一种具有二级刚度板弹簧轻量化方法及板弹簧总成与流程

本发明涉及汽车零部件的生产与制造技术领域。

背景技术：

随着温室效应与全球能源危机的出现，汽车轻量化无疑成为减少温室气体排放、降低能源消耗的重要措施。汽车钢板弹簧伴随汽车的发明和汽车技术的发展，钢板弹簧材料和技术不断发展，材料拉伸强度已达到1300mpa以上，结构从多片簧到少片簧，实现了钢板弹簧的轻量化，但钢板弹簧总成的重量仍极其笨重，具有极大的减重空间，成为国内外学者研究的热点。作为轻量化的重要手段是替换原有的低比强度材料，采用比强度和比刚度更高的新型材料，树脂基复合材料由于具有重量轻、比强度高、疲劳极限高，防腐蚀，减振降噪的优点，在汽车轻量化制造中应运而生。将树脂基复合材料应用在汽车板弹簧中，能够显著降低重量，实现减重降耗的目标。

轻客和轻卡为了兼顾空车状态下的乘坐舒适性、行驶平顺性和重车状态下的操纵稳定性，后悬架板簧通常采用具有二级刚度的钢板弹簧总成，如图1和图2所示。图1所示为一种轻卡用后板簧总成，主簧和副簧分别由三片钢板簧组成，副簧在主簧上面。在空载时，车身的重量由主簧承担，悬架的刚度就是主簧的刚度；重车时，随着车身的下沉，车身重量由主簧和副簧共同承担，悬架的刚度为主簧和副簧的刚度之和。图2所示为一种轻客用后板簧总成，主簧由三片钢板弹簧组成，副簧由一片钢板簧组成，副簧在主簧的下面，随着汽车载重量的增加，主簧与副簧间的间隙逐渐变小，直至主簧下面一片与副簧的两端接触，这时主副簧共同承载，悬架的刚度为主副簧刚度之和。

现有复合材料板弹簧专利基本上都是复合材料板弹簧都是作为主簧使用，只提供一级刚度，不能兼顾空车状态下的行驶平顺性和重车状态下的操纵稳定性。单片复合材料板簧在轻客和轻卡作为弹性元件和导向元件，除了受到垂向力外，还要传递汽车的起动。制动以及侧向力和力矩，由于复合材料纤维主方向外的其它方向强度低，使用过程中易出现分层问题。

现有技术中，申请号为cn201610037227.2的发明提供一种用于钢板弹簧的二级刚度钢板弹簧结构，主簧片对应设有平面副簧片，在平面副簧片上向下设有螺钉，螺钉贯穿平面副簧片并用螺母紧固，螺钉和螺母将平面副簧片连为一个整体，螺钉的顶盖上设有球形状橡胶缓冲块；在螺钉的顶盖下和平面副簧片面之间还设有金属骨架，金属骨架和螺钉焊接为一体；金属骨架向平面副簧片一侧边延伸，并配合平面副簧片的侧边弯折有挡边。申请号为cn201510005173.7的发明专利申请公开了一种变刚度等偏频复合簧结构，包括主簧、副簧和缓冲块，主簧两端向上弯曲、其中部与副簧连接，缓冲块设置在副簧的两端。申请号为cn201710827997.1的发明专利申请公开了一种frp复合材料主副簧总成，包括frp复合材料主簧本体、前卷耳、前外衬套、前内衬套、前轴管、上盖板、下垫板、后卷耳、后外衬套、后内衬套、后轴管、frp复合材料副簧本体、中心销轴及耐磨板。

技术实现要素：

本发明的目的是，提供一种具有二级刚度板弹簧的轻量化方法及板弹簧总成，其具有更好的乘坐舒适性以及更长的寿命。

本发明的技术方案是：一种板弹簧总成，包括主簧、连接在主簧下面的复合材料副簧，板弹簧总成还包括橡胶缓冲块，橡胶缓冲块连接在复合材料副簧两端上表面；所述主簧包括主簧钢板簧和连接在主簧钢板簧下面的主簧复合材料簧。

板弹簧总成还包括橡胶摩擦片；橡胶摩擦片通过螺栓和胶粘剂连接在主簧复合材料簧两端的上表面。

橡胶摩擦片为橡胶金属结构，橡胶摩擦片包括橡胶摩擦片底板和连接在橡胶摩擦片底板上面的耐磨橡胶；橡胶摩擦片由橡胶摩擦片底板和耐磨橡胶硫化而成。

橡胶缓冲块通过螺栓和胶粘剂连接在复合材料副簧两端上表面；橡胶缓冲块采用橡胶金属结构，橡胶缓冲块包括橡胶缓冲块底板和连接在橡胶缓冲块底板上面的减振橡胶；橡胶缓冲块由橡胶缓冲块底板和减振橡胶硫化而成，橡胶缓冲块的纵截面和横截面均为梯形，橡胶缓冲块底板在长度方向上的两端均设有向上的翻边；橡胶缓冲块采用锥形变刚度结构。

