汽车用复合材料前置板簧的研究

任 昆，蔡金刚，武海鹏

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)



汽车用复合材料前置板簧的研究

任 昆，蔡金刚，武海鹏

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

本文介绍了树脂基复合材料板簧的选材、成型方法及发展前景。用树脂基复合材料板簧代替钢制板簧，作为汽车主承力结构件，具有比强度高、质量轻、耐腐蚀、减振性能好、可设计性强、易于加工等优点。哈玻院设计的复合材料板簧弯曲疲劳寿命达100万次，已经通过了刚度测试、疲劳试验、路试。

复合材料板簧；缠绕；拉挤；模压

1　引 言

国外复合材料板簧的研制与材料的发展紧密相关。从20世纪50-60年代，复合材料板簧进行了原理性探索，但由于材料的耐温性差、硬度低、不耐磨、成本高，加工设备和成型工艺都遇到一些有待解决的问题，因而延缓了复合材料板簧向实际应用的进程[1-7]。

到20世纪70年代，随着新材料、新工艺及对汽车轻量化的发展，由美国GM公司工程部采用拉挤成型制成Liteflextm复合材料板簧，并进行了实验室台架实验和装车实验，实测弯曲疲劳寿命达50万次。这极大的促进了复合材料板簧向实际应用的发展。

从1981年到1985年，共有55 000辆Corvette轿车装上横置式复合材料板簧，此外轻型轿车，中型和重型卡车也采用了复合材料板簧，其中32 t重卡车的钢板弹簧换成复合材料板簧后，质量减轻了264 kg。目前每年应用在各种车型上复合材料板簧超过了100万件。

哈尔滨玻璃钢研究院于80年代开展复合材料板簧的研究课题，研制的板簧在600 MPa的循环应力下，疲劳次数达到40万次。2009年起，哈玻院开始复合材料板簧的研制和生产，通过不同材料、不同工艺的多种尝试，研制出复合材料板簧弯曲疲劳寿命达100万次。

2　板簧成型技术

常用的复合材料板簧的成型工艺：缠绕、拉挤、模压和RTM等工艺或其中的组合工艺[8-9]。

缠绕工艺产品强度高、耐疲劳、工艺易控，生产的效率高，但复合材料产品层间结合力较弱，尺寸控制不够精确；

拉挤工艺可连续生产，固化时间短，但由于常用聚酯类树脂，产品模量相对较低。美国GM公司工程部在1970年采用拉挤成型法制成复合材料板簧，并进行了室台架实验和装车实验。

模压成型适合各种形状的产品，表面光滑、产品密实，尺寸控制较为精确，但生产效率较低。德国IFC合成材料有限公司采用预浸料模压工艺制造复合材料板簧。

RTM工艺可以制备等截面或变截面的产品，产品空隙率低，但有时会造成产品的纤维和树脂局部含量不均匀。德国的本特勒-西格里汽车公司采用RTM工艺，开发了以聚氨酯为基体玻璃纤维板簧。

哈玻院在研制复合材料板簧的过程中，为了提高生产效率，采用了缠绕和模压工艺相结合。

3　板簧的设计方法

3.1产品的截面选择

根据板簧的受力工况、整车的装配需要、复合材料的成型特点等因素，应用等强度理论，将复合材料板簧设计为等厚度、变截面、拱型的复合材料板簧[10-11]。利用ABAQUS有限元，采用三维减缩积分单元C3D8R对模型进行了网格划分。

图1　复合材料板簧的截面选择

3.2材料的选择

考虑到产品的使用温度范围、力学性能、结构使用和工艺性, 以及低毒性、低刺激性及价格合理等因素,选用E高强玻璃纤维和环氧树脂作为所研究产品的材料。

表1　玻璃纤维/环氧单向板设计参数

考虑到产品的使用温度等性能，产品进行了化学实验分析测试，图2为产品树脂的DSC曲线。

图2　树脂DSC曲线图

3.3有限元分析结果

图3　不同设计载荷下的变形和应力图

载荷类型载荷量级/吨变形要求/mm有限元计算结果/mm设计载荷2.46564.8满载情况4.3133132.8

满载时板簧最大应力为663.9 MPa，小于材料的许用应力。

4　复合材料板弹簧的性能测试

哈玻院研制出的复合材料板簧进行了静态刚度和疲劳试验的测试。

图4　复合材料板簧的静态刚度测试装置

静载工装模拟实际车辆底盘装配的距离、工况。经过多根板簧的测试，刚度测试值与有限元计算结果吻合较好，偏差在3%以内。

疲劳寿命是衡量板簧动态特性的重要指标。实践证明，纤维增强复合材料板簧的疲劳寿命比钢制板簧好。

哈玻院自2009年起，针对复合材料板簧所选用材料、树脂、结构设计开展了多项研究，特别针对疲劳性能而对树脂性能的研究。并且于2011年，进行了板簧疲劳性能的测试。

进行了3根板簧疲劳性能试验，同期与3根美国同类产品，进行了疲劳试验对比，最终哈玻院产品中有2根通过120万次的疲劳实验(设计要求20万次)。试验对比结果见表3。

表3　哈玻院与美国同类产品试验对比结果

注：疲劳实验中，承载力下降5%为失效

哈玻院设计的刚度为317 N/mm复合材料板簧，已经通过了刚度测试、疲劳试验、路试，现已小批量生产应用到某款商务车上。

另外，哈玻院还开发了一系列板簧，如刚度为274 N/mm、250 N/mm的汽车用复合材料板簧、电动车专用复合材料板簧。

图5为哈玻院为某公司开发的电动车专用板簧，目前已在装车试验。

图5　哈玻院开发的电动车专用板簧

5　复合材料板簧板簧的前景

就我国汽车钢板簧行业而言，每年消耗的钢材料在120万吨以上，如果将部分钢板簧替换为复合材料板簧，则可节约社会资源，降低能源消耗，减少排放。

研究开发复合材料板簧，符合汽车轻量化的发展方向。国内的哈玻院等正在将复合材料板簧从研制向工业化生产转变，目前虽然没有形成大规模的商业化生产，但已初具规模，相信板簧在国内的广泛应用指日可待。

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Research on Composite Front Leaf Spring for Automobiles

REN Kun,CAI Jingang,WU Haipeng

(Harbin FRP Institute, Harbin 150036)

The material choice,moalding methods and development perspective for resin composites were introduced in this paper.Resin composite springs as the main structure part replace the steel leaf spring, high strenghth,light quality,crosion resistance,vibration-reduced flexible design and easily processing. Composite springs designed by Harbin FRP Institute bending fatigue life of 1 million times, passed the rigid test,fatigue test and road test.

composite leaf spring；filament winding；pultrusion；pressure molding

2015-08-07)

任昆(1983-)，男，吉林人，本科，工程师。研究方向：复合材料应用。E-mail：tianyakanxue@163.com.