CN113733593A - 一种主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法及通电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法，包括如下制备工艺步骤：1)，选材：2)，制备预成型体：3)，固化成型：4)，弧形处理：5)，后处理，最终制得主动变刚度复合材料弧形弹簧。本发明通过热塑性玻璃纤维预浸料与形状记忆合金制备芯轴，再将具有良好强度、耐磨性、耐热、耐酸碱腐蚀和自润滑性的热塑性树脂与玻璃纤维编制好预成型体后通过热压成型工艺制备圆柱螺旋弹簧，通过加热至变形温度对圆柱形螺旋弹簧进行弧形处理。同时，本发明提供一种双质量飞轮在高速旋转下给弧形弹簧供电的方法，使弧形弹簧刚度随着电流的改变而在一定范围内变化，使发动机在不同载荷下，双质量飞轮的工作状态保持在最佳状态。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种复合材料弧形弹簧的制备及通电方法，具体涉及一种主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法及通电方法，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时下火热的话题，汽车发动机热效率已经到达一个瓶颈，而汽车重量每降低10％，油耗也会降低若干个百分点，燃油经济性与动力性均得到了很大的提升，故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。
主动变刚度复合材料弧形弹簧是在纤维增强树脂基复合材料制作的弧形弹簧基础上，引入形状记忆合金，进而实现主动变刚度功能。在保持与传统的金属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，降低弧形弹簧自身的重量，不但会降低质量块能量传递过程中的能量损耗，也会降低双质量飞轮的整体振动水平；同时，复合材料弹簧自身会引入一定的阻尼，而形状记忆合金在加热之后会使主动变刚度复合材料弧形弹簧的阻尼进一步增大，进而进一步提升其缓冲减震效果。
此外，形状记忆合金具有热回复性，将其植入复合材料弧形弹簧后，通过改变形状记忆合金内的电流大小可调节其回复力的大小，进而达到控制复合材料弧形弹簧刚度的效果，最终让发动机在不同的载荷下保持最佳运转的同时增加汽车的行驶平顺性与乘客的乘坐舒适性。此外，复合材料具有比强度、比模量高、不生锈等特性，因此，主动变刚度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主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法及通电方法，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，操作方便的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法，其制得的弧形弹簧不但具有主动变刚度、质量轻(减重40％以上)、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
本发明的另一目的在于提供一种主动变刚度复合材料弧形弹簧的通电方法。
为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：一种主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法，其包括如下工艺步骤：
1)选材：形状记忆合金选用镍钛基记忆合金，相变区间在为 120-200℃区间；预浸料选用玻璃纤维单向布热塑性预浸料；编织纤维选用玻璃纤维；树脂选用热塑性树脂作为制作材料；
2)制备预成型体：首先，将形状记忆合金进行形状处理；然后，用预浸料卷制记忆合金，制备簧丝纤维芯轴；最后，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；将外模合模，注入树脂，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，通过制备弧形弹簧的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。
本发明的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法进一步为：所述步骤1)中，玻璃纤维能替换成玄武岩纤维。
本发明的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法进一步为：所述步骤1)中，树脂具体采用聚醚砜树脂(PES)、聚醚醚酮树脂(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)或适应模压、拉挤、缠绕、RTM 工艺的树脂。
本发明的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法进一步为：所述步骤2)中，对形状记忆合金的表面采用打磨、酸蚀、表面铺设纳米管等方法做粗糙处理；形状记忆合金丝形状按照弧形弹簧未受力时的形状进行处理。