复合材料副簧为平面副簧片；主簧和副簧之间保留有间隙。

主簧两端附近位置均安装有限位卡箍。

主簧钢板簧和主簧复合材料簧之间、主簧复合材料簧和复合材料副簧之间、复合材料副簧下面均设有金属垫板或非金属垫板；金属垫板与复合材料副簧接触的位置均设置长倒角并在倒角处硫化和粘接弹性材料。

主簧钢板簧采用高强度弹簧钢通过热处理和表面应力抛丸制作而成；主簧复合材料簧和复合材料副簧均采用玻纤或碳纤增强/环氧树脂复合材料，通过预浸料铺层模压成型；主簧复合材料簧和复合材料副簧均采用等宽变厚或等截面积的等应力结构。

一种具有二级刚度板弹簧轻量化方法，具有二级刚度板弹簧采用主簧加副簧的结构，在主簧下面设置副簧，取消车底架纵梁与副簧接触摩擦的零部件，主簧采用两片式金属复合材料复合板弹簧，在主簧钢板簧下面连接主簧复合材料簧，副簧采用单片复合材料板弹簧，从而实现具有二级刚度板弹簧的轻量化。

采用上述的板弹簧总成来实现具有二级刚度板弹簧的轻量化；主簧钢板簧承受起动、制动和侧向力和力矩，主簧复合材料簧承受垂向力，从而防止复合材料承受多向载荷时发生分层；

在副簧两端上表面设置橡胶缓冲块，橡胶缓冲块采用锥形变刚度结构，从而实现板弹簧总成两级刚度的平缓过渡、消减主簧和副簧接触位置的接触应力，并通过减振橡胶剪切变形实现主簧和副簧之间的相对位移；

在主簧钢板簧和主簧复合材料簧之间设置橡胶摩擦片，传递主簧钢板簧和主簧复合材料簧之间的垂向力、消除主簧钢板簧和主簧复合材料簧之间摩擦时产生的噪音，并通过耐磨橡胶剪切变形实现主簧钢板簧和主簧复合材料簧之间的相对位移；

本发明与现在的汽车钢板弹簧相比有非常明显的优势，具有更高的乘坐舒适性以及2倍以上更长的寿命。相比于全金属主副式板簧，本发明中的主簧采用两片式金属复合材料复合板弹簧，副簧采用单片复合材料板弹簧，实现了产品的轻量化。相比于单片复合材料主簧，本发明中的主簧第一片采用钢板弹簧，主要承受起动、制动和侧向力和力矩，第二片复合材料板弹簧主要承受垂向力，解决了复合材料承受多向载荷已发生分层的问题。相比于轻卡主副簧板簧，本发明中的副簧位于主簧的下面，取消了车底架纵梁与副簧接触摩擦的零部件，简化了车底架纵梁结构。相比于轻客主副簧板簧，本发明中的副簧两端上表面设有橡胶缓冲块，橡胶缓冲块采用锥形变刚度结构，板弹簧总成两级刚度的过渡处就比较平缓，消减了主簧和副簧接触位置的接触应力。相比于全金属主副式板簧，本发明中，在第一片钢板主簧和第二片复合材料主簧之间设有橡胶摩擦片，橡胶摩擦片传递两片主簧之间的垂向力并消除两片主簧之间摩擦时产生的噪音。

附图说明

图1为现有技术中的轻卡板簧悬架结构图；

图2为现有技术中的轻客板簧悬架结构图；

图3a为本发明中的板弹簧总成（自由状态）结构示意图；

图3b为本发明中的板弹簧总成（展平状态）结构示意图；

图4为本发明中的橡胶摩擦片结构示意图；

图5为本发明中的橡胶缓冲块结构示意图及其变形曲线；

图6为本发明中的二级载荷位移曲线图；

图中：1.主簧钢板簧，2.主簧复合材料簧，3.复合材料副簧，4.橡胶缓冲块，5.限位卡箍，6.橡胶摩擦片，41.橡胶缓冲块底板，42.减振橡胶，61.橡胶摩擦片底板，62.耐磨橡胶。

