本發(fā)明涉及客車空氣懸架C形梁領域，具體涉及一種碳纖維增強客車空氣懸架C形梁結(jié)構(gòu)及其設計方法。

背景技術：

懸架系統(tǒng)作為汽車底盤的關鍵部分，對汽車行駛安全可靠性和使用性能有重要影響，也是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要研究部分。空氣懸架系統(tǒng)由于其具有彈性系數(shù)可調(diào)、重量輕、行駛平穩(wěn)、減震性能好等優(yōu)點，在客車行業(yè)的應用越來越廣泛。而C形梁作為空氣懸架中最關鍵的部件之一，其中間通過螺栓與車橋固定，兩端通過空氣彈簧和減震器與客車車架相連，承載著整車的重量。因此合理的設計C形梁結(jié)構(gòu)及其設計方法對于提高空氣懸架系統(tǒng)及整車的性能都具有十分重要的意義。

目前國內(nèi)C形梁通常由變截面型鋼加工而成，其制造方法主要包括整體鑄造和鋼板沖壓焊接兩種。由于客車的C形梁在使用過程中承受較大載荷，因此為了滿足強度、剛度及耐久性、可靠性等要求，其體積往往比較大，當完全采用鋼作為材料時，會導致單件重量過大，從而影響到整車輕量化,使其動力性和燃油經(jīng)濟性較差。同時C形梁受力情況復雜，既承受拉伸載荷又承受扭轉(zhuǎn)載荷，而傳統(tǒng)材料如鑄鐵、鋼等均為各向同性材料，不能夠針對受力方向進行增強，不可避免的造成材料浪費，體積重量過大。

針對傳統(tǒng)C形梁中存在的問題，現(xiàn)基于我國常用客車結(jié)構(gòu)形式，提出一種碳纖維增強客車空氣懸架C形梁及其設計方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明設計開發(fā)了一種碳纖維增強客車空氣懸架C形梁結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的發(fā)明目的是解決C形梁能夠承受拉伸載荷以及扭轉(zhuǎn)載荷的問題同時，并且達到輕質(zhì)化。

本發(fā)明設計開發(fā)了一種碳纖維增強客車空氣懸架C形梁結(jié)構(gòu)的設計方法，本發(fā)明的發(fā)明目的是解決碳纖維布在C形梁上的纏繞角度的問題。

本發(fā)明提供的技術方案為：

一種碳纖維增強客車空氣懸架C形梁結(jié)構(gòu)，包括：

主體，其為變截面開口梁結(jié)構(gòu)，在所述開口梁結(jié)構(gòu)的中間空心部分填充泡沫，并且在所述泡沫上表面粘接內(nèi)層單向碳纖維布，在所述主體外部纏繞粘接外層單向碳纖維布；

中部緊固件，其套接在所述主體中部的碳纖維布外側(cè)；

端部緊固件，其套接在所述主體端部的碳纖維布外側(cè)。

優(yōu)選的是，還包括：

第一加強板，其與所述中部緊固件可拆卸的連接，并且安裝于所述主體的下部；以及

車橋安裝支座，其與所述中部緊固件可拆卸的連接，并且安裝于所述主體的上部。

優(yōu)選的是，還包括：第二加強板，其焊接在所述開口梁結(jié)構(gòu)的兩端，所述第二加強板上設置螺栓孔，其用于連接空氣彈簧以及減振器。

優(yōu)選的是，所述中部緊固件包括左套筒以及右套筒；以及

所述中部緊固件粘接于所述主體中部的碳纖維布外側(cè)。

優(yōu)選的是，所述端部緊固件包括左U形件以及右U形件，并且所述左U形件以及右U形件通過螺栓連接扣合；以及

所述端部緊固件粘接于所述主體端部的碳纖維布外側(cè)。

優(yōu)選的是，沿所述主體的軸線方向，在所述泡沫上表面粘接內(nèi)層單向碳纖維布，使所述內(nèi)層單向碳纖維布的徑向沿所述軸線方向。

優(yōu)選的是，相鄰所述外層單向碳纖維布之間搭接長度至少20mm；以及

所述端部緊固件覆蓋所述外層碳纖維布寬度至少50mm。

優(yōu)選的是，所述外層單向碳纖維布相對于C形梁截線方向的纏繞角度為35°～40°。

一種碳纖維增強客車空氣懸架C形梁結(jié)構(gòu)的設計方法，包括如下步驟：

步驟一、根據(jù)客車輪軸的軸荷T，確定C形梁兩端空氣彈簧安裝中心點受力F，式中，其中g為重力加速度，K_d為動荷系數(shù)；

步驟二、確定所述C形梁的長度為L、變截面開口梁的厚度為t、高度為h、寬度為b，施加所述步驟一中所確定的中心點受力F，根據(jù)得到外層單向碳纖維布相對于C形梁截線方向的纏繞角度；

