CN107606014B - 一种叶片弹簧及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶片弹簧及其制造工艺，叶片弹簧包括叶片中段、过渡段、变截面段及卷耳安装段,各段宽度相同。叶片板簧的材料为FRP复合材料，制造工艺包括纤维布编织工序、纤维布叠层工序、叠层点焊工序、预成型工序、切割工序、HP‑RTM工序、卸料和定型工序、后加工工序。本技术方案克服现有技术的板簧叶片的设计和工艺难题，提高板簧叶片的性能，量产节拍快，其市场价值巨大；可以一片单独使用，也可二片组合形成主副簧结构，满足不同载荷，改变卷耳等附件的结构可替代所有钢板弹簧结构；不会一下全部断裂，积极失效模式，充分保证车辆行驶的安全性；降低板簧悬架的重量，动刚度很小，提高车辆行驶的平顺性，也提高燃油亲和力；寿命是钢板弹簧的5倍以上，大幅减小用户板簧使用成本。

Description

一种叶片弹簧及其制造工艺

技术领域

本发明属于车辆弹簧技术领域，特别是指一种叶片弹簧及其制造工艺。

背景技术

钢板弹簧在汽车上使用比较多，有纵置或者横置两种布置形式。后者因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂、质量加大，所以只在少数轻、微型车上应用。前者的纵置形式能传递各种力和力矩，具有导向功能，并且结构简单，故在汽车上得到广泛应用。

图1为现有技术各种形式纵置钢板弹簧总成的结构形式，它们都是复数枚由钢材制成的叶片弹簧叠加而成，这些叶片弹簧都是等宽，多片簧的厚度为等厚，而少片簧的厚度多按抛物线形或线性变化，由于钢材的比强度、比弹性能低，所以纵置钢板弹簧总成的重量大、寿命短，装车后簧下质量大平顺性差、燃油效力差。

复合材料是两种以上的材料组合在一起、通过材料之间有效界面结合、性能优于弹簧钢的材料。随着科技发展，复合材料板簧逐步用于汽车悬架弹簧元件。现在汽车悬架使用的复合材料都是FRP复合材料，FRP是英文Fibre-Reinforced Plastic简写，直译是纤维增强塑料。FRP复合材料叶片弹簧主要是玻璃纤维复合材料(GFRP)，基体是树脂，多为环氧树脂，增强材料主要是玻璃纤维。

FRP复合材料的性能不仅取决于纤维和基体的材料特性，更取决于纤维与基体的微观界面结合，微观界面结合包括物理包裹结合、化学极性结合和化学键结合等，没有物理包裹结合就没有化学极性结合和化学键结合，化学键结合很少，因此微观界面结合主要是物理包裹结合、化学极性结合。而要提高物理包裹结合，就必须提高叶片弹簧模具内排泡程度，也就是在成型过程中排出模具内的气泡、小分子和水分等。同时，排泡程度高也提高FRP复合材料的紧密度。

FRP复合材料叶片弹簧的成型方法，包括连续纤维缠绕工艺、模压工艺、拉挤工艺、树脂传递模塑制造工艺(RTM)等工艺方法，但现有技术FRP复合材料叶片弹簧成型时模腔压力都很低，排泡不充分，产品内部还有细微的间隙，纤维分别不均匀，很大程度影响纤维和基体的结合，对板簧的可靠性、刚度特性、产品一致性等影响很大，使用一段时间板簧叶片脱丝，造成悬架失效。

现在国内外很多汽车厂家想用FRP复合材料叶片弹簧总成替代现有的纵置钢板弹簧，FRP复合材料叶片弹簧总成是叶片弹簧和两端卷耳等附件组成，由但是，纵置板簧两端卷耳要通过衬套固定到车身上，中部要通过U形螺栓固定在车身上，必须通过金属件的连接和固定，这些因素必然造成叶片弹簧局部应力大，在卷耳的连接处和U形螺栓外侧出现纤维断裂等现象，极大地影响叶片弹簧的寿命。

目前，大多数商用车和少数乘用车仍使用钢板弹簧，钢板弹簧市场占有率大约98％以上，只有少量横置的FRP复合材料叶片弹簧用于受力较小、无需导向的独立悬架上。如果能够克服FRP复合材料叶片弹簧的工艺和设计难题，提高产品性能，替代现有钢板弹簧，其市场价值巨大，并减少弹簧钢的冶炼和钢板弹簧的制造对环境的污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种叶片弹簧及其制造工艺，以解决现有技术叶片弹簧的局部应力大，刚度难确定等设计问题；以解决现有技术的复合材料板簧制造工艺复杂，量产难，容易脱丝及出现剥离的问题；以解决现有技术的钢板弹簧的燃油效力差，寿命低及可靠性不高的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

