在车辆行走机构区域中至少局部以纤维复合材料构造的结构元件.pdf

本发明涉及一种至少局部以纤维复合材料构造的结构元件，该结构元件例如是车辆的结构元件并且在那里特别是设置在行走机构区域中，所述结构元件具有针对于拉力负荷的过载设计的区段，该区段由以多层相叠折褶的扁平的纤维半成品或纤维复合材料带材(1)所构成，或者由以多个相联的层重叠的开放式或封闭式的纤维半成品(1)或纤维复合材料(1)型材所构成，各层通过纤维复合材料的塑料基质相互连接。

权利要求书
1.  至少局部以纤维复合材料构造的结构元件，该结构元件例如是车辆的结构元件并且在那里特别是设置在行走机构区域中，所述结构元件具有针对于拉力负荷的过载设计的区段，该区段由以多层相叠折褶的扁平的纤维半成品或纤维复合材料带材(1)所构成，或者由以多个相联的层(1)重叠的开放式或封闭式的纤维半成品(1)或纤维复合材料(1)型材(1)所构成，各层通过纤维复合材料的塑料基质相互连接。

2.  如权利要求1所述的结构元件，其特征在于：在所述区段中，在至少两个相叠折褶的或者重叠的层之间设置有附加的固定连接机构。

3.  如权利要求2所述的结构元件，其特征在于：所述附加的固定连接机构通过缝合或线束钉或装订或夹紧形成。

4.  如前述权利要求之任一项所述的结构元件，其特征在于：所述区段或者重叠区域(2)通过中间层得到增强。

5.  如前述权利要求之任一项所述的结构元件，其特征在于：每一折褶的层(1)在重叠区域(2)内的重叠长度是相同的。

6.  如权利要求1至3之任一项所述的结构元件，其特征在于：每一折褶的层(1)在重叠区域(2)内的重叠长度是不同的。

7.  如前述权利要求之任一项所述的结构元件，其特征在于：所述区段或重叠区域(2)的折褶部(F)中嵌置有填充材料(3)。

8.  如前述权利要求之任一项所述的结构元件，其作为在机动车行走机构中导引车轮的导杆。

9.  如权利要求8所述的结构元件，其特征在于：所述导杆不是成形为线性延伸的而是成形为近似梯级状的并且在不同梯级中分别设置有一个所述区段或重叠区域(2)。

说明书在车辆行走机构区域中至少局部以纤维复合材料构造的结构元件
技术领域
本发明涉及一种至少局部以纤维复合材料构造的结构元件，该结构元件具有针对于拉力负荷的过载设计的区段。优选但不强制的是，本发明的结构元件可以应用在车辆的行走机构区域中，例如形式上为导引车轮的导杆等。
背景技术
在机动车构造中，过载机构例如在行走机构中由导杆、牵杆等的局部失效(例如折弯)反映出来或者在事故情况中还通过连接元件(如橡胶接头等)的脱开或剪断而反映出来。所采用的这些机构只能部分地反映出以纤维复合塑料构造的结构元件(这种结构元件未来得到越来越多的应用)的情况，因为特别是连续纤维(长纤维)增强的塑料不具备可塑特性。对于这种材料来说，在事故中或者过载中表现的特性尤其是在拉力负荷线路(Zuglastpfad)中是数字式的，也就是说，在完全承载情形与完全失效之间典型地发生一种突然转变。然而这一点例如在导引车轮的导杆情况中是不希望的。具体来说，受到过载作用的导引车轮的导杆即使不能精确地在原来位置中导引车轮，也应该能够部分地进行引导。此外，对于在损坏事件之后或期间负荷承载特性的针对性设计来说只有少许调节量可供使用。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种至少局部以纤维复合材料构造的结构元件，该结构元件具有针对于拉力负荷的过载设计的区段，该结构元件在一定的、按照量值被限定的(也就是说，并非极端高的)过 载时，沿着拉力方向不是突然完全失灵，而是至少还能在小范围之内承担其功能。
