一种叶片弹簧及其制造工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种叶片弹簧及其制造工艺，叶片弹簧包括叶片中段、过渡段、变截面段及卷耳安装段,各段宽度相同。叶片板簧的材料为FRP复合材料，制造工艺包括纤维布编织工序、纤维布叠层工序、叠层点焊工序、预成型工序、切割工序、HP‑RTM工序、卸料和定型工序、后加工工序。本技术方案克服现有技术的板簧叶片的设计和工艺难题，提高板簧叶片的性能，量产节拍快，其市场价值巨大；可以一片单独使用，也可二片组合形成主副簧结构，满足不同载荷，改变卷耳等附件的结构可替代所有钢板弹簧结构；不会一下全部断裂，积极失效模式，充分保证车辆行驶的安全性；降低板簧悬架的重量，动刚度很小，提高车辆行驶的平顺性，也提高燃油亲和力；寿命是钢板弹簧的5倍以上，大幅减小用户板簧使用成本。

【技术实现步骤摘要】
一种叶片弹簧及其制造工艺
本专利技术属于车辆弹簧
，特别是指一种叶片弹簧及其制造工艺。
技术介绍
钢板弹簧在汽车上使用比较多，有纵置或者横置两种布置形式。后者因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂、质量加大，所以只在少数轻、微型车上应用。前者的纵置形式能传递各种力和力矩，具有导向功能，并且结构简单，故在汽车上得到广泛应用。图1为现有技术各种形式纵置钢板弹簧总成的结构形式，它们都是复数枚由钢材制成的叶片弹簧叠加而成，这些叶片弹簧都是等宽，多片簧的厚度为等厚，而少片簧的厚度多按抛物线形或线性变化，由于钢材的比强度、比弹性能低，所以纵置钢板弹簧总成的重量大、寿命短，装车后簧下质量大、平顺性差、燃油效力差。复合材料是两种以上的材料组合在一起、通过材料之间有效界面结合、性能优于弹簧钢的材料。随着科技发展，复合材料板簧逐步用于汽车悬架弹簧元件。现在汽车悬架使用的复合材料都是FRP复合材料，FRP是英文Fibre-ReinforcedPlastic简写，直译是纤维增强塑料。FRP复合材料叶片弹簧主要是玻璃纤维复合材料（GFRP），基体是树脂，多为环氧树脂，增强材料主要是玻璃纤维。FRP复合材料的性能不仅取决于纤维和基体的材料特性，更取决于纤维与基体的微观界面结合，微观界面结合包括物理包裹结合、化学极性结合和化学键结合等，没有物理包裹结合就没有化学极性结合和化学键结合，化学键结合很少，因此微观界面结合主要是物理包裹结合、化学极性结合。而要提高物理包裹结合，就必须提高叶片弹簧模具内排泡程度，也就是在成型过程中排出模具内的气泡、小分子和水分等。同时，排泡程度高也提高FRP复合材料的紧密度。FRP复合材料叶片弹簧的成型方法，包括连续纤维缠绕工艺、模压工艺、拉挤工艺、树脂传递模塑制造工艺(RTM)等工艺方法，但现有技术FRP复合材料叶片弹簧成型时模腔压力都很低，排泡不充分，产品内部还有细微的间隙，纤维分别不均匀，很大程度影响纤维和基体的结合，对板簧的可靠性、刚度特性、产品一致性等影响很大，使用一段时间板簧叶片脱丝，造成悬架失效。现在国内外很多汽车厂家想用FRP复合材料叶片弹簧总成替代现有的纵置钢板弹簧，FRP复合材料叶片弹簧总成是FRP复合材料叶片弹簧和两端卷耳等附件组成，由但是，纵置板簧两端卷耳要通过衬套固定到车身上，中部要通过U形螺栓固定在车身上，必须通过金属件的连接和固定，这些因素必然造成叶片弹簧局部应力大，在卷耳的连接处和U形螺栓外侧出现纤维断裂等现象，极大地影响叶片弹簧的寿命。目前，大多数商用车和少数乘用车仍使用钢板弹簧，钢板弹簧市场占有率大约98％以上，只有少量横置的FRP复合材料叶片弹簧用于受力较小、无需导向的独立悬架上。如果能够克服FRP复合材料叶片弹簧的工艺和设计难题，提高产品性能，替代现有钢板弹簧，其市场价值巨大，并减少弹簧钢的冶炼和钢板弹簧的制造对环境的污染。