CN107642574B - 一种frp复合材料主副簧总成 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种FRP复合材料主副簧总成，包括钢板主簧、FRP复合材料副簧、前外衬套、前内衬套、前轴管、上盖板、下垫板、后轴管、后外衬套及后内衬套。降低板簧悬架的重量，提高燃油效力；主簧和副簧之间通过面接触，刚度变化平稳，提高车辆行驶的平顺性；减小主簧和副簧支间的应力，提高板簧总成的寿命；使用上盖板和下垫板固定主簧和副簧，结构简单、方便、可靠；上盖板和下垫板和U形螺栓之间间隙小，有效防止后桥受力的摆动，提高车辆行驶的稳定性。

Description

一种FRP复合材料主副簧总成

技术领域

本发明属于汽车板簧技术领域，特别是指一种FRP复合材料主副簧总成。

背景技术

钢板弹簧在汽车上可以纵置或者横置。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。纵置钢板弹簧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。

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、性能优于原有的材料。复合材料种类很多，比如钢筋混泥土也是复合材料，混泥土是母材，钢筋是增强材料。但是现代工业所指的复合材料主要是玻璃纤维复合材料(GFRP)和碳纤维复合材料(CFRP)，母材是塑料(或叫树脂)，增强材料是玻璃纤维或碳纤维，现代复合材料板簧的增强材料主要是玻璃纤维，也有碳纤维，母材多为环氧树脂。

随着科技发展，复合材料板簧逐步用于汽车悬架弹簧元件。现在汽车板簧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复合材料比强度比模量高、具有良好的耐疲劳性能、阻尼减振性能和耐腐蚀性能，因此，使用FRP复合材料做板簧，可大幅提高车辆的平顺性和舒适性，而质量仅是钢板弹簧的1/4左右，不仅有效地提高了燃油效力，还降低了簧下质量，减小簧下振动，同时寿命是钢板弹簧的3倍左右，在整车寿命范围内无需更换弹性元件，整车使用和维修成本相对较低。

FRP复合材料板簧本体成型方法，其中包括连续纤维缠绕工艺、模压工艺、拉挤工艺、树脂传递模塑成型工艺(RTM)等工艺方法。如果FRP复合材料板簧本体成型时压力低，使用一段时间FRP复合材料板簧本体容易脱丝，造成板簧失效。采用高压树脂传递模塑成型工艺(HP-RTM)，模腔压力高达160大气压，不仅保证本体的可靠性、性能，而且不会脱丝。

现在国内外很多汽车厂家想用FRP复合材料板簧替代现有的纵置板簧，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，这些因素必然造成纵置FRP复合材料板簧局部应力大，在卷耳的连接处和U形螺栓外侧出现纤维断裂的现象，极大地影响FRP复合材料板簧的寿命。

为了适应空载、满载两种不同状态，现有技术中载荷较小的商用车或乘用车的纵置板簧多采用副簧下置式结构，如图1所示为现有技术的副簧下置式板簧，包括前衬套01、卡箍02、板簧03、中心螺栓04、后衬套05、主簧06及副簧07。这种板簧结构的质量大，燃油效力低；寿命短；平顺性差；簧下质量大，簧下振动大；主簧和副簧接触处应力大，易断裂失效。

如图2所示为一种用于卡车悬架的板簧总成，包括上板簧片08、下板簧片09、中间垫板010、卡箍011、卷耳012及橡胶垫013；上板簧片是用弹簧钢，下板簧片为复合材料；这一板簧结构只能形成一个刚度；上板簧片和下板簧片在板端相对运动较大，橡胶垫无法消除，易造成下板簧片断裂；结构复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种FRP复合材料主副簧总成，以解决现有技术的板簧质量大，燃油效力低；寿命短；平顺性差；簧下质量大，簧下振动大；主簧和副簧接触处应力大，易断裂失效及刚度单一及结构复杂的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种FRP复合材料主副簧总成，包括钢板主簧、FRP复合材料副簧、前外衬套、前内衬套、前轴管、上盖板、下垫板、后轴管、后外衬套及后内衬套；

