摘 要 “雙碳”背景下，汽車(chē)輕量化和節(jié)能減排是汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。復(fù)合材料板簧由于具備的輕質(zhì)高強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)上。本文介紹了復(fù)合材料板簧在國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了復(fù)合材料板簧的主要優(yōu)勢(shì)和結(jié)構(gòu)形式，著重分析了復(fù)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(duì)復(fù)合材料成型工藝及未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；板簧；制造工藝；發(fā)展趨勢(shì)

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

隨著復(fù)合材料應(yīng)用的發(fā)展，從輕量化、材料替代、優(yōu)化整體懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提升整車(chē)性能等多個(gè)各角度出發(fā)，復(fù)合材料板簧在多種車(chē)型上獲得實(shí)際應(yīng)用。復(fù)合材料板簧在轎車(chē)輕量化工程中的應(yīng)用，將進(jìn)一步豐富車(chē)懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更好發(fā)揮板簧強(qiáng)度高、彈性應(yīng)變大等優(yōu)勢(shì)，有效控制外部環(huán)境對(duì)汽車(chē)造成的沖擊，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減少排放的目標(biāo)。

2 復(fù)合材料板簧發(fā)展概況

國(guó)外復(fù)合材料板簧發(fā)展大體經(jīng)歷了三個(gè)階段。

2.1 第1階段：20世紀(jì)50-60年代

20世紀(jì)50-60年代為原理性實(shí)驗(yàn)探索階段。技術(shù)先進(jìn)的西方國(guó)家開(kāi)始研究采用復(fù)合材料制造板簧，由于當(dāng)時(shí)適于工程應(yīng)用的熱固性塑料尚處在早期發(fā)展階段，復(fù)合材料板簧的研制遇到許多問(wèn)題，如材料耐溫性差、硬度低、不耐磨、價(jià)格高，加之結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工設(shè)備和工藝參數(shù)等都遇到一些有待解決的問(wèn)題，因而延緩了復(fù)合材料板簧向?qū)嶋H應(yīng)用的進(jìn)程［2］。

2.2 第2階段：20世紀(jì)70年代

20世紀(jì)70年代為實(shí)用化研制階段。由于塑料工業(yè)的發(fā)展，耐溫、耐磨和價(jià)格合理的纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）研制成功，加之汽車(chē)設(shè)計(jì)向小型化和輕型化方向發(fā)展，特別是石油危機(jī)以來(lái)，為了減輕汽車(chē)配件重量，節(jié)約燃料，汽車(chē)廠商積極開(kāi)展復(fù)合材料板簧的研制，促進(jìn)了復(fù)合材料板簧向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展。這一階段取得的突出成果是美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)相繼研制出了復(fù)合材料板簧，就其原材料、構(gòu)造、成形技術(shù)和工藝等方面展開(kāi)了研究，并將復(fù)合材料板簧成功地運(yùn)用在了客車(chē)和轎車(chē)上，復(fù)合材料板簧投入實(shí)際應(yīng)用。

2.3 第3階段：20世紀(jì)80年代至今

20世紀(jì)80年代至今為穩(wěn)定發(fā)展階段。英國(guó)繼美國(guó)之后建成了年產(chǎn)50萬(wàn)套FRP板簧生產(chǎn)線。80年代末，復(fù)合材料板簧在美國(guó)正式開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于重型卡車(chē)和牽引車(chē)上，重量?jī)H為鋼材板簧的1/3；歐洲的應(yīng)用也非常普遍，從小型汽車(chē)、公路賽車(chē)、越野車(chē)到輕型貨車(chē)以及重型卡車(chē)上均有成功應(yīng)用。德國(guó)IFC Composite公司推出了新型板簧取代奔馳、凌特和大眾汽車(chē)的傳統(tǒng)鋼板彈簧。新型復(fù)合材料板簧和普通鋼板彈簧相較，整體質(zhì)量減小40 %～50 %，疲勞壽命可以達(dá)到20萬(wàn)次以上，遠(yuǎn)高于普通鋼板彈簧的16萬(wàn)次。Mubea公司玻璃纖維板簧榮獲2020年Altair啟蒙獎(jiǎng)，如圖1所示。

