CN113427788B - 一种双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法，其其包括如下工艺步骤：1)，选材：2)，制备预成型体：3)，固化成型：4)，弧形处理：5)，后处理及表面喷涂，最终制得复合材料弧形弹簧。本发明的复合材料弧形弹簧制备方法采用具有良好强度、耐磨性、耐热、耐磨损、耐酸碱腐蚀和自润滑性的热塑性树脂与碳纤维通过拉挤成型工艺与热压成型工艺制备圆柱螺旋弹簧，通过加热至变形温度进行弧形处理，再通过在表面喷涂高韧性耐磨材料提高弧形弹簧的耐磨性，延长弧形弹簧的寿命。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种弹簧的制备方法，具体涉及一种双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法，其应用于汽车双质量飞轮中，属于螺旋弹簧技术领域。
【背景技术】
碳中和与能源问题已经成为已成为时下火热的话题，汽车发动机热效率已经到达一个瓶颈，轻量化就成为现代汽车节能减排的重要趋势。弧形弹簧作为汽车双质量飞轮中关键零部件之一，在降低车身震动提高行车平顺性与乘坐舒适性中扮演者一个重要的角色。
复合材料弧形弹簧是采用纤维增强树脂基复合材料制作的弧形弹簧。在与传统的弧形弹簧有相同刚度的前提下，复合材料弧形弹簧可比金属弧形弹簧轻40％以上。双质量飞轮的减振效果主要是通过质量块的惯性实现的，降低弧形弹簧质量，不但会降低质量块能量传递过程中的能量的损耗，也会降低振动水平。同时，复合材料弹簧还会引入一定的阻尼，缓冲减震效果更好，此外复合材料具有比强度、比模量高，不生锈等特性。因此，复合材料弧形弹簧的综合性能明显优于金属弧形弹簧，具有良好的应用前景。
因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法，以克服现有技术中的所述缺陷。
【发明内容】
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种工艺简单，流程方便的复合材料弧形弹簧制备方法，其制得的弧形弹簧不但具有质量轻(减重40％以上)、结构件一体成型、耐磨等优点，而且能显著提升发动机运行品质与汽车乘坐舒适性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法，其包括如下工艺步骤：
1)，选材：选用碳纤维丝，以及热塑性树脂作为制作材料；
2)，制备预成型体：首先，采用拉挤工艺制备簧丝纤维芯轴；然后，采用环形编织机编织弧形弹簧簧丝预成型体；
3)，固化成型：将编织好的簧丝预成型体缠绕到模具内模中；然后，将外模合模，加热固化；
4)，弧形处理：在双质量飞轮弹簧完成固化成型并脱模后，将其加热至变形温度以上，通过弧形弹簧夹具或模具按照所需半径进行弧形处理，保温消除内应力；
5)，对弧形处理后的弹簧进行毛刺处理及打磨处理，通过喷涂工艺对表面喷涂具有高韧性高耐磨的材料，最后制得复合材料弧形弹簧。
本发明的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法进一步为：所述步骤1)中，碳纤维能替换成玻璃纤维或玄武岩纤维。
本发明的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法进一步为：所述步骤1)中，所述树脂采用聚醚砜树脂(PES)、或聚醚醚酮树脂(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)或适应模压、拉挤、缠绕或RTM工艺的树脂。
本发明的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法进一步为：所述步骤2)中，采用拉挤工艺，用粘流态热塑性树脂浸润碳纤维束，放入预成型装置制备碳纤维簧丝芯轴；然后，将芯轴安装固定到环形编织机，按照±45°编织角度编织弧形弹簧簧丝预成型体。
本发明的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法进一步为：所述步骤2)中，环形编织层数由预成型体簧丝直径确定，预成型体簧丝直径略大于固化后弧形弹簧簧丝直径。
本发明的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法进一步为：所述步骤3)中，将模具加热至热塑性树脂成型温度以上，向模具内注射粘流态热塑性树脂，使树脂充分浸润预成型体，进行保温保压，15-60min后自动降温至玻璃化温度90-150℃，再次保温保压，使弹簧固化成型。
本发明的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法进一步为：所述步骤3)中，所述模具的内模由石膏或若干内模模组组成。
