BR112020002171B1

BR112020002171B1 - METHOD FOR MANUFACTURING A COMPOSITE TORSION AXLE FOR A VEHICLE REAR SUSPENSION

Info

Publication number: BR112020002171B1
Application number: BR112020002171-7A
Authority: BR
Inventors: Andrea Santini; Marco Goia; Fabio Pulina
Original assignee: Sistemi Sospensioni S.P.A.
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2024-07-02

Abstract

É descrito um eixo de torção (10) compreendendo um membro transversal (12) e um par de braços de suporte (14) de metal, cada um firmemente conectado a uma respectiva extremidade do membro transversal (12). O membro transversal (12) possui uma estrutura híbrida tendo um elemento central (22) de material compósito, com uma resina de matriz reforçada com fibras e com um par de elementos laterais (24) de metal firmemente conectados ao elemento central (22). Depois que o membro transversal (12) é fabricado, com o elemento central (22) e os dois elementos laterais (24) firmemente conectados ao elemento central (22), cada braço móvel (24) é soldado a um respectivo elemento lateral (24) do membro transversal (12).A torsion shaft (10) comprising a cross member (12) and a pair of metal support arms (14), each securely connected to a respective end of the cross member (12), is described. The cross member (12) has a hybrid structure having a central element (22) of composite material with a fiber reinforced matrix resin and a pair of metal side elements (24) securely connected to the central element (22). After the cross member (12) is manufactured, with the central element (22) and the two side elements (24) securely connected to the central element (22), each movable arm (24) is welded to a respective side element (24) of the cross member (12).

Description

[001] A presente invenção se refere geralmente a um método para fabricar um eixo de torção para uma suspensão traseira de um veículo, e mais particularmente a um método para fabricar um eixo de torção compósito.[001] The present invention generally relates to a method for manufacturing a torsion shaft for a rear suspension of a vehicle, and more particularly to a method for manufacturing a composite torsion shaft.

[002] Um típico eixo de torção para uma suspensão traseira de um veículo compreende basicamente um membro transversal central e um par de braços de suporte, que ficam firmemente conectados às extremidades transversais opostas do membro transversal e dos elementos de suporte que suportam os eixos das rodas e dos elementos de montagem do eixo na carroceria do veículo. Enquanto os braços de suporte atuam como componentes rígidos, na medida em que suportam deformações desprezíveis sob condições normais de carga, o membro transversal atua como um componente deformável, em particular sob torção, para permitir que os braços de suporte girem elasticamente um em relação ao outro em torno do eixo do membro transversal, isto é, em torno de um eixo perpendicular à direção longitudinal (direção de movimento) do veículo. A rigidez torsional do membro transversal pode ser modificada para alcançar um determinado valor, projetando-se adequadamente o formato da sua seção transversal, que pode ser uma seção aberta tendo um perfil com diferentes formatos, por exemplo, em formato de "C", em formato de "L", em formato de "V", em formato de "Q", ou em formato de seção fechada. Tipicamente, tanto o membro transversal como os braços de suporte são feitos de metal, em particular de aço, e os braços de suporte são conectados ao membro transversal por meio de soldagem.[002] A typical torsion axle for a vehicle rear suspension basically comprises a central transverse member and a pair of support arms, which are firmly connected to the opposite transverse ends of the transverse member and the support elements that support the axles of the vehicle. wheels and axle mounting elements on the vehicle body. While the support arms act as rigid components, in that they withstand negligible deformations under normal loading conditions, the transverse member acts as a deformable component, in particular under torsion, to allow the support arms to elastically rotate relative to each other. another around the axis of the transverse member, that is, around an axis perpendicular to the longitudinal direction (direction of movement) of the vehicle. The torsional rigidity of the transverse member can be modified to achieve a certain value by appropriately designing the shape of its cross-section, which can be an open section having a profile with different shapes, for example, in a "C" shape, in "L" shape, "V" shape, "Q" shape, or closed section shape. Typically, both the cross member and the support arms are made of metal, in particular steel, and the support arms are connected to the cross member by welding.