本发明的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法进一步为：所述步骤2)中，卷制前形状记忆合金没有弯折，而卷制好的簧丝芯轴进行第一次固化；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，或用缠绕工艺加工出± 45°弧形弹簧簧丝预成型体。
本发明的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法进一步为：所述步骤2)中，卷制能替换成拉挤工艺，并用粘流态热塑性树脂浸润玻璃纤维-形状记忆合金束，放入预成型装置制备玻璃纤维簧丝芯轴；或者在形状记忆合金直径较大时，省去卷制或拉挤工艺，直接将形状记忆合金作为芯轴进行编织。
本发明的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法还可为：所述步骤3)中，将模具、预成型体加热至热塑性树脂成型温度以上，将预成型体缠绕在内模上，合上外模，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，模具内先在成型温度下保温保压一定时间(15-60min)，再降至到玻璃化温度(90-150℃) 保温保压一定时间(60-120min)，使弧形弹簧固化成型。
为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：一种主动变刚度复合材料弧形弹簧的通电方法，1)生产双质量飞轮质量块时在内部预留导线通道，用以连通飞轮质量块背部的圆环导通金属块与弹簧槽端部的导通金属块；
2)两端弹簧座内部预留导线通道，连通弹簧端部的形状记忆合金丝与弹簧座侧面的导通金属块；
3)飞轮两质量块背部的圆环导通金属块与碳刷接触，两个飞轮质量块的碳刷分别外接直流电源正负极，实现对弧形弹簧的通电；
4)工作时弧形弹簧两端始终分别与两部分飞轮质量块其中一个导通金属块连通，构成通电回路。
本发明的主动变刚度复合材料弧形弹簧的通电方法进一步为：所述导通金属块与圆环导通金属块采用耐磨、导电性能优异的铜合金，包括铬锆铜、钨铜。
本发明的主动变刚度复合材料弧形弹簧的通电方法还可为：两相互接触的导通金属块外表面高于所嵌入的凹槽表面；且圆环导通金属块、导通金属块与飞轮质量块之间进行绝缘处理。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明采用形状记忆合金与玻璃纤维预浸料结合的方式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，使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，可以保证复合材料弧形弹簧的使用寿命。
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，复合材料弹簧会引入一定的阻尼，而形状记忆合金在加热之后复合材料弧形弹簧阻尼会进一步增大，缓冲减震效果更好；此外，形状记忆合金通电加热之后会改变弧形弹簧的刚度，通过改变电流大小来调整弧形弹簧的刚度，让发动机在不同的载荷下保持最佳运转的同时增加汽车的行驶平顺性与乘客的乘坐舒适性；此外复合材料具有比强度、比模量高，不生锈等特性。
4.本发明提供的供电方法能在双质量飞轮在高速旋转下给弧形弹簧供电，使弧形弹簧刚度随着电流的改变而在一定范围内变化，使发动机在不同载荷下，双质量飞轮的工作状态保持在最佳状态。
【附图说明】
图1是本发明的主动变刚度复合材料弧形弹簧安装于双质量飞轮中的立体分解图。
图2为本发明的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法的流程图。
图3-1为图1中的第一质量飞轮的结构示意图。
图3-2为图3-1沿A-A的剖面图。
图3-3为图3-2的局部放大图。
图4-1为图1中的第二质量飞轮的结构示意图。
图4-2为图4-1沿B-B的剖面图。
图5为本发明采用合金丝与单向布组合芯轴的弹簧截面图。
图6为本发明仅采用合金丝为芯轴的弹簧截面图。
图7-1为图1中的弹簧座示意图。
图7-2为图7-1沿B-B的剖面图。
图8为本发明的主动变刚度复合材料弧形弹簧安装于双质量飞轮中通电示意图。
【具体实施方式】
请参阅说明书附图1至附图8所示，本发明为一种主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法，其包括如下工艺步骤：
1)选材：形状记忆合金选用镍钛基记忆合金，相变区间在为 120-200℃区间。预浸料选用玻璃纤维单向布热塑性预浸料，如采用图6的双层结构的簧时，可不用预浸料。编织纤维选用玻璃纤维，玻璃纤维也可替换成玄武岩纤维。树脂选用热塑性树脂作为制作材料。树脂具体可采用聚醚砜树脂(PES)、聚醚醚酮树脂 (PEEK)、聚苯硫醚(PPS)或适应模压、拉挤、缠绕、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，将形状记忆合金10进行形状处理；然后，用预浸料11卷制记忆合金10，制备簧丝纤维芯轴；最后，采用环形编织机编织弧形弹簧簧丝预成型体。
