CN112157867A - 一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法及制得的稳定杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法及制得的稳定杆，其制备方法步骤如下所述，步骤一、根据设计的横向稳定杆尺寸形状，制备横向稳定杆预成型体：制备并拼接横向稳定杆的杆身的包裹层、中心层和形状记忆合金扭转驱动器组件，形成横向稳定杆预成型体；步骤二、固化横向稳定杆成型；步骤三、横向稳定杆后固化及后处理。该方法制得的横向稳定杆包括杆身和安装在其杆身上的形状记忆合金扭转驱动器；杆身包括中心层和包裹层；包裹层为增强纤维编织而成的复合材料；形状记忆合金扭转驱动器为形状记忆合金丝与玻璃纤维混合编织形成；制得的稳定杆具有主动变刚度功能，且其质量轻、结构件一体成型、无锈蚀的特点。

Description

一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法及制得的稳定杆

技术领域

本发明属于汽车横向稳定杆领域，具体涉及一种应用于汽车悬架的具有主动变刚度功能的复合材料横向稳定杆的制备方法及其制得的横向稳定杆。

背景技术

横向稳定杆是汽车悬架系统的关键零部件之一，其功用是提供汽车的侧倾角刚度，防止车身在转弯时发生过大的横向侧倾，进而使车身保持平衡，并改善汽车的平顺性，对行车安全及整车操纵稳定性及舒适性都有非常关键的影响。目前汽车采用的横向稳定杆均用弹簧钢制成，其自重根据车型不同可达2kg至10kg，具有可观的轻量化潜力。复合材料横向稳定杆是采用纤维增强树脂基复合材料制作的横向稳定杆。在相同刚度的前提下，复合材料横向稳定杆的重量可比金属横向稳定杆轻40%以上。此外，由于复合材料具有比强度、比模量高，不生锈、具有一定的阻尼等优越特性，因此复合材料横向稳定杆的储能能力及衰减振动的能力也比金属横向稳定杆好。因此，复合材料横向稳定杆的综合性能明显优于金属横向稳定杆，具有良好的应用前景。

此外，在汽车服役过程中，其整车质心、转动惯量等关键动力学参数随乘客数量或载货量的变化具有很大的变动幅值（如空载和满载工况等），且在不同道路类型、转弯半径及车速下，汽车在转弯时的侧倾角刚度需求也不同，因此需要横向稳定杆根据具体工况主动提供相匹配的侧倾角刚度，进而保证整车抗侧倾功能及操纵稳定性在不同工况下维持在最佳的水平。然而，现有的横向稳定杆只能提供确定的刚度，因而只能保证整车在特定工况下具有折中的性能，无法具备最佳的性能。

鉴于上述问题，本发明设计出一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法及制得的稳定杆，本案由此产生。

发明内容

本发明提供一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法及制得的稳定杆，该制备方法速度快，效率高，且其制成的横向稳定杆具有质量轻、结构件一体成型、无锈蚀的特点；具体地，本发明是通过以下技术方案实现：

一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法，其制备方法步骤如下所述，

步骤一、根据设计的横向稳定杆尺寸形状，制备横向稳定杆预成型体：制备横向稳定杆的杆身的包裹层、中心层和形状记忆合金扭转驱动器组件，拼接形成横向稳定杆杆身和形状记忆合金扭转驱动器，并将两者装配起来，形成横向稳定杆预成型体；

步骤二、固化横向稳定杆成型：横向稳定杆预成型体置入模具，向模具内注入树脂；

步骤三、横向稳定杆后固化及后处理。

进一步，步骤一中，裁切不同编织方式的增强纤维预浸料，并将其依次由内而外的包裹在预先准备的制作中心层的材料棒上，形成初步的包裹层，从而形成横向稳定杆杆身预成型体；步骤一中，将形状记忆合金与玻璃纤维混合编织的复合材料编织物预浸料缠绕在杆身预成型体上并用高强度绑带扎节。

