具有用於連接不同材料的互鎖特徵的車輛支撐框架的製作方法

2023-09-17 18:49:55

專利名稱：具有用於連接不同材料的互鎖特徵的車輛支撐框架的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有包括不同材料的部件的車輛支撐框架以及其加工方法。
背景技術：
傳統車輛支撐框架可由不同材料組成，包括例如鋼、鋁以及增強的聚合物複合材料。車輛製造商試圖在重量減輕和結構硬度之間找到折中的辦法。人們期望設計用於全尺寸(full-sized)輕型卡車車架的輕質橫梁(cross-member)。而招質橫梁可以設計用於獲得高達50%的重量減輕同時滿足性能目標。儘管鋁質橫梁具有較高的潛力用於製造輕質卡車車架，但是鋁比鋼的材料強度低。連接鋁質部件至鋼質車架縱梁(rails)同樣是具有挑戰的，特別是當兩個部件為封閉截面的管狀組件時。此外，重新加工現有加工設施以處理連 接不同材料的複雜技術亦是昂貴的。本領域內的一些現有文獻教導了使用機械緊固件以將由不同材料製成的兩個縱梁固定在一起。然而這些技術是較不令人滿意的。這些機械特徵包括會增加成本和加工複雜性的緊固件。美國專利公開文本20090188206，標題為「用於連接不同材料的系統和方法」的專利文獻教導了使用重疊結構以用於不同材料的縱梁。結構件夾住第一結構件的一端並焊接至第二結構件上。其中教導的該重疊構造形成了三方(3-way)機械互鎖結構，且相對於交叉或呈角度的結構件連接(例如縱梁至橫梁的連接)其更為適合共軸結構件連接。這些教導同樣顯得不適用封閉截面結構件。因此，期望有改善的互連技術用於連接由不同材料形成的兩個結構件以製造車架
。

發明內容
本發明解決了上述問題中的一個或多個。其他特徵和/或優點從下面的說明書中將變得顯而易見。根據一個示例實施例，提供一種用於加工車架總成的方法，包括在具有第一材料組分的互連部件與具有第二材料組分的橫梁之間形成栓(key)和插口(receptor)設置；在一個位置處經由該栓和插口設置而連接該互連部件和橫梁；將該互連部件和橫梁插入縱梁中；以及在另一位置處將該互連部件焊接至該縱梁。根據另一示例實施例，一種加工車輛橫梁總成的方法包括在不同材料組分的第一結構件或第二結構件中的一者中形成孔；將該第一結構件和第二結構件交叉；將第一結構件或第二結構件中的另一者形成在該孔內從而在第一結構件和第二結構件之間形成機械互鎖結構。根據另一示例實施例，車架總成包括具有互連部件的第一結構件；與該第一結構件在該互連連接結構件處交叉的第二結構件；以及可交換地形成在第二結構件或互連部件上的配合的栓和插口以在配合時形成機械互鎖結構。根據本發明另一個方面，提供一種加工車架總成的方法，包括在具有第一材料組分的互連部件和具有第二材料組分的橫梁之間形成栓和插口設置；在一個位置處經由栓和插口設置連接互連部件和橫梁；將互連部件和橫梁插入縱梁中；以及在另一位置處將互連部件焊接至縱梁。根據本發明的一個實施例，其中形成栓和插口設置包括將栓形成為在互連部件中的凸起；以及將插口形成為在橫梁中的孔。根據本發明的另一個實施例，其中形成栓和插口設置包括將栓形成為在互連部件中的唇狀物；以及將插口形成為在橫梁中的孔。根據本發明的又一個實施例，方法進一步包含圍繞該孔的邊緣摺疊所述唇狀物從而形成折邊鎖。 根據本發明的又一個實施例，其中形成栓和插口設置包括將栓形成為在橫梁中的凸起；以及將插口形成為在互連部件中的孔。本發明的一個優點為揭示了不同尺寸車輛可利用的輕質車輛結構框架，包括全尺寸卡車框架。本發明相關的重量減輕可以高達50%。本發明另一優點為實現了可具有封閉截面的兩種不同材料的結構件的連接。結構件可以相對於彼此以任意角度定位。下面通過示例、參考附圖將更詳細地解釋連接由不同材料組成的縱向梁和橫向梁。其中附圖中相同附圖標號用於相同或實質相同的元件。通過下面具體描述的執行本發明的優選實施模式與附圖結合，本教導的上述特徵和優點以及其他特徵和優點將變得顯而易見。