本发明的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法进一步为：所述步骤4)中，弧形弹簧夹具包括夹具弹簧座、夹具滑块、滑块导轨以及丝杠；其中，弹簧夹持于夹具弹簧座上；所述夹具弹簧座安装于夹具滑块上；所述夹具滑块和滑块导轨相配合；所述丝杠和夹具滑块相啮合，其能驱动夹具滑块沿滑块导轨移动。
本发明的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法进一步为：所述步骤5)中，所述高韧性高耐磨的材料为氧化钇、氧化锆。
本发明的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法还可为：所述步骤5)制得的弧形弹簧可通过在弧形弹簧外侧增设滑块；所述弧形弹簧包括由内而外设置的芯轴、编织层以及耐磨涂层。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明采用连续纤维作为复合材料弧形弹簧的芯轴，使得弹簧的强度、寿命得到了提高，同时与编织形成的±45°编织层共同作用下，是复合材料的力学性能得到充分地发挥。
2.本发明采用热塑性树脂自身具有耐热、耐磨、自润滑等特点，辅以表面涂层增加复合材料弧形弹簧耐磨性，提高复合弧形弹簧使用寿命。
3.本发明提供的复合材料弧形弹簧，降低弧形弹簧质量，可达40％以上，不但会降低质量块能量传递过程中的能量的损耗，也会降低振动水平，同时，复合材料弹簧还会引入一定的阻尼，缓冲减震效果更好，显著提升汽车悬架的动力学性能及整车舒适性。此外复合材料具有比强度、比模量高，不生锈等特性。
【附图说明】
图1是本发明的带滑块的复合材料弧形弹簧应用于双质量飞轮的示意图。
图2是本发明的不带滑块的复合材料弧形弹簧应用于双质量飞轮的示意图。
图3是本发明的弧形弹簧的截面图。
图4是图1中滑块的结构示意图。
图5是本发明步骤4)中的弧形夹具的结构示意图。
【具体实施方式】
请参阅说明书附图1至附图5所示，本发明为一种双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法，其包括如下工艺步骤：
1)，选材：选用碳纤维丝，以及热塑性树脂作为制作材料：
其中，所述碳纤维能替换成玻璃纤维或玄武岩纤维。所述树脂采用聚醚砜树脂(PES)、或聚醚醚酮树脂(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)或适应模压、拉挤、缠绕或RTM工艺的树脂，该类树脂在固化后依然可以通过加热到变形温度以上来改变原来形状，起到二次成型的作用。
2)，制备预成型体：首先，采用拉挤工艺制备簧丝纤维芯轴；然后，采用环形编织机编织弧形弹簧簧丝预成型体；
具体的说，按照芯轴所需尺寸，采用拉挤工艺，预先制备成圆柱形芯轴，用粘流态热塑性树脂浸润碳纤维束，放入预成型装置制备碳纤维簧丝芯轴，方便后续安装到编织机进行编织或者安装到缠绕机上进行缠绕。然后，将固化后的芯轴安装固定到环形编织机，按照±45°编织角度编织弧形弹簧簧丝预成型体。
其中，环形编织层数由预成型体簧丝直径确定，预成型体簧丝直径略大于固化后弧形弹簧簧丝直径。
3)，固化成型：将编织好的簧丝预成型体缠绕到模具内模中；然后，将外模合模，加热固化。
具体的说，首先，将编织好的簧丝预成型体进行加热，加热温度设定在树脂粘流态温度之间，让固化的芯轴充分软化，达到可以随意弯曲的状态。
再将软化之后的簧丝预成型体缠绕到预先制备好的弹簧内模上，内模可以是组合模具、石膏内模等方便将弹簧取出的模具。合上外模，向模具内注入粘流态树脂，使树脂充分浸润预成型体，根据不同热塑性树脂温度固化曲线与压力，先在成型温度下保温保压一定时间(15-60min，具体按纤维浸润完全与否确定)，再转换到玻璃化温度(90-150℃)保温保压一定的时间，使弧形弹簧固化成型。
其中内模与外膜在缠绕之前事先通过加热将温度升高到树脂成型温度以上，防止在注射树脂时因为模具与树脂温差太大而影响弹簧表面的质量与性能。
4)，弧形处理：在双质量飞轮弹簧完成固化成型并脱模后，将其加热至变形温度以上，通过弧形弹簧夹具或模具按照所需半径进行弧形处理，保温消除内应力。
如图5所示，所述弧形弹簧夹具由夹具弹簧座10、夹具滑块11、滑块导轨12以及丝杠13等几部分组成。其中，弹簧夹持于夹具弹簧座10上；所述夹具弹簧座10安装于夹具滑块11上，并随夹具滑块11联动而对弹簧进行弧形处理。所述夹具滑块11和滑块导轨12相配合；所述丝杠13和夹具滑块11相啮合，其能驱动夹具滑块11沿滑块导轨12移动。