目前復(fù)合材料板簧在國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，全球主要生產(chǎn)商包括：Liteflex LLC（美國(guó)）、IFC Composite GmbH（德國(guó)）、Hendrickson International （美國(guó)）、Mubea Fahrwerkstechnologien GmbH（德國(guó)）、HyperCo（美國(guó)）和 Benteler-SGL（奧地利）等公司。隨著汽車(chē)輕量化的蓬勃發(fā)展，高性能纖維和樹(shù)脂的材料性能以及工藝技術(shù)得到顯著提升，國(guó)內(nèi)在復(fù)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(yè)單位等廣泛開(kāi)展了復(fù)合材料板簧的相關(guān)研究，如哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司、武漢理工大學(xué)、中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司商用車(chē)開(kāi)發(fā)院等，研究機(jī)構(gòu)眾多且發(fā)展勢(shì)頭較快。

3 復(fù)合材料板簧優(yōu)勢(shì)及結(jié)構(gòu)形式

3.1 復(fù)合材料板簧性能優(yōu)勢(shì)

復(fù)合材料板簧與鋼制板簧相比較具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（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(chē)的復(fù)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(fù)合材料板簧在輕型汽車(chē)上減輕了25 kg，在38噸絞車(chē)上減輕500 kg。

（2）疲勞壽命高。疲勞壽命是衡量彈簧動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo)。板簧約2～10倍。玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧疲勞壽命一般為50萬(wàn)次以上，碳纖維復(fù)合材料的疲勞壽命可達(dá)100萬(wàn)次以上。英國(guó)GKN公司在液壓伺服試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)復(fù)合材料板簧做多向加載（模擬汽車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中的垂直力、傾翻力和縱向力）疲勞試驗(yàn)。根據(jù)汽車(chē)制造廠的規(guī)定，該車(chē)使用的鋼制板簧以最大動(dòng)行程的70 %做臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，應(yīng)能承受2×106作用次數(shù)。GKN公司宣布，公司生產(chǎn)的復(fù)合材料板簧可承受107作用次數(shù)的疲勞試驗(yàn)。

（3）部件簡(jiǎn)化，拆裝操作更簡(jiǎn)易。

（4）可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。相同載荷能力下，復(fù)合材料板簧的彈性行程可以設(shè)計(jì)得更大，舒適性更好。

（5）人機(jī)環(huán)境優(yōu)化。由于材料阻尼較大，所以復(fù)雜工況下產(chǎn)生的嗓音較小，降低環(huán)境污染，改善人機(jī)環(huán)境。

（6）可靠性強(qiáng)。汽車(chē)嚴(yán)重超載時(shí)，板簧沿長(zhǎng)度方向分層開(kāi)裂，雖然剛度降低，但仍可使車(chē)軸位置保持不變，汽車(chē)可安全開(kāi)到修理廠。

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

3.2 復(fù)合材料板簧結(jié)構(gòu)形式

復(fù)合材料板簧在汽車(chē)上的應(yīng)用主要分縱置和橫置2種結(jié)構(gòu)形式［3］。

3.2.1 縱置復(fù)合材料板簧

同傳統(tǒng)鋼板彈簧相比，縱置復(fù)合材料板簧在車(chē)上布置基本一致，常采用3點(diǎn)連接，即2個(gè)外點(diǎn)連接車(chē)身，中間點(diǎn)連接車(chē)橋，縱置板簧布置如圖2所示。

復(fù)合材料板簧可在不更改車(chē)輛接口的情況下，直接等效替代傳統(tǒng)鋼板彈簧，實(shí)現(xiàn)輕量化。結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)多片式鋼板彈簧，復(fù)合材料板簧常采用單片式，但是對(duì)某些重載車(chē)型板簧經(jīng)常采用復(fù)合材料和鋼的組合設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異，復(fù)合材料板簧可分為線性剛度板簧和漸進(jìn)剛度板簧。線性剛度板簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是傳統(tǒng)鋼板彈簧的等效替代，在與車(chē)身連接上需要連桿釋放自由度。漸進(jìn)剛度板簧的剛度隨載荷增加而逐漸變大，相對(duì)于傳統(tǒng)多片板簧的階躍式剛度變化，復(fù)合材料板簧的漸進(jìn)過(guò)程更加連續(xù)，表現(xiàn)在剛度曲線上是相對(duì)更平滑過(guò)渡的曲線，能夠使得懸架的偏頻維持穩(wěn)定，提高了車(chē)輛舒適性。