式中，1≤i≤n，為確定在任意第i個任意區(qū)域中的局部模型的主應力向量，為與所述主應力向量同一平面內(nèi)且過中心處截線切向量，其中，所述截線為垂直于C形梁軸線的截面與C形梁的交線，α_i為主應力向量與C形梁截線切向量的夾角。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較所具有的有益效果：

1、本發(fā)明的碳纖維增強客車空氣懸架C形梁與現(xiàn)有C形梁結(jié)構(gòu)相比較，通過在變截面開口梁鋼結(jié)構(gòu)中填充結(jié)構(gòu)泡沫材料，并使用碳纖維增強復合材料進行定向增強，實現(xiàn)了在提高承載能力的基礎上，同時減小了C形梁整體尺寸，減輕了重量的目的，更有利于實現(xiàn)整車輕量化，從而提高客車的動力性和燃油經(jīng)濟性；

2、針對C形梁在客車運行中同時存在彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形的特點，粘接碳纖維布時分為沿C形梁軸向的內(nèi)層單向碳纖維布和沿扭轉(zhuǎn)載荷方向的外層單向碳纖維布，分別用來抵抗彎曲變形產(chǎn)生的拉力和扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的扭矩。不僅更加符合C形梁受力特性，而且充分利用了單向碳纖維布強度主要沿其經(jīng)向的特點，在提高其承載能力的基礎上，實現(xiàn)了定向增強，克服了傳統(tǒng)的各向同性材料不能針對主要受力方向進行增強，導致結(jié)構(gòu)尺寸重量過大、材料使用不合理的缺點，保證了碳纖維增強復合材料的有效利用，在降低了生產(chǎn)制造成本的同時也更有利于實現(xiàn)輕量化；

3、采用碳纖維增強復合材料粘接技術，避免了傳統(tǒng)制造過程中鑄造、焊接所造成的質(zhì)量問題對C形梁承載能力和可靠性的影響；

4、碳纖維布厚度薄，柔軟易裁剪，對于形狀復雜的結(jié)構(gòu)也能夠?qū)崿F(xiàn)100％粘接，能夠有效保證C形梁尺寸精度，同時使其表面光滑平整，有利于提高C形梁的疲勞強度，增加其耐久性；

5、本發(fā)明所涉及的碳纖維增強客車空氣懸架C形梁通過在變截面開口梁中間填充泡沫材料，更有利于吸收沖擊載荷，提高懸架抗震能力。

6、本發(fā)明所設計的碳纖維增強客車空氣懸架C形梁結(jié)構(gòu)的設計方法能夠簡單有效的計算外層單向碳纖維布相對于C形梁截線的纏繞角度，為工程應用給出具有良好可實施性量化的指導，使碳纖維盡可能沿著結(jié)構(gòu)表面受拉伸方向布置，最大限度地發(fā)揮碳纖維的定向增強作用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的纖維增強客車空氣懸架C形梁結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為碳纖維增強C形梁主體橫截面示意圖。

圖3為變截面開口梁示意圖。

圖4為C形梁中部緊固件示意圖。

圖5為C形梁端部緊固件示意圖。

圖6為碳纖維增強C形梁尺寸及受力示意圖。

圖7為變截面開口梁截面尺寸參數(shù)示意圖。

圖8為殼單元主應力向量與對應C形梁截線切向量夾角α_i示意圖。

圖9為內(nèi)、外層單向碳纖維布粘接方向及外層單向碳纖維布相對于C形梁截線的纏繞角度示意圖。

圖10為裝配完成后的碳纖維增強C形梁示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。

本發(fā)明提供了一種碳纖維增強客車空氣懸架C形梁結(jié)構(gòu)，其具有尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，承載能力強，同時更符合承載式客車懸架受力特點，能夠?qū)崿F(xiàn)定向增強。

