本發(fā)明屬于機(jī)動(dòng)車板簧技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種FRB板簧及其總成。

背景技術(shù)：

鋼板彈簧在汽車上可以縱置或者橫置。橫置鋼板彈簧因?yàn)橐獋鬟f縱向力，必須設(shè)置附加的導(dǎo)向傳力裝置，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量加大，所以只在少數(shù)輕、微型車上應(yīng)用?？v置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩，具有導(dǎo)向功能，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故在汽車上得到廣泛應(yīng)用。

如圖1和圖2所示為現(xiàn)有技術(shù)鋼板彈簧的主視圖和俯視圖，包括前襯套01、卡箍02、板簧03、中心螺栓04及后襯套05；現(xiàn)有技術(shù)的鋼板彈簧的質(zhì)量大，燃油經(jīng)濟(jì)性差，壽命短，平順性差，簧下質(zhì)量大，簧下振動(dòng)大。

隨著科技發(fā)展，復(fù)合材料板簧逐步用于汽車懸架彈簧元件。復(fù)合材料比強(qiáng)度比模量高、具有良好的耐疲勞性能、阻尼減振性能和耐腐蝕性能，因此，使用復(fù)合材料做彈性元件，可大幅提高車輛的平順性和舒適性，而質(zhì)量?jī)H是鋼板彈簧的1/4左右，不僅有效地提高了燃油效力，還降低了簧下質(zhì)量，減小簧下振動(dòng)，同時(shí)壽命是鋼板彈簧的3倍左右，在整車壽命范圍內(nèi)無(wú)需更換彈性元件，整車使用和維修成本相對(duì)較低。

復(fù)合材料英文是Fibre-Reinforced Plast ic，直譯是纖維增強(qiáng)塑料，簡(jiǎn)稱FRP，復(fù)合材料種類很多，比如鋼筋混泥土也是復(fù)合材料，混泥土是母材，鋼筋是增強(qiáng)材料。但是現(xiàn)代工業(yè)所指的復(fù)合材料主要是玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)和碳纖維復(fù)合材料(CFRP)，母材是塑料(或樹脂)，增強(qiáng)材料是玻璃纖維或碳纖維，現(xiàn)代復(fù)合材料板簧的增強(qiáng)材料主要是玻璃纖維，也有碳纖維，母材多為環(huán)氧樹脂，因此，把復(fù)合材料板簧稱之為FRP板簧更為科學(xué)。

FRP板簧本體中要求增強(qiáng)材料(玻璃纖維或碳纖維)布置均勻性，也即單位面積纖維束數(shù)相同，同時(shí)在主要使用長(zhǎng)度范圍內(nèi)纖維束數(shù)一致，保持纖維的連續(xù)性，這樣才能保證FRP板簧剛度和變形的一致性，所以，不要使纖維長(zhǎng)短不齊，盡量不要在主要使用長(zhǎng)度范圍內(nèi)切割或大孔。均勻性和連續(xù)性是保證FRP板簧性能和可靠性的基本要求。如奔馳sprinter為代表的輕型客車的前懸架采用橫置FRP板簧，只是在受力很小的兩端切割，在使用范圍內(nèi)，各處截面相等，且截面高度和寬度也不變，保證FRP板簧中纖維的布置均勻性且無(wú)間斷，這樣便于成型加工。安裝時(shí)采用4點(diǎn)軟固定，中部所有纖維獲得保護(hù)，充分保證FRP板簧的壽命，大幅提高懸架的可靠性。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外很多汽車廠家想用FRP板簧替代現(xiàn)有的縱置板簧，但是，縱置板簧兩端卷耳要通過(guò)襯套固定到車身上，中部要通過(guò)U形螺栓固定在車身上，必須通過(guò)金屬件的連接和固定，這些因素必然造成FRP板簧局部應(yīng)力大，在卷耳的連接處和U形螺栓外側(cè)出現(xiàn)纖維斷裂的現(xiàn)象，極大地影響FRP板簧的壽命。

如圖3所示，為現(xiàn)有技術(shù)橫置FRP板簧獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu)，包括端部固定塊06、上限位塊07、下限位塊08、橫置FRP板簧09、副車架010及下擺臂011；現(xiàn)有技術(shù)的橫置FRP板簧除兩端外，F(xiàn)RP板簧的各處截面均相等，且截面高度和寬度也不變。

