[实用新型]碳纤维复合材料螺旋弹簧及其成型模具

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种复合材料弹簧，尤其是涉及一种碳纤维复合材料螺旋弹簧及其成型模具。

背景技术

近年来，世界能源危机和石油涨价及环境问题，迫切要求汽车朝向轻量化的方向发展，通常使用轻质材料(或新材料)替代传统材料以实现结构轻量化为目标，进一步提高燃油利用率已成为研究的热点之一。

轻质材料(或新材料)包括高强度钢、铝、镁和钛合金、塑料及复合材料等等；与金属材料相比，碳纤维复合材料(诸如碳纤维增强塑料(下文中，称为CFRP))是轻质、高刚度、高强度、高抗疲劳性、耐磨以及抗振吸振性好等优点，其比模量高于钢和铝合金的5倍，比强度高于钢和铝合金的3倍，但比重却很小，每单位体积的重量只有钢的20％。此外，碳纤维复合材料具有较高的耐腐蚀性和较低的热膨胀性，比钢更耐用而且不易生锈，汽车生产商已积极地进行了尝试将重量轻的复合材料应用于车辆内部材料、车身、板簧、车辆保险杠等。

然而，传统弹簧(即螺旋弹簧)大多数是由金属材料(钢材)卷绕而制成，制造工序极为复杂；而弹簧主要是借助金属材料的物理性能，通过一定的转换方式来实现其储存能量和释放能量，从而制成具有减震、缓冲功能的弹簧，并将其应用于各种机构和工业机械的零件上，如汽车、机车以及航空航天领域上(CN103573892A)。为适应行业发展的需求，金属材料制成的弹簧已难以满足使用需求，并且从设计、选材、制造以及检验金属弹簧已达到一个瓶颈期。因此，用碳纤维复合材料制备螺旋型弹簧替代金属螺旋弹簧将成为行业发展的趋势。

许多研究者已尝试利用CFRP来制造螺旋型弹簧。然而，因为CFRP易受压缩应力或剪应力的影响，通过单一的碳纤维丝束制造出螺旋型弹簧难以产生足够的张力给弹性体提供反弹力(CN 103388642 A)。另有，碳纤维复合材料制作的弹簧面临着一些挑战，如弹性差、易碎、各向异性高，这些特性本质上是不适合弹簧，从而已造出的碳纤维复合材料弹簧形变小，弹性系数低，承载负荷小。因此，利用碳纤维复合材料独特的高抗拉强度，设计一种特殊结构的复合材料弹簧才能达到大承载能力(WO 2014/014481 A1；WO 02/099307 A1；US 2852424 A；US 4773633 A；US 8857801 B2；US 7857294 B2；US 5685525 A；US 4260143 A；CN 104690984 A；CN 103221199 A)。因此，迫切需要开发一种能够实现减轻重量、具有优良耐久性并且取代普通金属材料螺旋弹簧的碳纤维复合材料螺旋弹簧结构至关重要。

当前提到的制作纤维增强复合材料螺旋型弹簧的制作方法不佳、操作难度大、耗费工时，要求设备资本投入大，材料浪费严重，生产的碳纤维复合材料部件成本高。(EP 0637700 B1；US 8490530 B2；CN 1480658 A；CN 1651795 A；CN 1232931 A；CN 101439580 A)。

此外，现有的制造纤维增强复合材料弹簧成型模具(EP 2647481 A1；US 4434121 A；US 5988612 A；US 4473217 A；US 6986203 B2；CN 102909870 A)，设计过程复杂，开模成本高，装模和脱模困难，生产效率低。并且模具闭合加热的过程中，由于碳纤维被树脂浸润不均匀而造成产品表面或内部存在气泡，造成表面凹凸不平。在生产过程中由于树脂反应产生内应力，在无外力帮助时，内应力无法抵消，会对产品的强度性能产生极大的影响，会直接影响产品的使用寿命。

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不仅具有质轻、强度高、刚度高、疲劳寿命高以及吸收弹簧自身震动能力强等优点，而且绝缘及防锈好的碳纤维复合材料螺旋弹簧。

本实用新型的另一个目的在于提出了一种制作碳纤维复合材料螺旋弹簧的成型模具，本实用新型所涉及的成型模具可设计性强、开模成本低、模具拆卸容易、模具污染小。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种碳纤维复合材料螺旋弹簧，包括呈螺旋状的弹簧丝，所述的弹簧丝由芯轴、包裹在芯轴外的中层及包裹在中层外的外层组成，所述的芯轴由若干根碳纤维增强体组成，并且该芯轴呈扭转状，所述的碳纤维增强体由浸渍有树脂的若干根碳纤维束及包裹在该若干根碳纤维束外的一层浸渍有树脂的碳纤维布组成，所述的中层为浸渍有树脂的若干层碳纤维布或浸渍有树脂的碳纤维束，所述的外层为由软管构成的保护套。

作为优选的技术方案，所述的芯轴的扭转圈数为15～60圈/米。