所述叶片弹簧包括叶片中段、过渡段、变截面段、卷耳安装段,各段宽度相同；

所述叶片弹簧自一端向另一端延伸时，依次包括所述卷耳安装段、所述变截面段、所述过渡段、所述叶片中段、所述过渡段、所述变截面段及所述卷耳安装段；

在所述叶片中段的中部设置有上沉孔和下沉孔；

所述上沉孔和所述下沉孔的中心线在一条直线上；

在所述叶片中段的设有中部倒角；

自所述上沉孔的中心至前端为所述叶片弹簧的前叶片，自所述上沉孔的中心至后端为所述叶片弹簧的后叶片，所述前叶片和所述后叶片的形状相同，所述前叶片的长度≤所述后叶片的长度；

所述叶片弹簧的刚度是由前叶片刚度和后叶片刚度并联而成的总刚度；

在每个所述卷耳安装段上均设置有螺栓过孔；

所述叶片弹簧为FRP复合材料，基体为树脂，增强材料为叠加并粘接在一起的纤维布，纤维布中的纤维主要是玻璃纤维。

所述卷耳安装段与所述变截面段的前端相连，连接处有小圆弧过渡，所述卷耳安装段上、下平面分别比所述变截面段的前端高出0.5～1mm，所述卷耳安装段用于安装卷耳。

过渡段与叶片中段上、下平面夹角α在5°～15°之间，所述变截面段与所述过渡段之间、所述过渡段与叶片中段之间的上、下表面都设置大圆弧过渡。

所述叶片中段的厚度为h₃，所述变截面段与所述过渡段连接一端的厚度为h₂，所述变截面段与卷耳安装段连接一端的厚度为h₁，h₃＞h₂＞h₁；

根据所述叶片弹簧中部安装固定形式，可确定h₃和h₂的关系，即h₃＝h₂+C，C为常数；

h₁由公式(1)确定，

其中，[τ]为许用剪切应力；Pmax为叶片弹簧在使用过程中作用在卷耳中心的最大载荷；b为叶片弹簧的宽度；λ为安全系数，大于1.5；

从所述变截面段后端到所述卷耳的中心的距离为l₁，从所述变截面段前端到所述卷耳的中心的距离为l₂，从所述叶片中段的后端到所述卷耳的中心的距离为l₃，从U形螺栓到所述卷耳的中心的距离为l₀，由公式(2)可求出所述后叶片在载荷P作用下卷耳的中心的挠度f_r：

其中，E为弹性模量，

所述后叶片刚度k_r＝P/f_r，同样可以求出所述前叶片刚度k_f，由于前叶片和后叶片是并联的，由公式(3)可求出所述叶片弹簧的刚度k：

其中，ρ＝l_0f/l_0r，l_0f为从前U形螺栓到前卷耳的中心的距离，l_0r为从后U形螺栓到后卷耳的中心的距离；

由公式(3)求出的刚度与目标设计刚度进行对比，再调整h₂和h₁，使所述叶片弹簧的刚度k与目标设计刚度一致，最终确定h₁、h₂，完成所述叶片弹簧的设计。

一种叶片弹簧制造工艺，包括以下步骤：

步骤S1：纤维布编织工序，优化纤维浸润剂的成分和特性，让纤维厂家生产指定特性的纤维，并缠绕成纱辊；织布机上设置有复数纱辊，纤维缠绕在所述纱辊上；不同所述纱辊上缠绕不同纤维；织布机拉动纤维并编织纤维布，根据叶片弹簧的设计要求，编织不同角度纤维布；

步骤S2：纤维布叠层工序，将所述纤维布裁成宽度相同而长度不同的布块，根据所述叶片弹簧的特征叠放在一起，形成纤维布叠层，纤维布叠层由复数长短不一的纤维布叠加而成，各有复数层从前端到后端连续不间断的最长纤维布分别设置在所述叶片弹簧的上、下位置，中间纤维布从两侧到中间长度成梯形递减变化；

步骤S3：叠层点焊工序，加热至150°～180°两个同轴等径的加热棒相对端面将所述纤维布叠层夹在中间，粘接剂受热后将纤维布与纤维布之间粘接在一起，形成焊点；所述纤维布叠层四周焊点密度大于中间焊点密度；

