本发明的主题是一种扭转弹簧，该扭转弹簧优选构造为由包括纤维复合材料的弹簧丝制成的扭转杆或螺旋弹簧。所述扭转弹簧具有浸渍有基质材料的纤维加强的多个层(Sj)，其中各层均具有承受拉伸负载的纤维和承受压缩负载的纤维。其特征在于至少一个承受压缩负载的组(Gk)的组刚度低于具有最高组刚度的承受拉伸负载的组(Gk)。另外，还公开了由纤维复合材料设计扭转弹簧的方法。
1.一种扭转弹簧，所述扭转弹簧为由弹簧丝制成的扭转杆或螺旋弹簧，所述弹簧丝由纤维复合材料制成，所述扭转弹簧具有浸渍有基质材料的纤维加强的多个层，其中各个层均仅具有承受拉伸负载的纤维或仅具有承受压缩负载的纤维，其特征在于，存在有由层组成的拉伸负载组和由层组成的压缩负载组，并且至少一个压缩负载组的组刚度低于具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度。
2.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，至少一个压缩负载组的组刚度比所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度低至少10％。
3.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，至少一个压缩负载组的组刚度比所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度低20％。
4.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，至少一个压缩负载组的组刚度比所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度低40％。
5.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，至少一个位于内侧的压缩负载组的组刚度低于位于更外侧的拉伸负载组的组刚度。
6.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度为至少60GPa。
7.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度为至少80GPa。
8.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度为至少90GPa。
9.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述具有最高组刚度的拉伸负载组完全由碳纤维组成。
10.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的至少50％的质量分数由碳纤维组成。
11.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的75％的质量分数由碳纤维组成。
12.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的95％的质量分数由碳纤维组成。
13.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组完全由碳纤维组成。
14.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的至少50％的质量分数的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于50％。
15.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的至少50％的质量分数的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于30％。
16.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的至少50％的质量分数的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于15％。
17.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的75％的质量分数的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于50％。
18.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的75％的质量分数的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于30％。
19.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的75％的质量分数的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于15％。
