CN105358860B - 高强度轻量复合材料片簧及其制造方法 - Google Patents

高强度轻量复合材料片簧及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105358860B
CN105358860B CN201480023233.1A CN201480023233A CN105358860B CN 105358860 B CN105358860 B CN 105358860B CN 201480023233 A CN201480023233 A CN 201480023233A CN 105358860 B CN105358860 B CN 105358860B
Authority
CN
China
Prior art keywords
leaf spring
composite
composite leaf
fiber
spring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480023233.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105358860A (zh
Inventor
乔纳森·斯皮格尔
本杰明·D·皮培尔
爱德华·D·皮培尔
迈克尔·戈登
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Avient Corp
Original Assignee
Polyone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Polyone Corp filed Critical Polyone Corp
Publication of CN105358860A publication Critical patent/CN105358860A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105358860B publication Critical patent/CN105358860B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G11/00—Resilient suspensions characterised by arrangement, location or kind of springs
    • B60G11/02—Resilient suspensions characterised by arrangement, location or kind of springs having leaf springs only
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/36—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers
    • F16F1/366—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers made of fibre-reinforced plastics, i.e. characterised by their special construction from such materials
    • F16F1/368—Leaf springs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G2202/00—Indexing codes relating to the type of spring, damper or actuator
    • B60G2202/10—Type of spring
    • B60G2202/11—Leaf spring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G2206/00—Indexing codes related to the manufacturing of suspensions: constructional features, the materials used, procedures or tools
    • B60G2206/01—Constructional features of suspension elements, e.g. arms, dampers, springs
    • B60G2206/40—Constructional features of dampers and/or springs
    • B60G2206/42—Springs
    • B60G2206/428—Leaf springs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G2206/00—Indexing codes related to the manufacturing of suspensions: constructional features, the materials used, procedures or tools
    • B60G2206/01—Constructional features of suspension elements, e.g. arms, dampers, springs
    • B60G2206/70—Materials used in suspensions
    • B60G2206/71—Light weight materials
    • B60G2206/7101—Fiber-reinforced plastics [FRP]

Abstract

一种复合材料片簧，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。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弹簧作为承载及蓄能装置。