所述加热棒可为复数并排同时加热，在所述纤维布叠层的长度方向的两端最薄，加热时间最短，而中部加热时间最长；

步骤S4：预成型工序，由预成型模具完成，形成纤维板；

步骤S5：切割工序，先将所述纤维板放在表面形状与所述纤维板内弓形状相同的垫板上，用切割机将所述纤维板切割成复数块，每块宽度与叶片弹簧宽度一致，形成复数无树脂毛坯；

步骤S6：HP-RTM工序，由HP-RTM成型模具完成，将所述无树脂毛坯放入模腔内，根据不同树脂特性调整树脂黏度，再将树脂注入模腔，并使模具保持设定时间以使树脂和纤维固化成型；

步骤S7：卸料、定型工序，打开所述模腔，取出成型毛坯，并立即装在固定夹具上，防止成型毛坯各向变形，冷却后形成定型半成品；

步骤S8：后加工工序，切除所述定型半成品上遗留的凸起，并切除两端多余部分，在中部上下打中心盲孔，在两端打卷耳安装过孔，形成叶片弹簧成品；

在步骤S2中，在所述纤维布叠层时，先在两端各铺一个端部纤维布后叠放复数枚所述最长纤维布，并与所述端部纤维布宽度方向对齐，然后在中部叠放最短纤维布，并继续叠放长度逐步加长的纤维布，直至叠放次长纤维布，再继续在所述次长纤维布上叠放长度逐步变短的纤维布，直至叠放所述最短纤维布，最后在这些纤维布上再叠放复数枚所述最长纤维布，枚数与下面已叠放好的所述最长纤维布相同，且四周对齐，并在最后叠放的纤维布的两端各叠放一个所述端部纤维布，叠放时在纤维布之间均匀撒有粘接剂，并将不同角度纤维布放到指定层，完成所述纤维布叠层；

在步骤S4中，所述预成型模具包括预成型上模、预成型下模及预热器；使模腔温度保持在100°～120°之间；

先将点焊后的所述纤维布叠层四周切除多余部分，使点焊后的纤维布叠层大小与预成型模具内腔一致，然后将点焊后的所述纤维布叠层放入预成型下模，再装上预成型上模，加压使预成型上模和预成型下模合模，保持设定时间后从模腔中取出，模腔温度和压力使所述纤维布叠层纤维布之间粘接在一起，形成所述纤维板。

在步骤S6中，所述HP-RTM成型模具包括上模、下模、锁模器、树脂注入管及真空吸管；

所述上模和所述下模形成复数模腔，每个所述模腔都分别与树脂注入管和真空吸管相连，模具内还有预热系统，在树脂注入前将HP-RTM成型模具预热到85°～115°，以便树脂流动。

在步骤S6中，将复数无树脂毛坯放入复数所述下模模腔内，盖上所述上模，并用锁模器锁紧，锁模力为3000kN～4000kN，然后通过真空吸管使得所述模腔中真空度在0.2Pa以下，根据不同树脂特性调整树脂黏度，再将树脂通过树脂注入管注入所述模腔，树脂注入压力为120bar～200bar。

本发明的有益效果是：

克服现有技术的板簧叶片的设计和工艺难题，降低提高叶片弹簧的局部应力，提高叶片弹簧强度、可靠性和安全性，可快速、准确确定叶片弹簧的几何尺寸和设计刚度；可以一片单独使用，也可二片组合形成主副簧结构，满足不同载荷，改变卷耳等附件的结构可替代所有钢板弹簧结构；不会一下全部断裂，积极失效模式，充分保证车辆行驶的安全性；工艺流程更为简单可靠，量产节拍快，充分保证叶片弹簧的性能、质量和产品一致性；大幅降低板簧悬架的重量，动刚度很小，提高车辆行驶的平顺性，也提高燃油效力；寿命是板弹簧的寿命的5倍以上，减小用户使用成本；环境污染小，在大批量生产时，成本低于传统钢板弹簧，其市场价值巨大。