[003] Um método para fabricar um eixo de torção compósito para uma suspensão traseira de um veículo é conhecido a partir do documento US 2016 / 046169 Al, onde um membro transversal feito de um material compósito baseado em fibras está conectado, em cada uma das suas extremidades opostas, a um elemento de conexão de um respectivo braço de suporte feito de metal. O elemento de conexão pode ser formado como uma peça única junto com o respectivo braço de suporte, ou ser formado como uma peça separada do braço de suporte e ser conectado a este último através de uma conexão roscada, colagem, soldagem, ou outro tipo de conexão. A conexão entre o membro transversal e cada um dos elementos de conexão é obtida por encaixe forçado ou através de um processo de união térmica.[003] A method for manufacturing a composite torsion shaft for a rear suspension of a vehicle is known from document US 2016 / 046169 Al, where a transverse member made of a fiber-based composite material is connected, in each of the their opposite ends, to a connecting element of a respective support arm made of metal. The connecting element can be formed as a single piece together with the respective support arm, or be formed as a separate piece from the support arm and be connected to the latter through a threaded connection, gluing, welding, or other type of connection. The connection between the cross member and each of the connecting elements is achieved by forced fitting or through a thermal bonding process.

[004] É um objetivo da presente invenção prover um método para fabricar um eixo de torção compósito para uma suspensão traseira de um veículo que é aperfeiçoado em relação ao estado da técnica anterior, e que garante, em particular, uma conexão mais confiável e resistente entre a parte compósita e a parte de metal do membro transversal.[004] It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a composite torsion shaft for a rear suspension of a vehicle that is improved over the prior art, and which guarantees, in particular, a more reliable and resistant connection between the composite part and the metal part of the cross member.

[005] Este e outros objetivos são completamente alcançados, de acordo com a presente invenção, em virtude de um método para fabricar um eixo de torção compósito para uma suspensão traseira de um veículo compreendendo as etapas definidos na reivindicação independente 1 anexa.[005] This and other objectives are fully achieved, according to the present invention, by virtue of a method for manufacturing a composite torsion shaft for a rear suspension of a vehicle comprising the steps defined in the attached independent claim 1.

[006] Em suma, a invenção se baseia na idéia de fazer um eixo de torção no qual os braços de suporte são feitos de metal, enquanto o membro transversal possui uma estrutura híbrida incluindo um elemento central de material compósito (uma matriz de resina termo-endurecível reforçada com fibras, por exemplo, fibras de carbono, e / ou fibras de vidro, e / ou fibras de aramida) e um par de elementos laterais de metal, em que primeiramente o membro transversal é feito conectando-se o referido elemento central do material compósito com os citados elementos laterais de metal, e em seguida cada um dos braços de suporte é firmemente conectado ao membro transversal por meio de soldagem com um respectivo elemento lateral do membro transversal.[006] In short, the invention is based on the idea of making a torsion shaft in which the support arms are made of metal, while the transverse member has a hybrid structure including a central element of composite material (a thermoresin matrix). hardenable reinforced with fibers, e.g. carbon fibers, and/or glass fibers, and/or aramid fibers) and a pair of metal side elements, in which first the transverse member is made by connecting said element center of the composite material with said metal side elements, and then each of the support arms is firmly connected to the cross member by welding with a respective side element of the cross member.

[007] O elemento central do membro transversal pode ter uma seção transversal aberta ou fechada de qualquer formato.[007] The central element of the transverse member can have an open or closed cross-section of any shape.

