一种FRP板簧及其总成的制作方法

本发明属于机动车板簧技术领域，特别是指一种FRB板簧及其总成。

背景技术：

钢板弹簧在汽车上可以纵置或者横置。横置钢板弹簧因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂、质量加大，所以只在少数轻、微型车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，具有导向功能，并且结构简单，故在汽车上得到广泛应用。

如图1和图2所示为现有技术钢板弹簧的主视图和俯视图，包括前衬套01、卡箍02、板簧03、中心螺栓04及后衬套05；现有技术的钢板弹簧的质量大，燃油经济性差，寿命短，平顺性差，簧下质量大，簧下振动大。

随着科技发展，复合材料板簧逐步用于汽车悬架弹簧元件。复合材料比强度比模量高、具有良好的耐疲劳性能、阻尼减振性能和耐腐蚀性能，因此，使用复合材料做弹性元件，可大幅提高车辆的平顺性和舒适性，而质量仅是钢板弹簧的1/4左右，不仅有效地提高了燃油效力，还降低了簧下质量，减小簧下振动，同时寿命是钢板弹簧的3倍左右，在整车寿命范围内无需更换弹性元件，整车使用和维修成本相对较低。

复合材料英文是Fibre-Reinforced Plast ic，直译是纤维增强塑料，简称FRP，复合材料种类很多，比如钢筋混泥土也是复合材料，混泥土是母材，钢筋是增强材料。但是现代工业所指的复合材料主要是玻璃纤维复合材料(GFRP)和碳纤维复合材料(CFRP)，母材是塑料(或树脂)，增强材料是玻璃纤维或碳纤维，现代复合材料板簧的增强材料主要是玻璃纤维，也有碳纤维，母材多为环氧树脂，因此，把复合材料板簧称之为FRP板簧更为科学。

FRP板簧本体中要求增强材料(玻璃纤维或碳纤维)布置均匀性，也即单位面积纤维束数相同，同时在主要使用长度范围内纤维束数一致，保持纤维的连续性，这样才能保证FRP板簧刚度和变形的一致性，所以，不要使纤维长短不齐，尽量不要在主要使用长度范围内切割或大孔。均匀性和连续性是保证FRP板簧性能和可靠性的基本要求。如奔驰sprinter为代表的轻型客车的前悬架采用横置FRP板簧，只是在受力很小的两端切割，在使用范围内，各处截面相等，且截面高度和宽度也不变，保证FRP板簧中纤维的布置均匀性且无间断，这样便于成型加工。安装时采用4点软固定，中部所有纤维获得保护，充分保证FRP板簧的寿命，大幅提高悬架的可靠性。

现在国内外很多汽车厂家想用FRP板簧替代现有的纵置板簧，但是，纵置板簧两端卷耳要通过衬套固定到车身上，中部要通过U形螺栓固定在车身上，必须通过金属件的连接和固定，这些因素必然造成FRP板簧局部应力大，在卷耳的连接处和U形螺栓外侧出现纤维断裂的现象，极大地影响FRP板簧的寿命。

如图3所示，为现有技术横置FRP板簧独立悬架机构，包括端部固定块06、上限位块07、下限位块08、横置FRP板簧09、副车架010及下摆臂011；现有技术的横置FRP板簧除两端外，FRP板簧的各处截面均相等，且截面高度和宽度也不变。

横置FRP板簧的中部由副车架上的上限位块和下限位块上下限位固定，端部由下摆臂上的端部固定块限位固定，端部固定块、上限位块、下限位块与横置FRP板簧均是通过橡胶限位固定，这样整个横置FRP板簧左右通过的四个固定点均为软固定。

由于横置FRP板簧中纤维的布置均匀性且无间断，保证FRP板簧的纤维不被损坏，充分保证FRP板簧的寿命，大幅提高悬架的可靠性。但是横置FRP板簧独立悬架结构复杂，成本高，而几乎所有商用车都采用具有导向功能的纵置板簧。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种FRP板簧及其总成，以解决在保证纵置板簧的性能和可靠性的前提下，用FRP板簧替换现有钢板弹簧；保证FRP板簧本体的均匀性和连续性的同时，改变增强材料纤维的布置和走向，减小FRP板簧本体与金属件的连接和固定处的应力，提高纵置FRP板簧的可靠性，大幅降低板簧悬架的重量，提高燃油效力；提高车辆行驶的平顺性；提高纵置板簧悬架的寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种FRP板簧，包括FRP板簧本体，所述FRP板簧本体的各部分截面均相同；

