基于拉挤、编织和/或缠绕技术由纤维复合材料制造的转向柱 |
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| 申请号 | CN201380071773.2 | 申请日 | 2013-10-15 | 公开(公告)号 | CN105143016B | 公开(公告)日 | 2017-11-28 |
| 申请人 | 蒂森克虏伯普利斯坦股份公司; | 发明人 | 托马斯·海茨; 塞巴斯蒂安·雷格纳; 阿尔内·沙赫特; 丹尼尔·克勒茨; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于 机动车辆 的 转向柱 ，包括被安装在转向 主轴 安装单元里的并且绕纵向轴线可旋转的转向主轴，并且包括用于连接所述转向主轴安装单元到机动车辆车体的 支撑 单元。该转向柱的至少一个部件是由 纤维 增强型 复合材料 的至少部分组成的并且该部件位于转向柱和车体之间的 力 的通量上。该部件被设置配备有至少一个拉挤层，其具有通过拉挤制造的多个纤维以作为增强型纤维，所述纤维在纵向轴线的方向上被彼此平行地定向。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于机动车辆的转向柱(32)，具有在转向主轴轴承单元(35)里的绕纵向轴线被可旋转地安装的转向主轴(33)并且具有被设计用于形成所述转向主轴轴承单元(35)到机动车辆车体的连接的支撑单元，所述转向柱(32)的至少一个部件至少部分地由纤维增强型复合材料制成，其特征在于，所述部件处于在转向主轴(33)与车体之间的转向柱(32)的力的通量上并且至少一个拉挤层被提供，其包括作为增强型纤维的、被定向在纵向轴线方向上并且彼此平行的多个拉挤纤维。 |
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| 说明书全文 | 基于拉挤、编织和/或缠绕技术由纤维复合材料制造的转向柱技术领域[0001] 本发明涉及一种用于车辆的转向柱装置以及涉及制造用于该种转向柱装置的部件的方法。 背景技术[0002] 所讨论的该类型的转向柱部件或转向柱被用在机动车辆的适配和传递由驾驶员施加于方向盘进入到车辆的转向系统的扭矩。此外，转向柱在使用期间必须容忍各种负载，特别是当车辆与障碍物发生碰撞——撞车情况。 [0003] DE 10 2005 034 952 B3公开了例如其高度和倾斜角可调节的转向柱。转向主轴被可旋转地安装在调节部件里，其也被称为壳体单元。该壳体单元被保持在保持部件里并且该保持部件被安装在保持夹(retaining clip)里，其可以被固定到车体上。所提供的用于适应转向主轴的位置，或者被固定到方向盘的，是夹紧系统，其可以通过在打开位置和闭合位置之间的调节杆进行调整。在夹紧系统的打开位置时，壳体单元可相对于该保持部件在其纵向方向上被移动，并且与此同时保持部件相对于保持夹绕枢转轴线在其倾斜角上可以被枢转。在夹紧系统处于关闭位置时，转向主轴相对于该保持夹被固定，其被固定于车体上。该种转向柱和夹紧系统在现有技术的各种配置中是已知的。 [0005] 为了有利地影响燃料消耗并且为了提高汽车的行驶动力，并且还为了增加电动汽车的行驶距离，通常期望制造的这种转向柱特别轻质并且具有很大的刚性。为此目的，DE 101 55 891 B4提议通常制造壳体单元，其由热塑性材料或者具有玻璃纤维或碳纤维填充物的热塑性管形成中心轴承管。然而，这样的轴承管如何实际上被形成该公开文献并未公开。 [0006] EP 0091671 B1公开了一种安全转向柱，所述转向主轴的管部件被一体化地形成为具有纤维增强型塑料的刚性转向柱部。在这种情况下，其公开了转向柱通过卷绕芯例如硬质聚氨酯泡沫塑料的技术进行制造。然而，这大大限制了转向柱的设计的可能性。 [0008] 此外，DE 198 09 264 A1公开了一种纤维结构设置以及用于生产预成型件的方法。