附图说明

图1为现有技术的各种钢板弹簧示意图；

图2为叶片弹簧前后展平的主视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图2的B-B剖视图；

图5为叶片弹簧总成示意图；

图6为纤维布编织的示意图；

图7为纤维布叠层的示意图；

图8为纤维布叠层的局部I放大图；

图9为纤维布叠层点焊示意图；

图10为预成型模具的示意图；

图11为预成型后纤维板的示意图；

图12为纤维板切割的示意图；

图13为HP-RTM的示意图；

图14为定型后半成品的示意图；

图15为叶片弹簧成品的示意图；

图16为一种主副叶片弹簧总成示意图。

附图标记说明

1叶片弹簧，101前卷耳安装段，102前变截面段，103前过渡段，104叶片中段，105后过渡段，106后变截面段，107后卷耳安装段，108螺栓过孔，109上沉孔，110下沉孔，111中部倒角,2前卷耳，3前衬套，4上盖板，5下盖板，6后卷耳，7后衬套，8纱辊，9纤维，10织布机，11纤维布，111最长纤维布，112次长纤维布，113最短纤维布，114端部纤维布12纤维布叠层，13焊点，14预成型上模，15预成型下模，16纤维板，17无树脂毛坯，18上模，19下模，20锁模器，21树脂注入管，22真空吸管，23定型半成品，24主叶片弹簧，25副叶片弹簧。

具体实施方式

以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。

本发明涉及到车辆的悬架零部件机构，确切地说是悬架的弹性元件。本发明根据叶片弹簧许用剪切强度较低的特性和叶片弹簧的受力状况，在充分保证悬架的寿命和安全性的前提下，进行FRP复合材料叶片弹簧的结构设计，并根据叶片弹簧的性能要求设计一套叶片弹簧的快速量产工艺，解决现有技术FRP复合材料叶片弹簧的设计和制造工艺难题，替换现有钢板弹簧；改善叶片弹簧与金属连接件的结构，提高纵置FRP复合材料叶片弹簧的可靠性；大幅降低板簧悬架的重量，提高燃油效力；降低簧下质量，减小动刚度，提高车辆行驶的平顺性；提高纵置板簧悬架的寿命，使纵置FRP复合材料叶片弹簧的寿命提高到置钢板弹簧的寿命的5倍以上，大幅减小用户的使用成本；同时减小因冶炼弹簧钢和制造钢板弹簧而消耗电能，减小环境污染。

本技术方案提供一种叶片弹簧及其制造工艺，如图2至图16所示。

叶片弹簧自前端向后端延伸时，依次包括前卷耳安装段101、前变截面段102、前内过渡段103、叶片中段104、后过渡段105、后变截面段106及后卷耳安装段107，每段宽度相同，如图2、图3、图5所示。

在每个卷耳安装段上均设置有螺栓过孔108。

在叶片中段104的中部设置有上沉孔109和下沉孔110，上沉孔109和下沉孔110的中心线在一条直线上，两侧有中部倒角111，如图2、图3、图4、图5所示。

前卷耳安装段101、叶片中段104及后卷耳安装段107均为等截面正方体；前卷耳安装段101与前变截面段102的前端相连，连接处上、下表面有小圆弧过渡，前卷耳安装段101上、下平面分别比前变截面段102的前端高出0.5～1mm，这个高度差解决了卷耳安装后应力集中的问题，提高叶片弹簧1使用时的可靠性和寿命；同样，后卷耳安装段107与后变截面段106的后端相连，连接处上、下表面有小圆弧过渡，后卷耳安装段107上、下平面分别比后变截面段106的后端高出0.5～1mm，如图2、图3、图4、图5所示。

叶片弹簧1受力时，上、下表面受到的正应力最大，位移量也最大，为提高强度，防止表面层间错位，将复数层从前端到后端都是连续不间断的纤维布分别设置在叶片弹簧1的上、下位置，而设计时前变截面段102和后变截面段106分别与叶片中段104高度差设置比较大，以便在叶片中段104安装U形螺栓等附件，并提高可靠性，所以，在前变截面段102与叶片中段104之间设置前过渡段103，在后变截面段106与叶片中段104之间设置后过渡段105，前过渡段103和后过渡段105与叶片中段104上、下平面夹角α在5°～15°之间，前变截面段102与前过渡段103之间、前过渡段103与叶片中段104之间、叶片中段104与后过渡段105之间、后过渡段105与后变截面段106之间的上、下表面都设置过渡大圆弧，这样，不仅便于在叶片弹簧1制造时在上、下表面铺设从前端到后端连续不间断的纤维布，而且提高前变截面段102、后变截面段106和叶片中段104的强度和耐疲劳性，如图2、图3、图5所示。

自上沉孔109的中心至前端为叶片弹簧1的前叶片，自上沉孔109的中心至后端为叶片弹簧1的后叶片，前叶片和后叶片的结构形状相同，但尺寸不一定相等，叶片弹簧1的刚度是由前叶片刚度和后叶片刚度并联而成的总刚度，现以后叶片为例进一步说明。

