玻璃纖維增強塑料板簧在汽車上的應(yīng)用

劉 赫

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：玻璃纖維增強塑料 GFRP板簧 輕量化 應(yīng)用

1 概述

汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在中國共產(chǎn)黨第十六屆中央委員會第五次會議中，首次將建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會確定為國民經(jīng)濟與社會發(fā)展中長期規(guī)劃的一項戰(zhàn)略任務(wù)。根據(jù)國務(wù)院2012年頒發(fā)的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》，到2020年，車企平均油耗必須降低到5 L/100km[1]。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,傳統(tǒng)燃油汽車重量每減少10%，就能節(jié)油3%到4%[2]，以6.9 L/100km計算，油耗能夠下降0.2 L～0.3 L，二氧化碳排放降低460 g～690 g。根據(jù)40 km/h勻速行駛電動汽車計算，車重降低10%，其續(xù)航里程可增加約5%～6%[3]。可見，實現(xiàn)汽車輕量化是節(jié)省能源最有效的途徑之一。

玻璃纖維增強塑料是各向異性的非勻質(zhì)材料，具有重量輕、彈性模量低、疲勞強度大等特點，這些特點使其成為替代鋼制板簧的理想材料。

由于樹脂板簧相對傳統(tǒng)鋼制板簧獨有的特點，國外公司已經(jīng)取得了不少研制成果并已進(jìn)行批量投產(chǎn)。英國GKN批量生產(chǎn)的GFRP板簧年產(chǎn)量為50萬根。德國IFC年產(chǎn)量超過40萬根GFRP板簧，為大眾Crafter和奔馳Sprinter供貨。美國DELPHI也曾經(jīng)進(jìn)行過此種板簧的開發(fā)。在國內(nèi)，各研究院所也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，目前已有國內(nèi)廠商在輕量化商用車上完成量產(chǎn)裝車，在乘用車上的應(yīng)用也已得到驗證。

2 GFRP板簧的工藝

目前，塑料彈簧主要使用熱固性纖維增強塑料，GFRP板簧成型工藝主要有模壓法、纖維纏繞法和拉擠法。材料中，玻璃纖維主要起承載作用，基體環(huán)氧樹脂將外力傳遞給玻璃纖維，同時保證纖維的穩(wěn)定性，防止其出現(xiàn)屈曲等失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 GFRP板簧的特性

3.1 單位質(zhì)量儲能高、重量輕

以GFRP替代鋼制板簧，不同尺寸的板簧的重量降低一般在40%～80%之間，可以滿足汽車輕量化要求。以下公式是板簧比應(yīng)變能的關(guān)系式：

其中，σ表示強度，E表示材料的彈性模量（當(dāng)GFRP玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時，彈性模量約為42 000 MPa）。通過上式很容易看出，擁有較低模量的GFRP的比應(yīng)變能能力更強。對于傳統(tǒng)鋼板彈簧而言，當(dāng)其最大許用應(yīng)力取1 100 MPa時，其單位質(zhì)量儲能約為94 J/kg（彈簧鋼彈性模量E取210 000 MPa），而當(dāng)GFRP板簧取其最大許用應(yīng)力550 MPa時，其單位質(zhì)量儲能約為458 J/kg，這意味著在同樣的使用條件下，鋼板彈簧重量達(dá)到GFRP的5倍。使用復(fù)合材料制造的板簧可降低懸架重量，目前已有輕量化縱置板簧商用車及橫置板簧乘用車量產(chǎn)車型。

3.2 斷裂形態(tài)為“安全斷裂”，大大提高了汽車行駛的可靠性

汽車嚴(yán)重超載時，GFRP板簧沿長度方向分層開裂（圖1），雖然降低了剛度，但仍可使車軸位置保持不變，汽車可以安全地開到修理廠，從而避免了鋼板彈簧突然斷裂產(chǎn)生的駕乘風(fēng)險。

圖1 GFRP板簧斷裂模式

3.3 疲勞壽命較高，超過鋼制板簧約2～5倍

疲勞壽命是衡量彈簧動態(tài)特性的重要指標(biāo)。以環(huán)氧樹脂為膠粘劑的熱固性塑料的抗拉強度σb很容易超過400 N/mm2。一般GFRP材料的疲勞強度之比為0.25～0.35。傳統(tǒng)鋼板彈簧的疲勞壽命約為8萬～20萬次，而復(fù)合材料葉片彈簧的疲勞壽命可達(dá)到50萬次,是普通鋼板彈簧的兩倍以上，大大降低用戶的使用和維護(hù)成本。

3.4 顯著改善舒適性，嗓音小

由于鋼板彈簧需要進(jìn)行熱處理工藝，單片厚度受到淬透性限制，在采用少片及多片鋼板彈簧時，片間存在庫倫阻尼，而這種阻尼隨著負(fù)荷和振幅的增大而增大。導(dǎo)致鋼板彈簧動剛度增大，同時由于存在片間摩擦，將產(chǎn)生噪聲等問題。GFRP板簧工藝無需熱處理，多采用單片設(shè)計，可避免由于片間摩擦產(chǎn)生的噪音。且GFRP板簧在形變過程中內(nèi)部自帶阻尼特性，可顯著改善懸架的舒適性。

