BR112012029510B1

BR112012029510B1 - Método de fabricação de um elemento estrutural, particularmente para uma suspensão de veículo.

Info

Publication number: BR112012029510B1
Application number: BR112012029510-1A
Authority: BR
Inventors: Andrea Santini; Piero Monchiero; Guido Borgna
Original assignee: Sistemi Sospensioni S.P.A.
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2021-04-06
Also published as: CN102947111A; IT1400618B1; BR112012029510A2; CN102947111B; WO2011141538A1; EP2569175A1; US9487058B2; US20130205591A1; ITTO20100395A1; EP2569175B1

Abstract

método de fabricação de um elemento estrutural, particularmente para uma suspensão de veículo o elemento estrutural (10) compreende um envoltório (12) feito de pelo menos uma camada de material compósito compreendendo uma matriz polimérica reforçada com fibra, e um núcleo (14) feito de material dúctil, em particular de metal, tal como aço de alta resistência. vantajosamente, o envoltório (12) compreende duas metades de envoltórios (12a, 12b) unidas umas às outras, por exemplo, por fusão térmica das matrizes poliméricas respectivas ou por colagem com adesivos estruturais, e o núcleo (14) é fixado dentro do envoltório (12).

Description

MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM ELEMENTO ESTRUTURAL, PARTICULARMENTE PARA UMA SUSPENSÃO DE VEÍCULO.

[001] A presente invenção se refere a um método para a fabricação de elemento estrutural compósito, particularmente, mas não exclusivamente para uso em uma suspensão de veículo.

[002] Os materiais geralmente utilizados na produção em massa de componentes para suspensões de veículo tais como, por exemplo, suspensões de automóveis, são de aço, ferro fundido e alumínio, por motivos de custo de produção e desempenho do material (peso, rigidez, resistência à fadiga, resistência às condições de carga limite). O uso de materiais compósitos para a produção de componentes de suspensão de automóveis é tradicionalmente limitado a carros de corrida tais como, por exemplo, carros de Fórmula 1, ou aos chamados super carros, visto que nesse caso as exigências de peso e desempenho são de maior importância do que o custo.

[003] No desenho dos componentes para suspensões de veículos, em particular para suspensões de automóveis, um número de exigências em conflito uma com a outra devem ser atendidas. Em particular, um componente de suspensão de automóvel deve ser capaz de suportar determinados tipos de cargas (as chamadas cargas de fadiga), que representam o uso normal do veículo, apesar de em condições pesadas, Essas cargas são aplicadas alternadamente ao componente e esse último não deve sofrer de formação de rachaduras ou falhas dentro de um determinado número de ciclos de fadiga aplicados. Os materiais de alta resistência, tais como materiais compósitos com base em fibra, são sugeridos a fim de corresponder a essa exigência de resistência à fadiga e limitar ao mesmo tempo o peso. Outra exigência estrutural que deve ser correspondida pelo componente de suspensão do automóvel é que o componente deve ser capaz de se deformar de forma previsível e particular sob as chamadas cargas de “má utilização”, isso é, sob “condições de carga limite”. Com tal tipo de tensão o componente deve ser capaz de se deformar, reagindo com uma determinada carga de reação e absorver uma quantidade determinada de energia, mas a conexão entre a roda e o veículo deve sempre ser garantida. Em particular, qualquer possível falha deve ser confinada a zonas determinadas e não deve ocorrer abaixo de uma quantidade determinada de deformação. Materiais dúcteis, tal como aço, são sugeridos a fim de preencher essas exigências por deformação controlada e pela presença de uma marca de testemunho de deformação sob as condições de carga limite.

