新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 复合材料板簧在汽车轻量化发展中的应用

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发表于 2020-1-13 10:47:25 | 显示全部楼层 |阅读模式

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复合材料板簧在汽车轻量化发展中的应用

文/张先彬 黄昌文 汪翠琴 陈毛权 (安庆安簧汽车零部件有限公司)
【汽车轻量化在线】摘 要:汽车板簧轻量化是汽车轻量化的重要路径之一,本文探讨了复合板簧的特点、工艺和国内外研究工艺。由于复合材料在轻量化、高疲劳寿命等方面的明显优势,随着高压树脂传递模塑成型工艺(HP-RTM)在复合材料板簧中应用技术成熟,复合材料板簧必将迎来新的发展机遇。
关键词:汽车板簧 轻量化 疲劳寿命 复合材料
[size=1em]汽车轻量化是降低油耗、减少排放、提高新能源汽车续航里程最有效的途径之一。据有关资料统计,汽车自重每减少10%,燃油消耗降低6%~8%,排放降低5%~6%。材料轻量化是汽车轻量化的一个重要手段,常用轻量化材料铝合金高强度钢、纤维增强塑料等。<div][size=1em]钢板弹簧(简称板簧)是汽车悬架的重要弹性元件,承受和传递车架与车桥之间的垂直力和垂直力以外的各种力及其所形成的力矩,缓和路面对车身所造成的冲击,保证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。钢板弹簧由60Si2Mn、50CrVA等优质合金钢制成,占商用车自重的5%~7%,板簧轻量化对整车轻量化意义重大。


一、复合板簧的特点

[size=1em]汽车板簧所用的复合材料是纤维增强塑料(简称FRP),复合材料板簧的增强材料主要是玻璃纤维,也有碳纤维,基体材料为环氧树脂、聚氨酯等。因此,把复合材料板簧称之为FRP复合材料板簧更为科学。

[size=1em]复合材料板簧的优点:轻质、比强度高、比模量高,对减轻构件重量效果显著,其质量仅是钢板弹簧20%左右,同时降低了簧下质量,整车轻量化及节油效果显著,而比弹性能比钢板弹簧要高出5倍以上,舒适性大大提高;具有良好的耐疲劳性能,疲劳寿命是钢板簧的4~10倍;复合材料振动阻尼很高,具有良好的吸振能力,因此复合板簧具有较好的阻尼减震性;复合材料基体中含有大量独立的纤维,每平方厘米上的纤维多至上万根,是典型的静不定体系,当有少量纤维断裂时,载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上,在短期内不至于使整个构件失去承载能力;具有良好的耐腐蚀性能;部件简化,拆装操作更简便容易。

[size=1em]复合材料板簧的缺点:许用剪切应力很小,一般在50MPa左右,受到大冲击很容易失效,甚至断裂;在纤维结构设计时必须考虑并设定安全系数;按一片簧设计,不能满足空满载两种状态;树脂老化会对性能产生影响。


二、复合材料板簧主要成型工艺

[size=1em]纤维缠绕成型法(Filament Winding)。现行FRP板簧的制造,不少采用连续纤维缠绕法,增强纤维在预浸池内预浸后,控制纤维的张力,用缠绕机缠绕到模具上,然后再经过合模、加压、固化、脱模等工序形成FRP板簧。纤维缠绕成型法,只能形成变宽变厚等截面板簧,很难同时满足板簧的强度和性能要求。缠绕模具结构复杂,对设备的需求高,这些因素使得缠绕工艺只能小批量生产,成本高。

[size=1em]模压成型法(Compression Molding)。是将纤维布切割成一定形状,预浸树脂后加入模具内,经过加压加热固化成型的一种方法。模压工艺对模具要求较高,模具制造较为复杂,受压机等成型设备的制约,不适合大批量生产。此外由于空气不能彻底排出,产品紧密度差,纤维层与层之间结合不足,使用一段时间FRP复合材料板簧本体容易脱丝,造成板簧失效。

[size=1em]高压树脂传递模塑成型工艺(HP-RTM)。高压树脂传递模塑成型工艺代表复合材料板簧产业化发展方向,能实现大规模自动化生产。高温高压成型工艺使FRP复合材料板簧本体产品内部没有细微的间隙,提高微观界面的物理包覆结合率和化学极性结合率,使纤维和基体之间的微观界面充分结合,大幅提高FRP复合材料板簧的性能。


三、国内外研究与应用情况

[size=1em]国外复合材料板簧技术研究相对成熟,欧美汽车厂商在上世纪80年代已广泛应用,如通用、福特、戴姆斯克莱斯勒、依维柯、康沃斯等。

[size=1em]国内复合材料板簧技术研究起步较晚,目前尚不具备商业化生产条件,但发展速度很快,哈尔滨工业大学、武汉理工大学、长春汽车研究所、北京玻璃钢研究院、中航工业复合材料研究院等科研机构都在研究复合材料板项目。

[size=1em]近几年,随着新能源汽车高速发展和复合材料板簧轻量化技术不断进步,国内主要汽车公司推出复合材料板簧替代钢板弹簧轻量化应用项目计划,如一汽物流车、宇通客车、IVECO轻客、江淮轻卡等。同时,国内涌现一批复合材料板簧开发应用的企业。安庆安簧汽车零部件有限公司采用高压树脂传递模塑成型工艺 (HP-RTM)开发的JAC轻量化复合材料板簧N64A,产品质量减轻70%以上,台架寿命是同型号钢板弹簧的5倍以上。


四、结语

[size=1em]汽车向轻量化方向发展的呼声愈来愈高,复合材料板簧具有质量轻、弹性应变大、比强度高、疲劳寿命长及安全断裂性好等特点,随着复合材料板簧产业化工艺的突破,在商用汽车中必将得到广泛应用。



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