一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁装置，包括：主体，其为变截面开口梁结构，在所述开口梁结构的中间空心部分填充泡沫，并且在所述泡沫上表面粘接内层单向碳纤维布，在所述主体外部缠绕粘接外层单向碳纤维布；中部紧固件，其套接在所述主体中部的碳纤维布外侧；端部紧固件，其套接在所述主体端部的碳纤维布外侧。本发明专利技术还公开了一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构的设计方法。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构及其设计方法
本专利技术涉及客车空气悬架C形梁领域，具体涉及一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构及其设计方法。
技术介绍
悬架系统作为汽车底盘的关键部分，对汽车行驶安全可靠性和使用性能有重要影响，也是现代汽车发展的重要研究部分。空气悬架系统由于其具有弹性系数可调、重量轻、行驶平稳、减震性能好等优点，在客车行业的应用越来越广泛。而C形梁作为空气悬架中最关键的部件之一，其中间通过螺栓与车桥固定，两端通过空气弹簧和减震器与客车车架相连，承载着整车的重量。因此合理的设计C形梁结构及其设计方法对于提高空气悬架系统及整车的性能都具有十分重要的意义。目前国内C形梁通常由变截面型钢加工而成，其制造方法主要包括整体铸造和钢板冲压焊接两种。由于客车的C形梁在使用过程中承受较大载荷，因此为了满足强度、刚度及耐久性、可靠性等要求，其体积往往比较大，当完全采用钢作为材料时，会导致单件重量过大，从而影响到整车轻量化,使其动力性和燃油经济性较差。同时C形梁受力情况复杂，既承受拉伸载荷又承受扭转载荷，而传统材料如铸铁、钢等均为各向同性材料，不能够针对受力方向进行增强，不可避免的造成材料浪费，体积重量过大。针对传统C形梁中存在的问题，现基于我国常用客车结构形式，提出一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁及其设计方法。
技术实现思路
本专利技术设计开发了一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构，本专利技术的专利技术目的是解决C形梁能够承受拉伸载荷以及扭转载荷的问题同时，并且达到轻质化。本专利技术设计开发了一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构的设计方法，本专利技术的专利技术目的是解决碳纤维布在C形梁上的缠绕角度的问题。本专利技术提供的技术方案为：一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构，包括：主体，其为变截面开口梁结构，在所述开口梁结构的中间空心部分填充泡沫，并且在所述泡沫上表面粘接内层单向碳纤维布，在所述主体外部缠绕粘接外层单向碳纤维布；中部紧固件，其套接在所述主体中部的碳纤维布外侧；端部紧固件，其套接在所述主体端部的碳纤维布外侧。优选的是，还包括：第一加强板，其与所述中部紧固件可拆卸的连接，并且安装于所述主体的下部；以及车桥安装支座，其与所述中部紧固件可拆卸的连接，并且安装于所述主体的上部。优选的是，还包括：第二加强板，其焊接在所述开口梁结构的两端，所述第二加强板上设置螺栓孔，其用于连接空气弹簧以及减振器。优选的是，所述中部紧固件包括左套筒以及右套筒；以及所述中部紧固件粘接于所述主体中部的碳纤维布外侧。优选的是，所述端部紧固件包括左U形件以及右U形件，并且所述左U形件以及右U形件通过螺栓连接扣合；以及所述端部紧固件粘接于所述主体端部的碳纤维布外侧。优选的是，沿所述主体的轴线方向，在所述泡沫上表面粘接内层单向碳纤维布，使所述内层单向碳纤维布的径向沿所述轴线方向。优选的是，相邻所述外层单向碳纤维布之间搭接长度至少20mm；以及所述端部紧固件覆盖所述外层碳纤维布宽度至少50mm。优选的是，所述外层单向碳纤维布相对于C形梁截线方向的缠绕角度为35°～40°。一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构的设计方法，包括如下步骤：步骤一、根据客车轮轴的轴荷T，确定C形梁两端空气弹簧安装中心点受力F，式中，其中g为重力加速度，Kd为动荷系数；步骤二、确定所述C形梁的长度为L、变截面开口梁的厚度为t、高度为h、宽度为b，施加所述步骤一中所确定的中心点受力F，根据得到外层单向碳纤维布相对于C形梁截线方向的缠绕角度；式中，1≤i≤n，为确定在任意第i个任意区域中的局部模型的主应力向量，为与所述主应力向量同一平面内且过中心处截线切向量，其中，所述截线为垂直于C形梁轴线的截面与C形梁的交线，αi为主应力向量与C形梁截线切向量的夹角。本专利技术与现有技术相比较所具有的有益效果：1、本专利技术的碳纤维增强客车空气悬架C形梁与现有C形梁结构相比较，通过在变截面开口梁钢结构中填充结构泡沫材料，并使用碳纤维增强复合材料进行定向增强，实现了在提高承载能力的基础上，同时减小了C形梁整体尺寸，减轻了重量的目的，更有利于实现整车轻量化，从而提高客车的动力性和燃油经济性；2、针对C形梁在客车运行中同时存在弯曲变形和扭转变形的特点，粘接碳纤维布时分为沿C形梁轴向的内层单向碳纤维布和沿扭转载荷方向的外层单向碳纤维布，分别用来抵抗弯曲变形产生的拉力和扭转变形产生的扭矩。