Description

高强度轻量复合材料片簧及其制造方法
技术领域
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
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。
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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
图5A为根据实施方式的横向安装全复合材料片簧示意图。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
图21为根据实施方式的多连锁复合材料叶片组件示意图。
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。
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。
图24为根据实施方式的完全横向叶片示意图。
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。
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。
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。
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。
图29为本发明实施方式测试时的蠕变应变–时间图。
图30为本发明实施方式测试时的拉伸强度(Psi)图。
图31为本发明实施方式测试时的杨氏模量图。
图32为本发明实施方式测试时的另一拉伸强度(Psi)图。
图33为本发明实施方式测试时的另一杨氏模量图。
图34为本发明实施方式测试时的压缩强度图。
图35为本发明实施方式测试时的压缩模量图。
图36为本发明实施方式测试时的另一压缩强度图。
图37为本发明实施方式测试时的另一压缩模量图。
图38为本发明实施方式测试时的面内剪切强度图。
图39为本发明实施方式测试时的面内剪切模量图。
图40为本发明实施方式测试时的层间剪切强度图。
图41为根据本发明实施方式的样本1蠕变应变–时间图。
图42为根据本发明实施方式的样本2蠕变应变–时间图。
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
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。
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。
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、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。
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(UHMWPE)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)。
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。
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()、碳纤维以及其他高强度纤维及其组合。此外，还可加入其他纤维，优选为与E玻璃纤维和/或S玻璃纤维一同加入，但也可可选替代E玻璃纤维和/或S玻璃纤维。所述其他纤维包括：ECR玻璃纤维、A玻璃纤维和C玻璃纤维，以及其他玻璃纤维；由石英，铝硅酸镁，非碱性铝硼硅酸盐，钠硼硅酸盐，钠硅酸盐，钠钙铝硅酸盐，硅酸铅，非碱性硼铝酸铅，非碱性硼铝酸钡，非碱性硼铝酸锌，非碱性铝硅酸铁，硼酸镉，铝纤维，石棉，硼，碳化硅，由聚乙烯、聚乙烯醇、莎纶、芳纶、聚酰胺、聚苯并咪唑、聚恶二唑、聚苯、PPR、石油和煤沥青(各向同性)、中间相沥青、纤维素和聚丙烯腈的碳化等衍生而得的石墨和碳，陶瓷纤维，钢、铝合金等金属纤维等形成的纤维。
在要求高性能且成本合理的情况下，可使用由芳纶所形成的高强度有机聚合物纤维，例如Kevlar纤维。其他优选的高性能单向纤维束通常具有大于7克每旦的抗拉强度。此类高性能纤维束可更优选为芳纶、扩链超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚[对亚苯基-2,6-苯并二恶唑](PBO)以及聚[二羟基苯撑并吡啶双咪唑]的任何一种或组合。
此外，还可将铝、钢及其他黑色和/或有色金属等金属、塑料、环氧树脂、复合材料和/或其它合适材料等材料用作加强物、添加剂或嵌件，以使所述弹簧通体均匀地或在其特定区域具有特定机械、尺寸或其他物理性质。
需要注意的是，一种极其适合用于根据实施方式的复合材料片簧的材料组合为E玻璃纤维加强的尼龙基质。
以下对根据实施方式的多种片簧及组件的结构及配置进行描述。需要注意的是，在以下描述及实施方式中，优选地，所述片簧和/或组件的任何或所有部件均可由上述纤维加强型聚合物(FRP)复合材料及可选其他加强物以其材料的任意组合制成。
参考图1，一种根据本发明第一实施方式的混合型片簧总体由附图标记10标注。混合型片簧10包括具有第一弹性模量的长形第一级叶片12、拉伸面14、相对的压缩面16以及安装部分18。所述安装部分18如图所示为，但不限于，与长形第一级叶片12的两端一体成型且用于将第一级叶片12连接至车架上的吊耳。长形第一级叶片12由合适材料制成，例如但不限于钢等金属。或者，第一级叶片12可由金属–基质复合材料制成，该材料可包括内嵌于金属基质内的多条纤维。更进一步地，第一级叶片12可由上述纤维加强型聚合物(FRP)复合材料以及可选其他加强物以其材料的任意组合制成。
第一级叶片12的拉伸面14及压缩面16上以与此两面基本平行的方式粘接有至少一层复合材料，所述至少一层复合材料通常具有，但不限于，低于第一级叶片12材料的弹性模量。所述至少一层复合材料优选由内嵌于聚合物基质内且基本平行的多条纤维制成。如图1所示，第一层复合材料20粘接于第一级叶片12的拉伸面14上，第二层复合材料22粘接于第一级叶片12的压缩面16上。
混合型片簧10制造时，一般先将第一层复合材料20及第二层复合材料22粘接于第一级叶片12上，然后将如此组装好的所述各部件放入具有形状与成型后的混合型片簧在未承受负载时的所需形状一致的加热模具的压模中。之后，所述各部件被压合于一起。通过加热与压力的联合作用，可形成形状具有一贯性及可重复性的混合型片簧。然而，本发明不限于此，还可采用铸造等本领域技术人员已知的其他制造方法。
根据实施方式，片簧10由夹紧件24以三点夹接方式夹接于车轴26上。在图示实施方式中，夹紧件24包括一对环绕车轴26的U形栓28，其中，片簧10置于所述U形栓之间。第二层复合材料22临近处设置有锁止板30，该锁止板30上形成有两对用于容纳U形栓28的端部34的开孔32。所述U形栓的端部上以可螺合方式接合有紧固件36，从而将所述U形栓与片簧10以可拆卸方式夹紧于车轴26上。此外，在第二层复合材料22和锁止板30之间还设置有负载叶片38，用于提高片簧10最高应力区域的承载能力。负载叶片38可粘接于第二层复合材料22上，也可由夹紧件24保持于与所述第二层复合材料相接触的状态。负载叶片38可为曲片或平片，可具有或不具有变化截面，且可例如由金属和/或复合材料制成。
根据实施方式，车轴26上还接合有定位件40，以将片簧10定位于车轴26的合适位置。在图1所示实施方式中，所述定位件40穿过片簧10、负载叶片38以及锁止板30，并伸入车轴26内，从而将片簧10的位置相对于车轴26固定。定位件40可采用各种形式，在图示实施方式中，其为销体。然而，在不脱离本发明范围的情况下，还可采用栓体等形式。
发明人在本文中已确定，图1所示片簧10的一个或全部部件可优选由上述纤维加强型聚合物(FRP)材料制得。
如图2所示，为了提高粘接强度，在第一级叶片12与第一和第二复合材料层20，22之间设置有粘合剂层42。所述每一粘合剂层42均包括设于该粘合剂层42内的加强板材层44，由图中虚线示意。每一粘合剂层42优选为热固性环氧粘合剂，但在不脱离本发明范围的情况下，也可为其他类型的粘合剂。例如，所述粘合剂可以为环氧树脂等传统一元或二元结构性液体粘合剂，或者为聚氨酯或热塑性塑料。
图3所示为另一实施方式，其中，上述各元件采用相同附图标记标注。在本实施方式中，所述第一级叶片例如为不带有复合材料层的现有钢制第一级叶片。根据实施方式，第二级负载叶片138为平坦的纤维加强型聚合物(FRP)复合材料结构，用于提高片簧10最高应力区域的承载能力。图3A所示为类似的片簧组件，其中，第二级负载叶片140为弯曲的本发明FRP复合材料结构，用于以更小的重量为所述第一级片簧提供更强的第二级叶片支持，同时其还具有某些重型负载应用所需的定制第二级弹簧特性。
图4所示为本发明的一种实施方式，其包括由上述本发明纤维加强型聚合物(FRP)热塑性复合材料制成的片簧112，所述片簧112的两端均具有用于附接至车辆底架上的环形吊耳118。所述吊耳118可例如为模制锚定于复合材料体116内的钢或其他金属嵌件。或者，其也可以为特别设计的复合材料结构。所述复合材料结构例如包括本文公开的所述FRP热塑性复合材料，而且在该复合材料结构中，由连续环绕的高强度纤维形成所述环形吊耳。所述弹簧还具有安装区域114，该区域通常位于所述环形吊耳118之间的中间点上或临近处，而且设计用于通过夹紧机构附接至车轴上，其中，还可使用套管或不使用套管。
