CN115139500A - 纤维增强复合材料汽车板簧及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维增强复合材料汽车板簧及其制备方法。纤维增强复合材料汽车板簧，包括：本体，所述本体包括多个复合材料层合件，多个所述复合材料层合件沿第一预设方向层叠设置；剪力键，所述剪力键沿所述第一预设方向穿设在至少两个所述复合材料层合件上；和缠绕布，所述缠绕布缠绕在所述本体的外表面。本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧，具有轻质、高强、耐腐和耐疲劳的特点，可大幅降低传统汽车板簧的重量，从而提高燃油汽车的燃油经济性或电力汽车的电力经济性。
Description
技术领域
本发明属于板式弹簧技术领域，具体涉及一种纤维增强复合材料汽车板簧及其制备方法。
背景技术
目前大型载重车辆使用的多为金属钢质板簧，这种板簧采用多片金属叠层后固定在车辆的悬架底部，在车辆行驶过程中遇到震动或颠簸，通过板簧的片层之间摩擦而使其整体具备较强的缓冲特性，目前这种结构形式的板簧在各种大载重量车辆上得到广泛应用。但是传统钢质的板簧由于材质自身问题，存在自重较大，使用寿命较短和耐环境侵蚀性能不好的问题，同时自重也会降低载重车辆的承载空间，同时对安全性也带来了较大的隐患。
纤维增强复合材料具有轻质、高强、耐腐等优点，广泛应用于汽车制造领域。在国内外“节能减碳”背景下，在汽车中采用复合材料构件替换传统金属构件可大幅降低汽车结构自重，有效提高燃油汽车的燃油经济性或电力汽车的电力经济性。
但是目前的复合材料板簧存在以下问题：在汽车行驶中产生的疲劳荷载作用对构件损伤最为严重，而在疲劳荷载下复合材料板簧最典型的破坏模式是发生“层间剪切开裂”。“层间剪切性能较弱”是复合材料构件的典型“痛点”，所以如何克服纤维复合材料板簧在载重要求较高的车辆的疲劳加载条件下的层间结合强度较弱的问题，成为汽车复合材料板簧研究的重点内容。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种纤维增强复合材料汽车板簧及其制备方法。
根据本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧包括：本体，所述本体包括多个复合材料层合件，多个所述复合材料层合件沿第一预设方向层叠设置；剪力键，所述剪力键沿所述第一预设方向穿设在至少两个所述复合材料层合件上；和缠绕布，所述缠绕布缠绕在所述本体的外表面。
根据本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧，具有轻质、高强、耐腐和耐疲劳的特点，可大幅降低传统汽车板簧的重量，从而提高燃油汽车的燃油经济性或电力汽车的电力经济性。
可选地，每个所述复合材料层合件为柔性板，每个所述复合材料层合件构造成圆弧状以便所述本体呈圆弧状，其中所述第一预设方向与所述本体的径向一致。
可选地，所述剪力键的横截面为圆形，所述剪力键的长度方向与所述第一预设方向一致，所述剪力键沿所述第一预设方向穿设在全部所述复合材料层合件上。
可选地，每个所述复合材料层合件具有多个贯穿孔，所述贯穿孔沿着第一预设方向贯穿所述复合材料层合件，所述剪力键为多个，多个所述剪力键一一对应的插入每个所述复合材料层合件的多个所述贯穿孔中。
可选地，所述复合材料层合件为柔性复合材料毡、柔性复合材料片或柔性复合材料板，所述剪力键为刚性复合材料筋或刚性复合材料棒，所述缠绕布为复合材料布。
可选地，所述复合材料层合件、所述剪力键和所述缠绕布中的每一者含有纤维和树脂，所述纤维是碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维。
可选地，所述复合材料层合件的纤维体积含量为50％-70％，所述剪力键的纤维体积含量为60％-75％，所述缠绕布的纤维体积含量为50％-70％。
可选地，所述缠绕布在所述本体的外表面的缠绕方向与所述本体的周向之间的角度为 80度-90度。
根据本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧的制备方法，包括以下步骤：
(1)将多个所述复合材料层合件组装成汽车板簧要求的曲线形构造；
(2)将所述剪力键贯穿插入所述本体的多个所述复合材料层合件中；
(3)将所述缠绕布紧密缠绕在所述本体的外表面；
(4)将缠绕有缠绕布的本体通过真空导入或模压工艺使树脂固化，完成板簧的制作。
根据本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧的制备方法，所制作的纤维增强复合材料汽车板簧，可大幅降低传统汽车板簧的重量，提高了燃油汽车的燃油经济性或电力汽车的电力经济性。
可选地，所述缠绕布上施加有不大于缠绕布极限抗拉强度的10％的预应力。
附图说明
图1是本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧的结构示意图。
图2是本发明实施例的复合材料层合件与剪力键的位置关系图。
图3是本发明实施例的本体的结构示意图。
图4是本发明实施例的缠绕布和本体的位置关系图。