在纤维结构设置里，纤维的各个层被一层设置在另一层之上并且采用缝纫线进行缝合，在某些情况下采用被插入作为中间层的粘合剂垫。这个设置包括可熔的层，其仅在成形过程中被激活并且，在形成为所希望的三维形状后，提供该预制件的永久固化。 发明内容[0009] 本发明的目的是提供一种具有大设计自由度的轻型转向柱。 [0010] 在用于机动车辆的转向柱的情况下，具有在转向主轴轴承单元里围绕纵轴被可旋转地安装的转向主轴以及具有被设计成形成所述转向主轴轴承单元与机动车辆的车体连接的支撑单元，其中，所述转向柱的至少一个元件至少部分地是由纤维增强型复合材料制成的，大的设计自由度被实现是因为它进一步提供了该元件位于转向主轴与车体之间的转向柱的力的磁通里并且至少一个拉挤层被设置，包括作为增强纤维的被定向在纵向轴线并且彼此平行的多个拉挤纤维。这使得在纤维复合材料部件生产中省略芯是可能的。另外，在圆周方向上凹陷的外表面区域上形成也是可能的，这在编织或卷绕过程的情况下不能被实现或在很大难度下被实现。 [0011] 因为用于生产具有转向主轴和支撑单元的转向柱的工艺，其中所述转向主轴在转向主轴轴承单元里绕其轴线被可转动地安装，所述支撑元件被设计成将转向主轴轴承单元直接或间接地连接到机动车辆的车体上，转向柱的部件中的至少一个被形成作为纤维复合部件，包括下列步骤： [0012] 1.)拉挤支撑纤维以形成支撑件； [0013] 2.)由沿支撑件的表面上的预定路径围绕所述支撑件编织和/或卷绕增强纤维形成成形件； [0014] 3.)将所述成形件放入模具内，或者支撑纤维与增强纤维在处理之前被浸渍理有可固化的树脂或者所述纤维在成形件形成之后被浸渍有可固化的树脂；并且随后[0015] 4.)固化树脂并且形成所述纤维复合材料部件； [0016] 5.)以及在所述转向柱里混入纤维复合部件时安装所述转向柱， [0017] 转向柱可以被制造成具有相对低的重量以及具有大设计自由度的大的刚性。 [0018] 由拉挤所形成的支撑件可以在此情况下从其的内表面和/或从其外表面被编织和/或缠绕用于形成所述成形件。特别地，还可以想到的是并且是可能的，即在拉挤工艺中形成多个支撑件以及采用编织和/或缠绕所插入的层而形成成形件。 [0019] 本发明尤其可以被应用到其长度和/或倾斜角是可调节的转向柱部件。为此目的，支撑单元由保持部件有利地形成，其可以被连接到机动车辆的车体并且接收引导夹子，其保持转向主轴轴承单元。还提供了在可调节的转向柱的情况下的固定系统，其可以根据在打开位置和闭合位置之间的选择来设置。随着固定系统打开，转向主轴优选在保持部件里可以由枢轴上是可枢转的引导夹子进行调整并且转向主轴轴承单元在引导夹子里是可移动的。然而，本发明也可以被应用到可调节的转向柱，采用该转向柱，其调整功能采取一些其它的形式，正如在现有技术中公知的。 [0020] 优选地，所述拉挤纤维支撑由纤维形成的至少一个结构层，例如机织或针织的织物或者编织带或者缠绕结构。在这方面，优选的如果所述结构层是机织织物，因为特别良好的扭转刚度可以由此来实现。 [0021] 如果拉挤纤维以贝壳方式在圆周方向上环绕所述转向主轴至少180°，对于后来的安装是有利的几何形状可以被实现，在生产部件的过程中随后被产生的部件不必被剖开，这如采用管状坯的情况。 [0022] 扭转刚性被进一步地提高，如果该至少一个结构层包括机织织物或编织物，具有50％以上的比例的被定向在结构层内的纤维，这些纤维相对于拉挤纤维被定向在20°至70°之间的角度。 [0023] 这对于该部件的整体承载能力是有利的，如果至少两个结构层被提供，拉挤层被布置在所述结构层之间并且至少一个结构层在外侧上以及所述至少一个其它结构层在内侧上。 [0024] 在机械性能、重量和成本之间的良好折衷是由至少一层所实现的，该至少一层在外侧、由玻璃纤维和拉挤层制造和/或该至少一层位于内侧、由碳纤维进行制造。 [0025] 转向柱的总重量被减小，如果由纤维复合材料所制造的部件间接或直接地承受转向主轴。为此目的，进一步优选的是所述至少一个结构层承载着被模制例如由材料粘结或层压附接在其上的功能元件。 [0027] 在根据本发明的转向柱的情况下，特别优选的是如果部件是用于转向主轴轴承单元的引导夹子。如果引导夹子在运行期间位于向上一侧的中心区域里是打开的，则转向柱的进一步的功能元件的连接可以被简化。在此，例如转向锁可以被设置。附图说明 [0028] 本发明在附图基础上在下面进行说明，其中： [0029] 图1示出了根据拉挤法从纤维复合材料制造坯件的工艺步骤的示意图，[0030] 图2示出了图1所示的该技术的另一种设置， [0031] 图3示出了模具的示例， [0032] 图4示出了根据本发明生产转向柱的部件的工艺步骤的示意图， [0033] 图5示出了已经从连续坯料被切断的壳体管的坯料的示例性实施例，[0034] 图6示出了在图5中所示的被进一步加工成壳体管的坯料的示意图，[0035] 图7示出了在图5和6中所示的由固定器完成的用于防盗装置的坯件的示意图，[0036] 图8示出的坯件的优选的层状结构的剖面图， [0037] 图9和10示出图3和图5的可替代的示例性实施例， [0038] 图11示出了根据本发明的通过转向柱的引导夹子的拉挤产生的坯料的进一步的示例性实施例的示意图， [0039] 图12示出了由图11所示的由端件、轴承接受器、轴承和楔形元件完成的坯料的示意图， [0040] 图13示出了具有图12所示的各个部件的预组装模块的示意图， [0041] 图14示出了图13所示的预组装模块的示意图，其理想的开口通过切割操作在引导夹子里获得， [0044] 图17和18示出了具有壳体管和引导夹子的完整的转向柱示意图。 具体实施方式[0045] 图1示出了通过拉挤和编织由纤维复合材料生产元件的工艺方法。纤维复合材料是包含被结合在基体中的增强纤维的材料，从而该材料非常的轻。此外，纤维复合材料通常具有比金属材料更大的特定刚性。因此，该元件的重量可以被减少，而在刚度方面保持相同的特性。部件的刚性也可根据选择或组合而被增加，以便例如减少由道路或发动机诱导产生在方向盘上的振动，从而在舒适性方面提高了性能。 [0046] 为了增加在圆周方向上的部件的刚性和强度以用于接收轴承或传送扭矩，一种或多种进一步的工艺方法可被设置在拉挤工艺的上游或下游。对此，卷绕工艺和编织工艺是适合的。 [0047] 以下的处理序列是可以想象： [0048] a)拉挤-＞卷绕 [0049] b)拉挤-＞编织 [0050] c)编织/拉挤：围绕芯编织-＞拉挤 [0051] d)缠绕/拉挤：缠绕芯-＞拉挤 [0052] 在所有的变体例中，后续的编织和/或缠绕操作和/或拉挤操作可以被设置在下游。 [0053] 随后，将基体在模具中被固化。 [0054] 在对应于图1的方式中，纤维复合材料的坯料1是通过拉挤(也称为挤压)和下游编织进行制造。 [0055] 在所描述的工序b)的情况下，由平行排列的预浸渍的、未固化的连续纤维组成的预浸渍粗纱(preimpregnated rovings)2被使用，在此并未图示出来。 [0056] 在该工序结束时，粗纱2由牵引装置被牵引通过第一模板3(同样此处未示出)并且使其具有所需的外形形状。由牵引装置所施加的拉力在这种情况下是如此的大以至于粗纱2的设置，以及随后的外形形状，在其它工艺步骤中得以保留。 [0057] 第一模板3后，已被具有形状的粗纱2通过编织头4。通过在下游设置编织工艺，被拉挤的外形轮廓可以被用作结构或芯并且采用一个或多个缠绕或编织层进行强化。如在编织工艺的情况下的相同结果也可以通过缠绕来实现。与此相反，在卷绕情况下，该粗纱并未在横向定向的结构里设置而是被卷绕。在这种情况下，多个粗纱可以以相应偏移的方式进行卷绕，因此粗纱几乎相同的设置被产生。 [0058] 为了改进成形，在编织头4之后，整个编织物通过第二模板5和第三模板6。随后，该编织物被牵引通过加热固化区7。在固化区7中，合成树脂在热效应下固化并且形成坯料1。对此，树脂被混合有催化剂。该固化可通过引入被升高的温度和/或通过引入超声和/或通过引入紫外光而发生。 [0059] 采用芯或模具芯11，模制部件可以被压制在模具中。 [0060] 模具芯11有利地延伸涵盖从拉挤或编织的或卷绕工艺的开始到可固化的树脂的固化的整个距离。这使得在由拉挤成形的支撑件内设置编织物或绕芯的纤维是可能的。 [0061] 工序b)的另一个实施方案在图2中被示出。 [0062] 在此，粗纱2通过被牵引而通过第一模板而被具有轮廓外形形状(这里未示出)。之后，如先前的实施例，粗纱2的第二层通过被引入到编织头4被编织到粗纱2的设置上。在编织头4之后，编织物通过浸渍浴槽8，在其中它被浸渍有液态的合成树脂。接着，在加热固化区7里合成树脂被固化，该加热固化区同时形成模具9。所提供的模具9确保了轮廓形状并且可以执行进一步的成形操作。在固化后，坯料1被切成一定尺寸或通过切割装置10切割。 [0063] 作为在浸渍浴槽里浸渍粗纱2的替代方式，也可以想到并且可能的是直接引导可固化的树脂到模具内，优选采用压力，并且由此浸渍含有树脂的纤维。 [0064] 图3示出了具有模具芯11的模具9。该模具芯11用于坯料7的成形并且可以自行使用或者除了模板外被加以使用。可重复使用的模具芯11在此情况下优选由铝或钢制造。该模具芯可在一侧上从模具突出并且到达编织头4或者到达第一模板3。在上述序列c)和d)的情况下，这种布置是特别有利的，甚至是必要的。原则上已知的是该结构泡沫的模具芯，其可以保留在纤维复合物部件里，或者可溶的模具芯11，其在纤维复合材料固化后被洗出。然而，这种芯并非优选的。 [0065] 工序b)的示意图再现于图4中。在第一步骤中，粗纱2由辊开卷器12进行退绕。在此之后，在编织物由编织头4施加以及整个轮廓通过第二模板5之前，它们通过第一模板3。随后，粗纱2运行通过浸渍浴槽8、模具9和固化区7。被接收在浸渍浴槽8里的树脂在固化区7进行固化。该固化区7下游有牵引装置13，其在先前的图1和2中并未示出。粗纱2由该牵引装置13拉伸并拉牵拉从左到右通过该构造的各个部件。在该工艺的最后步骤中，切割装置10提供用于对坯料1进行切割成正确的长度。 [0066] 在进一步的步骤(图5-7)，所述坯料1被完成以形成根据本发明的转向柱的壳体管14。正如在图5中所示，为此目的，具有开口的第一研磨浮雕在端面16处被引导到坯料1的导向脊15内。此外(图6)，第二研磨浮雕17在导向脊15处被引导并且，与其它元件一起作用，其可以作为根据本发明的转向柱的线性停止件。此外，在坯料1的两侧上，用于支撑转向主轴的相应轴承19被接附到坯料1。在图7中，预组装的壳体管14被示出。为了完成它，用于固定器(此处未示出)的保持部21在坯料1的端面16处被设置在导向脊15的第一研磨浮雕20上，从而使得止动器可通过开口22啮合进入在此并未显示的转向主轴内。 [0067] 在图8中，坯料1的优选层状结构的轮廓被表示。该轮廓显示了具有被内嵌在三层里的粗纱2的被固化的合成树脂。在这种情况下，剖面线不能被视为粗纱2。 [0068] 内层23由拉挤的粗纱组成，在元件例如转向柱的壳体管主要受到拉伸或弯曲负荷的情况下，该内层在轴向方向上大致位于用于力的通量的元件里。 [0069] 层状结构的外层24，25由由编织或缠绕技术创建的装置组成，具有大约+/-45°的角度。被定向在±45°的纤维层允许由横向力引起的拉伸应力被吸收。 [0070] 层状结构的所有纤维可以由玻璃、芳族聚酰胺或碳组成。其它材料也可用作用于形成纤维。优选的，外层24、25由玻璃纤维形成并且被拉挤的内层23采用碳纤维形成。 [0072] 在图9和10中所示的是模具9和可替代型壳体管14的坯料1，其中，没有导引脊被设置并且壳体管14以多角的、多边形形状来形成。根据本发明的该方法的一个优点是该轮廓的配置可以被自由选择，并且因此该壳体管的成形不会被限制。 [0073] 此外，在根据本发明的方法的情况下，坯料的横截面可以在宽的范围内选择。被封闭的和开放的部件可以被生产，例如导引夹子。图11至14示出了导引夹子26的示意图。如在图1，2和3中所示，相应的坯料1在拉挤和编织以及缠绕技术的组合下被生产。