所述FRP板簧本体包括前卷耳安装段、前外过渡段、前性能段、前内过渡段、U型螺栓安装段、后内过渡段、后性能段、后外过渡段及后卷耳安装段；所述前卷耳安装段、所述前外过渡段、所述前性能段、所述前内过渡段、所述U型螺栓安装段、所述后内过渡段、所述后性能段、所述后外过渡段及所述后卷耳安装段依次连接为所述FRP板簧本体；

所述FRP板簧本体的各段最大剪应力相同，弯曲应力主要取决于正应力，

正应力由公式：

或

其中，M为弯矩，M＝Px，P为受力，x为FRP板簧本体的端部至测试点的长度；Z为截面系数，Z＝(bh²)/6，其中b为测试点处FRP板簧的宽度，h为测试点处FRP板簧的厚度；S为测试点处FRP板簧的截面积，S＝bh；

根据公式(2)，为保证所述FRP板簧本体各段应力相同，从所述FRP板簧的U型螺栓安装段的两侧各自向所述FRP板簧的端部延伸到所述FRP板簧最宽处时，所述FRP板簧的厚度逐渐减小。

在所述U型螺栓安装段的两侧靠近所述前内过渡段及所述后内过渡段部分的厚度h1均大于所述U型螺栓安装段的厚度，且所述h1部分对应的所述FRP板簧本体的宽度为b1；

所述前性能段靠近所述前外过渡段的厚度及所述后性能段靠近所述后外过渡段的厚度均为h2，且所述h2为所述FRP板簧本体的厚度的最小值；所述h2部分对应的所述FRP板簧本体的宽度为b2；

所述前卷耳安装段和所述后卷耳安装段的厚度均为h3，所述h3对应的所述FRP板簧本体的宽度为b3；

h₁＞h₃＞h₂；b₁＜b₃＜b₂；h₁b₁＝h₂b₂＝h₃b₃。

所述前卷耳安装段的长度、所述前外过渡段的长度、所述前性能段的长度、所述前内过渡段的长度及所述U型螺栓安装段一半的长度之和小于所述后卷耳安装段的长度、所述后外过渡段的长度、所述后性能段的长度、所述后内过渡段的长度及所述U型螺栓安装段一半的长度之和。

所述前性能段与所述前外过渡段的中线及所述后性能段与所述后外过渡段的中线均为弧形。

在所述前卷耳安装段与所述后卷耳安装段上均设置有螺栓过孔。

一种FRP板簧总成，包括上述任一项的FRP板簧，还包括前卷耳、后卷耳、前衬套、后衬套、上盖板及下垫板；

所述前卷耳与所述FRP板簧的前卷耳安装段固定连接；所述后卷耳与所述FRP板簧的后卷耳安装段固定连接；所述前衬套设置于所述前卷耳内，所述后衬套设置于所述后卷耳内；

所述上盖板和所述下垫板相对设置于所述FRP板簧的U型螺栓安装段的下表面和下表面。

在所述上盖板与所述U型螺栓安装段的上表面之间，以及所述下垫板与所述U型螺栓安装段的下表面之间均设置有软垫板。

所述上盖板包括上盖板本体，在所述上盖板本体的两侧向所述FRP板簧方向弯折，形成第一弯折部和第二弯折部；在所述第一弯折部和所述第二弯折部上均设置有凹口，在所述上盖板本体的上表面设置有第一定位销；

所述下垫板包括下垫板本体，在所述下垫板本体的两侧向所述FRP板簧方向弯折，形成第三弯折部和第四弯折部，在所述第三弯折部和所述第四弯折部上均设置有凸板，所述凸板与所述凹口一一对应配合；在所述下垫板本体的下表面设置有第二定位销。

所述前卷耳和所述后卷耳的形状相同，均由两个直板段和一个圆环段组成；两个所述直板段相互平行且四周对齐，在两个所述直板段上分别设置有相对的螺栓过孔；所述前衬套设置于所述前卷耳的圆环段内，所述后衬套设置于所述后卷耳的圆环段内。