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种叶片弹簧及其制造工艺，以解决现有技术FRP复合材料叶片弹簧的局部应力大，刚度难确定等设计问题；以解决现有技术的FRP复合材料叶片弹簧制造工艺复杂，量产难，容易脱丝及出现剥离的问题；以解决现有技术的钢板弹簧的燃油效力差，寿命低及可靠性不高的问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的：所述叶片弹簧包括叶片中段、过渡段、变截面段、卷耳安装段,各段宽度相同；所述叶片弹簧自一端向另一端延伸时，依次包括所述卷耳安装段、所述变截面段、所述过渡段、所述叶片中段、所述过渡段、所述变截面段及所述卷耳安装段；在所述在叶片中段的中部设置有上沉孔和下沉孔；所述上沉孔和所述下沉孔的中心线在一条直线上；在所述在叶片中段的设有中部倒角；自所述上沉孔的中心至前端为所述叶片弹簧的前叶片，自所述上沉孔的中心至后端为所述叶片弹簧的后叶片，所述前叶片和所述后叶片的形状相同，所述前叶片的长度≤所述后叶片的长度；所述叶片弹簧的刚度是由前叶片刚度和后叶片刚度并联而成的总刚度；在每个所述卷耳安装段上均设置有螺栓过孔；所述叶片弹簧为FRP复合材料，基体为树脂，增强材料为叠加并粘接在一起的纤维布，纤维布中的纤维主要是玻璃纤维。所述卷耳安装段与所述变截面段的前端相连，连接处有小圆弧过渡，所述卷耳安装段上、下平面分别比所述变截面段的前端高出0.5～1mm，所述卷耳安装段用于安装卷耳。过渡段与叶片中段上、下平面夹角α在5°～15°之间，所述变截面段与所述过渡段之间、所述过渡段与叶片中段之间的上、下表面都设置大圆弧过渡。所述叶片中段的厚度为ℎ3，所述变截面段与所述过渡段连接一端的厚度为ℎ2，所述变截面段与卷耳安装段连接一端的厚度为ℎ1，ℎ3＞ℎ2＞ℎ1；根据所述叶片弹簧中部安装固定形式，可确定ℎ3和ℎ2的关系，即ℎ3=ℎ2+C，C为常数；ℎ1由公式（1）确定，其中，[τ]为许用剪切应力；Pmax为叶片弹簧在使用过程中作用在卷耳中心的最大载荷；b为叶片弹簧的宽度；λ为安全系数，大于1.5；从所述变截面段后端到所述卷耳的中心的距离为l1，从所述变截面段前端到所述卷耳的中心的距离为l2，从所述叶片中段的后端到所述卷耳的中心的距离为l3，从U形螺栓到所述卷耳的中心的距离为l0，由公式（2）可求出所述后叶片在载荷P作用下卷耳的中心的挠度fr：其中，E为弹性模量，所述后叶片刚度kr=P/fr，同样可以求出所述前叶片刚度kf，由于前叶片和后叶片是并联的，由公式（3）可求出所述叶片弹簧的刚度k：其中，n=kf∕kr，ρ=l0f∕l0r，l0f为从前U形螺栓到前卷耳的中心的距离，l0r为从后U形螺栓到后卷耳的中心的距离；由公式（3）求出的刚度与目标设计刚度进行对比，再调整ℎ2和ℎ1，使所述叶片弹簧的刚度k与目标设计刚度一致，最终确定ℎ1、ℎ2，完成所述叶片弹簧的设计。一种叶片弹簧制造工艺，包括以下步骤：步骤S1：纤维布编织工序，优化纤维浸润剂的成分和特性，让纤维厂家生产指定特性的纤维，并缠绕成纱辊；织布机上设置有复数纱辊，纤维缠绕在所述纱辊上；不同所述纱辊上缠绕不同纤维；织布机拉动纤维并编织纤维布，根据叶片弹簧的设计要求，编织不同角度纤维布；步骤S2：纤维布叠层工序，将所述纤维布裁成宽度相同而长度不同的布块，根据所述叶片弹簧的特征叠放在一起，形成纤维布叠层，纤维布叠层由复数长短不一的纤维布叠加而成，各有复数层从前端到后端连续不间断的最长纤维布分别设置在所述叶片弹簧的上、下位置，中间纤维布从两侧到中间长度成梯形递减变化；步骤S3：叠层点焊工序，加热至150°～180°两个同轴等径的加热棒相对端面将所述纤维布叠层夹在中间，粘接剂受热后将纤维布与纤维布之间粘接在一起，形成焊点；所述纤维布叠层四周焊点密度大于中间焊点密度；所述加热棒可为复数并排同时加热，在所述纤维布叠层的宽度方向的两端最薄，加热时间最短，而中部加热时间最长；步骤S4：预成型工序，由预成型模具完成，形成纤维板；步骤S5：切割工序，先将所述纤维板放在表面形状与所述纤维板内弓形状相同的垫板上，用切割机将所述纤维板切割成复数块，每块宽度与叶片弹簧宽度一致，形成复数无树脂毛坯；步骤S6：HP-RTM工序，由HP-RTM成型模具完成，将所述无树脂毛坯放入模腔内，根据不同树脂特性调整树脂黏度，再将树脂注入模腔，并使模具保本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种叶片弹簧，其特征在于，包括叶片弹簧，所述叶片弹簧包括叶片中段、过渡段、变截面段、卷耳安装段,各段宽度相同；所述叶片