20.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的95％的质量分数的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于50％。
21.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的95％的质量分数的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于30％。
22.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述拉伸负载组的95％的质量分数的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于15％。
23.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所有拉伸负载组的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于50％。
24.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所有拉伸负载组的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于30％。
25.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所有拉伸负载组的组刚度与所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度相差小于15％。
26.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所有拉伸负载组的组刚度是相同的。
27.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的至少20％的质量分数的组刚度低于所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度。
28.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的50％的质量分数的组刚度低于所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度。
29.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的95％的质量分数的组刚度低于所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度。
30.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的100％的质量分数的组刚度低于所述具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度。
31.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的至少50％的质量分数的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于50％。
32.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的至少50％的质量分数的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于30％。
33.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的至少50％的质量分数的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于15％。
34.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的75％的质量分数的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于50％。
35.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的75％的质量分数的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于30％。
36.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的75％的质量分数的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于15％。
37.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的95％的质量分数的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于50％。
38.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的95％的质量分数的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于30％。
39.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的95％的质量分数的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于15％。
40.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所有压缩负载组的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于50％。
41.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所有压缩负载组的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于30％。
42.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所有压缩负载组的被归为较低的组刚度与具有最高组刚度的压缩负载组的组刚度相差小于15％。
43.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所有压缩负载组的组刚度是相同的。
44.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的至少30％的质量分数由玻璃纤维或者玄武岩纤维组成。
45.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的60％的质量分数由玻璃纤维或者玄武岩纤维组成。
46.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组的80％的质量分数由玻璃纤维或者玄武岩纤维组成。
47.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述压缩负载组完全由玻璃纤维或者玄武岩纤维组成。
48.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，为了提高成本效益，至多6种不同的主纤维类型被用于所述拉伸负载组和所述压缩负载组。
49.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，为了提高成本效益，至多3种不同的主纤维类型被用于所述拉伸负载组和所述压缩负载组。
50.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，为了提高成本效益，至多2种不同的主纤维类型被用于所述拉伸负载组和所述压缩负载组。
51.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，至少一个对是由具有组比例在0.2至
52.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，至少一个对是由具有组比例在0.5至
53.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，至少一个对是由具有组比例在0.75至1.33之间的范围内的两个组形成的。
54.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，在不考虑芯的质量的情况下，形成对的组占弹簧丝的质量分数的至少50％。
55.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，在不考虑芯的质量的情况下，形成对的组占弹簧丝的质量分数的至少75％。
56.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，在不考虑芯的质量的情况下，形成对的组占弹簧丝的质量分数的至少95％。
57.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，在层具有多种主纤维类型的混合物的情况下，各个主纤维类型在混合的纤维层中的量为至少10％质量。
58.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，在不考虑芯的质量的情况下，弹簧丝中被归为非承载的层的质量分数为至多25％。
59.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，在不考虑芯的质量的情况下，弹簧丝中被归为非承载的层的质量分数为15％。
60.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，在不考虑芯的质量的情况下，弹簧丝中被归为非承载的层的质量分数为5％。
