編織複合材料螺旋彈簧結構及其製造方法
2023-07-29 17:37:11
專利名稱：編織複合材料螺旋彈簧結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種編織複合材料螺旋彈簧結構及其製造方法，尤指一種以編織複合材料製成，兼具輕量、高剛性、高強度、高疲勞壽命且能吸收彈簧自身震動的螺旋彈簧。
背景技術：
在已有技術中，一般的螺旋彈簧均系以鋼材製成，由鋼材本身的復原力，使螺旋卷繞的彈簧可用來吸收軸向的受力，因此，螺旋彈簧被普遍用在各種機構中，如汽車、機車乃至於自行車的懸吊避震系統中，或一般的工業機械上。
以自行車之懸吊避震系統為例，自行車的車架、輪圈等各部份都不斷地朝輕量化的方向發展，以期增進自行車之運動效能。然而，車架、輪圈等都漸漸採用高強度且輕量化的材質來製造，如鋁合金、鎂合金、碳纖維乃至於鈦合金等，唯獨螺旋彈簧乃停留在以鋼材製造的階段。鋼材雖然具有高強度、高剛性乃至於良好的彈性，但是，鋼製彈簧卻也有著重量沉重的缺點，而且，螺旋彈簧在受力後因鋼材彈性的復原力所產生的餘震，也會因重量較重而加大其慣性作用力，使震幅加大，造成不必要的餘震。
再者，鋼材本身因彈性良好，因此，作用於彈簧本身的震動，無法由鋼材本身自行吸收，而需向外傳遞以消除這些作用力，因此，於懸吊避震系統中多半會增設阻尼機構來吸收這些作用力，而增加了機構的複雜性及整個系統總重量。
此外，欲提升彈簧的承載強度時，通常會使用強度更高的鋼材或加大鋼材的直徑，然而，這些作法都會使製成的彈簧的量增加，因此，現行的鋼製螺旋彈簧實有加以改進的必要。
發明內容
本發明的一個目的在於提出一種編織複合材料螺旋彈簧結構，本發明的螺旋彈簧系由碳纖維及高韌性的編織物經含浸樹脂後加溫加壓硬化，分別形成螺旋彈簧的中層與外層，而可大幅降低彈簧的重量，並保持適度的彈性；且螺旋彈簧內部的芯材系以吸震效果較佳的橡膠或發泡材料所製成，而能吸收螺旋彈簧自身的震動。
本發明的另一個目的在於提出一種編織複合材料螺旋彈簧的製造方法。
本發明的一個目的是由下述技術方案實現的一種編織複合材料螺旋彈簧結構，包括一由吸震材質所形成的內層，該內層系被一中層所包覆，該中層系由含浸樹脂的碳纖維預浸布卷繞所組成，而該中層系被一外層所包覆，該外層系由編織物含浸樹脂包繞所組成。
本發明的另一個目的是由下述技術方案實現的一種編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，該方法包括下列步驟卷繞預浸材於軟性材質所製成的條狀芯材外緣單方向卷繞包覆一層以上預浸樹脂的碳纖維預浸布；包繞編織物於碳纖維預浸布之外緣包繞編織物；含浸樹脂將包繞有編織物的材料導入樹脂槽中含浸樹脂，使樹脂滲透進入編織物的纖維中；入芯模將所述芯材外卷繞有碳纖維預浸布及編織物之材料導入一芯模的螺旋狀凹槽中；加溫加壓對繞設有材料的芯模進行加溫、加壓，使芯材外卷繞有碳纖維預浸布及編織物的材料硬化成型；脫模將已硬化成形的彈簧自芯模中分離出來即取得以編織複合材料製成螺旋彈簧。
本發明與已有技術相比具有如下優點1、由於本發明的螺旋彈簧系由碳纖維及高韌性的編織物經含浸樹脂後加溫加壓硬化，分別形成螺旋彈簧的中層與外層，而可大幅降低彈簧的重量，並保持適度的彈性。
2、由於本發明的內部的芯材系以吸震效果較佳的橡膠或發泡材料所製成，而能吸收螺旋彈簧自身的震動。
3、由本發明的方法所製成的螺旋彈簧具有重量輕、高剛性、高強度及高疲勞壽命且能吸收彈簧自身震動的優點。
圖1是本發明的製造方法的流程2是本發明的製造流程的示意3是本發明的製造方法中加溫過程的示意4是本發明的螺旋彈簧的結構示意圖具體實施方式
請參閱圖1至圖3，本實施例的編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，該方法包括下列步驟a、卷繞預浸材於橡膠或發泡材質(PU、EVA等)軟性材質所製成的條狀芯材10外緣，卷繞包覆正負四十五度的預浸樹脂的單方向碳纖維預浸布(unidirectionalcarbonfiber prepreg)11，而碳纖維預浸布11的厚度約0.18毫米，且卷繞的層數至少在一層以上。
