CN112161012A - 一种具有中空结构的复合材料板簧 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有中空结构的复合材料板簧，既能够实现板簧外部尺寸的一致性，同时保证板簧的刚度和强度满足要求，提高复合材料板簧模具的通用性，本发明的技术方案在于：所述板簧由多层复合材料的预浸料通过剪裁、铺层后压制成型，板簧为等厚度、等宽度的板状结构，板簧内部设有两个对称分布的空腔。

Description

一种具有中空结构的复合材料板簧
技术领域
本发明涉及板簧制造技术领域，具体为一种具有中空结构的复合材料板簧。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料板簧在轻量化、平顺性、噪声衰减性、抗疲劳性等方面比钢板弹簧具有明显的优势，因此在汽车领域等到越来越广泛的应用。目前生产复合材料板簧的生产工艺有模压、缠绕、高压RTM等方法，模压法在成本、成型质量、制造效率等方面具有显著的优势，因此在复合材料板簧制造领域使用最广泛。
目前板簧设计基本为变截面设计，在达到板簧需要的强度、刚度的同时可降低板簧的重量。例如，US4557500B公开了一种由纤维复合材料制成的板式弹簧,该板弹簧从俯视角度来看中间窄两头宽，即采取的变厚度，等截面积设计；CN IO4029579A公开了一种板端软固定单片复合材料板簧悬架结构，其中复合材料单片簧为中部为等截面,中部到前端和中部到后端的区段截面呈从大到小抛物线变化的设计；CN 204077274U公开了一种等截面积的复合材料板簧结构主体部分是从中间向两端沿着长度方向的宽度由窄逐渐变宽；厚度由厚逐渐变薄,使其横截面积始终相等；公开号CN110682556A公开的一种变宽度不等厚复合材料板簧模压工艺方法。
这些现有技术所涉及的复合材料板簧表现为外表尺寸变化的实心结构。在制造过程中，为了实现变截面的结构，模具型腔会与产品的截面进行匹配设计，这样就造成了模具的通用性不强，进行系列化多品种板簧生产时，势必会增加模具开发的种类和费用，增加产品开发的周期。
发明内容
本发明提供了一种具有中空结构的复合材料板簧，既能够实现板簧外部尺寸的一致性，同时保证板簧的刚度和强度满足要求，提高板簧模具的通用性。
本发明的技术方案在于：
所述板簧由多层复合材料的预浸料通过剪裁、铺层后压制成型，板簧为等厚度、等宽度、等长度的板状结构，板簧内部设有两个对称分布的空腔。
所述板簧的预浸料由板簧最上层向下依次为完整预浸料层、空腔长度渐变预浸料层、空腔定长预浸料层、空腔长度渐变预浸料层及完整预浸料层，所述完整预浸料层包括多层预浸料，为未经过中空剪裁的预浸料；所述空腔长度渐变预浸料层和空腔定长预浸料层均包括多层预浸料，该多层预浸料上均开设有两个对称分布的方孔，且空腔长度渐变预浸料层的方孔长度由完整预浸料层向空腔定长预浸料层方向逐渐增大，空腔定长预浸料层的方孔长度相等，且大于等于空腔长度渐变预浸料层的最大方孔长度；所述空腔长度渐变预浸料层和空腔定长预浸料层方孔的宽度相等。
以板簧下表面中心点为原点，沿板簧长度方向为X轴，垂直于板簧承载面的方向为Z轴建立坐标系，以板簧空腔上靠近Z轴的一侧为空腔首端，远离Z轴的一侧为空腔末端，则板簧x处的最大应力为：
Figure BDA0002643844700000021
其中，x为板簧上垂直于X轴且平行于Z轴的截面到Z轴的垂直距离，P为板簧满载载荷，σ1为复合材料板簧中复合材料沿纤维长度方向的许用应力强度，为了保证板簧的可靠性，x处的最大应力σ11不能超过许用应力强度σ1，即σ11≤σ1，L1为板簧作用长度，L2为车体上用于固定板簧的U形螺栓盖板的长度，L3为车体上的负簧支架投影到板簧上的长度值，B为板簧的宽度值，b为空腔宽度值，h3为板簧厚度值，h4为板簧空腔首端的厚度值，h5为板簧空腔末端的厚度值；x4为板簧空腔首端到Z轴的垂直距离，x5为板簧空腔末端到Z轴的垂直距离，x4<x<x5；
所述板簧预浸料层的总层数
Figure BDA0002643844700000022
d为预浸料的平均厚度值；
需要进行方孔裁剪的预浸料层数为
Figure BDA0002643844700000023
空腔定长预浸料层的层数为
Figure BDA0002643844700000024
空腔定长预浸料层的空腔长度为Ln1＝x5-x4；
板簧总长度为L，则
L＝L1+L3；
x4＝L2/2；
x5＝L1/2-L3；