[008] De preferência, cada um dos dois elementos laterais do membro transversal possui uma pluralidade de saliências, em particular saliências semelhantes a pinos, na superfície externa de uma sua porção transversal (isto é, uma porção voltada para o elemento central do membro transversal), e o elemento central do membro transversal é obtido a partir de uma malha adequadamente conformada de fibras tecidas, que é enrolada nas suas extremidades em torno das porções transversais internas dos dois elementos laterais, de modo a que as saliências penetrem nas fibras tecidas da referida malha, sendo então impregnada com uma matriz polimérica, em particular com uma resina termo-endurecível, sendo finalmente curada (por exemplo, por um processo de cura em autoclave ou qualquer outro processo de cura conhecido).[008] Preferably, each of the two lateral elements of the transverse member has a plurality of projections, in particular pin-like projections, on the outer surface of a transverse portion thereof (i.e., a portion facing the central element of the transverse member ), and the central element of the transverse member is obtained from a suitably shaped mesh of woven fibers, which is wound at its ends around the inner transverse portions of the two lateral elements, so that the protrusions penetrate the woven fibers of the said mesh, then being impregnated with a polymeric matrix, in particular with a thermosetting resin, being finally cured (for example, by an autoclave curing process or any other known curing process).

[009] Os elementos laterais do membro transversal, bem como os braços de suporte, podem ser feitos de aço ou de outros metais, tais como por exemplo alumínio.[009] The lateral elements of the transverse member, as well as the support arms, can be made of steel or other metals, such as, for example, aluminum.

[010] Outras características e vantagens da presente invenção tornar-se-ão evidentes a partir da descrição detalhada a seguir, provida apenas a título de exemplo não limitativo, com referência aos desenhos anexos, onde: - A figura 1 é uma vista em perspectiva de um eixo de torção para uma suspensão traseira de um veículo, obtido com o método de fabricação da presente invenção; - A figura 2 é uma vista em perspectiva do membro transversal do eixo de torção da figura 1; - A figura 3 ilustra, em uma escala ampliada, o detalhe A da figura 1; - A figura 4 ilustra a malha de fibras tecidas a partir da qual o elemento central do material compósito do membro transversal da figura 2 é obtido; e - A figura 5 ilustra a malha da figura 4 enquanto ela está sendo enrolada, nas suas extremidades opostas, sobre as porções transversais internas dos dois elementos laterais do membro transversal da figura 2.[010] Other features and advantages of the present invention will become evident from the following detailed description, provided only by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, where: - Figure 1 is a perspective view of a torsion shaft for a rear suspension of a vehicle, obtained with the manufacturing method of the present invention; - Figure 2 is a perspective view of the transverse member of the torsion axis of Figure 1; - Figure 3 illustrates, on an enlarged scale, detail A in figure 1; - Figure 4 illustrates the woven fiber mesh from which the central element of the composite material of the transverse member of Figure 2 is obtained; and - Figure 5 illustrates the mesh of Figure 4 while it is being wound, at its opposite ends, over the internal transverse portions of the two lateral elements of the transverse member of Figure 2.

[011] Com referência primeiramente à figura 1, um eixo de torção para uma suspensão traseira de um veículo é geralmente indicado pelo numeral 10, compreendendo basicamente um membro transversal 12 e um par de braços de suporte 14, cada um dos quais estando firmemente conectado a uma respectiva extremidade lateral do membro transversal 12.[011] Referring primarily to figure 1, a torsion shaft for a rear suspension of a vehicle is generally indicated by the numeral 10, basically comprising a transverse member 12 and a pair of support arms 14, each of which is firmly connected to a respective lateral end of the transverse member 12.

[012] Na forma de incorporação mostrada, o membro transversal 12 é um membro transversal com eixo retilíneo que se estende ao longo de um eixo transversal horizontal y, isto é, um eixo horizontal perpendicular à direção longitudinal, ou direção desde a frente até a traseira, do veículo. Alternativamente, o membro transversal 12 também pode estender-se ao longo de um eixo transversal tendo um perfil curvilíneo, como por exemplo um eixo tendo uma porção central arqueada com uma concavidade voltada para baixo e um par de porções de extremidade laterais retilíneas.[012] In the embodiment shown, the transverse member 12 is a transverse member with a straight axis that extends along a horizontal transverse axis y, that is, a horizontal axis perpendicular to the longitudinal direction, or direction from the front to the rear of the vehicle. Alternatively, the transverse member 12 may also extend along a transverse axis having a curvilinear profile, such as an axis having an arched central portion with a downwardly facing concavity and a pair of straight side end portions.

