CN111350784A

CN111350784A - 一种植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法及其制得的弹簧

Info

Publication number: CN111350784A
Application number: CN202010095858.6A
Authority: CN
Inventors: 柯俊; 高晋; 徐敬恩; 唐宇欣
Original assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Current assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2040-02-17
Also published as: CN111350784B

Abstract

本发明涉及一种植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法，包括如下工艺步骤：1)，玻璃纤维束浸渍树脂；2)，玻璃纤维单向布卷曲若干层形成中间层；3)，中间层套上导流网，并浸渍树脂形成预成型体；4)，将形状记忆合金与玻璃纤维编织成为外包覆层；5)，将外包覆层套在预成型体上，制得复合材料螺旋弹簧的最终纤维增强体；6)，将纤维增强体卷绕在模具内模模腔内，与外模合模并加热加压固化；7)，脱模后、清理、打磨，并进行后固化；8)，将两个末端金属接头分别与形状记忆合金两个末端外接电源接口连接，并将两个末端金属接头粘接配合在复合材料螺旋弹簧两端。本发明能实现弹簧的轻量化，满足多种工况下的刚度调节需求，提升汽车舒适性。

Description

一种植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法及其制得的弹簧

【技术领域】

本发明涉及一种植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法及其制得的弹簧，其应用于汽车悬架中，属于螺旋弹簧技术领域。

【背景技术】

大量实践证明，采用纤维增强树脂基复合材料制造汽车零部件可显著减轻汽车重量、降低油耗、提高汽车的舒适性，不但能够起到很好的节能减排作用，而且可显著提升新能源汽车的续航里程。螺旋弹簧是汽车悬架***中广泛应用的弹性元件，也在各种机械***中有广泛的应用。复合材料螺旋弹簧是采用纤维增强树脂基复合材料制作的螺旋弹簧。在刚度相同的前提下，复合材料螺旋弹簧的重量不到金属螺旋弹簧的一半。同时，由于复合材料具有良好的疲劳可靠性，因此复合材料螺旋弹簧的疲劳寿命也高于金属。此外，由于复合材料具有更高的比强度和比模量，复合材料螺旋弹簧的储能能力也优于金属螺旋弹簧。因此，复合材料螺旋弹簧的综合性能明显优于金属螺旋弹簧。

然而，目前公开的复合材料螺旋弹簧在固化成型后刚度均为定值，而汽车在不同工况下对悬架刚度又有不同的需求，因此当前公开的复合材料螺旋弹簧只能在特定工况中达到某种折衷后的较优减振效果，无法使悬架性能最优。虽然可借鉴变刚度金属螺旋弹簧的相关成果，将复合材料螺旋弹簧设计成变簧丝直径、变中经及变螺距的形式进而实现复合材料螺旋弹簧的变刚度功能，但这会导致复合材料螺旋弹簧内部铺层的梯度变化，且使复合材料螺旋弹簧的变形及应力分布严重不均，无法保证复合材料螺旋弹簧的疲劳寿命。此外，通过结构手段实现的变刚度特性也只能提供有限的二级刚度或渐变刚度，无法满足汽车多种工况下的刚度调节需求。

因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法及其制得的弹簧，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植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法，其能实现弹簧的轻量化，满足多种工况下的刚度调节需求，提升汽车的舒适性。

本发明的另一目的在于提供一种采用植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法制得的弹簧。

为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：一种植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法，其包括如下工艺步骤：

1)，将玻璃纤维束浸渍树脂；

2)，将玻璃纤维单向布沿制备的玻璃纤维束呈±45°方向卷曲若干层，以形成中间层；

3)，将制得的中间层套上预先制备的整体式导流网，并浸渍树脂，形成预成型体；

4)，采用环向编织机按照预定编织方案将形状记忆合金与玻璃纤维编织成为外包覆层，并提前浸渍树脂备用；

5)，将步骤4)制得的外包覆层套在步骤3)制得的预成型体上，制得复合材料螺旋弹簧的最终纤维增强体；

6)，将步骤5)制得的纤维增强体卷绕在模具内模模腔内，然后与外模合模并加热加压固化；

7)，复合材料螺旋弹簧脱模后，进行清理及打磨工作，并进行后固化处理；

8)，将两个末端金属接头分别与形状记忆合金两个末端外接电源接口连接，并将两个末端金属接头粘接配合在复合材料螺旋弹簧两端，最终制得植入刚度驱动器的螺旋弹簧。

本发明的植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法进一步为：所述步骤1)中的玻璃纤维束可替换成碳纤维束。

本发明的植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法进一步为：所述步骤4)中，所述形状记忆合金丝连续分布于外包覆层中的±45°方向。

本发明的植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法还为：所述步骤6)中的模具内模为可拆卸的组合式内模。