作为图4所示环形吊耳118的一种替代方案，还可使用连接件固定上述结构。此外，叶片112还可只在其一端采用一吊耳118，而在另一端以平坦结构代替第二吊耳118。
只以说明目的而言，片簧112可用于替代图1所示结构中的第一级片簧12，从而通过为给定应用更改加强物类型及层结构，使重量减轻及弹簧特性定制成为可能。此外，在所述应用中，其也可用作无需第二级叶片辅助支持的单级片簧。所述应用可包括轻型挂车应用等。
因此，根据本文本发明实施方式的复合材料片簧既可采用例如图4所示的单叶片设计，也可采用例如图1、图3及图3A所示的多级叶片设计。
根据本发明实施方式，可使用其他部件作为所述悬架的结构件和/或定位件，而所述片簧可例如只用作蓄能装置。在这种情形下，所述片簧既可在弹簧端部设置吊耳，也可不在该处设置吊耳。
在例如图5和图5A所示的某些结构中，本发明实施方式可采用复合材料控制臂500，其在图5中示为斜向上的安装状态。所述复合材料结构具有形成于所述控制臂内的安装孔502，该控制臂用于附接至所述悬架的未装簧部分。如图5A所示，其可横向安装于所述车辆(未图示)内，从而使得所述片簧的纵向轴线垂直于该车辆的前后中心线。所述复合材料结构可具有形成于所述控制臂上的安装孔502，该控制臂用于附接至所述悬架的未装簧部分(例如，无负载，不承受车辆重量的部分)。片簧504在其中心点附接至底架510上，而且其每一端均作为悬臂弹簧独立有效地例如作用于所述车辆的悬架上，而且通常直接或经连接件连接至单独控制所述车辆车轮和轮胎组件512运动的结构件上。在本实施方式中，所述弹簧除了作为蓄能装置，还可作为所述悬架的结构件或定位件。可替代地，本发明实施方式还可采用环形吊耳(未图示)作为其与所述悬架的连接结构，该环形吊耳可在所述片簧的一端或两端整体模制于所述复合材料结构内。图5所示实施方式具有用于安装至所述悬架未装簧部分一端的安装孔502。需要注意的是，图5及图5A所示实施方式中的任何或所有部件均可优选包括上述纤维加强型聚合物(FRP)复合材料及加强物，以获得高强度轻量结构和/或组件。
在图6、图7和图8所示的其他结构中，一种根据实施方式的复合材料片簧600可用于后悬架悬臂梁组件中，该组件的一端601限制于底架610、710、810中，而另一端602、702、802以一定蓄能容量作用于所述悬架上。图6中复合材料片簧600示为多级片簧，而图7和图8中复合材料片簧700和800分别示为用于更轻量应用中的单级片簧。还需注意的是，本发明实施方式还可将本文所公开的复合材料片簧用作定位或结构装置，而且如图6、图7和图8所示，并不需要一定在一端上设置环形吊耳，而是可将该端部固定于轴612、712、812上。
图9所示为五种片簧类型/结构的前立体图。所述片簧可包括上述纤维加强型聚合物(FRP)复合材料片簧部件/成分，以及可选包括本文公开的本发明实施方式中的所述加强物。其中，任何或所有的所述片簧部件可以以任意方式组合。
以说明目的而言，首先，图9A所示为标准弹簧902。其中，根据实施方式，图9A中任何或所有部件均可优选包括所述FRP热塑性复合材料成分，以及可选包括本文公开的所述加强物。
图9B所示为根据实施方式的吊耳安装式弹簧904，该吊耳安装式弹簧具有柔性中心安装部件。其中，所述吊耳安装式弹簧的任何或所有部件均包括纤维加强型热塑性复合材料部件。
图9C所示为根据实施方式的锥形端部滑动弹簧906，其无吊耳附接件，而且其任何或所有部件同样具有纤维加强型热塑性复合材料部件。
图9D所示为根据实施方式的渐进式弹簧908，与以上参考图1、图3以及图3A所述弹簧类似，而且其任何或所有部件也包括纤维加强型热塑性复合材料部件。
图9E所示为根据实施方式的重型挂车弹簧910，其任何或所有叶片部件同样可以为此处所述纤维加强型热塑性复合材料结构件。
参考图10至图18，其所示为根据实施方式的各种复合材料片簧结构。如同本文公开的上述各实施方式，图10至图18中某些或所有部件均优选包括可选具有加强物的上述纤维加强型聚合物(FRP)热塑性复合材料。举例而言，图10为根据实施方式的复合材料片簧200的示意图，其包括形成锥形形貌的叠置连续层体210。需要注意的是，虽然图10实施方式示为不具有环形吊耳，但是其也可以包括此类部件。该情况同样适用于本文公开的未特别示为具有环形吊耳部件的其他实施方式。此外，还需注意的是，本文所公开的各种实施方式中的层体或叠体也可由包括本文公开的所述FRP热塑性材料的复合材料板代替，而且还可设有机械式紧固件，以例如将第一级叶片固定至第二级叶片等。
图11为根据实施方式的复合材料片簧220的示意图。该图所示为将连续层体，如图10所示层体210加热固结后得到的锥形弹簧结构。
图12为根据实施方式的复合材料片簧230的示意图，该片簧包括绕折的连续层体240。需要注意的是，此实施方式可用作包括上述FRP热塑性材料的预型件，该预型件其后被加热固结至所需的最终形式。
图13为根据实施方式的复合材料片簧250的示意图，该片簧包括绕折连续层体240、附接吊耳118以及嵌件260。如同本文公开的其他各种实施方式，图示复合材料片簧的所有或某些部件可包括上述FRP热塑性材料。根据实施方式，此处图示的曲形嵌件260也可具有平坦等其他所需形状，且可由钢等金属制成。图13结构也可用作预型件，该预型件其后被加热固结，以形成例如图14所示结构270。
图14为根据实施方式的复合材料片簧270的示意图。该片簧包括加热固结的连续层体、附接吊耳118以及嵌件260，而且图示为由所述层体加热固结所得到的弯曲结构。需要注意的是，根据实施方式，为了例如减少所述结构的材料使用量，图示嵌件260也可为开放隔孔。
图15为根据实施方式的复合材料片簧280的示意图。该图所示为将绕折层体加热固结后得到的锥形弹簧结构。需要注意的是，此实施方式以及本文所公开的其他实施方式均可用作多级叶片结构的第二级及第三级。
图16为根据实施方式的多叶片弹簧290的立体示意图，该弹簧包括平坦的纤维加强型复合材料第二级300。需要注意的是，虽然此处所述第一级叶片结构图示为具有三个板体310，然而根据需要，还可使用更多或更少的板体。
图17为根据实施方式的多叶片弹簧320的立体示意图，该弹簧包括曲形的纤维加强型复合材料第二级。需要注意的是，虽然此处所述第一级叶片结构图示为具有三个板体310，然而根据需要，还可使用更多或更少的板体。
图18为根据实施方式的复合材料片簧330的立体示意图。该片簧包括混合型叶片，该混合型叶片例如包括将本文所公开纤维加强型热塑性复合材料作为包覆层350的金属主叶片340。
发明人已进一步确定如何在各种结构中通过有效使用本文所公开的所述纤维加强型聚合物(FRP)热塑性材料控制所述结构在负载条件下的形状(例如曲率)。举例而言，可采用径向形式实现渐升斜率，还可在所述结构的两端使用相对力偶以及其他连接件以实现所需的弯曲形状。此外，还可使用其他机械等将所述结构制成为具有恒定应力的结构。以进一步说明目的而言，图19A和图19B所示为根据实施方式的复合材料片簧360。该片簧包括本文所公开的纤维加强型聚合物(FRP)热塑性材料，并尤其示为弯曲悬臂形式。需要注意的是，所述弯曲形式既可控制应力水平，又可实现渐进斜率。
图20通过图20A和图20B示出了一种根据实施方式的浮动悬臂结构370。其中，所述悬臂通过设于其一端处的力偶加载。此外，还可通过使用包括纯弯加载的其他连接件在其钩环连接端设置相对力偶。
图21所示为一种多连锁复合材料叶片组件380，其中，所述连锁机构用于几何形状控制。在本实施方式中，悬臂弹簧385直接由所述连锁机构制动。
类似地，图22所示为另一种多连锁复合材料叶片组件390，其中，所述连锁机构用于几何形状控制。特别地，悬臂弹簧385由钩环组件制动，以实现渐进斜率调节。
图23所示为同样使用连锁机构实现几何形状控制的另一种多连锁复合材料叶片组件400。在本实施方式中，悬臂弹簧385为由所述连锁机构制动的静止曲形结构。
图24所示为根据实施方式的纤维加强型聚合物(FRP)热塑性复合材料叶片410，该叶片为由钩环连接的完全横向结构。
图25通过图25A和图25B示出了一种根据实施方式的复合材料叶片组件420，其中，该组件的上臂430用作悬臂弹簧。
图26所示为根据实施方式的乘用车后悬架子组件结构440，该结构包括所述纤维加强型聚合物(FRP)热塑性复合材料片簧/组件。图27所示为根据实施方式的后悬架子组件结构450，该结构也包括所述纤维加强型聚合物(FRP)热塑性复合材料片簧/组件，而且可用于直接替代现有底架。在图27所示实施方式中，左侧示为直接作用侧，而右侧示为钩环连接结构。
图28所示为所述纤维加强型聚合物(FRP)热塑性复合材料片簧460的另一实施方式，该片簧为每一端均具有环形吊耳118的曲形片簧，而且包括带有具有应力分布的FRP次叶片480的金属(如钢)主叶片470。此类结构可例如为轻型卡车底架提供更轻量的结构并可直接栓接于所述底架上。
根据实施方式，在轻型卡车应用中实现栓接的一种可替代方案可包括将所述复合材料叶片/组件直接焊接或制造于车架上，以容纳悬架设计。
在制造方法方面，需要注意的是，根据各实施方式的所述复合材料片簧及组件等可通过将包括所述加强纤维的上述纤维加强型聚合物(FRP)热塑性材料与其他合适材料在加热和/或加压条件下结合的方式制造。其中，所述结合通常在可使形成的组件具有其最终形状的模具或其他装置中进行。所述加热固化的温度通常例如为约400°F～约600°F，包括约450°F～约550°F，压力通常例如为约25psi～约100psi，包括约50psi。需要注意的是，根据实施方式，在所述结构的制造中所使用的各压力远远小于制造热固性聚合物制品所需要的压力。相对而言，使用例如环氧树脂材料等此类热固性材料制造制品时需要约300psi的压力。因此，作为本文所公开各实施方式的优点，其可降低制造时所使用的压力，从而改善整体制造过程的成本及效率。