[004] US7159880 descreve um elemento estrutural, em particular para um chassi de veículo, compreendendo um corpo alongado e um par de elementos de conexão montados nas extremidades opostas do corpo alongado, onde o corpo alongado consiste de um núcleo de metal no qual o material plástico reforçado com fibra é sobremoldado por meio de moldagem por injeção de modo a fornecer o corpo alongado com uma seção transversal possuindo o formato desejado. Por um lado o uso de um material plástico reforçado com fibra permite que se limite o peso do componente e se garanta ao mesmo tempo propriedades mecânicas altas, enquanto que por outro lado o uso de um núcleo metálico evita a perda de funcionalidade do componente mesmo no caso de danos. Tal solução conhecida é, no entanto, afetada pela desvantagem do uso da técnica de sobremoldagem para produzir a porção de material plástico do elemento estrutural possibilitar a obtenção apenas de elementos estruturais com uma seção transversal sólida. Isso envolve inevitavelmente limites à liberdade do projetista em desenhar a seção transversal do elemento, limites esses que são excessivamente penalizantes, por exemplo, no caso de elementos estruturais destinados a serem utilizados para braços de suspensão triangular. Como é sabido, de fato, a fim de aumentar a resistência do elemento estrutural é necessário se aumentar o momento de inércia da seção transversal do mesmo, em outras palavras, transferir o material da seção transversal para o mais distante possível do plano intermediário do mesmo, no presente caso, do núcleo metálico, o que resulta em um aumento excessivo do peso total do elemento.

[005] Exemplos adicionais de elementos estruturais compreendendo um núcleo metálico no qual material plástico, se necessário reforçado com fibras, é sobremoldado, são conhecidos de US6030570, WO 2003/039893 e WO 2003/039892. Também esses elementos estruturais sofrem da mesma desvantagem discutida acima com referência ao documento US7159880.

[006] US2004/0131418, descreve um elemento estrutural compreendendo uma primeira parte de metal possuindo uma seção transversal em formato de U e uma segunda parte de material plástico que é fixada à primeira parte para fechar a seção transversal em formato de U da mesma formando, assim, um elemento estrutural oco possuindo uma seção transversal fechada. As primeira e segunda partes são obtidas separadamente uma da outra e são então unidas uma à outra pela dobra da borda da segunda parte na borda da primeira parte, com o uso de calor ou ultrassom. Se por um lado essa solução conhecida oferece a vantagem de reduzir o peso geral do elemento estrutural devido a uma das duas partes das quais o elemento consiste serem feitas de material plástico, ao invés de metal, por outro lado a redução de peso permitida por essa solução conhecida é mínima, visto que a seção transversal do elemento estrutural é basicamente formada pela primeira parte, isso é, pela parte metálica.

[007] É, portanto, um objetivo da presente invenção fornecer um elemento estrutural compósito que seja capaz de oferecer desempenhos similares ou melhores com relação à técnica anterior, com um peso menor.

[008] Esse e outros objetivos são totalmente alcançados de acordo com a invenção em virtude de um método para a fabricação de elemento estrutural de acordo com a reivindicação independente 1 em anexo.

[009] Modalidades vantajosas da invenção são definidas nas reivindicações dependentes, o conteúdo da quais é para ser concebido como parte integral e integrante da descrição a seguir.

[010] De forma resumida, a invenção é baseada na ideia de fornecer um elemento estrutural compreendendo um envoltório e um núcleo, em que o envoltório compreende um primeira e segunda metades de envoltório feito de pelo menos uma camada de material compósito compreendendo uma matriz polimérica reforçada com fibra e onde o núcleo é feito de um material dúctil, em particular, de metal. Na descrição e nas reivindicações a seguir, o termo “envoltório” deve ser concebido como referente a qualquer tipo de corpo definindo pelo menos uma cavidade, em que tal corpo pode ter indiferentemente tanto uma seção transversal fechada quanto uma seção transversal aberta (caso no qual, naturalmente, o envoltório não será um elemento plano). A presença simultânea de um material possuindo altas propriedades mecânicas (material do envoltório) e de um material dúctil (material de núcleo) permite atender, ao mesmo tempo, às exigências de resistência à fadiga, carga de reação, modalidade de deformação e presença de uma marca de testemunho de deformação sob condições de carga limite. A resistência à fadiga e a carga de reação sob condições de carga limite são garantidas em particular pelo material de alta resistência do envoltório, e a esse respeito o envoltório será adequadamente moldada para fornecer o elemento com as características de inércia necessárias cada vez pela aplicação específica. A capacidade de absorver energia de impacto, a capacidade de fornecer uma marca de testemunho de deformação e a capacidade de evitar falhas de modo a levar à separação das partes são garantidas, por outro lado, pelo material dúctil do núcleo. O uso de material compósito para o envoltório do elemento estrutural, que forma a porção principal do elemento estrutural em termos de volume de material, permite claramente a redução do peso geral do elemento com relação à técnica anterior.