为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：一种植入刚度驱动器的螺旋弹簧，其簧丝横截面由芯轴、中间层、导流层及外包覆层构成；所述芯轴由玻璃纤维束制成，且浸渍树脂；所述中间层由若干层±45°单向玻璃纤维布卷曲而成；所述导流层由导流网制成；所述外包覆层采用连续增强纤维通过环向编织机编织而成，且在编织预成型体中编入连续的刚度驱动器；所述刚度驱动器由形状记忆合金丝和导电纤维组成。

本发明的植入刚度驱动器的螺旋弹簧进一步设置为：所述外包覆层中的形状记忆合金丝由一根连续的形状记忆合金丝构成，并与车载电源组成导电回路；或由多个连续的形状记忆合金丝构成，并共同与车载电源组成导电回路；或与电阻丝等发热纤维缠绕组成一股线路，电阻丝与车载电源组成导电回路。

本发明的植入刚度驱动器的螺旋弹簧进一步设置为：螺旋弹簧进一步包括带有绝缘效果的金属接头；所述金属接头与簧身表面配合固定，并与形状记忆合金丝连接，并通过金属接头与螺旋弹簧安装卡位的配对约束实现对所述形状记忆合金丝两端的固定约束。

本发明的植入刚度驱动器的螺旋弹簧进一步设置为：所述金属接头与车载电源及车载控制***相连，并与所述形状记忆合金丝组成导电及控制回路；所述车载电源根据车载控制***的指令对复合材料螺旋弹簧内部的刚度驱动器通电加热。

本发明的植入刚度驱动器的螺旋弹簧还设置为：所述簧丝等直径、等中经及等螺距形式；或为变簧丝直径、变中经或变螺距形式。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)，本发明使搭载复合材料螺旋弹簧的汽车或者轨道客车具有悬架或转向架的刚度主动控制功能，显著提高汽车或者轨道客车的舒适性及动力学性能；

2)，由于变刚度复合材料螺旋弹簧本身即是材料又是具有特定功能的执行器，因此可使复合材料螺旋弹簧具有结构与功能一体化、材料与器件集成化的特征，同时可省去原有的悬架刚度调节***，最终提高汽车或轨道客车的轻量化及智能化水平。

【附图说明】

图1是本发明的植入刚度驱动器的螺旋弹簧的结构示意图。

图2是本发明的变刚度复合材料螺旋弹簧的簧丝横截面示意图。

图3是本发明的步骤4)中的外包覆层的编织体平面示意图。

图4是本发明的植入刚度驱动器的螺旋弹簧准备方法的工艺流程图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1至附图4所示，本发明为一种植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法，其包括如下工艺步骤：

1)，将玻璃纤维束浸渍树脂；其中，所述玻璃纤维束也可替换成碳纤维束或其他纤维束。

2)，将玻璃纤维单向布沿制备的玻璃纤维束呈±45°方向卷曲若干层，以形成中间层；其中，卷曲层数与变刚度复合材料螺旋弹簧刚度设计值相关。

3)，将制得的中间层套上预先制备的整体式导流网，并浸渍树脂，形成预成型体。

4)，采用环向编织机按照预定编织方案将形状记忆合金与玻璃纤维(或其他纤维)编织成为外包覆层，并提前浸渍树脂备用。其中，所述形状记忆合金丝连续分布于外包覆层中的±45°方向，从而使之直接影响簧丝截面的扭转刚度，并发挥最大的刚度调节效果。

5)，将步骤4)制得的外包覆层套在步骤3)制得的预成型体上，制得复合材料螺旋弹簧的最终纤维增强体；所述复合材料螺旋弹簧的最终纤维增强体在形状记忆合金末端留有外接电源接口。

6)，将步骤5)制得的纤维增强体卷绕在模具内模模腔内，然后与外模合模并加热加压固化。其中，所述模具内模为可拆卸的组合式内模，能使复合材料螺旋弹簧顺利脱模；

采用上述制备方法制得的植入刚度驱动器的螺旋弹簧的簧丝10横截面由芯轴1、中间层2、导流层3及外包覆层4构成。所述簧丝10等直径、等中经及等螺距形式；或为变簧丝直径、变中经或变螺距形式，或三者兼有。

其中，所述芯轴1由玻璃纤维束制成，且浸渍树脂。所述中间层2由若干层±45°单向玻璃纤维布卷曲而成。所述导流层3由导流网制成，其约束中间层2，以防止卷曲状态的玻璃纤维布散开，并引导树脂流动，保证中间层2与外包覆层4之间有良好的树脂浸润效果。所述外包覆层4采用连续增强纤维通过环向编织机编织而成，且在编织预成型体中编入连续的刚度驱动器。所述外包覆层4的强度可通过设计来调整和保证，如增加外包覆层4厚度、层数或增大外包覆层中纤维强度及形状记忆合金丝的直径及数量等。