进一步，步骤一中，横向稳定杆为实心结构时，则用聚氨酯或橡胶材料作为中心层填充；横向稳定杆为空心结构时，则用可溶性材料作为中心层填充，稳定杆成型后将其溶解。

进一步，步骤三中，将成型的横向稳定杆脱模并进一步固化，完成后进行抛光打磨；若制作空心稳定杆则需去除中心层中填充的材料。

进一步，步骤一中，增加制备并拼接横向稳定杆末端的花键结构步骤；增加步骤四，根据设计需要，制备并装配转接接头于稳定杆末端。

进一步，横向稳定杆末端的花键结构其制作工艺为,裁切用于制作花键的强芯毡，将强芯毡插入横向稳定杆预成型体末端内部，在拟形成花键区域边界处用高强度绑带扎节，该绑带随横向稳定杆预成型体一起固化在杆身中；步骤四中，制备金属转接接头，将金属转接接头花键配合面上涂抹高强度粘接剂，并将金属转接接头花键配合面与复合材料杆身的花键表面配合装配，实现包括粘接及机械连接的混合连接。

进一步，步骤二中，固化用的树脂采用增强增韧环氧树脂或聚氨酯树脂或其他适应模压、拉挤或RTM工艺的树脂体系。

一种根据上述可主动变刚度的横向稳定杆制备方法制得的稳定杆，制得的横向稳定杆包括杆身和安装在其杆身上的形状记忆合金扭转驱动器；横向稳定杆的杆身包括中心层和包裹在中心层外的两层包裹层；包裹层为增强纤维编织而成的复合材料；杆身为实体或者内部空心结构；形状记忆合金扭转驱动器为形状记忆合金丝与玻璃纤维混合编织形成的复合材料编织管。

进一步，最外层的包裹层中的增强纤维编织方式为平纹编织，其内侧的中间包裹层中的增强纤维编织方式为单向编织；增强纤维排布方向与杆身轴线呈锐角，该锐角在30°至60°之间。

进一步，杆身上设置有两个扭转驱动器，两者以杆身自身的对称平面为对称平面对称地设置在杆身上，分别为左侧形状记忆合金扭转驱动器和右侧形状记忆合金扭转驱动器；编织的形状记忆合金丝与杆身轴线呈一锐角，该锐角范围在45°至75°之间。

本发明的有益效果在于：

本发明在现有金属横向稳定杆基础上，提出一种基于形状记忆合金超弹性效应的应用于汽车悬架的具有主动变刚度功能的复合材料横向稳定杆结构及其制备方法。利用记忆合金超弹性效应，其可根据具体工况主动提供相匹配的侧倾角刚度，进而保证整车抗侧倾功能及操纵稳定性在不同工况下维持在最佳的水平。

主动横向稳定杆采用了采用纤维增强树脂基复合材料。在相同刚度的前提下，复合材料横向稳定杆的重量可比金属横向稳定杆轻40%以上。此外，由于复合材料具有比强度、比模量高，不生锈、具有一定的阻尼等优越特性，因此复合材料横向稳定杆的储能能力及衰减振动的能力也比金属横向稳定杆好。

附图说明

图1为本发明提供的一种无转换接头的横向稳定杆结构示意图；

图2为本发明提供的一种有转换接头的横向稳定杆结构示意图；

图3为本发明提供的一种实心杆身横截面图；

图4为本发明提供的一种安装有形状记忆合金扭转驱动器的实心杆身横截面图；

图5为本发明提供的一种空心杆身横截面图；

图6为本发明提供的一种安装有形状记忆合金扭转驱动器的空心杆身横截面图；

图7本发明提供的一种为形状记忆合金扭转驱动器的结构示意图；

图8为图2的局部放大图；

图9为本发明提供的一种稳定杆杆身末端花键内部结构示意；

图10为本发明提供的一种可主动变刚度的复合材料横向稳定杆的信号流程图。

其中：1.最外包裹层；2.中间包裹层；3.中心层；4.杆身；5.转换接头；6.平纹布；7.单向布；8. 形状记忆合金扭转驱动器；9. 镍钛形状记忆合金丝；10.玻璃纤维；11.强芯毡；12.尼龙骨架；13.定位环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，一种横向稳定杆，其包括杆身4和安装在其杆身4上的左侧形状记忆合金扭转驱动器8和右侧形状记忆合金扭转驱动器8。

杆身4形状呈U形，且其横截面为圆形，横向稳定杆的杆身4包括中心层3和包裹在中心层3外的两层包裹层，分别为最外包裹层1和中间包裹层2；所述包裹层由增强纤维编织而成的复合材料组成。

