輕量化技術背景下汽車板簧發展趨勢淺析

陳天武，黃昌文，黃 喬

（1.安慶安簧汽車零部件有限公司，安徽 安慶 246005；2.中南財經政法大學，湖北 武漢 430060）

汽車技術正向的“輕量化、電動化、智能化、共享化”方向發展，歐洲研究數據表明，若汽車整車質量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，排放降低5%～6%；從絕對量來說，汽車重量每降低100kg，每百公里可節約0.6L燃油，二氧化碳排放可減少約10g/km。材料輕量化又是汽車輕量化路徑中的一個重要組成部分，常用輕量化材料有鋁合金、高強度鋼、纖維增強塑料（簡稱FRP）等。

鋼板彈簧是商用汽車懸架的重要彈性元件，承受和傳遞車架與車橋之間的載荷，緩和路面對車身所造成的沖擊，影響汽車行駛的平順性和操縱穩定性。傳統鋼板彈簧由60Si2Mn、50CrVA等優質合金鋼制造，占商用車自重的5～7%，可見板簧輕量化對整車輕量化意義重大。在汽車輕量化技術背景下，商用汽車板簧正向變截面、高應力及復合材料等方向快速發展。

1 鋼板彈簧技術發展

變截面少片簧取代傳統多片簧，是現階段商用車優先配套方案。用50CrVA等材料制造的變截面少片簧取代傳等截面多片簧，重量可減輕20%左右，通過軋制等自動化加工及中頻加熱等節能技術應用，產品可靠性大幅提升，制造成本略高于傳統多片簧，性價比優勢明顯，是現階段商用車主流配套方案。

采用抗拉強度達到1800MPa的高強度鋼新材料，生產的高應力鋼板彈簧是高端配置方案。產品的設計應力水平達到1200MPa以上，與傳統多片簧相比，高應力少片簧減輕量30%左右、燃油消耗降低約0.5%、懸架系統頻率降低12%左右，同時提高整車平順性和舒適性。

鋼板彈簧制造的新工藝為：①變截面少片簧軋制及自動加工技術。簧片一次加熱，實現除鱗、軋制、校直、切頭、沖大孔、切邊、打彎、卷耳等多工序連續自動加工，生產人員減少60%，能源成本下降30%，材料節省20%，節能減排效果明顯。②高應力少片簧的噴丸強化工藝。研究表明，自由拋丸可以提高簧片的疲勞壽命1.66～2倍，而應力狀態噴丸可提高疲勞壽命2～7倍。高應力鋼板彈簧采用“自由+應力”的兩次噴丸工藝，先進行自由噴丸，清理簧片表面的氧化皮并形成較淺的硬化層；然后再進行應力噴丸，預加800MPa～1200MPa的拉應力，使簧片受拉面形成更加致密的硬化層，從而提高簧片的疲勞壽命。

安慶安簧汽車零部件有限公司與國內鋼廠聯合開發的高強度彈簧鋼σs≥1800 MPa，高應力板簧已在IVECO、JAC高端客車、輕卡上成功批量應用；牽頭起草安徽省地方標準《高應力鋼板彈簧總成技術條件》DB34/T 3076-2018。

2 復合材料板簧

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、聚氨酯等材料。因此，把復合材料板簧稱之為FRP復合材料板簧更為科學。

復合材料板簧的特點：①質量輕，僅鋼板彈簧質量的20%左右，對減輕構件重量效果顯著；②良好的耐疲勞性能，是鋼板彈簧的4～10倍；③比強度和比模量高。復合材料板簧比彈性能是鋼板彈簧的5倍以上，舒適性大大提高；④安全斷裂性。復合材料基體中含有大量獨立的纖維，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。⑤復合材料有好的阻尼減震性；⑥良好的耐腐蝕性能；⑦部件簡化，拆裝更方便。

復合材料板簧的缺點：①許用剪切應力很小。一般在50MPa左右，受到大沖擊很容易失效斷裂，設計時必須考慮給一定安全系數；②高溫環境下樹脂老化，影響復合材料板簧性能，一般工作環境溫度在-40～80℃。

復合材料板簧技術研究情況：①在國外復合材料板簧技術研究相對成熟，在歐美汽車廠商在上世紀八十年代已廣泛應用，如通用、福特、戴姆斯克萊斯勒、依維柯、康沃斯等。②國內復合材料板簧技術研究起步較晚，但發展速度很快，目前大多不具備商業化生產。隨著新能源汽車高速發展和復合材料板簧成型技術逐漸成熟，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，同時涌現一批復合材料板簧開發應用的企業。

圖1 HP-RTM工藝流程

復合材料板簧主要成型技術：①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、脫模等工序成型。纖維纏繞成型法只能小批量生產，制造成本高。②模壓成型法(Compression Molding)，是將纖維布切割成一定形狀，預浸樹脂后放入模具內，經過加壓、加熱固化成型。模壓成型工藝，模具制造較為復雜，也不適合大批量生產；成型時空氣不能徹底排出，纖維層與層之間結合不均衡，復合材料板簧使用容易出現“脫絲”現象。③高壓樹脂傳遞模塑成型(HP-RTM)工藝（圖1），代表復合材料板簧成型技術發展方向，能實現大規模自動化生產，不足是設備投資較大。高溫高壓成型工藝，使復合材料中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。

安慶安簧汽車零部件有限公司采用HP-RTM工藝開發的E玻纖增強復合材料板簧N64A樣品（圖2），產品質量減輕70%以上；按GB/T19844-2005鋼板彈簧標準臺架壽命達50萬次，是同型號鋼板彈簧（圖3）的5倍以上。主要技術指標對比如表1所示。

圖2 N64A復合材料板簧

圖3 N64A鋼板彈簧

表1 兩種彈簧技術指標對比

3 結束語

產品輕量化、生產自動化、工廠綠色化是汽車零部件行業共同的機遇與挑戰。汽車鋼板彈簧作為商用汽車懸架主要配置方案將長期存在，傳統多片簧將被輕量化優勢的變截面少片簧、高應力板簧快速替代，復合材料板簧是商用車懸架新的發展方向。