[011] A matiz polimérica do material compósito do envoltório pode consistir de um polímero termoplástico ou um polímero termofixo (tal como, por exemplo, resina epóxi). As fibras do material compósito do envoltório podem ser fibras orientadas ou fibras orientadas aleatoriamente curtas. Fibras de carbono, fibras de Kevlar, fibras de vidro, fibras de metal ou fibras de qualquer outro material adaptadas para fornecer o material compósito com as propriedades mecânicas elevadas requeridas podem ser utilizadas. No caso de um envoltório feito como um corpo com uma seção transversal fechada, é vantajoso compreender duas metades de envoltórios unidas umas às outras por aquecimento a uma temperatura tal capaz de causar a fusão da matriz polimérica do material compósito. O calor pode ser fornecido por contato com superfícies quentes (por exemplo, com um molde regulado por calor) ou por solda a laser.

[012] O núcleo é vantajosamente feito de metal laminado, em particular de uma folha de aço de alta resistência, e é adequadamente moldado de modo a ter saliências ou mudanças de plano, se requerido devido à razões estruturais. O núcleo pode ser feito como uma peça única obtida, por exemplo, por estampagem ou, alternativamente, pode compreender uma pluralidade de peças separadas que são, cada uma, obtidas, por exemplo, por estampagem e são conectadas de forma segura umas às outras por várias técnicas de união, por exemplo, por solda, rebite ou cola.

[013] Visto que o elemento estrutura compreende uma parte (isso é, a parte feita de material compósito) feita como um envoltório, os espaços vazios estão presentes entre o envoltório e o núcleo, espaços vazios esses que podem ser conectados indiferentemente uns aos outros para formar uma única cavidade ou formar cavidades separadas. As cavidades existentes entre o núcleo e o envoltório podem ser preenchidas com material de enchimento possuindo a função de fornecer ao elemento estrutural ductilidade e/ou resistência mecânica. Naturalmente, o material de enchimento também pode ser fornecido apenas em algumas das cavidades.

[014] Quando é utilizado como um componente para uma suspensão de veículo, o elemento estrutural pode ser fornecido com um ou mais elementos de conexão, tal como buchas de articulação. Para essa finalidade, o elemento estrutural compreende adicionalmente um ou mais pinos ou mangas cilíndricos, destinados a formar, cada um, um assento para a bucha respectiva. Quando o núcleo do elemento estrutural é feito de metal, as mangas cilíndricas também podem ser feitas de metal e soldadas diretamente ao núcleo. Alternativamente, as mangas cilíndricas podem ser coladas, ou unidas de qualquer outra forma, ao envoltório do elemento estrutural.

[015] Características e vantagens adicionais da presente invenção aparecerão mais claramente a partir da descrição detalhada a seguir de uma modalidade preferida da mesma, fornecida puramente a título de exemplo não limitador com referência aos desenhos em anexo, nos quais:

[016] As figuras 1 e 2 são uma vista em perspectiva e uma vista plana, respectivamente, de um braço de triangulação para uma suspensão de automóvel como um exemplo de um elemento estrutural de acordo com a presente invenção;

[017] A figura 3 é uma vista em corte do braço triangular das figuras 1 e 2 através do plano em corte indicado III-III na figura 2;

[018] A figura 4 é uma vista em corte do braço de triangulação das figuras 1 e 2 através do plano de corte indicado IV-IV na figura 2;

[019] A figura 5 é uma vista em corte de uma modalidade alternativa de um elemento estrutural de acordo com a presente invenção; e

[020] A figura 6 é uma vista em corte de uma modalidade de um elemento estrutural que não faz parte da presente invenção.