弹簧自一端向另一端延伸时，依次包括所述卷耳安装段、所述变截面段、所述过渡段、所述叶片中段、所述过渡段、所述变截面段及所述卷耳安装段；在所述在叶片中段的中部设置有上沉孔和下沉孔；所述上沉孔和所述下沉孔的中心线在一条直线上；在所述在叶片中段的设有中部倒角；自所述上沉孔的中心至前端为所述叶片弹簧的前叶片，自所述上沉孔的中心至后端为所述叶片弹簧的后叶片，所述前叶片和所述后叶片的形状相同，所述前叶片的长度≤所述后叶片的长度；所述叶片弹簧的刚度是由前叶片刚度和后叶片刚度并联而成的总刚度；在每个所述卷耳安装段上均设置有螺栓过孔；所述叶片弹簧为FRP复合材料，基体为树脂，增强材料为叠加并粘接在一起的纤维布，纤维布中的纤维主要是玻璃纤维。

【技术特征摘要】
1.一种叶片弹簧，其特征在于，包括叶片弹簧，所述叶片弹簧包括叶片中段、过渡段、变截面段、卷耳安装段,各段宽度相同；所述叶片弹簧自一端向另一端延伸时，依次包括所述卷耳安装段、所述变截面段、所述过渡段、所述叶片中段、所述过渡段、所述变截面段及所述卷耳安装段；在所述在叶片中段的中部设置有上沉孔和下沉孔；所述上沉孔和所述下沉孔的中心线在一条直线上；在所述在叶片中段的设有中部倒角；自所述上沉孔的中心至前端为所述叶片弹簧的前叶片，自所述上沉孔的中心至后端为所述叶片弹簧的后叶片，所述前叶片和所述后叶片的形状相同，所述前叶片的长度≤所述后叶片的长度；所述叶片弹簧的刚度是由前叶片刚度和后叶片刚度并联而成的总刚度；在每个所述卷耳安装段上均设置有螺栓过孔；所述叶片弹簧为FRP复合材料，基体为树脂，增强材料为叠加并粘接在一起的纤维布，纤维布中的纤维主要是玻璃纤维。2.根据权利要求1所述的叶片弹簧，其特征在于，所述卷耳安装段与所述变截面段的前端相连，连接处有小圆弧过渡，所述卷耳安装段上、下平面分别比所述变截面段的前端高出0.5～1mm，所述卷耳安装段用于安装卷耳。3.根据权利要求1所述的叶片弹簧，其特征在于，过渡段与叶片中段上、下平面夹角α在5°～15°之间，所述变截面段与所述过渡段之间、所述过渡段与叶片中段之间的上、下表面都设置大圆弧过渡。4.根据权利要求1所述的叶片弹簧，其特征在于，所述叶片中段的厚度为ℎ3，所述变截面段与所述过渡段连接一端的厚度为ℎ2，所述变截面段与卷耳安装段连接一端的厚度为ℎ1，ℎ3＞ℎ2＞ℎ1；根据所述叶片弹簧中部安装固定形式，可确定ℎ3和ℎ2的关系，即ℎ3=ℎ2+C，C为常数；ℎ1由公式（1）确定，其中，[τ]为许用剪切应力；Pmax为叶片弹簧在使用过程中作用在卷耳中心的最大载荷；b为叶片弹簧的宽度；λ为安全系数，大于1.5；从所述变截面段后端到所述卷耳的中心的距离为l1，从所述变截面段前端到所述卷耳的中心的距离为l2，从所述叶片中段的后端到所述卷耳的中心的距离为l3，从U形螺栓到所述卷耳的中心的距离为l0，由公式（2）可求出所述后叶片在载荷P作用下卷耳的中心的挠度fr：其中，E为弹性模量，所述后叶片刚度kr=P/fr，同样可以求出所述前叶片刚度kf，由于前叶片和后叶片是并联的，由公式（3）可求出所述叶片弹簧的刚度k：其中，n=kf∕kr，ρ=l0f∕l0r，l0f为从前U形螺栓到前卷耳的中心的距离，l0r为从后U形螺栓到后卷耳的中心的距离；由公式（3）求出的刚度与目标设计刚度进行对比，再调整ℎ2和ℎ1，使所述叶片弹簧的刚度k与目标设计刚度一致，最终确定ℎ1、ℎ2，完成所述叶片弹簧的设计。5.一种叶片弹簧制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：纤维布编织工序，优化纤维浸润剂的成分和特性，让纤维厂家生产指定特性的纤维，并缠绕成纱辊；织布机上设置有复数纱辊，纤维缠绕在所述纱辊上；不同所述纱辊上缠绕不同纤维；织布机拉动纤维并编织纤维布，根据叶片弹簧的设计要求，编织不同角度纤维布；步骤S2：纤维布叠层工序，将所述纤维布裁成宽度相同而长度不同的布块，根据所述叶片弹簧的特征叠放在一起，形成纤维布叠层，纤维布叠层由复数长短不一的纤维布叠加而成，各有复数层从前...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘守银，刘政阳，
申请(专利权)人：刘守银，
类型：发明
国别省市：安徽,34