所述FRP复合材料副簧设置于所述钢板主簧的下方并通过所述上盖板及所述下垫板连接；

所述钢板主簧为抛物线变截面钢板弹簧，包括前卷耳、前抛物线变截面段、等厚中段、后抛物线变截面段及后卷耳；

所述前外衬套、所述前内衬套及所述前轴管均设置于所述前卷耳内；所述后外衬套、所述后内衬套及所述后轴管均设置于所述后卷耳内；

所述前卷耳+所述前抛物线变截面段的长度大于所述后卷耳+所述后抛物线变截面段的长度。

所述前抛物线变截面段、所述等厚中段及所述后抛物线变截面段组成板簧主体；

所述板簧主体的中面各处到所述板簧主体上板面和下板面的距离相等；

所述等厚中段为长方体，在所述等厚中段的中部设置有中心孔；

所述前卷耳与所述板簧主体的上板面相切，所述后卷耳的中心线在所述中面上；

所述前卷耳的内孔直径大于所述后卷耳的内孔直径。

所述前抛物线变截面段与所述后抛物线变截面段均为等宽变截面结构，所述前抛物线变截面段与所述后抛物线变截面段的最厚处h₂与最薄处h₁满足公式：

其中，l₂为抛物线变截面段与所述等厚中段连接处到相邻卷耳中心的长度，l₁为相邻的卷耳中心到所述卷耳与所述抛物线变截面段连接处的长度。

所述FRP复合材料副簧为等宽度FRP复合材料板状结构，其相对所述钢板主簧向下反弓，包括副簧前抛物线变截面段、本体中段及副簧后抛物线变截面段；

所述副簧前抛物线变截面段的长度大于所述副簧后抛物线变截面段的长度；

在所述本体中段上设置有上沉孔，在所述本体中段的下方设置有支撑台，在所述支撑台上设置有下沉孔；

所述下沉孔的直径大于所述上沉孔的直径。

所述支撑台的两端通过斜面与所述本体中段过渡结合，并且在结合处设置有圆角。

所述前外衬套与所述后外衬套的结构相同，均包括同筒及橡胶层，所述内筒位于所述橡胶层的内侧且与所述橡胶层内侧的圆柱主体相对。

所述上盖板包括上板、在所述上板两侧弯折形成的上侧板及上定位销，在所述上板上设置有圆孔；在所述上侧板上设置有T形槽；

所述上定位销由两个直径大小不同的圆柱体组成，其中直径大的圆柱体设置于所述上板的上面；

两个所述T形槽以过所述上定位销中心线的平面对称并且垂直于所述上板。

所述下垫板包括下垫板本体及下定位销；所述下垫板本体包括底板及所述底板两侧弯折形成的下侧板，在所述下侧板的顶部设置有T形凸板；

在所述底板上设置有圆孔，所述下定位销穿过所述圆孔；

两个所述T形凸板相对于过所述下定位销的中心线的平面对称，且所述T形凸板垂直于所述底板。

还包括有垫板，在所述垫板的正中处设置有过孔，在所述垫板的两端的侧面设置有四个圆弧面，所述垫板的两端上翘。

本发明的有益效果是：

降低板簧悬架的重量，提高燃油效力；主簧和副簧之间通过面接触，刚度变化平稳，提高车辆行驶的平顺性；减小主簧和副簧支间的应力，提高板簧总成的寿命；使用上盖板和下垫板固定主簧和副簧，结构简单、方便、可靠；上盖板和下垫板和U形螺栓之间间隙小，有效防止后桥受力的摆动，提高车辆行驶的稳定性。

附图说明

图1为现有技术副簧下置式板簧结构示意图；

图2为现有技术用于卡车悬架的板簧总成示意图；

图3为纵置FRP复合材料主副簧总成的示意图；

图4为图3的主视图；

图5为图4的A-A剖视图；

图6为钢板主簧的示意图；

图7为FRP复合材料副簧本体的示意图；

图8为上盖板的示意图；

图9为下垫板的示意图；

图10为前外衬套示意图；

图11为前内衬套示意图；

图12为前衬套压装示意图；

图13为图4的B-B剖视图；

图14为图4的C-C剖视图；

图15为图4的D-D剖视图；

图16为图5的I处放大图；

图17为图5的II处放大图；

图18为纵置FRP复合材料主副簧总成安装示意图；

图19为垫板示意图；

图20为图18的H-H剖视图；

图21为抛物线变截面尺寸关系示意图；

图22本发明的刚度特性示意图。

附图标记说明

01前衬套，02卡箍，03板簧，04中心螺栓，05后衬套，06主簧，07副簧，08上板簧片，09下板簧片，010中间垫板，011卡箍，012卷耳，013橡胶垫，1钢板主簧，101前卷耳，102前抛物线变截面段，103等厚中段，104中心孔，105后抛物线变截面段，106后卷耳，2FRP复合材料副簧，21副簧前抛物线变截面段，22本体中段，23上沉孔，24副簧后抛物线变截面段，25支撑台，26下沉孔，3前外衬套，4前内衬套，5前轴管，6上盖板，61上定位销，62上板，63上侧板，64T形槽，65上导边，7下垫板，71下定位销，72底板，73下侧板，74T形凸板，75下导边，8后轴管，9后外衬套，10后内衬套，11后支架，12车架，13前支架，14前销轴，15U形螺栓，16后桥，161板簧托座，17垫板，171圆孔，172圆弧面，173上翘，18后销轴，19吊耳。