61.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述弹簧丝的横截面呈圆形、椭圆形或多边形。
62.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述纤维加强塑料片层的基质由填充型的或非填充型的热固性塑料组成。
63.根据权利要求1所述的扭转弹簧，其特征在于，所述弹簧丝具有芯，所述芯a.是中空的，或者b.由具有沿所述弹簧丝的轴向方向的单向纤维的纤维加强材料组成，或者c.由没有纤维加强的材料组成。
64.一种用于设计由多片层纤维复合材料制成的扭转弹簧的方法，所述扭转弹簧为扭转杆或螺旋弹簧的形式，其特征在于，执行以下步骤：a.初步设计弹簧，
b.形成由相互接触的具有相同负载方向的多个层制成的纤维的组，c.计算确定每个组的组刚度值，
d.适当地调节压缩负载组的组刚度，使得所述压缩负载组的组刚度低于具有最高组刚度的拉伸负载组的组刚度，e.从内向外形成对，使得径向相邻的的拉伸负载组和压缩负载组始终形成一个对，f.将一个对中的拉伸负载组的组延伸刚度值和压缩负载组的组延伸刚度值的商确定为组比例，g.通过借助以下方式改变刚度比例而使相邻的组之间的剪应力最小化直至所述组比例处于0.2至5的范围内为止：-改变层的壁厚度和/或，
h.重复步骤b到g，直到实现具有给定弹簧刚度分布的所期望的承载能力。
65.根据权利要求64所述的方法，其特征在于，在步骤d中对组刚度的适当调节是通过以下步骤实现的：a.改变纤维材料，和/或
具有用于拉伸及压缩负载的不同纤维加强的扭转负载杆状
部件
技术领域
[0001] 本发明涉及一种扭转弹簧以及设计这种扭转弹簧的方法，该扭转弹簧尤其为由纤维加强塑料制成并且以具有成本效益的方式生产的扭转杆或螺旋弹簧的形式，并且尤其与仅由碳纤维加强塑料组成的弹簧相比，其具有改善的弹性能量存储能力。
背景技术
[0002] 弹簧通常被用于机动车辆的底盘中。因此存在力求实现轻量结构的需求，这尤其适用于这些底盘的未被弹簧支承的质量。为此，纤维复合材料(FCM)的使用已被提出许多次。这尤其涉及由碳纤维加强塑料(CRP)或玻璃纤维加强塑料(GRP)制成的扭转弹簧。特别困难的是以提供正确的负载能力的方式实现对这些部件的低成本的制造。
[0003] 困难还在于各纤维仅能传递拉伸力或压缩力，因此弹簧丝中的宏观剪切负载必须被分成拉伸分量和压缩分量(关于应力主轴线、根据摩尔应力理论与纵轴线成+/-45°)。
[0004] 已知的FCM制成的弹簧旨在通过利用与纵轴线成+/-45°卷绕纤维从而以最有利的方式适应材料中的拉伸力和压缩力的分布。
[0005] 另外已知的是专门成+45°的拉伸纤维卷绕，剪切应力分量是通过基质材料或通过芯中的压缩应力来承受的。
[0006] 适合的弹簧的设计的目的在于实现对所使用的所有弹簧材料的均匀负载。因此意在使材料中不存在明确的薄弱点，而是施加均匀的最大应力会造成全部材料达到其负载极限。这使得对材料的利用最大化，因此代表对轻量结构的最好的实现程度。
[0007] EP 0637700描述了使用其中碳纤维以+/-30°至+/-60°的角度绕纵轴线卷绕的弹簧设计。其特征在于所使用的拉伸纤维数与压缩纤维数不同。特别地，压缩纤维数多于拉伸纤维数。目的在于使纤维的负载更均匀，从而能够对所使用的材料进行更好地具体利用。尽管由于以不同的量比和各自不同的层厚度使用拉伸方向和压缩方向的纤维而能够更好地利用材料，然而仍未消除材料利用对于弹簧丝直径的依赖。
[0008] US 5603490提出了仅使用沿拉伸方向的纤维而不使用压缩负载纤维。这些纤维被卷绕成仅承受拉伸负载。在中空弹簧的情况下，这会由于剪应力而从根本上导致失效，并且为此需要适应这种应力的抗压的芯。然而，这种芯中的长期静应力和卷绕的纤维包络(Faserhülle)中的剪应力导致塑料基质(环氧树脂)的不利蠕变。因此，该方案不能用于例如车辆结构中的应用(由于车辆的重量而造成长期的负载)。尽管仅在一个纤维方向上进行使用关于拉伸负载最佳地利用了纤维的潜在能力，然而由于缺少压缩纤维支持造成的剪应力在很大程度上必须通过塑料基质来传递意味着长期负载导致强蠕变效应。
[0009] WO2014/014481A1提出了一种纤维构造，其中各个层和芯中的纤维数是共同基数的倍数。还公开了在弹簧中使用若干不同材料(例如玻璃、碳或混合物)。另外，还公开了纤维片层中的各个纤维相对于纵轴线的角度能够交替变化(尤其在正角度与负角度之间交替变化)。弹簧的芯可以由单向纤维构成，但是也公开了实体芯或中空芯。还提出了具有形状记忆的材料的芯。尽管提到了弹簧材料可以由混合材料组成，然而并没有提供相关的实用信息，因此混合结构的加工步骤和效果仍然是不清楚的。这些纤维应该是以共同参考基数的整数倍的数量被布置在层中的，但是效果同样不清楚。这种布置的缺点在于纤维仅以整倍数的数量存在于层中，因此缺乏对层厚度的最优的适当调节。
[0010] 现有技术的弹簧设计无法达到最佳程度的轻量结构，这是因为无法对所使用的材料进行有效地利用。
发明内容