h5∈[h3/3，h3/2]；
b＝∈[B/3,B/2]；
空腔长度渐变预浸料层的方孔长度Ln2为以Ln1＝x5-x4为初始值，以
Figure BDA0002643844700000031
为公差的等差递减数列；
根据梁弯曲的挠度计算公式，能够得到板簧总的变形量为w(x)＝f，f为板簧在满载载荷P作用下的变形量，则：
Figure BDA0002643844700000032
同一块预浸料层上的两个空腔沿板簧长度方向排列，Z轴同侧的空腔的末端纵向对齐。
上述方案的有益效果在于：
1、该复合材料板簧内部为中空变截面，是为了具备上述变截面板簧的刚度强度可设计的功能，即在允许减薄的部位内置空结构，同时满足板簧等应力设计和刚度需求。
2、产品整体外部截面为等宽度、等厚度、等长度设计、模具通用性强，可有效节省产品开发的周期、降低模具开发费用、提高生产效率。
3、产品外部设计为等宽度、等厚度设计，预浸料下料时可以不切断0度方向的纤维，产品疲劳寿命高。
附图说明
图1和图2为现有技术中的钢板弹簧的结构示意图。
图3和图4为本发明所述复合材料板簧的结构示意图。
图5为本发明所述复合材料板簧的预浸料层叠结构示意图。
图6为将本发明所述复合材料板簧近似为平直板件后，其各部位参数与结构的位置关系示意图。
图7为本发明所述复合材料板簧的空腔结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的实施例。
如图1所示，本实施例提供了一种具有中空结构的复合材料板簧，由多层纤维增强树脂基复合材料的预浸料通过剪裁、铺层后压制成型，板簧为等厚度、等宽度、等长度的板状结构，板簧内部设有两个对称分布的空腔1。
所述板簧的预浸料由板簧最上层向下依次为完整预浸料层2、空腔长度渐变预浸料层3、空腔定长预浸料层4、空腔长度渐变预浸料层3及完整预浸料层2，所述完整预浸料层包括多层预浸料，为未经过中空剪裁的预浸料；所述空腔长度渐变预浸料层和空腔定长预浸料层均包括多层预浸料，该多层预浸料上均开设有两个对称分布的方孔，且空腔长度渐变预浸料层的方孔长度由完整预浸料层向空腔定长预浸料层方向逐渐增大，空腔定长预浸料层的方孔长度相等，且大于等于空腔长度渐变预浸料层的最大方孔长度；所述空腔长度渐变预浸料层和空腔定长预浸料层方孔的宽度相等。
上述结构板簧的各项尺寸计算方法如下：
以板簧下表面中心点为原点，沿板簧长度方向为X轴，垂直于板簧承载面的方向为Z轴建立坐标系，以板簧空腔上靠近Z轴的一侧为空腔首端7，远离Z轴的一侧为空腔末端8，则板簧x处的最大应力为：
Figure BDA0002643844700000051
其中，x为板簧上垂直于X轴且平行于Z轴的截面到Z轴的垂直距离，P为板簧满载载荷，σ1为复合材料板簧中复合材料沿纤维长度方向的许用应力强度，为了保证板簧的可靠性，x处的最大应力σ11不能超过许用应力强度σ1，即σ11≤σ1，L1为板簧作用长度，L2为车体上用于固定板簧的U形螺栓盖板5的长度，L3为车体上的负簧支架投影到板簧上的区域6的长度值，B为板簧的宽度值，b为空腔宽度值，h3为板簧厚度值，h4为板簧空腔首端7的厚度值，h5为板簧空腔末端8的厚度值；x4为板簧空腔首端7到Z轴的垂直距离，x5为板簧空腔末端8到Z轴的垂直距离，x4<x<x5；
所述板簧预浸料层的总层数
Figure BDA0002643844700000052
需要进行方孔裁剪的预浸料层数为
Figure BDA0002643844700000053
空腔定长预浸料层的层数为
Figure BDA0002643844700000054
空腔定长预浸料层的空腔长度为Ln1＝x5-x4；⑤
板簧总长度为L，则
L＝L1+L3；⑥
x4＝L2/2；⑦
x5＝L1/2-L3；⑧
h5∈[h3/3，h3/2]；⑨
b＝∈[B/3,B/2]；⑩
空腔长度渐变预浸料层的方孔长度Ln2为以Ln1＝x5-x4为初始值，以
Figure BDA0002643844700000055
Figure BDA0002643844700000056
为公差的等差递减数列；其中，d为预浸料的平均厚度值；
根据梁弯曲的挠度计算公式，能够得到板簧总的变形量为w(x)＝f，f为板簧在满载载荷P作用下的变形量，则：
Figure BDA0002643844700000061
其中，同一块预浸料层上的两个空腔沿板簧长度方向排列，Z轴同侧的空腔的末端纵向对齐。
在上述计算过程中，有以下参数为已知量：