如图3、图4、图5、图6所示，由于横向稳定杆的最外表面的受力条件最为恶劣，因此最外包裹层1中的复合材料内增强纤维编织方式采取平纹编织方式，即经向和纬向的增强纤维交叉编织形成平纹布6；这种平纹布6不但可以保证杆身4的强度，而且能使杆身4通过整体编织的增强纤维包覆起来，进而增强杆身4的疲劳寿命及抗冲击性能。

最外包裹层1的增强纤维选择为S-玻璃纤维。

为了使横向稳定杆具有最佳的抗扭转性能及疲劳可靠性，因此在最外包裹层1的内侧添加一层中间包裹层2，形成两层包裹层，包裹在中心层3外，其中，中间包裹层2中的复合材料内增强纤维编织方式为单向编织，即增强纤维单向排列形成单向布7。

根据材料力学，扭转变形条件下，当增强纤维排布方向与杆身4轴线呈一锐角时，该锐角范围在30°至60°之间，尤其是当锐角角度为45°时，能充分发挥增强纤维高强度、高模量特性，因此平纹布6的经向和纬向增强纤维与杆身4轴线呈45°，单向布7的增强纤维排布方向与杆身4轴线呈45°。

根据使用环境所要求横向稳定杆的强度及疲劳寿命，选择横向稳定杆中处于中心位置的中心层3是否填充。

如图3、图4所示，当横向稳定杆用于大型SUV车型等载荷较大的车型中时，为了提高横向稳定杆的抗扭转能力和疲劳寿命，则其处于中心位置的中心层3需要填充，此时该横向稳定杆为实心结构；该中心层3选择为具有一定弹性的聚氨酯或橡胶材料，利用聚氨酯或橡胶材料的弹性变形，协调复合材料杆身4的内部变形，从而提高复合材料杆身4的抗扭转能力及疲劳寿命。

如图5、图6所示，当横向稳定杆用于载荷较小的小型车型时，在满足轻度和使用寿命的腔体下，为了提高总成的轻量化性能，则其处于中心位置的中心层3无需填充，此时该横向稳定杆为空心结构。

如图1、图2所示，两扭转驱动器以杆身4本身的对称平面为对称平面进行对称设置，分别为左侧形状记忆合金扭转驱动器8和右侧形状记忆合金扭转驱动器8

如图7所示，形状记忆合金扭转驱动器8为镍钛形状记忆合金丝9与玻璃纤维10混合编织形成的复合材料编织管，其套在横向稳定杆杆身4上；编织的镍钛形状记忆合金丝9与杆身4轴线呈一锐角，该锐角范围在45°至75°之间，尤其是当锐角角度为60°时，能获得较大的扭转能力。在制作的固化过程中，形状记忆合金扭转驱动器8与杆身4一体成型。

如图10所示，形状记忆合金扭转驱动器8的工作原理为：当形状记忆合金扭转驱动器8通电，其中的形状记忆合金即SMA通电温度升高，发生相变时，其产生回复应力，使稳定杆发生扭转变形，传感器读取变化数据，传递信息至车载计算机，计算机处理后，发出指令给形状记忆合金扭转驱动器8，从而改变驱动器的电流大小，进而控制变驱动器中形状记忆合金施加在横向稳定杆上的扭转力矩，保证整车抗侧倾功能及操纵稳定性。

因此，通过控制左右侧形状记忆合金扭转驱动器8内的记忆合金丝的编织方向，使左右侧形状记忆合金扭转驱动器8引起的扭转方向相反，可以使车架达到平衡。

部分车型的金属横向稳定杆出于可靠性的考虑，杆身4末端未设置接头结构，直接利用一段弯折的杆身4通过橡胶衬套与车架连接点连接。在这种情况下，直接将全部杆身4用复合材料制作即可。然而，如图1所示，部分车型的金属横向稳定杆末端采用开孔结构，通过橡胶垫或球头销与悬架导向臂连接，此时拟替换的复合材料横向稳定杆杆身4末端不可避免地需要设计开孔接头结构，而开孔部位是复合材料稳定杆杆身4的薄弱区域，因此需针对此应用场景中的横向稳定杆两端转换接头5结构进行重点设计，如图2所示。