上述目的的解决方案在于这样一种至少局部以纤维复合材料构造的结构元件，该结构元件例如是车辆的结构元件并且在那里特别是设置在行走机构区域中，所述结构元件具有针对于拉力负荷的过载设计的区段，该区段由以多层相叠折褶的扁平的纤维半成品或纤维复合材料带材所构成，或者由以多个相联的层重叠的开放式或封闭式的纤维半成品或纤维复合材料型材所构成，其具有沿着拉力负荷方向水平的纤维分布走向，各层通过纤维复合材料的塑料基质相互连接。另外，所述区段(其具有按本发明多次重叠的并且相联的各层，这些层在型材的情况中实际上也是折褶的)也称为重叠区域，。
根据本发明，在结构元件中设置了基本上单向的纤维的重叠，其中，所述纤维构造为连续纤维并且基本上沿着结构元件的拉力负荷的方向定向排列。在重叠区域中，在从侧面观察的情况下，这些纤维在差不多是处于S型的形状中，也就是说，它们在最广泛的意义上例如这样地描绘出字母“S”，即，例如从右侧水平导引过来的纤维在一竖直平面内以180°弯曲向上导引，并且首先又重新向右延伸一定的距离，以便接着再次180°弯曲向上、向左被继续水平导引。现在可以规定：首先仅仅相应地敷设一个纤维半成品(＝“干燥的”集结物或类似物，其具有大量彼此平行走向的单向增强纤维，例如碳增强纤维)并且通过添加塑料基质而构成结构元件，或者相应地敷设具有单向增强纤维的经过预处理的纤维复合材料(例如形式上为“预浸料坯”)，以便接着相应地制作结构元件。在两种情况中，所述平行的增强纤维的相叠折褶的各层在重叠区域内相互连接，而且是通过整体使结构元件成形的纤维复合材料的塑料基质(相连接)。
利用这样的构造设计，按照本发明构成的结构元件在出现拉力过载时沿着拉力方向在一定程度上展开，因此不是突然彼此撕裂或断裂开来，而是所述针对于拉力负荷的过载设计的区段或者说重叠区域使得结构元件的通常位于该区段的两侧的部分(即使在撕开或展开之后) 在重叠区域内继续相互连接，从而，该结构元件在这样的过载情况之后也能够至少部分地继续执行其特别是传递拉力的功能。因此，由于本发明的构造设计，与可能的备选方案(亦即安装现有技术中的单独的过载元件)相比，可以实现重量减轻并且此外可以有益地达到很高的能量吸收性能。在宽泛的范围内彼此独立地针对正常使用以及针对过载情形，可以通过选择所述增强纤维带材或纤维复合材料带材的宽度或适当地选择型材横截面和重叠长度来调节所述重叠区域的力-位移-特性。在此，特别有益的是本发明的结构元件在其所述的针对过载而设计的区段中的逐步失效，这一点在一种特别有益的发展设计中还能以多个步骤来实现，方式是，设置多个重叠。
根据一种有益的发展设计，重叠区域可以通过中间层和/或缝合得到增强。通过这种方式可以在过载情况中同样在宽泛范围内对力-位移-特性施加影响。在缝合的情况中，至少两个在重叠区域内相叠的纤维半成品或者纤维复合材料层特别是在纤维上通过一个附加的连接机构固定地、例如力锁合地相互连接，具体而言，例如通过缝合或装订或线束钉(Taften)或夹紧等。然而也可以通过在两个相联重叠的增强纤维层(形式上为纤维半成品或形式上为纤维复合材料)之间的中间层构成一种增强，其中，优选该中间层应该从重叠区域牵入结构元件的与该重叠区域相接的区域中并且还应该在该重叠区域以外与其他的纤维层连接。原则上，每一折褶的层在重叠区域内的重叠长度可以是相同的；然而作为可选方案，每一折褶的层在重叠区域内的重叠长度也可以是不同的。
