具有用于连接不同材料的互锁特征的车辆支撑框架

摘要

本发明涉及加工车架总成的方法。一些揭示的方法包括在具有第一材料组分的互连部件和具有第二材料组分的横梁之间形成栓和插口设置；将互连部件和横梁部件在一个位置处经栓和插口设置而连接；将互连部件和横梁插入纵梁中；以及在另一位置处将互连部件焊接至纵梁。

说明书

技术领域

本发明涉及具有包括不同材料的部件的车辆支撑框架以及其加工方法。

背景技术

传统车辆支撑框架可由不同材料组成，包括例如钢、铝以及增强的聚合物复合材料。车辆制造商试图在重量减轻和结构硬度之间找到折中的办法。人们期望设计用于全尺寸（full-sized）轻型卡车车架的轻质横梁（cross-member）。而铝质横梁可以设计用于获得高达50%的重量减轻同时满足性能目标。尽管铝质横梁具有较高的潜力用于制造轻质卡车车架，但是铝比钢的材料强度低。连接铝质部件至钢质车架纵梁（rails）同样是具有挑战的，特别是当两个部件为封闭截面的管状组件时。此外，重新加工现有加工设施以处理连接不同材料的复杂技术亦是昂贵的。

本领域内的一些现有文献教导了使用机械紧固件以将由不同材料制成的两个纵梁固定在一起。然而这些技术是较不令人满意的。这些机械特征包括会增加成本和加工复杂性的紧固件。美国专利公开文本20090188206，标题为“用于连接不同材料的系统和方法”的专利文献教导了使用重叠结构以用于不同材料的纵梁。结构件夹住第一结构件的一端并焊接至第二结构件上。其中教导的该重叠构造形成了三方（3-way）机械互锁结构，且相对于交叉或呈角度的结构件连接（例如纵梁至横梁的连接）其更为适合共轴结构件连接。这些教导同样显得不适用封闭截面结构件。

因此，期望有改善的互连技术用于连接由不同材料形成的两个结构件以制造车架总成。

发明内容

本发明解决了上述问题中的一个或多个。其他特征和/或优点从下面的说明书中将变得显而易见。

根据一个示例实施例，提供一种用于加工车架总成的方法，包括：在具有第一材料组分的互连部件与具有第二材料组分的横梁之间形成栓（key）和插口（receptor）设置；在一个位置处经由该栓和插口设置而连接该互连部件和横梁；将该互连部件和横梁插入纵梁中；以及在另一位置处将该互连部件焊接至该纵梁。

根据另一示例实施例，一种加工车辆横梁总成的方法包括：在不同材料组分的第一结构件或第二结构件中的一者中形成孔；将该第一结构件和第二结构件交叉；将第一结构件或第二结构件中的另一者形成在该孔内从而在第一结构件和第二结构件之间形成机械互锁结构。

根据另一示例实施例，车架总成包括：具有互连部件的第一结构件；与该第一结构件在该互连连接结构件处交叉的第二结构件；以及可交换地形成在第二结构件或互连部件上的配合的栓和插口以在配合时形成机械互锁结构。

根据本发明另一个方面，提供一种加工车架总成的方法，包括：在具有第一材料组分的互连部件和具有第二材料组分的横梁之间形成栓和插口设置；在一个位置处经由栓和插口设置连接互连部件和横梁；将互连部件和横梁插入纵梁中；以及在另一位置处将互连部件焊接至纵梁。

根据本发明的一个实施例，其中形成栓和插口设置包括：将栓形成为在互连部件中的凸起；以及将插口形成为在横梁中的孔。

根据本发明的另一个实施例，其中形成栓和插口设置包括：将栓形成为在互连部件中的唇状物；以及将插口形成为在横梁中的孔。

根据本发明的又一个实施例，方法进一步包含：围绕该孔的边缘折叠所述唇状物从而形成折边锁。

根据本发明的又一个实施例，其中形成栓和插口设置包括：将栓形成为在横梁中的凸起；以及将插口形成为在互连部件中的孔。

本发明的一个优点为揭示了不同尺寸车辆可利用的轻质车辆结构框架，包括全尺寸卡车框架。本发明相关的重量减轻可以高达50%。

本发明另一优点为实现了可具有封闭截面的两种不同材料的结构件的连接。结构件可以相对于彼此以任意角度定位。

下面通过示例、参考附图将更详细地解释连接由不同材料组成的纵向梁和横向梁。其中附图中相同附图标号用于相同或实质相同的元件。通过下面具体描述的执行本发明的优选实施模式与附图结合，本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1为根据本发明的示例实施例的车辆支撑框架总成的俯视立体图。

