā)明的設(shè)計方法的具有卷繞織物的發(fā)明實(shí)例1，其中各個層始終以玻璃纖維片層(壓縮負(fù)載)和碳纖維片層(拉伸負(fù)載)的形式交替地布置。該表具有兩個部分，并且為了提高易讀性，包含特征信息前面的四欄在第二部分中重復(fù)。

表2示出了用于發(fā)明實(shí)例1的纖維材料及其特性。該特性是現(xiàn)有技術(shù)已知的并且在此僅僅進(jìn)行整理。

表3示出了本發(fā)明的設(shè)計方法的具有卷繞織物的發(fā)明實(shí)例2，其中該布置具有作為玻璃纖維片層的壓縮負(fù)載層和作為碳纖維片層的拉伸負(fù)載層。在第四片層中，發(fā)明實(shí)例2具有沿縱軸線取向的纖維。該表也具有兩個部分，并且為了提高易讀性，包含特征信息前面的四欄在第二部分中重復(fù)。

表4示出了用于發(fā)明實(shí)例2的纖維材料及其特性。該特性是現(xiàn)有技術(shù)已知的并且在此僅僅進(jìn)行整理。

具體實(shí)施方式

在所有的本發(fā)明的實(shí)例中，通過使用用于圓環(huán)形橫截面的公式對橫截面面積進(jìn)行計算。對于各個發(fā)明的實(shí)例，通過使用彈簧絲的截面描述、描述彈簧絲特性值的表格和示出材料的相關(guān)特性的表格來說明特定的事實(shí)情況。

本發(fā)明的實(shí)例1示出了本發(fā)明的彈簧絲結(jié)構(gòu)，其由纏繞的織物片層和中空芯組成(圖5)。表1和表2示出彈簧絲結(jié)構(gòu)的特性和所使用的材料的特性。彈簧絲的特征在于始終交替地使用用于壓縮負(fù)載的玻璃纖維片層和用于拉伸負(fù)載的碳纖維片層。玻璃纖維和碳纖維之間的纖維剛度值的較大差異要求通過橫截面面積對組延伸剛度進(jìn)行相互調(diào)節(jié)。在該實(shí)例中，這是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的，即，與玻璃纖維層的1.1mm的層壁厚度相比，碳纖維的層壁厚度明顯較低，為0.4mm。片層9是非承載層，這是因?yàn)樽鳛橥|(zhì)的塑料片層，其沒有任何優(yōu)選的沿著拉伸取向負(fù)載方向或壓縮取向負(fù)載方向的纖維加強(qiáng)。反而，片層9代表彈簧絲關(guān)于其周圍的外邊界。片層9的可能功能是避免受周圍環(huán)境的影響、防止可能的沖擊(例如石頭的沖擊)、防止磨損(例如作為彈簧板的防摩擦保護(hù)層)或者防止接觸腐蝕。非承載層占彈簧絲的橫截面的總質(zhì)量的大約7％的質(zhì)量比(不考慮可能存在的任何彈簧絲芯的質(zhì)量)。

在各個發(fā)明實(shí)例中各個玻璃纖維層和各個碳纖維層均形成組。所有的組均成功地被分配于對。根據(jù)本發(fā)明，所有的壓縮負(fù)載組均具有較低的組剛度，因此本發(fā)明的實(shí)例1提供了本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)彈簧的優(yōu)選的變型。

本發(fā)明的實(shí)例2示出了本發(fā)明的彈簧絲結(jié)構(gòu)，其由纏繞的織物片層和中空芯組成(圖6)。表3和表4示出彈簧絲結(jié)構(gòu)的特性和所使用的材料的特性。由于使用相同的纖維材料和關(guān)于縱軸線相同的纖維角度的技術(shù)可能性，片層1和片層2僅形成一個層(S1)。當(dāng)例如在卷繞工藝的情況下意在使單獨(dú)的粗紗形成均勻施加的結(jié)構(gòu)時，能夠證明在多個片層中使用具有相同的纖維角度和纖維材料是有利的，并且該目的在于防止各個粗紗朝向彼此移位和/或防止各個粗紗的局部重疊。層S1提供組G1。碳纖維被用于這種朝向彈簧絲的內(nèi)側(cè)定位的壓縮負(fù)載組，這是因?yàn)樵诖水a(chǎn)生的拉伸強(qiáng)度值相對較低，因此不會超過材料的承載能力。本發(fā)明的實(shí)例2中的片層4由具有0°的纖維角度的碳纖維片層組成。其是纖維角度在20°至70°的范圍之外或者-70°至-20°的范圍之外的層，因此所述層被歸為非負(fù)載的。這種類型的層對繞彈簧軸線螺旋環(huán)繞的彈簧絲的橫向負(fù)載的穩(wěn)定性具有有利效應(yīng)，因此在達(dá)到一定的質(zhì)量比例的情況下是有用的。在這種情況下非承載層的質(zhì)量比大約是16％，并且因此低于彈簧絲的總質(zhì)量的25％。位于更外側(cè)的壓縮負(fù)載片層(L5、L6、L7)由玄武巖纖維片層組成。根據(jù)本發(fā)明，與具有最高組剛度的拉伸負(fù)載片層(如L9)相比，玄武巖纖維片層具有較低的組剛度。在此L5的組剛度低58％，片層L6和L8的組剛度低62％。具有較低組剛度的壓縮負(fù)載纖維片層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82％，因?yàn)閮H片層L1和L2不符合這個條件。同時，拉伸負(fù)載片層L9的組剛度為139GPa，因此明顯高于所要求的60GPa。在此所有的拉伸負(fù)載片層均優(yōu)碳纖維組成。本發(fā)明的實(shí)例2是本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)彈簧的優(yōu)選的變型。所有的組均成功地被分配于對。

符號和所代表事物之間關(guān)系的列表：

L_i 片層i(編號i屬于自然數(shù)的閉區(qū)間[1,I])

LW_i 片層i的壁厚度

S_j 層j(編號j屬于自然數(shù)的閉區(qū)間[1,J])

α_j 層S_j相對于縱軸線的角度方向

1 彈簧絲的芯(可選存在的)

M_j 層S_j的材料

D_j 層S_j的直徑

W_j 層S_j的壁厚度

E_Sj 層S_j的剛度

E₁ 關(guān)于材料M_j的纖維的徑向剛度

E₂ 關(guān)于材料M_j的纖維的方向的橫向剛度

G₁₂ 材料M_j的剪切模量

v₁₂ 材料M_j的大泊松比

v₂₁ 材料M_j的小泊松比

G_k 組k(編號k屬于自然數(shù)的閉區(qū)間[1,K])

A_Sj 層S_j的橫截面面積

E_Gk 組G_k的組剛度

F_Gk 組G_k的組延伸剛度

P_n 對n(編號n屬于自然數(shù)的閉區(qū)間[1,N])

GV_n 組比例n，由拉伸負(fù)載組和壓縮負(fù)載組計算出

D_a 彈簧絲外直徑

CF 碳纖維

BF 玄武巖纖維

GF 玻璃纖維

S2 高剛度玻璃纖維

E 正常剛度玻璃纖維

HT 正常剛度(高韌度)碳纖維

引用的非專利文獻(xiàn)

Helmut Schürmann:Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden[具有纖維塑料復(fù)合物的設(shè)計],第一版,Springer Verlag 2005