橫置FRP板簧的中部由副車架上的上限位塊和下限位塊上下限位固定，端部由下擺臂上的端部固定塊限位固定，端部固定塊、上限位塊、下限位塊與橫置FRP板簧均是通過(guò)橡膠限位固定，這樣整個(gè)橫置FRP板簧左右通過(guò)的四個(gè)固定點(diǎn)均為軟固定。

由于橫置FRP板簧中纖維的布置均勻性且無(wú)間斷，保證FRP板簧的纖維不被損壞，充分保證FRP板簧的壽命，大幅提高懸架的可靠性。但是橫置FRP板簧獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，而幾乎所有商用車都采用具有導(dǎo)向功能的縱置板簧。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種FRP板簧及其總成，以解決在保證縱置板簧的性能和可靠性的前提下，用FRP板簧替換現(xiàn)有鋼板彈簧；保證FRP板簧本體的均勻性和連續(xù)性的同時(shí)，改變?cè)鰪?qiáng)材料纖維的布置和走向，減小FRP板簧本體與金屬件的連接和固定處的應(yīng)力，提高縱置FRP板簧的可靠性，大幅降低板簧懸架的重量，提高燃油效力；提高車輛行駛的平順性；提高縱置板簧懸架的壽命。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種FRP板簧，包括FRP板簧本體，所述FRP板簧本體的各部分截面均相同；

所述FRP板簧本體包括前卷耳安裝段、前外過(guò)渡段、前性能段、前內(nèi)過(guò)渡段、U型螺栓安裝段、后內(nèi)過(guò)渡段、后性能段、后外過(guò)渡段及后卷耳安裝段；所述前卷耳安裝段、所述前外過(guò)渡段、所述前性能段、所述前內(nèi)過(guò)渡段、所述U型螺栓安裝段、所述后內(nèi)過(guò)渡段、所述后性能段、所述后外過(guò)渡段及所述后卷耳安裝段依次連接為所述FRP板簧本體；

所述FRP板簧本體的各段最大剪應(yīng)力相同，彎曲應(yīng)力主要取決于正應(yīng)力，

正應(yīng)力由公式：

或

其中，M為彎矩，M＝Px，P為受力，x為FRP板簧本體的端部至測(cè)試點(diǎn)的長(zhǎng)度；Z為截面系數(shù)，Z＝(bh²)/6，其中b為測(cè)試點(diǎn)處FRP板簧的寬度，h為測(cè)試點(diǎn)處FRP板簧的厚度；S為測(cè)試點(diǎn)處FRP板簧的截面積，S＝bh；

根據(jù)公式(2)，為保證所述FRP板簧本體各段應(yīng)力相同，從所述FRP板簧的U型螺栓安裝段的兩側(cè)各自向所述FRP板簧的端部延伸到所述FRP板簧最寬處時(shí)，所述FRP板簧的厚度逐漸減小。

在所述U型螺栓安裝段的兩側(cè)靠近所述前內(nèi)過(guò)渡段及所述后內(nèi)過(guò)渡段部分的厚度h1均大于所述U型螺栓安裝段的厚度，且所述h1部分對(duì)應(yīng)的所述FRP板簧本體的寬度為b1；

所述前性能段靠近所述前外過(guò)渡段的厚度及所述后性能段靠近所述后外過(guò)渡段的厚度均為h2，且所述h2為所述FRP板簧本體的厚度的最小值；所述h2部分對(duì)應(yīng)的所述FRP板簧本體的寬度為b2；

所述前卷耳安裝段和所述后卷耳安裝段的厚度均為h3，所述h3對(duì)應(yīng)的所述FRP板簧本體的寬度為b3；

h₁＞h₃＞h₂；b₁＜b₃＜b₂；h₁b₁＝h₂b₂＝h₃b₃。

所述前卷耳安裝段的長(zhǎng)度、所述前外過(guò)渡段的長(zhǎng)度、所述前性能段的長(zhǎng)度、所述前內(nèi)過(guò)渡段的長(zhǎng)度及所述U型螺栓安裝段一半的長(zhǎng)度之和小于所述后卷耳安裝段的長(zhǎng)度、所述后外過(guò)渡段的長(zhǎng)度、所述后性能段的長(zhǎng)度、所述后內(nèi)過(guò)渡段的長(zhǎng)度及所述U型螺栓安裝段一半的長(zhǎng)度之和。