图2为图1中在圆圈2处的套筒和横梁的立体图。

图3为图2的套筒和横梁的横截面视图。

图4为另一示例实施例的套筒和横梁的立体图。

图5为图4的套筒和横梁的横截面视图。

图6为另一示例实施例的套筒和横梁的立体图。

图7为图6的套筒和横梁的横截面视图。

图8为另一示例实施例的套筒和横梁的部分立体图。

图9为图8的套筒和横梁的立体图。

图10为另一示例实施例中装配的横梁和纵梁的横截面视图。

图11为经由另一示例连接技术连接的图10的横梁和纵梁。

具体实施方式

参考附图，其中相似标识代表多个视图中相同或相应的部件，附图显示了具有连接的由不同材料组成的结构件的车辆支撑框架。具体地，轻质铝质横梁通过在其间并列放置的互连部件而连接至钢质纵梁。在横梁和纵梁之间的示出的互连部件通过在互连部件和横梁之间在一个位置处的教导的机械互锁技术以及在纵梁和互连部件之间在另一位置处的其它连接技术减轻了连接不同材料的挑战。互连部件一端使用机械互锁特征连接至铝质横梁。纵梁在互连部件的另一端连接至总成所使用的连接技术包括，例如MIG（惰性气体保护金属极电极弧焊）焊接，钎焊或者锡焊。揭示的互连部件促进了在车架中使用较低重量的材料。

另外还揭示了加工车架总成的方法，该方法包括要求和不要求使用互连部件以连接纵梁和横梁的连接技术。

本发明描述了将例如铝质横梁连接至钢质互连部件或套筒的设计和方法。随后可以传统加工方法例如焊接将铝质横梁和钢质套筒的子总成连接至钢质纵梁。

现参考图1，显示了车辆支撑框架10。支撑框架10配置用于在全尺寸皮卡中使用。然而，当前教导可适用任何车辆支撑框架，例如，双门轿车、小轿车、SUV、多功能车辆（all utility vehicle）、货车以及商用车等。支撑框架10（如图所示）取自于卡车车架的后部。该部分支持了卡车车箱（未显示）。纵梁（或结构件）20和30相对该总成和该车辆纵向延伸。在显示的实施例中，纵梁20、30能够由钢构成并经由挤出成型、液压成型、滚轧成型或者其他方法成型。纵梁的后端通过钢质横梁40相互连接。拖钩（tow hitch）50连接至横梁。纵梁20、30的每一端装有侧托架（sidebracket）60用于将横梁40与纵梁相互连接且用于将纵梁20、30连接至其他车辆结构（未显示）。

如图1所示，在支撑框架10的前端，另一钢质横梁70与每一纵梁20、30相交叉。如图所示，纵梁30焊接至横梁70。每一纵梁20、30包括用于连接点和线束的梯形支架（未显示）。

如图1所示，车辆支撑框架10还包括用于安装备用轮胎的子总成80。子总成80包括两个横向延伸的铝质横梁90。横梁90支撑用于备用轮胎的副车架100。绞盘（winch）（未显示）通过孔110将轮胎固定至副车架。副车架100能由铝、铝合金、钢、钛或者聚合物制成。该示出的副车架100为冲压件。该副车架100还能够例如利用粉末冶金技术经由铸模成型而形成。

铝质横梁90配置用于相对于纵梁30固定副车架100。横梁90相对框架总成和车辆横向延伸。如在下面所述的，横梁90装配有互连部件120。互连部件120通过在一端使用机械互锁特征连接至横梁；互连部件在相反端经由MIG焊接进一步连接至纵梁20和30。在此实施例中，互连部件120为配置用于完全包裹横梁90的截面的钢质套筒。

现在参考图2-3，显示了图1的车架总成10在圆圈2处的截面的立体图。纵梁20装配有钢质套筒120且铝质横梁90插入其中。在互连部件120靠近横梁90的一端的四个表面的每一个上切有矩圆形（oblong）孔150。铝质横梁90置于钢质纵梁20内。套筒120配置有延伸进入在横梁90中形成的插口或者孔150中的一系列栓（key）160。在此说明的实施例中，栓160为用作为套筒120和横梁90之间的机械互锁的凸起（印痕）。套筒120和横梁90从而连接在机械互锁结构处（或栓和插口布置）。插口150为形成在横梁90一端的矩圆形孔。如图所示，还可以通过使用粘结剂170涂敷在套筒120和横梁90的截面而加强套筒-横梁互锁结构。粘接剂可以经由钎焊、热激活、湿度或者其他方法激活。

