汽车用主副式板弹簧总成及其制造方法和设计方法与流程

本发明涉及一种汽车用主副式板弹簧总成，属于汽车零部件领域，本发明还涉及汽车用主副式板弹簧总成的制造方法和设计方法。

背景技术：

现有的汽车板弹簧，一般由主簧和副簧叠装组成，其类型包括三种，第一种是主簧和副簧均采用钢板弹簧，其重量大，更加汽车能耗，而且疲劳寿命、汽车安全性及驾驶舒适度均不高，第二种是主簧采用复合材料板弹簧，副簧为钢板弹簧，其承载能力有限，在满载或超载的情况下，安全性能和驾驶适应性均不够，第三种是副簧为复合材料板弹簧，主簧为钢板弹簧，可减轻汽车板弹簧的总重量，达到轻量化的要求，但现有的复合材料副簧加钢质主簧的板弹簧结构，存在初始刚度大且承载过程中刚度的增加呈线性变化，使得空载或小载荷时汽车的驾驶舒适度不高，而且副簧磨损严重，造成副簧开裂甚至断开，严重影响汽车板弹簧的使用寿命和可靠性。

CN 105946489 A公开了一种具有复合材料主副簧的汽车板弹簧总成，包括主簧、副簧、下金属夹板、上金属夹板和U型螺栓金属夹板，下金属夹板、副簧、主簧、上金属夹板、U型螺栓金属夹板由下至上依次叠放后通过两个U型螺栓夹紧固定，主簧簧身两端分别螺栓连接有两个金属接头，金属接头内均过盈配合有橡胶衬套；主簧和副簧均为复合材料板弹簧。此方案中主副簧都是采用复合材料，副簧式安装在主簧凸弧面一侧，主簧受载作用后的弯曲将载荷传递给副簧，副簧的反作用力提供一个连续变刚度，随着载荷的提高，板弹簧的刚度越来越大，汽车在空载或小载荷时刚度较大，不能够给驾驶提供一个很好的舒适度，同时也没有考虑复合材料板簧与钢板弹簧之间摩擦接触的问题及上下金属夹板对复合材料的主副簧的磨损问题。

CN 204451899 U公开了一种载重汽车用后钢板弹簧总成，包括中心螺栓、依次顺序设置在所述中心螺栓上的主簧、中间垫片和副簧、设置在所述主簧两端的主簧第一卡箍和主簧第二卡箍、设置在所述主簧一端的第一卷耳、设置在所述主簧另一端的第二卷耳、设置在所述副簧两端的副簧卡箍。此方案中主副簧均采用钢板弹簧，加增加了主副簧之间的中间垫片，可减少主副簧之间的磨损，但重量大，无法满足汽车轻量化的要求。

CN 205315581 U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。此方案中载重时主簧与副簧上的橡胶缓冲块提供一个二级刚度，可提高板弹簧的疲劳寿命，但主副簧均为钢板弹簧，重量大，无法满足汽车轻量化的要求。

在满足汽车板弹簧性能要求的基础上，满足汽车轻量化的要求、提高汽车驾驶舒适度、延长板弹簧使用寿命并提高板弹簧的使用可靠性是本发明研发的目的。

技术实现要素：

本发明提供的汽车用主副式板弹簧总成，在满足汽车板弹簧性能要求的基础上，可满足汽车轻量化的要求、提高汽车驾驶舒适度、延长板弹簧使用寿命并提高板弹簧的使用可靠性，本发明还提供汽车用主副式板弹簧总成的制造方法和设计方法。

为达到上述目的本发明采用的技术方案是：

汽车用主副式板弹簧总成，包括金属片簧叠置而成的主簧和叠装在主簧上面的副簧组件，其特征在于所述的副簧组件包括向下凸起的圆弧状的副簧、粘结在副簧上表面中间位置的上压板和粘结在副簧下表面中间位置的弹性垫片，所述的的副簧为复合材料板弹簧，所述上压板边缘与副簧为弹性接触。

优选的，所述的上压板由金属压板和弹性橡胶垫组成，所述的金属压板的底部具有左右对称的倒角边缘，两块弹性橡胶垫硫化在金属压板底部的倒角边缘处形成上压板，弹性橡胶垫与副簧接触。

