CN108583189A - 一种frp复合材料主副簧总成 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种FRP复合材料主副簧总成，包括FRP主簧本体、卷耳、前衬套、上盖板、下垫板、后衬套、软垫板及FRP副簧本体；FRP主簧本体的两端各固定有一个卷耳；前衬套和后衬套分别设置于卷耳内；FRP副簧本体设置于FRP主簧本体上，并通过上盖板及下垫板固定连接；在上盖板与FRP副簧主体之间，FRP副簧本体与FRP主簧本体之间以及FRP主簧本体与下垫板之间均设置有软垫板。FRP复合材料板簧不会一下全部断裂，保证车辆行驶的安全性；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。

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复合材料的比强度及比模量高、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。
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。
如图1所示为现有技术的钢板弹簧，包括前衬套、卡箍、板簧、中心螺栓及后衬套；现行板簧的上下受力台架试验是通过销轴将板簧两端的卷耳固定在小车上，然后把压具放到板簧上，在压具上施加试验力，进行板簧刚度的检测和耐久性试验。
现有技术的钢板弹簧的质量大，燃油效力低，寿命短，平顺性差，簧下质量大，簧下振动大。
如图2所示为奔驰sprinter的前悬架采用橫置FRP复合材料板簧的单侧示意图，包括端部固定块，上限位块，下限位块，横置FRP复合材料板簧，副车架及下摆臂；也可参见公布号为CN104057795A的专利申请。除两端外，橫置FRP复合材料板簧的各处截面相等，且截面高度和宽度也不变。
橫置FRP复合材料板簧3的中部由副车架5上的上限位块2和下限位块3上下限位固定，端部由下摆臂6上的端部固定块1限位固定，端部固定块1、上限位块2、下限位块3与橫置FRP复合材料板簧4都是通过橡胶限位固定，这样，整个橫置FRP复合材料板簧4左右通过4固定点都是软固定。
由于FRP复合材料板簧中纤维的布置均匀性且无间断，保证FRP复合材料板簧的纤维不被损坏，充分保证FRP复合材料板簧的寿命，大幅提高悬架的可靠性。
但是该横置FRP复合材料板簧的结构复杂，成本高，具有导向功能的纵置板簧很难采用这种布置方式。
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，在保证纵置板簧的性能和可靠性的前提下，解决现有技术的板簧质量大，燃油效力低及寿命短的问题。
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FRP主簧本体、卷耳、前衬套、上盖板、下垫板、后衬套、软垫板及FRP副簧本体；
所述FRP主簧本体的两端各固定有一个所述卷耳；所述前衬套和所述后衬套分别设置于所述卷耳内；
所述FRP副簧本体设置于所述FRP主簧本体上，并通过所述上盖板及所述下垫板固定连接；
在所述上盖板与所述FRP副簧主体之间，所述FRP副簧本体与所述FRP主簧本体之间以及所述FRP主簧本体与所述下垫板之间均设置有所述软垫板。
所述FRP主簧本体为板状结构，以中心螺栓孔为分隔，所述FRP主簧本体的前后长度不同；
所述FRP主簧本体包括U型螺栓安装段、内过渡段、性能段、外过渡段及卷耳安装段；
在所述U型螺栓安装段的两端各设置有一个所述内过渡段，在每个所述内过渡段的另一端分别设置有所述性能段，在每个所述性能段的另一段分别设置有所述外过渡段，在每个所述外过渡段的另一端均设置有卷耳安装段；
在每个所述卷耳安装段上均设置有螺栓过孔。
