復合材料板簧研究進展

摘 要 “雙碳”背景下，汽車輕量化和節能減排是汽車行業發展的必然趨勢。復合材料板簧由于具備的輕質高強等顯著優勢廣泛應用于汽車上。本文介紹了復合材料板簧在國內外的研究和應用現狀，闡述了復合材料板簧的主要優勢和結構形式，著重分析了復合材料板簧材料選擇以及模壓工藝、拉擠工藝、纏繞工藝、RTM等成型工藝方法，最后對復合材料成型工藝及未來發展進行展望。

關鍵詞 復合材料；板簧；制造工藝；發展趨勢

Research Progress on Composite Leaf Springs

PEI Fang， YU Baifeng， XIN Xin， CAI Jingang

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT Under the background of “dual carbon”， lightweighting and energy conservation and emission reduction of automobiles are inevitable trends in the development of the automotive industry. Composite leaf springs are widely used in automobiles due to their significant advantages such as lightweight and high strength. This article introduces the research and application status of composite leaf springs at home and abroad， elaborates on the main advantages and structural forms of composite leaf springs， and focuses on analyzing the selection of composite leaf spring materials， as well as molding processes such as compression molding， extrusion， winding， and RTM. Finally， it looks forward to the future development of composite material molding processes.

KEYWORDS composite material； leaf spring；manufacturing process；development trend

1 引言

汽車懸架主要作用是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力距，并緩沖由不平整路面傳遞給車架或車身的沖擊力，減少由此引起的震動，以保證汽車能平順地行駛。其中板簧是汽車懸架系統中較為傳統的彈性元件［1］。

隨著復合材料應用的發展，從輕量化、材料替代、優化整體懸架系統設計、提升整車性能等多個各角度出發，復合材料板簧在多種車型上獲得實際應用。復合材料板簧在轎車輕量化工程中的應用，將進一步豐富車懸架結構設計，更好發揮板簧強度高、彈性應變大等優勢，有效控制外部環境對汽車造成的沖擊，實現節能和減少排放的目標。

2 復合材料板簧發展概況

國外復合材料板簧發展大體經歷了三個階段。

2.1 第1階段：20世紀50-60年代

20世紀50-60年代為原理性實驗探索階段。技術先進的西方國家開始研究采用復合材料制造板簧，由于當時適于工程應用的熱固性塑料尚處在早期發展階段，復合材料板簧的研制遇到許多問題，如材料耐溫性差、硬度低、不耐磨、價格高，加之結構設計、加工設備和工藝參數等都遇到一些有待解決的問題，因而延緩了復合材料板簧向實際應用的進程［2］。

2.2 第2階段：20世紀70年代

20世紀70年代為實用化研制階段。由于塑料工業的發展，耐溫、耐磨和價格合理的纖維增強塑料（玻璃鋼）研制成功，加之汽車設計向小型化和輕型化方向發展，特別是石油危機以來，為了減輕汽車配件重量，節約燃料，汽車廠商積極開展復合材料板簧的研制，促進了復合材料板簧向實際應用的發展。這一階段取得的突出成果是美國、英國和德國相繼研制出了復合材料板簧，就其原材料、構造、成形技術和工藝等方面展開了研究，并將復合材料板簧成功地運用在了客車和轎車上，復合材料板簧投入實際應用。

2.3 第3階段：20世紀80年代至今

20世紀80年代至今為穩定發展階段。英國繼美國之后建成了年產50萬套FRP板簧生產線。80年代末，復合材料板簧在美國正式開始商業化生產，廣泛應用于重型卡車和牽引車上，重量僅為鋼材板簧的1/3；歐洲的應用也非常普遍，從小型汽車、公路賽車、越野車到輕型貨車以及重型卡車上均有成功應用。德國IFC Composite公司推出了新型板簧取代奔馳、凌特和大眾汽車的傳統鋼板彈簧。新型復合材料板簧和普通鋼板彈簧相較，整體質量減小40 %～50 %，疲勞壽命可以達到20萬次以上，遠高于普通鋼板彈簧的16萬次。Mubea公司玻璃纖維板簧榮獲2020年Altair啟蒙獎，如圖1所示。

目前復合材料板簧在國外已經實現穩定的產業化生產，全球主要生產商包括：Liteflex LLC（美國）、IFC Composite GmbH（德國）、Hendrickson International （美國）、Mubea Fahrwerkstechnologien GmbH（德國）、HyperCo（美國）和 Benteler-SGL（奧地利）等公司。隨著汽車輕量化的蓬勃發展，高性能纖維和樹脂的材料性能以及工藝技術得到顯著提升，國內在復合材料板簧的研究方面如火如荼。目前，各家高校、研究院所、企事業單位等廣泛開展了復合材料板簧的相關研究，如哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司、武漢理工大學、中國第一汽車股份有限公司商用車開發院等，研究機構眾多且發展勢頭較快。

