CN104842734B - 复合材料板簧以及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车技术领域，涉及一种复合材料板簧以及汽车，该复合材料板簧包括弓形的板簧本体和安装于板簧本体两端的刚性连接件，板簧本体由纤维增强复合材料形成；刚性连接件上开设有凹槽，板簧本体的两端分别插入凹槽内；刚性连接件的上表面上设有凸台，凸台开设有安装用于连接刚性连接件与车架吊耳的销轴的通孔。如此设置可以在前后车架吊耳中心距不变的情况下，增加板簧本体的纵向长度以及板簧本体与刚性连接件的接触面积。本发明的刚性连接件可更大程度地分担板簧本体所承受的纵向力，并改变板簧本体在制动过程中受力的作用点和作用方向，使板簧本体所承受的剪切力减小，从而延长疲劳寿命以及提高安全性能。

Description

复合材料板簧以及汽车

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体地，涉及一种复合材料板簧以及汽车。

背景技术

目前的载货汽车，特别是后轴是两轴或者多轴的汽车，传统采用钢制板簧作为缓冲和减震结构，但钢制板簧本身特别重，使得整车的重量增加，从而增大了燃油消耗率，并对车辆的操纵稳定性产生不利影响。另外，钢制板簧通常由不少于一片的弹簧钢叠加组合而成，相邻的弹簧钢之间不可避免的摩擦会使钢制板簧的寿命变短。而因兼顾大的载重、小的燃油消耗率和好的操纵稳定性等要求，由复合材料制成的板簧得到了广泛应用。与同类的钢制板簧相比，复合材料板簧具有质量轻、弹性应变大、应变比能高、疲劳寿命长及“安全断裂性”好等特点。但是，整车在制动过程中板簧所承受的制动剪切力比较大，而且因受到车架的装配空间的影响，具体为受到前后的车架吊耳的中心距的限制，在结构上复合材料板簧与金属件的连接比较困难，这就造成了复合材料板簧和金属件的连接方式以及结构设计特别重要，如果结构不合理的话，在做整车可靠性试验的过程中，复合材料板簧会被作为卷耳的金属件和用于连接复合材料板簧的螺栓剪切断，从而破坏复合材料板簧，影响整车的安全性能。

有鉴于现有技术的上述缺点，需要提供一种新型的复合材料板簧。

发明内容

本发明的目的是提供一种质量轻、疲劳寿命长且安全性能高的复合材料板簧。

为了实现上述目的，本发明提供一种复合材料板簧，其包括弓形的板簧本体和刚性连接件，所述板簧本体由纤维增强复合材料形成；所述刚性连接件上开设有凹槽，所述板簧本体的两端分别插入所述凹槽内；所述刚性连接件的上表面上设有凸台，所述凸台开设有安装用于连接所述刚性连接件与车架吊耳的销轴的通孔。

优选地，所述通孔的轴线与所述板簧本体的纵向中心线垂直。

优选地，所述刚性连接件与所述板簧本体粘接并且通过多个紧固件连接，所述紧固件靠近所述凸台分布且分布于所述通孔的轴线的两侧。

优选地，所述凹槽包裹所述板簧本体的端面以及上曲面和下曲面的靠近端面的部分。

优选地，所述板簧结构还包括刚性护板，所述刚性护板设于所述板簧本体的侧面上靠近端面的部分，所述刚性护板与所述板簧本体粘接。

优选地，所述板簧结构还包括安装于所述板簧本体的下曲面的中部的第一刚性垫板。

优选地，所述第一刚性垫板上设有用于定位所述车桥的定位销。

优选地，所述板簧结构还包括安装于所述板簧本体的上曲面的中部的第二刚性垫板。

优选地，所述第一刚性垫板和第二刚性垫板分别与所述板簧本体粘接。

本发明还提供一种汽车，所述汽车包括车架、成对设置于所述车架上的车架吊耳、用于安装车轮的车桥和上述的复合材料板簧，所述复合材料板簧通过安装于所述凸台的通孔内的所述销轴与所述车架吊耳连接，所述复合材料板簧的板簧本体的中部通过悬挂部件与所述车桥连接。

上述技术方案中的复合材料板簧中，板簧本体由质量较轻的纤维增强复合材料形成，单片的复合材料板簧不存在钢制板簧的相邻弹簧钢之间有摩擦的问题，从而达到减震降噪的目的。另外，板簧本体通过刚性连接件与车架吊耳连接，且该刚性连接件开设有凹槽，通过将板簧本体的两端分别插入所述凹槽内，并在刚性连接件的上表面上设有凸台，该凸台内开设有通孔，刚性连接件通过安装于通孔内的销轴与车架吊耳连接。如此设置可以在前后的车架吊耳中心距不变的情况下，增加板簧本体的纵向长度，从而可增加板簧本体与刚性连接件的接触面积。在兼顾复合材料的质量轻、弹性应变大、应变比能高、疲劳寿命长及“安全断裂性”好等优点，以及防止板簧本体与车架之间产生摩擦的同时，本发明的刚性连接件可更大程度地分担板簧本体所承受的纵向力，并改变板簧本体在制动过程中受力的作用点和作用方向，使制动过程中的部分力转移到刚性连接件上，而使板簧本体所承受的剪切力减小，从而延长复合材料板簧的疲劳寿命以及提高复合材料板簧的安全性能。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明复合材料板簧的主视图；