可以在所述针对于拉力负荷的过载设计的区段或者重叠区域的折褶部中嵌置适当的填充材料，该填充材料可有助于在过载情况下的展开并且另外可以用于避免纤维断裂。这样的填充材料例如可以是一根以其轴线与相应的增强纤维成横向延伸的辊或者一根软管，然而作为可选方案，也可以是一个例如由硅酮或者特氟隆(聚四氟乙烯)构成的面状层，这些材料防止重叠的纤维复合物质层在为了构成相联的重叠而设的弯曲折褶部内相互粘附。因此，这样便可以在确定的过载情 况中有针对性地对失效特性(也就是说重叠的开裂)进行调节。
已经提及：按照本发明构造的结构元件例如可以是机动车行走机构中导引车轮的导杆。当然也能够以相应的方式构造其他的、承载拉力的、在过载时不应该突然完全撕裂开来的结构元件。再说到导引车轮的导杆，已知的是：这种导引车轮的导杆不只可以成形为线性延伸的，而且也可以成形为近似梯级状的，于是可以在不同的梯级中分别设置一个所述的区段或重叠区域。另外，这种导杆可以构造有由不同的单件构成的重叠区域，即一种经过事先折褶的和构成所述重叠区域的零件体，在该零件体的两侧安装有一端头件，导杆通过该端头件与其他的结构元件连接。这些端头件可以例如由压铸件或者纤维复合压制料组成并且例如材料锁合地与构成重叠区域的零件体相连接。然而作为可选方案，所述端头件也可以由金属材料组成。
附图说明
由下面参照附图的说明可得知本发明的其他细节、特征和优点。附图中：
图1为纤维半成品带材或纤维复合材料带材具有本发明重叠区域(带有该带材的多个层)的透视图；
图2为图1中示图的侧视图；
图3至8为在相应的按照本发明的重叠区域内纤维半成品带材或纤维复合材料带材的层的一些不同的、可选的实施方式，分别为类似于图2的侧视图；
图9为本发明的结构元件在车辆行走机构中可能的布局设置；
图10为本发明的一种构造设计，其中，在重叠区域内成多层地设置型材代替带材；
图11为型材的另一种可能的构造设计，可以类似于图10设置该型材，和
图12为一个封闭式型材的立体的局部剖视图，该型材具有按照本发明的重叠区域。
具体实施方式
在图1至8以及图10至12中示出了本发明结构元件的一个组成部分，该结构元件例如可以用作机动车中的牵杆，该牵杆则又可以用作导引车轮的导杆。结构元件具有例如分别由单向增强纤维复合材料1构成的扁平的带材(参见图1)或者开放式的型材(参见图10)或封闭式的型材(参见图11、12)，或备选地，具有相应的纤维半成品1，该纤维半成品带有单向延伸的增强纤维，例如碳增强纤维，所述带材或型材或纤维半成品在一个所谓的重叠区域2内以多层相叠折褶。由此单层或者层组构成了相应的重叠区域2，在这些重叠区域内堆叠地放置有或被放置了单个或多个相联的层的多个折褶部，所述层要么是纤维半成品层、要么是起先尚未固化的纤维复合材料层。各层通过材料的折褶而构成并且沿纤维复合材料1带材的纵向L观察(参见图1)通过在折褶过程(Falt-Prozess)中形成的折褶部F相联地彼此连接。另外，在图1中重叠的五层纤维复合材料1或纤维半成品1在重叠区域2内沿着垂直于带材1的方向S(参见图2)相互连接，而且是通过纤维复合材料的塑料基质(相连接)。
在此，例如以碳构造的增强纤维优选沿着带材1的纵向L单向地在纤维复合物质或纤维半成品带材1内部延伸；这些彼此并排布置的增强纤维通过相对增强纤维成角度延伸的编接丝线被保持在一起，所述编接丝线例如可以由玻璃纤维构成。