本发明的有益效果是：

本技术方案的FRP板簧结构能够保证不会一下全部断裂，保证车辆行驶的安全性；同时通过FRP板簧，大幅度降低板簧悬架的重量，提高燃油亲和力；提高车辆行驶的平顺性，提高纵置板簧悬架的寿命，使纵置FRP板簧悬架的寿命提高到纵置钢板弹簧的寿命的3倍左右，在整车使用寿命范围内不用更换板簧这样的弹性元件，大幅减小板簧使用成本。

附图说明

图1为现有技术的钢板弹簧的主视图；

图2为现有技术的钢板弹簧的俯视图；

图3为现有技术的横置FRP板簧独立悬架机构；

图4为本发明FRP板簧结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为图4的正视图；

图7为本发明FRP板簧受力示意图；

图8为本发明FRP板簧测试示意图；

图9为本发明FRP板簧总成结构示意图；

图10为图9的俯视图；

图11为图9的正视图；

图12为图9的A-A剖视图；

图13为图9的B-B剖视图；

图14为图9的C-C剖视图；

图15为图9的I处放大图；

图16为图9的II处放大图；

图17为上盖板示意图；

图18为下盖板示意图。

附图标记说明

01前衬套，02卡箍，03板簧，04中心螺栓，05后衬套，06端部固定块，07上限位块，08下限位块，09横置FRP板簧，010副车架，011下摆臂，1FRP板簧本体，2前卷耳，3前衬套，4上盖板，5下垫板，6后卷耳，7后衬套，8软垫板，11U型螺栓安装段，12前内过渡段，13前性能段，14前外过渡段，15前卷耳安装段，16后内过渡段，17后性能段，18后外过渡段，19后卷耳安装段，20螺栓过孔，41第一定位销，42凹口，51第二定位销，52凸板。

具体实施方式

以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。

本申请提供一种FRP板簧，如图4至图8所示，包括FRP板簧本体1，在本申请中，FRP板簧本体为板状结构，FRP板簧本体的各部分截面均相同。

FRP板簧本体包括前卷耳安装段15、前外过渡段14、前性能段13、前内过渡段12、U型螺栓安装段11、后内过渡段16、后性能段17、后外过渡段18及后卷耳安装段19；前卷耳安装段、前外过渡段、前性能段、前内过渡段、U型螺栓安装段、后内过渡段、后性能段、后外过渡段及后卷耳安装段依次连接为FRP板簧本体。

前卷耳安装段的长度、前外过渡段的长度、前性能段的长度、前内过渡段的长度及U型螺栓安装段一半的长度之和小于后卷耳安装段的长度、后外过渡段的长度、后性能段的长度、后内过渡段的长度及U型螺栓安装段一半的长度之和。

前性能段与前外过渡段的中线及后性能段与后外过渡段的中线均为弧形。

在前卷耳安装段与后卷耳安装段上均设置有4个螺栓过孔20。

为了保证FRP板簧本体中的纤维的均匀性和连续性，就必须保证FRP板簧本体的截面积不变，如奔驰sprinter的前FRP板簧那样宽、厚不变的等截面。

FRP板簧装到整车上，板簧负载时端部受到力P的作用，中部通过U形螺栓固定在车身上，U形螺栓到端部的距离为l，FRP板簧为单片簧，U形螺栓到端部之间所受应力与材料力学的悬臂梁的原理一致，如图7所示。

在本申请中，FRP板簧本体中各段最大剪应力相同，弯曲应力主要取决于正应力，设距离端部x处的截面宽度为b，厚度为h，该处所受到的弯矩M＝Px，截面系数Z＝(bh²)/6，在x处所受的弯曲应力由公式(1)求得：

为了保证FRP板簧本体的均匀性和连续性，改变增强材料纤维(玻璃纤维或碳纤维)布置和走向，保持FRP板簧本体的各处的截面积S不变，即S＝bh为定值，根据公式(1)可得：

根据公式(2)可知，FRP板簧本体所受到正应力与该处距离端部位置成正比，与FRP板簧本体h成反比，要降低该处的弯曲应力就必须增加该处的厚度，要减小该处应变同样也必须增加该处的厚度。