[0011] 因此产生的问题是提供一种承受扭转的弹簧丝内的纤维的布置，其中压缩负载纤维和拉伸负载纤维均根据其负载极限被最大程度地利用，以便实现改进的基于质量的储能密度。本发明的特定的目的是尽可能仅使用有限数量的不同的纤维材料，并且由此实现关于材料利用的低成本的设计，并且本发明提出一种用于设计这种类型的弹簧的方法。螺旋弹簧中的弹簧丝呈卷绕螺旋的形式。弹簧、尤其螺旋弹簧具有弹簧轴线，弹簧丝围绕该弹簧轴线呈螺旋的形式。弹簧丝的横截面优选为圆环形的，但是也可以是椭圆形的或多边形的。
[0012] 特别地，所述目的是通过实现以下三个子目的来实现的：
[0013] ·基于经济考虑来选择片层，并且因此尤其将高负载的碳纤维片层用于拉伸负载纤维片层，
[0014] ·拉伸片层和压缩片层均匀地负载，
[0015] ·为了防止基质材料的蠕变和由此造成的整个弹簧的长期变形，使由片层之间的基质传递的剪切力或应力最小化。
[0016] 承受扭转的长形部件的范围仅包括弹簧支承结构而不包括负载引入元件，例如在弹簧板上的适当设计的区域或弹簧约束部的适当设计的区域。
[0017] 下文中使用了具有给出以下定义的如下术语：
[0018] -拉伸方向：符号+
[0019] -压缩方向：符号-
[0020] -纵轴线：-位于弹簧丝中央处的沿其长度延伸的轴线，也称为弹簧丝轴线。
[0021] -纤维角度αj：-纤维角度是纤维方向和纵轴线之间的角度。
[0022] -片层Li：-片层(Lage)可以结合有若干层，例如多轴向无纬基布(Multiaxialgelege)/螺旋卷绕/编织织物片层通常包括具有不同纤维方向的两个层(分别为一个“+”层和一个“-”层，例如+/-45°)。该片层的各个层通常彼此连接(例如通过起皱或编结或缝合或粘结)。
[0023] -与之相比，UD(单向)无纬基布片层通常仅包括沿着对齐的(ausgerichteter)纤维的方向的一个层。
[0024] -然而，多个片层也可以形成一个层(具有相同角度方向和相同片层材料的多个相邻的UD片层形成一个UD层)。
[0025] -一个片层通常由无机加强纤维(例如玄武岩纤维、玻璃纤维)、金属加强纤维(例如钢纤维)、有机加强纤维(例如碳纤维、芳纶纤维)或天然纤维(例如麻纤维)构成。
[0026] -片层具有相关的片层壁厚LWi。
[0027] -片层还可以是不含加强纤维的同质塑料片层并且归为非承载的(例如结构的外边界部分)。
[0028] -片层还可以是短纤维加强塑料片层或长纤维加强塑料片层并且被归为非承载的，其中纤维是以没有优选方向的方式布置的。
[0029] -片层还可以由金属材料片层(例如由金属片制成的终止片层)组成。
[0030] -片层编号i从内向外增大。
[0031] -层Sj：-在连续纤维/织物纤维加强层的情况下，层Sj的所有纤维具有均一的角度方向αj。
[0032] -然而在一个层中也可以存在相互并排或混合在一起的不同材料Mj的纤维。
[0033] -层也可以是没有加强纤维的同质的塑料片层、具有短纤维加强塑料片层或长纤维加强塑料片层的片层、或金属片层等。
[0034] -层编号j从内向外增大。
[0035] -具有纤维角度沿拉伸方向(+)在20°至70°范围内或沿压缩方向(-)在-70°至-20°范围内的层被称为承载层(优选沿拉伸方向(+)30°至60°或沿压缩方向(-)-60°至-30°)。
[0036] -承载层用于显著地吸收沿纤维方向的拉伸应力(符号+)或压缩应力(符号-)。
[0037] -具有处于沿拉伸方向(+)20°至70°或沿压缩方向(-)-70°至-20°的角度范围之外的角度的所有层被归为非承载的。
[0038] -横截面面积Αsj：-每个层具有相关的横截面面积Αsj。
[0039] -横截面区域的法线是纵轴线。
[0040] -例如在圆环形横截面的情况下，横截面面积是通过用于包含在圆环内的面积的公式计算的。
[0041] -层轴线：-每个层具有轴线，该轴线关于纵轴线以纤维角度αj延伸并且根据层沿着纵轴线呈螺旋形式的层轮廓旋转。
[0042] -层直径Dj：-由相应的层的内直径和外直径得出的算数平均直径。
[0043] -在具有起皱的层(例如编织纤维)的情况下，得到两个层的情况，这两个层具有相同的层直径。
[0044] -层刚度Esj：-层刚度Esj是各个层的所有纤维组分和基质组分被转换成关于纵轴线成+/-45°方向的单一或混合模量(根据经典层合理论的混合定律，例如Puck,Tsai,Niederstadt,Geier)。
[0045] -仅使用绝对值。
[0046] -用于层刚度Esj的计算公式：
[0047]
[0048] mit c＝cos(|α|-45°)und s＝sin(|α|-45°)
[0049] Esj-层刚度，E1-关于材料Mj的纤维的纵向刚度，
[0050] E2-关于材料Mj的纤维方向的横向刚度，
[0051] G12-材料Mj的剪切模量，
[0052] v12-材料Mj的大泊松比，
[0053] v21-材料Mj的小泊松比。
[0054] -组Gk:-沿负载方向(拉伸方向或压缩方向)彼此相互接触在一起的一个或多个承载层分别形成组Gk。
[0055] -组的形成不受使用的材料或任何特定片层定位的影响。
[0056] -确定层之间或片层之间的接触不考虑被归为非承载的层或片层，因此在一些情况下非物理接触的层可被认为彼此相互接触。
[0057] -组的计数从内侧开始。