其中，为增加形状记忆合金与树脂的结合效果，需对形状记忆合金的表面进行处理，采用打磨、酸蚀、表面铺设纳米管等方法做粗糙处理；形状记忆合金丝形状按照弧形弹簧未受力时的形状进行处理，使形状记忆合金丝在任何变形下通过加热到相变温度区间均能回复到热处理时的形状。
卷制前形状记忆合金没有弯折，而卷制好的簧丝芯轴进行第一次加热固化，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。需要注意的是，加热时应将合金丝两端拉直固定，防止加热过程中合金丝回复到弧形弹簧的状态。
进一步的，卷制也可替换成拉挤工艺，确保形状记忆合金在纤维束中部，并用粘流态热塑性树脂浸润玻璃纤维-形状记忆合金束，放入预成型装置制备玻璃纤维簧丝芯轴；或者在形状记忆合金直径较大时，省去卷制或拉挤工艺，直接将形状记忆合金作为芯轴进行编织(如图6所示)。
具体的说，对于载荷变化不大的汽车，双质量飞轮以增加行驶平顺性与乘坐舒适性为目标，这就可以使弧形弹簧刚度在较小范围内变化，因此合金丝的尺寸可以选得较小，如形状记忆合金丝直径与簧丝直径比低于0.4。为满足编织要求，可以通过卷制、拉挤的方式在合金丝外表面增加单向纤维制成簧丝芯轴，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，其作用更多的是增加弹簧的强度，为充分利用材料的性能，簧丝采用三层结构，如图5所示，簧丝的内层10为形状记忆合金丝，起到改变弹簧刚度的作用；中间层11为单向层，增加弹簧的强度；最外层12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。对与载荷变化较大的汽车，如空载与满载差别较大的货车，需要有更大的刚度变化范围，所用的形状记忆合金直径较大，可采用图6所示的结构，内层10为形状记忆合金，外层12为±45°编织层。
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，或用缠绕工艺加工出±45°弧形弹簧簧丝预成型体。环形编织层数由固化后弧形弹簧簧丝直径确定，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；将外模合模，注入树脂，加热固化。
由于芯轴在制备预成型体时，芯轴做了第一次固化，故先对编织好的簧丝预成型体在树脂粘流态温度下进行加热，使固化的芯轴充分软化，达到可以随意弯曲的状态。此时合金丝在加热状态下能使预成型体变形到弧形弹簧的状态，根据预成型体的变形状态确定后续缠绕到模具上的方向，使合金丝缠绕时的形状尽量与模具保持相同。
待预成型体完全软化之后将其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。成型时，将模具、预成型体加热至热塑性树脂成型温度以上，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。将预成型体缠绕在内模上，合上外模，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，根据不同热塑性树脂温度固化曲线与压力，预成型体在模具内先在成型温度下保温保压一定时间(15-60min)，再降至到玻璃化温度(90-150℃)保温保压一定时间(60-120min)，使弧形弹簧固化成型。
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，通过制备弧形弹簧的夹具或模具按照所需半径进行弧形处理，保温消除内应力。
具体的说，固化好的弹簧为圆柱形，需要通过弧形夹具进行弧形处理。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夹具，调整好弧度之后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，使表面光整，从而制得主动变刚度复合材料弧形弹簧。
请参阅说明书附图1所示，其为一种双质量飞轮，其由圆环导通金属块1、第二质量飞轮3、弧形弹簧4、弹簧座5、第一质量飞轮6以及导通金属块7等几部分组成。
采用上述制备方法制备的主动变刚度复合材料弧形弹在安装于双质量飞轮中时，其通电方法为：
1)生产双质量飞轮质量块时在内部预留导线通道8，用以连通飞轮质量块背部的圆环导通金属块1与弹簧槽端部的导通金属块7。
其中，所述导通金属块7与圆环导通金属块1采用耐磨、导电性能优异的铜合金，包括铬锆铜、钨铜。两相互接触的导通金属块外表面高于所嵌入的凹槽表面，避免出现接触不良情况。且圆环导通金属块1、导通金属块7与飞轮质量块3、6之间进行绝缘处理，防止出现直流电传递至整个飞轮。
2)两端弹簧座5内部预留导线通道8，连通弹簧端部的形状记忆合金丝10与弹簧座5侧面的导通金属块7；
3)飞轮两质量块3、6背部的圆环导通金属块1与碳刷9接触，两个飞轮质量块3、6的碳刷9分别外接直流电源正负极，实现对弧形弹簧的通电；
4)工作时弧形弹簧4两端始终分别与两部分飞轮质量块3、6 其中一个导通金属块7连通，构成通电回路。