优选的，所述的副簧两端的上表面分别固定耐磨片，所述的耐磨片的材质为PBT、TPEE或POM，所述的主簧下表面的中间位置叠装有下压板。

优选的，所述的副簧为采用E玻璃纤维和环氧树脂复合材料制成的预浸料并通过预浸料模压工艺制成的一体化成型结构。

优选的，80%以上的预浸料的纤维方向沿副簧的长度方向设置，其余的预浸料的纤维方向沿副簧的宽度方向设置，副簧中的纤维含量为70±5%。

优选的，所述的副簧的中间为厚度不变的平直段，平直段的两侧为从中间到端部厚度逐渐变薄的圆弧段，平直段与圆弧段的宽度相等，且平直段的厚度值和圆弧段的厚度变化曲线由板弹簧仿真软件计算得出，使副簧在承载中应力沿副簧长度方向均匀分布。

以上所述的汽车用主副式板弹簧总成的制造方法，包括以下步骤：

（一）根据所述的汽车用副式板弹簧的承载要求，用板弹簧仿真软件设计出副簧；

（二）用复合材料制作副簧；

（三）将上压板和弹性垫片分别粘结在副簧上表面中间位置和副簧下表面中间位置；

（四）将副簧与主簧上下叠装，形成汽车用主副式板式弹簧。

优选的，所述的步骤（二）具体为：

（二一）用E玻璃纤维和环氧树脂复合材料制成预浸料；

（二二）将预浸料以叠层的方式铺设于模具内，其中80%以上的预浸料的纤维方向沿副簧的长度方向设置，其余的预浸料的纤维方向沿副簧的宽度方向设置，且纤维方向沿副簧宽度方向设置的预浸料位于叠层的中间位置及叠层的表面；

（二三）在模具内压制预浸料叠层，制得副簧。

优选的，所述的步骤（三）中将上压板和弹性垫片粘结在副簧上后，在副簧的端部打出固定螺钉孔，通固定螺钉和高强粘胶将耐磨片固定在副簧的两端。

以上所述的汽车用主副式板弹簧总成的设计方法，根据汽车用主副式弹簧总成的承载要求进行设计，其特征在于：

（一）通过设计副簧（21）的厚度，来调节副簧的刚度和力学性能， 并且使副簧（21）在承载过程中应力沿长度方向均匀分布；

（二）在满足副簧在承载过程中应力沿长度方向均匀分布和保证副簧的刚度和力学性能的前提下，通过设计副簧的弧高H，来调节汽车用主副式板弹簧总成的变刚度拐点的位置；

（三）在满足副簧在承载过程中应力沿长度方向均匀分布和保证副簧的刚度和力学性能的前提下，通过设计副簧中间位置的厚度D，从而调节汽车用主副式板弹簧总成的二级刚度。

本发明的有益效果是：

副簧采用复合材料板弹簧，可满足汽车的轻量化要求，且副簧叠装在主簧上，汽车承载过程中，汽车空载或载荷较小时，主簧承载，副簧不发生作用，汽车板弹簧的刚度较小，汽车驾驶舒适度更高，汽车满载或超载时，副簧的两端会顶在汽车车架的支撑块上，使汽车板弹簧从一级刚度增大到二级钢度，形成汽车板弹簧的变刚度拐点，提升汽车板弹簧的承载能力，增加汽车满载或超载时的驾驶稳定性和安全性。

副簧下表面的中间位置粘结弹性垫片，弹性垫片可减少叠装位置主副簧之间的磨损，且粘结的组合方式也可避免弹性垫片对副簧的磨损，副簧上表面的中间位置粘结上压板，可避免副簧与上压板之间的摩擦，且上压板边缘与副簧为弹性接触，减小承载过程中上压板边缘对副簧的应力，即减少上压板边缘对副簧的磨损，汽车板弹簧的使用寿命更长，使用可靠性更高。

副簧采用E玻璃纤维和环氧树脂复合材料制成的预浸料，并通过预浸料模压工艺制成的一体化成型结构，易于现实批量化生产，且通过预浸料模压成型工艺可提高副簧中的纤维含量，使副簧的刚度和力学性能满足使用要求。副簧通过板弹簧仿真软件设计成在承载过程中应力沿长度方向均匀分布的等应力结构，避免承载过程中副簧产生应力集中。