如图9所示，针对此问题，发明的横向稳定杆两末端头连接有转换接头5，其中杆身4上设置有内花键，转换接头5上设置有外花键，内外花键配合，使得两者连接。其中，复合材料杆身4末端设花键处的铺层方案不变，并保持该区域与杆身4其他铺层增强纤维的连续性，以保证接头载荷的可靠传递。在此前提下，在杆身4末端的中心层3外引入强芯毡11等强化物，以填充杆身4末端凸出的花键，强芯毡11等强化物外被杆身4的包裹层铺层包覆，这样既可形成杆身4花键的几何结构，也可保证花键的载荷通过连续增强纤维传递，进而保证接头连接的可靠性。为保证结构的整体强度和可靠性，设计过程中还需对接头进行强度校核和可靠性分析。

如图8所示，为了在安装时容易定位，在横向稳定杆连接转换接头5附近设计定位环13，同样在左右车架连接点上也对应设置有定位环13。

上述具有主动变刚度功能的横向稳定杆通过如下工艺制备：

一、选材。

增强纤维根据成本及性能要求选用单向增强纤维预浸料或平纹编织增强纤维预浸料，树脂采用增强增韧环氧树脂或聚氨酯树脂或其他适应模压、拉挤或RTM工艺的树脂体系。对于形状记忆合金驱动器，选择高相变温度并经过训练的镍钛形状记忆合金与高强度玻璃纤维10作为原料。

二、根据设计的横向稳定杆尺寸形状，制备横向稳定杆预成型体。

①根据设计需要，制备横向稳定杆各组件。

根据设计需要，裁切用于制作包裹层的不同编织方式的增强纤维预浸料，增强纤维预浸料为增强纤维编织而成的复合材料的半制品，将其裁切为与复合材料横向稳定杆的铺层长度、宽度相适应的形状，即其宽度与复合材料横向稳定杆轴线长度相同，长度与复合材料横向稳定杆的铺层层数有关，而铺层层数由复合材料横向稳定杆的刚度决定。

如果杆身4末端设计有花键，则裁切强芯毡11，其规格根据花键空腔的填充需要确定。

②根据设计需要，拼接横向稳定杆杆身4各组件。将裁切后的增强纤维预浸料卷曲在预先准备的聚氨酯棒上，形成预成型体，并用绑带扎节以防止预成型体散开。

③如果稳定杆设计花键，则拼接横向稳定杆末端的花键结构。将预先裁切好的强芯毡11等强化物插入预成型体末端的铺层内部。由于预成型体末端的铺层为确定的，因此需引入尼龙制作的花键成型骨架将强芯毡11及原有铺层撑起，以形成花键形状。为防止端部铺层撑起影响杆身4整体铺层状态，在拟形成花键区域边界处用高强度绑带扎节，该绑带随预成型体一起固化在复合材料杆身4中。若复合材料横向稳定杆为如图1所示的无转换接头5设计，则省略该步骤。

④组合杆身4与形状记忆合金扭转驱动器8。将镍钛形状记忆合金与玻璃纤维10混合编织的复合材料编织物预浸料缠绕在上几步完成的复合材料杆身4上并用高强度绑带扎节。

三、固化横向稳定杆成型。

①横向稳定杆预成型体置入模具。

将制得的预成型体按照预定位置放置在模具内模上，模腔形状与复合材料杆身4形状相对应。

②模具内注入树脂。

将外模合模，向模具内进一步注射树脂，使树脂充分浸润预成型体，并根据所选树脂的固化曲线选取合适的温度及模具压力，使复合材料横向稳定杆固化成型。

四、后固化及后处理。

①脱模固化。

在复合材料横向稳定杆完成固化成型并脱模后，将其放入恒温箱内，在120℃温度下后固化2小时。

②横向稳定杆打磨。

在完成后固化处理后，对其进行去毛刺及打磨处理，杆身4为空心结构时，对涉及可溶性结构的复合材料杆身4形式，进行化学试剂融溶处理，以将杆身4内部的可溶性结构溶解掉，制得最终复合材料杆身4。