板簧满载载荷P；
复合材料板簧中复合材料沿纤维长度方向的许用应力强度σ1，在上述计算过程中，取σ11＝σ1，以最大限度发挥材料性能；
板簧作用长度L1；
车体上用于固定板簧的U形螺栓盖板的长度L2；
车体上的负簧支架投影到板簧上的长度值L3；
板簧的宽度值B；
板簧厚度值h3；
先根据公式⑨，在[h3/3，h3/2]范围内选择h5的任意值，在根据步骤①得出b的对应值，以及h4的对应值，再将上述参数代入公式
Figure BDA0002643844700000062
中得出板簧总变形量，判断该变形量是否与实际所需求的变形量相符合。若该变形量不满足实际需求，则根据公式⑨，在范围内调整h5的值，再计算变形量，直至找到符合要求的值即可。
综上所述，本实施例提供的一种具有中空结构的复合材料板簧，采用复合材料在轻量化、平顺性、噪声衰减性、抗疲劳性等方面比钢板弹簧具有明显的优势。采用内部中空变截面，外部尺寸等宽度、等厚度、等长度的的结构，使得板簧具备上述变截面板簧的刚度强度可设计的功能，即在允许减薄的部位内置空结构，同时满足板簧等应力设计和刚度需求；该复合材料板簧外表截面等宽度、等厚度是为了满足模具的通用性，即同一个宽度系列的板簧，通过调整模具上下模的限位块，可以满足不同厚度板簧的制造。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有中空结构的复合材料板簧，其特征在于：所述板簧由多层复合材料的预浸料通过剪裁、铺层后压制成型，板簧为等厚度、等宽度的板状结构，板簧内部设有两个对称分布的空腔。
2.根据权利要求1所述的复合材料板簧，其特征在于：所述板簧的预浸料由板簧最上层向下依次为完整预浸料层、空腔长度渐变预浸料层、空腔定长预浸料层、空腔长度渐变预浸料层及完整预浸料层，所述完整预浸料层包括多层预浸料，为未经过中空剪裁的预浸料；所述空腔长度渐变预浸料层和空腔定长预浸料层均包括多层预浸料，该多层预浸料上均开设有两个对称分布的方孔，且空腔长度渐变预浸料层的方孔长度由完整预浸料层向空腔定长预浸料层方向逐渐增大，空腔定长预浸料层的方孔长度相等，且大于等于空腔长度渐变预浸料层的最大方孔长度；所述空腔长度渐变预浸料层和空腔定长预浸料层方孔的宽度相等。
3.根据权利要求2所述的复合材料板簧，其特征在于：
以板簧下表面中心点为原点，沿板簧长度方向为X轴，垂直于板簧承载面的方向为Z轴建立坐标系，以板簧空腔上靠近Z轴的一侧为空腔首端，远离Z轴的一侧为空腔末端，则板簧x处的最大应力为：
Figure FDA0002643844690000011
其中，x为板簧上垂直于X轴且平行于Z轴的截面到Z轴的垂直距离，P为板簧满载载荷，σ1为复合材料板簧中复合材料沿纤维长度方向的许用应力强度，为了保证板簧的可靠性，x处的最大应力σ11不能超过许用应力强度σ1，即σ11≤σ1，L1为板簧作用长度，L2为车体上用于固定板簧的U形螺栓盖板的长度，L3为车体上的副簧支架投影到板簧上的长度值，B为板簧的宽度值，b为空腔宽度值，h3为板簧厚度值，h4为板簧空腔首端的厚度值，h5为板簧空腔末端的厚度值；x4为板簧空腔首端到Z轴的垂直距离，x5为板簧空腔末端到Z轴的垂直距离，x4<x<x5；
所述板簧预浸料层的总层数
Figure FDA0002643844690000021
其中，d为预浸料的平均厚度值；
需要进行方孔裁剪的预浸料层数为
Figure FDA0002643844690000022
空腔定长预浸料层的层数为
Figure FDA0002643844690000023
空腔定长预浸料层的空腔长度为Ln1＝x5-x4；
板簧总长度为L，则
L＝L1+L3/2+L3/2＝L1+L3；
x4＝L2/2；
x5＝L1/2-L3；
h5∈[h3/3，h3/2]；
b＝∈[B/3,B/2]；
空腔长度渐变预浸料层的方孔长度Ln2为以Ln1＝x5-x4为初始值，以
Figure FDA0002643844690000024
为公差的等差递减数列；
根据梁弯曲的挠度计算公式，能够得到板簧总的变形量为w(x)＝f，f为板簧在满载载荷P作用下的变形量，则：
Figure FDA0002643844690000025
4.根据权利要求3所述的复合材料板簧，其特征在于：同一块预浸料层上的两个空腔沿板簧长度方向排列，Z轴同侧的空腔的末端纵向对齐。
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