由于固化好的弹簧为圆柱形，需要通过弧形弹簧夹具或模具进行弧形处理。根据热塑性树脂的特性，将固化好的复合弹簧放入恒温箱加热到变形温度以上，此时弹簧处于高弹态，再将加热好的复合弹簧安装到弧形弹簧夹具，根据弧形弹簧实际的弧度与两端夹角，设置两端弹簧座10的转角到合适的角度，转动丝杠13控制夹具滑块11的位置使弹簧满足设计的弧度要求，固定好夹具位置，放入恒温箱在变形温度下保温一段时间，消除弹簧因弧形处理而产生的内应力。
5)，对弧形处理后的弹簧进行毛刺处理及打磨处理，表面光整以后，通过等离子喷涂工艺或其他喷涂方式对表面喷涂具有高韧性高耐磨的材料，最后制得复合材料弧形弹簧。
其中，高韧性高耐磨的材料如氧化钇、氧化锆等。制得的复合材料弧形弹簧由内而外设置的芯轴5、编织层6以及耐磨涂层7组成，并可通过在弧形弹簧外侧增设滑块，以提高复合材料弧形弹簧使用寿命。滑块材质可采用轻质耐磨金属如铝合金或工程塑料，根据实际工况在外侧等距布置一到多个滑块。
具体的说，由于家用轿车或轻型货车等载荷较小，复合弧形弹簧的工况相对较低，磨损较小，或弧形弹簧结构尺寸较小时，从轻量化考虑，可以采用图2所示的无滑块双质量飞轮结构，因表面涂有耐磨涂层，故不影响复合弧形弹簧2的使用寿命。对于重载货车、急加减速工况、高转速车型，双质量飞轮工况相对恶劣，可以使用图1所示结构，通过在弧形弹簧外侧加装轻质滑块1，降低复合弧形弹簧2与质量环3上的滑槽4接触，提高复合弧形弹簧。
根据材料力学可知，弹簧簧丝最外层工作条件最为恶劣，芯轴部分受力较小，为充分利用材料的性能，簧丝采用双层结构，如图3所示，簧丝的芯轴5为单向纤维束，起到增加弹簧强度与使用寿命；编织层6采用±45°编织层，对芯轴的包覆性更强，纤维密度更高，能提高弹簧的整体强度，材料性能得到充分的利用，进而提高复合弧形弹簧的寿命与极限工况下的承载能力。热塑性树脂固有耐磨、自润等特性，因为簧丝与滑槽为线接触，为提高弹簧整体耐磨性，在外表面喷涂高韧性的耐磨涂层7。
以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：
1)，选材：选用碳纤维丝，以及热塑性树脂作为制作材料；
2)，制备预成型体：首先，采用拉挤工艺制备簧丝纤维芯轴；然后，采用环形编织机编织弧形弹簧簧丝预成型体；
具体的说，采用拉挤工艺，用粘流态热塑性树脂浸润碳纤维束，放入预成型装置制备碳纤维簧丝芯轴；然后，将芯轴安装固定到环形编织机，按照±45°编织角度编织弧形弹簧簧丝预成型体；
3)，固化成型：将编织好的簧丝预成型体缠绕到模具内模中；然后，将外模合模，加热固化；
4)，弧形处理：在双质量飞轮弹簧完成固化成型并脱模后，将其加热至变形温度以上，通过弧形弹簧夹具或模具按照所需半径进行弧形处理，保温消除内应力；
所述弧形弹簧夹具包括夹具弹簧座、夹具滑块、滑块导轨以及丝杠；其中，弹簧夹持于夹具弹簧座上；所述夹具弹簧座安装于夹具滑块上；所述夹具滑块和滑块导轨相配合；所述丝杠和夹具滑块相啮合，其能驱动夹具滑块沿滑块导轨移动；
5)，对弧形处理后的弹簧进行毛刺处理及打磨处理，通过喷涂工艺对表面喷涂具有高韧性高耐磨的材料，如氧化钇、氧化锆等，最后制得复合材料弧形弹簧；
制得的弧形弹簧可通过在弧形弹簧外侧增设滑块；所述弧形弹簧包括由内而外设置的芯轴、编织层以及耐磨涂层。
2.如权利要求1所述的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，碳纤维能替换成玻璃纤维或玄武岩纤维。
3.如权利要求1所述的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述树脂采用聚醚砜树脂(PES)、或聚醚醚酮树脂(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)或适应模压、拉挤、缠绕或RTM工艺的树脂。
4.如权利要求1所述的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，环形编织层数由预成型体簧丝直径确定，预成型体簧丝直径略大于固化后弧形弹簧簧丝直径。
5.如权利要求1所述的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，将模具加热至热塑性树脂成型温度以上，向模具内注射粘流态热塑性树脂，使树脂充分浸润预成型体，进行保温保压，15-60min后自动降温至玻璃化温度90-150℃，再次保温保压，使弹簧固化成型。
6.如权利要求5所述的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述模具的内模由石膏或若干内模模组组成。
7.如权利要求1所述的双质量飞轮用复合材料弧形弹簧制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述高韧性高耐磨的材料为氧化钇、氧化锆。
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