[013] Na forma de incorporação mostrada, o membro transversal 12 apresenta uma seção transversal central com um formato aberto. Mais particularmente, na forma de incorporação mostrada, a seção transversal central do membro transversal 12 apresenta formato de "C", mas poderia ter qualquer outro formato aberto, como por exemplo formato de ômega. Alternativamente, o membro transversal 12 pode apresentar uma seção transversal central tendo um formato fechado. De um modo geral, a seção transversal central do membro transversal 12 é conformada e dimensionada de modo a prover o membro transversal com as características de conformidade torsional exigidas pela aplicação específica.[013] In the embodiment shown, the transverse member 12 has a central cross-section with an open shape. More particularly, in the embodiment shown, the central cross-section of the transverse member 12 has a "C" shape, but could have any other open shape, such as an omega shape. Alternatively, the transverse member 12 may have a central cross-section having a closed shape. Generally speaking, the central cross section of the cross member 12 is shaped and sized to provide the cross member with the torsional compliance characteristics required by the specific application.

[014] Os braços de suporte 14 portam, de uma maneira já conhecida, respectivos membros de suporte de roda 16, respectivas buchas 18 para uma conexão articulada do eixo de torção 10 com a carroceria do veículo (não mostrada), respectivas placas 20 que suportam molas (não mostradas), bem como possíveis outros elementos requeridos para o bom funcionamento do eixo de torção. Os braços de suporte 12 são feitos de metal, como por exemplo aço ou alumínio, e estão configurados para comportarem-se, sob carga, como componentes substancialmente rígidos.[014] The support arms 14 carry, in a known manner, respective wheel support members 16, respective bushings 18 for an articulated connection of the torsion shaft 10 with the vehicle body (not shown), respective plates 20 which they support springs (not shown), as well as possible other elements required for the proper functioning of the torsion shaft. The support arms 12 are made of metal, such as steel or aluminum, and are configured to behave, under load, as substantially rigid components.

[015] Com referência também às figuras 2 e 3, o membro transversal 12 possui uma estrutura híbrida incluindo um elemento central 22 de material compósito (uma matriz de resina, em particular resina termo-endurecível, reforçada com fibras, por exemplo, fibras de carbono, e / ou fibras de vidro, e / ou fibras de aramida), e um par de elementos laterais 24 de metal, como por exemplo aço ou alumínio, cada um firmemente conectado a uma respectiva extremidade do elemento central 22.[015] Referring also to figures 2 and 3, the transverse member 12 has a hybrid structure including a central element 22 of composite material (a resin matrix, in particular thermosetting resin, reinforced with fibers, e.g. fiberglass fibers). carbon, and/or glass fibers, and/or aramid fibers), and a pair of side elements 24 of metal, such as steel or aluminum, each firmly connected to a respective end of the central element 22.

[016] As fibras de reforço do material compósito do elemento central 22 podem ser providas de diferentes maneiras, por exemplo, de acordo com uma configuração biaxial, triaxial ou tridimensional, dependendo do nível de rigidez do membro transversal requerido pela aplicação específica. Não somente a disposição das fibras, mas também o diâmetro das fibras e / ou o número de camadas das fibras, serão apropriadamente escolhidos pelo projetista, dependendo da aplicação específica.[016] The reinforcing fibers of the composite material of the central element 22 may be provided in different ways, for example, according to a biaxial, triaxial or three-dimensional configuration, depending on the level of stiffness of the cross member required by the specific application. Not only the arrangement of the fibers, but also the diameter of the fibers and/or the number of layers of the fibers, will be appropriately chosen by the designer, depending on the specific application.

