CN1480658A - 编织复合材料螺旋弹簧结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种编织复合材料螺旋弹簧结构及其制造方法，其系于软性材质制成的芯材外缘卷绕含浸树脂的碳纤维预浸布卷绕，再于碳纤维预浸布外缘包绕以高刚性或高韧性材质编织成的编织物，再于含浸树脂后导入芯模的螺旋状凹槽中，并予以加温加压，使复合材料硬化成形为螺旋弹簧。

Description

编织复合材料螺旋弹簧结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种编织复合材料螺旋弹簧结构及其制造方法，尤指一种以编织复合材料制成，兼具轻量、高刚性、高强度、高疲劳寿命且能吸收弹簧自身震动的螺旋弹簧。
背景技术
在已有技术中，一般的螺旋弹簧均系以钢材制成，由钢材本身的复原力，使螺旋卷绕的弹簧可用来吸收轴向的受力，因此，螺旋弹簧被普遍用在各种机构中，如汽车、机车乃至于自行车的悬吊避震***中，或一般的工业机械上。
以自行车之悬吊避震***为例，自行车的车架、轮圈等各部份都不断地朝轻量化的方向发展，以期增进自行车之运动效能。然而，车架、轮圈等都渐渐采用高强度且轻量化的材质来制造，如铝合金、镁合金、碳纤维乃至于钛合金等，唯独螺旋弹簧乃停留在以钢材制造的阶段。钢材虽然具有高强度、高刚性乃至于良好的弹性，但是，钢制弹簧却也有着重量沉重的缺点，而且，螺旋弹簧在受力后因钢材弹性的复原力所产生的余震，也会因重量较重而加大其惯性作用力，使震幅加大，造成不必要的余震。
再者，钢材本身因弹性良好，因此，作用于弹簧本身的震动，无法由钢材本身自行吸收，而需向外传递以消除这些作用力，因此，于悬吊避震***中多半会增设阻尼机构来吸收这些作用力，而增加了机构的复杂性及整个***总重量。
此外，欲提升弹簧的承载强度时，通常会使用强度更高的钢材或加大钢材的直径，然而，这些作法都会使制成的弹簧的量增加，因此，现行的钢制螺旋弹簧实有加以改进的必要。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种编织复合材料螺旋弹簧结构，本发明的螺旋弹簧系由碳纤维及高韧性的编织物经含浸树脂后加温加压硬化，分别形成螺旋弹簧的中层与外层，而可大幅降低弹簧的重量，并保持适度的弹性；且螺旋弹簧内部的芯材系以吸震效果较佳的橡胶或发泡材料所制成，而能吸收螺旋弹簧自身的震动。
本发明的另一个目的在于提出一种编织复合材料螺旋弹簧的制造方法。
本发明的一个目的是由下述技术方案实现的：一种编织复合材料螺旋弹簧结构，包括一由吸震材质所形成的内层，该内层系被一中层所包覆，该中层系由含浸树脂的碳纤维预浸布卷绕所组成，而该中层系被一外层所包覆，该外层系由编织物含浸树脂包绕所组成。
本发明的另一个目的是由下述技术方案实现的：一种编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，该方法包括下列步骤：
卷绕预浸材：于软性材质所制成的条状芯材外缘单方向卷绕包覆一层以上预浸树脂的碳纤维预浸布；
包绕编织物：于碳纤维预浸布之外缘包绕编织物；
含浸树脂：将包绕有编织物的材料导入树脂槽中含浸树脂，使树脂渗透进入编织物的纤维中；
入芯模：将所述芯材外卷绕有碳纤维预浸布及编织物之材料导入一芯模的螺旋状凹槽中；
加温加压：对绕设有材料的芯模进行加温、加压，使芯材外卷绕有碳纤维预浸布及编织物的材料硬化成型；
脱模：将已硬化成形的弹簧自芯模中分离出来即取得以编织复合材料制成螺旋弹簧。
本发明与已有技术相比具有如下优点：
1、由于本发明的螺旋弹簧系由碳纤维及高韧性的编织物经含浸树脂后加温加压硬化，分别形成螺旋弹簧的中层与外层，而可大幅降低弹簧的重量，并保持适度的弹性。
2、由于本发明的内部的芯材系以吸震效果较佳的橡胶或发泡材料所制成，而能吸收螺旋弹簧自身的震动。
3、由本发明的方法所制成的螺旋弹簧具有重量轻、高刚性、高强度及高疲劳寿命且能吸收弹簧自身震动的优点。
附图说明
图1是本发明的制造方法的流程图