后变截面段106后端的厚度为h₁，后变截面段106前端的厚度为h₂，从h₁到h₂的截面变化可为抛物线变截面，或线性变截面，叶片中段104的厚度为h₃，h₃＞h₂＞h₁，FRP复合材料叶片弹簧总成受到上下方向的载荷P时，载荷P的作用点在后卷耳6的中心，从后变截面段106后端到后卷耳6的中心的距离为l₁，从后变截面段106前端到后卷耳6的中心的距离为l₂，从叶片中段104的后端到后卷耳6的中心的距离为l₃，后U形螺栓固定处到后卷耳6的中心的距离为l_0r，如图3所示。

叶片弹簧总成受到上下方向的载荷P时，从后卷耳6的中心到叶片中段104的后端剪切力相同，由于FRP复合材料的许用剪切应力[τ]很小，一般在50MPa左右，后变截面段106后端为最薄处，剪切应力最大，为了保证叶片的强度，因此必须根据公式(1)先初步确定最薄处厚度h₁：

其中，[τ]为许用剪切应力；Pmax为叶片弹簧总成在使用过程中作用在卷耳中心的最大载荷；b为叶片弹簧的宽度；λ为安全系数，大于1.5。

根据叶片中段104安装固定形式，可确定h₃和h₂的关系，即h₃＝h₂+C，C为常数。

根据材料力学原理，从后卷耳6的中心到后U形螺栓固定处，作用在后叶片任意一处的弯矩为P×x,如图3所示，而从后变截面段106后端到后卷耳6的中心可看成刚性，由公式(2)求出在载荷P作用下后卷耳6的中心的挠度f_r：

其中，E为弹性模量，常数，可从样件测出，

后叶片刚度k_r＝P/f_r，同样可以求出前叶片刚度k_f，由于前叶片和后叶片是并联的，由公式(3)可求出叶片弹簧的刚度k：

其中，ρ＝l_0f/l_0r，l_0f为前U形螺栓固定处到前卷耳2的中心的距离。

由公式(3)求出的刚度与目标设计刚度进行对比，再调整h₂和h₁，使叶片弹簧的刚度k与目标设计刚度一致，最终确定h₁、h₂、h₃，完成叶片弹簧的设计。

叶片弹簧1在载荷P的作用下，板簧最大正应力在板簧的上、下表面，一般在200MPa～600MPa，叶片弹簧的许用正应力大于950MPa，同时，本申请将复数层从前端到后端都是连续不间断的纤维布分别设置在叶片弹簧1的上、下位置，进一步增强叶片弹簧的强度，并防止表面层间剥离，加之，根据公式(1)在最薄处充分考虑剪切应力的影响，因此，叶片弹簧的设计安全可靠。

先在叶片弹簧1两端的前卷耳安装段101、后卷耳安装段107的上下表面和端面上涂上胶水后装上前卷耳2和后卷耳6，并用螺栓螺母固定，然后在前卷耳2内装上前衬套3，在后卷耳6内装上后衬套7，最后上盖板4和下盖板5的内侧涂上胶水，并使上盖板4中心孔对准上沉孔109，下盖板5的定位销装入下沉孔110中，上盖板20和下盖板21固定在叶片弹簧1上，完成叶片弹簧总成的安装，如图5所示。

两个叶片弹簧可组装成主副叶片弹簧总成，如图16中的主叶片弹簧24、副叶片弹簧25，适应车辆的不同载荷状态，可替代钢板弹簧的主副板簧结构，如图1(e)所示，因此，改变卷耳等附件结构可替代图1所示的所有钢板弹簧结构。

本申请进一步提供叶片弹簧的制造工艺，如图6至图15所示，以解决现有技术制造的FRP复合材料叶片弹簧制造复杂、量产难等问题，并防止脱丝及出现剥离等问题，包括以下步骤：

步骤S1：纤维布编织工序，叶片弹簧1使用的增强纤维主要是玻璃纤维，在玻璃纤维拉丝生产时必须浸入浸润剂，这不仅解决拉丝生产工艺问题，而且增强纤维强度，提高柔韧性，并提高纤维与树脂的界面结合力，如增加化学极性结合和化学键结合等，不同纤维可采用不同浸润剂，性能也有所不同，优化纤维浸润剂的成分和特性，让纤维厂家生产指定特性的纤维，并缠绕成纱辊8，这样纱辊8可直接用来织布。织布机10上有复数纱辊8，纤维9缠绕在纱辊8上，不同纱辊8有不同纤维，织布机10拉动纤维9并编织纤维布11，根据叶片弹簧1的设计要求，编织不同角度纤维布11，如图6所示。