在套筒120和横梁90连接之后，该两个部件插入钢质纵梁20中。套筒120随后连接至纵梁20。在此实施例中，套筒120经由焊接工艺连接至纵梁20。套筒120和纵梁20之间的材料选择的共性简化了焊接工艺。对于图2-3所示的实施例，套筒120和横梁90之间的接头产生在纵梁20中（如图所示）。在其他实施例中，套筒和横梁的接头产生在纵梁之外。

参考图4和5显示了车辆支撑框架200的另一示例实施例。纵梁210装有钢质互连部件220（或套筒）以及铝质横梁230或者与其交叉。分别在横梁230和套筒220两者的四个表面上切割孔240、250。孔240、250为矩圆形并且位于铝质横梁230和钢质套筒220的配合的表面上。孔240比孔250具有稍大的大径（maior diameter）和小径（minor diameter）的直径。如图5的横截面所示，套筒220配置有在边缘（或唇状物）270处延伸进入形成在横梁230孔240的唇状物260。唇状物260用作为套筒220和横梁230之间的机械互锁机构。套筒220以及横梁230在唇状物260与横梁230中的孔的唇状物270的接合位置处机械地连接。在显示的实施例中，通过使用涂敷至与横梁重叠的套筒的截面的粘结剂280，套筒220固定至横梁上。粘结剂280经钎焊工艺激活。在其它实施例中，可以通过湿度或通过其他工艺而激活粘结剂。在其它实施例中，不使用粘结剂。

现在参考图6和图7，其中显示了车辆支撑框架总成300的另一示例实施例。图6中显示了套筒310和在横梁的外侧装有套筒的横梁320。套筒310用作为横梁320和纵梁（例如，如图1所示的20）之间的互连部件。如图6所示，套筒310具有一系列的矩圆形孔330。铝质横梁320的一端装入套筒310中并成型使得横梁和套筒压入配合（press-fit）在一起。在说明的实施例中，横梁320被压至形变进入套筒310中。取决于横梁的厚度和材料选择，压力可变化。在一个实施例中，横梁320由铝制成且通过增加其中的压力至3000psi而成型。该工艺通常指液压成型。如图7所示，当铝质横梁320受压时，形成延伸进入在套筒310中的孔330的凸起340、印痕或者扣件。从而，形成了另一种形式的机械互连结构。套筒310和横梁320在凸起340和孔330之间的接合界面处机械连接在一起。套筒310和横梁320随后被插入钢质纵梁且该套筒被焊接至不同于套筒和横梁的接合界面的位置例如350处。如果，例如结构性能有这样的需求，则在接头的重叠区域可包括粘接剂。

现在参考图8和图9，其中显示了车架总成400的另一可替代实施例。轻质横梁410装有钢质套筒420。沿着横梁410的周长切割孔430。套筒420配置有延伸进入形成在横梁410中的孔430中的唇状物440。在此设置中，套筒420中的唇状物440用作为用于横梁410中的插口（或孔430）的栓。唇状物440形成在钢质套筒420上与铝质横梁410上的孔430对应的位置处。在铝质横梁410放入钢质套筒420中后，将唇状物440向下推穿过孔430并折叠使得唇状物的边缘平行于横梁410和套筒420总成的纵向轴线A。当沿着孔430的边缘折叠时唇状物440在横梁410和套筒420之间形成了折边锁。横梁410和套筒420在孔430的边缘处相连接。套筒420随后能够经焊接工艺而连接至纵梁（例如，图1所示的20）。

图10-11示出了车架总成500的另一示例实施例。在此实施例中，不需要横梁510和纵梁520之间的互连部件。铝质横梁510经液压成型连接至钢纵梁520。在MIG焊接之前铝质横梁510放于纵梁520中。在横梁510和钢质纵梁520之间存在初始间隙。纵梁520包括铝质管状物（或横梁）510穿过其而安装的孔530（显示为横截面）。铝质横梁510受压至大约3500psi以便形成形变进入套筒510上的孔530中的凸起540（或鼓起（bubbles））。在横梁510上形成有凸缘550。铝质横梁510的液压成型增加了横截面以便在纵梁520处形成机械接合。因此，实现了另一种类型的机械互联结构。在一个实施例中，在插入纵梁520之前，在横梁510上涂敷粘接剂（例如图3所示的170）。粘接剂能够具有抗腐蚀益处以及锁止。在一个实施例中，纵梁520在孔530的周线处形成有锯齿状的边缘以用作纵梁和横梁510之间的第二机械锁。在另一实施例中，在插入纵梁之前预压横梁。执行预压以控制横梁510在液压成型期间的形变方式。例如，在加压之前可以在横梁的横截面上形成初始矩形印痕。在此实施例中在横梁510上的凸起540具有扩张（squared-off）的边缘。