图2是本发明的制造流程的示意图
图3是本发明的制造方法中加温过程的示意图
图4是本发明的螺旋弹簧的结构示意图
具体实施方式
请参阅图1至图3，本实施例的编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，该方法包括下列步骤：
a、卷绕预浸材：
于橡胶或发泡材质(PU、EVA等)软性材质所制成的条状芯材10外缘，卷绕包覆正负四十五度的预浸树脂的单方向碳纤维预浸布(unidirectionalcarbonfiber prepreg)11，而碳纤维预浸布11的厚度约0.18毫米，且卷绕的层数至少在一层以上。
B、包绕编织物：
经步骤a卷绕预浸材后的材料，其外缘再包绕由芳香族聚醯胺纤维或碳纤维等高刚性高韧性纤维材料所编织而成的编织物12，且该编织物的编织角度系以约正负四十五度的方向来进行编织。
C、含浸树脂：
将经由步骤b包绕编织物后的材料1导入树脂槽13中含浸环氧树脂130，使环氧树脂布满且均匀渗透进入编织物之纤维中。
d、入芯模：
将含浸树脂后的材料1导入一芯模14的螺旋状凹槽141中，使材料呈螺旋状卷绕于芯模，而该芯模系以金属或热熔性材料或热溶性材料所制成。
E、加温加压：
将卷绕有材料的芯模14置入一组上、下合模的外模中，且该上、下模15、16对应芯模的螺旋状凹槽141亦设有与之对应的螺旋状凹槽151、161，使上、下模合模时可将芯模包覆于外模中，并由螺旋状凹槽141、151、161对芯材10、碳纤维预浸布及编织物组成之材料施以压力，使芯材、碳纤维预浸布及编织物组成的材料被局限于对合的螺旋状凹槽中，而上、下模合模时对材料所施加的压力系在10千克/厘米2以上，且于加压的同时，对模具加温，其加温的过程系将温度由室温加热至80℃维持30分钟后，再加热至120℃维持30分钟，最后加热至135℃维持60分钟，再自然冷却至室温，如图3所示，使芯材、碳纤维预侵布及编织物组成的材料施予硬化成型。
当然，当树脂***的材质不同时，其加热的温度及加热的时间均可相对调整。
F、脱模：
将经由步骤e加温。加压后的芯模取出，此时，由芯材、碳纤维预浸布及编织物组成的编织材料已硬化成形为螺旋弹簧2，且束缚于芯模上。当芯模为金属材质时，可以旋绕的方式将已成形的螺旋弹簧成品取出；而当芯模为热熔性材质时，可以加热方式使芯模熔化，即可取得已成形的螺旋弹簧；而当芯模为热溶性材质时，则将芯模置于水中加热使芯模溶于热水中即可取得以编织复合材料制成螺旋弹簧。
请参阅图4，经由本发明的制造方法所制成的编织复合材料螺旋弹簧，其包括一由软性材质制成的芯材10所形成的内层I，该内层I外缘系被碳纤维预浸布11卷绕所组成的一中层M所包覆，而该中层外缘则被编织物包绕所组成的一外层0所包覆，使螺旋弹簧成为具有内层I、中层M及外层0三层结构体。
以本发明的制造方法所制成的螺旋弹簧，其主要系由碳纤维预浸布所成型的中层M来供螺旋弹簧所需的刚性及复原力；而由碳纤维或芳香族聚醯胺纤维等高刚性高韧性纤维材料所编织的编织物所成型的外层，则可增强螺旋弹簧之强度及耐疲劳度；内层的芯材由于系由橡胶或发泡材质(PU、EVA等)等吸震性较佳的软性材质所制成，因此，内层可供吸收螺旋弹簧自身的震动以提高弹簧的使用寿命。
与已有技术的钢制螺旋弹簧相比较，本发明所制成的编织复合材料螺旋弹簧显然具有轻量化的优势，而轻量化的弹簧会因惯性作用力较小，而能避免不必要的余震，再者，本发明所制成的编织复合材料螺旋弹簧能由内层的芯材吸收螺旋弹簧自身的震动，而能避免不必要的震动；且纤维的排列方向可依弹簧受力方向加以改变以增强弹簧的强度或加强克服剪力的方向，而不会如钢制弹簧般造成重量的增加。
综上所述，以本发明的制造方法所制成的编织复合材料螺旋弹簧确实可达到重量轻、高刚性、高强度及高疲劳寿命且能吸收弹簧自身震动的多重效用。
当然，本发明仍存在许多例子，其间仅细节上的变化。例如，芯模于步骤e加温加压时，系于芯模外缘套设一热缩膜，以于加温时，藉由热缩膜的收缩力量来对材料加压，或者，也可以采取热压斧(autoclave)成形法对材料进行加压，如此同样可以达到与前述实施例相同的功效。

