高强度轻量复合材料片簧及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及片簧，尤其涉及用于汽车及卡车悬架系统等应用中的复合材料片 簧及该片簧的制造方法。
【背景技术】
[0002] 长久以来，车辆制造商一直致力于减轻车辆重量，以达到提高燃油经济性，提高有 效载荷能力，增加汽车、卡车、多用途车辆及休闲用车的驾驶及操控特性的目的。大部分车 辆的悬架系统使用钢板片簧作为承载及蓄能装置。虽然钢板片簧除能用作蓄能装置，还具 有可用作附接件和/或结构件的优点，但是与其他类型弹簧相比，钢板片簧每单位质量的 蓄能容量极为低效。钢板片簧具有较为沉重、噪音较大、且可发生腐蚀的本质特点。因此， 在安装及减振要求中需额外考虑钢板片簧的重量。例如，在使用钢板片簧时，通常需要使用 减振器，以在操作条件下控制片簧的质量。
[0003] 因此，需要其他每单位质量能量较高从而可实现较为轻质的组件结构的片簧。
【发明内容】
[0004] 根据本文所述的各个方面，提供一种复合材料片簧，其包括由定向内嵌于该复合 材料片簧基质内的纤维加强的热塑性基质材料。
【附图说明】
[0005] 图1为根据实施方式带有平坦第二级叶片的混合型复合材料片簧组件示意图。
[0006] 图2为图1所示混合型复合材料片簧的第一级叶片剖视图。
[0007] 图3为根据实施方式包括钢制主叶片以及平坦复合材料第二级负载叶片的复合 材料片簧组件的另一种结构示意图。
[0008] 图3A为根据实施方式包括钢制主叶片以及曲形复合材料第二级负载叶片的另一 复合材料片簧组件结构示意图。
[0009] 图4为根据实施方式包括一体成型附接吊耳的全复合材料片簧立体示意图。
[0010] 图5为根据实施方式作为悬架控制臂及弹簧且图示为斜上安装方式的根据实施 方式的复合材料悬架控制臂部分立体示意图。
[0011] 图5A为根据实施方式的横向安装全复合材料片簧示意图。
[0012] 图6为使用根据实施方式包括作为后轴定位件的层压制件的具有另一结构的复 合材料片簧的后悬架悬臂梁组件的部分立体图。
[0013] 图7为使用根据实施方式包括作为后轴定位件的层压制件的另一结构复合材料 片簧的后悬架悬臂梁组件立体图。
[0014] 图8为使用根据实施方式包括作为后轴定位件的层压制件的另一结构复合材料 片簧的后悬架悬臂梁组件侧视图。
[0015] 图9通过图9A-图9E示出五种片簧的侧视图，具体而言，图9A所示为标准片簧； 图9B所示为根据实施方式的吊耳安装式弹簧；图9C所示为根据实施方式的锥形端部滑动 弹簧；图9D所示为根据实施方式的渐进式弹簧；图9E所示为根据实施方式的挂车弹簧。
[0016] 图10为根据实施方式包括形成锥形形貌的叠置连续层体的复合材料片簧示意 图。
[0017] 图11为根据实施方式的复合材料片簧示意图，其所示为将连续层体，例如图10所 示层体加热固结后得到的锥形弹簧结构。
[0018] 图12为根据实施方式包括绕折连续层体的复合材料片簧示意图。
[0019] 图13为根据实施方式包括绕折连续层体、附接吊耳及嵌件的复合材料片簧示意 图。
[0020] 图14为根据实施方式包括连续层体、附接吊耳、以及嵌件且图示为由所述层体加 热固结所得到的弯曲结构的复合材料片簧示意图。
[0021] 图15为根据实施方式的复合材料片簧示意图，其所示为将绕折层体加热固结后 得到的锥形弹簧结构。
[0022] 图16为根据实施方式包括平坦纤维加强型复合材料第二级叶片的多叶片弹簧立 体示意图。需要注意的是，虽然其中第一级叶片结构图示为具有三个板体，然而根据需要， 还可使用更多或更少的板体。
[0023] 图17为根据实施方式包括曲形纤维加强型复合材料第二级叶片的多叶片弹簧立 体示意图。需要注意的是，虽然其中第一级叶片结构图示为具有三个板体，然而根据需要， 还可使用更多或更少的板体。
[0024] 图18为一种根据实施方式包括混合型叶片、金属主叶片以及纤维加强型热塑性 材料包覆层的复合材料片簧立体示意图。
[0025] 图19通过图19A和图19B示意性地示出了一种根据实施方式包括本文所公开纤 维加强型聚合物（FRP)热塑性材料且尤其示为通过弯曲形式致动的悬臂结构。
[0026] 图20通过图20A和图20B示意性地示出了根据实施方式的浮动悬臂结构。