此外，本文所公开各实施方式的另一优点在于，例如在所述加热固化过程中，可借助所述聚合物热塑性材料流动时产生的液压作用，实现所述纤维加强型聚合物(FRP)热塑性复合材料片簧/组件中纤维的定向。此类定向可例如在所述纤维拉伸时实现更高的强度，相应地，其也可以实现更高的压缩强度。还需注意的是，由于所述热塑性材料的流动及其所产生的液压作用，所述纤维可保持这种定向。发明人已确定，热固性材料等其他聚合物材料不具有此优点。
最终强度、刚性和其他所需特性取决于所使用的热塑性材料，所述加强物的类型、尺寸及取向，以及所使用的其他材料。此外，成品的强度和刚性还取决于所述复合材料片簧的整体三维形状，包括长度、宽度、厚度以及截面积。
在某些实施方式中，可通过堆积预浸渍(预浸)加强材料层的方式形成所述复合材料片簧的形状。所述层的堆积体通常可插入成型工具或模具中，然后可在其中加热和/或加压以固结所述材料。
此外，也可通过下述方法形成所述片簧的形状：在合适材料制成的一个或一系列预成形芯体上，或在一系列可移除芯体或销杆上缠绕预浸渍加强材料，从而形成与所述弹簧宽度和长度相关的所需截面轮廓。此实施方式易于形成吊耳，从而允许在车辆内使用现有安装系统。该吊耳裹覆于连续缠绕的加强材料内。此类实施方式示于图4，其中，吊耳118可内嵌于复合材料片簧内。此预缠绕组件随后可插入工具或模具中，并在需要时向此预缠绕组件加热和/或加压。
此外，在上述缠绕过程中，还可同时对预浸渍材料的接触点或其临近处实施连续局部加热，所述接触点位于每一连续预浸渍材料层与前一预缠绕材料层相接触之处。此实施方式可形成预缠绕材料的预成形“坯料”，用于防止在后续成型和/或进一步固结中发生材料的解离散开。
实施例
为了展示根据本发明实施方式的所述纤维加强型聚合物(FRP)热塑性复合材料片簧/组件的各种物理特性，对其进行测试。所述测试的条件和结果详述于下。需要注意的是，所述测试的目的在于通过静载荷法测定样本的拉伸蠕变性能。根据实施方式，所述样本包括由重量百分比为70％的连续纤维加强型的聚丙烯基质。所采用的测试方法包括在规定环境条件下测定塑料的拉伸或压缩蠕变及蠕变断裂性能。虽然所述测试方法描述为通过三点加载法测定挠曲蠕变，但是还可采用“测试方法D 790”中所述的设备及原理实施四点加载法(此法使用频率较低)。蠕变断裂性能测试中，优选应力模式为拉伸。这是因为，某些可延展塑料在挠曲或压缩条件下不发生断裂。此处所述蠕变试验于实验室大气及室温环境下共进行24小时。
图29为根据实施方式的汇总测试数据(蠕变应变)相对于时间的图，下表1A为蠕变结果汇总表。此外，以下还描述了这些疲劳试验结果的其他细节。
表1 A–ASTM D 2990蠕变
应力(psi) 61097
负载(磅) 2751
初始时间(秒) 88
初始应变 0.013034
24小时应变 0.020454
24小时蠕变(ε) 0.007420
相应地，还对纤维加强型热塑性复合材料的机械特性进行了测试评价。根据实施方式，样本包括由重量百分比为70％的连续玻璃纤维加强的聚丙烯基质。需要注意的是，以下所参考的图30-34中包括由重量百分比为60％的玻璃纤维加强的聚丙烯的数据。
所述测试的步骤依照美国测试和材料协会(ASTM)标准试验方法进行。具体而言，所述ASTM试验方法包括：ASTM D 3039纤维树脂复合材料抗拉特性标准试验方法；ASTM D695硬质塑料抗压特性标准试验方法；ASTM D5739用V型切口梁法测定复合材料剪切特性的标准试验方法；ASTM D 2344聚合物基质复合材料及其层压制件的短梁强度的标准试验方法；ASTM E 228航天系列–金属材料–测试方法：用透明石英膨胀仪测定固体材料线性热膨胀的标准试验方法；ASTM D 2990塑料的拉伸、压缩、弯曲蠕变及蠕变断裂的标准试验方法；以及ASTM D 3479聚合物基质复合材料的拉伸–拉伸疲劳性能标准试验方法。一般而言，上述测试的目的在于例如使用具有一个固定件以及一个可移动件的测试机械测定样本在纤维向、横向或剪切条件下的强度、模量、泊松比、热膨胀系数、蠕变及疲劳寿命。
用于实施这些ASTM标准试验方法的测试装置如《ASTM标准E 4：测试机械的实验室验证规程》所述。所有测试均在实验室大气环境下进行。用于实施这些测试的样本均加工至具有各说明书中所述标称尺寸。使用与样本相同的材料制成标签，并使用FM-73粘合剂将标签粘合至样本上。使用具有数字控制器和数据采集功能的MTS 100kN伺服液压试验机将负载施加至样本上。此外，还使用具有非致伤性表面(包夹压力为2000Psi以下时)楔形夹模的液压夹具。使用应变指示器(计)以及伸长计测定应变，同时使用上述MTS负载机测定相应负载。所述伸长计可在样本破坏前持续提供应力信息。
这些标准可用于在可控实验室条件下测量及描述材料、产品或组件对机械及热负荷的响应。所述测试的结果可作为负载能力评估或负载承受性评估的要素，该评估囊括了对负载用于特定最终用途时的能力和承受性进行评估时所需的所有因素。
表1 所示为所有样本的测试矩阵。
表1–测试矩阵
数量 测试 ASTM名称
5 纤维向拉伸强度及模量 D-3039
5 横向拉伸强度及模量 D-3039
5 纤维向压缩强度及模量 D-695
5 横向压缩强度及模量 D-695
5 面内剪切强度及模量(IOSEPESCU) D-5379
3 纤维向及横向热膨胀系数 E-228
3 横向热膨胀系数 E-228
2 室温环境下蠕变(24小时) D-2990
1 拉伸–拉伸疲劳性能 D-3479
表2 所示为特性测试均值结果汇总及各测试所适用的ASTM标准方法。
表2
测试 ASTM 特性均值
纤维向拉伸强度 D-3039 40572Psi
纤维向拉伸模量 D-3039 3637626Psi
横向拉伸强度 D-3039 551Psi
横向拉伸模量 D-3039 508371Psi
泊松比 D-3039 0.14
纤维向压缩强度 D-695 32409Psi
纤维向压缩模量 D-695 3685869Psi
横向压缩强度 D-695 6156Psi
横向压缩模量 D-695 135638Psi
面内剪切强度(IOSEPESCU) D-5379 3580Psi
面内剪切模量(IOSEPESCU) D-5379 147463Psi
层间剪切强度(短梁剪切法) D-2344 3743Psi
纤维向热膨胀系数 E-228Ref. 5.4με/F
横向热膨胀系数 E-228Ref. 35.9με/F
室温环境下蠕变 D-2990 24.3με
拉伸–拉伸疲劳性能 D-3479 11750次
实施例1–ASTM D 3039：纤维树脂复合材料抗拉特性
以下所示为由定向连续或非连续高模量(>20Gpa，即大于3×106Psi)纤维加强的树脂基质复合材料抗拉特性的试验测定结果。所述测试依照ASTM D3039标准测试方法实施，并使用具有一个固定件以及一个可移动件的测试机械测定样本的拉伸强度及拉伸弹性模量。拉伸强度的计算采用以下公式：S＝P/bd，其中，S为极限拉伸强度(MPa或psi)，P为最大负载(牛或磅)，b为宽度(毫米或英寸)，d为厚度(毫米或英寸)。弹性模量的计算采用以下公式：E＝(ΔP/Δl)(l/bd)，其中，E为弹性模量(MPa或psi)，ΔP/Δl为负载变形曲线中线性部分的斜率，l为测量器具的标距长度(毫米或英寸)，b为宽度(毫米或英寸)，d为厚度(毫米或英寸)。
图30和图31所示分别为纤维向强度及模量的ASTM D 3039测试数据汇总结果。
下表3所示为样本的其他测试结果。
表3
样本 强度(psi) 最大应力 模量(Psi)
1 48708 0.01359 3634968
2 37053 0.01105 3471866
3 33756 0.00921 3790564
4 46405 0.01342 3818362
5 36938 0.01092 3472370
均值 40572 0.01164 3637626
标准差 6562 0.00185 166469
图32和图32所示分别为使用ASTM D 3039测试标准所得的横向拉伸强度及横向拉伸模量结果。下表4所示为其他样本的测试结果。
Table 4
样本 强度(psi) 最大应力 模量(Psi)
6 596 0.00106 530723
7 362 0.00060 516071
8 963 0.00158 551641
9 523 0.00152 478909
10 313 0.00036 464512
均值 551 0.00103 508371
标准差 257 0.00054 36135
根据ASTM标准试验方法D 3039：纤维树脂复合材料抗拉特性，本发明实施方式中的纤维加强型单向热塑性复合材料的平均纤维向拉伸强度及拉伸弹性模量分别测定为40572Psi及3637626Psi，且平均横向拉伸强度及拉伸弹性模量分别测定为551Psi及508371Psi。根据实施方式，所述复合材料的泊松比测定为0.14。
实施例2–ASTM D 695：硬质塑料抗压特性标准试验方法
以下所示为由定向连续或非连续高模量纤维加强的树脂基质复合材料抗压特性的试验测定结果。
使用具有一个固定件以及一个可移动件的测试机械测定样本的压缩强度及压缩弹性模量。所述试验方法涉及在应变率和负载率均一性较低条件下对未加强和加强硬质塑料(包括高模量复合材料)机械特性的测定。测试中采用条形样本。对于由定向连续、非连续或层间加强物加强的树脂基质复合材料的压缩特性，还可根据ASTM D 3410进行测试。
图34和图35所示分别为使用ASTM D 695所得的纤维向压缩强度及纤维向压缩模量结果。下表5所示为其他样本测试结果。
表5
样本 模量(Psi) 强度(Psi)
1和“Test” 3574469 395586
