专利名称：一种具有防护层的新型纤维复合材料板弹簧的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及汽车悬挂减震系统，特别涉及一种具有防护层的新型纤维复合材料板弹簧。
背景技术：
板弹簧是指由不少于一片弹簧板叠加组合而成的板状弹簧，它是汽车底盘悬挂系统中的重要部件之一，主要用来吸收汽车行驶过程中产生的震动、扭矩以及制动力矩等载荷，提高汽车的动态特性和舒适性，广泛运用于中小型汽车、重型卡车和轨道交通车辆。传统钢板弹簧结构由多层钢板叠加组合而成，其中多层钢板相互间等宽但不等长，叠加组合后构成一根弹性梁。弹性梁的两端与车架铰接，中部支撑车轮，从而传递各种力和力矩，并决定车轮的跳动轨迹。传统钢板弹簧生产成本低、加工简单并且可靠性较好，但是其重量较重、舒适性差、纵向尺寸较大。传统钢板弹簧较重的质量会引起汽车较高的油耗，而且其长期处于高温高湿的动态载荷条件下，也容易被腐蚀和疲劳失效。随着科学技术的发展，后来人们又开发了一种应用于车辆底盘悬挂减震系统的纤维复合材料板弹簧。纤维复合材料板弹簧主要由高性能纤维材料(例如玻璃纤维、碳纤维)和多聚物树脂组成，在相同体积情况下，重量要明显轻于传统钢板弹簧。这种板弹簧通常采用单向预浸料铺层和热压成型工艺生产。产生时首先将树脂与增强纤维按照一定比例混合制作成预浸料，然后将预浸料按规定尺寸切割，再在一些简单的模具上叠合成预坯料，最后通过模具对这些预坯料(预成型件)加压和加热直接模压生成纤维复合材料板弹簧。纤维复合材料板弹簧的品种多种多样。德国专利DE10221589 Al公开了一种纤维复合材料板弹簧结构。这种板弹簧中央为拱形，两端为圆弧形形状，其中两端位置各有一个紧固件连接孔，用于与汽车底盘结构进行螺栓连接。这种纤维复合材料板弹簧的设计缺陷是它引入了只能通过结构复杂的模具或者纤维冲压工艺而加工成的紧固件连接孔。在实际应用中紧固件连接孔处容易形成应力集中，从而产生裂纹，最终导致结构被破坏和失效。欧洲专利EP0093707B1或者类似的美国专利US4557500 BI中公开了另一款轴末两端比中间窄而厚的矩形截面的纤维复合材料板弹簧。德国专利DE 102004010768 Al公开了一种新型的纤维复合材料板弹簧，这种板弹簧的纵剖面厚度恒定，为了便于与悬挂系统的装配而缩减了板弹簧两端的宽度，并且其纤维材料是完整没有被切割。中国专利200680041164. 2公开了一种截面为凸起形状的纤维复合材料板弹簧，这种几何凸起设计可以避免在与紧固件的连接处板弹簧边缘的材料开裂或脱落现象，而这种开裂会导致水分子进入纤维结构，从而对结构性能产生负面影响。另外，在其他纤维复合材料板弹簧设计中，板弹簧的两端在固化完成后按照装配的需要被切割成锥形。这会导致纤维材料的纹理断裂和破坏，而这些分布在切割处的纤维材料在板弹簧受到动态交变载荷时容易产生裂纹，并且裂纹会从切割点向平行于纤维的方向扩散，最终导致板弹簧的断裂。总之，对于现有已知的纤维复合材料板弹簧的研究表明，在与紧固件连接的地方容易发生表面损伤，随之水分子渗透到纤维中，从而导致板弹簧的性能降低、使用寿命缩短。另外，在纤维复合材料板弹簧使用过程中，表面容易遭受地面弹起的小石块冲击而受损，从而导致水分子渗透到板弹簧内部导致同样的问题。因此，在实际使用状态下，如何保护好纤维复合材料板弹簧的纤维组织和整体结构的完整性是本实用新型研究的问题。
发明内容本实用新型提供一种具有防护层的新型纤维复合材料板弹簧，其目的是要通过设计额外的保护层结构来防护纤维组织和整体结构的完整性，从而解决因表面损伤而引发的性能降低以及使用寿命缩短等问题。为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种具有防护层的新型纤维复合材料板弹簧，包括一根由承载纤维构成的弹性梁，其创新在于所述弹性梁至少在使用状态下的上表面和下表面分别设有保护层结构，该保护层结构紧贴弹性梁的上表面和下表 面，并与弹性梁一起成型为整体结构，所述保护层为编织复合纤维层。上述技术方案中的有关内容解释如下I.上述方案中，所述承载纤维是指弹性梁中主要承受弯曲载荷的纤维，承载纤维布局为单向多层结构。