另外，在图1中通过沿着所示纤维复合物质带材1的纵向L延伸的箭头Z表示出结构元件的或者位于该结构元件内的带材1的拉力负荷，该拉力负荷与设置在该带材内并且由连续纤维构成的增强纤维的延伸方向同向。在有关结构元件拉力过载的情况下，重叠区域2或者说带材1在一定程度上沿着所述箭头Z的方向被开褶展开。
当然，本发明的结构元件可以由多个这样的纤维复合物质带材1构成，这些带材则同样又可以沿着箭头方向S观察相叠布置；另外，当然可以有覆盖层设置在图示的纤维半成品或纤维复合物质带材1的 上方和下方，这些覆盖层则又可以由一个或多个纤维增强塑料层组成，例如由单向的集结物、编织物、纺织品或其他的纺织半成品组成。
另外，正如下面将阐述和示出的那样，可以将其他的纤维复合物质层或纤维半成品层的附加的、开放的端部置入纤维复合物质带材1的折褶部的区域内。另外，可以将这些层中的单层或多层特别是在重叠区域2内借助丝线沿着厚度方向(箭头方向S)在局部部位(按点)缝合、线束钉上(tuften)或借助其他的纺织过程或通过夹子装订到一起。这种装订原则上既可以涉及结构元件的重叠区域2也可以涉及该重叠区段2旁边的区段。
在图3至8中大幅度概括性地示出了一些不同的实施方式，关于纤维半成品层或者纤维复合物质层(在此形式上为带材1)可设置的方式。
根据图3，在重叠区域2中，各层的重叠长度是相同的。根据图4，重叠长度是不同的。图8示出了具有两个交织在一起的重叠区域2的构造设计，其包括两个折褶的纤维复合材料或纤维半成品层1、1′。
在图5中示出了一种包括上部覆盖层4、本发明的折褶层1、嵌置的中间层6和下部覆盖层7的实施方式，这些层分别由形式上为预浸料坯等的纤维半成品或纤维复合物质构成。图6示出了一种类似于图5的构造设计，然而在不同的区域中具有缝合部8。
根据图7，在重叠区域2内在折褶的层1中将附加的填充材料3嵌置到折褶部7或者说其顶端之中。这些填充材料3的作用在于实现折褶的带材1的较大的曲率半径，借此可以预防由于纤维断裂而导致的过早失效。原则上可以考虑采用与覆盖层所用材料同样的材料作为填充材料3，然而特别是也可以考虑短纤维的、带状的或绳状的纤维集结物形态等。而如果将一种与纤维复合材料的塑料物质不连结/不化合的材料用于所说的填充材料3，那么这种填充材料在有关结构元件拉力过载的情况中特别有助于重叠区域2的开褶展开。
按照本发明构造的结构元件可以用作例如在车辆行走机构区域中承载负荷的牵杆。在此，所述牵杆可以运动地设置在例如车轮导引系 统中(＝导杆)。与邻接构件的接界点则主要通过活节或者其他挠性的结构形成(例如形式上为薄膜铰链)。作为可选方案，这样的结构元件可以用作车辆内的刚性牵杆，诸如在轴架中或者在轴架与车身之间的支撑。按照本发明构造的结构元件可以是装配的单体部件或者一体的组成部分，如在分节式轴系统(gegliedertes Achssystem)中，例如在带有整合的塑料导杆的轴架中。按照本发明构造的结构元件(其具有至少一层在至少一个重叠区域2内折褶的纤维复合材料层1)可以主要用在如下所述的区域当中，在这些区域内，在过载情况或事故中(例如车辆正面碰撞以及追尾/驶过障碍)出现很高的、可能突然的拉力峰值，应该通过一个有针对性的构件失效来消减/消耗这些拉力峰值。
图9示出了这样的作为机动车行走机构中拉力负荷元件的应用。其车轮9通过一个牵杆10和一个压杆11固定在轴架12上。在轴架12与牵杆10、11之间或者在牵杆10、11与车轮9的轮架之间的活节也可以由挠性结构形成。由此，相应的牵杆10、11成为例如三角导杆的、轴架的或轮架的整体的组成部分。
