一种FRP叶片弹簧及其总成的制作方法

本发明属于机动车弹簧技术领域，特别是指一种frp叶片弹簧及其总成。

背景技术：

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所示为现有技术的纵置钢板弹簧的主视图，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，复合材料弹簧逐步用于汽车悬架弹簧元件。复合材料英文是fibre-reinforcedplastic，直译是纤维增强塑料，简称frp。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5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。

现代复合材料弹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，加之，复合材料弹簧形状如同叶片，因此把它称之为frp叶片弹簧。

现在国内外很多汽车厂家都想用frp叶片弹簧替代现有的纵置钢板弹簧，但是，frp叶片弹簧许用剪切应力较小，抗侧倾能力较差，同时，frp叶片弹簧两端要通过金属卷耳和橡胶衬套固定到车身上，中部要通过u形螺栓固定在车桥上，这些因素必然造成frp叶片弹簧局部应力大，影响frp叶片弹簧的寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种frp叶片弹簧及其总成，在保证悬架的性能和可靠性的前提下，用frp叶片弹簧替换现有钢板弹簧，以解决现有钢板弹簧悬架的质量大、平顺性差、寿命短等问题；以解决现有frp叶片弹簧的因设计和叠层方法不合理造成叶片局部应力大的问题，以及中部安装结构复杂、端部卷耳装拆难和可靠性差等问题；在叶片中段的下侧中心设有耐磨片和定位销沉孔，防止叶片中段磨损的同时，简化frp叶片弹簧中部固定结构；前楔形段、后楔形段分别通过楔形垫块与前卷耳和后卷耳连接，使螺栓受到侧向力转移到楔形面上，提高连接可靠性，且便于安装和拆解。采用积极失效模式，保证车辆行驶的安全性；重量约为钢板弹簧的1/4，提高燃油经济性；加宽叶片宽度，提高车辆行驶的操纵稳定性；减小动刚度，提高车辆行驶的平顺性；寿命比钢板弹簧高5倍以上，大幅减小板簧使用成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种frp叶片弹簧，包括frp叶片弹簧，所述frp叶片弹簧的各部分宽度均相同；

所述frp叶片弹簧自一端向另一端延伸时，依次包括前楔形段、前性能段、前过渡段、叶片中段、后内过渡段、后性能段及后楔形段；所述前楔形段、所述前性能段、所述前过渡段、叶片中段、所述后过渡段、所述后性能段及所述后楔形段依次连接为所述frp叶片弹簧；

在所述在叶片中段的下侧中心设有耐磨片，所述耐磨片为耐磨材料制成的厚度0.5mm左右的薄片，在所述frp叶片弹簧模压成型前将所述耐磨片贴附在模具内侧，在所述frp叶片弹簧模压成型后所述耐磨片镶嵌在所述叶片中段下侧，并形成一体；所述耐磨片中部有长方形孔，模压过程中纤维和树脂填平长方形孔，所述耐磨片的外表面与所述叶片中段的下侧面在一个平面上；所述耐磨片两侧有侧翻边，所述耐磨片的两个侧翻边分别与所述叶片中段的两侧面在一个平面上；

在所述在叶片中段的下侧中心设有定位销沉孔；

自所述定位销沉孔的中心至前端为所述frp叶片弹簧的前叶片，自所述定位销沉孔的中心至后端为所述frp叶片弹簧的后叶片，所述前叶片和所述后叶片的形状相同，所述前叶片的长度≤所述后叶片的长度；所述frp叶片弹簧的刚度是由前叶片刚度和后叶片刚度并联而成的总刚度；

在每个所述楔形段上均设置有螺栓过孔；

所述frp叶片弹簧为frp复合材料，基体为树脂，增强材料为叠加在一起的纤维布，纤维布中的纤维主要是玻璃纤维。

所述前楔形段和所述后楔形段均为等宽的楔形，上面和下面都为平面，夹角为𝛼，𝛼为4°左右；所述前楔形段与所述前变截面段的前端相连；所述后楔形段与所述后变截面段的前端相连。

所述前过渡段与所述前变截面段的连接处的厚度小于所述叶片中段的厚度；所述后过渡段与所述后变截面段的连接处的厚度小于所述叶片中段的厚度；所述前变截面段与所述前过渡段之间、所述前过渡段与所述叶片中段之间、所述叶片中段之间与所述后过渡段之间、所述后过渡段与所述后变截面段之间的上、下表面都设置大圆弧过渡。