所述前性能段與所述前外過(guò)渡段的中線及所述后性能段與所述后外過(guò)渡段的中線均為弧形。

在所述前卷耳安裝段與所述后卷耳安裝段上均設(shè)置有螺栓過(guò)孔。

一種FRP板簧總成，包括上述任一項(xiàng)的FRP板簧，還包括前卷耳、后卷耳、前襯套、后襯套、上蓋板及下墊板；

所述前卷耳與所述FRP板簧的前卷耳安裝段固定連接；所述后卷耳與所述FRP板簧的后卷耳安裝段固定連接；所述前襯套設(shè)置于所述前卷耳內(nèi)，所述后襯套設(shè)置于所述后卷耳內(nèi)；

所述上蓋板和所述下墊板相對(duì)設(shè)置于所述FRP板簧的U型螺栓安裝段的下表面和下表面。

在所述上蓋板與所述U型螺栓安裝段的上表面之間，以及所述下墊板與所述U型螺栓安裝段的下表面之間均設(shè)置有軟墊板。

所述上蓋板包括上蓋板本體，在所述上蓋板本體的兩側(cè)向所述FRP板簧方向彎折，形成第一彎折部和第二彎折部；在所述第一彎折部和所述第二彎折部上均設(shè)置有凹口，在所述上蓋板本體的上表面設(shè)置有第一定位銷；

所述下墊板包括下墊板本體，在所述下墊板本體的兩側(cè)向所述FRP板簧方向彎折，形成第三彎折部和第四彎折部，在所述第三彎折部和所述第四彎折部上均設(shè)置有凸板，所述凸板與所述凹口一一對(duì)應(yīng)配合；在所述下墊板本體的下表面設(shè)置有第二定位銷。

所述前卷耳和所述后卷耳的形狀相同，均由兩個(gè)直板段和一個(gè)圓環(huán)段組成；兩個(gè)所述直板段相互平行且四周對(duì)齊，在兩個(gè)所述直板段上分別設(shè)置有相對(duì)的螺栓過(guò)孔；所述前襯套設(shè)置于所述前卷耳的圓環(huán)段內(nèi)，所述后襯套設(shè)置于所述后卷耳的圓環(huán)段內(nèi)。

本發(fā)明的有益效果是：

本技術(shù)方案的FRP板簧結(jié)構(gòu)能夠保證不會(huì)一下全部斷裂，保證車輛行駛的安全性；同時(shí)通過(guò)FRP板簧，大幅度降低板簧懸架的重量，提高燃油親和力；提高車輛行駛的平順性，提高縱置板簧懸架的壽命，使縱置FRP板簧懸架的壽命提高到縱置鋼板彈簧的壽命的3倍左右，在整車使用壽命范圍內(nèi)不用更換板簧這樣的彈性元件，大幅減小板簧使用成本。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的鋼板彈簧的主視圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)的鋼板彈簧的俯視圖；

圖3為現(xiàn)有技術(shù)的橫置FRP板簧獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu)；

圖4為本發(fā)明FRP板簧結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為圖4的俯視圖；

圖6為圖4的正視圖；

圖7為本發(fā)明FRP板簧受力示意圖；

圖8為本發(fā)明FRP板簧測(cè)試示意圖；

圖9為本發(fā)明FRP板簧總成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為圖9的俯視圖；

圖11為圖9的正視圖；

圖12為圖9的A-A剖視圖；

圖13為圖9的B-B剖視圖；

圖14為圖9的C-C剖視圖；

圖15為圖9的I處放大圖；

圖16為圖9的II處放大圖；

圖17為上蓋板示意圖；

圖18為下蓋板示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

01前襯套，02卡箍，03板簧，04中心螺栓，05后襯套，06端部固定塊，07上限位塊，08下限位塊，09橫置FRP板簧，010副車架，011下擺臂，1FRP板簧本體，2前卷耳，3前襯套，4上蓋板，5下墊板，6后卷耳，7后襯套，8軟墊板，11U型螺栓安裝段，12前內(nèi)過(guò)渡段，13前性能段，14前外過(guò)渡段，15前卷耳安裝段，16后內(nèi)過(guò)渡段，17后性能段，18后外過(guò)渡段，19后卷耳安裝段，20螺栓過(guò)孔，41第一定位銷，42凹口，51第二定位銷，52凸板。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，以下的實(shí)施例僅是示例性的，僅能用來(lái)解釋和說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能解釋為是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制。