2和a 3468934 29288
3和b 3731030 32049
4和c 3787475 30986
5和d 3867438 30134
均值 3685869 32409
标准差 161865 4141
图36和图37所示分别为使用ASTM D 695测试标准所得的横向压缩强度及模量结果。下表6所示为其他样本的测试结果。
表6
样本 模量(Psi) 强度(Psi)
6和e 110161 6199
7和f 129991 6181
8和g 113723 6027
9和h 155372 6322
10和i 168941 6050
均值 135638 6156
标准差 257786 120
根据ASTM标准试验方法D 695，本发明实施方式中的纤维加强型单向热塑性复合材料的平均纤维向压缩强度及压缩模量分别测定为32409Psi及3685869Psi。纤维加强型单向热塑性复合材料的平均横向压缩强度及压缩模量分别测定为6156Psi及1356638Psi。
实施例3–ASTM D 5379：用V型切口梁法测定复合材料剪切特性的试验方法
以下所示为使用V型切口梁法测定由定向连续或非连续高模量纤维加强的树脂基质复合材料的剪切特性的试验结果。
使用具有一个固定件以及一个可移动件的测试机械测定样本的剪切强度及剪切模量。所述试验方法包括对由高模量纤维加强的复合材料的剪切特性的测定。所述复合材料为下述各形式的连续纤维或非连续纤维加强型复合材料：1)只由纤维方向平行或垂直于加载轴的单向纤维层压制件构成的层压制件；2)只由经纱方向平行或垂直于加载轴的纺织品丝层压制件构成的层压制件；3)只由包含平衡对称叠置的相同数量的0向和90向层的单向纤维层压制件构成的层压制件，其中，所述0向平行或垂直于加载轴；4)短纤维加强型复合材料，其中，大部分所述纤维随机分布。此剪切试验的最初概念未参考用于金属和陶瓷等各向同性材料的纤维方向。
图38和图39所示分别为使用ASTM D 5379所得的面内剪切强度及面内剪切模量结果。下表7所示为其他样本测试结果。
表7
样本 强度(Psi) 模量(Psi)
1 3594 152596
2 3502 154784
3 3635 152208
4 3588 138318
5 N/A 139407
均值 3580 147463
标准差 56 7922
根据ASTM标准试验方法D-5379，本发明实施方式中的纤维加强型单向热塑性复合材料的平均剪切强度及平均剪切模量分别测定为3580Psi及147463Psi。
实施例4–ASTM D 2344：聚合物基质复合材料及其层压制件的短梁强度的标准试 验方法
以下所示为使用短梁剪切方法测定由定向连续或非连续高模量纤维加强的树脂基质复合材料的表观层间剪切特性的试验结果。
使用具有一个固定件以及一个可移动件的测试机械测定样本的表观层间剪切强度。所述试验方法测定高模量纤维加强型复合材料的短梁强度。所述样本为将弯曲或平坦层压制件加工至6.00mm(0.25英寸)厚度后所得短梁，该短梁以三点弯曲方式加载。此试验方法的应用对象为弹性特性相对于上述梁的纵向轴线平衡对称的连续或非连续纤维加强型聚合物基质复合材料。图40所示为上述层间剪切强度测试结果，而下表8所示为其他样本测试结果。
表8
样本 宽度(英寸) 厚度(英寸) 最大负载(磅) 剪切强度(psi)
1 0.24065 0.11035 145 4095
2 0.24165 0.11135 132 3679
3 0.24145 0.11145 130 3623
4 0.24110 0.11075 140 3932
5 0.24135 0.11105 139 3890
6 0.24280 0.11130 130 3608
7 0.24220 0.11095 138 3852
8 0.24185 0.11160 126 3501
9 0.24130 0.11125 137 3828
10 0.24165 0.11140 123 3427
均值 0.24160 0.11115 134 3743
标准差 0.00060 0.00038 7 210
根据ASTM标准试验方法D 2344，本发明实施方式中的纤维加强型单向热塑性复合材料的平均表观层间剪切强度测定为3743Psi。
实施例5–ASTM E 228：航天系列–金属材料：用透明石英膨胀仪测定固体材料线性 热膨胀
以下所示为由定向连续或非连续高模量纤维加强的树脂基质复合材料的线性热膨胀测定试验结果。此试验依据Vishay公司微测量技术文档TN-513-1(如上所述，同时参考ASTM E 228标准方法E 228)实施。
使用带数字控制器的烘箱以及非膨胀性陶瓷对比样品实施样本的线性热膨胀测定。表9和表10所示分别为纵向热膨胀系数及横向热膨胀系数的测试结果数据。
表9
样本 71.0F时με 130.0F时με 热膨胀系数(με/F)
对比 0 -393 0
1 0 -86 5.2
2 0 -67 5.5
3 0 -72 5.4
均值 5.4
表10
样本 71.0F时με 130.0F时με 热膨胀系数(με/F)
对比 0 -393 0
1 0 1677 35.1
2 0 1775 36.7
3 0 1723 35.9
均值 35.9
根据上述测试，实施方式中的纤维加强型单向热塑性复合材料的平均纤维向及横向线性热膨胀系数分别测定为5.4με/F及35.9με/F。
实施例6–ASTM D 2990：塑料的拉伸、压缩、弯曲蠕变及蠕变断裂的标准试验方法
以下所示为根据ASTM D 2990的拉伸蠕变特性测定试验结果。
使用静载荷法测定样本的拉伸蠕变性能，包括在规定环境条件下测定材料的拉伸或压缩蠕变及蠕变断裂性能。虽然所述测试方法描述为通过三点加载法测定挠曲蠕变，但是还可采用“测试方法D 790”中所述的设备及原理实施四点加载法。蠕变断裂性能测试中，优选应力模式为拉伸。这是因为，某些可延展塑料在挠曲或压缩条件下不发生断裂。此处所述蠕变试验于实验室大气及室温环境下共进行24小时。
图41和图42所示分别为样本1和样本2相对于时间的蠕变应变测试结果。下表11所示为这些样本的其他测试结果数据。
表11(ASTM D 2990蠕变)
根据ASTM标准试验方法D 2990，本发明实施方式中的纤维加强型单向热塑性复合材料的平均24小时内室温拉伸蠕变应变测定为24.3με。
实施例7–ASTM D 3479：聚合物基质复合材料的拉伸–拉伸疲劳性能标准试验方法
以下所示为聚合物基质复合材料的拉伸–拉伸疲劳性能测定试验结果。所述试验根据ASTM D 3479实施，并使用具有一个固定件以及一个可移动件的测试机械。此试验方法用于测定聚合物基质复合材料在循环拉伸负载条件下的疲劳特性。被测复合材料为弹性特性相对于测试方向具有特殊正交各向异性的连续纤维或非连续纤维加强型复合材料。所述试验方法使用等幅单轴面内负载测试未开槽被试样本，其中，所述负载定义为测试控制参数。此外，上述试验方法包括两个步骤，每个步骤均定义不同的测试控制参数。步骤1：使用将负载(应力)作为所述测试控制参数的系统，而且控制所述机械，使得被测样本经受重复等幅负载循环。在此步骤中，可使用工程应力或被施加负载将所述测试控制参数描述为等幅疲劳变量。步骤2：使用将加载方向上的应变作为所述测试控制参数的系统，而且控制所述机械，使得被测样本经受重复等幅应变循环。在此步骤中，可使用加载方向上的工程应变将所述测试控制参数描述为等幅疲劳变量。
图43为表示上述测试结果的应力应变图。下表12和下表13所示为其他测试结果和参数。
表12
负载峰值(磅) 1758
负载谷值(磅) 176
失效前循环次数 11750
表13
循环次数 模量(Psi)
0 3977405
505 4037072
1010 4030765
2018 4024557
3036 4014639
4003 4004418
5010 3968809
6019 3908714
7027 3776901
8004 N/A
9012 N/A
10019 N/A
就以上测试而言，各实施方式中的所述纤维加强型热塑性复合材料在将负载向高强度纤维上转移方面表现良好，而且由于所加负载为破坏应力的80％，其纵向上几乎未发生任何蠕变(小于30微应变)。此外，在上述24小时内的末段时间，应变几乎趋于恒定。因此可推测，即使负载施加时间超过24小时，也不会发生进一步蠕变。热膨胀系数测试结果显示，三个被测样本的纵向和横向热膨胀系数均具有高可重复性。在疲劳特性方面，所述材料同样在将负载转移至纤维上的方面具有很高的能力。此外，在破坏发生前的所有疲劳特性测试循环中，样本的模量损失极小，而且样本在破坏前所能承受的循环次数约为12000次。针对各实施方式中的所述纤维加强型热塑性复合材料所实施的纵向和横向强度及模量测试以及蠕变和疲劳特性测试一致说明其可实现将大部分负荷转移至高强度连续纤维上。因此，当假设层压制件的质量与被测样本一致时，可根据这些测试的结果，通过使用简单的模型(Tsai-Hill、Tsai-Wu、混合规则等)预测出此材料的强度和模量与纤维体积占比之间的函数关系。
其他测试/实施例
还需注意的是，在上述之外，还对本发明实施方式进行了其他成功测试。例如，对根据实施方式的纤维加强型尼龙坯料(三个样品)进行测试的结果显示，在85％挠曲强度下完成150多万次循环后，其平均负载为3％，期间未发生样本破坏。
虽然以上通过具体实施方式对本发明进行了描述，本领域技术人员可理解的是，在不脱离本发明范围的情况下还可以对其作出多种变化以及使用同等物代替其各种要素，而且所述实施方式可相互间以任何方式组合。此外，在不脱离本发明基本范畴的情况下，还可根据本发明的启示针对特定情形或材料作出改进。因此，本发明的权利保护范围并不局限于以上具体实施方式部分所揭示的各具体实施例，而是包含落入所附权利要求书范围的所有实施方式。