3.5 體積小，有利于空間布置

以等厚度板簧為例，可采用橫向兩點固定布置方式以及縱向單點固定布置方式。

GFRP與彈簧鋼機械性能如表1所示：

表1 GFRP與彈簧鋼機械性能對比

3.5.1 橫向布置

橫置板簧已經(jīng)實用化，其特點在于：進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)設(shè)計時，無需考慮兩側(cè)滑柱式螺旋彈簧向發(fā)動機艙或后備箱向車輛中軸線方向上的伸出量，使結(jié)構(gòu)更緊湊[4]；并且由于彈簧中間部位有兩個支撐點，兼起一部分橫向穩(wěn)定桿作用，可以提高懸架側(cè)傾剛度；同時，免去滑柱螺旋彈簧對車身底板的彈簧力，簡化車身支撐結(jié)構(gòu)。橫置GFRP板簧相對鋼板彈簧可有效的降低彈簧的總厚度，進(jìn)而使橫置板彈簧的應(yīng)用可能性大為增加。

簡化后受力模型如圖2所示。

圖2 受力粱模型[5]

由莫爾積分

其中：

y—撓度（mm）

K—剛度（N/mm）

P—載荷（N）

E—彎曲彈性模量（N/mm2）

b—板寬（mm）

h—板厚（mm）

當(dāng)鋼板彈簧與GFRP板簧剛度K、長度l、寬度b、載荷P相同時，

[注]用腳注G表示GFRP，腳注S表示鋼板彈簧，如數(shù)值相同時省略腳注。

n—片數(shù)（n≥1，取整）

由KG=KS,得

假設(shè)某汽車板簧的參數(shù)如下：

K=240 N/mm,l=500 mm,a=300 mm,b=55 mm

考慮鋼制板簧及GFRP板簧彎曲應(yīng)力限制，可得hs=10 mm,n=4，則總厚度Hs=40 mm。由此可見，相對橫置鋼板彈簧，GFRP板簧在整車高度方向可節(jié)省空間32.5%。

3.5.2 縱向布置

傳統(tǒng)縱置板簧除了起彈性元件作用之外，還兼起導(dǎo)向作用。由于板簧結(jié)構(gòu)簡單，使用維修及保養(yǎng)方便，長期以來板簧在汽車上得到了廣泛應(yīng)用。但為保證車輛具有適當(dāng)?shù)氖孢m性，需較大的縱向布置空間以降低板彈剛度，這在一定程度上限制了板簧的應(yīng)用。縱置GFRP板簧在保證舒適性的前提下可減小板簧平直長度，將使縱置板簧獲得更為廣泛的應(yīng)用。

采用單片板簧時，鋼板彈簧簡化后力學(xué)模型如圖3所示

圖3 單片板簧簡化力學(xué)模型[5]

由莫爾積分可得出[5]，

由此可見，當(dāng)剛度K、寬度b、載荷P相同時，縱向布置板簧厚度近似不變，而長度縮短43%。

4 GFRP板簧應(yīng)用注意事項

4.1 耐磨性

GFRP屬于易磨損材料，環(huán)氧樹脂基體固化玻璃纖維溫度為140℃，摩擦使材料溫度上升，容易使GFRP迅速損傷，對磨接觸材料多為橡膠件。由于此種材料耐磨性不強，在按照傳統(tǒng)少片及多片板簧形式設(shè)計時，需格外注意片間摩擦及片間防砂石處理。

4.2 抗壓及抗撞擊性

GFRP板簧采用樹脂基體，硬度比彈簧鋼低很多。樹脂基體的強度破壞在常溫下是突然產(chǎn)生的脆性破壞（圖4），且他們的拉伸強度、壓縮強度都比較低。因此復(fù)合材料板簧經(jīng)受不住與堅硬物質(zhì)的碰撞。所以，在安裝GFRP板簧時應(yīng)注意局部壓力不要過大，以免壓斷纖維進(jìn)而使彈簧失效，同時需防止砂石撞擊GFRP板簧，可以增加抗撞擊涂層等工藝手段。

圖4 GFRP板簧脆性斷裂

4.3 層間剪切

鋼板彈簧疲勞試驗頻率多在1-3Hz，且彈簧鋼作為勻質(zhì)性材料，疲勞壽命與試驗頻率關(guān)聯(lián)很小。但GFRP板簧由玻璃纖維及環(huán)氧樹脂固化而成，由于層間摩擦或玻璃纖維與基體之間的蠕動將會產(chǎn)生熱量，引發(fā)效能下降，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞斷裂。試驗頻率對GFRP疲勞壽命的影響有待進(jìn)一步驗證。

4.4 縱置板簧卷耳結(jié)構(gòu)形式

卷耳與板簧的連接方式主要有兩種，一種是復(fù)合材料用模壓方法制成卷耳后，與板簧粘接；另一種用金屬加工的卷耳，用膠接與鉚接或螺接加固方法，把卷耳連接到復(fù)合材料板簧端部。當(dāng)采用粘接的方式時，需要注意連接處強度是否滿足要求；當(dāng)采用鉚接或螺接時需注意接觸面處的應(yīng)力，避免壓力過大壓斷玻璃纖維或壓潰樹脂基體，同時需增加接觸面處的耐磨性。

5 結(jié)論

（1）復(fù)合材料板簧替代鋼板彈簧，可以大幅的減輕彈簧重量，實現(xiàn)汽車輕量化。

（2）復(fù)合材料板簧替代鋼板彈簧可減少彈簧本身的空間占用，有利于整車布置，增加裝載空間。

（3）復(fù)合材料板簧疲勞壽命較鋼板彈簧高，且斷裂形態(tài)安全，使得整車行駛安全性提高。

（4）復(fù)合材料板簧存在耐磨性、抗壓性差等缺點，使用時應(yīng)予以注意保護(hù)。

（5）現(xiàn)有技術(shù)條件下，開發(fā)適于安裝復(fù)合材料板簧的懸架結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合材料板簧替代鋼板彈簧成為可能。