[0058] -组轴线：根据拉伸方向或压缩方向，每个组具有相对于纵轴线成+45°(拉伸)或-45°(压缩)延伸并且根据层沿着纵轴线呈螺旋形式的层轮廓旋转的组轴线。
[0059] -组刚度EGk：-组刚度EGk对应于各个组的所有纤维组分和基质组分的以沿着组轴线方向转换的面积加权的单一或混合模量(根据经典层合理论的混合定律，例如Puck,Tsai,Niederstadt,Geier)。
[0060] -仅使用绝对值。
[0061] -用于组刚度EGk的计算公式：
[0062]
[0063] 其中，层j属于组k
[0064] EGk-组k的组刚度，
[0065] ESj-层j的层刚度，
[0066] ASj-层j的横截面面积。
[0067] -组延伸刚度FGk：-组刚度与相关的组的横截面面积的乘积。
[0068] -用于组延伸刚度FG的计算公式：
[0069]
[0070] 其中，层j属于组k
[0071] FGk-组k的组延伸刚度，
[0072] EGk-组k的组刚度，
[0073] ASj-层j的横截面面积。
[0074] -对Pn：-彼此相互接触的两个组分别形成一个对(组的形成的必然结果是对始终由具有+45°和-45°的组轴线的两个组构成)。
[0075] -确定层之间或片层之间的接触不考虑被归为非承载的层或片层，因此在一些情况下非物理接触的组可被认为彼此相互接触。
[0076] -对的形成从最内侧的组开始并且向外连续形成。
[0077] -已被分配于一个对的组不能与与其接触的另一个组形成一个对。
[0078] -组比例GVn:-对中的组被分配如下的组比例：具有+45°组轴线的组的延伸刚度除以具有-45°组轴线的组的延伸刚度(组延伸刚度在这种情况下没有符号，这是因为计算仅使用用于组刚度的绝对值)。
[0079] -对比例PVn-彼此相互接触的两个对被分配如下的对比例：内侧对的刚度除以与其接触的对的刚度。
[0080] 混合纤维：由不同材料的丝线组成的粗纱或纤维丛。
[0081] 以下关于设计方法和弹簧丝中的纤维布置的考虑是基于在成品件中的计算的或限定的纤维角度αj的理想的一致。只要绝对角度差小于20°、优选地小于10°、尤其优选地小于5°，成品件中由于成型操作(例如将伸展的弹簧丝沿着弹簧轴线卷绕成螺旋状)产生的沿着“+”方向和“-”方向与计算值的可能的角度位移、工厂的特定制造公差(例如卷绕机的转速的波动)、或者由于处理操作(例如手动运送半成品)造成的移位与所提出的这种设计方法的目的无关。
[0082] 本发明的用于设计弹簧的优选的方法包括：
[0083] 基于经验值并根据现有技术对弹簧进行初步设计。该弹簧的参数被用作按照本发明的方法对弹簧进行优化的起始参数。
[0084] 以下列出的所有设计步骤必须单独反复进行或者一起重复执行从而符合循环过程中的所有所需的设计标准。
[0085] 步骤1：
[0086] 在第一个步骤中，将弹簧丝的结构设计成在至少一个拉伸负载组中使用非常硬的纤维、例如碳纤维。因此能在设计过程中确定具有最高组刚度的拉伸负载组。然后需要以具有较低组刚度的方式设计的至少一个压缩负载组。如果压缩负载组的组刚度为拉伸负载组的组刚度的至多90％、优选至多80％、尤其优选60％，那么该压缩负载组被归为“低的”。因此，对于至少一个压缩负载组，其组刚度相对于具有最高组刚度的拉伸负载组降低至少10％、优选至少20％、尤其优选至少40％。较低的组刚度优选通过使用例如玻璃纤维材料实现。优选地，存在与低刚度的压缩负载组相互接触的多个由碳纤维制成的拉伸负载组。尤其优选的是，所有拉伸负载组由碳纤维组成，并且所有压缩负载组具有较低的组刚度。
[0087] 这例如是通过以下可能性中的一种可能性或者两种或三种可能性的结合来实现的。
[0088] 可能性I：不同的纤维材料
[0089] -对于该可能性，高强度的纤维(例如HTCF)被用于拉伸负载组中，低刚度的纤维(例如GF)被用于压缩负载组中。
[0090] 可能性II：不同的纤维角度
[0091] -对组刚度的精细调节可以通过纤维角度来实现，使得压缩负载组具有较低的组刚度。
[0092] 可能性III：不同纤维的混合
[0093] -另一种可能性是在刚度的变化太大以至于不足以通过纤维角度补偿的情况下，使用具有混合的主纤维类型的不同材料以允许实现用于压缩负载组的所需要的更低的组刚度。
[0094] 步骤2：
[0095] 随后从内向外形成对。在长期负载的情况下基质材料蠕变的问题的原因在于弹簧中的各个组之间通常存在较高的剪应力。为了避免或者在很大程度上降低各个组之间的剪应力，一个对中的各个组应具有可比的组延伸刚度值(Gruppendehnsteifigkeit)，组延伸刚度值例如会受到横截面面积、纤维体积含量、纤维角度或材料选择的影响。组比例通过一个对中的两个组延伸刚度计算。组比例必须处于给定的范围内。本设计方法提供的组比例GV介于0.2<＝GV<＝5的范围内、优选地介于0.5<＝GV<＝2的范围内、尤其优选地介于0.75<＝GV<＝1.33的范围内。