五、如需安装定位环13，则根据设计需要，安装。

在复合材料杆身4制备完全后，将定位环13沿杆身4套入，在目标位置涂抹高强度粘接剂，使定位环13固定于杆身4上。

六、如果稳定杆连接有花键，则根据设计需要，制备并装配转接接头。

①制备转换接头5。

通过压铸、机械加工、热处理等手段制备金属转接接头。

②装配转换接头5。

将金属转接接头花键配合面上涂抹高强度粘接剂，并将金属转接接头花键配合面与复合材料杆身4的花键表面配合装配，实现包括粘接及机械连接的混合连接。

至此，主动变刚度的复合材料横向稳定杆制备完成。

以上是本发明优选实施方式，在本发明构思前提下所做出若干其他简单替换和改动，都应当视为属于本发明的保护范畴。

Claims (10)

1.一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法，其特征在于：制备方法步骤如下所述，

步骤一、根据设计的横向稳定杆尺寸形状，制备横向稳定杆预成型体：制备横向稳定杆的杆身的包裹层、中心层和形状记忆合金扭转驱动器组件，拼接形成横向稳定杆杆身和形状记忆合金扭转驱动器，并将两者装配起来，形成横向稳定杆预成型体；

步骤二、固化横向稳定杆成型：横向稳定杆预成型体置入模具，向模具内注入树脂；

步骤三、横向稳定杆后固化及后处理。

2.根据权利要求1所述的一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法，其特征在于：步骤一中，裁切不同编织方式的增强纤维预浸料，并将其依次由内而外的包裹在预先准备的制作中心层的材料棒上，形成初步的包裹层，从而形成横向稳定杆杆身预成型体；步骤一中，将形状记忆合金与玻璃纤维混合编织的复合材料编织物预浸料缠绕在杆身预成型体上并用高强度绑带扎节。

3.根据权利要求1或2所述的一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法，其特征在于：步骤一中，横向稳定杆为实心结构时，则用聚氨酯或橡胶材料作为中心层填充；横向稳定杆为空心结构时，则用可溶性材料作为中心层填充，稳定杆成型后将其溶解。

4.根据权利要求1或2所述的一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法，其特征在于：步骤三中，将成型的横向稳定杆脱模并进一步固化，完成后进行抛光打磨；若制作空心稳定杆则需去除中心层中填充的材料。

5.根据权利要求1或2所述的一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法，其特征在于：步骤一中，增加制备并拼接横向稳定杆末端的花键结构步骤；增加步骤四，根据设计需要，制备并装配转接接头于稳定杆末端。

6.根据权利要求5所述的一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法，其特征在于：横向稳定杆末端的花键结构其制作工艺为,裁切用于制作花键的强芯毡，将强芯毡插入横向稳定杆预成型体末端内部，在拟形成花键区域边界处用高强度绑带扎节，该绑带随横向稳定杆预成型体一起固化在杆身中；步骤四中，制备金属转接接头，将金属转接接头花键配合面上涂抹高强度粘接剂，并将金属转接接头花键配合面与复合材料杆身的花键表面配合装配，实现包括粘接及机械连接的混合连接。

7.根据权利要求1所述的一种可主动变刚度的横向稳定杆制备方法，其特征在于：步骤二中，固化用的树脂采用增强增韧环氧树脂或聚氨酯树脂或其他适应模压、拉挤或RTM工艺的树脂体系。

8.一种稳定杆，其特征在于：该稳定杆由权利要求1至7任意一项所述的可主动变刚度的横向稳定杆制备方法制得：制得的横向稳定杆包括杆身和安装在其杆身上的形状记忆合金扭转驱动器；横向稳定杆的杆身包括中心层和包裹在中心层外的两层包裹层；包裹层为增强纤维编织而成的复合材料；杆身为实体或者内部空心结构；形状记忆合金扭转驱动器为形状记忆合金丝与玻璃纤维混合编织形成的复合材料编织管。

9.根据权利要求8所述的一种稳定杆，其特征在于：最外层的包裹层中的增强纤维编织方式为平纹编织，其内侧的中间包裹层中的增强纤维编织方式为单向编织；增强纤维排布方向与杆身轴线呈锐角，该锐角在30°至60°之间。

10.根据权利要求8所述的一种稳定杆，其特征在于：杆身上设置有两个扭转驱动器，两者以杆身自身的对称平面为对称平面对称地设置在杆身上，分别为左侧形状记忆合金扭转驱动器和右侧形状记忆合金扭转驱动器；编织的形状记忆合金丝与杆身轴线呈一锐角，该锐角范围在45°至75°之间。

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