随后，在对应于图12的方式中，端件27、轴承接受器28和用于转向主轴的轴承29被连接，并且用于转向柱的夹紧系统的楔形元件30被插在坯料1里。在图13中，以该方式被预组装的模块被示出。随后，周向闭合的坯料1在切割操作中被切割开，以便获得在旋转杆26里所需的开口。在图15中，具有相应切口的所述引导夹子26的替代实施例被表示。图16示出了在引导脊15里的夹紧螺栓31的啮合，其在夹紧系统的打开位置里由阻挡件限制线性调节。 [0074] 为了形成转向柱，各个部件被装配，其中至少一个部件由所描述的技术进行生产。 [0075] 图17和18示出了根据本发明的转向柱32，它包括转向主轴33，其在转向主轴轴承单元里35绕其旋转轴线34被可旋转地安装，具有壳体管14。该壳体管14在引导夹子26里沿所述转向主轴33的纵向轴线34可移动地被引导。该引导夹子26在保持部件37里绕枢转轴线36被可枢转地安装。保持部件37可以在紧固点38处被紧固到车体(未示出)。由驾驶员通过方向盘(未示出)引入到转向主轴33的回转运动通过万向节39和进一步转向主轴部40被引入到转向齿轮(未表示)里。为了增加驾驶员的舒适度，转向柱32可在调节方向41上在其高度上以及在调节方向42上在其长度上进行调节。为此目的提供了固定机构43，其包括在现有技术中已知的夹持装置。所述夹紧装置具有夹紧螺栓32、凸轮机构44、反压轴承45和夹紧杆46。通过转动夹紧杆46，凸轮机构44的两个凸轮相对于彼此被旋转并且侧边件37a和37b被拉到一起，由此，保持部件37的侧边件37a，37b与引导夹子26的侧面的摩擦支撑，以及依次与壳体管14的侧面的摩擦支撑会发生。 [0076] 夹紧螺栓31穿过保持部件37的侧边件37a、37b里的槽以及引导夹子26的侧面26a、26b里的孔。该凸轮机构44被布置在夹紧螺栓的一端上并且压力轴承45被布置在夹紧螺栓 31的另一侧边上。侧边件37a、37b和侧面26a、26b以及壳体管14被布置在凸轮机构44和受压轴承45之间。 [0077] 通过转动夹紧杆46，固定系统43可根据选择被切换到打开位置或关闭位置。在打开位置时，转向主轴33，或固定在其上的方向盘(在图中未表示)，可在其位置被调整，特别是在纵向方向42上和在其高度或倾斜度41的方向上被移动。在固定系统43的关闭位置里，转向柱32被固定在其位置上。 [0078] 名称列表 [0079] 1 坯料 [0080] 2 粗纱 [0081] 3 模板 [0082] 4 编织头 [0083] 5 模板 [0084] 6 模板 [0085] 7 固化区 [0086] 8 浸渍浴槽 [0087] 9 模具 [0088] 10 切割设备 [0089] 11 模具芯 [0090] 12 辊开卷器 [0091] 13 牵引装置 [0092] 14 壳体管 [0093] 15 引导脊 [0094] 16 端面 [0095] 17 磨碎浮雕 [0096] 18 轴承接受器 [0097] 19 轴承 [0098] 20 磨碎浮雕 [0099] 21 保持器 [0100] 22 开口 [0101] 23 内层 [0102] 24 外层 [0103] 25 外层 [0104] 26 引导夹子 [0105] 27 端部件 [0106] 28 轴承接受器 [0107] 29 轴承 [0108] 30 楔形元件 [0109] 31 夹紧螺栓 [0110] 32 转向柱 [0111] 33 转向主轴 [0112] 34 旋转轴 [0113] 35 转向主轴轴承单元 [0114] 36 枢转轴 [0115] 37 保持部件 [0116] 38 紧固点 [0117] 39 万向节 [0118] 40 转向主轴部件 [0119] 41 调整方向 [0120] 42 调整方向 [0121] 43 固定机构 [0122] 44 凸轮机构 [0123] 45 反压轴承 [0124] 46 夹紧杆 |
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