[0096] 为了实现能够可接受的组比例，例如，必须通过使用适当地调节的横截面面积来补偿不同类型的纤维的不同材料刚度值。为此，优选的程序选择符合纤维的负载能力的纤维刚度。例如，碳纤维(HTCF)在压缩负载下具有较低的能量存储密度，因此能优选被有效地用于拉伸负载层。玻璃纤维具有良好的压缩性，因此能优选被有效地用于压缩负载层。例如，由HTCF纤维制成的拉伸负载组和由玻璃纤维制成的压缩负载组的各自的一个层形成一个对。于是拉伸负载组(HTCF)具有比压缩负载组(GF)更高的组刚度。通过适当地调节层的壁厚度、借此调节横截面面积，可以设定优选的组比例。组刚度与相应的横截面面积的乘积提供组延伸刚度。在由HTCF纤维和玻璃纤维构成对的情况下，层的壁厚度例如对于拉伸负载组为1mm并且对于压缩负载组为2.5mm。因此，能够通过相应的横截面面积使拉伸负载组和压缩负载组的组延伸刚度值近似，并且这种组比例的值在期望范围内。因此，各个组之间基本不存在剪应力并且弹簧丝因而具有有利的蠕变特性。
[0097] 另外的优选实施方式提出使用非常薄的一个或多个中间层或外侧层，因此对部件的承载性能的贡献很小，但是，例如通过其纤维方向对弹簧的横向刚度作出贡献，或者仅作为抵抗环境介质的不利影响的终止层。然而，本发明的目的在于仅最多25％、优选15％、尤其优选5％的弹簧丝质量(没有芯)由非承载层组成。
[0098] 另外优选的是使用以下弹簧丝，其中具有较低组刚度的压缩负载组占弹簧丝的所有压缩负载组的质量的至少20％、优选50％、尤其优选95％的比例。本发明的扭转弹簧的尤其优选的实施例提供了从内向外具有相同组刚度(在制造公差的平衡范围内)的拉伸负载组。在给出了其他尤其有利的方式的实施例中，压缩负载组还具有或者仅具有从内向外的相同的组刚度(在制造公差的平衡范围内)。进一步优选的是至少一个位于内侧的压缩负载组的组刚度低于位于更外侧的拉伸负载组的组刚度。
[0099] 另外优选的是使用以下弹簧丝，其中弹簧丝(没有芯)的总质量的至少50％、优选75％、尤其优选95％的比例已有成效地形成对。
[0100] 另外优选的是使用没有纤维加强的外塑料片层或由基质材料制成的片层。然而，根据本发明的方法提供了在有负载的情况下弹性能量的至少75％、优选85％、尤其优选95％由纤维复合材料存储而不是由外塑料片层存储。在此可能的是外塑料片层撕裂而纤维加强片层和可选地存在的芯保持不受损。
[0101] 本发明的弹簧的计算设计优选是通过计算机辅助的方式实现的。根据本发明的方法，在设计完成后，通过现有技术的方法生产弹簧。
[0102] 本发明通过以下方式设计选择用于弹簧的承载横截面(不考虑涂层等非承载部分)，即，压缩负载组和拉伸负载组由少量的不同纤维材料构成。优选地使用用于压缩负载组的低成本材料，例如玻璃纤维(GF)。在拉伸负载纤维的区域中，还能够使用碳纤维(CF)以增大质量特定能量存储密度。
[0103] 本发明的弹簧的弹簧丝优选具有圆形横截面。然而，椭圆形或多边形横截面也是可以的。弹簧可选地具有芯。该芯优选地由纤维复合材料构成，其中纤维平行于纵轴线单向延伸。另一优选的实施方式提供了中空芯，其中纤维复合材料或非加强塑料套(Kunststoffumhüllung)围绕轴向空腔。另外优选的是完全由塑料组成的芯或者专门通过空腔形成的芯。
[0104] 还优选的是相邻的对的对比例彼此相差很小，使得在对与对之间产生的剪应力最小化，并且因此弹簧丝发生蠕变的趋势最低。所述对比例是由两个对的组的刚度值计算出的。
[0105] 本发明的弹簧优选地用于机动车辆和轨道车辆的车辆结构中。然而，在螺旋弹簧或者一般的扭转弹簧的所有领域进行使用是可能的，只要环境条件不会使弹簧中使用的材料受到无法容许的程度的影响。
附图说明
[0106] 图1a和图1b是本发明的扭转弹簧的两个实施方式的视图。其中，图1a示出了作为具有芯的螺旋弹簧的扭转弹簧，图1b示出了作为没有芯的螺旋弹簧的扭转弹簧。
[0107] 图2是图1a所示的具有实体芯(1)和具有相关的壁厚度和层材料的多个层(从S1至SJ)的弹簧的横截面A-A的视图。
[0108] 图3是图1a所示的具有管状芯(1)和具有相关的壁厚度和层材料的多个层(从S1至SJ)的弹簧的横截面A-A的视图。
[0109] 图4是图1b所示的没有芯但包括具有相关的壁厚度和层材料的多个层(从S1至SJ)的弹簧的横截面B-B的视图。
[0110] 图5是本发明的与发明实例1(表1和表2)对应的具有卷绕织物的弹簧丝的布置的视图，其中各个层始终以玻璃纤维片层(压缩负载)和碳纤维片层(拉伸负载)的形式交替布置。在弹簧的外侧布置有均匀的外塑料片层。
[0111] 图6是本发明的与发明实例2(表3和表4)对应的具有卷绕织物的弹簧丝的布置的视图，其中压缩负载层采用玄武岩片层的形式，并且拉伸负载层采用碳纤维片层的形式。在第四片层中，弹簧具有沿纵轴线取向的纤维。表格说明
[0112] 表1示出了本发明的设计方法的具有卷绕织物的发明实例1，其中各个层始终以玻璃纤维片层(压缩负载)和碳纤维片层(拉伸负载)的形式交替地布置。该表具有两个部分，并且为了提高易读性，包含特征信息前面的四栏在第二部分中重复。
[0113] 表2示出了用于发明实例1的纤维材料及其特性。该特性是现有技术已知的并且在此仅仅进行整理。
[0114] 表3示出了本发明的设计方法的具有卷绕织物的发明实例2，其中该布置具有作为玻璃纤维片层的压缩负载层和作为碳纤维片层的拉伸负载层。在第四片层中，发明实例2具有沿纵轴线取向的纤维。该表也具有两个部分，并且为了提高易读性，包含特征信息前面的四栏在第二部分中重复。