Claims (13)

1.一种复合材料片簧，其特征在于，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且所述复合材料片簧通过加热固化加强，其中，所述热塑性基质包括由玻璃纤维加强的聚丙烯基质，所述复合材料片簧设为在所述纤维的拉伸下根据ASTM标准试验方法D 695实现至少32000psi的纤维向抗压强度，且所述复合材料片簧包括一曲形部分。
2.如权利要求1所述的复合材料片簧，其特征在于，所述复合材料片簧包括：
长形第一级叶片元件，具有压缩面、相对拉伸面以及至少一个用于将该第一级叶片附接至车架上的附接部分，其中，所述长形第一级叶片元件包括由定向内嵌于所述基质内的所述纤维加强的所述热塑性基质材料。
3.一种包括权利要求2所述的复合材料片簧的组件，其特征在于，所述车架为机动车辆车架。
4.如权利要求2所述的复合材料片簧，其特征在于，所述长形第一级叶片元件为曲形元件。
5.如权利要求4所述的复合材料片簧，其特征在于，还包括嵌件。
6.如权利要求2所述的复合材料片簧，其特征在于，所述长形第一级叶片元件包括形成锥形形貌的叠置连续层体。
7.如权利要求2所述的复合材料片簧，其特征在于，所述长形第一级叶片元件包括绕折连续层体。
8.如权利要求7所述的复合材料片簧，其特征在于，还包括曲形嵌件。
9.如权利要求1所述的复合材料片簧，其特征在于，包括弯曲长形第一级叶片元件，所述弯曲长形第一级叶片元件包含金属且包覆包括由定向内嵌于所述基质内的所述纤维加强的所述热塑性基质材料的所述第一级叶片元件。
10.如权利要求1所述的复合材料片簧，其特征在于，所述片簧为悬臂弹簧。
11.如权利要求1所述的复合材料片簧，其特征在于，所述复合材料片簧设为根据ASTMD 2990蠕变测试实现至少2750磅的负载以及至少61000psi的应力。
12.如权利要求1所述的复合材料片簧，其特征在于，所述复合材料片簧设为根据ASTM标准试验方法D-5379实现至少3500psi的剪切强度。
13.如权利要求1所述的复合材料片簧，其特征在于，所述复合材料片簧设为根据ASTM标准试验方法D 2344实现至少3700psi的层间剪切强度。
CN201480023233.1A 2013-03-15 2014-03-17 高强度轻量复合材料片簧及其制造方法 Active CN105358860B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361788800P 2013-03-15 2013-03-15
US61/788,800 2013-03-15
PCT/US2014/030377 WO2014145585A1 (en) 2013-03-15 2014-03-17 High strength, light weight composite leaf spring and method of making

