[发明专利]结构性工字梁汽车悬架臂

说明书

技术领域

本发明适用于结构元件的制造工艺，所述结构元件由金属板形成，本发明特别适用于需要高的刚度重量比和强度重量比的部件。尤其是，本发明适用于汽车悬架臂。

背景技术

大多数现代道路车辆应用某种形式的悬架系统来将乘客室与由道路表面崎岖不平引起的车轮干扰隔离开。这些悬架系统通常包括某种形式的能量储存介质(诸如弹簧)、控制弹簧运动的装置(诸如减震器)以及控制车轮运动的运动学的连杆机构。所述部件的组合被构造成允许车辆的车轮以受控方式向上运动并越过道路的崎岖不平。最常见形式的连杆机构是四杆连杆构造，其由心轴组件、车辆本体以及通常称为控制臂的两个枢转结构元件构造。

图1显示了常见的现有技术的四杆连杆构造。控制臂(1)(2)相对于车辆本体(4)确定心轴组件(3)的位置并引导它的运动。心轴组件承载着统称为簧下质量(5)的车轮、轮胎、轴承组件以及刹车组件。所述簧下质量还包括控制臂重量的一部分。因为在将簧下质量向上移过道路表面不平时涉及较大的能量，所以优选尽可能大地减小所述子组件的组合重量。另外，因为车辆的操作特征直接取决于簧下部件的受控运动，所以有必要使控制臂具有充分的刚度和强度来抵抗施加到它们上面的巨大载荷。

因此，重要的是悬架控制臂是坚固和刚性的以便在受到载荷时正确运行，并且重量是轻的以便减少簧下质量。减少重量一般会导致强度和刚度的降低。需要大的独创性来设计具有减少重量而性能特征相同的部件。施加在悬架控制臂上的操作载荷是离散的并且很好掌握，从而可以研制非均匀结构以便沿着应用所需要的方向和位置提供选择的刚度和强度。在平面图中，车辆悬架控制臂通常被构造为“A”型或“L”型，这取决于本体安装件构造与心轴的关系。在任一情形下，主导性感生载荷都处于“A”型或“L”型平面中并且因此需要高的平面内刚度。用于抵抗这些感生载荷的最有效形状要求材料高度聚集在“A”型或“L”型边缘周围以便最大化平面内第二区域力矩值。图2显示了常见的现有技术的“L”型悬架控制臂(8)，其中通过浇铸制造工艺促进材料高度聚集在结构边缘周围。这种结构与常规结构性截面做法一致，其中工字梁被认为是承载弯曲载荷的最有效方法。工字梁构造将材料聚集在远离质心或中心轴线的截面末端。图2A是典型的现有技术工字梁的横截面视图，即图2的浇铸成型“L”型悬架控制臂。工字梁的相对两端被称为凸缘(6)，而单个中央部件被称为腹板(7)。使凸缘比腹板更厚从而充分实现工字梁的结构性优势是有利的。

对于优化控制臂结构在形状上非均匀的要求已经促使应用多种复杂的制造工艺。与车辆控制臂构造相关联的最常见的制造方法是将压制成型的金属冲压部件浇铸、铸造以及焊接成子组件。因为涉及复杂形状，所以非常难以由简单的压制成型的金属冲压部件制造优化的车辆控制臂。

在其构造中应用压制成型金属冲压部件的大多数悬架控制臂被构造成封闭的箱体截面。图3显示了由两个U型压制成型金属冲压部件构造的典型悬架控制臂的截面。这种类型的结构截面相比较工字梁在抵抗平面内弯曲载荷方面效率低很多并且它需要材料交叠很多以促进所需的角焊缝接头。所述材料交叠最终在结构上是多余的并且导致比替换的浇铸或铸造构造更重。

发明人为Kusama等人的美国专利No.5,662,348披露了一种专门由压制成型件制造的悬架臂。Kusama要求保护一个很宽范围的不同截面的构造，所述构造均旨在以与感生载荷兼容的方式加强车辆的悬架控制臂。然而，Kusama没有教导利用压制成型技术形成真正的工字梁截面的方法。

使用工字梁截面在悬架臂技术中是已知的并且通常涉及利用浇铸或铸造技术制造，如图2和2A所示。然而，应用两个杯型压制成型冲压部件、将它们背靠背地布置并且凸焊在一起以形成具有所需平面视图形状的工字梁截面也是常见的做法。虽然已经通过用这种方法结合两个相对简单的冲压部件而形成工字梁截面，但是凸缘的厚度是腹板厚度的一半，从而导致结构性能差。图4显示了由两个杯型压制成型冲压部件构造的典型现有技术工字梁悬架控制臂的横截面视图。重要的是要注意现有技术制造工艺规定凸缘为单一材料厚度，而腹板为两倍材料厚度。这不是最佳结构构造。