步骤S2：纤维布叠层工序，将纤维布11裁成长度相同而宽度不同的布块，根据叶片弹簧1的设计要求，先在两端各铺一个端部纤维布114后叠放复数枚最长纤维布111，并与端部纤维布114宽度方向对齐，然后在中部叠放最短纤维布113，继续叠放长度逐步加长的纤维布，直至叠放次长纤维布112，再在次长纤维布112上叠放长度逐步变短的纤维布，直至叠放最短纤维布113，最后在这些纤维布上再叠放复数枚最长纤维布111，枚数与下面已叠放好的最长纤维布111相同，且四周对齐，并在最后叠放的纤维布的两端各叠放一个端部纤维布114，在叠放前纤维布之间均匀撒有粘接剂，如聚酯粉末，并将不同角度纤维布放到指定层，形成纤维布叠层12，如图7、图8所示。

步骤S3：叠层点焊工序，玻璃纤维布之间很容易滑移，在纤维布叠层12转运至下道工位过程中因滑移而改变纤维布之间的相对位置，因此必须转运前将纤维布叠层12先点焊固定在一起，而点焊不同于金属钣金之间的点焊，将两个同轴等径的加热棒加热至150°～180°，用两个加热棒的相对端面将纤维布叠层12夹在中间，粘接剂受热后将纤维布与纤维布之间粘接在一起，形成焊点13，四周焊点13密度大于中间焊点13密度，为提高点焊效率，可用复数加热棒并排同时加热，长度方向的两端最薄，加热时间最短，而中部加热时间最长，根据厚度调整加热时间，可充分保证纤维布之间不产生滑移，如图9所示。

步骤S4：预成型工序，预成型工序由预成型模具完成，预成型模具由预成型上模14和预成型下模15组成，内有预热器，使模腔保持在100°～120°之间，先将点焊后的纤维布叠层12四周多余纤维布边角切除，使其大小与预成型模具内腔一致，然后将纤维布叠层12放入预成型下模15内，再装上预成型上模14，加压使预成型上模14和预成型下模15合模，保持360秒后从模腔中取出，模腔温度和压力使纤维布叠层12纤维布之间粘接在一起，形成纤维板16，预成型工序可提高纤维密度，在叶片弹簧成型后弹性模量更高，提高叶片的性能，如图10、图11所示。

步骤S5：切割工序，先将纤维板16放在表面形状与纤维板16内弓形状相同的垫板上，用切割机将纤维板16四周多余边角料切去，再将纤维板16切割成复数块，每块宽度与叶片弹簧宽度一致，形成复数无树脂毛坯17，如图12所示。

步骤S6：HP-RTM工序，就是高压树脂传递模塑成型工序，HP-RTM工序由HP-RTM成型模具完成，HP-RTM成型模具由上模18、下模19、锁模器20、树脂注入管21、真空吸管22等组成，上模18和下模19形成复数模腔，每个模腔都分别与树脂注入管21和真空吸管22相连，模具内还有预热系统，在树脂注入前将HP-RTM成型模具预热到85°～115°以便树脂流动，先将复数无树脂毛坯17放入复数下模19模腔内，盖上上模18，并用锁模器20锁紧，锁模力为3000kN～4000kN，然后通过真空吸管22抽出模腔中气泡、水分和小分子等，真空度在0.2Pa以下，根据不同树脂特性调整树脂黏度，再将树脂通过树脂注入管21以120bar～200bar的高压注入模腔，在提高树脂渗透速度的同时，进一步挤出模腔内的水等小分子，使纤维与树脂产生充分物理包裹结合，在物理包裹结合基础上高压高温使增强纤维和树脂的界面产生更多化学极性结合，甚至化学键结合，大幅提高增强纤维与树脂的界面结合，提高叶片弹簧的性能，树脂注入后使模具保持420秒以使树脂和纤维固化成型，如图13所示。

步骤S7：卸料、定型工序，解开锁模器，打开模腔，模具的顶出机构将腔内成型的毛坯顶出，毛坯出模时温度比较高，马上装在固定夹具上，防止毛坯各向变形，冷却后形成定型半成品23，如图14所示。