所述前变截面段从与所述前楔形段的连接处到与所述前过渡段的连接处为厚度从小到大的均匀的抛物线变截面或线性变截面；所述后变截面段从与所述后楔形段的连接处到与所述后过渡段的连接处为厚度从小到大的均匀的抛物线变截面或线性变截面。

所述叶片中段的厚度为ℎ3，所述后变截面段与所述后过渡段连接处的厚度为ℎ2，所述后变截面段与后楔形段连接处的厚度为ℎ1，ℎ3＞ℎ2＞ℎ1；

根据所述frp叶片弹簧中部安装固定形式，可确定ℎ3和ℎ2的关系，即ℎ3=ℎ2+c，c为常数；

ℎ1由公式（1）确定，

其中，[𝜏]为许用剪切应力；pmax为frp叶片弹簧在使用过程中作用在卷耳中心的最大载荷；b为frp叶片弹簧的宽度；𝜆为安全系数，大于1.5；

从所述后变截面段与所述后楔形段的连接处到所述后卷耳的中心的距离为𝑙1，从所述后变截面段与所述后过渡段的连接处到所述后卷耳的中心的距离为𝑙2，从所述叶片中段与所述后过渡段的连接处到所述后卷耳的中心的距离为𝑙3，从后u形螺栓到所述后卷耳的中心的距离为𝑙0𝑟，由公式（2）可求出所述后叶片在载荷p作用下后卷耳的中心的挠度𝑓𝑟：

其中，e为弹性模量，

所述后叶片刚度𝑘𝑟=𝑃/𝑓𝑟，同样可以求出所述前叶片刚度𝑘𝑓，由于前叶片和后叶片是并联的，由公式（3）可求出所述叶片弹簧的刚度𝑘：

其中，𝜘=𝑘𝑓∕𝑘𝑟，𝜌=𝑙0𝑓∕𝑙0𝑟，𝑙0𝑓为从前u形螺栓到前卷耳的中心的距离；

由公式（3）求出的刚度与目标设计刚度进行对比，再调整ℎ2和ℎ1，使所述frp叶片弹簧的刚度𝑘与目标设计刚度一致，最终确定ℎ1、ℎ2，完成所述frp叶片弹簧的设计。

一种frp叶片弹簧总成，包括上述任一项的frp叶片弹簧，还包括前卷耳、前衬套、后卷耳、后衬套、定位销及楔形垫块；

所述前卷耳通过所述楔形垫块与所述前楔形段固定连接，所述楔形垫块的上平面平行于所述前楔形段的下平面；所述后卷耳通过所述楔形垫块与所述后楔形段固定连接，所述楔形垫块的上平面平行于所述后楔形段的下平面；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。

所述前卷耳和所述后卷耳的形状相同，宽度不大于所述的frp叶片弹簧的宽度，均由上板、下板和圆筒组成；所述上板和所述下板相互平行且四周对齐，各设有两个螺栓过孔，上下相对两个所述螺栓过孔的中心线共线；圆筒内设有衬套安装孔，所述前衬套设置于所述前卷耳的衬套安装孔内，所述后衬套设置于所述后卷耳的衬套安装孔内；所述下板内侧设有防干涉圆角；所述下板与所述圆筒之间、所述上板与所述圆筒之间都设有角圆柱面；两个所述角圆柱面之间设有凸台面。

所述楔形垫块的上平面和下平面的夹角与所述前楔形段、所述后楔形段的上平面和下平面的夹角𝛼相等；所述楔形垫块的上面和下面在大端通过圆弧面连接。

所述定位销设置于所述frp叶片弹簧下侧的所述定位销沉孔中；所述定位销为圆柱体，两端有倒角。

本发明的有益效果是：

本技术方案优化了frp叶片弹簧的设计和叠层方法，消除了局部应力集中等问题，增大frp叶片弹簧的寿命和可靠性；采用积极失效模式，能够保证不会一下全部断裂，保证车辆行驶的安全性；前楔形段、后楔形段分别通过楔形垫块与前卷耳和后卷耳连接，使螺栓受到侧向力转移到楔形面上，提高连接可靠性，且便于安装和拆解；在叶片中段的下侧中心设有耐磨片和定位销沉孔，防止叶片中段磨损的同时，简化frp叶片弹簧中部固定结构，并使用铝合金卷耳，大幅度降低板簧悬架的重量，提高燃油亲和力；加宽叶片宽度，提高车辆行驶的操纵稳定性；减小动刚度，提高车辆行驶的平顺性；提高纵置板簧悬架的寿命，在整车使用寿命范围内不用更换弹性元件，大幅减小板簧使用成本。