为了减小靠近U形螺栓处的应力，在保持截面S不变的同时，根据公式(2)，通过改变增强材料纤维(玻璃纤维或碳纤维)布置和走向，增大靠近U形螺栓处的FRP板簧本体的厚度，减小靠近U形螺栓处的应力，同样，由于的FRP板簧本体在与的卷耳结合处弯曲应力比较大，适当增加卷耳安装段的厚度来减小结合处的弯曲应力。

根据公式(2)，为保证所述FRP板簧本体各段应力相同，从所述FRP板簧的U型螺栓安装段的两侧各自向所述FRP板簧的端部延伸到所述FRP板簧最宽处时，所述FRP板簧的厚度逐渐减小。即U型螺栓安装段的前侧向FRP板簧的前端部方向延伸时，自U型螺栓安装段的前侧至FRP板簧最宽处时，FRP板簧的厚度逐渐减小；U型螺栓安装段的后侧向FRP板簧的后端部方向延伸时，自U型螺栓安装段的后侧至FRP板簧最宽处时，FRP板簧的厚度逐渐减小。

在的FRP板簧本体设计时，初步确定本体的截面积S后，先确定FRP板簧本体最薄的位置，根据材料的许用弯曲应力和公式(2)算出在可能受到的最大力P作用时的最薄处的厚度h₂，然后确定靠近U形螺栓处的厚度h₁和与卷耳结合处的厚度h₃。

在U型螺栓安装段的两侧靠近前内过渡段及后内过渡段部分的厚度h1均大于U型螺栓安装段的厚度，且h1部分对应的FRP板簧本体的宽度为b1；

前性能段靠近前外过渡段的厚度及后性能段靠近后外过渡段的厚度均为h2，且h2为FRP板簧本体的厚度的最小值；h2部分对应的FRP板簧本体的宽度为b2；

前卷耳安装段和后卷耳安装段的厚度均为h3，h3对应的FRP板簧本体的宽度为b3；

h₁＞h₃＞h₂；b₁＜b₃＜b₂；h₁b₁＝h₂b₂＝h₃b₃。

本申请还提供一种FRP板簧总成，如图9至图18所示，包括上述任一项的FRP板簧，还包括前卷耳2、后卷耳6、前衬套3、后衬套7、上盖板4及下垫板5。

前卷耳与FRP板簧的前卷耳安装段固定连接；后卷耳与FRP板簧的后卷耳安装段固定连接；前衬套设置于前卷耳内，后衬套设置于后卷耳内。

在本申请中，前卷耳和后卷耳均通过冲压而成，前卷耳和后卷耳的形状相同，均由两个直板段和一个圆环段组成；两个直板段相互平行且四周对齐，在两个直板段上分别设置有相对的4个螺栓过孔；前衬套设置于前卷耳的圆环段内，后衬套设置于后卷耳的圆环段内。用螺栓螺母并在两个直板段的内表面涂胶后将前卷耳固定于FRP板簧的前卷耳固定段，将后卷耳固定于FRP板簧的后卷耳固定段。

上盖板和下垫板相对设置于FRP板簧的U型螺栓安装段的下表面和下表面。

在上盖板与U型螺栓安装段的上表面之间，以及下垫板与U型螺栓安装段的下表面之间均设置有软垫板8。

上盖板包括上盖板本体，在本申请中，上盖板通过冲压而成，相对FRP板簧本体的轴线中线左右对称，在上盖板本体的两侧向FRP板簧方向弯折，形成第一弯折部和第二弯折部；在第一弯折部和第二弯折部上均设置有凹口42，在上盖板本体的上表面设置有第一定位销41，用于FRP板簧安装时与车桥的位置定位。

下垫板包括下垫板本体，在本申请中，下垫板由冲压而成，在下垫板本体的两侧向FRP板簧方向弯折，形成第三弯折部和第四弯折部，在第三弯折部和第四弯折部上均设置有凸板52，凸板与凹口一一对应配合；在下垫板本体的下表面设置有第二定位销51，用于FRP板簧安装时与车桥的位置定位。

将两个前衬套从两侧分别压入到前卷耳中，将两个后衬套从两侧分别压入到后卷耳中，在U型螺栓安装段上、下表面各放置一个软垫板，将下垫板上的凸板对准上盖板上的凹口，将上盖板和下垫板分别装到软垫板上，完成本FRP板簧总成的安装。

以上仅是本发明的优选实施方式的描述，应当指出，由于文字表达的有限性，而在客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。