「技術帖」商用车复合材料板簧的開發

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擇要：對一種重型商用车复合質料板簧的機能举行了探究。經由過程有限元阐發完成板簧布局設計和复合質料機能钻研，采纳层积/模压成型工藝完成复合質料板簧的研制，并對复合質料板簧的刚度和委靡機能举行了考查。成果表白：新開辟的复合質料板簧的刚度及委靡機能知足方针车型的板簧技能请求，具备较着降重结果。

關头词：商用车 板簧 纤维加强复合質料 层积/模压成型

1媒介

今朝，全世界面對能源严重和情况污染等問题，迫令人们千方百计實現车辆的轻量化,到达削減油耗、庇护情况的目標。钢板弹簧是汽车悬架體系中利用最遍及的弹性元件，為減轻钢板弹簧自重并提高其利用寿命，呈現了變截面钢板弹簧、少片钢板弹簧、单片钢板弹簧及单片复合質料板簧。

复合質料板簧不但轻量化结果显著，并且平顺性和噪声衰減性均優于钢板弹簧。“平安断裂”是复合質料板簧独有的长处，也是這類板簧質料（将玻璃纤维单向地分列在环氧树脂内）固有的特征。所谓“平安断裂”就是紧张超载時，复合質料板簧将沿长度標的目的分层開裂，虽致使其刚度減低，但仍可以使车轴位置連结稳定，因此汽车仍能平安行驶到补缀厂。從20世纪70年月初起头，美國、英國和德國前后開辟了复合質料（FRP）板簧，對板簧原質料、布局、成形工藝和装备等举行了深刻钻研，并把复合質料板簧樂成地利用到了重型载貨车、轻型车、大型客车和轿车上。曩昔30多年中，海内有關的高档院校和钻研所對复合質料板簧举行了摸索性钻研，哈尔滨玻璃钢钻研所的赵洪斌等研制了一款轻载荷的单片玻璃钢板簧，该板簧采纳變厚等截面設計、纤维环绕纠缠成型；板簧满载3水果酵素,54kg，在垂直负荷下举行了委靡實验，委靡次数到达32万次；但到現阶段為止尚未量產報导。本文對一種重型商用车复合質料板簧的設計和機能举行了探究。

2复合質料板簧成型工藝阐發

從20世纪80年月到90年月，板簧制造工藝法子的钻研履历了模压法、环绕纠缠法和拉挤法的成长進程。以纤维环绕纠缠成形工藝成型的板簧的特色是强度高、委靡機能好、產物質量不乱、工藝進程便于節制，但模具布局较繁杂、本錢较高；拉挤法的特色是可以持续拉制各類外形的板簧，各類成型工藝终极都需模压固定成型。今朝重要采纳上述几種法子研制复合質料板簧，复合質料板簧的详细成型工藝進程以下。

2.1环绕纠缠工藝

制造板簧的复合質料由持续纤维束和基體質料構成，經由過程安排纤维束的滚動轴不竭活動，指导纤维向前和向后，以實現所必要的环绕纠缠角度，纤维標的目的與板簧的长度標的目的相一致。為了知足所必要的纤维含量和質料機能请求并節制產物尺寸，必需在加热、加压的前提下举行固化；固化后，板簧两真個底部要举行切割以便于脱模。在环绕纠缠進程中，可以举行纤维的預浸渍或湿法环绕纠缠。是以椰磚肥料,，變宽、變厚等截面的板簧合适于纤维环绕纠缠成型。环绕纠缠工藝流程见圖1。

2.2拉挤工藝

拉挤工藝凡是利用聚酯树脂，聚酯树脂的拉挤速率比环氧树脂拉挤速率快。拉出的持续的、浸渍树脂的纤维經由過程加热快速固化；當板簧固化水平到达90%時，從新塑型的扭转量就會很小。只要板簧中的纤维含量恒定，利用符合的模具便可以出產出外形或弧度變革的板簧。

美國GoldworthyEngineering公司在現有拉挤技能根本上，開辟了一種可以持续出產曲面型材的拉挤工藝，用来出產汽车用弓形板簧。這類工藝的拉挤装备由纤维导向装配（用来分派纤维）、浸胶槽、射频電能預热器、导向装配、旋盘陰模、固定陽模模座、模具加热器和高速切割器等装配構成。所用原質料為不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂或环氧树脂和玻璃纤维、碳纤维或稠浊纤维。