[021] Inicialmente, com referência às figuras 1 a 4, o número 10 indica geralmente uma braço triangular para uma suspensão de automóvel como um exemplo de um elemento estrutural de acordo com a presente invenção. No entanto, como já mencionado na parte introdutória da descrição, a invenção é aplicável a qualquer outro elemento estrutural para um veículo, não necessariamente um elemento destinado a ser utilizado como um componente de suspensão.

[022] O braço 10 compreende basicamente um envoltório 12 de material compósito, um núcleo 14 (figuras 3 e 4) de material dúctil e uma pluralidade de assentos (no presente caso, três assentos) para o recebimento, em cada um, de um elemento de conexão respectivo (não ilustrado), tal como uma bucha ou uma junta esférica, para conexão do braço por um lado ao portador de roda (não ilustrado) e por outro lado ao corpo de veículo (também não ilustrado).

[023] Como mencionado na parte introdutória da descrição, o envoltório 12 é um corpo que é moldado de modo a definir pelo menos uma cavidade e, em particular, no exemplo ilustrado nos desenhos é um corpo oco possuindo uma seção transversal fechada. O envoltório 12 é feito de pelo menos uma camada de material compósito possuindo uma matriz polimérica reforçada com fibra. A matriz polimérica pode consistir de um polímero termoplástico ou de um polímero termofixo (tal como, por exemplo, resina epóxi), enquanto as fibras podem ser fibras orientadas, por exemplo, fibras de carbono, fibras de Kevlar, fibras de vidro, fibras de metal ou fibras de qualquer outra material adequado para fornecer o material compósito com as altas propriedades mecânicas necessárias, ou fibras curtas orientadas de forma aleatória (em outras palavras, fibras curtas não orientadas). No caso de fibras orientadas o envoltório será vantajosamente feito de mais camadas de material compósito sobrepostas umas às outras, ao passo que no caso de fibras curtas não orientadas o envoltório consistirá de uma única camada de material compósito. Naturalmente, a orientação das fibras (no caso de fibras orientadas), assim como a textura da fibra e a sequência de sobreposição de várias camadas, será escolhida de modo a fornecer o envoltório com as propriedades mecânicas desejadas. Como pode ser observado nas figuras 3 e 4, no caso de um envoltório 12 feito de um corpo oco possuindo uma seção transversal fechada, o mesmo consiste de duas ou mais peças que são produzidas separadamente uma da outra e são então unidas uma à outra de modo a obter uma seção transversal fechada. No exemplo proposto, o envoltório 12 consiste de duas metades de envoltórios 12a e 12b, isso é, uma metade de envoltório superior e uma metade de envoltório inferior, respectivamente. As duas metades de envoltórios 12a e 12b são vantajosamente unidas umas às outras por aquecimento a uma temperatura de modo a causar a fusão da matriz polimérica do material compósito. Nesse caso, o calor pode ser fornecido pelo contato com as superfícies quentes (por exemplo, com um molde regulado por temperatura) ou por solda a laser. Alternativamente, as duas metades de envoltórios 12a e 12b são coladas umas às outras com adesivos estruturais adequados.

[024] O núcleo 14 é preferivelmente feito de metal como material dúctil, em particular, aço de alta resistência. No entanto, o núcleo 14 também pode ser feito de material não metálico, desde que apresente propriedades adequadas em termos de resiliência e ductilidade. No exemplo das figuras 1 a 4, onde o envoltório 12 é um corpo oco possuindo uma seção transversal fechada, o núcleo 14 é inserido e fixado dentro do envoltório. Preferivelmente, o núcleo 14 se estende substancialmente sobre todo o plano do elemento estrutural 10, além das zonas de extremidade do elemento onde os assentos mencionados acima são fornecidos. Alternativamente, o núcleo 14 pode, no entanto, se estender apenas em determinadas zonas do elemento estrutural, em particular na zona de deformação controlada, onde pode haver riscos de falha do envoltório com perda resultante de continuidade de material do elemento. O núcleo 14 é vantajosamente feito de metal laminado e é adequadamente moldado de modo a ter saliências e/ou mudanças de plano onde é necessário devido à razões estruturais. Como pode ser observado na vista em corte da figura 3, o núcleo 14 possui, por exemplo, um perfil transversal formando uma seção intermediária reta e, nas extremidades opostas da seção intermediária, um par de linguetas 16 dobradas em um ângulo, por exemplo, em um ângulo reto, com relação à seção intermediária. Por um lado, as linguetas 16 possuem a função de aumentar a rigidez de dobra do núcleo 14. Por outro lado, no caso do envoltório 12 sendo obtido pela união das duas metades de envoltórios 12a e 12b, as linguetas 16 possuem a função de suportar a metade de envoltório superior durante a etapa de união das duas metades de envoltórios, quando essa etapa é realizada por aquecimento. No entanto, as linguetas 16 podem até mesmo não estarem presentes. O núcleo 14 pode ser feito como uma única peça, obtida, por exemplo, por estampagem, ou pode compreender alternativamente uma pluralidade de peças separadas que são obtidas cada uma, por exemplo, por estampagem e são conectadas com segurança umas às outras por várias técnicas de união, por exemplo, por solda, rebite ou cola.