B、包繞編織物經步驟a卷繞預浸材後的材料，其外緣再包繞由芳香族聚醯胺纖維或碳纖維等高剛性高韌性纖維材料所編織而成的編織物12，且該編織物的編織角度系以約正負四十五度的方向來進行編織。
C、含浸樹脂將經由步驟b包繞編織物後的材料1導入樹脂槽13中含浸環氧樹脂130，使環氧樹脂布滿且均勻滲透進入編織物之纖維中。
d、入芯模將含浸樹脂後的材料1導入一芯模14的螺旋狀凹槽141中，使材料呈螺旋狀卷繞於芯模，而該芯模系以金屬或熱熔性材料或熱溶性材料所製成。
E、加溫加壓將卷繞有材料的芯模14置入一組上、下合模的外模中，且該上、下模15、16對應芯模的螺旋狀凹槽141亦設有與之對應的螺旋狀凹槽151、161，使上、下模合模時可將芯模包覆於外模中，並由螺旋狀凹槽141、151、161對芯材10、碳纖維預浸布及編織物組成之材料施以壓力，使芯材、碳纖維預浸布及編織物組成的材料被局限於對合的螺旋狀凹槽中，而上、下模合模時對材料所施加的壓力系在10千克/釐米2以上，且於加壓的同時，對模具加溫，其加溫的過程系將溫度由室溫加熱至80℃維持30分鐘後，再加熱至120℃維持30分鐘，最後加熱至135℃維持60分鐘，再自然冷卻至室溫，如圖3所示，使芯材、碳纖維預侵布及編織物組成的材料施予硬化成型。
當然，當樹脂系統的材質不同時，其加熱的溫度及加熱的時間均可相對調整。
F、脫模將經由步驟e加溫。加壓後的芯模取出，此時，由芯材、碳纖維預浸布及編織物組成的編織材料已硬化成形為螺旋彈簧2，且束縛於芯模上。當芯模為金屬材質時，可以旋繞的方式將已成形的螺旋彈簧成品取出；而當芯模為熱熔性材質時，可以加熱方式使芯模熔化，即可取得已成形的螺旋彈簧；而當芯模為熱溶性材質時，則將芯模置於水中加熱使芯模溶於熱水中即可取得以編織複合材料製成螺旋彈簧。
請參閱圖4，經由本發明的製造方法所製成的編織複合材料螺旋彈簧，其包括一由軟性材質製成的芯材10所形成的內層I，該內層I外緣系被碳纖維預浸布11卷繞所組成的一中層M所包覆，而該中層外緣則被編織物包繞所組成的一外層0所包覆，使螺旋彈簧成為具有內層I、中層M及外層0三層結構體。
以本發明的製造方法所製成的螺旋彈簧，其主要系由碳纖維預浸布所成型的中層M來供螺旋彈簧所需的剛性及復原力；而由碳纖維或芳香族聚醯胺纖維等高剛性高韌性纖維材料所編織的編織物所成型的外層，則可增強螺旋彈簧之強度及耐疲勞度；內層的芯材由於系由橡膠或發泡材質(PU、EVA等)等吸震性較佳的軟性材質所製成，因此，內層可供吸收螺旋彈簧自身的震動以提高彈簧的使用壽命。
與已有技術的鋼製螺旋彈簧相比較，本發明所製成的編織複合材料螺旋彈簧顯然具有輕量化的優勢，而輕量化的彈簧會因慣性作用力較小，而能避免不必要的餘震，再者，本發明所製成的編織複合材料螺旋彈簧能由內層的芯材吸收螺旋彈簧自身的震動，而能避免不必要的震動；且纖維的排列方向可依彈簧受力方向加以改變以增強彈簧的強度或加強克服剪力的方向，而不會如鋼製彈簧般造成重量的增加。
綜上所述，以本發明的製造方法所製成的編織複合材料螺旋彈簧確實可達到重量輕、高剛性、高強度及高疲勞壽命且能吸收彈簧自身震動的多重效用。
當然，本發明仍存在許多例子，其間僅細節上的變化。例如，芯模於步驟e加溫加壓時，繫於芯模外緣套設一熱縮膜，以於加溫時，藉由熱縮膜的收縮力量來對材料加壓，或者，也可以採取熱壓斧(autoclave)成形法對材料進行加壓，如此同樣可以達到與前述實施例相同的功效。
權利要求
1.一種編織複合材料螺旋彈簧結構，其特徵在於包括一由吸震材質所形成的內層，該內層系被一中層所包覆，該中層系由含浸樹脂的碳纖維預浸布卷繞所組成，而該中層系被一外層所包覆，該外層系由編織物含浸樹脂包繞所組成。
2.根據權利要求1所述的編織複合材料螺旋彈簧結構，其特徵在於所述的碳纖維預浸布是以正負四十五度的單方向卷繞而成。
