汽車用復(fù)合材料前置板簧的研究

任 昆，蔡金剛，武海鵬

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

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汽車用復(fù)合材料前置板簧的研究

任 昆，蔡金剛，武海鵬

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

本文介紹了樹脂基復(fù)合材料板簧的選材、成型方法及發(fā)展前景。用樹脂基復(fù)合材料板簧代替鋼制板簧，作為汽車主承力結(jié)構(gòu)件，具有比強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、減振性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易于加工等優(yōu)點(diǎn)。哈玻院設(shè)計(jì)的復(fù)合材料板簧彎曲疲勞壽命達(dá)100萬次，已經(jīng)通過了剛度測(cè)試、疲勞試驗(yàn)、路試。

復(fù)合材料板簧；纏繞；拉擠；模壓

1　引 言

國外復(fù)合材料板簧的研制與材料的發(fā)展緊密相關(guān)。從20世紀(jì)50-60年代，復(fù)合材料板簧進(jìn)行了原理性探索，但由于材料的耐溫性差、硬度低、不耐磨、成本高，加工設(shè)備和成型工藝都遇到一些有待解決的問題，因而延緩了復(fù)合材料板簧向?qū)嶋H應(yīng)用的進(jìn)程[1-7]。

到20世紀(jì)70年代，隨著新材料、新工藝及對(duì)汽車輕量化的發(fā)展，由美國GM公司工程部采用拉擠成型制成Liteflextm復(fù)合材料板簧，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和裝車實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)彎曲疲勞壽命達(dá)50萬次。這極大的促進(jìn)了復(fù)合材料板簧向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展。

從1981年到1985年，共有55 000輛Corvette轎車裝上橫置式復(fù)合材料板簧，此外輕型轎車，中型和重型卡車也采用了復(fù)合材料板簧，其中32 t重卡車的鋼板彈簧換成復(fù)合材料板簧后，質(zhì)量減輕了264 kg。目前每年應(yīng)用在各種車型上復(fù)合材料板簧超過了100萬件。

哈爾濱玻璃鋼研究院于80年代開展復(fù)合材料板簧的研究課題，研制的板簧在600 MPa的循環(huán)應(yīng)力下，疲勞次數(shù)達(dá)到40萬次。2009年起，哈玻院開始復(fù)合材料板簧的研制和生產(chǎn)，通過不同材料、不同工藝的多種嘗試，研制出復(fù)合材料板簧彎曲疲勞壽命達(dá)100萬次。

2　板簧成型技術(shù)

常用的復(fù)合材料板簧的成型工藝：纏繞、拉擠、模壓和RTM等工藝或其中的組合工藝[8-9]。

纏繞工藝產(chǎn)品強(qiáng)度高、耐疲勞、工藝易控，生產(chǎn)的效率高，但復(fù)合材料產(chǎn)品層間結(jié)合力較弱，尺寸控制不夠精確；

拉擠工藝可連續(xù)生產(chǎn)，固化時(shí)間短，但由于常用聚酯類樹脂，產(chǎn)品模量相對(duì)較低。美國GM公司工程部在1970年采用拉擠成型法制成復(fù)合材料板簧，并進(jìn)行了室臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和裝車實(shí)驗(yàn)。

模壓成型適合各種形狀的產(chǎn)品，表面光滑、產(chǎn)品密實(shí)，尺寸控制較為精確，但生產(chǎn)效率較低。德國IFC合成材料有限公司采用預(yù)浸料模壓工藝制造復(fù)合材料板簧。

RTM工藝可以制備等截面或變截面的產(chǎn)品，產(chǎn)品空隙率低，但有時(shí)會(huì)造成產(chǎn)品的纖維和樹脂局部含量不均勻。德國的本特勒-西格里汽車公司采用RTM工藝，開發(fā)了以聚氨酯為基體玻璃纖維板簧。

哈玻院在研制復(fù)合材料板簧的過程中，為了提高生產(chǎn)效率，采用了纏繞和模壓工藝相結(jié)合。

3　板簧的設(shè)計(jì)方法

3.1產(chǎn)品的截面選擇

根據(jù)板簧的受力工況、整車的裝配需要、復(fù)合材料的成型特點(diǎn)等因素，應(yīng)用等強(qiáng)度理論，將復(fù)合材料板簧設(shè)計(jì)為等厚度、變截面、拱型的復(fù)合材料板簧[10-11]。利用ABAQUS有限元，采用三維減縮積分單元C3D8R對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。