图2是本发明复合材料板簧的俯视图；

图3是本发明复合材料板簧的刚度随循环次数变化的曲线图。

附图标记说明

图中，1：板簧本体；2：刚性连接件；3：第一刚性垫板；4：第二刚性垫板；5：刚性护板；6：螺栓；7：凸台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明的复合材料板簧包括弓形的板簧本体1和安装于板簧本体1两端的刚性连接件2，板簧本体1由质量较轻的纤维增强复合材料形成。刚性连接件2上开设有凹槽，板簧本体1的两端分别插入凹槽内。板簧本体1的两端可以由刚性连接件2的凹槽完全包裹（凹槽包裹板簧本体1的端面以及所有与该端面相邻的侧面上靠近端面的部分）或者部分包裹，具体地，在本实施方式中刚性连接件2的凹槽包裹板簧本体1的端面以及上曲面和下曲面的靠近端面的部分（此为部分包裹的一种形式）。刚性连接件2的上表面上设有凸台7，凸台7开设有安装用于连接刚性连接件2与车架吊耳的销轴的通孔。其中，刚性连接件2的材质为金属，优选为性价比较高的45钢。

如此设置，可以在前后车架吊耳中心距不变的情况下，增加板簧本体1的纵向长度，从而可增加板簧本体1与刚性连接件2的接触面积。在兼顾复合材料的质量轻、弹性应变大、应变比能高、疲劳寿命长及“安全断裂性”好等优点，以及防止板簧本体1与车架之间产生摩擦的同时，本发明的刚性连接件2可更大程度地分担板簧本体1所承受的纵向力，并改变板簧本体1在制动过程中受力的作用点和作用方向，使制动过程中的部分力转移到刚性连接件2上，而使板簧本体1所承受的剪切力减小，从而延长复合材料板簧的疲劳寿命以及提高复合材料板簧的安全性能。

其中，复合材料（Composite materials）是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。而本发明的纤维增强复合材料的基体材料为橡胶，增强材料为碳纤维。

进一步地，如图2所示，凸台7内通孔的轴线与板簧本体1的纵向中心线垂直。该纵向中心线即板簧本体1的长度方向的中心线，因板簧本体1为弓形结构，所以该纵向中心线为平面曲线。如此设置，可使板簧本体1的纵向力沿通孔的轴线方向分布均匀，从而使板簧本体1产生均匀变形。

刚性连接件2与板簧本体1通过胶水粘接并且通过多个紧固件连接，紧固件靠近凸台7分布且分布于通孔的轴线的两侧，其中，本实施方式中的紧固件为螺栓6，螺栓6与螺母配合对刚性连接件2与板簧本体1进行固定。因凸台7设于刚性连接件2的上表面上，延长了板簧本体1的纵向长度，使刚性连接件2与板簧本体1的接触面积增加，从而使刚性连接件2与板簧本体1的粘接面积增加，同样地，用于安装螺栓6的位置增加，螺栓的安装数量增加（本实施方式中一个刚性连接件2上安装四个螺栓6），使得刚性连接件2与板簧本体1之间的连接更加安全可靠。

另外，本发明的板簧结构还包括刚性护板5，刚性护板5设于板簧本体1的侧面上靠近端面的部分，刚性护板5与板簧本体1通过胶水粘接。刚性护板5可以为板簧本体1分担部分纵向力，能够更好地保护板簧本体1，从而延长复合材料板簧的疲劳寿命以及提高复合材料板簧的安全性能。

作为一种优选的实施方式，板簧结构还包括安装于板簧本体1的下曲面的中部的第一刚性垫板3。第一刚性垫板3上设有用于定位车桥的定位销。板簧结构还包括安装于板簧本体1的上曲面的中部的第二刚性垫板4。复合材料板簧的板簧本体1的中部通过悬挂部件与车桥连接，其中，悬挂部件通常为U形螺栓，第一刚性垫板3设置于车桥与板簧本体1之间，而第二刚性垫板4设置于U型螺栓与板簧本体1之间，从而避免了板簧本体1与U型螺栓或者车桥的摩擦，而延长复合材料板簧的疲劳寿命。

而且，第一刚性垫板3和第二刚性垫板4分别与板簧本体1通过胶水粘接，使第一刚性垫板3和第二刚性垫板4分别与板簧本体1紧密贴合，从而减小摩擦，进一步地延长复合材料板簧的疲劳寿命。

具体地，本发明的复合材料板簧具有以下优点：

1）轻质高强度：复合材料板簧的重量仅是钢板弹簧的30%左右，大大提高了车辆的燃油效力，同时降低了簧下质量；

2）良好的耐疲劳性能：由于复合材料板簧的纤维增强复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹扩展，破坏前有明显的征兆（金属材料的疲劳破坏是由里向外突然发展的，往往事先无征兆）；复合材料板簧基体中含有大量独立的纤维，每平方厘米上的纤维多至上万根，是典型的静不定体系，当构件超载并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，这样，在短期内不至于使整个构件失去承载能力；复合材料板簧的疲劳寿命是钢制板簧的4-10倍，且全寿命费用合理，性价比高。