3.根據權利要求1所述的編織複合材料螺旋彈簧結構，其特徵在於所述的編織物是以正負四十五度角編織而成。
4.一種編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，其特徵在於包括下列步驟卷繞預浸材於軟性材質所製成的條狀芯材外緣單方向卷繞包覆一層以上預浸樹脂的碳纖維預浸布；包繞編織物於碳纖維預浸布之外緣包繞編織物；含浸樹脂將包繞有編織物的材料導入樹脂槽中含浸樹脂，使樹脂滲透進入編織物的纖維中；入芯模將所述芯材外卷繞有碳纖維預浸布及編織物之材料導入一芯模的螺旋狀凹槽中；加溫加壓對繞設有材料的芯模進行加溫、加壓，使芯材外卷繞有碳纖維預浸布及編織物的材料硬化成型；脫模將已硬化成形的彈簧自芯模中分離出來即取得以編織複合材料製成螺旋彈簧。
5.根據權利要求4所述的編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，其特徵在於所述的碳纖維預浸布系以約正負四十五度的單方向卷繞而成。
6.根據權利要求4所述的編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，其特徵在於所述的編織物系以約正負四十五度角編織包繞而成。
7.根據權利要求4所述的編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，其特徵在於所述的芯材系由橡膠或發泡材料等吸震材質所製成。
8.根據權利要求4所述的編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，其特徵在於所述的編織物系由碳纖維或芳香族聚醯胺纖維等高剛性高韌性材料所製成。
9.根據權利要求4所述的編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，其特徵在於所述的芯模系由熱熔性材料所製成，俾於脫模時藉由加熱使芯模熔解，以取得成型的螺旋彈簧。
10.根據權利要求4所述的編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，其特徵在於所述的芯模於加溫加壓步驟時，系將芯模置入一組上、下合模的外模中，且該上、下模對應芯模之螺旋狀凹槽亦設有與之對應的螺旋狀凹槽，使上、下模合模時可將芯材外包覆有碳纖維預浸布及編織物的材料容置於其中，並對材料施以壓力。
11.根據權利要求4所述的編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，其特徵在於所述的芯模於加溫加壓步驟時，繫於芯模外套設一熱縮膜，以於加溫時使熱縮膜收縮而對材料加壓。
12.根據權利要求4所述的編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，其特徵在於所述的芯模於加溫加壓步驟時，系以熱壓斧成形法對材料進行加壓。
13.根據權利要求4所述的編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，其特徵在於在所述的加溫加壓的步驟中，所述加溫的過程系依樹脂系統將溫度由室溫加熱至80℃維持30分鐘，再加熱至120℃維持30分鐘，最後加熱至135℃維持60分鐘，再自然冷卻至室溫。
14.根據權利要求4所述的編織複合材料螺旋彈簧的製造方法，其特徵在於在所述的加溫加壓的步驟中，所施加之壓力系在10千克/釐米2以上。
全文摘要
本發明涉及一種編織複合材料螺旋彈簧結構及其製造方法，其繫於軟性材質製成的芯材外緣卷繞含浸樹脂的碳纖維預浸布卷繞，再於碳纖維預浸布外緣包繞以高剛性或高韌性材質編織成的編織物，再於含浸樹脂後導入芯模的螺旋狀凹槽中，並予以加溫加壓，使複合材料硬化成形為螺旋彈簧。
文檔編號F16F1/366GK1480658SQ0212957
公開日2004年3月10日 申請日期2002年9月5日 優先權日2002年9月5日
發明者丘長壎 申請人:私立逢甲大學