所述FRP主簧本体距离端部x处的截面宽度为b，厚度为h，该处所受到的弯矩M＝Px，截面系数Z＝(bh2)/6，x处所受的弯曲应力由公式(1)求得，
保持FRP主簧本体的各处的截面积S不变，即S＝bh为定值，根据公式(1)可得，
所述U型螺栓安装段的厚度和宽度分别为h1和b1；所述性能段的厚度和宽度分别为h2和b2；所述卷耳安装段的厚度和宽度分别为h3和b3；h1＞h3＞h2；b1＜b3＜b2；h1b1＝h2b2＝h3b3。
所述卷耳包括两个直板段和一个圆环段；两个所述直板段相互平行且四周对齐，在两个所述直板段上分别设置有四个相对的螺栓过孔。
所述上盖板包括上盖板本体及两侧的弯折部，在两侧的所述弯折部相对于所述上盖板本体左右对称，在两个所述弯折部的下部各设置有一个凹口，在所述上盖板本体的下表面设置有一个上定位销。
所述下垫板包括有下垫板本体及两侧的弯折部，两侧的所述弯折部相对于所述下垫板本体左右对称，在两个所述弯折部上各设置有一个凸板，在所述下垫板本体的上表面设置有一个下定位销。
所述FRP副簧本体包括U型螺栓安装段，该所述U型螺栓安装段的长度与所述FRP主簧本体的所述U型螺栓安装段的长度相同。
本发明的有益效果是：
FRP复合材料板簧不会一下全部断裂，保证车辆行驶的安全性；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3倍左右，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；两个刚度段满足不同载荷需求。
附图说明
图1为现有技术钢板弹簧的结构示意图；
图2为奔驰sprinter的前悬架；
图3为FRP主簧本体结构的示意图；
图4为FRP主簧本体的主视图；
图5为图4的俯视图；
图6为FRP复合材料板簧总成的示意图；
图7为FRP主副簧总成的主视图；
图8为图7的俯视图；
图9为图8的A-A剖视图；
图10为图8的B-B剖视图；
图11为图8的C-C剖视图；
图12为图9的I处的放大图；
图13为图9的II处的放大图；
图14A为FRP主簧本体一端受力分析图；
图14B为FRP主簧本体另一端受力分析图；
图15为FRP主副簧总成挠度与刚度特性图。
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 端部固定块，07 上限位块，08 下限位块，09 横置FRP复合材料板簧，010 副车架，011 下摆臂，1 FRP主簧本体，11 U型螺栓安装段，12 内过渡段，13 性能段，14 外过渡段，15 卷耳安装段，2 卷耳，3 前衬套，4 上盖板，41 上定位销，42 凹口，5 下垫板，51 下定位销，52 凸板，6 后衬套，7 软垫板，8 FRP副簧本体。
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。
本申请提供一种FRP复合材料主副簧总成，如图3至图15所示，包括FRP主簧本体、卷耳、前衬套、上盖板、下垫板、后衬套、软垫板及FRP副簧本体。
FRP主簧本体的两端各固定有一个卷耳；前衬套和后衬套分别设置于卷耳内。
FRP副簧本体设置于FRP主簧本体上，并通过上盖板及下垫板固定连接。
在上盖板与FRP副簧主体之间，FRP副簧本体与FRP主簧本体之间以及FRP主簧本体与下垫板之间均设置有软垫板。
FRP主簧本体1为板状结构，以中心螺栓孔为分隔，FRP主簧本体的中心螺栓孔至FRP主簧本体前端的长度与中心螺栓孔至FRP主簧本体后端的长度不同，分别包括U形螺栓安装段11、内过渡段12、性能段13、外过渡段14、卷耳安装段15，的卷耳安装段15分别均布4个螺栓过孔，如图3至图6所示。
根据背景技术的陈述，要保证的FRP主簧本体中的纤维的均匀性和连续性，就必须FRP主簧本体的截面积不变，如果采用奔驰sprinter的前FRP复合材料板簧那样宽、厚不变的等截面，根据工作原理中的公式(1)或公式(2)可知，势必造成纵置的FRP主簧本体靠近U形螺栓处的应力过大。