承载纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、芳伦(凯夫拉)纤维以及金属纤维等。弹性梁中的承载纤维可以使用单种纤维，也可以采用多种不同纤维混合构造的结构，并且与树脂基体经模具热压成型而构成弹性梁。所述树脂基体可以为热塑性或者热固性树月旨，具体材料可以从目前公开的现有技术中得到。所述编织复合纤维层由多层纤维编织材料与树脂基体复合而成。2.上述方案中，所述弹性梁下表面的保护层厚度大于上表面的保护层厚度。3.上述方案中，所述弹性梁的前侧面和后侧面分别设有保护层，上表面、下表面、前侧面和后侧面的保护层从周向包裹弹性梁结构。4.上述方案中，所述保护层中的编织复合纤维层为双向纤维编织结构、三向纤维编织结构或多向纤维编织结构。本实用新型工作原理是为了保护纤维复合材料板弹簧承载的纤维组织及结构不受破坏，至少在弹性梁的上表面和下表面设有保护层结构，保护层由多层纤维编织材料与树脂基体复合而成，并与弹性梁一起成型为整体结构。保护层的主要作用一是密封，防止水份浸入，破坏纤维组织和基体的强度和性能；二是防止纤维结构散开、脱层；三是耐酸碱盐等腐蚀、耐高温，保护其中承载的纤维组织和结构不受破坏，承受地面弹起石块的冲击载荷，从而解决因表面损伤而引发承载纤维组织及结构的性能降低以及使用寿命缩短等问题。由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点I.改善了现有纤维复合材料板弹簧的耐腐蚀性能和耐候性能；2.有效地提高了现有纤维复合材料板弹簧的抗冲击性能和破损安全性能；3.对连接处的保护和加强减少了承载纤维组织和结构产生裂纹的风险，进一步提闻了广品的使用寿命；4.可利用缠绕工艺、注塑成型或者层压工艺制备不同类型的纤维复合材料板弹簧结构。
附图I为本实用新型具有防护层的新型纤维复合材料板弹簧主视图；附图2为本实用新型具有防护层的新型纤维复合材料板弹簧俯视图；附图3为图I中的A-A剖视图；附图4为本实用新型具有防护层的新型纤维复合材料板弹簧使用状态图；附图5为双向纤维编织结构示意图；附图6为三向纤维编织结构示意图；附图7为四向纤维编织结构示意图。以上附图中1.纤维复合材料板弹簧；2.弹性梁；3.保护层；4.车轮；5.夹持紧固件;6.连接件。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述实施例一种具有防护层的新型纤维复合材料板弹簧图I 图3所示为应用于汽车悬挂减震系统的纤维复合材料板弹簧1，该纤维复合材料板弹簧I包括一根由承载纤维构成的弹性梁2，承载纤维由多层纤维材料层以迭加铺设形式放入到树脂基体中复合而成。为了保护弹性梁2的纤维组织及结构不受破坏，弹性梁2至少在使用状态下的上表面和下表面分别设有保护层3结构，该保护层3结构紧贴弹性梁2的上表面和下表面，并与弹性梁2 —起成型为整体结构，所述保护层3为编织复合纤维层，该编织复合纤维层由多层纤维编织材料与树脂基体复合而成。图4为本实用新型具有防护层的新型纤维复合材料板弹簧的使用状态图。从图中可以看出，纤维复合材料板弹簧I在使用状态下，中部由夹持紧固件5夹持来支撑车轮4，两端通过连接件6与车架连接，从而传递各种力和力矩，并决定车轮4的跳动轨迹。为了保护弹性梁2的纤维组织及结构，提高弹性梁2的耐候性、承载冲击载荷的能力最好在弹性梁2的上表面、下表面、前侧面和后侧面均设有保护层3，保护层3从周向包裹弹性梁2结构。在纤维复合材料板弹簧I结构中，弹性梁2由承载纤维构成。所述承载纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、芳伦(凯夫拉)纤维以及金属纤维等，并且通过树脂基体经模具热压成型，所用的树脂基体可以为热塑性或者热固性树脂。因为弹性梁2主要承受弯曲载荷，所以承载纤维布局为单向多层结构(见图3)。在该结构中不仅有单种纤维结构，而且可以根据具体使用和成本要求，还可以采用多种不同纤维混合构造的结构。而保护层3主要是起防护作用，所以由多层纤维编织材料与树脂基体复合而成。保护层3中的纤维编织材料可以为图5中所示的双向纤维编织结构，也可以为图6中所示的三向纤维编织结构，还可以为图7中所示的多向纤维编织结构。