结构元件(其具有按照本发明的以及鉴于过载而设计的重叠区域2)可以构造为型材状的或带状的、带有充实的(单体的)横截面的构件，该横截面可以构造成在构件长度上可变的。为了满足运行中例如抗弯强度要求，可能是适宜的是：横截面为开放式型材(例如U型材)或者通过对半壳的粘合或者通过编接、亦或为封闭式型材。在此，相应型材的纵轴尤其是沿着拉力负荷方向延伸。
在图10和11中示出了由本发明的纤维复合材料1组成的型材的示例性构造设计。图10示出了帽形或u形的、具有整合的重叠区域2的横截面轮廓，图11示出了一个封闭式型材，其由两个相互接合的半壳1、1′组成。在此，两个半壳1、1′可以例如缝合、粘合、铆合、螺接、(在热塑性塑料的情况中)焊接，或者通过共固化，也就是说在共同加工时在注射成型过程中连接在一起。
图12示出了一个封闭式空心型材的立体的局部剖视图，该空心型材包括一个在此为圆柱形的芯体13，纤维半成品或纤维复合物质层1 以本发明的方式敷设在该芯体上，亦即带有重叠区域2。可以通过对芯体13进行编绕而制成该空心型材，其中，编接方向在重叠区域2中多次翻转。
尽管此前只是提到将碳纤维作为增强纤维，然而在本发明的范围内任意例如具有碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维的连续纤维增强塑料都可以用作纤维复合材料，另外，作为覆盖层也可以使用由散乱纤维构成的纤维网(无纺织物)或纤维垫，另外可以使用上述材料的再生连续纤维或其组合。作为塑料，同样可以使用热塑性塑料或热固塑料，当然也可以使用SMC(经过预浸渍的预浸料坯及无纺织物)。
芯体(如在图12中以附图标记13示出)或填充材料(如在图7中以附图标记3示出)作为过程介质可以在一个后来的工序中除去或者仍保留在按照本发明构造的结构元件中。对于封闭式型材，可以事后通过冲洗或其他补充加工处理来除去轻质的、抗剪的(Schubfest)芯体，特别是泡沫或气孔芯，以获得一种空心的或者部分空心的型材。
在本发明结构元件的正常工作状态中，其性能主要由纤维特性并且当然还由尤其是重叠区域2旁边的构造所决定，而在所述结构元件的过载情况中则执行剥离模式或脱层模式(Delaminationsmodus)，此时，起先在重叠区域2内形成折褶的堆叠逐渐地从重叠的层1中展开。在此，该展开过程的力-位移-特性可以附加地受可选地插入的中间层(“填充材料”)和/或缝合的影响。在拉力负荷超过一定的设计极限时便实施按照本发明构造的结构元件的这些所谓的失效功能。重要的损坏现象乃是在折褶部F区域内的脱层，可能还结合有必要时设置的装订丝线或缝合丝线的失效。由此，折褶在动态情况中依次先后展开。
在结构元件的这种损坏发展的过程中，也就是说在这样的展开过程期间，(例如由车辆碰撞产生的)能量有益地得到消减。所述能量消减由多个阶段组成，亦即有一开始阶段，在该开始阶段中诱发第一损坏，继而在第二阶段中，消减的能量随时间变化的过程与由于重叠的 “展开”而自由敞开的断裂面成正比。因此原则上折褶重叠的几何尺寸可供用于结构元件的设计。在能量消减的最后阶段中，通过纤维层局部和最终全盘的失效而带来能量。也可以通过在重叠区域2内重叠的不同长度有针对性地对纤维失效进行调节。在此，将几何构造设计、纤维体系结构和材料组合方式相结合来实现所期望的失效功能。