2.3层压工藝

该工藝必要将預浸料切成預定外形并放進模具中，在加热的雙面金属模具中举行預浸料的模压成型。厚度渐變的板簧可以經由過程叠放分歧长度的預浸料来實現，叠放預浸料的進程可以手工完成，也能够經由過程預設定切割和叠放一系列步伐的呆板主動完成。

2.4板簧样雷射植牙,件的制备工藝

對环绕纠缠成型和层压成型等成熟工藝举行了比拟，成果见表1。综合斟酌本錢、成型質量和制造效力等身分，终极肯定采纳层压成型工藝。

板簧成型工藝進程的重要步调以下。

a.預浸料的下料：按圖纸下料，铺层的角度有0°、90°、+45°、-45°。

b.預浸料的铺放：将預浸料分组铺覆在模具的下模中，再采纳辊筒将預浸料預压實。

c.合模：将上模與铺完預浸料的下模举行合模，查抄合模間隙，直至模具雙方平均。

d.固化：模具起头升温，當温度升至90～95℃，保温1～1.5h后，起头加压0.5～0.6MPa；最后将温度升至120～125℃，保温2～3h；連结压力起头降温，直至模具到达45℃如下。

e.脱模：經由過程模具的顶出螺栓将固化后的板簧顶出模具，打去邊沿的飞邊。

3复合質料板簧布局與强度的阐發

3.1板簧载荷散布和复合質料機能

板簧载荷散布示定见圖2，复合質料機能见表2。

3.2板簧布局

复合質料板簧采纳等强度設計，即包管板簧沿轴線各截面具备不异的强度，以此包管板簧具备较轻的質量。經由過程模子简化，给定設計限制应力，得到板簧厚度、剪应力和位移的成果；颠末多轮参数比力，获得相對于優化的板簧布局設計成果——单片式、變厚度、等宽度布局（圖3）。

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3.3有限元阐發

别离對板簧的空载工况、最大静载工况、制開工况和转弯工况举行有限元阐發，将计较值與强度许用值举行比力。各類工况下的拉应力散布圖见圖4，计较成果见表3。

3.4刚度请求

在载荷P=27528N工况下，请求弧高變形量為（108±6）妹妹，刚度254.8N/妹妹；计较位移為102妹妹（圖5），刚度為269.9N/妹妹。現實制造進程中，厚层合板刚度會有较小的降低，是以認為設計的刚度知足请求。

4复合質料板簧台架實验

4.1特征實验

板簧总成弹簧特征實验成果见表4。本钻研中板簧刚度的實测值為265.72～266.90N/妹妹，而設計值為269.9N/妹妹，证實本钻研中所采纳的有限元阐發法子是可行的。

4.2垂直曲折委靡寿命實验

复合質料板簧总成垂直曲折委靡寿命實验成果见表5，复合質料板簧总成實验样件见圖6。

5结论

a.今朝研制阶段的复合質料板簧的委靡寿命可以到达30～60万次，同時實現降重70%，在轻量化方面获得显著结果。

b.虽然研制阶段复合質料板簧本錢高于钢板弹簧，但跟着复合質料综合機能不竭提高、成型工藝機器化的普及、成型周期收缩、复合質料有限元阐發與優化的有機連系，本錢會有低落的趋向。

c.按照钢板弹簧的特征请求，經由過程選擇符合的复合質料系统和成型工藝，可以或许設計開辟出知足商用车板簧刚度和台架寿命请求的复合質料板簧。

d.節制复合質料板簧成型工藝参数不乱是包管板簧質量的關头，本钻研中板簧的刚度實验值比力靠近，证實板簧產物的質量比力不乱。

e.今朝研制的复合質料板簧委靡寿命到达或跨越钢板弹簧，但委靡寿命實验中呈現的翘邊和分层等問题另有待于進一步阐發息争决。

（中國第一汽车股分有限公司技能中間）

2018汽车底盘新質料新工藝利用技能钻研會