附图说明

图1为具体实施方式中的汽车用主副式板弹簧总成的结构示意图。

图2 为上压板的结构示意图。

图3为副簧组件的结构示意图。

图4为副簧的结构示意图。

图5为具体实施方式中的汽车用主副式板弹簧总成安装在车桥上与车架上的限位块对相应的结构示意图。

图6为具体实施方式中的汽车用主副式板弹簧总成在承载过程中刚度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图1至6对本发明的实施例做详细说明。

汽车用主副式板弹簧总成，包括金属片簧叠置而成的主簧1和叠装在主簧1上面的副簧组件2，其特征在于所述的副簧组件2包括向下凸起的圆弧状的副簧21、粘结在副簧21上表面中间位置的上压板22和粘结在副簧21下表面中间位置的弹性垫片23，所述的的副簧21为复合材料板弹簧，所述上压板22边缘与副簧21为弹性接触。

如图1所示的汽车用主副式板弹簧总成，副簧21与主簧1上下叠装，副簧21呈向下凸起的圆弧状叠置于主簧1上，在空载或小载荷时，主簧1承载，副簧21悬空不作用，板弹簧的刚度较小，驾驶的舒适性更高，在满载或超载时，副簧21与车架上的限位块接触，使汽车板弹簧从一级刚度增大到二级钢度，形成汽车板弹簧的变刚度拐点，提升汽车板弹簧的承载能力，增加汽车满载或超载时的驾驶稳定性和安全性。

上压板22粘结在副簧21上表面的中间位置，上压板22与副簧21之间的粘结连接可避免承载过程中上压板22与副簧21沿接触面的相对滑动，从而避免上压板22对副簧21的磨损，上压板22的边缘与副簧21为弹性接触，在承载过程使中上压板22的边缘与副簧22保持弹性接触，从而避免在上压板22的边缘处对副簧21产生应力集中，减少上压板22边缘对副簧21的磨损，延长副簧21的使用寿命。

其中，为了实现上压板22边缘与副簧21的弹性接触，所述的上压板22由金属压板22.1和弹性橡胶垫22.2组成，所述的金属压板22.1的底部具有左右对称的倒角边缘，两块弹性橡胶垫22.2硫化在金属压板22.1底部的倒角边缘处形成上压板22，弹性橡胶垫22.2与副簧21接触。通过硫化的方式使金属压板22.1与弹性橡胶垫22.2连接，即可避免金属压板221.1与弹簧橡胶垫22.2之间的摩擦，又能实现上压板22边缘与副簧21的弹性接触，减少副簧21的磨损。

其中，所述的副簧21两端的上表面分别固定耐磨片24，所述的耐磨片24的材质为PBT、TPEE或POM，所述的主簧1下表面的中间位置叠装有下压板3，用于保护主簧1。当副簧21的端部通过耐磨片24与车架上的限位块连接，可减少副簧21端部的磨损，同时也可减少副簧21与车架上的限位块接触时产生的异响。

其中，所述的副簧21为采用E玻璃纤维和环氧树脂复合材料制成的预浸料并通过预浸料模压工艺制成的一体化成型结构，通过E玻璃纤维和环氧树脂复合材料形成预浸料，可通过调节预浸料中的E玻璃纤维的含量来调节副簧21中的纤维含量，从而调节副簧21的刚度和力学性能。

其中，80%以上的预浸料的纤维方向沿副簧21的长度方向设置，其余的预浸料的纤维方向沿副簧21的宽度方向设置，副簧21中的纤维含量为70±5%。部分预浸料的纤维方向沿副簧21的宽度方向设置与纤维方向沿副簧长度方向设置的预浸料，两者纤维方向成互相垂直的90度，可增强副簧21的偏转及扭转刚度，防止副簧21在承载过程中因为受到侧向力及纵向力而产生变形，模压工艺可进一步提高副簧21中的纤维含量，使副簧中的纤维含量达到70%左右，可充分满足副簧21的刚度需求。

