高強度輕量復合材料片簧及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體涉及片簧，尤其涉及用于汽車及卡車懸架系統(tǒng)等應用中的復合材料片 簧及該片簧的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 長久以來，車輛制造商一直致力于減輕車輛重量，以達到提高燃油經(jīng)濟性，提高有 效載荷能力，增加汽車、卡車、多用途車輛及休閑用車的駕駛及操控特性的目的。大部分車 輛的懸架系統(tǒng)使用鋼板片簧作為承載及蓄能裝置。雖然鋼板片簧除能用作蓄能裝置，還具 有可用作附接件和/或結(jié)構(gòu)件的優(yōu)點，但是與其他類型彈簧相比，鋼板片簧每單位質(zhì)量的 蓄能容量極為低效。鋼板片簧具有較為沉重、噪音較大、且可發(fā)生腐蝕的本質(zhì)特點。因此， 在安裝及減振要求中需額外考慮鋼板片簧的重量。例如，在使用鋼板片簧時，通常需要使用 減振器，以在操作條件下控制片簧的質(zhì)量。
[0003] 因此，需要其他每單位質(zhì)量能量較高從而可實現(xiàn)較為輕質(zhì)的組件結(jié)構(gòu)的片簧。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)本文所述的各個方面，提供一種復合材料片簧，其包括由定向內(nèi)嵌于該復合 材料片簧基質(zhì)內(nèi)的纖維加強的熱塑性基質(zhì)材料。
【附圖說明】
[0005] 圖1為根據(jù)實施方式帶有平坦第二級葉片的混合型復合材料片簧組件示意圖。
[0006] 圖2為圖1所示混合型復合材料片簧的第一級葉片剖視圖。
[0007] 圖3為根據(jù)實施方式包括鋼制主葉片以及平坦復合材料第二級負載葉片的復合 材料片簧組件的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008] 圖3A為根據(jù)實施方式包括鋼制主葉片以及曲形復合材料第二級負載葉片的另一 復合材料片簧組件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009] 圖4為根據(jù)實施方式包括一體成型附接吊耳的全復合材料片簧立體示意圖。
[0010] 圖5為根據(jù)實施方式作為懸架控制臂及彈簧且圖示為斜上安裝方式的根據(jù)實施 方式的復合材料懸架控制臂部分立體示意圖。
[0011] 圖5A為根據(jù)實施方式的橫向安裝全復合材料片簧示意圖。
[0012] 圖6為使用根據(jù)實施方式包括作為后軸定位件的層壓制件的具有另一結(jié)構(gòu)的復 合材料片簧的后懸架懸臂梁組件的部分立體圖。
[0013] 圖7為使用根據(jù)實施方式包括作為后軸定位件的層壓制件的另一結(jié)構(gòu)復合材料 片簧的后懸架懸臂梁組件立體圖。
[0014] 圖8為使用根據(jù)實施方式包括作為后軸定位件的層壓制件的另一結(jié)構(gòu)復合材料 片簧的后懸架懸臂梁組件側(cè)視圖。
[0015] 圖9通過圖9A-圖9E示出五種片簧的側(cè)視圖，具體而言，圖9A所示為標準片簧； 圖9B所示為根據(jù)實施方式的吊耳安裝式彈簧；圖9C所示為根據(jù)實施方式的錐形端部滑動 彈簧；圖9D所示為根據(jù)實施方式的漸進式彈簧；圖9E所示為根據(jù)實施方式的掛車彈簧。
[0016] 圖10為根據(jù)實施方式包括形成錐形形貌的疊置連續(xù)層體的復合材料片簧示意 圖。
[0017] 圖11為根據(jù)實施方式的復合材料片簧示意圖，其所示為將連續(xù)層體，例如圖10所 示層體加熱固結(jié)后得到的錐形彈簧結(jié)構(gòu)。
[0018] 圖12為根據(jù)實施方式包括繞折連續(xù)層體的復合材料片簧示意圖。
[0019] 圖13為根據(jù)實施方式包括繞折連續(xù)層體、附接吊耳及嵌件的復合材料片簧示意 圖。
[0020] 圖14為根據(jù)實施方式包括連續(xù)層體、附接吊耳、以及嵌件且圖示為由所述層體加 熱固結(jié)所得到的彎曲結(jié)構(gòu)的復合材料片簧示意圖。
[0021] 圖15為根據(jù)實施方式的復合材料片簧示意圖，其所示為將繞折層體加熱固結(jié)后 得到的錐形彈簧結(jié)構(gòu)。
[0022] 圖16為根據(jù)實施方式包括平坦纖維加強型復合材料第二級葉片的多葉片彈簧立 體示意圖。需要注意的是，雖然其中第一級葉片結(jié)構(gòu)圖示為具有三個板體，然而根據(jù)需要， 還可使用更多或更少的板體。
[0023] 圖17為根據(jù)實施方式包括曲形纖維加強型復合材料第二級葉片的多葉片彈簧立 體示意圖。需要注意的是，雖然其中第一級葉片結(jié)構(gòu)圖示為具有三個板體，然而根據(jù)需要， 還可使用更多或更少的板體。
[0024] 圖18為一種根據(jù)實施方式包括混合型葉片、金屬主葉片以及纖維加強型熱塑性 材料包覆層的復合材料片簧立體示意圖。
[0025] 圖19通過圖19A和圖19B示意性地示出了一種根據(jù)實施方式包括本文所公開纖 維加強型聚合物（FRP)熱塑性材料且尤其示為通過彎曲形式致動的懸臂結(jié)構(gòu)。