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105358860A CN105358860A (zh) 2016-02-24
CN105358860B true CN105358860B (zh) 2017-05-10

Family

ID=51538032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480023233.1A Active CN105358860B (zh) 2013-03-15 2014-03-17 高强度轻量复合材料片簧及其制造方法

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9597938B2 (zh)
EP (1) EP2971843A4 (zh)
JP (1) JP2016520769A (zh)
KR (1) KR101750298B1 (zh)
CN (1) CN105358860B (zh)
CA (1) CA2905512C (zh)
MX (1) MX2015012227A (zh)
WO (1) WO2014145585A1 (zh)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9290212B2 (en) * 2013-05-24 2016-03-22 Ford Global Technologies, Llc Carbon fiber prepreg-wrapped beam structures
DE102014202581A1 (de) * 2014-02-12 2015-08-13 Muhr Und Bender Kg Blattfeder und Blattfederanordnung
DE102014103014A1 (de) * 2014-03-06 2015-09-10 Tobias KELLER Feder-Lenker-Einrichtung
DE102015212744A1 (de) 2015-07-08 2017-01-12 Ford Global Technologies, Llc Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug
DE202015103764U1 (de) 2015-07-08 2015-07-31 Ford Global Technologies, Llc Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug
DE102015212743B4 (de) 2015-07-08 2023-06-29 Ford Global Technologies, Llc Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug
CN105890883B (zh) * 2016-04-07 2018-01-26 周长城 非端部接触式少片斜线型主副簧各片强度的校核方法
DE102016215938B4 (de) * 2016-08-25 2019-11-28 Zf Friedrichshafen Ag Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder, sowie Blattfeder und Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug
JP7245587B2 (ja) * 2017-06-29 2023-03-24 三和テッキ株式会社 電車線路における吊架線の振動吸収支持部材及びこれを用いた支持構造
DE102017217598B4 (de) * 2017-10-04 2021-05-27 Ford Global Technologies, Llc Federbaugruppe
DE102017218553B4 (de) * 2017-10-18 2019-07-11 Ford Global Technologies, Llc Herstellungsverfahren für Blattfedern aus faserverstärktem Kunststoff mit integrierten Augenbuchsen und Blattfeder aus faserverstärktem Kunststoff
KR102478128B1 (ko) * 2017-12-06 2022-12-15 현대자동차주식회사 비선형성 복합재 스프링 서스펜션 구조
US11617670B2 (en) 2018-01-10 2023-04-04 Grd Innovations, Llc Variable radius spring assembly
AT520864B1 (de) * 2018-02-14 2023-04-15 Hendrickson Comm Vehicle Sys Europe Gmbh Feder zur Verwendung im Zusammenhang mit einem Fahrzeug
DE102018202353B4 (de) 2018-02-15 2021-07-29 Volkswagen Aktiengesellschaft Vorprodukt mit einem lasttragenden Bauteil sowie Verfahren zur Anpassung besagten lasttragenden Bauteils an eine Lastanforderung
DE102018205215B4 (de) * 2018-04-06 2021-06-17 Zf Friedrichshafen Ag Blattfedereinrichtung für ein Fahrzeug, Fahrwerk mit einer solchen Blattfedereinrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Blattfedereinrichtung und/oder eines solchen Fahrwerks
DE102018205218A1 (de) * 2018-04-06 2019-10-10 Zf Friedrichshafen Ag Blattfedereinrichtung für ein Fahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer solchen Blattfedereinrichtung
DE102018206955B4 (de) 2018-05-04 2021-10-28 Ford Global Technologies, Llc Blattfedereinheit
KR102518176B1 (ko) 2018-06-21 2023-04-06 현대자동차주식회사 다판 복합재스프링 서스펜션
US11933381B2 (en) 2018-10-17 2024-03-19 Automotive Insight, Llc Composite leaf spring and method of manufacture
CA3072509A1 (en) 2019-02-13 2020-08-13 Arctic Cat Inc. Rear suspension system for a snowmobile
WO2021127067A1 (en) 2019-12-20 2021-06-24 The Research Foundation For The State University Of New York System and method for characterizing the equibiaxial compressive strength of 2d woven composites
IT202100008027A1 (it) * 2021-03-31 2022-10-01 One Less Van S R L Elemento di ammortizzazione perfezionato per un veicolo
CN113478868B (zh) * 2021-05-25 2023-05-05 贵州石鑫玄武岩科技有限公司 一种层切式复合材料板簧生产装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3900357A (en) * 1970-05-04 1975-08-19 Edgewater Corp Composite material springs and manufacture
US4411159A (en) * 1980-07-12 1983-10-25 Rubery Owen Group Services Limited A fibre reinforced resin composite leaf spring for determining the magnitude of a load
US4468014A (en) * 1980-09-15 1984-08-28 Paccar, Inc. Composite leaf spring
US5667206A (en) * 1991-06-10 1997-09-16 General Motors Corporation Hybrid composite leaf springs
US6012709A (en) * 1997-08-06 2000-01-11 Pacific Coast Composites Hybrid leaf spring and suspension system for supporting an axle on a vehicle
CN1820932A (zh) * 2006-03-24 2006-08-23 徐献忠 玻璃钢复合材料板弹簧的制造方法