步骤S8：后加工工序，切除定型半成品23在树脂注入管21和真空吸管22结合处遗留的凸起，并切除两端多余部分，在中部上下打上沉孔109、下沉孔110，深度约为6mm左右，在两端打卷耳安装过孔108，在叶片中段104的四边和两端上下边倒角，形成叶片弹簧1，完成叶片弹簧的制造工艺，如图15所示。

工作原理

1.叶片弹簧在载荷P的作用下，板簧最大正应力在板簧的上、下表面，将复数层从前端到后端都是连续不间断的最长纤维布111分别设置在叶片弹簧1的上、下位置，增强叶片弹簧的强度，并防止表面层间剥离。

2.预成型工序可提高纤维密度，在叶片弹簧成型后弹性模量更高，提高叶片的性能。

3.通过真空吸管22抽出模腔中气泡、水分和小分子等，再以120bar～200bar高压向模腔内注入树脂，使树脂快速渗透无树脂毛坯17内，并进一步挤出模腔内的水等小分子，使纤维与树脂产生充分物理包裹结合，同时，在物理包裹结合基础上高压高温使增强纤维和树脂的界面产生更多化学极性结合，甚至化学键结合，大幅提高增强纤维与树脂的界面结合，提高叶片弹簧的性能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (8)

1.一种叶片弹簧，其特征在于，所述叶片弹簧包括叶片中段、过渡段、变截面段、卷耳安装段,各段宽度相同；

所述叶片弹簧自一端向另一端延伸时，依次包括所述卷耳安装段、所述变截面段、所述过渡段、所述叶片中段、所述过渡段、所述变截面段及所述卷耳安装段；

在所述叶片中段的中部设置有上沉孔和下沉孔；所述上沉孔和所述下沉孔的中心线在一条直线上；在所述叶片中段设有中部倒角；

自所述上沉孔的中心至前端为所述叶片弹簧的前叶片，自所述上沉孔的中心至后端为所述叶片弹簧的后叶片，所述前叶片和所述后叶片的形状相同，所述前叶片的长度≤所述后叶片的长度；所述叶片弹簧的刚度是由前叶片刚度和后叶片刚度并联而成的总刚度；

在每个所述卷耳安装段上均设置有螺栓过孔；

所述叶片弹簧为FRP复合材料，基体为树脂，增强材料为纤维布叠加并粘接在一起的纤维布叠层，纤维布中的纤维主要是玻璃纤维，

在所述纤维布叠层时，先在两端各铺一个端部纤维布后叠放复数枚最长纤维布，并与所述端部纤维布宽度方向对齐，然后在中部叠放最短纤维布，并继续叠放长度逐步加长的纤维布，直至叠放次长纤维布，再继续在所述次长纤维布上叠放长度逐步变短的纤维布，直至叠放所述最短纤维布，最后在这些纤维布上再叠放复数枚所述最长纤维布，枚数与下面已叠放好的所述最长纤维布相同，且四周对齐，并在最后叠放的纤维布的两端各叠放一个所述端部纤维布，叠放时在纤维布之间均匀撒有粘接剂，并将不同角度纤维布放到指定层，完成所述纤维布叠层；

所述叶片弹簧由制造工艺完成制造。

2.根据权利要求1所述的叶片弹簧，其特征在于，所述卷耳安装段与所述变截面段的后端相连，连接处有小圆弧过渡，所述卷耳安装段上、下平面分别比所述变截面段的后端高出0.5～1mm，所述卷耳安装段用于安装卷耳。

3.根据权利要求1所述的叶片弹簧，其特征在于，过渡段与叶片中段上、下平面夹角α在5°～15°之间，所述变截面段与所述过渡段之间、所述过渡段与叶片中段之间的上、下表面都设置大圆弧过渡。

4.根据权利要求1所述的叶片弹簧，其特征在于，所述叶片中段的厚度为h₃，所述变截面段与所述过渡段连接一端的厚度为h₂，所述变截面段与卷耳安装段连接一端的厚度为h₁，h₃＞h₂＞h₁；

根据所述叶片弹簧中部安装固定形式，可确定h₃和h₂的关系，即h₃＝h₂+C，C为常数；

h₁由公式(1)确定，

其中，[τ]为许用剪切应力；Pmax为叶片弹簧在使用过程中作用在卷耳中心的最大载荷；b为叶片弹簧的宽度；λ为安全系数，大于1.5；

从所述变截面段后端到所述卷耳的中心的距离为l₁，从所述变截面段前端到所述卷耳的中心的距离为l₂，从所述叶片中段的后端到所述卷耳的中心的距离为l₃，从U形螺栓到所述卷耳的中心的距离为l₀，由公式(2)可求出所述后叶片在载荷P作用下卷耳的中心的挠度f_r：

