09.14 「技術帖」商用車複合材料板簧的開發

摘要：對一種重型商用車複合材料板簧的性能進行了探討。通過有限元分析完成板簧結構設計和複合材料性能研究，採用層積/模壓成型工藝完成複合材料板簧的研製，並對複合材料板簧的剛度和疲勞性能進行了考察。結果表明：新開發的複合材料板簧的剛度及疲勞性能滿足目標車型的板簧技術要求，具有明顯降重效果。

關鍵詞：商用車 板簧 纖維增強複合材料 層積/模壓成型

1前言

目前，全球面臨能源緊張和環境汙染等問題，迫使人們想方設法實現車輛的輕量化,達到減少油耗、保護環境的目的。鋼板彈簧是汽車懸架系統中應用最廣泛的彈性元件，為減輕鋼板彈簧自重並提高其使用壽命，出現了變截面鋼板彈簧、少片鋼板彈簧、單片鋼板彈簧及單片複合材料板簧。

複合材料板簧不僅輕量化效果顯著，而且平順性和噪聲衰減性均優於鋼板彈簧。“安全斷裂”是複合材料板簧特有的優點，也是這種板簧材料（將玻璃纖維單向地排列在環氧樹脂內）固有的特性。所謂“安全斷裂”就是嚴重超載時，複合材料板簧將沿長度方向分層開裂，雖導致其剛度減低，但仍可使車軸位置保持不變，因而汽車仍能安全行駛到修理廠。從20世紀70年代初開始，美國、英國和德國先後開發了複合材料（FRP）板簧，對板簧原材料、結構、成形工藝和設備等進行了深入研究，並把複合材料板簧成功地應用到了重型載貨車、輕型車、大型客車和轎車上。過去30多年中，國內有關的高等院校和研究所對複合材料板簧進行了探索性研究，哈爾濱玻璃鋼研究所的趙洪斌等研製了一款輕載荷的單片玻璃鋼板簧，該板簧採用變厚等截面設計、纖維纏繞成型；板簧滿載354kg，在垂直負荷下進行了疲勞試驗，疲勞次數達到32萬次；但到現階段為止還沒有量產報道。本文對一種重型商用車複合材料板簧的設計和性能進行了探討。

2複合材料板簧成型工藝分析

從20世紀80年代到90年代，板簧製造工藝方法的研究經歷了模壓法、纏繞法和拉擠法的發展過程。以纖維纏繞成形工藝成型的板簧的特點是強度高、疲勞性能好、產品質量穩定、工藝過程便於控制，但模具結構較複雜、成本較高；拉擠法的特點是可以連續拉制各種形狀的板簧，各種成型工藝最終都需模壓固定成型。目前主要採用上述幾種方法研製複合材料板簧，複合材料板簧的具體成型工藝過程如下。

2.1纏繞工藝

製造板簧的複合材料由連續纖維束和基體材料組成，通過放置纖維束的轉動軸不斷運動，引導纖維向前和向後，以實現所需要的纏繞角度，纖維方向與板簧的長度方向相一致。為了滿足所需要的纖維含量和材料性能要求並控制產品尺寸，必須在加熱、加壓的條件下進行固化；固化後，板簧兩端的底部要進行切割以便於脫模。在纏繞過程中，可以進行纖維的預浸漬或者溼法纏繞。因此，變寬、變厚等截面的板簧適合於纖維纏繞成型。纏繞工藝流程見圖1。

2.2拉擠工藝

拉擠工藝通常使用聚酯樹脂，聚酯樹脂的拉擠速度比環氧樹脂拉擠速度快。拉出的連續的、浸漬樹脂的纖維通過加熱快速固化；當板簧固化程度達到90%時，重新塑型的改變量就會很小。只要板簧中的纖維含量恆定，應用合適的模具就可以生產出形狀或弧度變化的板簧。

美國GoldworthyEngineering公司在現有拉擠技術基礎上，開發了一種可以連續生產曲面型材的拉擠工藝，用來生產汽車用弓形板簧。這種工藝的拉擠設備由纖維導向裝置（用來分配纖維）、浸膠槽、射頻電能預熱器、導向裝置、旋盤陰模、固定陽模模座、模具加熱器和高速切割器等裝置組成。所用原材料為不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂或環氧樹脂和玻璃纖維、碳纖維或混雜纖維。