为了减小靠近U形螺栓处的应力，在保持截面S不变的同时，根据工作原理中的公式(2)，通过改变增强材料纤维(玻璃纤维或碳纤维)布置和走向，增大靠近U形螺栓处的FRP主簧本体的厚度，减小靠近U形螺栓处的应力，同样，由于的FRP主簧本体1在与的卷耳2结合处应力比较大，适当增加卷耳安装段15的厚度来减小结合处的应力。
在FRP主簧本体1设计时，初步确定本体的截面积S后，先确定FRP主簧本体1最薄的位置，根据材料的许用应力和公式(2)算出在可能受到的最大力P作用时的最薄处的厚度h2，然后确定靠近U形螺栓处的厚度h1和与卷耳结合处的厚度h3。
FRP主簧本体1，为了保证作为增强材料的纤维或纤维束的均匀性和连续性，各处截面相等，U形螺栓安装段11的厚度和宽度分别为h1和b1；性能段13的厚度和宽度分别为h2和b2；的卷耳安装段15的厚度和宽度分别为h3和b3；h1＞h3＞h2；b1＜b3＜b2；h1b1＝h2b2＝h3b3。
卷耳2为冲压而成，由两个直板段和一个圆环段组成，两个直板段相互平行而且四周对齐，两个直板段分别有4个螺栓过孔，并且一个直板段的4个过孔与另一个直板段4个过孔同心，用螺栓螺母并在内侧涂胶将两个卷耳2固定到的FRP主簧本体1的两端。
上盖板4为冲压而成，包括上盖板本体及两侧的弯折部，在两侧的弯折部相对于上盖板本体左右对称，两侧各有一个凹口42，中部焊接一个上定位销41，用于板簧安装时与车桥的位置定位。
下垫板5为冲压而成，包括有下垫板本体及两侧的弯折部，两侧的弯折部相对于下垫板本体左右对称，两侧各有一个凸板52，中部焊接一个下定位销51，用于板簧安装时与车桥的位置定位。
FRP副簧本体8与FRP主簧本体的设计原理相同，采用各处截面相等，但刚度和长度不同，在U形螺栓安装段的长度与FRP主簧本体的U形螺栓安装段11相同。
在悬架载荷大时，FRP副簧本体8两端与固定在车身上的副簧支架接触,为防止板端磨损，在两端的上平面覆盖一层耐磨层，或在两端的上平面固定一个金属板。
在软垫板7上下两面涂有胶水，在FRP主簧本体1的U形螺栓安装段11上、下两面各放一个软垫板7，将软垫板7和FRP主簧本体1放入下垫板5的槽底面，将FRP副簧本体8的U形螺栓安装段与的FRP主簧本体1的U形螺栓安装段11对齐，将FRP副簧本体8放到FRP主簧本体1上面的软垫板7的上平面，在FRP副簧本体8的U形螺栓安装段的上面再放一个软垫板7，再将上盖板4上的凹口42对准下垫板5上的凸板52，将上盖板4和下垫板5合起来并加紧一段时间，完成本发明总成的安装。
将两个前衬套3从两侧分别压入位于FRP主簧本体1前端的卷耳2中，同样，将两个后衬套6从两侧分别压入位于FRP主簧本体1后端的卷耳2中。
用U形螺栓和螺母将本发明的中部固定在车轴上，用螺栓穿过前衬套3的中心孔将本发明前端固定到车身上前支架上，用螺栓穿过后衬套6的中心孔将本发明后端连接到吊耳上，吊耳连接到车身上的后支架上，完成本发明在整车上的安装。
当受到较小载荷作用时，仅FRP主簧本体1起作用；当受到较大载荷时，FRP副簧本体8两端与车身上的副簧支架接触，FRP主簧本体1和FRP副簧本体8同时起作用，两个刚度段满足不同载荷需求，如图15所示。
单片FRP复合材料板簧的刚度特性是线性的，而本发明的刚度特性是非线性的，满足车辆空、满载的承载需要，如图15所示。
工作原理
FRP复合材料板簧装到整车上，板簧负载时端部受到力P的作用，中部通过U形螺栓固定在车身上，U形螺栓到端部的距离为l，FRP复合材料板簧为单片簧，U形螺栓到端部之间所受应力与材料力学的悬臂梁的原理一致，如图12所示。
设距离端部x处的截面宽度为b，厚度为h，该处所受到的弯矩M＝Px，截面系数Z＝(bh2)/6，那么x处所受的弯曲应力由公式(1)求得，如图14所示。