保护层3中的树脂基体可以采用改良的工程塑料树脂，如ABS、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)等，以此使纤维复合材料板弹簧I构成三明治(Sandwich)夹芯保护结构，这样可以有效地防护纤维组织和整体结构的完整性。纤维复合材料板弹簧I的几何设计主要根据具体使用要求而定，从结构优化角度而言，一般设计中间厚、两端薄，中间窄、两端宽的外形，以达到材料和结构利用的最优化。为便于与车辆底盘结构连接，两端结构形状为梯形或者矩形。纤维复合材料板弹簧I的横截面形状均为矩形，结构宽度和厚度连续变化，以便于简化生产和加工工艺，避免不必要的纤维切割对结构造成的局部破坏。与车轮4的连接一般在板弹簧结构的中间或者中间稍偏向两侧的位置，连接方式一般采用夹持紧固件5夹持连接(见图4)。作为对连接处的结构局部加强，可以在弹性梁2中对应该连接处位置采用纤维材料局部多铺层，并且在保护层3中对应该连接处位置局部加入额外的纤维编织层的方法来实现。本设计提出的保护层3使用改良工程塑料作为基体材料，因为改良工程塑料具有良好的耐腐蚀、耐冲击、耐高温、耐候性等特性。本设计之所以在保护层3中采用纤维编织材料是因为纤维编织材料一般由双向、三向或多向纤维编织构成，具有良好的抗冲击载荷的特性，即使受到较大的冲击载荷，造成破坏之后，因为纤维编织材料间的相互作用，也能有效地减缓破坏扩展速率，提高结构的破损安全性。可用的典型纤维编织材料类型有图5 图7的双向编织、三向编织以及多向编织等。根据设计强度要求，可用不同类型的纤维材料如玻璃纤维、碳纤维芳伦纤维材料 以及金属纤维材料。将多层纤维编织材料与改良工程塑料薄膜层叠，在热压成型作用下融为一体，形成具有很高的耐冲击、耐腐蚀、耐候性等特点的保护层3，可进一步提高产品质量和使用寿命。另外，纤维编织材料提供的额外好处在于在紧固件的连接处，它起到了增强剪切强度的作用，进一步提高了连接处的结构强度，减少了结构产生裂纹破坏的风险。一般而言，板弹簧结构的下表面受到更多的冲击载荷，所以下表面的保护层3厚度大于上表面的保护层3厚度。保护层3可仅覆于盖弹性梁2的上表面和下表面，最好是包裹弹性梁2的横截周向整个结构。上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种具有防护层的新型纤维复合材料板弹簧，包括一根由承载纤维构成的弹性梁(2)，其特征在于所述弹性梁(2)至少在使用状态下的上表面和下表面分别设有保护层(3)结构，该保护层(3)结构紧贴弹性梁(2)的上表面和下表面，并与弹性梁(2)—起成型为整体结构，所述保护层(3)为编织复合纤维层。
2.根据权利要求I所述的新型纤维复合材料板弹簧，其特征在于所述弹性梁(2)下表面的保护层(3)厚度大于上表面的保护层(3)厚度。
3.根据权利要求I所述的新型纤维复合材料板弹簧，其特征在于所述弹性梁(2)的前侧面和后侧面分别设有保护层(3)，上表面、下表面、前侧面和后侧面的保护层(3)从周向包裹弹性梁(2)结构。
4.根据权利要求I或2或3所述的新型纤维复合材料板弹簧，其特征在于所述保护层(3)中的编织复合纤维层为双向纤维编织结构、三向纤维编织结构或多向纤维编织结构。
专利摘要一种具有防护层的新型纤维复合材料板弹簧，包括一根由承载纤维构成的弹性梁，其特征在于至少在弹性梁的上表面和下表面设有保护层结构，保护层由多层纤维编织材料与树脂基体复合而成，并与弹性梁一起成型为整体结构。保护层的主要作用一是密封，防止水份浸入，破坏纤维组织和基体的强度和性能；二是防止纤维结构散开、脱层；三是耐酸碱盐等腐蚀、耐高温，保护其中承载的纤维组织和结构不受破坏，承受地面弹起石块的冲击载荷，从而解决因表面损伤而引发承载纤维组织及结构的性能降低以及使用寿命缩短等问题。
文档编号F16F1/368GK202719062SQ201220198479
公开日2013年2月6日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7日
发明者魏斌, 何鹏 申请人:苏州莱西特轻量化科技有限公司