Development of process techniques for composite based leaf spring systems

Abstract

Son yıllarda fiber takviyeli kompozitler geleneksel metalik malzemere göre yüksek mekanik performansa ve düşük yoğunluğa sahip olduklarından dolayı otomotiv endüstrisinde kullanılmaktadırlar. Yaprak yay sistemleri aracın sürüş performansını ve güvenliğini etkilemesi yanında ağırlığına da etkiyen önemli bir parçasıdır. Bu çalışmada kompozit yaprak yay sistemleri geliştirilmiş, üretilmiş ve karakterize edilmiştir.Yay uygulamaları için uygun kompozit malzeme seçimi ve kompozit yaprak yay pototiplerinin tasarımı amacıyla üç farklı takviye malzemesi içeren beş farklı tip kompozit plaka reçine transfer kalıplama yöntemi ile üretilmiş ve karakterize edilmiştir. Tek eksenli ve [0o/90o] iki eksenli elyaf dizilimlerine sahip cam elyaf takviyeli epoksi, karbon elyaf takviyeli epoksi ve cam/karbon hibrit elyaf takviyeli epoksi kompozit plakalar üretilmiştir. Çalışma kapsamında, üretilen bu plakaların çekme, eğme ve termomekanik özellikleri belirlenmiştir. Test sonuçları göstermiştir ki tek eksenli cam elyaf takviyeli epoksi kompozitler karbon ve cam/karbon hibrit elyaf takviyeli epoksi kompozitlerden daha yüksek gerinim enerjisi depolama kapasiteleri dolayısıyla yay uygulamaları için en uygun malzemelerdir. Kompozit yaprak yay prototipleri iki farklı geometrik dizayn baz alınarak reçine transfer kalıplama prosesi ile üretilmiştir. Birinci geometrik dizayn baz alınarak farklı fiber konfigürasyonlarında üç farklı tip yaprak yay prototipinin üretimi gerçekleştirilmiş ve mekanik rig testi ile karakterizasyonları yapılmıştır. Mekanik rig test sonuçları göstermiştir ki 56 kat cam elyaf ve 4 kat karbon elyaf içeren yaprak yay prototipi birinci geometrik tasarım için en iyi elyaf konfigürasyonuna sahiptir.

Fiber reinforced composites have been utilized in automotive industry due to their superior mechanical performance and lower density as compared to conventional metallic materials. Leaf spring systems are the important parts of the automobiles, which effects the weight of the vehicle in addition to driving performance and security. In this study, composite based leaf spring systems were developed, manufactured and characterized. Five different types of composite plates were manufactured with three different types of reinforcing material via resin transfer molding process and characterized in order to select the proper composite material for spring applications and design the composite leaf spring prototypes. Glass fiber reinforced epoxy, carbon fiber reinforced epoxy and glass/carbon hybrid fiber reinforced epoxy composite plates having unidirectional and [0o/90o] biaxial stacking sequences were fabricated. Tensile, flexural and thermo-mechanical properties of composite plates were determined within the study. Test results showed that unidirectional glass fiber reinforced epoxy composites are the most suitable materials for spring applications due to their higher strain energy capability as compared to carbon and hybrid fiber reinforced epoxy composites. Composite leaf spring prototypes were manufactured based on two geometrical design by resin transfer molding procedure. Three different types of leaf spring prototypes with various fiber configuration were manufactured based on the first geometrical design and characterized by mechanical rig test. Mechanical rig test results showed that composite leaf spring which contains 56 layers of glass fiber and 4 layers of carbon fiber has the most suitable fiber configuration for leaf spring designed based on first geometrical design.