3）好的阻尼减震性能：由于复合材料板簧中的特殊结构，其振动阻尼很高，具有良好的吸振能力，且通过对其结构和组分的优化，可设计构件的固有频率，从而避免因共振而导致的破坏；

4）较高的“安全断裂性”；

5）复合材料板簧的弹性模量比钢板簧要要高出5倍以上，舒适性大大提高；

6）部件简化，重量轻，拆装操作更简便，杜绝了钢制板簧的相邻弹簧钢之间有摩擦的问题，起到减震降噪的作用。

以下通过具体的试验数据对本发明的复合材料板簧的各项性能进行说明：

表1 本发明的复合材料板簧的性能表

从表1可知，本发明复合材料板簧的力学性能、化学性能、高低温性能和耐紫外性能均符合各项国家标准。

除此之外，通过进行疲劳试验并检测疲劳后刚度对本发明的复合材料板簧的性能进行进一步说明。疲劳试验方法为：垂向加载21kN，振幅±7kN，频率1.5Hz，当样品出现裂纹或刚度下降10%时，停止试验。垂向加载超过30万次，样品出现裂纹或刚度下降10%即为合格。而本发明的复合材料板簧在垂向加载超过110万次时，样品仍然保持完好。在疲劳试验的垂向加载次数为8万次、9.5万次、24万次、30万次、38万次、46万次、54万次、62万次、110万次时，分别检测样品的静态刚度，得到表2的数据，并将这些数据绘制成刚度随循环次数变化的曲线图（图3）。从表2和图3可知，本发明的复合材料板簧的疲劳刚度在进行试验时基本保持稳定，在垂向加载超过30万次时，没有出现大幅刚度波动，且刚度最大降幅为7.5%。另外，在垂向加载超过110万次时，本发明的复合材料板簧的疲劳刚度与进行垂向加载之前基本持平。

表2 本发明的复合材料板簧的疲劳后刚度统计表

循环次数（万次）	0	8	9.5	24	30	38	46	62	110
										刚度值（N/mm）	278	275	279	283	264	262	275	257	283

一种汽车，其包括车架、成对设置于车架上的车架吊耳、用于安装车轮的车桥和上述的复合材料板簧，复合材料板簧通过安装于凸台7的通孔内的销轴与车架吊耳连接，复合材料板簧的板簧本体1的中部通过悬挂部件与车桥连接。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种复合材料板簧，其特征在于，所述板簧结构包括弓形的板簧本体(1)和刚性连接件(2)，所述板簧本体(1)由纤维增强复合材料形成；所述刚性连接件(2)上开设有凹槽，所述板簧本体(1)的两端分别插入所述凹槽内；所述刚性连接件(2)的上表面上设有凸台(7)，所述凸台(7)开设有安装用于连接所述刚性连接件(2)与车架吊耳的销轴的通孔；所述板簧结构还包括刚性护板(5)，所述刚性护板(5)设于所述板簧本体(1)的侧面上靠近端面的部分。

2.根据权利要求1所述的复合材料板簧，其特征在于，所述通孔的轴线与所述板簧本体(1)的纵向中心线垂直。

3.根据权利要求2所述的复合材料板簧，其特征在于，所述刚性连接件(2)与所述板簧本体(1)粘接并且通过多个紧固件连接，所述紧固件靠近所述凸台(7)分布且分布于所述通孔的轴线的两侧。

4.根据权利要求1所述的复合材料板簧，其特征在于，所述凹槽包裹所述板簧本体(1)的端面以及上曲面和下曲面的靠近端面的部分。

5.根据权利要求4所述的复合材料板簧，其特征在于，所述刚性护板(5)与所述板簧本体(1)粘接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的复合材料板簧，其特征在于，所述板簧结构还包括安装于所述板簧本体(1)的下曲面的中部的第一刚性垫板(3)。

7.根据权利要求6所述的复合材料板簧，其特征在于，所述第一刚性垫板(3)上设有用于定位车桥的定位销。

8.根据权利要求6所述的复合材料板簧，其特征在于，所述板簧结构还包括安装于所述板簧本体(1)的上曲面的中部的第二刚性垫板(4)。

9.根据权利要求8所述的复合材料板簧，其特征在于，所述第一刚性垫板(3)和第二刚性垫板(4)分别与所述板簧本体(1)粘接。

10.一种汽车，其特征在于，所述汽车包括车架、成对设置于所述车架上的车架吊耳、用于安装车轮的车桥和权利要求1-9任一项所述的复合材料板簧，所述复合材料板簧通过安装于所述凸台(7)的通孔内的所述销轴与所述车架吊耳连接，所述复合材料板簧的板簧本体(1)的中部通过悬挂部件与所述车桥连接。