圖I為根據本發明的示例實施例的車輛支撐框架總成的俯視立體圖。圖2為圖I中在圓圈2處的套筒和橫梁的立體圖。圖3為圖2的套筒和橫梁的橫截面視圖。圖4為另一示例實施例的套筒和橫梁的立體圖。圖5為圖4的套筒和橫梁的橫截面視圖。圖6為另一示例實施例的套筒和橫梁的立體圖。圖7為圖6的套筒和橫梁的橫截面視圖。圖8為另一示例實施例的套筒和橫梁的部分立體圖。圖9為圖8的套筒和橫梁的立體圖。圖10為另一示例實施例中裝配的橫梁和縱梁的橫截面視圖。圖11為經由另一示例連接技術連接的圖10的橫梁和縱梁。
具體實施例方式參考附圖，其中相似標識代表多個視圖中相同或相應的部件，附圖顯示了具有連接的由不同材料組成的結構件的車輛支撐框架。具體地，輕質鋁質橫梁通過在其間並列放置的互連部件而連接至鋼質縱梁。在橫梁和縱梁之間的示出的互連部件通過在互連部件和橫梁之間在一個位置處的教導的機械互鎖技術以及在縱梁和互連部件之間在另一位置處的其它連接技術減輕了連接不同材料的挑戰。互連部件一端使用機械互鎖特徵連接至鋁質橫梁。縱梁在互連部件的另一端連接至總成所使用的連接技術包括，例如MIG(惰性氣體保護金屬極電極弧焊)焊接，釺焊或者錫焊。揭示的互連部件促進了在車架中使用較低重量的材料。另外還揭示了加工車架總成的方法，該方法包括要求和不要求使用互連部件以連接縱梁和橫梁的連接技術。本發明描述了將例如鋁質橫梁連接至鋼質互連部件或套筒的設計和方法。隨後可以傳統加工方法例如焊接將鋁質橫梁和鋼質套筒的子總成連接至鋼質縱梁。現參考圖1，顯示了車輛支撐框架10。支撐框架10配置用於在全尺寸皮卡中使用。然而，當前教導可適用任何車輛支撐框架，例如，雙門轎車、小轎車、SUV、多功能車輛(all utility vehicle)、貨車以及商用車等。支撐框架10 (如圖所示)取自於卡車車架的 後部。該部分支持了卡車車箱(未顯示)。縱梁(或結構件)20和30相對該總成和該車輛縱向延伸。在顯示的實施例中，縱梁20、30能夠由鋼構成並經由擠出成型、液壓成型、滾軋成型或者其他方法成型。縱梁的後端通過鋼質橫梁40相互連接。拖鉤(tow hitch) 50連接至橫梁。縱梁20、30的每一端裝有側託架(sidebracket) 60用於將橫梁40與縱梁相互連接且用於將縱梁20、30連接至其他車輛結構(未顯示)。如圖I所示，在支撐框架10的前端，另一鋼質橫梁70與每一縱梁20、30相交叉。如圖所示，縱梁30焊接至橫梁70。每一縱梁20、30包括用於連接點和線束的梯形支架(未顯示)。如圖I所示，車輛支撐框架10還包括用於安裝備用輪胎的子總成80。子總成80包括兩個橫向延伸的鋁質橫梁90。橫梁90支撐用於備用輪胎的副車架100。絞盤(winch)(未顯示)通過孔110將輪胎固定至副車架。副車架100能由鋁、鋁合金、鋼、鈦或者聚合物製成。該示出的副車架100為衝壓件。該副車架100還能夠例如利用粉末冶金技術經由鑄模成型而形成。鋁質橫梁90配置用於相對於縱梁30固定副車架100。橫梁90相對框架總成和車輛橫向延伸。如在下面所述的，橫梁90裝配有互連部件120。互連部件120通過在一端使用機械互鎖特徵連接至橫梁；互連部件在相反端經由MIG焊接進一步連接至縱梁20和30。在此實施例中，互連部件120為配置用於完全包裹橫梁90的截面的鋼質套筒。現在參考圖2-3，顯示了圖I的車架總成10在圓圈2處的截面的立體圖。縱梁20裝配有鋼質套筒120且鋁質橫梁90插入其中。在互連部件120靠近橫梁90的一端的四個表面的每一個上切有矩圓形(oblong)孔150。