專利名稱：一種具有防護層的新型纖維復合材料板彈簧的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及汽車懸掛減震系統(tǒng)，特別涉及一種具有防護層的新型纖維復合材料板彈簧。
背景技術：
板彈簧是指由不少于一片彈簧板疊加組合而成的板狀彈簧，它是汽車底盤懸掛系統(tǒng)中的重要部件之一，主要用來吸收汽車行駛過程中產生的震動、扭矩以及制動力矩等載荷，提高汽車的動態(tài)特性和舒適性，廣泛運用于中小型汽車、重型卡車和軌道交通車輛。傳統(tǒng)鋼板彈簧結構由多層鋼板疊加組合而成，其中多層鋼板相互間等寬但不等長，疊加組合后構成一根彈性梁。彈性梁的兩端與車架鉸接，中部支撐車輪，從而傳遞各種力和力矩，并決定車輪的跳動軌跡。傳統(tǒng)鋼板彈簧生產成本低、加工簡單并且可靠性較好，但是其重量較重、舒適性差、縱向尺寸較大。傳統(tǒng)鋼板彈簧較重的質量會引起汽車較高的油耗，而且其長期處于高溫高濕的動態(tài)載荷條件下，也容易被腐蝕和疲勞失效。隨著科學技術的發(fā)展，后來人們又開發(fā)了一種應用于車輛底盤懸掛減震系統(tǒng)的纖維復合材料板彈簧。纖維復合材料板彈簧主要由高性能纖維材料(例如玻璃纖維、碳纖維)和多聚物樹脂組成，在相同體積情況下，重量要明顯輕于傳統(tǒng)鋼板彈簧。這種板彈簧通常采用單向預浸料鋪層和熱壓成型工藝生產。產生時首先將樹脂與增強纖維按照一定比例混合制作成預浸料，然后將預浸料按規(guī)定尺寸切割，再在一些簡單的模具上疊合成預坯料，最后通過模具對這些預坯料(預成型件)加壓和加熱直接模壓生成纖維復合材料板彈簧。纖維復合材料板彈簧的品種多種多樣。德國專利DE10221589 Al公開了一種纖維復合材料板彈簧結構。這種板彈簧中央為拱形，兩端為圓弧形形狀，其中兩端位置各有一個緊固件連接孔，用于與汽車底盤結構進行螺栓連接。這種纖維復合材料板彈簧的設計缺陷是它引入了只能通過結構復雜的模具或者纖維沖壓工藝而加工成的緊固件連接孔。在實際應用中緊固件連接孔處容易形成應力集中，從而產生裂紋，最終導致結構被破壞和失效。歐洲專利EP0093707B1或者類似的美國專利US4557500 BI中公開了另一款軸末兩端比中間窄而厚的矩形截面的纖維復合材料板彈簧。德國專利DE 102004010768 Al公開了一種新型的纖維復合材料板彈簧，這種板彈簧的縱剖面厚度恒定，為了便于與懸掛系統(tǒng)的裝配而縮減了板彈簧兩端的寬度，并且其纖維材料是完整沒有被切割。中國專利200680041164. 2公開了一種截面為凸起形狀的纖維復合材料板彈簧，這種幾何凸起設計可以避免在與緊固件的連接處板彈簧邊緣的材料開裂或脫落現(xiàn)象，而這種開裂會導致水分子進入纖維結構，從而對結構性能產生負面影響。另外，在其他纖維復合材料板彈簧設計中，板彈簧的兩端在固化完成后按照裝配的需要被切割成錐形。這會導致纖維材料的紋理斷裂和破壞，而這些分布在切割處的纖維材料在板彈簧受到動態(tài)交變載荷時容易產生裂紋，并且裂紋會從切割點向平行于纖維的方向擴散，最終導致板彈簧的斷裂?？傊瑢τ诂F(xiàn)有已知的纖維復合材料板彈簧的研究表明，在與緊固件連接的地方容易發(fā)生表面損傷，隨之水分子滲透到纖維中，從而導致板彈簧的性能降低、使用壽命縮短。另外，在纖維復合材料板彈簧使用過程中，表面容易遭受地面彈起的小石塊沖擊而受損，從而導致水分子滲透到板彈簧內部導致同樣的問題。因此，在實際使用狀態(tài)下，如何保護好纖維復合材料板彈簧的纖維組織和整體結構的完整性是本實用新型研究的問題。
發(fā)明內容本實用新型提供一種具有防護層的新型纖維復合材料板彈簧，其目的是要通過設計額外的保護層結構來防護纖維組織和整體結構的完整性，從而解決因表面損傷而引發(fā)的性能降低以及使用壽命縮短等問題。為達到上述目的，本實用新型采用的技術方案是一種具有防護層的新型纖維復合材料板彈簧，包括一根由承載纖維構成的彈性梁，其創(chuàng)新在于所述彈性梁至少在使用狀態(tài)下的上表面和下表面分別設有保護層結構，該保護層結構緊貼彈性梁的上表面和下表 面，并與彈性梁一起成型為整體結構，所述保護層為編織復合纖維層。上述技術方案中的有關內容解釋如下I.上述方案中，所述承載纖維是指彈性梁中主要承受彎曲載荷的纖維，承載纖維布局為單向多層結構。