[0027] 图21为根据实施方式的多连锁复合材料叶片组件示意图。
[0028] 图22为根据实施方式的另一多连锁复合材料叶片组件示意图。
[0029] 图23为根据实施方式的另一多连锁复合材料叶片组件示意图。
[0030] 图24为根据实施方式的完全横向叶片示意图。
[0031] 图25通过图25A和图25B示意性地示出了根据实施方式具有用作悬臂弹簧的上 臂的复合材料叶片组件。
[0032] 图26为根据实施方式使用可由图27中纤维加强型聚合物（FRP)热塑性复合材料 片簧/组件替代的卷簧的乘用车后悬架子组件结构示意图。
[0033] 图27为根据实施方式包括所述纤维加强型聚合物（FRP)热塑性复合材料片簧/ 组件的后悬架子组件结构示意图。
[0034] 图28为所述纤维加强型聚合物（FRP)热塑性复合材料片簧/组件的曲形实施方 式。
[0035] 图29为本发明实施方式测试时的蠕变应变-时间图。
[0036] 图30为本发明实施方式测试时的拉伸强度（Psi)图。
[0037] 图31为本发明实施方式测试时的杨氏模量图。
[0038] 图32为本发明实施方式测试时的另一拉伸强度（Psi)图。
[0039] 图33为本发明实施方式测试时的另一杨氏模量图。
[0040] 图34为本发明实施方式测试时的压缩强度图。
[0041] 图35为本发明实施方式测试时的压缩模量图。
[0042] 图36为本发明实施方式测试时的另一压缩强度图。
[0043] 图37为本发明实施方式测试时的另一压缩模量图。
[0044] 图38为本发明实施方式测试时的面内剪切强度图。
[0045] 图39为本发明实施方式测试时的面内剪切模量图。
[0046] 图40为本发明实施方式测试时的层间剪切强度图。
[0047] 图41为根据本发明实施方式的样本1蠕变应变-时间图。
[0048] 图42为根据本发明实施方式的样本2蠕变应变-时间图。
[0049] 图43为本发明实施方式测试时的应力-应变图。
【具体实施方式】
[0050] 发明人已确定，本文所公开的由纤维加强型聚合物（FRP)材料，尤其由纤维加强 型热塑性材料组成的复合材料片簧可提供例如远高于传统钢板片簧的每单位质量蓄能，从 而实现远轻于传统钢板片簧的组件。此外，本文公开的所述纤维加强型复合材料片簧及组 件所传噪声低于钢板片簧，而且操作条件下维持控制所需的减振力更小。
[0051] 因此，根据实施方式，用于制造其聚合物复合材料和/或复合材料层的所述聚合 物基质包括热塑性基质材料。
[0052] 内嵌于所述聚合物基质材料中以形成所述热塑性复合材料的颗粒或纤维可包 括，但不限于：内嵌于所述聚合物基质材料中以形成所述聚合物复合材料的碳、玻璃、 Kevlar齡:纤维、芳纶纤维、上述的各种组合等。除了上述颗粒和纤维，铁微粒也可加入本文 所公开的所述复合材料中。通过这种方式，形成所述复合材料层的上述层体便可通过感应 加热而粘接和/或固化于一起。
[0053] 根据实施方式，纤维加强型热塑性复合材料片簧通常可包括热塑性基质材料、高 强度加强纤维以及其他加强材料的组合。所述热塑性基质材料可包括任何具有适合所述用 途的热塑性质的材料或材料组合，包括但不限于：可使所生成复合材料具有耐火特性的聚 偏二氟乙烯（PVDF)、聚酰胺（尼龙）、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙酯、聚苯硫醚、聚醚醚 酮、以及其他热塑性聚合物及其组合。所述聚合物基质材料可优选采用较高分子量的聚乙 烯，例如超高分子量聚乙烯（UHMffPE)和高密度交联聚乙烯（HDXLPE)。在一些低性能应用 中，也可使用其它聚乙烯，如交联聚乙烯（PEX或XLPE)、中密度聚乙烯（MDPE)、线型低密度 聚乙烯（LLDPE)以及极低密度聚乙烯（VLDPE)。
[0054] 根据产品板材预定使用目的中的物理特性要求，热塑性材料的重量含量可在大范 围内变动。复合材料可包含占热塑性基质材料与纤维总重量约50%重量百分比至约15% 重量百分比的热塑性基质，更优选为约40%重量百分比至约20%重量百分比，更加优选为 约30%重量百分比至约25%重量百分比的热塑性基质材料。
[0055] 所述使用的加强纤维可包括，但不限于：玻璃纤维（如E玻璃纤维和S玻璃纤维）、 芳纶纤维（ KEVLAR? )、碳纤维以及其他高强度纤维及其组合。此外，还可加入其他纤