附图说明

附图说明

图1为纵置钢板弹簧总成的主视图；

图2为本发明frp叶片弹簧总成示意图；

图3为本发明frp叶片弹簧总成主视图；

图4为为图3的a-a剖视图；

图5为图4的i处放大图；

图6为图4的ii处放大图；

图7为图4的iii处放大图；

图8为frp叶片弹簧示意图；

图9为展平后的frp叶片弹簧的后半部侧视图；

图10为耐磨片示意图；

图11为frp叶片弹簧制造过程中叠层示意图；

图12为图11的iv处放大图；

图13为后卷耳示意图；

图14为楔形垫块示意图。

附图标记说明

01前衬套，02卡箍，03钢板弹簧，04中心螺栓，05后衬套，1frp叶片弹簧，101前楔形段，102前变截面段，103前过渡段，104叶片中段，105后过渡段，106后变截面段，107后楔形段，108螺栓过孔，109定位销沉孔，110耐磨片，111最长纤维布，112次长纤维布，113最短纤维布，114楔形纤维布，115长方形孔，116侧翻边，2前卷耳，3前衬套，4楔形垫块，41螺栓过孔，42圆弧面，5定位销，6后卷耳，60圆筒，61后衬套安装孔，62角圆柱面，63凸台面，64下板，65防干涉圆角，66上板，67螺栓过孔，7后衬套。

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。

本发明涉及到车辆的悬架零部件机构，确切地说是悬架的弹性元件。本发明根据frp叶片弹簧许用剪切强度较低的特性和frp叶片弹簧的受力状况，在充分保证悬架的寿命和安全性的前提下，进行frp叶片弹簧的结构设计，加大frp叶片弹簧宽度，减小应力，增大本体抗侧倾的能力；在frp叶片弹簧模压成型时在叶片中段下侧贴压一片耐磨片，并直接将定位销过盈压入定位销沉孔中，省去上下金属垫板，减轻中部重量；使用楔形垫块与frp叶片弹簧两端的楔形段配合，使作用在螺栓的侧向力转移到楔形面上，大幅降低螺栓的侧向力，提高螺栓固定的可靠性，并减小卷耳的纵向尺寸，同时卷耳使用铝合金材料，大幅减小两端重量；采用积极失效模式，提高纵置frp叶片弹簧的安全性；大幅降低板簧悬架的重量，提高燃油效力；降低簧下质量，减小动刚度，提高车辆行驶的平顺性；加宽叶片宽度，提高车辆行驶的操纵稳定性；提高纵置板簧悬架的寿命，使纵置frp叶片弹簧的寿命提高到置钢板弹簧的寿命的5倍以上，大幅减小用户的使用成本；同时减小因冶炼弹簧钢和制造钢板弹簧而消耗电能，减小环境污染。

本申请提供一种纵置frp叶片弹簧及其总成，如图2至图14所示，包括frp叶片弹簧1、前卷耳2、前衬套3、楔形垫块4、定位销5、后卷耳6、后衬套7，在本申请中，frp叶片弹簧1为frp复合材料，叶片状结构，frp叶片弹簧的各部分宽度相同。

frp叶片弹簧自前端向后端延伸时，依次包括前楔形段101、前变截面段102、前内过渡段103、叶片中段104、后过渡段105、后变截面段106及后楔形段107，每段宽度相同，在每个楔形段上均设置有螺栓过孔108，如图2、图3、图4、图8、图9所示。

在叶片中段104的中部下侧设置有定位销沉孔09和耐磨片110，耐磨片110为耐磨材料制成的厚度0.5mm左右的薄片，中部有长方形孔115，两侧有侧翻边116，在frp叶片弹簧1模压成型前将耐磨片110贴附在模具内侧，frp叶片弹簧1模压成型后耐磨片110镶嵌在叶片中段下侧，并形成一体；耐磨片110中部有长方形孔115，模压过程中纤维和树脂填平长方形孔115，耐磨片110的外表面与叶片中段104的下侧面在一个平面上，这样，不仅有利于耐磨片110与本体结合，而且减小耐磨材料的用量，另外，耐磨片两侧有侧翻边116，两个侧翻边116分别与叶片中段104的两侧面在一个平面上，保证叶片本体1不会因在使用过程中的频繁摩擦而损坏，如图2、图6、图8、图10所示。