鋁質橫梁90置於鋼質縱梁20內。套筒120配置有延伸進入在橫梁90中形成的插口或者孔150中的一系列栓(key) 160。在此說明的實施例中，栓160為用作為套筒120和橫梁90之間的機械互鎖的凸起(印痕)。套筒120和橫梁90從而連接在機械互鎖結構處(或栓和插口布置)。插口 150為形成在橫梁90 —端的矩圓形孔。如圖所示，還可以通過使用粘結劑170塗敷在套筒120和橫梁90的截面而加強套筒-橫梁互鎖結構。粘接劑可以經由釺焊、熱激活、溼度或者其他方法激活。在套筒120和橫梁90連接之後，該兩個部件插入鋼質縱梁20中。套筒120隨後連接至縱梁20。在此實施例中，套筒120經由焊接工藝連接至縱梁20。套筒120和縱梁20之間的材料選擇的共性簡化了焊接工藝。對於圖2-3所示的實施例，套筒120和橫梁90之間的接頭產生在縱梁20中(如圖所示)。在其他實施例中，套筒和橫梁的接頭產生在縱梁之外。參考圖4和5顯示了車輛支撐框架200的另一示例實施例。縱梁210裝有鋼質互連部件220 (或套筒)以及鋁質橫梁230或者與其交叉。分別在橫梁230和套筒220兩者的四個表面上切割孔240、250。孔240、250為矩圓形並且位於鋁質橫梁230和鋼質套筒220的配合的表面上。孔240比孔250具有稍大的大徑(maior diameter)和小徑(minordiameter)的直徑。如圖5的橫截面所示，套筒220配置有在邊緣(或唇狀物)270處延伸進入形成在橫梁230孔240的唇狀物260。唇狀物260用作為套筒220和橫梁230之間的機械互鎖機構。套筒220以及橫梁230在唇狀物260與橫梁230中的孔的唇狀物270的接合位置處機械地連接。在顯示的實施例中，通過使用塗敷至與橫梁重疊的套筒的截面的粘結劑280，套筒220固定至橫梁上。粘結劑280經釺焊工藝激活。在其它實施例中，可以通過溼度或通過其他工藝而激活粘結劑。在其它實施例中，不使用粘結劑。現在參考圖6和圖7，其中顯示了車輛支撐框架總成300的另一示例實施例。圖6 中顯示了套筒310和在橫梁的外側裝有套筒的橫梁320。套筒310用作為橫梁320和縱梁(例如,如圖I所示的20)之間的互連部件。如圖6所示,套筒310具有一系列的矩圓形孔330。鋁質橫梁320的一端裝入套筒310中並成型使得橫梁和套筒壓入配合(press-fit)在一起。在說明的實施例中，橫梁320被壓至形變進入套筒310中。取決於橫梁的厚度和材料選擇，壓力可變化。在一個實施例中，橫梁320由鋁製成且通過增加其中的壓力至3000psi而成型。該工藝通常指液壓成型。如圖7所示，當鋁質橫梁320受壓時，形成延伸進入在套筒310中的孔330的凸起340、印痕或者扣件。從而，形成了另一種形式的機械互連結構。套筒310和橫梁320在凸起340和孔330之間的接合界面處機械連接在一起。套筒310和橫梁320隨後被插入鋼質縱梁且該套筒被焊接至不同於套筒和橫梁的接合界面的位置例如350處。如果，例如結構性能有這樣的需求，則在接頭的重疊區域可包括粘接劑。現在參考圖8和圖9，其中顯示了車架總成400的另一可替代實施例。輕質橫梁410裝有鋼質套筒420。沿著橫梁410的周長切割孔430。套筒420配置有延伸進入形成在橫梁410中的孔430中的唇狀物440。在此設置中，套筒420中的唇狀物440用作為用於橫梁410中的插口(或孔430)的栓。唇狀物440形成在鋼質套筒420上與鋁質橫梁410上的孔430對應的位置處。在鋁質橫梁410放入鋼質套筒420中後，將唇狀物440向下推穿過孔430並摺疊使得唇狀物的邊緣平行於橫梁410和套筒420總成的縱向軸線A。當沿著孔430的邊緣摺疊時唇狀物440在橫梁410和套筒420之間形成了折邊鎖。