Family Cites Families (51)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1902036A (en) 1932-02-08 1933-03-21 Eric G Lindhe Spring
GB513682A (en) 1937-03-17 1939-10-19 Junius Ford Cook Improvements in and relating to vehicle spring suspensions
DE1139703B (de) 1959-10-15 1962-11-15 Boelkow Entwicklungen Kg Stabfoermiges Federelement aus glasfaserverstaerktem Kunststoff
US3204944A (en) 1963-03-26 1965-09-07 Rockwell Standard Co Tapered springs and methods of manufacturing same
US3437550A (en) 1966-01-07 1969-04-08 Hercules Inc Glass fiber reinforced crystalline polypropylene composition and laminate
FR2266058B1 (zh) 1974-03-27 1977-07-08 Nord Ressorts
JPS57163742A (en) 1981-03-31 1982-10-08 Hino Motors Ltd Leaf spring made of fiber reinforced resin
DE3119856C2 (de) 1981-05-19 1986-08-28 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8000 München Biegefeder aus Faserverbundwerkstoff
US4688778A (en) * 1982-10-01 1987-08-25 Isosport Verbundbauteile Ges.M.B.H. Plastic leaf spring
US4767134A (en) 1983-08-22 1988-08-30 Booher Benjamin V Vehicle suspension system with multiple overlapping composite control arm elements
US4861067A (en) 1983-08-22 1989-08-29 Suspension Group, Ltd. Active vehicle suspension with composite control arm
US4509774A (en) 1983-08-22 1985-04-09 Booher Benjamin V Composite control arm apparatus
US4753456A (en) 1983-08-22 1988-06-28 Booher Benjamin V Vehicle suspension system with flexible control arm
US4893832A (en) 1983-08-22 1990-01-16 Suspension Group, Ltd. Dihedral composite vehicle suspension
US4772044A (en) 1983-08-22 1988-09-20 Booher Benjamin V Vehicle suspension system with flexible control arm
EP0134617B1 (en) 1983-09-08 1988-01-20 Shell Internationale Researchmaatschappij B.V. Fibre-reinforced automotive spring
ATE36048T1 (de) * 1984-03-02 1988-08-15 Isosport Verbundbauteile Verfahren zum herstellen einer blattfeder aus faserverstaerktem kunststoff.
JPH0318755Y2 (zh) * 1984-09-21 1991-04-19
US4613152A (en) 1985-05-01 1986-09-23 Booher Benjamin V Composite transverse beam and spring system for an automobile
DE3527917A1 (de) * 1985-08-03 1987-02-12 Boehler Ag Federblatt und verfahren zur herstellung desselben
JPH0745889B2 (ja) * 1986-11-10 1995-05-17 日本発条株式会社 Ｆｒｐテ−パ板ばね
JPH0198716A (ja) 1987-10-07 1989-04-17 Mazda Motor Corp 強化プラスチック製リーフスプリング
US4889361A (en) 1988-09-26 1989-12-26 Suspension Group, Ltd. Composite tractor/trailer beam spring suspension system
US4988080A (en) 1989-08-25 1991-01-29 A. O. Smith Corporation Variable rate leaf spring construction
JPH03172634A (ja) * 1989-12-01 1991-07-26 Nhk Spring Co Ltd 懸架装置用ｆｒｐ部材とその製造方法
JPH03234937A (ja) * 1990-02-13 1991-10-18 Bridgestone Corp 樹脂スプリング
US5251886A (en) 1992-05-14 1993-10-12 Bursel Joseph S Semi-elliptical spring suspension with automatic spring rate varying capacity
JPH08216961A (ja) 1995-02-03 1996-08-27 Oehlins Racing Ab 自動二輪車の後輪懸架装置
BE1010823A3 (nl) 1996-12-24 1999-02-02 Dsm Nv Constructieveer van met vezels versterkte kunststof.
FR2782687B1 (fr) 1998-09-02 2003-01-10 Alstom Technology Bogie a longerons composites
US6189904B1 (en) 1998-10-16 2001-02-20 General Motors Corporation Vehicle wheel suspension with transverse leaf spring and mounts providing a high roll ratio
US6660114B2 (en) 2000-01-24 2003-12-09 Pacific Coast Composites Method for producing a hybrid leaf spring
US6461455B1 (en) 2000-01-24 2002-10-08 Pacific Coast Composites Method of producing a hybrid leaf spring
US20020153648A1 (en) 2000-06-30 2002-10-24 Lawson Robert C. Manufacturing method for composite transverse leaf spring
US6811169B2 (en) 2001-04-23 2004-11-02 Daimlerchrysler Corporation Composite spring design that also performs the lower control arm function for a conventional or active suspension system
US6616159B2 (en) 2001-05-22 2003-09-09 Visteon Global Technologies, Inc. Integrated rear wheel suspension system
US20030030241A1 (en) 2001-08-13 2003-02-13 Lawson Robert Christian Intergrated cross-car suspension system with damper strut
US6679487B2 (en) * 2002-03-19 2004-01-20 Pacific Coast Composites Hybrid leaf spring with reinforced bond lines
DE102005054376A1 (de) 2005-11-12 2007-05-24 Ifc Composite Gmbh Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff
CN102667219A (zh) 2009-10-26 2012-09-12 雷诺索尔公司 复合板簧
US20120292978A1 (en) 2010-02-07 2012-11-22 Ksm Castings Gmbh Axle module
JP2012202454A (ja) 2011-03-24 2012-10-22 Nhk Spring Co Ltd 繊維強化プラスチック製ばね
EP2522533B2 (en) 2011-05-10 2017-09-20 Volvo Car Corporation Adjustable suspension
DE102011104071A1 (de) * 2011-06-11 2012-12-13 Daimler Ag Blattfeder und Verfahren zu deren Herstellung
JP5576990B2 (ja) 2011-09-15 2014-08-20 株式会社ジーエイチクラフト 鉄道車両台車用板バネ
DE102012207487A1 (de) 2012-05-07 2013-11-07 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fahrwerks-Lenker aus faserverstärktem Kunststoffmaterial
US20140284856A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-25 Gordon Holdings, Inc. Light weight composite leaf spring and method of making
DE102013207910A1 (de) 2013-04-30 2014-10-30 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Einzelradaufhängung eines Fahrzeugs mit einer in Faserverbundwerkstoff ausgeführten Feder-Lenker-Struktur
DE102013210338A1 (de) 2013-06-04 2014-12-04 Ford Global Technologies, Llc Mehrlenkerhinterachse für ein Fahrzeug
US9421837B2 (en) 2013-10-15 2016-08-23 Ingersoll-Rand Company Vehicle suspension
DE102014101429A1 (de) 2014-02-05 2015-08-06 Benteler Automobiltechnik Gmbh Blattfederanbindung

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3900357A (en) * 1970-05-04 1975-08-19 Edgewater Corp Composite material springs and manufacture
US4411159A (en) * 1980-07-12 1983-10-25 Rubery Owen Group Services Limited A fibre reinforced resin composite leaf spring for determining the magnitude of a load
US4468014A (en) * 1980-09-15 1984-08-28 Paccar, Inc. Composite leaf spring
US5667206A (en) * 1991-06-10 1997-09-16 General Motors Corporation Hybrid composite leaf springs
US6012709A (en) * 1997-08-06 2000-01-11 Pacific Coast Composites Hybrid leaf spring and suspension system for supporting an axle on a vehicle
CN1820932A (zh) * 2006-03-24 2006-08-23 徐献忠 玻璃钢复合材料板弹簧的制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP2971843A4 (en) 2016-11-16
US9597938B2 (en) 2017-03-21
KR101750298B1 (ko) 2017-06-23
JP2016520769A (ja) 2016-07-14
EP2971843A1 (en) 2016-01-20
KR20150121248A (ko) 2015-10-28
WO2014145585A1 (en) 2014-09-18
MX2015012227A (es) 2016-05-18
CA2905512A1 (en) 2014-09-18
CA2905512C (en) 2017-08-08
CN105358860A (zh) 2016-02-24
US20140284855A1 (en) 2014-09-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105358860B (zh) 高强度轻量复合材料片簧及其制造方法
US9657799B2 (en) Suspension sub-assembly
Pehlivan et al. An experimental study on the compressive response of CFRP honeycombs with various cell configurations
Khatkar et al. Textile structural composites for automotive leaf spring application
Shankar et al. Mono composite leaf spring for light weight vehicle–design, end joint analysis and testing
CN107074052B (zh) 悬架子组件
Kueh et al. Finite element analysis on the static and fatigue characteristics of composite multi-leaf spring
NZ548594A (en) High impact strength, elastic, composite, fibre, metal laminate
US20140284856A1 (en) Light weight composite leaf spring and method of making
Subramanian et al. Joint performance of the glass fiber reinforced polypropylene leaf spring
Vaidya et al. Design and manufacture of woven reinforced glass/polypropylene composites for mass transit floor structure
CN110529535A (zh) 一种钢基复合纤维增强树脂材料汽车板簧
US6679487B2 (en) Hybrid leaf spring with reinforced bond lines
Bartkowiak et al. Fatigue behavior of hybrid continuous-discontinuous fiber-reinforced sheet molding compound composites under application-related loading conditions
Wang et al. Structural design and analysis of sliding composite mono leaf spring
CA3224917A1 (en) Brake pad unit and a method of manufacture of a brake pad unit
CN113681931A (zh) 基于预浸料成型的复合材料板簧本体的制备方法
Prachasaree et al. Performance evaluation of FRP bridge deck under shear loads
Liu et al. Stiffness Prediction and Analysis of Composite Leaf Springs
Agrawal Manufacturing & testing of composite hybrid leaf sprign for automotive applications
AMSALU DESIGN AND ANALYSIS OF COMPOSITE MONO LEAF SPRING FOR TOYOTA HIACE VEHICLE
Mhatugade et al. 1 Design, optimization and manufacturing of monocomposite carbon/epoxy leaf spring having varying cross sections
Srivastava et al. FRP Composite Battery Carriers for Commercial Vehicles
رانية عدوان صبار Design and Manufacture of Hybrid Composite Leaf Spring
Güneş Development of process techniques for composite based leaf spring systems

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20170407

Address after: ohio

Applicant after: Polyone Corp.

Address before: American Colorado

Applicant before: Goedoen Holding B. V. I. O.

TA01 Transfer of patent application right
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant