一种轻量化复合材料自润滑可转动球铰及其制备方法与流程

本发明涉及一种球铰及其制备方法，具体涉及一种轻量化复合材料自润滑可转动球铰及其制备方法。

背景技术：

1、球铰作为广泛使用的弹性连接部件，主要用于柔性连接和缓冲振动冲击，起到减振降噪的作用。当前球铰的结构一般都是橡胶与金属芯轴形成的弹性体压装入金属外套内，因此，对于具备转动功能的球铰而言，其转动面主要为弹性体与金属材料间的摩擦，硬度较高的金属材料对于弹性体的摩擦损耗较大，所以严重影响了球铰的使用寿命。同时，金属材质的芯轴与外套重量大，无法满足当前车辆（尤其是新能源车辆）对于产品轻量化的要求。

2、如本申请人之前申请的公告号cn109578429b、名称为“一种可转动复合芯轴的弹性球铰”发明专利，公开了一种可转动复合芯轴的弹性球铰，其芯轴由金属部分的基础芯轴和复合材料的芯轴突块构成，在一定程度上减轻了球铰的重量，但是工艺较复杂，且不同材料的基础芯轴与芯轴突块之间的连接难度较大。

3、另有授权公告号cn111791513b、名称为“轻量化球铰用复合芯轴的制作方法、轻量化球铰”的发明专利，其芯轴采用在金属芯轴上缠绕玻纤、然后用树脂凝胶固化成型后机加工的方式，虽然也是在一定程度上减轻了球铰的重量，也同样存在工艺较复杂，且不同材料的基础芯轴与芯轴突块之间的连接难度较大的问题。

4、而且，上述专利都没有提及外套材料，如果依然采用金属结构，还是不能避免金属与橡胶之间的摩擦。

技术实现思路

1、本发明针对当前转动球铰重量大、且摩擦过程中对橡胶磨损大的问题，提出了一种轻量化复合材料自润滑可转动球铰及其制备方法，采用高度耐磨的连续纤维编织出外套的骨架，在减轻球铰重量的同时减少了弹性体与外套之间的磨耗。

2、本发明为解决上述问题所采用的技术手段为：一种轻量化复合材料自润滑可转动球铰，包括外套与压装在外套内的弹性体，其中弹性体为在将弹性材料附着在芯轴外部形成的结构，外套为采用三维编织将连续纤维编织成外套骨架、并在外套骨架内注入树脂形成的结构。连续纤维与树脂材料形成的外套既能降低质量又能减少与弹性体之间的磨耗。

3、进一步地，球铰外套的两端处设有环形端盖。

4、进一步地，端盖为采用三维编织将连续纤维编织成端盖骨架、并在端盖骨架内注入与外套内相同树脂形成的结构。同材质的端盖与外套有利于端盖与外套之间的粘接。

5、进一步地，端盖内圈与弹性体之间具有间隙。间隙作为球铰径向的压缩变形空间。

6、进一步地，芯轴为采用三维编织将连续纤维编织成芯轴骨架、并在芯轴骨架内注入树脂形成的结构。连续纤维与树脂材料形成的芯轴能够进一步降低产品的质量。

7、一种轻量化复合材料自润滑可转动球铰的制备方法，制备外套时，轴向经纱采用平直的连续纤维，周向纬纱的连续纤维采用螺旋缠绕的方式将经纱进行固定约束，径向的连续纤维采用“之”字形编织，将经纱和纬纱进行包裹，形成外套骨架。采用“之”字形编织后，径向上具有平直的连续纤维，可以提供较强的径向机械强度。

8、进一步地，在外套骨架内注射入热固性树脂，冷却后形成外套。使热固性树脂进入连续纤维之间形成整体。

9、进一步地，在外套骨架内注入热塑性树脂，加热加压固化后形成外套。使热塑性树脂进入连续纤维之间形成整体。

10、进一步地，制备芯轴时，先采用矩形编织机将连续纤维编织成实心杆状的内芯，再采用圆形编织机在内芯上编织出球体形成芯轴骨架。分两次编织出芯轴骨架，可以针对性地编织出不同形状的芯轴。

11、进一步地，编织内芯时，在内芯两端处嵌入金属套，将金属套外侧周用连续纤维包裹。利用金属套提供装配力矩。

12、进一步地，在芯轴骨架内注射入热固性树脂，冷却后形成芯轴。使热固性树脂进入连续纤维之间形成整体。

13、进一步地，在芯轴骨架内注入热塑性树脂，加热加压固化后形成芯轴。使热塑性树脂进入连续纤维之间形成整体。

14、进一步地，端盖使用结构胶粘接或者热熔焊接方式固定在外套端部。避免弹性体窜出外套。

15、本发明的有益效果是：

16、1.本发明球铰的外套采用连续纤维编织成外套骨架后，在外套骨架内注入树脂形成外套的整体结构，与金属外套相比，既大大降低了外套的质量，同时，由于外套中高分子复合材料的结晶特性，在成型过程中会形成晶体结构和其自身的自润滑特性，使其表面粗糙度极低，而且外套中存在高度耐磨的三维编织连续纤维网状结构，能够减少弹性体与复合材料外套之间的磨耗，提高了球铰的寿命。

17、2.本发明外套在编织时，先采用纬纱螺旋缠绕平直的经纱，再采用连续纤维“之”字形包裹经纱和纬纱，使成型后的外套各向上都可以承受较大强度的载荷。

18、3.本发明球铰的芯轴也采用三维编织后注入树脂的方式制备，进一步大大降低了球铰的质量。同时，本球铰产品具备较高的机械性能，且轻量化效果显著，还可实现与金属材料制品相同的性能条件。

技术特征：

1.一种轻量化复合材料自润滑可转动球铰，包括外套（1）与压装在外套（1）内的弹性体，其中弹性体为在将弹性材料（2）附着在芯轴（3）外部形成的结构，其特征在于：外套（1）为采用三维编织将连续纤维编织成外套骨架、并在外套骨架内注入树脂形成的结构。

2.如权利要求1所述的轻量化复合材料自润滑可转动球铰，其特征在于：球铰外套（1）的两端处设有环形端盖（4）。

3.如权利要求2所述的轻量化复合材料自润滑可转动球铰，其特征在于：端盖（4）为采用三维编织将连续纤维编织成端盖骨架、并在端盖骨架内注入与外套（1）内相同树脂形成的结构。

4.如权利要求2所述的轻量化复合材料自润滑可转动球铰，其特征在于：端盖（4）内圈与弹性体之间具有间隙。

5.如权利要求1所述的轻量化复合材料自润滑可转动球铰，其特征在于：芯轴（3）为采用三维编织将连续纤维编织成芯轴骨架、并在芯轴骨架内注入树脂形成的结构。

6.一种权利要求1所述的轻量化复合材料自润滑可转动球铰的制备方法，其特征在于：制备外套（1）时，轴向经纱采用平直的连续纤维，周向纬纱的连续纤维采用螺旋缠绕的方式将经纱进行固定约束，径向的连续纤维采用“之”字形编织，将经纱和纬纱进行包裹，形成外套骨架。

7.如权利要求6所述的轻量化复合材料自润滑可转动球铰的制备方法，其特征在于：在外套骨架内注射入热固性树脂，冷却后形成外套（1）；

8.如权利要求6所述的轻量化复合材料自润滑可转动球铰的制备方法，其特征在于：制备芯轴（3）时，先采用矩形编织机将连续纤维编织成实心杆状的内芯（31），再采用圆形编织机在内芯（31）上编织出球体形成芯轴骨架；

9.如权利要求8所述的轻量化复合材料自润滑可转动球铰的制备方法，其特征在于：在芯轴骨架内注射入热固性树脂，冷却后形成芯轴（3）；

10.如权利要求6所述的轻量化复合材料自润滑可转动球铰的制备方法，其特征在于：端盖（4）使用结构胶粘接或者热熔焊接方式固定在外套（1）端部。

技术总结一种轻量化复合材料自润滑可转动球铰及其制备方法，转动球铰包括外套与压装在外套内的弹性体，其中弹性体为在将弹性材料附着在芯轴外部形成的结构，外套为采用三维编织将连续纤维编织成外套骨架、并在外套骨架内注入树脂形成的结构。本发明球铰的外套采用连续纤维编织成外套骨架后，在外套骨架内注入树脂形成外套的整体结构，与金属外套相比，既大大降低了外套的质量，同时，由于外套中高分子复合材料的结晶特性，在成型过程中会形成晶体结构和其自身的自润滑特性，使其表面粗糙度极低，而且外套中存在高度耐磨的三维编织连续纤维网状结构，能够减少弹性体与复合材料外套之间的磨耗，提高了球铰的寿命。技术研发人员：李晓晔,杨威,刘闯,季娜,张俊俊受保护的技术使用者：博戈橡胶塑料（株洲）有限公司技术研发日：技术公布日：2025/1/6