復合材料板簧在汽車輕量化發展中的應用

文/張先彬 黃昌文 汪翠琴 陳毛權 （安慶安簧汽車零部件有限公司）

汽車輕量化是降低油耗、減少排放、提高新能源汽車續航里程最有效的途徑之一。據有關資料統計，汽車自重每減少10%，燃油消耗降低6%～8%，排放降低5%～6%。材料輕量化是汽車輕量化的一個重要手段，常用輕量化材料有鋁合金、高強度鋼、纖維增強塑料等。

鋼板彈簧（簡稱板簧）是汽車懸架的重要彈性元件，承受和傳遞車架與車橋之間的垂直力和垂直力以外的各種力及其所形成的力矩，緩和路面對車身所造成的沖擊，保證汽車行駛的平順性和操縱穩定性。鋼板彈簧由60Si2Mn、50CrVA等優質合金鋼制成，占商用車自重的5%～7%，板簧輕量化對整車輕量化意義重大。

一、復合板簧的特點

汽車板簧所用的復合材料是纖維增強塑料（簡稱FRP），復合材料板簧的增強材料主要是玻璃纖維，也有碳纖維，基體材料為環氧樹脂、聚氨酯等。因此，把復合材料板簧稱之為FRP復合材料板簧更為科學。

復合材料板簧的優點：輕質、比強度高、比模量高，對減輕構件重量效果顯著，其質量僅是鋼板彈簧20%左右，同時降低了簧下質量，整車輕量化及節油效果顯著，而比彈性能比鋼板彈簧要高出5倍以上，舒適性大大提高；具有良好的耐疲勞性能，疲勞壽命是鋼板簧的4～10倍；復合材料振動阻尼很高，具有良好的吸振能力，因此復合板簧具有較好的阻尼減震性；復合材料基體中含有大量獨立的纖維，每平方厘米上的纖維多至上萬根，是典型的靜不定體系，當有少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配到未破壞的纖維上，在短期內不至于使整個構件失去承載能力；具有良好的耐腐蝕性能；部件簡化，拆裝操作更簡便容易。

復合材料板簧的缺點：許用剪切應力很小，一般在50MPa左右，受到大沖擊很容易失效，甚至斷裂；在纖維結構設計時必須考慮并設定安全系數；按一片簧設計，不能滿足空滿載兩種狀態；樹脂老化會對性能產生影響。

二、復合材料板簧主要成型工藝

纖維纏繞成型法（Filament Winding）。現行FRP板簧的制造，不少采用連續纖維纏繞法，增強纖維在預浸池內預浸后，控制纖維的張力，用纏繞機纏繞到模具上，然后再經過合模、加壓、固化、脫模等工序形成FRP板簧。纖維纏繞成型法，只能形成變寬變厚等截面板簧，很難同時滿足板簧的強度和性能要求。纏繞模具結構復雜，對設備的需求高，這些因素使得纏繞工藝只能小批量生產，成本高。

模壓成型法(Compression Molding)。是將纖維布切割成一定形狀，預浸樹脂后加入模具內，經過加壓加熱固化成型的一種方法。模壓工藝對模具要求較高，模具制造較為復雜，受壓機等成型設備的制約，不適合大批量生產。此外由于空氣不能徹底排出，產品緊密度差，纖維層與層之間結合不足，使用一段時間FRP復合材料板簧本體容易脫絲，造成板簧失效。

高壓樹脂傳遞模塑成型工藝(HP-RTM)。高壓樹脂傳遞模塑成型工藝代表復合材料板簧產業化發展方向，能實現大規模自動化生產。高溫高壓成型工藝使FRP復合材料板簧本體產品內部沒有細微的間隙，提高微觀界面的物理包覆結合率和化學極性結合率，使纖維和基體之間的微觀界面充分結合，大幅提高FRP復合材料板簧的性能。

三、國內外研究與應用情況

國外復合材料板簧技術研究相對成熟，歐美汽車廠商在上世紀80年代已廣泛應用，如通用、福特、戴姆斯克萊斯勒、依維柯、康沃斯等。

國內復合材料板簧技術研究起步較晚，目前尚不具備商業化生產條件，但發展速度很快，哈爾濱工業大學、武漢理工大學、長春汽車研究所、北京玻璃鋼研究院、中航工業復合材料研究院等科研機構都在研究復合材料板項目。

近幾年，隨著新能源汽車高速發展和復合材料板簧輕量化技術不斷進步，國內主要汽車公司推出復合材料板簧替代鋼板彈簧輕量化應用項目計劃，如一汽物流車、宇通客車、IVECO輕客、江淮輕卡等。同時，國內涌現一批復合材料板簧開發應用的企業。安慶安簧汽車零部件有限公司采用高壓樹脂傳遞模塑成型工藝 (HP-RTM)開發的JAC輕量化復合材料板簧N64A，產品質量減輕70%以上，臺架壽命是同型號鋼板彈簧的5倍以上。

四、結語

汽車向輕量化方向發展的呼聲愈來愈高，復合材料板簧具有質量輕、彈性應變大、比強度高、疲勞壽命長及安全斷裂性好等特點，隨著復合材料板簧產業化工藝的突破，在商用汽車中必將得到廣泛應用。