[025] O núcleo 14 é unido ao envoltório 12 nas partes intermediárias planas do elemento estrutural (seção intermediária reta da seção transversal do elemento estrutural ilustrado na figura 3). A junção entre o núcleo 14 e o envoltório 12 é obtida por colagem ou rebite. No caso de um núcleo 14 possuindo linguetas laterais 16, o núcleo pode ser unido ao envoltório 12 também nessas linguetas. Ademais, o núcleo 14 pode ter furos ou partições, caso no qual as metades de envoltórios 12a e 12b estarão em contato umas com as outras e serão unidas por cola ou rebite nesses furos ou partições.

[026] O envoltório 12 e o núcleo 14 são moldados de tal maneira que espaços vazios são definidos entre esses dois componentes, espaços esses que podem ser indiferentemente conectados uns aos outros para formar uma cavidade única ou formar cavidades separadas. Nas zonas de elemento estrutural onde o núcleo não está presente, as cavidades serão encerradas apenas pelo material do envoltório, ao invés de serem encerradas parte pelo envoltório e parte pelo núcleo. As cavidades mencionadas acima podem ser preenchidas com material de enchimento possuindo a função de fornecer o elemento estrutural com ductilidade e/ou resistência. A esse respeito, a figura 4 ilustra uma cavidade (indicada 30 e localizada em torno de um dos assentos do braço mencionados acima) que é preenchida com o material de enchimento.

[027] Na modalidade proposta, na qual o elemento estrutural é um braço em suspensão, em particular um braço triangular, o elemento estrutural é fornecido com um ou mais elementos de conexão (no presente caso, três elementos de conexão) tal como buchas de articulação. Para essa finalidade, o braço 10 compreende três mangas ou elementos tubulares cilíndricos 18, 20 e 22, das quais as duas primeiras possuem um eixo geométrico vertical e a terceira possui um eixo geométrico horizontal, e que devem formar, cada uma, um assento para acionar a bucha de articulação respectiva. As mangas cilíndricas 18, 20 e 22 também podem ser feitas de metal e podem ser soldadas diretamente ao núcleo 14. Em adição a ou como uma alternativa a serem fixadas ao núcleo 14, as mangas cilíndricas 18, 20 e 22 podem ser coladas ou unidas de qualquer outra forma ao envoltório 12.

[028] Camadas de reforço 24 de material compósito também podem ser fixadas ao envoltório 12 e são vantajosamente feitas do mesmo material que o envoltório. As camadas de reforço 24 podem ser fixadas ao envoltório 12 por fusão ou colagem. Um reforço localizado do braço nas áreas sujeitas a tensões maiores é dessa forma obtido.