3.2.2 橫置復(fù)合材料板簧

典型的復(fù)合材料板簧，如玻纖增強(qiáng)型復(fù)合材料板簧在汽車(chē)上多為橫向布置，采用4點(diǎn)連接的方式，內(nèi)側(cè)通過(guò)襯套與后副車(chē)架或車(chē)身連接，外側(cè)通過(guò)襯套、球頭或吊耳等與連桿或轉(zhuǎn)向節(jié)連接在一起，如圖3所示。

和汽車(chē)上傳統(tǒng)螺旋彈簧一樣，橫置玻纖增強(qiáng)型復(fù)合材料板簧需要支撐簧上質(zhì)量，提供合適的懸架偏頻，在車(chē)輛側(cè)傾時(shí)，提供側(cè)傾剛度。在汽車(chē)上，彈簧和穩(wěn)定桿常常匹配使用，穩(wěn)定桿能夠在車(chē)輛側(cè)傾時(shí)提供額外的側(cè)傾剛度。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上根據(jù)是否兼顧穩(wěn)定桿的作用，橫置玻纖增強(qiáng)型復(fù)合材料板簧可分為等壁厚和變壁厚2種形式。目前市場(chǎng)上已經(jīng)量產(chǎn)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(wěn)定桿的作用。如果橫置板簧發(fā)揮穩(wěn)定桿作用，就需板簧兩端反向運(yùn)動(dòng)的剛度大于同向運(yùn)動(dòng)的剛度，即車(chē)輛側(cè)傾時(shí)的剛度要大于車(chē)輛受垂向沖擊時(shí)的剛度，變壁厚板簧設(shè)計(jì)就可以滿足這一需求。板簧內(nèi)側(cè)壁厚的增減能夠影響板簧異向剛度和同向剛度的比值，內(nèi)側(cè)越薄，比值越大。通過(guò)虛擬仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)合適的壁厚比，橫置板簧能兼顧穩(wěn)定桿的作用。

4 復(fù)合材料板簧的材料選擇和成型工藝

4.1 材料選擇

制備復(fù)合材料板簧常選用的增強(qiáng)材料包括：玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維等；常用熱固性樹(shù)脂包括：不飽和聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯等，可綜合考慮價(jià)格、性能、優(yōu)勢(shì)確定材料及其配比方案。

4.2 成型工藝

不同類(lèi)型的復(fù)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(duì)模中，在一定溫度和壓力下，固化成型為異形制品的工藝過(guò)程。對(duì)復(fù)合材料板簧而言，該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：（1）易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，生產(chǎn)效率較高；（2）制品尺寸精確、重復(fù)性好，有兩個(gè)精制表面；（3）生產(chǎn)成本低。缺點(diǎn)是：（1）壓機(jī)和模具設(shè)計(jì)與制造較復(fù)雜；（2）制品尺寸受設(shè)備限制；（3）初始投入較高；

總體來(lái)看，采用模壓成型工藝制備復(fù)合材料板簧在固化工藝和工程實(shí)踐方面均已趨于成熟，制得的復(fù)合材料板簧也得到了大量試驗(yàn)的檢驗(yàn)，但采用模壓成型工藝制備復(fù)合材料板簧在制品性能（如孔隙率）和生產(chǎn)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(kāi)發(fā)了復(fù)合材料板簧預(yù)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(xù)纖維或其織物進(jìn)行樹(shù)脂浸潤(rùn)并通過(guò)模具加熱使樹(shù)脂固化，最后通過(guò)切斷轉(zhuǎn)置生產(chǎn)復(fù)合材料型材的工藝方法。拉擠工藝通過(guò)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)使生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)過(guò)程受環(huán)境和操作影響小，因此產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定。連續(xù)且伸直的增強(qiáng)纖維在拉伸狀態(tài)下進(jìn)行浸膠，發(fā)揮了纖維的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)；同時(shí)制品中的增強(qiáng)纖維含量可達(dá)80 %，因此其產(chǎn)品強(qiáng)度高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)［9］。