其中，所述的副簧21的中间为厚度不变的平直段21.1，平直段的两侧为从中间到端部厚度逐渐变薄的圆弧段21.2，平直段21.1与圆弧段21.2的宽度相等，且平直段21.1的厚度值和圆弧段21.1的厚度变化曲线由板弹簧仿真软件计算得出，使副簧21在承载中应力沿副簧21长度方向均匀分布。平直段21.1用于副簧21与主簧1的叠装连接，平直段21.1的厚度D决定了当副簧21与车架上的限位块接触，产生变刚度拐点时，变刚度拐点的刚度值，平直段21.1的厚度D越大，变刚度拐点的刚度值越大，根据汽车的承载要求，可在板弹簧仿真软件中设计平直段21.1的厚度，使变刚度拐点的刚度值满足汽车承载要求。圆弧段21.2的厚度从中间端部逐渐减少，是为了使副簧21产生弯曲变形时，副簧21的所受的应力沿长度方向均匀分布，即副簧21各横截面上的拉应力和压应力均相等，通过板弹簧仿真软件，设计平直段21.1的厚度和圆弧段21.2的厚度，使副簧21即可满足承载要求，也可使副簧的所受应力沿长度方向均匀分布，减少副簧的永久变压率，从而延长副簧21的使用寿命。

以上所述的汽车用主副式板弹簧总成的安装过程为：将汽车用主副式板弹簧总成组装在汽车的车桥上，并且用汽车车桥上的U型螺栓夹紧汽车用主副式板弹簧总成，再将主簧1上的吊耳4装配在汽车车架的吊耳铰接点上，副簧21上的端部与车架上的限位块5上下对齐，形成如图5所示的位置关系，当汽车空载或小载荷时，副簧21悬空不作用，只主簧1承载，汽车满载或超载时，副簧21的端部顶在限位块5上，主副簧共同承载，增大承载能力，满足承载要求。

以上所述的汽车用主副式板弹簧总成的制造方法，包括以下步骤：

（一）根据所述的汽车用副式板弹簧的承载要求，用板弹簧仿真软件设计出副簧21；

（二）用复合材料制作副簧21；

（三）将上压板22和弹性垫片23分别粘结在副簧21上表面中间位置和副簧21下表面中间位置；

（四）将副簧21与主簧1上下叠装，形成汽车用主副式板式弹簧。

所述的步骤（二）具体为：

（二一）用E玻璃纤维和环氧树脂复合材料制成预浸料；

(二二)将预浸料以叠层的方式铺设于模具内，其中80%以上的预浸料的纤维方向沿副簧21的长度方向设置，其余的预浸料的纤维方向沿副簧21的宽度方向设置，且纤维方向沿副簧宽度方向设置的预浸料位于叠层的中间位置及叠层的表面；

(二三)在模具内压制预浸料叠层，制得副簧。

所述的步骤三中将上压板22和弹性垫片23粘结在副簧21上后，在副簧21的端部打出固定螺钉孔，通固定螺钉和高强粘胶将耐磨片24固定在副簧21的两端。

以上所述的制造方法，首先根据承载要求，用板弹簧仿真软件设计出副簧，再根据设计出的副簧21的尺寸、重量及形状用复合材料制作出副簧21，然后将上压板22和弹性垫片23粘结在副簧21上，再将副簧21与主簧1叠置组装即可，为了提高副簧21的纤维含量，增大副簧21的刚度，减少副簧21的永久变形率，通过预浸料模压成型工艺制作副簧21，预浸料采用E玻璃纤维和环氧树脂复合材料制成，在保证预浸料成型的前提下，调节预浸料中E玻璃纤维的含量即可调节副簧21中的纤维含量，其中由于单片预浸料中的纤维均沿一个方向设置，因此将部分预浸料的纤维方向沿副簧21宽度方向设置，使叠层的预浸料中纤维的设置方向有所不同，也可调节副簧21的强度及刚度，部分预浸料的纤维方向沿副簧21宽度方向设置的是为了增大副簧21的偏转及扭转刚度，有效减少副簧21在承载过程中因为受到侧向力及纵向力而产生变形。