本申請(qǐng)?zhí)峁┮环NFRP板簧，如圖4至圖8所示，包括FRP板簧本體1，在本申請(qǐng)中，F(xiàn)RP板簧本體為板狀結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RP板簧本體的各部分截面均相同。

FRP板簧本體包括前卷耳安裝段15、前外過(guò)渡段14、前性能段13、前內(nèi)過(guò)渡段12、U型螺栓安裝段11、后內(nèi)過(guò)渡段16、后性能段17、后外過(guò)渡段18及后卷耳安裝段19；前卷耳安裝段、前外過(guò)渡段、前性能段、前內(nèi)過(guò)渡段、U型螺栓安裝段、后內(nèi)過(guò)渡段、后性能段、后外過(guò)渡段及后卷耳安裝段依次連接為FRP板簧本體。

前卷耳安裝段的長(zhǎng)度、前外過(guò)渡段的長(zhǎng)度、前性能段的長(zhǎng)度、前內(nèi)過(guò)渡段的長(zhǎng)度及U型螺栓安裝段一半的長(zhǎng)度之和小于后卷耳安裝段的長(zhǎng)度、后外過(guò)渡段的長(zhǎng)度、后性能段的長(zhǎng)度、后內(nèi)過(guò)渡段的長(zhǎng)度及U型螺栓安裝段一半的長(zhǎng)度之和。

前性能段與前外過(guò)渡段的中線及后性能段與后外過(guò)渡段的中線均為弧形。

在前卷耳安裝段與后卷耳安裝段上均設(shè)置有4個(gè)螺栓過(guò)孔20。

為了保證FRP板簧本體中的纖維的均勻性和連續(xù)性，就必須保證FRP板簧本體的截面積不變，如奔馳sprinter的前FRP板簧那樣寬、厚不變的等截面。

FRP板簧裝到整車上，板簧負(fù)載時(shí)端部受到力P的作用，中部通過(guò)U形螺栓固定在車身上，U形螺栓到端部的距離為l，F(xiàn)RP板簧為單片簧，U形螺栓到端部之間所受應(yīng)力與材料力學(xué)的懸臂梁的原理一致，如圖7所示。

在本申請(qǐng)中，F(xiàn)RP板簧本體中各段最大剪應(yīng)力相同，彎曲應(yīng)力主要取決于正應(yīng)力，設(shè)距離端部x處的截面寬度為b，厚度為h，該處所受到的彎矩M＝Px，截面系數(shù)Z＝(bh²)/6，在x處所受的彎曲應(yīng)力由公式(1)求得：

為了保證FRP板簧本體的均勻性和連續(xù)性，改變?cè)鰪?qiáng)材料纖維(玻璃纖維或碳纖維)布置和走向，保持FRP板簧本體的各處的截面積S不變，即S＝bh為定值，根據(jù)公式(1)可得：

根據(jù)公式(2)可知，F(xiàn)RP板簧本體所受到正應(yīng)力與該處距離端部位置成正比，與FRP板簧本體h成反比，要降低該處的彎曲應(yīng)力就必須增加該處的厚度，要減小該處應(yīng)變同樣也必須增加該處的厚度。

為了減小靠近U形螺栓處的應(yīng)力，在保持截面S不變的同時(shí)，根據(jù)公式(2)，通過(guò)改變?cè)鰪?qiáng)材料纖維(玻璃纖維或碳纖維)布置和走向，增大靠近U形螺栓處的FRP板簧本體的厚度，減小靠近U形螺栓處的應(yīng)力，同樣，由于的FRP板簧本體在與的卷耳結(jié)合處彎曲應(yīng)力比較大，適當(dāng)增加卷耳安裝段的厚度來(lái)減小結(jié)合處的彎曲應(yīng)力。

根據(jù)公式(2)，為保證所述FRP板簧本體各段應(yīng)力相同，從所述FRP板簧的U型螺栓安裝段的兩側(cè)各自向所述FRP板簧的端部延伸到所述FRP板簧最寬處時(shí)，所述FRP板簧的厚度逐漸減小。即U型螺栓安裝段的前側(cè)向FRP板簧的前端部方向延伸時(shí)，自U型螺栓安裝段的前側(cè)至FRP板簧最寬處時(shí)，F(xiàn)RP板簧的厚度逐漸減??；U型螺栓安裝段的后側(cè)向FRP板簧的后端部方向延伸時(shí)，自U型螺栓安裝段的后側(cè)至FRP板簧最寬處時(shí)，F(xiàn)RP板簧的厚度逐漸減小。