Claims (14)

1、一种编织复合材料螺旋弹簧结构，其特征在于：包括一由吸震材质所形成的内层，该内层系被一中层所包覆，该中层系由含浸树脂的碳纤维预浸布卷绕所组成，而该中层系被一外层所包覆，该外层系由编织物含浸树脂包绕所组成。
2、根据权利要求1所述的编织复合材料螺旋弹簧结构，其特征在于：所述的碳纤维预浸布是以正负四十五度的单方向卷绕而成。
3、根据权利要求1所述的编织复合材料螺旋弹簧结构，其特征在于：所述的编织物是以正负四十五度角编织而成。
4、一种编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于：包括下列步骤：
卷绕预浸材：于软性材质所制成的条状芯材外缘单方向卷绕包覆一层以上预浸树脂的碳纤维预浸布；
包绕编织物：于碳纤维预浸布之外缘包绕编织物；
含浸树脂：将包绕有编织物的材料导入树脂槽中含浸树脂，使树脂渗透进入编织物的纤维中；
入芯模：将所述芯材外卷绕有碳纤维预浸布及编织物之材料导入一芯模的螺旋状凹槽中；
加温加压：对绕设有材料的芯模进行加温、加压，使芯材外卷绕有碳纤维预浸布及编织物的材料硬化成型；
脱模：将已硬化成形的弹簧自芯模中分离出来即取得以编织复合材料制成螺旋弹簧。
5、根据权利要求4所述的编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于：所述的碳纤维预浸布系以约正负四十五度的单方向卷绕而成。
6、根据权利要求4所述的编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于：所述的编织物系以约正负四十五度角编织包绕而成。
7、根据权利要求4所述的编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于：所述的芯材系由橡胶或发泡材料等吸震材质所制成。
8、根据权利要求4所述的编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于：所述的编织物系由碳纤维或芳香族聚醯胺纤维等高刚性高韧性材料所制成。
9、根据权利要求4所述的编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于：所述的芯模系由热熔性材料所制成，俾于脱模时藉由加热使芯模熔解，以取得成型的螺旋弹簧。
10、根据权利要求4所述的编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于：所述的芯模于加温加压步骤时，系将芯模置入一组上、下合模的外模中，且该上、下模对应芯模之螺旋状凹槽亦设有与之对应的螺旋状凹槽，使上、下模合模时可将芯材外包覆有碳纤维预浸布及编织物的材料容置于其中，并对材料施以压力。
11、根据权利要求4所述的编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于：所述的芯模于加温加压步骤时，系于芯模外套设一热缩膜，以于加温时使热缩膜收缩而对材料加压。
12、根据权利要求4所述的编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于：所述的芯模于加温加压步骤时，系以热压斧成形法对材料进行加压。
13、根据权利要求4所述的编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于：在所述的加温加压的步骤中，所述加温的过程系依树脂***将温度由室温加热至80℃维持30分钟，再加热至120℃维持30分钟，最后加热至135℃维持60分钟，再自然冷却至室温。
14、根据权利要求4所述的编织复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于：在所述的加温加压的步骤中，所施加之压力系在10千克/厘米2以上。
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