如圖1所示，本發(fā)明提供的C形梁結(jié)構(gòu)主要由碳纖維增強C形梁主體100、C形梁中部緊固件110、C形梁端部緊固件120、第一加強板131、車橋安裝支座150、第二加強板132組成。

如圖2、圖3所示，碳纖維增強C形梁主體100由變截面開口梁140、泡沫材料200、內(nèi)層單向碳纖維布310、外層單向碳纖維布320組成，其中，變截面開口梁140中間空心部分填充泡沫材料200，在泡沫材料200上表面粘接內(nèi)層單向碳纖維布310，使其經(jīng)向沿C形梁軸線方向，同時在碳纖維增強C形梁主體100外層表面，從C形梁中部向兩端纏繞粘接外層單向碳纖維布320，使其經(jīng)向沿著由于扭轉(zhuǎn)變形所造成的平均最大拉伸方向。

如圖4所示，C形梁中部緊固件110由左套筒111、右套筒112組成，左套筒111、右套筒112粘接于碳纖維增強C形梁主體100中部碳纖維增強復合材料外側(cè)，第一加強板131、C形梁中部緊固件110以及車橋安裝支座150通過螺栓與碳纖維增強C形梁主體100連接。

如圖5所示，C形梁端部緊固件120由左U形件121和右U形件122組成，左U形件121和右U形件122粘接于碳纖維增強C形梁主體100端部碳纖維增強復合材料外側(cè)，并通過螺栓123進行連接。

C形梁中部緊固件110與C形梁端部緊固件120能夠?qū)φ辰釉贑形梁上的碳纖維布進行緊固，減少粘接失效導致碳纖維布脫落的風險。同時C形梁中部緊固件110能夠?qū)μ祭w維增強復合材料進行有效的保護，通過粘接左右套筒，有效改善碳纖維受力情況，能夠減少懸架在使用過程中對碳纖維增強復合材料的磨損，從而保證其性能穩(wěn)定，延長了使用壽命。

C形梁中部緊固件110、C形梁端部緊固件120分別與碳纖維增強C形梁主體外層的碳纖維增強復合材料通過粘接劑粘接在一起，待固化完成之后，再作為一個整體進行裝配。

在另一種實施例中，變截面開口梁140采用沖壓的方法加工而成。

在另一種實施例中，泡沫材料200為結(jié)構(gòu)泡沫材料，具有密度小、強度高的特點，作為變截面開口梁140中間空心部位的填充材料，不僅易于加工成型，而且能夠減輕總體質(zhì)量、承受一定的載荷，同時可以有效的粘接碳纖維布。

在另一種實施例中，碳纖維布為單向碳纖維布，在經(jīng)向上具有大量的碳纖維絲，在緯向只有少量并且通常是細的碳纖維絲，經(jīng)向方向上的抗拉強度遠大于緯向方向上的抗拉強度。

在另一種實施例中，第二加強板132焊接在變截面開口梁兩端，其上開有螺栓孔，用以連接空氣彈簧和減震器。

在另一種實施例中，變截面開口梁140、C形梁中部緊固件110與C形梁端部緊固件120粘接表面需進行滾花處理，保證其與碳纖維布的有效粘接。

在另一種實施例中，為了保證C形梁端部緊固件120的緊固作用，左U形件121和右U形件122覆蓋碳纖維布的寬度應保證在50mm以上。

在另一種實施例中，為了提高碳纖維布的粘接效果，相鄰外層單向碳纖維布之間的搭接長度應保證在20mm以上。

在另一種實施例中，所述外層單向碳纖維布相對于C形梁截線方向的纏繞角度為35°～40°。

實施例1

本發(fā)明還公開了一種碳纖維增強客車空氣懸架C形梁結(jié)構(gòu)的設計方法，包括如下步驟：

步驟一、確定工作載荷；根據(jù)客車運行工況中輪軸的軸荷T，確定C形梁兩端空氣彈簧安裝中心點受力F，F(xiàn)根據(jù)如下公式計算得出：

式中，其中g為重力加速度，K_d為動荷系數(shù)；并且由受力分析可知，C形梁主要承受拉伸載荷和扭轉(zhuǎn)載荷；

步驟二、初選所述C形梁的長度為L、變截面開口梁的厚度為t、高度為h、寬度為b，C形梁尺寸及受力示意圖如圖6所示、變截面開口梁截面尺寸參數(shù)示意圖如圖7所示，按照C形梁相關尺寸，建立模型，施加所述步驟一中所確定的力F以及C形梁實際邊界，進行分析計算主應力大小及方向；