承載纖維主要有玻璃纖維、碳纖維、芳倫(凱夫拉)纖維以及金屬纖維等。彈性梁中的承載纖維可以使用單種纖維，也可以采用多種不同纖維混合構造的結構，并且與樹脂基體經模具熱壓成型而構成彈性梁。所述樹脂基體可以為熱塑性或者熱固性樹月旨，具體材料可以從目前公開的現(xiàn)有技術中得到。所述編織復合纖維層由多層纖維編織材料與樹脂基體復合而成。2.上述方案中，所述彈性梁下表面的保護層厚度大于上表面的保護層厚度。3.上述方案中，所述彈性梁的前側面和后側面分別設有保護層，上表面、下表面、前側面和后側面的保護層從周向包裹彈性梁結構。4.上述方案中，所述保護層中的編織復合纖維層為雙向纖維編織結構、三向纖維編織結構或多向纖維編織結構。本實用新型工作原理是為了保護纖維復合材料板彈簧承載的纖維組織及結構不受破壞，至少在彈性梁的上表面和下表面設有保護層結構，保護層由多層纖維編織材料與樹脂基體復合而成，并與彈性梁一起成型為整體結構。保護層的主要作用一是密封，防止水份浸入，破壞纖維組織和基體的強度和性能；二是防止纖維結構散開、脫層；三是耐酸堿鹽等腐蝕、耐高溫，保護其中承載的纖維組織和結構不受破壞，承受地面彈起石塊的沖擊載荷，從而解決因表面損傷而引發(fā)承載纖維組織及結構的性能降低以及使用壽命縮短等問題。由于上述技術方案運用，本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點I.改善了現(xiàn)有纖維復合材料板彈簧的耐腐蝕性能和耐候性能；2.有效地提高了現(xiàn)有纖維復合材料板彈簧的抗沖擊性能和破損安全性能；3.對連接處的保護和加強減少了承載纖維組織和結構產生裂紋的風險，進一步提聞了廣品的使用壽命；4.可利用纏繞工藝、注塑成型或者層壓工藝制備不同類型的纖維復合材料板彈簧結構。
附圖I為本實用新型具有防護層的新型纖維復合材料板彈簧主視圖；附圖2為本實用新型具有防護層的新型纖維復合材料板彈簧俯視圖；附圖3為圖I中的A-A剖視圖；附圖4為本實用新型具有防護層的新型纖維復合材料板彈簧使用狀態(tài)圖；附圖5為雙向纖維編織結構示意圖；附圖6為三向纖維編織結構示意圖；附圖7為四向纖維編織結構示意圖。以上附圖中1.纖維復合材料板彈簧；2.彈性梁；3.保護層；4.車輪；5.夾持緊固件;6.連接件。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述實施例一種具有防護層的新型纖維復合材料板彈簧圖I 圖3所示為應用于汽車懸掛減震系統(tǒng)的纖維復合材料板彈簧1，該纖維復合材料板彈簧I包括一根由承載纖維構成的彈性梁2，承載纖維由多層纖維材料層以迭加鋪設形式放入到樹脂基體中復合而成。為了保護彈性梁2的纖維組織及結構不受破壞，彈性梁2至少在使用狀態(tài)下的上表面和下表面分別設有保護層3結構，該保護層3結構緊貼彈性梁2的上表面和下表面，并與彈性梁2 —起成型為整體結構，所述保護層3為編織復合纖維層，該編織復合纖維層由多層纖維編織材料與樹脂基體復合而成。圖4為本實用新型具有防護層的新型纖維復合材料板彈簧的使用狀態(tài)圖。從圖中可以看出，纖維復合材料板彈簧I在使用狀態(tài)下，中部由夾持緊固件5夾持來支撐車輪4，兩端通過連接件6與車架連接，從而傳遞各種力和力矩，并決定車輪4的跳動軌跡。為了保護彈性梁2的纖維組織及結構，提高彈性梁2的耐候性、承載沖擊載荷的能力最好在彈性梁2的上表面、下表面、前側面和后側面均設有保護層3，保護層3從周向包裹彈性梁2結構。在纖維復合材料板彈簧I結構中，彈性梁2由承載纖維構成。所述承載纖維主要有玻璃纖維、碳纖維、芳倫(凱夫拉)纖維以及金屬纖維等，并且通過樹脂基體經模具熱壓成型，所用的樹脂基體可以為熱塑性或者熱固性樹脂。因為彈性梁2主要承受彎曲載荷，所以承載纖維布局為單向多層結構(見圖3)。在該結構中不僅有單種纖維結構，而且可以根據(jù)具體使用和成本要求，還可以采用多種不同纖維混合構造的結構。而保護層3主要是起防護作用，所以由多層纖維編織材料與樹脂基體復合而成。保護層3中的纖維編織材料可以為圖5中所示的雙向纖維編織結構，也可以為圖6中所示的三向纖維編織結構，還可以為圖7中所示的多向纖維編織結構。