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，确切地说是纵置板簧悬架的弹性元件机构。本发明要在保证纵置板簧的性能和可靠性的前提下，用FRP复合材料板簧替换现有钢板弹簧；改善FRP复合材料板簧本体与金属连接件的结构，提高纵置FRP复合材料板簧的可靠性；FRP复合材料板簧本体许用剪切强度较低，根据FRP复合材料板簧本体受力的大小优化结构，充分保证悬架的寿命和安全性；大幅降低板簧悬架的重量，提高燃油效力；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复合材料板簧悬架的寿命提高到纵置钢板弹簧的寿命的三倍以上，在整车使用寿命范围内不用更换板簧这样的弹性元件，大幅减小板簧使用成本。

使用下置式副簧，满足不同载荷、变载荷需求。

本申请提供一种FRP复合材料主副簧总成，如图3至图22所示，包括钢板主簧、FRP复合材料副簧、前外衬套、前内衬套、前轴管、上盖板、下垫板、后轴管、后外衬套及后内衬套。

FRP复合材料副簧设置于钢板主簧的下方并通过上盖板及下垫板连接。

钢板主簧为抛物线变截面钢板弹簧，包括前卷耳、前抛物线变截面段、等厚中段、后抛物线变截面段及后卷耳。

前外衬套、前内衬套及前轴管均设置于前卷耳内；后外衬套、后内衬套及后轴管均设置于后卷耳内。

前卷耳+前抛物线变截面段的长度大于后卷耳+后抛物线变截面段的长度。

钢板主簧1是用弹簧钢加热后滚压而成的抛物线变截面钢板弹簧，包括前卷耳101、前抛物线变截面段102、等厚中段103、中心孔104、后抛物线变截面段105、后卷耳106；前卷耳101+前抛物线变截面段102≥后抛物线变截面段105+后卷耳106；前抛物线变截面段102、等厚中段103和后抛物线变截面段105组成板簧主体，板簧主体的中面各处到板簧上板面和下板面距离相等；等厚中段103为长方体，中部有中心孔104；前卷耳101内孔直径为d1，与上板面相切；后卷耳106内孔直径为d2，内孔中心线在板体的中面上，d1≥d2，如图3、至图6及图13至图18、图20所示。

前抛物线变截面段102和后抛物线变截面段105为等宽前抛物线变截面，每个抛物线变截面段的最厚处h₂与最薄处h₁满足公式(1)，如图21所示。

的FRP复合材料副簧2为高压树脂传递模塑成型工艺(HP-RTM)等工艺方法成型的等宽FRP复合材料板状结构，相对钢板主簧1向下反弓，包括副簧前抛物线变截面段21、本体中段22、上沉孔23、副簧后抛物线变截面段24、支撑台25、下沉孔26；前后长度不同，副簧前抛物线变截面段21≥副簧后抛物线变截面段24；本体中段22下方有支撑台25，支撑台25两端通过45°的斜面与本体中段22过渡结合在一起，结合处有圆角，以减小本体中段22和副簧前抛物线变截面段21和副簧后抛物线变截面段22之间应力，支撑台25中部有下沉孔26，深度与支撑台25相同，支撑台25下边有倒角；本体中段22上方有上沉孔23，下沉孔26的直径大于上沉孔23，如图3、图4、图5、图7、图15、图16、图17、图18、图20所示。

前抛物线变截面段102和后抛物线变截面段105为等宽前抛物线变截面。

前外衬套3由内筒和橡胶层硫化而成，内筒位于橡胶层内侧，内筒相对橡胶层内侧的圆柱主体。内筒为高强度、耐磨耐热的非金属材料，内外为同心圆柱面，还有缺口，端部有锥面；橡胶层上有小圆环、圆角、圆柱主体、小凸起、沟槽、圆环、锥面圆环等特征，后外衬套9与前外衬套3结构相同，只是内径和外径不同，如图10、图13、图14所示。

前内衬套4为非金属材料，机械强度、耐磨、润滑等性能优于金属材料，如改性尼龙PA66等，上有外圆环面、内锥面、外锥面、内侧锥面、内圆环面、L形缺口、筒体、端部锥面等特征。后内衬套10与前内衬套4结构相同，只是内径和外径不同，如图11、图13、图14所示。