步驟三、確定在任意第i個任意區(qū)域中的局部模型的坐標系下主應力向量其中，n為所劃分的區(qū)域數(shù)量，在區(qū)域內(nèi)局部坐標系xy平面內(nèi)；

步驟四、確定C形梁外表面截線；做垂直于C形梁軸線的截面，與C形梁相交形成若干截線；

步驟五、在步驟三中的區(qū)域內(nèi)的中心O處截線切向量為定義在xy平面內(nèi)，計算主應力向量與對應C形梁截線切向量夾角為α_i(i＝1,2,……n)，則

步驟六、確定外層單向碳纖維布相對于C形梁截線的纏繞角度；由于不同區(qū)域的主應力向量與C形梁表面截線之間夾角并不完全一致，因此計算所有夾角的平均值，并將其作為外層單向碳纖維布相對于C形梁截線的纏繞角度。α_i的平均值為

即為外層單向碳纖維布相對于C形梁截線的纏繞角度，n為所劃分的區(qū)域數(shù)量，如圖9所示，為內(nèi)、外層單向碳纖維布粘接方向及外層單向碳纖維布相對于C形梁截線的纏繞角度示意圖。

結(jié)合附圖，以某款12長公路客車為例，對本發(fā)明所涉及的碳纖維增強客車空氣懸架C形梁結(jié)構(gòu)及其設計方法作進一步詳細描述。

針對本實施例所選的公路客車，計算C形梁空氣彈簧安裝中心點受力F，其方向豎直向下，F(xiàn)大小由如下公式計算：在實際運行工況下，客車后輪輪軸軸荷T為15t，動荷系數(shù)K_d為2.5，重力加速度g＝9.8N/Kg，帶入得F＝91.88KN，C形梁相關尺寸參數(shù)分別為L＝1740mm，b＝90mm，h＝140mm，t＝5mm，基于以上尺寸，通過建立C形梁局部模型，然后施加載荷F以及C形梁實際邊界條件，進行分析，并計算主應力大小及方向；本實施例中，所采用單向碳纖維布是由100％，12k單向小絲束碳纖維加工而成，每平方米克重為300g/m²，單層厚度為0.167mm，寬度為150mm，其抗拉強度為3400MPa，彈性模量為240GPa；基于計算結(jié)果，提取每個區(qū)域主應力向量，做若干垂直于C形梁軸線的截面，與C形梁外表面相交形成若干截線，并計算主應力向量與過區(qū)域中心截線切向量之間的夾角，從而確定外層單向碳纖維布相對于C形梁截線纏繞角度

實施例2

本發(fā)明還公開了一種碳纖維增強客車空氣懸架C形梁結(jié)構(gòu)的設計方法，包括如下步驟：

步驟一、確定工作載荷。根據(jù)客車實際運行工況中輪軸的軸荷T，確定C形梁兩端空氣彈簧安裝中心點受力F，F(xiàn)根據(jù)如下公式計算：其中，g為重力加速度，K_d為動荷系數(shù)；由受力分析可知，C形梁主要承受拉伸載荷和扭轉(zhuǎn)載荷；

步驟二、建立有限元模型，計算單元主應力大小及方向。初選C形梁長度L、變截面開口梁厚度t、高度h、寬度b。C形梁尺寸及受力示意圖如圖6所示、變截面開口梁截面尺寸參數(shù)示意圖如圖7所示，按照C形梁相關尺寸，建立有限元模型，施加步驟一中所確定的力F以及C形梁實際邊界條件，進行仿真分析，計算單元主應力大小及方向。

步驟三、提取單元主應力向量；通過有限元仿真軟件，提取第i個殼單元在殼單元局部坐標系下主應力向量其中，n為所劃分的殼單元總數(shù)，在殼單元局部坐標系xy平面內(nèi)；