具体实施方式

下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图3a、图3b、图4、图5所示，一种板弹簧总成，包括主簧钢板簧1（主簧第一片钢板弹簧）、主簧复合材料簧2（主簧第二片复合材料板弹簧）、复合材料副簧3、橡胶缓冲块4、限位卡箍5（纤维卡箍）和橡胶摩擦片6。橡胶缓冲块包括橡胶缓冲块底板41、减振橡胶42；橡胶摩擦片包括橡胶摩擦片底板61、耐磨橡胶62。在三片板簧（主簧钢板簧、主簧复合材料簧、复合材料副簧）中任意相邻的两片板簧之间及复合材料副簧下面的中部位置均安装有特殊制作的金属或非金属垫板（包括中部垫板一、中部垫板二和中部垫板三），垫板和板簧通过中心螺栓和螺母连接在一起。主簧钢板簧、主簧复合材料簧之间安装有中部垫板一，主簧复合材料簧和复合材料副簧之间安装有中部垫板二，副簧下面中部位置安装有中部垫板三。橡胶摩擦片通过螺栓和胶粘剂连接到第二片复合材料板弹簧两端的上表面。橡胶缓冲块通过螺栓和胶粘剂连接到复合材料副簧两端上表面。板簧中部通过中心螺栓和螺母把三片板簧和中部的垫板进行连接：从上到下把主簧钢板簧、中部垫板一、主簧复合材料簧、中部垫板二、复合材料副簧和中部垫板三进行连接。非金属垫板要求采用纤维增强材料，保证有足够的强度和刚度。

如图3a所示，板弹簧总成在自由状态时，主簧（包括主簧钢板簧和主簧复合材料簧）和副簧（复合材料副簧）中间设有一定的间隙，在空载状态下只有主簧承载，板弹簧总成刚度为第一级刚度，可以保证空车状态下汽车的行驶平顺性和驾驶员的乘坐舒适性。随着载重或乘客的增加，主副簧间的间隙逐渐缩小直到消除，在汽车达到满载时，主副簧都已经全面接触，如图3b所示，板弹簧总成刚度为第二级刚度。

如图3a、图3b、图5和图6所示，橡胶缓冲块由橡胶缓冲块底板和减振橡胶硫化而成，通过螺栓螺母和胶粘剂连接到副簧两端的上表面。橡胶缓冲块的纵、横截面均为梯形，橡胶缓冲块底板在长度方向上两端进行翻边，翻边限制了减振橡胶在长度方向上的变形，橡胶缓冲块刚度变化呈非线性，最后刚度无限大。橡胶缓冲块有效缓和两级刚度的突然变化，并通过剪切变形实现主副簧之间的相对位移，并且大大改善了主簧与副簧接触处的应力集中，提高了产品的使用寿命。

如图3a、图3b和图4所示，橡胶摩擦片由橡胶摩擦片底板和耐磨橡胶硫化而成，通过螺栓、螺母和胶粘剂连接到第二片复合材料板弹簧两端的上表面。橡胶摩擦片主要消除两片主簧之间摩擦时产生的噪音。橡胶摩擦片为橡胶金属结构，通过橡胶剪切变形实现两片主簧间的相对位移。

钢板弹簧（主簧钢板簧）采用高强度弹簧钢，通过热处理和表面应力抛丸提高钢板弹簧的强度。两片复合材料板弹簧采用玻纤（或碳纤）增强/环氧树脂复合材料制作，通过预浸料铺层模压成型，复合材料纤维铺层一般为0度，根据强度需要对少部分铺层采用±45度或90度进行补强，增强纤维体积含量范围为50%-70%。复合材料板弹簧采用等宽变厚或等截面积的等应力结构设计技术。三片板簧之间及副簧下面安装非金属垫板（中部垫板）均需要特殊制作，非金属垫板即要有足够的强度又要保证适当的弹性，在金属垫板与复合材料板簧接触的位置设置长倒角并在倒角处硫化和粘接弹性材料，中部垫板的弹性可以减少和消除u型螺栓固定后及板弹簧总成承载过程中，金属与复合材料接触位置处的接触应力。

本发明利用纤维增强复合材料比强度和比刚度高的优点，在满足汽车钢板弹簧性能要求的基础上，提供了一种二级刚度板弹簧的轻量化方法及板弹簧总成。复合材料板簧可以提供一定的阻尼，复合材料板簧的失效是个缓慢过程，具有更高的乘坐舒适性以及2倍以上更长的寿命。主簧为两片式金属和复合材料复合板簧，带卷耳的一片金属板簧在上面，主要传递汽车的起动。制动以及侧向力和力矩，承担少部分的垂向载荷；第二片为纤维增强复合材料板弹簧，承担主要的垂向载荷。副簧位于主簧下面，且二者之间有适当的间隙，提供板弹簧总成的二级刚度，副簧也采用纤维增强复合材料板弹簧。副簧两端上表面安装各安装一个橡胶缓冲块，橡胶缓冲块采用橡胶和金属结构，橡胶缓冲块采用锥形变刚度结构，这样在板弹簧总成两级刚度的过渡处就比较平缓，实现板弹簧总成两级刚度过渡平缓，橡胶缓冲块也消除了主簧和副簧接触位置的接触应力。主簧第二片承担大部分垂向载荷，由于纤维增强复合材料具有一定的阻尼，可以缓解振动，提高了汽车的行驶平顺性并提高了整个板弹簧总成的使用寿命。

与现有技术相比，本发明的主簧为金属和复合材料板弹簧的复合结构，且副簧设置在板簧外弧面，工作时与主簧的复合材料簧片接触，实现两级刚度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。