进一步的，所述刚度驱动器由形状记忆合金丝6和导电纤维7组成。具体的说，所述外包覆层4中的形状记忆合金丝6由一根连续的形状记忆合金丝6构成，并与车载电源组成导电回路；或由多个连续的形状记忆合金丝6构成，并共同与车载电源组成导电回路；或与电阻丝等发热纤维缠绕组成一股线路，电阻丝与车载电源组成导电回路。

所述植入刚度驱动器的螺旋弹簧进一步包括带有绝缘效果的金属接头5；所述金属接头5与簧身表面配合固定，并与形状记忆合金丝6连接，并通过金属接头4与螺旋弹簧安装卡位的配对约束实现对所述形状记忆合金丝6两端的固定约束。

进一步的，所述金属接头5与车载电源及车载控制***8相连，并与所述形状记忆合金丝6组成导电及控制回路。所述车载电源根据车载控制***8的指令对复合材料螺旋弹簧内部的刚度驱动器通电加热；形状记忆合金的温度与加热时间之间的关系如下：

其中，T0为形状记忆合金的初始温度，T为形状记忆合金加热后的温度，t为加热时间，I为形状记忆合金所通过的电流值；ρ_r为电阻率，h为对流传热系数，d为纤维直径，ρ为密度，C为比热容，均为形状记忆合金的材料性能参数。

所述形状记忆合金的弹性模量随温度的变化规律如下：

E＝E₀(1-QαT)

其中，E为形状记忆合金在温度改变后的弹性模量，E0为形状记忆合金的初始弹性模量，α为线胀系数，Q为材料特性参数，由材料性能试验获取。

在刚度驱动器温度达到所需范围后，内部的形状记忆合金发生相变并改变弹性模量，最终实现复合材料螺旋弹簧刚度在具体工况下的匹配控制。相关的控制策略包括频域控制、天棚控制、模糊PID控制等常用的悬架控制策略，具体的控制策略可根据车型具体特点针对性地选用。

本发明的植入刚度驱动器的螺旋弹簧装车后，在汽车或轨道客车自身重力作用下，发生一定程度的变形，使所述形状记忆合金丝6产生预应力场。在汽车或轨道客车行驶过程中，车载控制***8根据车载传感***监控得到的汽车行驶状态，按照预定控制策略对车载电源输出相应指令；车载电源根据指令对刚度驱动器通电加热，进而使形状记忆合金的弹性模量按照预定要求变化，进而使复合材料螺旋弹簧簧丝的扭转刚度按照预定要求发生变化，最终实现复合材料螺旋弹簧刚度在具体工况下的匹配控制。

本发明的植入刚度驱动器的螺旋弹簧具有刚度主动控制功能，搭载该种复合材料螺旋弹簧的悬架属于半主动控制悬架，能显著提高汽车整车动力学性能及轻量化、智能化水平。

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

1.一种植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：

1)，将玻璃纤维束浸渍树脂；

2.如权利要求1所述的植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的玻璃纤维束可替换成碳纤维束。

3.如权利要求1所述的植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述形状记忆合金丝连续分布于外包覆层中的±45°方向。

4.如权利要求1所述的植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法，其特征在于：所述步骤6)中的模具内模为可拆卸的组合式内模。

5.一种采用如权利要求1至4项任意一项所述的植入刚度驱动器的螺旋弹簧制备方法制得的弹簧，其特征在于：弹簧簧丝横截面由芯轴、中间层、导流层及外包覆层构成；所述芯轴由玻璃纤维束制成，且浸渍树脂；所述中间层由若干层±45°单向玻璃纤维布卷曲而成；所述导流层由导流网制成；所述外包覆层采用连续增强纤维通过环向编织机编织而成，且在编织预成型体中编入连续的刚度驱动器；所述刚度驱动器由形状记忆合金丝和导电纤维组成。

6.如权利要求5所述的弹簧，其特征在于：所述外包覆层中的形状记忆合金丝由一根连续的形状记忆合金丝构成，并与车载电源组成导电回路；或由多个连续的形状记忆合金丝构成，并共同与车载电源组成导电回路；或与电阻丝等发热纤维缠绕组成一股线路，电阻丝与车载电源组成导电回路。

7.如权利要求6所述的弹簧，其特征在于：进一步包括带有绝缘效果的金属接头；所述金属接头与簧身表面配合固定，并与形状记忆合金丝连接，并通过金属接头与螺旋弹簧安装卡位的配对约束实现对所述形状记忆合金丝两端的固定约束。

8.如权利要求7所述的弹簧，其特征在于：所述金属接头与车载电源及车载控制***相连，并与所述形状记忆合金丝组成导电及控制回路；所述车载电源根据车载控制***的指令对复合材料螺旋弹簧内部的刚度驱动器通电加热。

9.如权利要求5所述的弹簧，其特征在于：所述簧丝等直径、等中经及等螺距形式；或为变簧丝直径、变中经或变螺距形式。