步驟四、確定C形梁外表面截線；做垂直于C形梁軸線的截面，與C形梁外表面相交形成若干截線；

步驟五、計算單元主應力向量與過單元中心C形梁截線之間夾角；如圖8所示，在單元中心O點處截線切向量為定義在xy平面內(nèi)，主應力向量與對應C形梁截線切向量夾角為α_i(i＝1,2,……n)，則α_i為1≤i≤n，n為所劃分的殼單元總數(shù)；

步驟六、確定外層單向碳纖維布相對于C形梁截線的纏繞角度；由于不同單元的主應力向量與C形梁表面截線之間夾角并不完全一致，因此計算所有夾角的平均值，并將其作為外層單向碳纖維布相對于C形梁截線的纏繞角度。α_i的平均值為1≤i≤n，即為外層單向碳纖維布相對于C形梁截線的纏繞角度，n為所劃分的殼單元總數(shù)，如圖9所示為內(nèi)、外層單向碳纖維布粘接方向及外層單向碳纖維布相對于C形梁截線的纏繞角度示意圖。

結(jié)合附圖，以某款12長公路客車為例，對本發(fā)明所涉及的碳纖維增強客車空氣懸架C形梁結(jié)構(gòu)及其設計方法作進一步詳細描述。

針對本實施例所選的公路客車，計算C形梁空氣彈簧安裝中心點受力F，其方向豎直向下。F大小由如下公式計算：

在實際運行工況下，客車后輪輪軸軸荷T為15t，動荷系數(shù)K_d為2.5，重力加速度g＝9.8N/Kg，帶入得F＝91.88KN，C形梁相關尺寸參數(shù)分別為L＝1740mm，b＝90mm，h＝140mm，t＝5mm。基于以上尺寸，通過有限元軟件建立C形梁有限元模型，然后施加載荷F以及C形梁實際邊界條件，進行仿真分析，并計算單元主應力大小及方向。本實施例中所采用單向碳纖維布是由100％，12k單向小絲束碳纖維加工而成，每平方米克重為300g/m²，單層厚度為0.167mm，寬度為150mm，其抗拉強度為3400MPa，彈性模量為240GPa。

基于有限元軟件計算結(jié)果，提取每個殼單元主應力向量，做若干垂直于C形梁軸線的截面，與C形梁外表面相交形成若干截線，并計算主應力向量與過單元中心截線切向量之間的夾角，從而確定外層單向碳纖維布相對于C形梁截線纏繞角度

在本實施例中，所采用仿真軟件為HyperMesh、Patran2010&Nastran2010，編程軟件為Compaq Visual Fortran 6.6，操作系統(tǒng)為Windows。

如圖1～10所示，根據(jù)本發(fā)明的C形梁結(jié)構(gòu)及其設計方法，本發(fā)明提供了一種具體的操作過程，包括如下步驟：

步驟a、對沖壓好的變截面開口梁140、左套筒111、右套筒112、左U形件121以及右U形件122的粘接表面進行滾花處理，增加其表面粗糙度，便于和碳纖維布有效粘接，將粗化處理后的零件清洗干凈并進行干燥；

步驟b、在變截面開口梁140內(nèi)表面涂抹粘接劑，并將一定形狀的泡沫材料200填充于變截面開口梁內(nèi)部；

步驟c、把按圖紙尺寸裁好的單向碳纖維布粘接于變截面開口梁140上端開口處的泡沫材料200表面，并進行固化；

步驟d、待內(nèi)層單向碳纖維布310基本固化，具有一定的硬度之后，沿相對于C形梁截線38°纏繞粘接外層單向碳纖維布320，相鄰兩層碳纖維布搭接長度為30mm；

步驟e、將粘接好碳纖維增強復合材料的C形梁主體100進行固化，固化完成后并對其表面進行打磨拋光；

步驟f、將C形梁中部緊固件110中的左套筒111、右套筒112以及C形梁端部緊固件120中的左U形件121、右U形件122粘接表面涂刷粘接膠，并粘接在C形梁主體100的相應位置，為了保證C形梁端部緊固件120的緊固作用，左U形件121以及右U形件122覆蓋碳纖維布的寬度為60mm，待固化一段時間之后，將C形梁端部緊固件左右U形件用螺栓緊固，完成與空氣彈簧、減震器、車橋等裝配，裝配完成后的C形梁主體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。