2.3層壓工藝

該工藝需要將預浸料切成預定形狀並放進模具中，在加熱的雙面金屬模具中進行預浸料的模壓成型。厚度漸變的板簧可以通過疊放不同長度的預浸料來實現，疊放預浸料的過程可以手工完成，也可以通過預設定切割和疊放一系列程序的機器自動完成。

2.4板簧樣件的製備工藝

對纏繞成型和層壓成型等成熟工藝進行了對比，結果見表1。綜合考慮成本、成型質量和製造效率等因素，最終確定採用層壓成型工藝。

板簧成型工藝過程的主要步驟如下。

a.預浸料的下料：按圖紙下料，鋪層的角度有0°、90°、+45°、-45°。

b.預浸料的鋪放：將預浸料分組鋪覆在模具的下模中，再採用輥筒將預浸料預壓實。

c.合模：將上模與鋪完預浸料的下模進行合模，檢查合模間隙，直至模具兩邊均勻。

d.固化：模具開始升溫，當溫度升至90～95℃，保溫1～1.5h後，開始加壓0.5～0.6MPa；最後將溫度升至120～125℃，保溫2～3h；保持壓力開始降溫，直至模具達到45℃以下。

e.脫模：通過模具的頂出螺栓將固化後的板簧頂出模具，打去邊緣的飛邊。

3複合材料板簧結構與強度的分析

3.1板簧載荷分佈和複合材料性能

板簧載荷分佈示意見圖2，複合材料性能見表2。

3.2板簧結構

複合材料板簧採用等強度設計，即保證板簧沿軸線各截面具有相同的強度，以此保證板簧具有較輕的質量。通過模型簡化，給定設計限定應力，獲得板簧厚度、剪應力和位移的結果；經過多輪參數比較，得到相對優化的板簧結構設計結果——單片式、變厚度、等寬度結構（圖3）。

3.3有限元分析

分別對板簧的空載工況、最大靜載工況、制動工況和轉彎工況進行有限元分析，將計算值與強度許用值進行比較。各種工況下的拉應力分佈圖見圖4，計算結果見表3。

3.4剛度要求

在載荷P=27528N工況下，要求弧高變形量為（108±6）mm，剛度254.8N/mm；計算位移為102mm（圖5），剛度為269.9N/mm。實際製造過程中，厚層合板剛度會有較小的下降，因此認為設計的剛度滿足要求。

4複合材料板簧臺架試驗

4.1特性試驗

板簧總成彈簧特性試驗結果見表4。本研究中板簧剛度的實測值為265.72～266.90N/mm，而設計值為269.9N/mm，證明本研究中所採用的有限元分析方法是可行的。

4.2垂直彎曲疲勞壽命試驗

複合材料板簧總成垂直彎曲疲勞壽命試驗結果見表5，複合材料板簧總成試驗樣件見圖6。

5結論

a.目前研製階段的複合材料板簧的疲勞壽命可以達到30～60萬次，同時實現降重70%，在輕量化方面取得顯著效果。

b.儘管研製階段複合材料板簧成本高於鋼板彈簧，但隨著複合材料綜合性能不斷提高、成型工藝機械化的普及、成型週期縮短、複合材料有限元分析與優化的有機結合，成本會有降低的趨勢。

c.根據鋼板彈簧的特性要求，通過選擇合適的複合材料體系和成型工藝，能夠設計開發出滿足商用車板簧剛度和臺架壽命要求的複合材料板簧。

d.控制複合材料板簧成型工藝參數穩定是保證板簧質量的關鍵，本研究中板簧的剛度試驗值比較接近，證明板簧產品的質量比較穩定。

e.目前研製的複合材料板簧疲勞壽命達到或超過鋼板彈簧，但疲勞壽命試驗中出現的翹邊和分層等問題還有待於進一步分析和解決。

　　（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

2018汽車底盤新材料新工藝應用技術研討會