以上所述的汽车用主副式板弹簧总成的设计方法，根据汽车用主副式弹簧总成的承载要求进行设计，其特征在于：

（一）通过设计副簧21的厚度，来调节副簧的刚度和力学性能， 并且使副簧21在承载过程中应力沿长度方向均匀分布；即在制作副簧时，根据副簧在使用过程对刚度和力学性能的要求，通过设计副簧的厚度，从而使制成的副簧21达到所需的刚度要求和力学性能要求，并且通过设计副簧21的厚度，使副簧21在承载过程中应力沿长度方向均匀分布，副簧21的厚度包括平直段21.1的厚度和圆弧段21.2的厚度，厚度的设计通过板弹簧仿真软件仿真计算得出，使副簧21即可满足承载过程中的刚度和力学性能要求，而且在承载过程中应力沿长度方向均匀分布，即副簧21各横截面上的拉应力和压应力均相等；

（二）在满足副簧21在承载过程中应力沿长度方向均匀分布和保证副簧的刚度和力学性能的前提下，通过设计副簧21的弧高H，来调节汽车用主副式板弹簧总成的变刚度拐点的位置，从如图4中可以看出弧高H的值越大，则副簧21的端部与车架上的限位块5的接触越早，值越小，则副簧21与端问与车架上的限位块5的接触越晚，如图5所示，图中的S1为变刚度拐点，S2最大刚度值，图中的0~S1为主簧1承载，副簧21悬空不载承时的一级刚度曲线，S1~S2为副簧21与主簧1共同承载时的二级刚度曲线，当副簧21的弧高H的值增大时，车架的限位块5与副簧21的端部之间的距离则减小，即车架需下压的位移减小，S1的横向坐标值减小，S1在刚度曲线中的位置会向左移，当副簧21的弧高H的值减少时，车架的限位块5与副簧21的端部之间的距离则增大，即车架需下压的位移增大，S1的横向坐标值增大，S1在刚度曲线中的位置会向右移，因此根据汽车的承载要求，调节副簧21的弧高H，就可调节变刚度拐点的位置，使汽车空载或小载荷时，不产生变刚度拐点，刚度变化小，驾驶舒适性高，在汽车满载或超载时，形成变刚度拐点，提供足够的承载能力；

（三）在满足副簧21在承载过程中应力沿长度方向均匀分布和保证副簧的刚度和力学性能的前提下，通过设计副簧21中间位置的厚度D，从而调节汽车用主副式板弹簧总成的二级刚度，如图5所示，图中的S1~S2为副簧21与主簧1共同承载时的二级刚度曲线，副簧21的中间位置与主簧21叠装在一起，在副簧21的端部与汽架上的限位块5接触瞬间，副簧21的中间位置的刚度加上主簧1的刚度，即为变刚度拐点的刚度值，副簧21的承载过中是通过车架下压，副簧21弯曲变形，副簧21从中间向两端逐渐靠近主簧21，如副簧21的中间位置的厚度D的值越大，则副簧21在相同的载荷作用下的变形位移值越小，反之如副簧21的中间位置的厚度D的值越小，则副簧21在相同的载荷作用下的变形位移值越大，因此调节副簧21中间位置的厚度21即可调节副簧21在承载过程中的变形位移，即调节汽车用主副式板弹簧总成的二级刚度。

本发明的优点在于：

1、副簧采用复合材料板弹簧，可满足汽车的轻量化要求。

2、副簧叠装在主簧上，在汽车空载或小载荷时，副簧悬空不承载，刚度变化小，汽车驾驶舒适度高。

3、 副簧呈向下凸起的弧形状，在汽车满载或超载时，副簧端部与车架的限位块接触，形成变刚度拐点，使板弹簧的刚度从一级刚度瞬间提升到二级刚度，承载能力高，汽车在满载或超载时的驾驶稳定性和安全性更好。

4、 下压板与副簧粘结，减少下压板与副簧间的摩擦，且下压板中的弹性橡胶垫与副簧弹性接触，避免下压板边缘对副簧产生应力集中，副簧使用寿命更长。

5、 副簧采用预浸料模压成型工艺制作，副簧的纤维含量更高，且便于批量制作。

6、 副簧与弹性垫片粘结，即减少主副簧间的磨损，又可避免副簧对弹性垫片的磨损。

7、 制作副簧的预浸料的纤维方向沿副簧长度方向及宽度方向设置，可有效减少副簧在承载过程中因为受到侧向力及纵向力而产生的变形。

8、 副簧通过板弹簧仿真软件设计成在承载过程中应力沿长度方向均匀分布的等应力结构，避免承载过程中副簧产生应力集中，副簧的使用可靠性更高。

以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。