保護層3中的樹脂基體可以采用改良的工程塑料樹脂，如ABS、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)等，以此使纖維復合材料板彈簧I構成三明治(Sandwich)夾芯保護結構，這樣可以有效地防護纖維組織和整體結構的完整性。纖維復合材料板彈簧I的幾何設計主要根據(jù)具體使用要求而定，從結構優(yōu)化角度而言，一般設計中間厚、兩端薄，中間窄、兩端寬的外形，以達到材料和結構利用的最優(yōu)化。為便于與車輛底盤結構連接，兩端結構形狀為梯形或者矩形。纖維復合材料板彈簧I的橫截面形狀均為矩形，結構寬度和厚度連續(xù)變化，以便于簡化生產和加工工藝，避免不必要的纖維切割對結構造成的局部破壞。與車輪4的連接一般在板彈簧結構的中間或者中間稍偏向兩側的位置，連接方式一般采用夾持緊固件5夾持連接(見圖4)。作為對連接處的結構局部加強，可以在彈性梁2中對應該連接處位置采用纖維材料局部多鋪層，并且在保護層3中對應該連接處位置局部加入額外的纖維編織層的方法來實現(xiàn)。本設計提出的保護層3使用改良工程塑料作為基體材料，因為改良工程塑料具有良好的耐腐蝕、耐沖擊、耐高溫、耐候性等特性。本設計之所以在保護層3中采用纖維編織材料是因為纖維編織材料一般由雙向、三向或多向纖維編織構成，具有良好的抗沖擊載荷的特性，即使受到較大的沖擊載荷，造成破壞之后，因為纖維編織材料間的相互作用，也能有效地減緩破壞擴展速率，提高結構的破損安全性?？捎玫牡湫屠w維編織材料類型有圖5 圖7的雙向編織、三向編織以及多向編織等。根據(jù)設計強度要求，可用不同類型的纖維材料如玻璃纖維、碳纖維芳倫纖維材料 以及金屬纖維材料。將多層纖維編織材料與改良工程塑料薄膜層疊，在熱壓成型作用下融為一體，形成具有很高的耐沖擊、耐腐蝕、耐候性等特點的保護層3，可進一步提高產品質量和使用壽命。另外，纖維編織材料提供的額外好處在于在緊固件的連接處，它起到了增強剪切強度的作用，進一步提高了連接處的結構強度，減少了結構產生裂紋破壞的風險。一般而言，板彈簧結構的下表面受到更多的沖擊載荷，所以下表面的保護層3厚度大于上表面的保護層3厚度。保護層3可僅覆于蓋彈性梁2的上表面和下表面，最好是包裹彈性梁2的橫截周向整個結構。上述實施例只為說明本實用新型的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本實用新型的內容并據(jù)以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡根據(jù)本實用新型精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種具有防護層的新型纖維復合材料板彈簧，包括一根由承載纖維構成的彈性梁(2)，其特征在于所述彈性梁(2)至少在使用狀態(tài)下的上表面和下表面分別設有保護層(3)結構，該保護層(3)結構緊貼彈性梁(2)的上表面和下表面，并與彈性梁(2)—起成型為整體結構，所述保護層(3)為編織復合纖維層。
2.根據(jù)權利要求I所述的新型纖維復合材料板彈簧，其特征在于所述彈性梁(2)下表面的保護層(3)厚度大于上表面的保護層(3)厚度。
3.根據(jù)權利要求I所述的新型纖維復合材料板彈簧，其特征在于所述彈性梁(2)的前側面和后側面分別設有保護層(3)，上表面、下表面、前側面和后側面的保護層(3)從周向包裹彈性梁(2)結構。
4.根據(jù)權利要求I或2或3所述的新型纖維復合材料板彈簧，其特征在于所述保護層(3)中的編織復合纖維層為雙向纖維編織結構、三向纖維編織結構或多向纖維編織結構。
專利摘要一種具有防護層的新型纖維復合材料板彈簧，包括一根由承載纖維構成的彈性梁，其特征在于至少在彈性梁的上表面和下表面設有保護層結構，保護層由多層纖維編織材料與樹脂基體復合而成，并與彈性梁一起成型為整體結構。保護層的主要作用一是密封，防止水份浸入，破壞纖維組織和基體的強度和性能；二是防止纖維結構散開、脫層；三是耐酸堿鹽等腐蝕、耐高溫，保護其中承載的纖維組織和結構不受破壞，承受地面彈起石塊的沖擊載荷，從而解決因表面損傷而引發(fā)承載纖維組織及結構的性能降低以及使用壽命縮短等問題。
文檔編號F16F1/368GK202719062SQ201220198479
公開日2013年2月6日 申請日期2012年5月7日 優(yōu)先權日2012年5月7日
發(fā)明者魏斌, 何鵬 申請人:蘇州萊西特輕量化科技有限公司