[0026] 圖20通過圖20A和圖20B示意性地示出了根據(jù)實施方式的浮動懸臂結(jié)構(gòu)。
[0027] 圖21為根據(jù)實施方式的多連鎖復合材料葉片組件示意圖。
[0028] 圖22為根據(jù)實施方式的另一多連鎖復合材料葉片組件示意圖。
[0029] 圖23為根據(jù)實施方式的另一多連鎖復合材料葉片組件示意圖。
[0030] 圖24為根據(jù)實施方式的完全橫向葉片示意圖。
[0031] 圖25通過圖25A和圖25B示意性地示出了根據(jù)實施方式具有用作懸臂彈簧的上 臂的復合材料葉片組件。
[0032] 圖26為根據(jù)實施方式使用可由圖27中纖維加強型聚合物（FRP)熱塑性復合材料 片簧/組件替代的卷簧的乘用車后懸架子組件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033] 圖27為根據(jù)實施方式包括所述纖維加強型聚合物（FRP)熱塑性復合材料片簧/ 組件的后懸架子組件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖28為所述纖維加強型聚合物（FRP)熱塑性復合材料片簧/組件的曲形實施方 式。
[0035] 圖29為本發(fā)明實施方式測試時的蠕變應變-時間圖。
[0036] 圖30為本發(fā)明實施方式測試時的拉伸強度（Psi)圖。
[0037] 圖31為本發(fā)明實施方式測試時的楊氏模量圖。
[0038] 圖32為本發(fā)明實施方式測試時的另一拉伸強度（Psi)圖。
[0039] 圖33為本發(fā)明實施方式測試時的另一楊氏模量圖。
[0040] 圖34為本發(fā)明實施方式測試時的壓縮強度圖。
[0041] 圖35為本發(fā)明實施方式測試時的壓縮模量圖。
[0042] 圖36為本發(fā)明實施方式測試時的另一壓縮強度圖。
[0043] 圖37為本發(fā)明實施方式測試時的另一壓縮模量圖。
[0044] 圖38為本發(fā)明實施方式測試時的面內(nèi)剪切強度圖。
[0045] 圖39為本發(fā)明實施方式測試時的面內(nèi)剪切模量圖。
[0046] 圖40為本發(fā)明實施方式測試時的層間剪切強度圖。
[0047] 圖41為根據(jù)本發(fā)明實施方式的樣本1蠕變應變-時間圖。
[0048] 圖42為根據(jù)本發(fā)明實施方式的樣本2蠕變應變-時間圖。
[0049] 圖43為本發(fā)明實施方式測試時的應力-應變圖。
【具體實施方式】
[0050] 發(fā)明人已確定，本文所公開的由纖維加強型聚合物（FRP)材料，尤其由纖維加強 型熱塑性材料組成的復合材料片簧可提供例如遠高于傳統(tǒng)鋼板片簧的每單位質(zhì)量蓄能，從 而實現(xiàn)遠輕于傳統(tǒng)鋼板片簧的組件。此外，本文公開的所述纖維加強型復合材料片簧及組 件所傳噪聲低于鋼板片簧，而且操作條件下維持控制所需的減振力更小。
[0051] 因此，根據(jù)實施方式，用于制造其聚合物復合材料和/或復合材料層的所述聚合 物基質(zhì)包括熱塑性基質(zhì)材料。
[0052] 內(nèi)嵌于所述聚合物基質(zhì)材料中以形成所述熱塑性復合材料的顆?；蚶w維可包 括，但不限于：內(nèi)嵌于所述聚合物基質(zhì)材料中以形成所述聚合物復合材料的碳、玻璃、 Kevlar齡:纖維、芳綸纖維、上述的各種組合等。除了上述顆粒和纖維，鐵微粒也可加入本文 所公開的所述復合材料中。通過這種方式，形成所述復合材料層的上述層體便可通過感應 加熱而粘接和/或固化于一起。
[0053] 根據(jù)實施方式，纖維加強型熱塑性復合材料片簧通常可包括熱塑性基質(zhì)材料、高 強度加強纖維以及其他加強材料的組合。所述熱塑性基質(zhì)材料可包括任何具有適合所述用 途的熱塑性質(zhì)的材料或材料組合，包括但不限于：可使所生成復合材料具有耐火特性的聚 偏二氟乙烯（PVDF)、聚酰胺（尼龍）、聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙酯、聚苯硫醚、聚醚醚 酮、以及其他熱塑性聚合物及其組合。所述聚合物基質(zhì)材料可優(yōu)選采用較高分子量的聚乙 烯，例如超高分子量聚乙烯（UHMffPE)和高密度交聯(lián)聚乙烯（HDXLPE)。在一些低性能應用 中，也可使用其它聚乙烯，如交聯(lián)聚乙烯（PEX或XLPE)、中密度聚乙烯（MDPE)、線型低密度 聚乙烯（LLDPE)以及極低密度聚乙烯（VLDPE)。
[0054] 根據(jù)產(chǎn)品板材預定使用目的中的物理特性要求，熱塑性材料的重量含量可在大范 圍內(nèi)變動。復合材料可包含占熱塑性基質(zhì)材料與纖維總重量約50%重量百分比至約15% 重量百分比的熱塑性基質(zhì)，更優(yōu)選為約40%重量百分比至約20%重量百分比，更加優(yōu)選為 約30%重量百分比至約25%重量百分比的熱塑性基質(zhì)材料。
[0055] 所述使用的加強纖維可包括，但不限于：玻璃纖維（如E玻璃纖維和S玻璃纖維）、 芳綸纖維（ KEVLAR? )、碳纖維以及其他高強度纖維及其組合。此外，還可加入其他纖