附图标记：
纤维增强复合材料汽车板簧100；
本体1；第一表面101；第二表面102；复合材料层合件2；剪力键3；缠绕布4。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1-图4所示，根据本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧100包括本体1、剪力键3和缠绕布4，本体1包括多个复合材料层合件2，多个复合材料层合件2沿第一预设方向层叠设置；剪力键3沿第一预设方向穿设在至少两个复合材料层合件2上；缠绕布 4缠绕在本体1的外表面。换言之，剪力键3沿第一预设方向穿设在两个或两个以上复合材料层合件2层叠设置的本体1上，本体1的外表面缠绕有缠绕布4。
本体1包括多个复合材料层合件2，即可以是两个、三个、四个、五个或者更多，以最终形成汽车板簧所要求的几何尺寸来决定需要层叠设置的复合材料层合件2的数量。复合材料层合件2提供汽车板簧的主要纵向强度和刚度。
剪力键3沿第一预设方向穿设在至少两个复合材料层合件2上，也就是说如果本体1 包括两个复合材料层合件2，则剪力键3穿设在两个复合材料层合件2上，如果本体1包括三个复合材料层合件2，则剪力键3穿设在两个或三个复合材料层合件2上，如果本体1 包括四个复合材料层合件2，则剪力键3穿设在两个、三个或四个复合材料层合件2上，以此类推。
缠绕布4缠绕在本体1的外表面，是指缠绕布4可以用不同的方式缠绕在本体1的外表面，如可以是顺时针缠绕，也可以是逆时针缠绕，可以是只缠绕一层，也可以是多层缠绕。
下面参考图1-图4简要地描述本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧100的组装过程，先将多个复合材料层合件2组装成汽车板簧要求的曲线形构造，再将剪力键3贯穿插入本体1的至少两个复合材料层合件2中，最后将缠绕布4紧密缠绕在本体1的外表面。
根据本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧100，复合材料层合件2提供汽车板簧的主要纵向强度和刚度，剪力键3起到传递复合材料层合件2间剪力的作用，可降低复合材料层合件2间界面的剪应力，从而避免本体1发生界面分层破坏，缠绕布4对本体1起到环向约束的作用。
如图1-图4所示，根据本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧100包括本体1、剪力键3和缠绕布4。本体1包括多个复合材料层合件2，每个复合材料层合件2为柔性板，每个复合材料层合件2构造成圆弧状以便本体呈圆弧状，从而使多个复合材料层合板2层叠设置时能够实现汽车板簧要求的曲线形构造形式。
多个复合材料层合件2沿第一预设方向层叠设置使本体呈圆弧状，该第一预设方向与本体1的厚度方向一致，本体1的厚度方向与本体1的径向一致。剪力键3沿第一预设方向穿设在全部复合材料层合件2上，即剪力键3沿着本体1的厚度方向穿设在全部复合材料层合件2上。
剪力键3的横截面为圆形，剪力键3的长度方向与第一预设方向一致，即剪力键3的长度方向与本体1的厚度方向一致。剪力键3穿设在全部复合材料层合件2上，起到传递复合材料层合件2间剪力的作用，可降低复合材料层合件2间界面的剪应力，从而避免本体1发生界面分层破坏。
如图3所示，本体1具有在其厚度方向上相对的第一表面101和第二表面102，剪力键 3穿过本体1所有的复合材料层合件2后，剪力键3的两个端面分别与本体1的第一表面101和第二表面102平齐，这样能保证最后缠绕布4在缠绕本体1时会更加紧密。
如图2所示，每个复合材料层合件2具有多个贯穿孔，贯穿孔沿着第一预设方向贯穿复合材料层合件2，剪力键3为多个，多个剪力键3一一对应地插入每个复合材料层合件2的多个贯穿孔中。每个复合材料层合件2上贯穿孔的位置与相邻的复合材料层合件2上的贯穿孔的位置是相对应的，每个剪力键3贯穿至少两个复合材料层合件2上相对应的位置的贯穿孔，从而通过剪力键3将至少两个复合材料层合件2连接起来，在满足设计要求的前提下，剪力键采用直径小、分布密的设计形式，剪力键3起到传递复合材料层合件2间剪力的作用，可降低复合材料层合件2间界面的剪应力，从而避免本体1发生界面分层破坏。
如图4所示，缠绕布4缠绕在本体1的外表面，进一步提高板簧的横向力学性能，即使用缠绕布4对复合材料层合件2和剪力键3进行包裹缠绕，保证复合材料层合件2和剪力键3的整体性能。
缠绕布4在本体1的外表面的缠绕方向与本体1的周向之间的角度为80度-90度，其中本体1所在圆周的方向为周向。使缠绕布4对本体1起到环向约束的作用。
可选地，复合材料层合件2为柔性复合材料毡、柔性复合材料片或柔性复合材料板，剪力键3为刚性复合材料筋或刚性复合材料棒，缠绕布4为复合材料布。复合材料层合件2、剪力键3和缠绕布4中的每一者含有纤维和树脂，纤维是碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维。树脂为热固性树脂或热塑性树脂，热固性树脂包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂及聚氨酯树脂等；热塑性树脂包括聚酰胺树脂、聚醚酰亚胺树脂和聚醚醚酮树脂等。复合材料层合件2的纤维体积含量为50％-70％，剪力键3的纤维体积含量为 60％-75％，缠绕布4的纤维体积含量为50％-70％。纤维的作用是为复合材料提供主要的强度和刚度，树脂的作用是传递纤维间的力。纤维增强复合材料汽车板簧具有轻质、高强、耐腐、耐疲劳的特点，尤其自重较轻，可大幅降低汽车板簧的自重，提高汽车的燃油或电力经济性。