不仅更加符合C形梁受力特性，而且充分利用了单向碳纤维布强度主要沿其经向的特点，在提高其承载能力的基础上，实现了定向增强，克服了传统的各向同性材料不能针对主要受力方向进行增强，导致结构尺寸重量过大、材料使用不合理的缺点，保证了碳纤维增强复合材料的有效利用，在降低了生产制造成本的同时也更有利于实现轻量化；3、采用碳纤维增强复合材料粘接技术，避免了传统制造过程中铸造、焊接所造成的质量问题对C形梁承载能力和可靠性的影响；4、碳纤维布厚度薄，柔软易裁剪，对于形状复杂的结构也能够实现100％粘接，能够有效保证C形梁尺寸精度，同时使其表面光滑平整，有利于提高C形梁的疲劳强度，增加其耐久性；5、本专利技术所涉及的碳纤维增强客车空气悬架C形梁通过在变截面开口梁中间填充泡沫材料，更有利于吸收冲击载荷，提高悬架抗震能力。6、本专利技术所设计的碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构的设计方法能够简单有效的计算外层单向碳纤维布相对于C形梁截线的缠绕角度，为工程应用给出具有良好可实施性量化的指导，使碳纤维尽可能沿着结构表面受拉伸方向布置，最大限度地发挥碳纤维的定向增强作用。附图说明图1为本专利技术所述的纤维增强客车空气悬架C形梁结构示意图。图2为碳纤维增强C形梁主体横截面示意图。图3为变截面开口梁示意图。图4为C形梁中部紧固件示意图。图5为C形梁端部紧固件示意图。图6为碳纤维增强C形梁尺寸及受力示意图。图7为变截面开口梁截面尺寸参数示意图。图8为壳单元主应力向量与对应C形梁截线切向量夹角αi示意图。图9为内、外层单向碳纤维布粘接方向及外层单向碳纤维布相对于C形梁截线的缠绕角度示意图。图10为装配完成后的碳纤维增强C形梁示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。本专利技术提供了一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构，其具有尺寸小，重量轻，结构简单，承载能力强，同时更符合承载式客车悬架受力特点，能够实现定向增强。如图1所示，本专利技术提供的C形梁结构主要由碳纤维增强C形梁主体100、C形梁中部紧固件110、C形梁端部紧固件120、第一加强板131、车桥安装支座150、第二加强板132组成。如图2、图3所示，碳纤维增强C形梁主体100由变截面开口梁140、泡沫材料200、内层单向碳纤维布310、外层单向碳纤维布320组成，其中，变截面开口梁140中间空心部分填充泡沫材料200，在泡沫材料200上表面粘接内层单向碳纤维布310，使其经向沿C形梁轴线方向，同时在碳纤维增强C形梁主体100外层表面，从C形梁中部向两端缠绕粘接外层单向碳纤维布320，使其经向沿着由于扭转变形所造成的平均最大拉伸方向。如图4所示，C形梁中部紧固件110由左套筒111、右套筒112组成，左套筒111、右套筒112粘接于碳纤维增强C形梁主体100中部碳纤维增强复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构，其特征在于，包括：主体，其为变截面开口梁结构，在所述开口梁结构的中间空心部分填充泡沫，并且在所述泡沫上表面粘接内层单向碳纤维布，在所述主体外部缠绕粘接外层单向碳纤维布；中部紧固件，其套接在所述主体中部的碳纤维布外侧；端部紧固件，其套接在所述主体端部的碳纤维布外侧。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构，其特征在于，包括：主体，其为变截面开口梁结构，在所述开口梁结构的中间空心部分填充泡沫，并且在所述泡沫上表面粘接内层单向碳纤维布，在所述主体外部缠绕粘接外层单向碳纤维布；中部紧固件，其套接在所述主体中部的碳纤维布外侧；端部紧固件，其套接在所述主体端部的碳纤维布外侧。2.如权利要求1所述的碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构，其特征在于，还包括：第一加强板，其与所述中部紧固件可拆卸的连接，并且安装于所述主体的下部；以及车桥安装支座，其与所述中部紧固件可拆卸的连接，并且安装于所述主体的上部。3.如权利要求2所述的碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构，其特征在于，还包括：第二加强板，其焊接在所述开口梁结构的两端，所述第二加强板上设置螺栓孔，其用于连接空气弹簧以及减振器。4.如权利要求2或3所述的碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构，其特征在于，所述中部紧固件包括左套筒以及右套筒；以及所述中部紧固件粘接于所述主体中部的碳纤维布外侧。5.如权利要求4所述的碳纤维增强客车空气悬架C形梁结构，其特征在于，所述端部紧固件包括左U形件以及右U形件，并且所述左U形件以及右U形件通过螺栓连接扣合；以及所述端部紧固件粘接于所述主体端部的碳纤维布外侧。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：那景新，慕文龙，苏亮，吴长风，王登峰，范以撒，秦国锋，谭伟，贺午阳，刘浩垒，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22