橫梁410和套筒420在孔430的邊緣處相連接。套筒420隨後能夠經焊接工藝而連接至縱梁(例如，圖I所示的20)ο圖10-11示出了車架總成500的另一示例實施例。在此實施例中，不需要橫梁510和縱梁520之間的互連部件。鋁質橫梁510經液壓成型連接至鋼縱梁520。在MIG焊接之前鋁質橫梁510放於縱梁520中。在橫梁510和鋼質縱梁520之間存在初始間隙。縱梁520包括鋁質管狀物(或橫梁)510穿過其而安裝的孔530 (顯示為橫截面)。鋁質橫梁510受壓至大約3500psi以便形成形變進入套筒510上的孔530中的凸起540(或鼓起(bubbles))。在橫梁510上形成有凸緣550。鋁質橫梁510的液壓成型增加了橫截面以便在縱梁520處形成機械接合。因此，實現了另一種類型的機械互聯結構。在一個實施例中，在插入縱梁520之前，在橫梁510上塗敷粘接劑(例如圖3所示的170)。粘接劑能夠具有抗腐蝕益處以及鎖止。在一個實施例中，縱梁520在孔530的周線處形成有鋸齒狀的邊緣以用作縱梁和橫梁510之間的第二機械鎖。在另一實施例中，在插入縱梁之前預壓橫梁。執行預壓以控制橫梁510在液壓成型期間的形變方式。例如，在加壓之前可以在橫梁的橫截面上形成初始矩形印痕。在此實施例中在橫梁510上的凸起540具有擴張(squared-off)的邊緣。在又一實施例中，橫梁510包括縱梁520從其可以穿過的孔。橫梁在插入縱梁之後被減壓(de-pressurized)。示例真空的壓力為_4500psi。縱梁形變進入在橫梁中的孔從而形成另一機械互鎖結構。液壓成型是可以用於將鋁質橫梁和鋼質縱梁結合在一起而不使用互聯部件的幾種方法中的一種。在另一實施例中(未示出)，通過將冷鋁質環形橫梁插入加熱的鋼質環形管狀物中形成互鎖結構。當總成冷卻時，管狀物和橫梁通過材料收縮或者冷縮配合而互鎖。可以使用圓形芯軸(mandrel)(或其他成型設備)形成縱梁和橫梁之間的互鎖結構。在此還揭示了加工車架總成的多種方法。一種示例方法包括下列步驟在套筒(具 有第一材料組分)和橫梁(具有第二材料組分)之間成形栓和插口設置。接著方法包括在一個位置處經由栓和插口設置連接套筒和橫梁並將套筒和橫梁插入縱梁中。在後續工序中互聯部件隨後連接至縱梁，例如，在另一位置處將套筒焊接至縱梁。在上述方法的一個實施例中，形成栓和插口設置包括(i )將栓形成為互連部件中的凸起；以及(ii)將插口形成為橫梁中的孔。例如參考圖2和3所顯示的。栓為形成在套筒120中的凸起160且插口為形成在橫梁90中的孔150。在上述方法的另一示例實施例中，形成栓和插口設置包括(i )將栓形成為互聯部件中的唇狀物；以及(ii)將插口形成為橫梁中的孔。例如參考圖4和圖5所示的。在上述方法的另一示例實施例中，包括額外步驟將唇狀物圍繞孔的邊緣摺疊從而形成折邊鎖。例如參考圖8和圖9所示和所討論的。在如上所述的方法的另一示例實施例中，形成栓和插口設置包括(i)將栓形成為橫梁中的凸起；以及(ii)將插口形成為互連部件中的孔。例如上文所述的在圖6中顯示的。另外在此揭示了另一加工車架總成的示例性方法。該方法包括(i)在第一結構件或具有與第一結構件的材料不同的材料的第二結構件中的一個中形成孔；(ii)將第一結構件和第二結構件交叉；以及(iii )將第一結構件和第二結構件中的另一者成形進入孔中從而在第一結構件和第二結構件之間形成機械互鎖結構(例如參考圖10和11描述的)。如關於圖10和11的實施例討論的，第一結構件或第二結構件中的一個在交叉之後被加壓從而使得受壓結構件形變進入孔中。在一些實施例中，在形成機械互鎖結構之前或之後塗敷粘接劑或抗腐蝕材料。應該理解顯示的部件(例如，套筒、縱梁和橫梁)能夠由多種材料組成，包括，例如，鋼、鋁、錳、鈦、鎢以及加強聚合物複合材料等。將套筒連接至縱梁的連接技術不限於MIG焊接而是能包括雷射焊接、點焊、釺焊、用緊固件、錫焊、粘接或捲曲(crimping)等。可以使用多種加工技術形成套筒和縱梁，這些加工技術包括模製、鑄造、車制、液壓成型、衝壓或者擠