前楔形段101和后楔形段107均为等宽的楔形，上面和下面都为平面，夹角为𝛼，𝛼为4°左右；后楔形段107的下面与后变截面段106的下面的曲面相切，同样，前楔形段101的下面与前变截面段102的下面的曲面相切；前楔形段101与前变截面段102的前端相连，连接处上、下表面有圆弧过渡，如图4、图5、图7、图8所示。

frp叶片弹簧1受力时，上、下表面受到的正应力最大，应变也最大，为提高强度，防止表面层间错位，将复数层从前端到后端都是连续不间断的纤维布分别设置在frp叶片弹簧1的上、下位置，而设计时前变截面段102和后变截面段106分别与叶片中段104高度差设置比较大，以便在叶片中段104安装u形螺栓等附件，并提高可靠性，所以，在前变截面段102与叶片中段104之间设置前过渡段103，在后变截面段106与叶片中段104之间设置后过渡段105，前过渡段103和后过渡段105与叶片中段104上、下平面夹角在2°～8°之间，前变截面段102与前过渡段103之间、前过渡段103与叶片中段104之间、叶片中段104与后过渡段105之间、后过渡段105与后变截面段106之间的上、下表面都设置过渡大圆弧，这样，不仅便于在frp叶片弹簧1制造时在上、下表面铺设从前端到后端连续不间断的纤维布，而且提高前变截面段102、后变截面段106和叶片中段104的强度和耐疲劳性，如图2、图3、图4、图8所示。

自定位销沉孔109的中心至前端为frp叶片弹簧1的前叶片，自定位销沉孔109的中心至后端为叶frp片弹簧1的后叶片，前叶片和后叶片的结构形状相同，但尺寸不一定相等，frp叶片弹簧1的刚度是由前叶片刚度和后叶片刚度并联而成的总刚度，现以后叶片为例进一步说明。

后变截面段106与后楔形段107连接处的厚度为ℎ1，后过渡段105与后变截面段106连接处的厚度为ℎ2，从ℎ1到ℎ2的截面变化为抛物线变截面或线性变截面，叶片中段104的厚度为ℎ3，ℎ3＞ℎ2＞ℎ1，frp叶片弹簧总成受到上下方向的载荷p时，载荷p的作用点在后卷耳6的中心，从后变截面段106与后楔形段107的连接处到后卷耳6的中心的距离为𝑙1，从后过渡段105与后变截面段106的连接处到后卷耳6的中心的距离为𝑙2，从叶片中段104与后过渡段105的连接处到后卷耳6的中心的距离为𝑙3，后u形螺栓固定处到后卷耳6的中心的距离为𝑙0r，如图9所示。

frp叶片弹簧总成受到上下方向的载荷p时，从后卷耳6的中心到叶片中段104的后端剪切力相同，由于frp复合材料的许用剪切应力[𝜏]很小，一般在50mpa左右，后变截面段106后端为最薄处，剪切应力最大，为了保证叶片的强度，因此必须根据公式（1）先初步确定最薄处厚度ℎ1：

其中，[𝜏]为许用剪切应力；pmax为frp叶片弹簧总成在使用过程中作用在卷耳中心的最大载荷；b为frp叶片弹簧的叶片宽度；𝜆为安全系数，大于1.5。

根据叶片中段104安装固定形式，可确定ℎ3和ℎ2的关系，即ℎ3=ℎ2+c，c为常数。

根据材料力学原理，从后卷耳6的中心到后u形螺栓固定处，作用在后叶片任意一处的弯矩为𝑃×𝑥,如图9所示，而后变截面段106与后楔形段107的连接处到后卷耳6的中心可看成刚性，由公式（2）求出在载荷p作用下后卷耳6的中心的挠度𝑓𝑟：

其中，e为弹性模量，常数，可从样件测出，

后叶片刚度𝑘𝑟=𝑃/𝑓𝑟，同样可以求出前叶片刚度𝑘𝑓，由于前叶片和后叶片是并联的，由公式（3）可求出frp叶片弹簧的刚度𝑘：

其中，𝜘=𝑘𝑓∕𝑘𝑟，𝜌=𝑙0𝑓∕𝑙0𝑟，𝑙0𝑓为前u形螺栓固定处到前卷耳2的中心的距离。

由公式（3）求出的刚度与目标设计刚度进行对比，再调整ℎ2和ℎ1，使frp叶片弹簧叶片的刚度𝑘与目标设计刚度一致，最终确定ℎ1、ℎ2、ℎ3，完成frp叶片弹簧叶片的设计。