3 復合材料板簧優勢及結構形式

3.1 復合材料板簧性能優勢

復合材料板簧與鋼制板簧相比較具有如下優點：

（1）減重效果好。易于制成變厚度截面的板簧，材料利用合理且減輕重量。某載重汽車的復合材料板簧比等效鋼制板簧減輕50 %，比等效多葉鋼制板簧減輕65 %～80 %。復合材料板簧在輕型汽車上減輕了25 kg，在38噸絞車上減輕500 kg。

（2）疲勞壽命高。疲勞壽命是衡量彈簧動態特性的重要指標。板簧約2～10倍。玻璃纖維增強環氧疲勞壽命一般為50萬次以上，碳纖維復合材料的疲勞壽命可達100萬次以上。英國GKN公司在液壓伺服試驗臺上對復合材料板簧做多向加載（模擬汽車在實際運行中的垂直力、傾翻力和縱向力）疲勞試驗。根據汽車制造廠的規定，該車使用的鋼制板簧以最大動行程的70 %做臺架疲勞試驗，應能承受2×106作用次數。GKN公司宣布，公司生產的復合材料板簧可承受107作用次數的疲勞試驗。

（3）部件簡化，拆裝操作更簡易。

（4）可設計性強。相同載荷能力下，復合材料板簧的彈性行程可以設計得更大，舒適性更好。

（5）人機環境優化。由于材料阻尼較大，所以復雜工況下產生的嗓音較小，降低環境污染，改善人機環境。

（6）可靠性強。汽車嚴重超載時，板簧沿長度方向分層開裂，雖然剛度降低，但仍可使車軸位置保持不變，汽車可安全開到修理廠。

（7）全壽命費用低。復合材料板簧與同等鋼制板簧相比成本較低加上重量輕，節約燃料和維修方便等原因使車輛操作費用更加降低。

3.2 復合材料板簧結構形式

復合材料板簧在汽車上的應用主要分縱置和橫置2種結構形式［3］。

3.2.1 縱置復合材料板簧

同傳統鋼板彈簧相比，縱置復合材料板簧在車上布置基本一致，常采用3點連接，即2個外點連接車身，中間點連接車橋，縱置板簧布置如圖2所示。

復合材料板簧可在不更改車輛接口的情況下，直接等效替代傳統鋼板彈簧，實現輕量化。結構有別于傳統多片式鋼板彈簧，復合材料板簧常采用單片式，但是對某些重載車型板簧經常采用復合材料和鋼的組合設計。根據結構設計的差異，復合材料板簧可分為線性剛度板簧和漸進剛度板簧。線性剛度板簧結構簡單，是傳統鋼板彈簧的等效替代，在與車身連接上需要連桿釋放自由度。漸進剛度板簧的剛度隨載荷增加而逐漸變大，相對于傳統多片板簧的階躍式剛度變化，復合材料板簧的漸進過程更加連續，表現在剛度曲線上是相對更平滑過渡的曲線，能夠使得懸架的偏頻維持穩定，提高了車輛舒適性。

3.2.2 橫置復合材料板簧

典型的復合材料板簧，如玻纖增強型復合材料板簧在汽車上多為橫向布置，采用4點連接的方式，內側通過襯套與后副車架或車身連接，外側通過襯套、球頭或吊耳等與連桿或轉向節連接在一起，如圖3所示。

和汽車上傳統螺旋彈簧一樣，橫置玻纖增強型復合材料板簧需要支撐簧上質量，提供合適的懸架偏頻，在車輛側傾時，提供側傾剛度。在汽車上，彈簧和穩定桿常常匹配使用，穩定桿能夠在車輛側傾時提供額外的側傾剛度。因此，在結構設計上根據是否兼顧穩定桿的作用，橫置玻纖增強型復合材料板簧可分為等壁厚和變壁厚2種形式。目前市場上已經量產的通用和沃爾沃全新XC60的玻纖板簧均屬于等壁厚板簧，并未兼顧穩定桿的作用。如果橫置板簧發揮穩定桿作用，就需板簧兩端反向運動的剛度大于同向運動的剛度，即車輛側傾時的剛度要大于車輛受垂向沖擊時的剛度，變壁厚板簧設計就可以滿足這一需求。板簧內側壁厚的增減能夠影響板簧異向剛度和同向剛度的比值，內側越薄，比值越大。通過虛擬仿真計算，設計合適的壁厚比，橫置板簧能兼顧穩定桿的作用。

4 復合材料板簧的材料選擇和成型工藝

4.1 材料選擇

制備復合材料板簧常選用的增強材料包括：玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維等；常用熱固性樹脂包括：不飽和聚酯、環氧樹脂、聚氨酯等，可綜合考慮價格、性能、優勢確定材料及其配比方案。

4.2 成型工藝

不同類型的復合材料板簧適用于模壓、拉擠、纏繞、RTM等不同工藝［4-6］。

4.2.1 模壓成型工藝

模壓成型工藝是指將一定量的模壓料放入金屬對模中，在一定溫度和壓力下，固化成型為異形制品的工藝過程。對復合材料板簧而言，該工藝的優點是：（1）易實現機械化和自動化，生產效率較高；（2）制品尺寸精確、重復性好，有兩個精制表面；（3）生產成本低。缺點是：（1）壓機和模具設計與制造較復雜；（2）制品尺寸受設備限制；（3）初始投入較高；