前轴管5为金属材料，内外为同心的圆柱面，两端都有倒角，后轴管8与前轴管5结构相同，只是内径和外径不同，如图12至图14所示。

上盖板6为金属件，包括上定位销61、上板62、上侧板63、T形槽64及上导边65，上板62和上侧板63可由钢板冲压成形后折弯而成；上板62的中部有圆孔，圆孔内装有上定位销61，定位销61由两个直径大小不同的圆柱体组成，直径大的圆柱体在上板62的上面；两个上侧板63上都有T形槽64，并相对过上定位销61中心线的平面对称，并垂直于上板62，上板62与上侧板63之间有圆角过渡，上侧板63的外侧有上导边65，如图3至图5、图8、图15、图16、图18、图20所示。

下垫板为金属件，包括下定位销71、底板72、下侧板73、T形凸板74及下导边75，底板72和下侧板73可由钢板冲压成形后折弯而成；底板72的中部有圆孔，圆孔内装有下定位销71；两个下侧板73上都有T形凸板74，并相对过下定位销71中心线的平面对称，并垂直于底板72，底板72与下侧板73之间有圆角过渡；T形凸板74的内侧有下导边75；上盖板6和下垫板7的外侧宽度相同，侧向厚度＝(s-b-0.8)/2，其中s为U形螺栓15内侧间距，b为钢板主簧1和FRP复合材料副簧2的宽度，如图3至图5、图9、图15、图16、图18、图20所示。

垫板17正中处上有圆孔171，两端有四个圆弧面172，以避免安装时与U形螺栓15干涉，两端上翘173用于防止U形螺栓15脱出，如图18至图20所示。

先将前内衬套4装到下面的压具的圆台面上，然后将前外衬套3套在前内衬套4上，将前轴管5插入前内衬套4内，从上往下将钢板主簧1的前卷耳101放下，并使前卷耳101与前外衬套3的橡胶层接触，将另一个前外衬套3套在另一个前内衬套4上，小头朝下，前内衬套4的中心与上面压具的压芯的中心线对齐，并使前外衬套3的橡胶层与前卷耳101的另一端贴合，通过液压缸向下移动压具，逐渐将上面的前外衬套3、前内衬套4和前卷耳101压下，使上下两个压具达到一定距离，这样，两个前外衬套3和两个前内衬套4就被压入前卷耳101中，如图10至图14所示。

同样，将两个后外衬套9和两个后内衬套10压入前卷耳101中，如图10至图14所示。

在上盖板6的上板62内侧和FRP复合材料副簧2的本体中段22上面涂上胶水，将FRP复合材料副簧2的上沉孔23从下侧对准钢板主簧1的中心孔104，将上盖板6的上定位销61通过中心孔104插入FRP复合材料副簧2的上沉孔23中，再将下垫板7的下定位销71插入FRP复合材料副簧2的下沉孔26中，并用力作用在下垫板7的底板72的下面，使T形凸板74上的下导边75越过上盖板6的上侧板63的下导边65，依靠自身的弹力卡入T形槽64中，这样，将钢板主簧1和FRP复合材料副簧2固定在一起，完成本发明(FRP复合材料主副簧总成)的装配，便于运输和安装，如图3至图9、图15、图16所示。

车架12上装有前支架13和后支架11，先将垫板17的圆孔171套装在上盖板6的上定位销61上，然后将下定位销71插入后桥6上的板簧托座161的孔中，用两个U形螺栓15和螺母将FRP复合材料主副簧总成固定在后桥16上，再用前销轴14穿过前轴管5和前支架13的过孔，用螺母将FRP复合材料主副簧总成前端连接到前支架13上，同样，用后销轴18穿过后轴管8和后支架11的过孔，用螺母将FRP复合材料主副簧总成后端连接到后支架11上，完成FRP复合材料主副簧总成在整车上的安装，如图18至图20所示。

工作原理

原理1：

抛物线变截面段尺寸关系为：

其中，l₂为抛物线变截面段与等厚中段连接处到相邻卷耳中心的长度，l₁为相邻的卷耳中心到卷耳与抛物线变截面段连接处的长度。

原理2：

上盖板6和下垫板7的外侧宽度与U形螺栓15内侧间距s相差0.8mm，两个U形螺栓15将FRP复合材料板簧总成和后桥16固定在一起后，可有效防止后桥16受力的摆动，提高车辆行驶的稳定性。