[017] O elemento central 22 e os elementos laterais 24 são adequadamente concebidos para proverem o membro transversal 12 com as características de rigidez necessárias. Além disso, os elementos laterais 24 também atuam como interfaces com os braços de suporte 14. Cada um dos dois braços de suporte 14 está, de fato, firmemente conectado ao membro transversal 12, por meio de soldagem com um respectivo elemento lateral 24.[017] The central element 22 and the lateral elements 24 are suitably designed to provide the transverse member 12 with the necessary rigidity characteristics. Furthermore, the side elements 24 also act as interfaces with the support arms 14. Each of the two support arms 14 is, in fact, firmly connected to the transverse member 12, by means of welding with a respective side element 24.

[018] Com referência particular à figura 3, cada elemento lateral 24 do membro transversal 12 é formado como um elemento tubular e possui, na superfície externa de uma porção transversal interna do mesmo (isto é, uma porção voltada para o elemento central 22), uma pluralidade de saliências 26, particularmente formadas como saliências semelhantes a pinos radiais, de preferência uniformemente distribuídos sobre a superfície externa da referida porção do elemento de lateral 24.[018] With particular reference to figure 3, each side element 24 of the transverse member 12 is formed as a tubular element and has, on the outer surface of an internal transverse portion thereof (i.e., a portion facing the central element 22) , a plurality of protrusions 26, particularly formed as radial pin-like protrusions, preferably uniformly distributed over the outer surface of said portion of the side member 24.

[019] As saliências 26 atuam como pontos de ancoragem para as fibras do material compósito do elemento central 22, para a conexão rígida dos dois elementos laterais 24 ao elemento central 22, como será explicado mais adiante. As saliências 26 também atuam como dissipadores de calor, permitindo propagar o calor aplicado durante o processo de soldagem dos braços de suporte 14 aos elementos laterais 24 sobre uma ampla área do material compósito do elemento central 22, impedindo que o calor se acumule a ponto de comprometer as propriedades mecânicas do material compósito do elemento central 22.[019] The projections 26 act as anchoring points for the fibers of the composite material of the central element 22, for the rigid connection of the two lateral elements 24 to the central element 22, as will be explained later. The projections 26 also act as heat sinks, allowing the heat applied during the welding process from the support arms 14 to the side elements 24 to propagate over a wide area of the composite material of the central element 22, preventing heat from accumulating to the point of compromise the mechanical properties of the composite material of the central element 22.

[020] Um eixo de torção é assim obtido, o qual, apesar do fato de incluir braços de suporte convencionais feitos de metal, apresenta um peso reduzido em comparação com os eixos de torção convencionais, uma vez que inclui um membro transversal tendo uma estrutura híbrida com um elemento central feito de material compósito.[020] A torsion shaft is thus obtained, which, despite the fact that it includes conventional support arms made of metal, has a reduced weight compared to conventional torsion shafts, since it includes a transverse member having a structure hybrid with a central element made of composite material.

[021] O método utilizado de acordo com a presente invenção para fabricar o eixo de torção descrito acima será descrito agora com referência às figuras 4e5.[021] The method used according to the present invention to manufacture the torsion shaft described above will now be described with reference to figures 4e5.

[022] As etapas principais do método são as seguintes: a) Prover o membro transversal 12 tendo uma estrutura híbrida, unindo os dois elementos laterais 24 de metal ao elemento central 22 de material compósito; b) Prover os braços de suporte 14 de metal; e c) Conectar os braços de suporte 14 ao membro transversal 12, por meio da soldagem de cada braço de suporte 14 com um respectivo elemento lateral 24 do membro transversal 12.[022] The main steps of the method are as follows: a) Provide the transverse member 12 having a hybrid structure, joining the two lateral metal elements 24 to the central element 22 of composite material; b) Provide metal support arms 14; and c) Connect the support arms 14 to the transverse member 12, by welding each support arm 14 with a respective lateral element 24 of the transverse member 12.

[023] Mais especificamente, a etapa (a) de fabricação do membro transversal 12 é realizada da seguinte maneira.[023] More specifically, step (a) of manufacturing the transverse member 12 is carried out as follows.