ψ 丁兮坐LU I ■ C-i ο應該理解互連部件能夠有任意尺寸、形狀或構造並且不限於套筒。例如，在其它實施例中，互連部件為矩形並且夾在橫梁中的插口中以提供用於後續焊接的表面。
在互連部件和橫梁或互連部件和縱梁的任意一組之間可以塗敷粘接劑。可以使用任意類型的粘接劑，例如，一段或二段環氧樹脂可適用於說明的設計。互連部件和橫梁的端部還可以包括其間的釺焊材料以增強他們的連接並用作為腐蝕減輕物。混合材料重疊接頭的端部能夠具有聚合物或者其它密封材料。 儘管已經詳細描述了執行本發明的最佳以及優選實施方式，本發明相關的技術領域的人員會認識到權利要求範圍內的實施本發明的多種可替代設計和實施例。
權利要求
1.一種加工車架總成的方法，包含 在第一結構件和具有與所述第一結構件的材料不同的材料的第二結構件中的一個中形成孔； 將所述第一結構件和所述第二結構件交叉；以及 將所述第一結構件和所述第二結構件中的另一者形成進入所述孔中從而在所述第一結構件和所述第二結構件之間形成機械互鎖結構。
2.如權利要求I所述的方法，其中所述將所述第一結構件和所述第二結構件中的另一者形成進入所述孔為通過加壓所述第一或所述第二結構件而完成。
3.如權利要求2所述的方法，進一步包含在所述第一結構件和所述第二結構件之間塗敷粘接劑。
4.一種車架總成，包含具有互連部件的第一結構件；與所述第一結構件在所述互連部件處交叉的第二結構件；以及在所述第二結構件或者互連部件上可交換地形成的配合的栓和插口以在接合時形成機械互鎖結構。
5.如權利要求4所述的車架總成，其中所述互連部件配置用於在一個位置處連接至所述第一結構件並且在不同的位置處連接至所述第二結構件。
6.如權利要求5所述的車架總成，其中所述第一結構件配置用於相對於所述總成縱向延伸；且其中所述第二結構件配置用於相對於所述總成而橫向延伸。
7.如權利要求6所述的車架總成，其中所述第一結構件由鋼構成，所述互連部件由鋼構成且所述第二結構件由比鋼更輕質的材料構成。
8.如權利要求4所述的車架總成，其中所述第二結構件由鋁構成。
9.如權利要求4所述的車架總成，其中所述栓為形成在所述互連部件中的凸起。
10.如權利要求9所述的車架總成，其中所述插口包括形成在所述第二結構件中的孔。
11.如權利要求4所述的車架總成，其中所述栓為形成在所述互連部件中的唇狀物。
12.如權利要求11所述的車架總成，其中所述插口包括形成在所述第二結構件中的孔。
13.如權利要求12所述的車架總成，其中所述唇狀物配置用於圍繞所述孔的邊緣摺疊從而形成折邊鎖。
14.如權利要求4所述的車架總成，其中所述栓為形成在所述第二結構件中的凸起。
15.如權利要求14所述的車架總成，其中所述插口包括形成在所述互連部件中的孔。
全文摘要
本發明涉及加工車架總成的方法。一些揭示的方法包括在具有第一材料組分的互連部件和具有第二材料組分的橫梁之間形成栓和插口設置；將互連部件和橫梁部件在一個位置處經栓和插口設置而連接；將互連部件和橫梁插入縱梁中；以及在另一位置處將互連部件焊接至縱梁。
文檔編號B62D21/02GK102963422SQ20121022890
公開日2013年3月13日 申請日期2012年7月3日 優先權日2011年8月30日
發明者大衛·安東尼·華格納, 麥可·M·阿祖茲, 阿瑞·卡羅·卡利斯坎, 陳曉明, 約翰·愛德華·胡貝爾, 約克塞·古爾, 蘇尼爾·K·加瑟勒戈德, 拜裡米蘇拉奧·波圖拉朱, 傑弗裡·華萊士 申請人:福特全球技術公司