如图1-图4所示，根据本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧100的制备方法，包括以下步骤：
(1)将多个复合材料层合件2组装成汽车板簧要求的曲线形构造；
(2)将剪力键3贯穿插入本体1的至少两个复合材料层合件2中；
(3)将缠绕布4紧密缠绕在本体1的外表面，对缠绕布4施加不大于缠绕布极限抗拉强度的10％的预应力，可以用来消除复合材料布的局部褶皱，以提高板簧的刚度；
(4)将缠绕有缠绕布4的本体1通过真空导入或模压工艺使树脂固化，完成板簧的制作。真空导入的压强为0.1MPa左右，模压工艺的压强为5-15MPa。
首先按照汽车板簧的需求将多个复合材料层合板2层叠设置成要求的几何尺寸，再将多个剪力键3贯穿插入到该至少两个复合材料层合板2中，然后将缠绕布4紧密缠绕在贯穿有剪力键3的本体1的外表面，最后将缠绕有缠绕布4的本体1通过真空导入或模压工艺使树脂固化，完成板簧的制作。
根据本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧100，复合材料层合件2提供汽车板簧的主要纵向强度和刚度，剪力键3起到传递复合材料层合件2间剪力的作用，可降低复合材料层合件2间界面的剪应力，从而避免本体1发生界面分层破坏，缠绕布4对本体1起到环向约束的作用。
根据本发明实施例的纤维增强复合材料汽车板簧具有轻质、高强、耐腐、耐疲劳的特点，尤其自重较轻，可大幅降低汽车板簧的自重，提高汽车的燃油或电力经济性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种纤维增强复合材料汽车板簧，其特征在于，包括：
本体，所述本体包括多个复合材料层合件，多个所述复合材料层合件沿第一预设方向层叠设置；
剪力键，所述剪力键沿所述第一预设方向穿设在至少两个所述复合材料层合件上；和
缠绕布，所述缠绕布缠绕在所述本体的外表面。
2.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料汽车板簧，其特征在于，每个所述复合材料层合件为柔性板，每个所述复合材料层合件构造成圆弧状以便所述本体呈圆弧状，其中所述第一预设方向与所述本体的径向一致。
3.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料汽车板簧，其特征在于，所述剪力键的横截面为圆形，所述剪力键的长度方向与所述第一预设方向一致，所述剪力键沿所述第一预设方向穿设在全部所述复合材料层合件上。
4.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料汽车板簧，其特征在于，每个所述复合材料层合件具有多个贯穿孔，所述贯穿孔沿着所述第一预设方向贯穿所述复合材料层合件，所述剪力键为多个，多个所述剪力键一一对应的插入每个所述复合材料层合件的多个所述贯穿孔中。
5.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料汽车板簧，其特征在于，所述复合材料层合件为柔性复合材料毡、柔性复合材料片或柔性复合材料板，所述剪力键为刚性复合材料筋或刚性复合材料棒，所述缠绕布为复合材料布。
6.根据权利要求5所述的纤维增强复合材料汽车板簧，其特征在于，所述复合材料层合件、所述剪力键和所述缠绕布中的每一者含有纤维和树脂，所述纤维是碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维。
7.根据权利要求6所述的纤维增强复合材料汽车板簧，其特征在于，所述复合材料层合件的纤维体积含量为50％-70％，所述剪力键的纤维体积含量为60％-75％，所述缠绕布的纤维体积含量为50％-70％。
8.根据权利要求2所述的纤维增强复合材料汽车板簧，其特征在于，所述缠绕布在所述本体的外表面的缠绕方向与所述本体的周向之间的角度为80度-90度。
9.一种根据权利要求1-8中任意一项所述的纤维增强复合材料汽车板簧的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将多个所述复合材料层合件组装成汽车板簧要求的曲线形构造；
(2)将所述剪力键贯穿插入所述本体的多个所述复合材料层合件中；
(3)将所述缠绕布紧密缠绕在所述本体的外表面；
(4)将缠绕有缠绕布的本体通过真空导入或模压工艺使树脂固化，完成板簧的制作。
10.根据权利要求9所述的纤维增强复合材料汽车板簧，其特征在于，步骤(3)中所述缠绕布上施加有不大于缠绕布极限抗拉强度的10％的预应力。
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