在又一实施例中，横梁510包括纵梁520从其可以穿过的孔。横梁在插入纵梁之后被减压（de-pressurized）。示例真空的压力为-4500psi。纵梁形变进入在横梁中的孔从而形成另一机械互锁结构。

液压成型是可以用于将铝质横梁和钢质纵梁结合在一起而不使用互联部件的几种方法中的一种。在另一实施例中（未示出），通过将冷铝质环形横梁插入加热的钢质环形管状物中形成互锁结构。当总成冷却时，管状物和横梁通过材料收缩或者冷缩配合而互锁。可以使用圆形芯轴（mandrel）（或其他成型设备）形成纵梁和横梁之间的互锁结构。

在此还揭示了加工车架总成的多种方法。一种示例方法包括下列步骤：在套筒（具有第一材料组分）和横梁（具有第二材料组分）之间成形栓和插口设置。接着方法包括在一个位置处经由栓和插口设置连接套筒和横梁并将套筒和横梁插入纵梁中。在后续工序中互联部件随后连接至纵梁，例如，在另一位置处将套筒焊接至纵梁。

在上述方法的一个实施例中，形成栓和插口设置包括：（i）将栓形成为互连部件中的凸起；以及（ii）将插口形成为横梁中的孔。例如参考图2和3所显示的。栓为形成在套筒120中的凸起160且插口为形成在横梁90中的孔150。

在上述方法的另一示例实施例中，形成栓和插口设置包括：（i）将栓形成为互联部件中的唇状物；以及（ii）将插口形成为横梁中的孔。例如参考图4和图5所示的。

在上述方法的另一示例实施例中，包括额外步骤：将唇状物围绕孔的边缘折叠从而形成折边锁。例如参考图8和图9所示和所讨论的。

在如上所述的方法的另一示例实施例中，形成栓和插口设置包括：（i）将栓形成为横梁中的凸起；以及（ii）将插口形成为互连部件中的孔。例如上文所述的在图6中显示的。

另外在此揭示了另一加工车架总成的示例性方法。该方法包括：（i）在第一结构件或具有与第一结构件的材料不同的材料的第二结构件中的一个中形成孔；（ii）将第一结构件和第二结构件交叉；以及（iii）将第一结构件和第二结构件中的另一者成形进入孔中从而在第一结构件和第二结构件之间形成机械互锁结构（例如参考图10和11描述的）。如关于图10和11的实施例讨论的，第一结构件或第二结构件中的一个在交叉之后被加压从而使得受压结构件形变进入孔中。在一些实施例中，在形成机械互锁结构之前或之后涂敷粘接剂或抗腐蚀材料。

应该理解显示的部件（例如，套筒、纵梁和横梁）能够由多种材料组成，包括，例如，钢、铝、锰、钛、钨以及加强聚合物复合材料等。将套筒连接至纵梁的连接技术不限于MIG焊接而是能包括激光焊接、点焊、钎焊、用紧固件、锡焊、粘接或卷曲（crimping）等。可以使用多种加工技术形成套筒和纵梁，这些加工技术包括模制、铸造、车制、液压成型、冲压或者挤出工艺等。

应该理解互连部件能够有任意尺寸、形状或构造并且不限于套筒。例如，在其它实施例中，互连部件为矩形并且夹在横梁中的插口中以提供用于后续焊接的表面。

在互连部件和横梁或互连部件和纵梁的任意一组之间可以涂敷粘接剂。可以使用任意类型的粘接剂，例如，一段或二段环氧树脂可适用于说明的设计。互连部件和横梁的端部还可以包括其间的钎焊材料以增强他们的连接并用作为腐蚀减轻物。混合材料重叠接头的端部能够具有聚合物或者其它密封材料。

尽管已经详细描述了执行本发明的最佳以及优选实施方式，本发明相关的技术领域的人员会认识到权利要求范围内的实施本发明的多种可替代设计和实施例。