圖1　復(fù)合材料板簧的截面選擇

3.2材料的選擇

考慮到產(chǎn)品的使用溫度范圍、力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)使用和工藝性, 以及低毒性、低刺激性及價(jià)格合理等因素,選用E高強(qiáng)玻璃纖維和環(huán)氧樹脂作為所研究產(chǎn)品的材料。

表1　玻璃纖維/環(huán)氧單向板設(shè)計(jì)參數(shù)

考慮到產(chǎn)品的使用溫度等性能，產(chǎn)品進(jìn)行了化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試，圖2為產(chǎn)品樹脂的DSC曲線。

圖2　樹脂DSC曲線圖

3.3有限元分析結(jié)果

圖3　不同設(shè)計(jì)載荷下的變形和應(yīng)力圖

載荷類型載荷量級(jí)/噸變形要求/mm有限元計(jì)算結(jié)果/mm設(shè)計(jì)載荷2.46564.8滿載情況4.3133132.8

滿載時(shí)板簧最大應(yīng)力為663.9 MPa，小于材料的許用應(yīng)力。

4　復(fù)合材料板彈簧的性能測(cè)試

哈玻院研制出的復(fù)合材料板簧進(jìn)行了靜態(tài)剛度和疲勞試驗(yàn)的測(cè)試。

圖4　復(fù)合材料板簧的靜態(tài)剛度測(cè)試裝置

靜載工裝模擬實(shí)際車輛底盤裝配的距離、工況。經(jīng)過多根板簧的測(cè)試，剛度測(cè)試值與有限元計(jì)算結(jié)果吻合較好，偏差在3%以內(nèi)。

疲勞壽命是衡量板簧動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo)。實(shí)踐證明，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板簧的疲勞壽命比鋼制板簧好。

哈玻院自2009年起，針對(duì)復(fù)合材料板簧所選用材料、樹脂、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展了多項(xiàng)研究，特別針對(duì)疲勞性能而對(duì)樹脂性能的研究。并且于2011年，進(jìn)行了板簧疲勞性能的測(cè)試。

進(jìn)行了3根板簧疲勞性能試驗(yàn)，同期與3根美國同類產(chǎn)品，進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)對(duì)比，最終哈玻院產(chǎn)品中有2根通過120萬次的疲勞實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì)要求20萬次)。試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見表3。

表3　哈玻院與美國同類產(chǎn)品試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

注：疲勞實(shí)驗(yàn)中，承載力下降5%為失效

哈玻院設(shè)計(jì)的剛度為317 N/mm復(fù)合材料板簧，已經(jīng)通過了剛度測(cè)試、疲勞試驗(yàn)、路試，現(xiàn)已小批量生產(chǎn)應(yīng)用到某款商務(wù)車上。

另外，哈玻院還開發(fā)了一系列板簧，如剛度為274 N/mm、250 N/mm的汽車用復(fù)合材料板簧、電動(dòng)車專用復(fù)合材料板簧。

圖5為哈玻院為某公司開發(fā)的電動(dòng)車專用板簧，目前已在裝車試驗(yàn)。

圖5　哈玻院開發(fā)的電動(dòng)車專用板簧

5　復(fù)合材料板簧板簧的前景

就我國汽車鋼板簧行業(yè)而言，每年消耗的鋼材料在120萬噸以上，如果將部分鋼板簧替換為復(fù)合材料板簧，則可節(jié)約社會(huì)資源，降低能源消耗，減少排放。

研究開發(fā)復(fù)合材料板簧，符合汽車輕量化的發(fā)展方向。國內(nèi)的哈玻院等正在將復(fù)合材料板簧從研制向工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，目前雖然沒有形成大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)，但已初具規(guī)模，相信板簧在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用指日可待。

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Research on Composite Front Leaf Spring for Automobiles

REN Kun,CAI Jingang,WU Haipeng

(Harbin FRP Institute, Harbin 150036)

The material choice,moalding methods and development perspective for resin composites were introduced in this paper.Resin composite springs as the main structure part replace the steel leaf spring, high strenghth,light quality,crosion resistance,vibration-reduced flexible design and easily processing. Composite springs designed by Harbin FRP Institute bending fatigue life of 1 million times, passed the rigid test,fatigue test and road test.

composite leaf spring；filament winding；pultrusion；pressure molding

2015-08-07)

任昆(1983-)，男，吉林人，本科，工程師。研究方向：復(fù)合材料應(yīng)用。E-mail：tianyakanxue@163.com.