在的FRP板簧本體設(shè)計(jì)時(shí)，初步確定本體的截面積S后，先確定FRP板簧本體最薄的位置，根據(jù)材料的許用彎曲應(yīng)力和公式(2)算出在可能受到的最大力P作用時(shí)的最薄處的厚度h₂，然后確定靠近U形螺栓處的厚度h₁和與卷耳結(jié)合處的厚度h₃。

在U型螺栓安裝段的兩側(cè)靠近前內(nèi)過(guò)渡段及后內(nèi)過(guò)渡段部分的厚度h1均大于U型螺栓安裝段的厚度，且h1部分對(duì)應(yīng)的FRP板簧本體的寬度為b1；

前性能段靠近前外過(guò)渡段的厚度及后性能段靠近后外過(guò)渡段的厚度均為h2，且h2為FRP板簧本體的厚度的最小值；h2部分對(duì)應(yīng)的FRP板簧本體的寬度為b2；

前卷耳安裝段和后卷耳安裝段的厚度均為h3，h3對(duì)應(yīng)的FRP板簧本體的寬度為b3；

h₁＞h₃＞h₂；b₁＜b₃＜b₂；h₁b₁＝h₂b₂＝h₃b₃。

本申請(qǐng)還提供一種FRP板簧總成，如圖9至圖18所示，包括上述任一項(xiàng)的FRP板簧，還包括前卷耳2、后卷耳6、前襯套3、后襯套7、上蓋板4及下墊板5。

前卷耳與FRP板簧的前卷耳安裝段固定連接；后卷耳與FRP板簧的后卷耳安裝段固定連接；前襯套設(shè)置于前卷耳內(nèi)，后襯套設(shè)置于后卷耳內(nèi)。

在本申請(qǐng)中，前卷耳和后卷耳均通過(guò)沖壓而成，前卷耳和后卷耳的形狀相同，均由兩個(gè)直板段和一個(gè)圓環(huán)段組成；兩個(gè)直板段相互平行且四周對(duì)齊，在兩個(gè)直板段上分別設(shè)置有相對(duì)的4個(gè)螺栓過(guò)孔；前襯套設(shè)置于前卷耳的圓環(huán)段內(nèi)，后襯套設(shè)置于后卷耳的圓環(huán)段內(nèi)。用螺栓螺母并在兩個(gè)直板段的內(nèi)表面涂膠后將前卷耳固定于FRP板簧的前卷耳固定段，將后卷耳固定于FRP板簧的后卷耳固定段。

上蓋板和下墊板相對(duì)設(shè)置于FRP板簧的U型螺栓安裝段的下表面和下表面。

在上蓋板與U型螺栓安裝段的上表面之間，以及下墊板與U型螺栓安裝段的下表面之間均設(shè)置有軟墊板8。

上蓋板包括上蓋板本體，在本申請(qǐng)中，上蓋板通過(guò)沖壓而成，相對(duì)FRP板簧本體的軸線中線左右對(duì)稱，在上蓋板本體的兩側(cè)向FRP板簧方向彎折，形成第一彎折部和第二彎折部；在第一彎折部和第二彎折部上均設(shè)置有凹口42，在上蓋板本體的上表面設(shè)置有第一定位銷41，用于FRP板簧安裝時(shí)與車橋的位置定位。

下墊板包括下墊板本體，在本申請(qǐng)中，下墊板由沖壓而成，在下墊板本體的兩側(cè)向FRP板簧方向彎折，形成第三彎折部和第四彎折部，在第三彎折部和第四彎折部上均設(shè)置有凸板52，凸板與凹口一一對(duì)應(yīng)配合；在下墊板本體的下表面設(shè)置有第二定位銷51，用于FRP板簧安裝時(shí)與車橋的位置定位。

將兩個(gè)前襯套從兩側(cè)分別壓入到前卷耳中，將兩個(gè)后襯套從兩側(cè)分別壓入到后卷耳中，在U型螺栓安裝段上、下表面各放置一個(gè)軟墊板，將下墊板上的凸板對(duì)準(zhǔn)上蓋板上的凹口，將上蓋板和下墊板分別裝到軟墊板上，完成本FRP板簧總成的安裝。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的描述，應(yīng)當(dāng)指出，由于文字表達(dá)的有限性，而在客觀上存在無(wú)限的具體結(jié)構(gòu)，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。