[0115] 表4示出了用于发明实例2的纤维材料及其特性。该特性是现有技术已知的并且在此仅仅进行整理。
具体实施方式
[0116] 在所有的本发明的实例中，通过使用用于圆环形横截面的公式对横截面面积进行计算。对于各个发明的实例，通过使用弹簧丝的截面描述、描述弹簧丝特性值的表格和示出材料的相关特性的表格来说明特定的事实情况。
[0117] 本发明的实例1示出了本发明的弹簧丝结构，其由缠绕的织物片层和中空芯组成(图5)。表1和表2示出弹簧丝结构的特性和所使用的材料的特性。弹簧丝的特征在于始终交替地使用用于压缩负载的玻璃纤维片层和用于拉伸负载的碳纤维片层。玻璃纤维和碳纤维之间的纤维刚度值的较大差异要求通过横截面面积对组延伸刚度进行相互调节。在该实例中，这是通过以下方式实现的，即，与玻璃纤维层的1.1mm的层壁厚度相比，碳纤维的层壁厚度明显较低，为0.4mm。片层9是非承载层，这是因为作为同质的塑料片层，其没有任何优选的沿着拉伸取向负载方向或压缩取向负载方向的纤维加强。反而，片层9代表弹簧丝关于其周围的外边界。片层9的可能功能是避免受周围环境的影响、防止可能的冲击(例如石头的冲击)、防止磨损(例如作为弹簧板的防摩擦保护层)或者防止接触腐蚀。非承载层占弹簧丝的横截面的总质量的大约7％的质量比(不考虑可能存在的任何弹簧丝芯的质量)。
[0118] 在各个发明实例中各个玻璃纤维层和各个碳纤维层均形成组。所有的组均成功地被分配于对。根据本发明，所有的压缩负载组均具有较低的组刚度，因此本发明的实例1提供了本发明的扭转弹簧的优选的变型。
[0119]
[0120]
[0121] 本发明的实例2示出了本发明的弹簧丝结构，其由缠绕的织物片层和中空芯组成(图6)。表3和表4示出弹簧丝结构的特性和所使用的材料的特性。由于使用相同的纤维材料和关于纵轴线相同的纤维角度的技术可能性，片层1和片层2仅形成一个层(S1)。当例如在卷绕工艺的情况下意在使单独的粗纱形成均匀施加的结构时，能够证明在多个片层中使用具有相同的纤维角度和纤维材料是有利的，并且该目的在于防止各个粗纱朝向彼此移位和/或防止各个粗纱的局部重叠。层S1提供组G1。碳纤维被用于这种朝向弹簧丝的内侧定位的压缩负载组，这是因为在此产生的拉伸强度值相对较低，因此不会超过材料的承载能力。本发明的实例2中的片层4由具有0°的纤维角度的碳纤维片层组成。其是纤维角度在20°至
70°的范围之外或者-70°至-20°的范围之外的层，因此所述层被归为非负载的。这种类型的层对绕弹簧轴线螺旋环绕的弹簧丝的横向负载的稳定性具有有利效应，因此在达到一定的质量比例的情况下是有用的。在这种情况下非承载层的质量比大约是16％，并且因此低于弹簧丝的总质量的25％。位于更外侧的压缩负载片层(L5、L6、L7)由玄武岩纤维片层组成。
根据本发明，与具有最高组刚度的拉伸负载片层(如L9)相比，玄武岩纤维片层具有较低的组刚度。在此L5的组刚度低58％，片层L6和L8的组刚度低62％。具有较低组刚度的压缩负载纤维片层的质量分数为82％，因为仅片层L1和L2不符合这个条件。同时，拉伸负载片层L9的组刚度为139GPa，因此明显高于所要求的60GPa。在此所有的拉伸负载片层均优碳纤维组成。本发明的实例2是本发明的扭转弹簧的优选的变型。所有的组均成功地被分配于对。
[0122]
[0123]
[0124] 符号和所代表事物之间关系的列表：
[0125] Li 片层i(编号i属于自然数的闭区间[1,I])
[0126] LWi 片层i的壁厚度
[0127] Sj 层j(编号j属于自然数的闭区间[1,J])
[0128] αj 层Sj相对于纵轴线的角度方向
[0129] 1 弹簧丝的芯(可选存在的)
[0130] Mj 层Sj的材料
[0131] Dj 层Sj的直径
[0132] Wj 层Sj的壁厚度
[0133] ESj 层Sj的刚度
[0134] E1 关于材料Mj的纤维的径向刚度
[0135] E2 关于材料Mj的纤维的方向的横向刚度
[0136] G12 材料Mj的剪切模量
[0137] v12 材料Mj的大泊松比
[0138] v21 材料Mj的小泊松比
[0139] Gk 组k(编号k属于自然数的闭区间[1,K])
[0140] ASj 层Sj的横截面面积
[0141] EGk 组Gk的组刚度
[0142] FGk 组Gk的组延伸刚度
[0143] Pn 对n(编号n属于自然数的闭区间[1,N])
[0144] GVn 组比例n，由拉伸负载组和压缩负载组计算出
[0145] Da 弹簧丝外直径
[0146] CF 碳纤维
[0147] BF 玄武岩纤维
[0148] GF 玻璃纤维
[0149] S2 高刚度玻璃纤维
[0150] E 正常刚度玻璃纤维
[0151] HT 正常刚度(高韧度)碳纤维
[0152] 引用的非专利文献
[0153] Helmut Schürmann:Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden[具有纤维塑料复合物的设计],第一版,Springer Verlag 2005