[024] Em primeiro lugar, uma malha de fibras (indicada como 22' nas figuras 4 e 5), destinada a formar o elemento central 22 do membro transversal 12, bem como os dois elementos laterais 24 de metal, são obtidos separadamente. A malha de fibras 22' é formada por camadas de fibras sobrepostas (com uma disposição apropriada das fibras e com o diâmetro das fibras e o número de camadas adequados, dependendo dos requisitos de projeto, conforme já explicado acima), tendo um formato que corresponde ao desenvolvimento do elemento central 22 do membro transversal 12.[024] Firstly, a fiber mesh (indicated as 22' in figures 4 and 5), intended to form the central element 22 of the transverse member 12, as well as the two lateral metal elements 24, are obtained separately. The fiber mesh 22' is formed by layers of overlapping fibers (with an appropriate arrangement of the fibers and with the appropriate fiber diameter and number of layers, depending on the design requirements, as already explained above), having a shape that corresponds to the development of the central element 22 of the transverse member 12.

[025] Uma vez que a malha de fibras 22' e os dois elementos laterais 24 são formados, a malha de fibras 22' é enrolada, em suas extremidades, sobre as porções transversais internas dos dois elementos laterais 24 (ver figura 5), de modo a que as saliências 26 dos referidos elementos penetrem entre as fibras da malha de fibras 22', garantindo assim uma conexão firme e segura entre o elemento central 22 e os elementos laterais 24. A malha de fibras 22' é então impregnada com a matriz de resina e curada, por exemplo, por um processo de cura em autoclave ou por qualquer outro processo de cura conhecido. A fabricação do membro transversal 12 é assim concluída, e a etapa final de união, por soldagem, dos braços de suporte 14 ao elemento lateral 24 do membro transversal 12 pode ser realizada.[025] Once the fiber mesh 22' and the two side elements 24 are formed, the fiber mesh 22' is wound, at its ends, over the internal transverse portions of the two side elements 24 (see figure 5), so that the protrusions 26 of said elements penetrate between the fibers of the fiber mesh 22', thus ensuring a firm and secure connection between the central element 22 and the lateral elements 24. The fiber mesh 22' is then impregnated with the resin matrix and cured, for example, by an autoclave curing process or by any other known curing process. The manufacture of the transverse member 12 is thus completed, and the final step of joining, by welding, the support arms 14 to the lateral element 24 of the transverse member 12 can be carried out.

[026] Naturalmente, com o princípio da invenção permanecendo inalterado, as formas de incorporação e detalhes de construção podem variar amplamente daqueles descritos e ilustrados puramente a título de exemplo não limitativo, sem fugir do escopo da invenção conforme definido nas reivindicações anexas.[026] Naturally, with the principle of the invention remaining unchanged, the forms of incorporation and construction details may vary widely from those described and illustrated purely by way of non-limiting example, without departing from the scope of the invention as defined in the attached claims.

Claims

1. METHOD FOR MANUFACTURING A TORSION AXLE FOR A VEHICLE REAR SUSPENSION, comprising the steps of: a) Providing a transverse member (12) having a hybrid structure, joining two lateral metal elements (24) to a central element ( 22) of composite material having a fiber-reinforced resin matrix; b) Provide a pair of metal support arms (14); and c) Connect the support arms (14) to the transverse member (12), by welding each support arm (14) with a respective lateral element (24) of the transverse member (12), characterized by the central element ( 22) of the transverse member (12) being formed from a fiber mesh (22') having a shape corresponding to the development of said central element (22), wherein the step of joining said central element (22) to the elements laterals (24) is carried out by wrapping the opposite ends of the fiber mesh (22') over internal transverse portions of the respective lateral elements (24), with said internal transverse portions having on their external surfaces a plurality of projections (26) , with the projections (26) of the side elements (24) penetrating between the fibers of the fiber mesh (22').

2. METHOD, according to claim 1, characterized in that the protrusions (26) are uniformly distributed over the lateral surface of the respective lateral elements (24).

3. METHOD, according to claim 1 or 2, characterized in that the projections (26) are similar to radial pins.