原理3：

FRP复合材料副簧2为抛物线变截面板簧，中部一定长度截面不变，便于U形螺栓15的固定，从U形螺栓15处到端部的截面逐渐减小，保证副簧受力时应力基本不变。

随着载荷的增加，钢板主簧1和FRP复合材料副簧2的接触面也随之增大，使FRP复合材料主副簧总成形成非常光滑的刚度特性，如图20所示，当FRP复合材料主副簧总成两端受到重载作用时，FRP复合材料副簧2的端部与钢板主簧1接触时总是面接触，不使任何接触点应力过大，并使FRP复合材料副簧2端部应力最小，提高钢板主簧1和FRP复合材料副簧2的疲劳强度，也即提高RBA板簧的寿命，如图3、图4、图6、图12所示。

同时，钢板主簧1和FRP复合材料副簧2相对现有技术(背景文件中图2)相对运动很小，摩擦力也很小，不仅减小RP复合材料主副簧总成的动刚度，而且提高FRP复合材料副簧2的寿命。

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FRP复合材料主副簧总成，其特征在于，包括钢板主簧、FRP复合材料副簧、前外衬套、前内衬套、前轴管、上盖板、下垫板、后轴管、后外衬套及后内衬套；

所述FRP复合材料副簧设置于所述钢板主簧的下方并通过所述上盖板及所述下垫板连接；

所述钢板主簧为抛物线变截面钢板弹簧，包括前卷耳、前抛物线变截面段、等厚中段、后抛物线变截面段及后卷耳；

所述前外衬套、所述前内衬套及所述前轴管均设置于所述前卷耳内；所述后外衬套、所述后内衬套及所述后轴管均设置于所述后卷耳内；

所述前卷耳+所述前抛物线变截面段的长度大于所述后卷耳+所述后抛物线变截面段的长度；

所述前抛物线变截面段、所述等厚中段及所述后抛物线变截面段组成板簧主体；

所述板簧主体的中面各处到所述板簧主体上板面和下板面的距离相等；

所述等厚中段为长方体，在所述等厚中段的中部设置有中心孔；

所述前卷耳与所述板簧主体的上板面相切，所述后卷耳的中心线在所述中面上；

所述前卷耳的内孔直径大于所述后卷耳的内孔直径；

所述前抛物线变截面段与所述后抛物线变截面段均为等宽变截面结构，

所述FRP复合材料副簧为等宽度FRP复合材料板状结构，其相对所述钢板主簧向下反弓，包括副簧前抛物线变截面段、本体中段及副簧后抛物线变截面段；

所述副簧前抛物线变截面段的长度大于所述副簧后抛物线变截面段的长度。

2.根据权利要求1所述的FRP复合材料主副簧总成，其特征在于，所述前抛物线变截面段与所述后抛物线变截面段的最厚处h₂与最薄处h₁满足公式：

其中，l₂为抛物线变截面段与所述等厚中段连接处到相邻卷耳中心的长度，l₁为相邻的卷耳中心到所述卷耳与所述抛物线变截面段连接处的长度。

3.根据权利要求1所述的FRP复合材料主副簧总成，其特征在于，

在所述本体中段上设置有上沉孔，在所述本体中段的下方设置有支撑台，在所述支撑台上设置有下沉孔；

所述下沉孔的直径大于所述上沉孔的直径。

4.根据权利要求3所述的FRP复合材料主副簧总成，其特征在于，所述支撑台的两端通过斜面与所述本体中段过渡结合，并且在结合处设置有圆角。

5.根据权利要求1所述的FRP复合材料主副簧总成，其特征在于，所述前外衬套与所述后外衬套的结构相同，均包括内 筒及橡胶层，所述内筒位于所述橡胶层的内侧且与所述橡胶层内侧的圆柱主体相对。

6.根据权利要求1所述的FRP复合材料主副簧总成，其特征在于，所述上盖板包括上板、在所述上板两侧弯折形成的上侧板及上定位销，在所述上板上设置有圆孔；在所述上侧板上设置有T形槽；

所述上定位销由两个直径大小不同的圆柱体组成，其中直径大的圆柱体设置于所述上板的上面；

两个所述T形槽以过所述上定位销的 中心线的平面对称并且垂直于所述上板。

7.根据权利要求1所述的FRP复合材料主副簧总成，其特征在于，所述下垫板包括下垫板本体及下定位销；所述下垫板本体包括底板及所述底板两侧弯折形成的下侧板，在所述下侧板的顶部设置有T形凸板；

在所述底板上设置有圆孔，所述下定位销穿过所述圆孔；

两个所述T形凸板相对于过所述下定位销的中心线的平面对称，且所述T形凸板垂直于所述底板。

8.根据权利要求1所述的FRP复合材料主副簧总成，其特征在于，还包括有垫板，在所述垫板的正中处设置有过孔，在所述垫板的两端的侧面设置有四个圆弧面，所述垫板的两端上翘。