具体的说，所述弹簧座5起到增大弹簧接触面积，使弹簧4 端部免受剪切的作用，延长使用寿命；此外，汽车在行驶过程中，弹簧的形状始终发生变化，这就需要导通金属块1、7之间可靠的接触才能给弧形弹簧4通电。弹簧座5作为连接弧形弹簧4与双质量飞轮3、6重要的媒介，需要有较大的导通金属块，才能满足不同工况下与两个飞轮质量块接触。非工作状态下。弹簧座4中的导通金属块7下部分与第一飞轮质量6接触，上半部分与第二飞轮质量3接触；工作状态下，因为弹簧4的变形，与其中一个飞轮质量脱离接触，而在弹簧4的另一端，与相应的飞轮质量接触，形成通电回路。
弧形弹簧4除在非工作状态下为非变形状态，其余时刻均受到不同程度的压缩变形，特别是在大载荷、急加速情况下弧形弹簧的变形最大，此时从实际考虑，需要弧形弹簧有较大的刚度来传递从发动机到变速箱的扭矩。
双质量飞轮3、6通电时的状态，通过弧形弹簧4的张紧作用使碳刷9始终与圆环导通金属块1接触。从耐磨方面考虑，碳刷9 属于消耗品，其耐磨性应低于圆环导通金属块1，防止碳刷磨损导通金属块1，将电流传递至整个双质量飞轮乃至整个车身。工作时弧形弹簧4两端分别与两个飞轮质量块的导通金属块8接触，左右两端碳刷分别提供正负级电压，达到给弧形弹簧4通电的目的。
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 (10)
1.一种主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：
1)选材：形状记忆合金选用镍钛基记忆合金，相变区间在为120-200℃区间；预浸料选用玻璃纤维单向布热塑性预浸料；编织纤维选用玻璃纤维；树脂选用热塑性树脂作为制作材料；
2)制备预成型体：首先，将形状记忆合金进行形状处理；然后，用预浸料卷制记忆合金，制备簧丝纤维芯轴；最后，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；将外模合模，注入树脂，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，通过制备弧形弹簧的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。
2.如权利要求1所述的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，玻璃纤维能替换成玄武岩纤维。
3.如权利要求1所述的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，树脂具体采用聚醚砜树脂(PES)、聚醚醚酮树脂(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)或适应模压、拉挤、缠绕、RTM工艺的树脂。
4.如权利要求1所述的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，对形状记忆合金的表面采用打磨、酸蚀、表面铺设纳米管等方法做粗糙处理；形状记忆合金丝形状按照弧形弹簧未受力时的形状进行处理。
5.如权利要求1所述的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，卷制前形状记忆合金没有弯折，而卷制好的簧丝芯轴进行第一次固化；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，或用缠绕工艺加工出±45°弧形弹簧簧丝预成型体。
6.如权利要求1所述的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，卷制能替换成拉挤工艺，并用粘流态热塑性树脂浸润玻璃纤维-形状记忆合金束，放入预成型装置制备玻璃纤维簧丝芯轴；或者在形状记忆合金直径较大时，省去卷制或拉挤工艺，直接将形状记忆合金作为芯轴进行编织。
7.如权利要求1所述的主动变刚度复合材料弧形弹簧的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，将模具、预成型体加热至热塑性树脂成型温度以上，将预成型体缠绕在内模上，合上外模，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，模具内先在成型温度下保温保压一定时间(15-60min)，再降至到玻璃化温度(90-150℃)保温保压一定时间(60-120min)，使弧形弹簧固化成型。
8.一种采用如权利要求1至7项任意一项所述的制备方法制得的主动变刚度复合材料弧形弹簧的通电方法，其特征在于：
1)生产双质量飞轮质量块时在内部预留导线通道，用以连通飞轮质量块背部的圆环导通金属块与弹簧槽端部的导通金属块；
2)两端弹簧座内部预留导线通道，连通弹簧端部的形状记忆合金丝与弹簧座侧面的导通金属块；
3)飞轮两质量块背部的圆环导通金属块与碳刷接触，两个飞轮质量块的碳刷分别外接直流电源正负极，实现对弧形弹簧的通电；
4)工作时弧形弹簧两端始终分别与两部分飞轮质量块其中一个导通金属块连通，构成通电回路。
9.如权利要求1所述的主动变刚度复合材料弧形弹簧的通电方法，其特征在于：所述导通金属块与圆环导通金属块采用耐磨、导电性能优异的铜合金，包括铬锆铜、钨铜。
10.如权利要求1所述的主动变刚度复合材料弧形弹簧的通电方法，其特征在于：两相互接触的导通金属块外表面高于所嵌入的凹槽表面；且圆环导通金属块、导通金属块与飞轮质量块之间进行绝缘处理。
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