其中，E为弹性模量，

所述后叶片刚度k_r＝P/f_r，同样可以求出所述前叶片刚度k_f，由于前叶片和后叶片是并联的，由公式(3)可求出所述叶片弹簧的刚度k：

其中，ρ＝l_0f/l_0r，l_0f为从前U形螺栓到前卷耳的中心的距离，l_0r为从后U形螺栓到后卷耳的中心的距离；

由公式(3)求出的刚度与目标设计刚度进行对比，再调整h₂和h₁，使所述叶片弹簧的刚度k与目标设计刚度一致，最终确定h₁、h₂，完成所述叶片弹簧的设计。

5.根据权利要求1所述的叶片弹簧，其特征在于，所述制造工艺包括以下步骤：

步骤S1：纤维布编织工序，优化纤维浸润剂的成分和特性，让纤维厂家生产指定特性的纤维，并缠绕成纱辊；织布机上设置有复数纱辊，纤维缠绕在所述纱辊上；不同所述纱辊上缠绕不同纤维；织布机拉动纤维并编织纤维布，根据叶片弹簧的设计要求，编织不同角度纤维布；

步骤S2：纤维布叠层工序，将所述纤维布裁成宽度相同而长度不同的布块，根据所述叶片弹簧的特征叠放在一起，形成纤维布叠层，纤维布叠层由复数长短不一的纤维布叠加而成，各有复数层从前端到后端连续不间断的最长纤维布分别设置在所述叶片弹簧的上、下位置，中间纤维布从两侧到中间长度成梯形递减变化；

步骤S3：叠层点焊工序，加热至150°～180°两个同轴等径的加热棒相对端面将所述纤维布叠层夹在中间，粘接剂受热后将纤维布与纤维布之间粘接在一起，形成焊点；所述纤维布叠层四周焊点密度大于中间焊点密度；所述加热棒可为复数并排同时加热，在所述纤维布叠层的长度方向的两端最薄，加热时间最短，而中部加热时间最长；

步骤S4：预成型工序，由预成型模具完成，形成纤维板；

步骤S5：切割工序，先将所述纤维板放在表面形状与所述纤维板内弓形状相同的垫板上，用切割机将所述纤维板切割成复数块，每块宽度与叶片弹簧宽度一致，形成复数无树脂毛坯；

步骤S6：HP-RTM工序，由HP-RTM成型模具完成，将所述无树脂毛坯放入模腔内，根据不同树脂特性调整树脂黏度，再将树脂注入模腔，并使模具保持设定时间以使树脂和纤维固化成型；

步骤S7：卸料、定型工序，打开所述模腔，取出成型毛坯，并立即装在固定夹具上，防止成型毛坯各向变形，冷却后形成定型半成品；

步骤S8：后加工工序，切除所述定型半成品上遗留的凸起，并切除两端多余部分，在中部上下打中心盲孔，在两端打卷耳安装过孔，形成叶片弹簧成品。

6.根据权利要求5所述的叶片弹簧，其特征在于，在步骤S4中，所述预成型模具包括预成型上模、预成型下模及预热器；使模腔温度保持在100°～120°之间；

先将点焊后的所述纤维布叠层四周切除多余部分，使点焊后的纤维布叠层大小与预成型模具内腔一致，然后将点焊后的所述纤维布叠层放入预成型下模，再装上预成型上模，加压使预成型上模和预成型下模合模，保持设定时间后从模腔中取出，模腔温度和压力使所述纤维布叠层纤维布之间粘接在一起，形成所述纤维板。

7.根据权利要求5所述的叶片弹簧，其特征在于，在步骤S6中，所述HP-RTM成型模具包括上模、下模、锁模器、树脂注入管及真空吸管；

所述上模和所述下模形成复数模腔，每个所述模腔都分别与树脂注入管和真空吸管相连，模具内还有预热系统，在树脂注入前将HP-RTM成型模具预热到85°～115°，以便树脂流动。

8.根据权利要求7所述的叶片弹簧，其特征在于，在步骤S6中，将复数无树脂毛坯放入复数所述下模模腔内，盖上所述上模，并用锁模器锁紧，锁模力为3000kN～4000kN，然后通过真空吸管使得所述模腔中真空度在0.2Pa以下，根据不同树脂特性调整树脂黏度，再将树脂通过树脂注入管注入所述模腔，树脂注入压力为120bar～200bar。