玻璃纖維增強塑料板簧在汽車上的應用

劉 赫

（中國第一汽車集團有限公司 新能源開發院，長春 130011）

主題詞：玻璃纖維增強塑料 GFRP板簧 輕量化 應用

1 概述

汽車工業是我國國民經濟的重要支柱產業，在中國共產黨第十六屆中央委員會第五次會議中，首次將建設資源節約型和環境友好型社會確定為國民經濟與社會發展中長期規劃的一項戰略任務。根據國務院2012年頒發的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020年)》，到2020年，車企平均油耗必須降低到5 L/100km[1]。據數據統計,傳統燃油汽車重量每減少10%，就能節油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40 km/h勻速行駛電動汽車計算，車重降低10%，其續航里程可增加約5%～6%[3]。可見，實現汽車輕量化是節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鋼制板簧獨有的特點，國外公司已經取得了不少研制成果并已進行批量投產。英國GKN批量生產的GFRP板簧年產量為50萬根。德國IFC年產量超過40萬根GFRP板簧，為大眾Crafter和奔馳Sprinter供貨。美國DELPHI也曾經進行過此種板簧的開發。在國內，各研究院所也進行了相應的研究，目前已有國內廠商在輕量化商用車上完成量產裝車，在乘用車上的應用也已得到驗證。

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，基體環氧樹脂將外力傳遞給玻璃纖維，同時保證纖維的穩定性，防止其出現屈曲等失穩現象。

3 GFRP板簧的特性

3.1 單位質量儲能高、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變能的關系式：

其中，σ表示強度，E表示材料的彈性模量（當GFRP玻璃纖維質量分數為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的比應變能能力更強。對于傳統鋼板彈簧而言，當其最大許用應力取1 100 MPa時，其單位質量儲能約為94 J/kg（彈簧鋼彈性模量E取210 000 MPa），而當GFRP板簧取其最大許用應力550 MPa時，其單位質量儲能約為458 J/kg，這意味著在同樣的使用條件下，鋼板彈簧重量達到GFRP的5倍。使用復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車型。

3.2 斷裂形態為“安全斷裂”，大大提高了汽車行駛的可靠性

汽車嚴重超載時，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生的駕乘風險。

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特性的重要指標。以環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。傳統鋼板彈簧的疲勞壽命約為8萬～20萬次，而復合材料葉片彈簧的疲勞壽命可達到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成本。

3.4 顯著改善舒適性，嗓音小

由于鋼板彈簧需要進行熱處理工藝，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，而這種阻尼隨著負荷和振幅的增大而增大。導致鋼板彈簧動剛度增大，同時由于存在片間摩擦，將產生噪聲等問題。GFRP板簧工藝無需熱處理，多采用單片設計，可避免由于片間摩擦產生的噪音。且GFRP板簧在形變過程中內部自帶阻尼特性，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

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

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，如數值相同時省略腳注。

n—片數（n≥1，取整）

由KG=KS,得

假設某汽車板簧的參數如下：

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省空間32.5%。

3.5.2 縱向布置

傳統縱置板簧除了起彈性元件作用之外，還兼起導向作用。由于板簧結構簡單，使用維修及保養方便，長期以來板簧在汽車上得到了廣泛應用。但為保證車輛具有適當的舒適性，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用。

采用單片板簧時，鋼板彈簧簡化后力學模型如圖3所示

圖3 單片板簧簡化力學模型[5]

由莫爾積分可得出[5]，

由此可見，當剛度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板簧應用注意事項

4.1 耐磨性

GFRP屬于易磨損材料，環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，在按照傳統少片及多片板簧形式設計時，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。因此復合材料板簧經受不住與堅硬物質的碰撞。所以，在安裝GFRP板簧時應注意局部壓力不要過大，以免壓斷纖維進而使彈簧失效，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，且彈簧鋼作為勻質性材料，疲勞壽命與試驗頻率關聯很小。但GFRP板簧由玻璃纖維及環氧樹脂固化而成，由于層間摩擦或玻璃纖維與基體之間的蠕動將會產生熱量，引發效能下降，進而導致疲勞斷裂。試驗頻率對GFRP疲勞壽命的影響有待進一步驗證。

4.4 縱置板簧卷耳結構形式

卷耳與板簧的連接方式主要有兩種，一種是復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，把卷耳連接到復合材料板簧端部。當采用粘接的方式時，需要注意連接處強度是否滿足要求；當采用鉚接或螺接時需注意接觸面處的應力，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 結論

（1）復合材料板簧替代鋼板彈簧，可以大幅的減輕彈簧重量，實現汽車輕量化。

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

（4）復合材料板簧存在耐磨性、抗壓性差等缺點，使用時應予以注意保護。

（5）現有技術條件下，開發適于安裝復合材料板簧的懸架結構，使得復合材料板簧替代鋼板彈簧成為可能。