[029] Com referência às figuras 5 e 6, onde partes e elementos idênticos ou correspondentes aos das figuras 1 a 3 receberam as mesmas referências numéricas, dois exemplos de modalidades alternativas de um elemento estrutural são ilustrados. Diferentemente da modalidade das figuras de 1 a 4, onde as duas metades de envoltórios 12a e 12b são unidas umas às outras com as bordas respectivas (indicadas por 26a para a metade de envoltório superior e 26b para a metade de envoltório inferior nas figuras 3 e 4) dispostas em butt, na modalidade da figura 5, as duas metades de envoltórios 12a e 12b são unidos umas às outras com as bordas respectivas 26a e 26b sobrepostas uma à outra. Adicionalmente, como especificado acima, as duas metades de envoltórios 12a e 12b podem ser unidas umas às outras, por colagem ou rebite, também nos furos ou partições fornecidos no núcleo 14. Na modalidade da figura 6, não faz parte da presente invenção, o envoltório 12 do elemento estrutural é feito como uma peça única de material compósito com uma seção transversal aberta e o núcleo 14 é fixado ao envoltório 12, em particular, pela colagem de linguetas 16 do núcleo às bordas 26 do envoltório, de modo a formar com esse último um elemento possuindo uma seção transversal fechada.

[030] As etapas a seguir são basicamente fornecidas para a fabricação de um elemento estrutural de acordo com a invenção:

a) fornecimento de um envoltório 12 feito de pelo menos uma camada de material compósito compreendendo uma matriz polimérica reforçada com fibra;
b) fornecimento de um núcleo 14 feito de um material dúctil; e
c) união do núcleo 14 ao envoltório 12.

[031] No caso do envoltório 12 ser feito como um corpo oco possuindo uma seção transversal fechada compreendendo duas metades de envoltórios 12a e 12b, a etapa (a) fornece as duas metades de envoltórios 12a e 12b sendo obtidas separadamente uma da outra, a etapa (c) fornece o núcleo 14 sendo unido a uma das duas metades de envoltórios (a metade de envoltório 12b na modalidade da figura 3 e a metade de envoltório 12a na modalidade da figura 5) e uma etapa adicional (d) também será fornecida, na qual a segunda metade de envoltório é unida à primeira metade de envoltório e, se necessário, também ao núcleo 14. A esse respeito, como já mencionado, as duas metades de envoltórios 12a e 12b são vantajosamente unidas uma à outra por aquecimento a uma temperatura de modo a causar fusão da matriz polimérica do material compósito, o calor necessário para causar a fusão da matriz polimérica do material compósito sendo fornecido por contato com as superfícies quentes (por exemplo, com um molde regulado por temperatura) ou por solda a laser. Alternativamente, as duas metades de envoltórios 12a e 12b podem ser coladas uma à outra com adesivos estruturais adequados.

[032] No que diz respeito à etapa (b), como já notado acima, o núcleo 14 pode ser produzido como uma peça única obtida, por exemplo, por estampagem, ou pode, alternativamente, compreender uma pluralidade de peças separadas, que são, cada uma, obtidas, por exemplo, por estampagem ou são conectadas de forma segura umas às outras com várias técnicas de união, por exemplo por solda, rebite ou cola.

[033] Naturalmente, o princípio da invenção permanece inalterado, as modalidades e os detalhes de construção podem variar amplamente com relação aos descritos e ilustrados puramente por meio de exemplo não limitador, sem dessa forma, se distanciar do escopo da invenção como definido nas reivindicações em anexo.

Claims

Método de fabricação de um elemento estrutural (10), particularmente para uma suspensão de veículo, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende as etapas de:
- (a) fornecer primeira e segunda metades de envoltório separadas (12a, 12b) feitas de pelo menos uma camada de material compósito compreendendo uma matriz polimérica reforçada por fibra;
- (b) fornecer um núcleo (14) feito de material dúctil;
- (c) unir o núcleo (14) à primeira metade de envoltório (12a) de tal forma que pelo menos uma cavidade (30) é definida dentro do elemento estrutural (10); e
- (d) unir a referida segunda metade de envoltório (12b) à primeira metade de envoltório (12a).
Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as referidas primeira e segunda metades de envoltório (12a, 12b) são unidas umas às outras pelo aquecimento a uma temperatura tal de modo a causar a fusão da matriz polimérica do material compósito.
Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as primeira e segunda metades de envoltório (12a, 12b) serem unidas umas às outras por colagem.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que o núcleo (14) é feito como uma peça única.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o núcleo (14) é feito pela junção de uma pluralidade de peças separadas.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente compreende a etapa de enchimento da referida pelo menos uma cavidade (30) com material de enchimento.