frp叶片弹簧叶片在载荷p的作用下，板簧最大正应力在板簧的上、下表面，一般在200mpa～600mpa，frp叶片弹簧叶片的许用正应力大于950mpa，同时，本申请在叶片制造过程中将最长的纤维布放在叶片的上下面，进一步增强frp叶片弹簧叶片的强度，并防止表面层间剥离，加之，根据公式（1）在最薄处充分考虑剪切应力的影响，因此，frp叶片弹簧叶片的设计安全可靠。

frp叶片弹簧1可采用高压树脂传递模塑制造工艺(hp-rtm)工艺或模压工艺方法制造。采用高压树脂传递模塑制造工艺制造时，将纤维布裁成长度相同而宽度不同的布块，根据frp叶片弹簧1的设计要求，先叠放复数枚最长纤维布111，然后在中部叠放最短纤维布113，继续叠放长度逐步加长的纤维布，直至叠放次长纤维布112后，在两端叠放楔形纤维布114，并与最长纤维布111对齐，再在次长纤维布112上叠放长度逐步变短的纤维布，直至叠放最短纤维布113，最后在这些纤维布上再叠放复数枚最长纤维布111，枚数与下面已叠放好的最长纤维布111相同，且四周对齐，在叠放前纤维布之间均匀撒有粘接剂，并将不同角度纤维布放到指定层，形成纤维布叠层，将纤维布叠层点焊后切割整齐放入模腔，在此之前，耐磨垫110已帖附在模腔的中部内侧面上，锁紧并将模腔抽真空后向模腔内高压注入树脂，形成弹簧毛坯，定型加工后完成frp叶片弹簧1的制造，如图11、图12所示。

模压工艺是将与frp叶片弹簧1宽度相同的很长纤维布经树脂浸润后叠放一层并切断纤维布，再叠放上一层，可用机械手自动切割并叠放每层，最长纤维布111、次长纤维布112、最短纤维布113和楔形纤维布114叠放方法与高压树脂传递模塑制造工艺(hp-rtm)工艺相同，其中楔形纤维布114可由复数枚长短不同的薄纤维布叠加而成，形成纤维布叠层后直接放入模具，在此之前，耐磨垫110已帖附在模腔的中部内侧面上，合模加压后多余树脂从分模面溢出，形成弹簧毛坯，定型加工后完成frp叶片弹簧1的制造，如图11、图12所示。

后卷耳6的材料为质量轻铝合金，上有圆筒60、后衬套安装孔61、角圆柱面62、凸台面63、下板64、防干涉圆角65、上板66、螺栓过孔67；圆筒60内有后衬套安装孔61，后衬套安装孔61用于安装后衬套7；下板64和上板65平行且四周对齐，各有两个螺栓过孔67，并上下共中心线；下板64内侧设有防干涉圆角65，防止frp叶片弹簧1受力变形时与下板64干涉，产生应力集中；下板64与圆筒60之间、上板66与圆筒60之间都设有角圆柱面62，用于防治frp叶片弹簧1端部、楔形垫块4与后卷耳6的干涉，并增大下板64和上板66柔性，使得frp叶片弹簧安装后后卷耳6与楔形垫块4、frp叶片弹簧1的后楔形段107之间接触面受力均匀；两个角圆柱面62之间设有凸台面63，用于frp叶片弹簧1端部限位，如图4、图7、图13所示。

前卷耳2的结构与后卷耳6相同，仅前衬套安装孔比后衬套安装孔61大，如图4、图5所示。

楔形垫块4为金属件，上面和下面的夹角与frp叶片弹簧1的前楔形段101和后楔形段107的夹角𝛼相等，上面和下面在大端通过圆弧面42连接，避免与frp叶片弹簧1产生应力集中，上有两个螺栓过孔41，如图4、图5、图7、图14所示。

所述定位销5为圆柱体，两端有倒角，如图4、图6所示。

先将后衬套7压装到后卷耳6的后衬套安装孔61内，同样，将前衬套3压装到前卷耳2内；再将定位销5压入frp叶片弹簧1的定位销沉孔109内；然后，楔形垫块4一侧和后楔形段107上面涂上胶水，楔形垫块4上面与后楔形段107下面平行，并使螺栓过孔41对准frp叶片弹簧1的螺栓过孔108，将楔形垫块4粘在frp叶片弹簧1的后楔形段107上面上，装上后卷耳6，并使凸台面63碰到后楔形段107的端面，用二个螺栓分别穿过螺栓过孔67、螺栓过孔41、螺栓过孔108后用螺母拧紧固定，同样，将前卷耳2安装到前楔形段101上，完成frp叶片弹簧总成的安装，如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图13、图14所示。

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。