为了保证FRP主簧本体的均匀性和连续性，改变增强材料纤维(玻璃纤维或碳纤维)布置和走向，保持FRP主簧本体的各处的截面积S不变，即S＝bh为定值，根据公式(1)可得：
根据公式(2)可知，FRP主簧本体所受到弯曲应力与该处距离端部位置成正比，与FRP主簧本体h成反比，要降低该处的弯曲应力就必须增加该处的厚度，要减小该处应变同样也必须增加该处的厚度。
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 (9)

1.一种FRP复合材料主副簧总成，其特征在于，包括FRP主簧本体、卷耳、前衬套、上盖板、下垫板、后衬套、软垫板及FRP副簧本体；
所述FRP主簧本体的两端各固定有一个所述卷耳；所述前衬套和所述后衬套分别设置于所述卷耳内；
所述FRP副簧本体设置于所述FRP主簧本体上，并通过所述上盖板及所述下垫板固定连接；
在所述上盖板与所述FRP副簧主体之间，所述FRP副簧本体与所述FRP主簧本体之间以及所述FRP主簧本体与所述下垫板之间均设置有所述软垫板。
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FRP主簧本体为板状结构，以中心螺栓孔为分隔，所述FRP主簧本体的前后长度不同；
所述FRP主簧本体包括U型螺栓安装段、内过渡段、性能段、外过渡段及卷耳安装段；
在所述U型螺栓安装段的两端各设置有一个所述内过渡段，在每个所述内过渡段的另一端分别设置有所述性能段，在每个所述性能段的另一段分别设置有所述外过渡段，在每个所述外过渡段的另一端均设置有卷耳安装段；
在每个所述卷耳安装段上均设置有螺栓过孔。
3.根据权利要求2所述的FRP复合材料主副簧总成，其特征在于，所述FRP主簧本体距离端部x处的截面宽度为b，厚度为h，该处所受到的弯矩M＝Px，截面系数Z＝(bh2)/6，x处所受的弯曲应力由公式(1)求得，
保持FRP主簧本体的各处的截面积S不变，即S＝bh为定值，根据公式(1)可得，
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U型螺栓安装段的厚度和宽度分别为h1和b1；所述性能段的厚度和宽度分别为h2和b2；所述卷耳安装段的厚度和宽度分别为h3和b3；h1＞h3＞h2；b1＜b3＜b2；h1b1＝h2b2＝h3b3。
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，所述卷耳包括两个直板段和一个圆环段；两个所述直板段相互平行且四周对齐，在两个所述直板段上分别设置有四个相对的螺栓过孔。
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，所述上盖板包括上盖板本体及两侧的弯折部，在两侧的所述弯折部相对于所述上盖板本体左右对称，在两个所述弯折部的下部各设置有一个凹口，在所述上盖板本体的下表面设置有一个定位销。
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，所述下垫板包括有下垫板本体及两侧的弯折部，两侧的所述弯折部相对于所述下垫板本体左右对称，在两个所述弯折部上各设置有一个凸板，在所述下垫板本体的上表面设置有一个定位销。
8.根据权利要求2所述的FRP复合材料主副簧总成，其特征在于，所述FRP副簧本体包括U型螺栓安装段，该所述U型螺栓安装段的长度与所述FRP主簧本体的所述U型螺栓安装段的长度相同。
9.根据权利要求2所述的FRP复合材料主副簧总成，其特征在于，所述FRP副簧本体两端的上平面覆盖一层耐磨层，或在所述FRP副簧本体两端的上平面固定一个金属板。
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