通用汽車(chē)公司20世紀(jì)70年代采用拉擠成型工藝制作復(fù)合材料板簧，并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)和裝車(chē)試驗(yàn)，樣件彎曲疲勞壽命可達(dá)50萬(wàn)次。但由于該工藝無(wú)法有效生產(chǎn)變截面復(fù)合材料板簧，且設(shè)備投資過(guò)大，近年未見(jiàn)采用拉擠成型工藝制備復(fù)合材料板簧的相關(guān)報(bào)道。

4.2.3 纖維纏繞成型工藝

當(dāng)板簧為變寬變厚等截面結(jié)構(gòu)時(shí)，宜采用纖維纏繞成型，將連續(xù)纖維按預(yù)定張力及角度纏繞在芯模上，通過(guò)傳動(dòng)軸控制纖維張力，通過(guò)導(dǎo)紗器導(dǎo)引纖維實(shí)現(xiàn)所需要的纏繞角度。待纏繞至所需圈數(shù)時(shí)停止纏繞并剪斷纖維，在制得復(fù)合材料板簧預(yù)成型體后，還要實(shí)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(jié)合力較弱、鋪層角度和尺寸控制不夠精確等缺點(diǎn)，且纏繞過(guò)程及合模過(guò)程存在樹(shù)脂流失過(guò)多的現(xiàn)象，因此并不適宜批量生產(chǎn)［10-12］。

4.2.4 RTM成型工藝

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

（1）織物裁切：采用自動(dòng)裁切機(jī)將織物裁成預(yù)型尺寸；

（2）預(yù)成型：通過(guò)機(jī)器人將裁切好的織物放入預(yù)型模中預(yù)成型；

（3）入模：通過(guò)機(jī)器人將預(yù)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(shù)脂，并在一定壓力和時(shí)間下使之成型固化；

（5）脫模：開(kāi)模頂出制件，并用機(jī)器人將其放置于指定位置；

（6）去毛邊：去除制件毛邊；

（7）機(jī)加工：將制件放在工裝上并通過(guò)CNC加工成特定造型；

（8）檢驗(yàn)。

由于RTM成型工藝通過(guò)一次浸潤(rùn)代替了傳統(tǒng)成型工藝兩步或多步浸潤(rùn)的過(guò)程，減少了預(yù)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(shí)間和成本。與模壓成型、拉擠成型等傳統(tǒng)工藝相比，RTM成型工藝不僅具備良好的表面質(zhì)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(yù)埋件、環(huán)保、能耗低和工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，既可生產(chǎn)等截面板簧也可生產(chǎn)變截面板簧，是當(dāng)前最有前景用于批量生產(chǎn)復(fù)合材料板簧的制造工藝。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）采用模壓成型工藝制備復(fù)合材料板簧在固化工藝和工程實(shí)踐方面均已趨于成熟，后續(xù)研究應(yīng)著力于提高模壓成型工藝的制品性能（如孔隙率）和生產(chǎn)效率。雖然，拉擠工藝和纖維纏繞工藝在特定類(lèi)型復(fù)合材料板簧制備方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但由于前期設(shè)備投入過(guò)大、制品層間結(jié)合力較弱等因素的限制，不適宜復(fù)合材料板簧的批量生產(chǎn)。RTM成型工藝是當(dāng)前復(fù)合材料板簧制備領(lǐng)域最有應(yīng)用前景的成型工藝。

（2）隨著國(guó)家法規(guī)要求以及國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)的發(fā)展，輕量化設(shè)計(jì)已成為汽車(chē)發(fā)展的大趨勢(shì)。復(fù)合材料板簧在性能和空間布置上都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此具有很廣闊的市場(chǎng)前景。

（3）復(fù)合材料板簧未來(lái)的普及需要從原材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、自動(dòng)化生產(chǎn)及性能檢測(cè)加強(qiáng)，制備高性能和低成本的復(fù)合材料板簧，以適應(yīng)汽車(chē)行業(yè)市場(chǎng)的需求。

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