總體來看，采用模壓成型工藝制備復合材料板簧在固化工藝和工程實踐方面均已趨于成熟，制得的復合材料板簧也得到了大量試驗的檢驗，但采用模壓成型工藝制備復合材料板簧在制品性能（如孔隙率）和生產效率方面仍有很大的提升空間。2010年，哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司基于前期纏繞＋鋪放＋模壓組合工藝研究，開發了復合材料板簧預浸料/模壓工藝［7-8］，具體工藝流程如圖4所示。

4.2.2 拉擠成型工藝

拉擠成型工藝是在牽引裝置的牽引下，將連續纖維或其織物進行樹脂浸潤并通過模具加熱使樹脂固化，最后通過切斷轉置生產復合材料型材的工藝方法。拉擠工藝通過自動化連續生產使生產效率高，生產過程受環境和操作影響小，因此產品質量較穩定。連續且伸直的增強纖維在拉伸狀態下進行浸膠，發揮了纖維的強度優勢；同時制品中的增強纖維含量可達80 %，因此其產品強度高，可實現連續生產［9］。

通用汽車公司20世紀70年代采用拉擠成型工藝制作復合材料板簧，并進行了臺架試驗和裝車試驗，樣件彎曲疲勞壽命可達50萬次。但由于該工藝無法有效生產變截面復合材料板簧，且設備投資過大，近年未見采用拉擠成型工藝制備復合材料板簧的相關報道。

4.2.3 纖維纏繞成型工藝

當板簧為變寬變厚等截面結構時，宜采用纖維纏繞成型，將連續纖維按預定張力及角度纏繞在芯模上，通過傳動軸控制纖維張力，通過導紗器導引纖維實現所需要的纏繞角度。待纏繞至所需圈數時停止纏繞并剪斷纖維，在制得復合材料板簧預成型體后，還要實施閉模加壓工序并脫模。然而，纖維纏繞成型制品存在層間結合力較弱、鋪層角度和尺寸控制不夠精確等缺點，且纏繞過程及合模過程存在樹脂流失過多的現象，因此并不適宜批量生產［10-12］。

4.2.4 RTM成型工藝

RTM成型工藝是在預先制作的符合特定工藝尺寸的模腔中，鋪放好按設計要求計算得到的纖維增強材料預成型體，然后在一定的壓力范圍內，采用注射設備將專用的樹脂體系注入閉合模腔內，通過樹脂與增強體的浸潤，最終固化成型為所需高性能復合材料的一種成型技術［13］。具體工藝流程如下：

（1）織物裁切：采用自動裁切機將織物裁成預型尺寸；

（2）預成型：通過機器人將裁切好的織物放入預型模中預成型；

（3）入模：通過機器人將預型好的織物放入成型模具中；

（4） 注膠成型：合模并向成型模具中注入樹脂，并在一定壓力和時間下使之成型固化；

（5）脫模：開模頂出制件，并用機器人將其放置于指定位置；

（6）去毛邊：去除制件毛邊；

（7）機加工：將制件放在工裝上并通過CNC加工成特定造型；

（8）檢驗。

由于RTM成型工藝通過一次浸潤代替了傳統成型工藝兩步或多步浸潤的過程，減少了預浸料制備、鋪層、真空袋和在熱壓罐中固化等工序，從而大幅降低成型時間和成本。與模壓成型、拉擠成型等傳統工藝相比，RTM成型工藝不僅具備良好的表面質量，且制品纖維體積含量更高、孔隙率更低（0 %～0.5 %）。此外，RTM工藝還具有尺寸精度高、可加預埋件、環保、能耗低和工藝適應性強等優點，既可生產等截面板簧也可生產變截面板簧，是當前最有前景用于批量生產復合材料板簧的制造工藝。

5 結語

（1）采用模壓成型工藝制備復合材料板簧在固化工藝和工程實踐方面均已趨于成熟，后續研究應著力于提高模壓成型工藝的制品性能（如孔隙率）和生產效率。雖然，拉擠工藝和纖維纏繞工藝在特定類型復合材料板簧制備方面具有獨特的優勢，但由于前期設備投入過大、制品層間結合力較弱等因素的限制，不適宜復合材料板簧的批量生產。RTM成型工藝是當前復合材料板簧制備領域最有應用前景的成型工藝。

（2）隨著國家法規要求以及國內新能源汽車的發展，輕量化設計已成為汽車發展的大趨勢。復合材料板簧在性能和空間布置上都有獨特的優勢，因此具有很廣闊的市場前景。

（3）復合材料板簧未來的普及需要從原材料制備、結構設計、工藝優化、自動化生產及性能檢測加強，制備高性能和低成本的復合材料板簧，以適應汽車行業市場的需求。

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