復合材料板簧

1、復復 合合 材材 料料 板板 簧簧 北京玻璃鋼研究設計院 北京中材汽車復合材料有限公司 2010年6月 1. 國內外復合材料板簧的研究及應用狀況 2. 復合材料板簧應用實例 3. 復合材料板簧應用的意義 4. 復合材料板簧的技術發(fā)展概況 1、國內外復合材料板簧的研究及應用狀況 由于塑料彈簧具有鋼制彈簧難以取代的優(yōu)點，因此美、 英、日等國競相開展研制，取得了不少研制成果，并已批 量投入實際應用。它的發(fā)展大體經歷了三個階段。 1970年以前為原理性實驗探索階段。在這一階段， 發(fā)表的應用理論分析文章和階段性研制報告比較多。在此 期間，由于適合于工程應用的熱固性塑料尚處在早期發(fā)展 階段，工程塑料彈簧的

2、研制遇到許多問題，如材料的耐溫 性差、硬度低不耐磨、價格高、難以制成廣泛的螺旋彈簧， 加之設計程序，加工設備和工藝參數都遇到一些有待解決 的新問題，因而延緩了塑料彈簧向實際應用的進程。 1、國內外復合材料板簧的研究及應用狀況 1980年以前為實用化研制階段。在這一階段，由于塑 料工業(yè)的發(fā)展，耐溫、耐磨和價格合理的纖維增強塑料 （FRP=Fiberglass Reinforced Plastics）研制成功，加之 汽車設計向小型化和輕型化方向發(fā)展，特別是石油危機以 來，為了減輕汽車配件重量，節(jié)約燃料，汽車廠商積極開 展塑料板簧的研制，促進了塑料彈簧向實際應用的發(fā)展。 在這一階段的突出研制成果是F

3、RP板簧在美國投入實際應 用。 1、國內外復合材料板簧的研究及應用狀況 1980年至今為實際應用穩(wěn)定發(fā)展階段。繼美國之后， 英國納鐵福復合公司（GKN COMPosites）在Telford新 廠內建成了年產五十萬套FRP板簧生產線，1985年已開始 大量生產，在西歐居于領先地位。八十年代末，復合材料 板簧在美國也正式投入商業(yè)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； 復合材料彈簧投入實際應用的數量和范圍都在穩(wěn)步發(fā) 展。 、復合材料板簧應用實例 廠商車型廠商車型 International 國際卡車 9100i, 9200i, 9400i Kenworth 康沃斯 T6

4、00, T800 Freightliner 萊納卡車 Columbia, CenturyPeterbilt 彼得比爾特 385, 387 復合材料板簧已經在全球諸多汽車廠商得到大量應用， 如通用、福特、 戴姆勒克萊斯勒、 依維柯 、康沃斯、 彼 得比爾特、國際卡車公司等。 、復合材料板簧應用實例 重型罐車的應用 、復合材料板簧應用實例 重型卡車上的應用 、復合材料板簧應用實例 后驅轎車上的應用 轎跑車上的應用 后軸橫置 后軸順置 躍野車上的應用 、復合材料板簧應用實例 前軸橫置單簧 、復合材料板簧應用實例 、復合材料板簧應用實例 火車上的應用 火車上的應用 、復合材料板簧應用實例 、復合材料板

5、簧應用的意義 減輕汽車重量對汽車的發(fā)展具有特殊重要的意義。減 輕汽車自重，不僅可以減少原材料的消耗，降低汽車的成 本，還可以顯著降低汽車能源消耗量，減少有害氣體的排 放，提高汽車的動力性能。研究表明，汽車質量每減小10 ，可降低6 8的油耗。據相關資料，汽車質量每減 小50kg，則每升燃油行駛的距離可增加1km；若質量減小 10，則燃油經濟性可提高5.5左右。減輕車輛自重， 實現輕量化設計已成為當今汽車發(fā)展的趨勢之一。 、復合材料板簧應用的意義 采用復合材料板簧，與傳統(tǒng)的金屬板簧相比，最明顯 的優(yōu)勢就是減重效應，由于復合材料的可設計性強且密度 小，同等性能的替代產品一般可減重均在50以上。通過

6、 選用不同材料及優(yōu)化設計，減重比例甚至可以達到70以 上，這也是目前其它部件優(yōu)化過程中非常少見的減重優(yōu)勢。 、復合材料板簧應用的意義 FRP板簧與鋼制板簧相比較，具有如下優(yōu)點：板簧與鋼制板簧相比較，具有如下優(yōu)點： （1）容易制作成變厚度截面的板簧，材料利用合理且減輕 了重量。某載重汽車的FRP板簧比等效鋼制板簧減輕50%， 比等效多葉鋼制板簧減輕65%。具體如：在某輕型汽車上 減輕了25公斤。在某38噸絞車上減輕達500公斤。 （2）“安全斷裂”提高了可靠性。汽車嚴重超載時， FRP板簧沿長度方向分層開裂，雖然結構基本破壞，剛度 大大降低，但仍可使車軸基本保持原位，可使空載汽車能 安全開到修理

7、廠。 （3） 疲勞壽命高。超過鋼制多葉板簧約2-10倍。 、復合材料板簧應用的意義 （4） 全壽命費用（Cycle life Cost）合理。FRP板簧與高 檔次鋼質板簧相比成本較低加上重量輕，節(jié)約燃料和維修 方便等原因使車輛使用費用更加降低。 （5） 部件簡化，重量輕，拆裝操作更簡便容易。 （6） 相同荷載能力下，復合材料板簧的彈性行程可以設 計得更大（可設計性），舒適性更好。 （）因材料自身阻尼較大，所以各種工況下其產生的噪 音均較小。減少了對環(huán)境的污染，改善了人機環(huán)境。 鑒于以上原因，可以說精密的FRP板簧應用前景非常好。 、復合材料板簧的技術發(fā)展概況 現在，復合材料彈簧主要使用熱固性塑

8、料，特別是熱 固性纖維增強塑料，也有使用熱塑性塑料的，但數量不多。 從使用角度考慮，對彈簧材料性能的主要要求是： （1）變形能V值要大（即彈簧模量E值要?。?。 （2）強度，特別是疲勞強度要大，壽命長。 （3）容易加工成型。 用于制作彈簧的熱固性和熱塑復合材料性能均滿足以上要 求，目前的復合材料板簧的承載能力可達每軸10噸以上。 、復合材料板簧的技術發(fā)展概況 關于變形能 熱固性纖維增強塑料的V值比一般金屬都大，可與彈簧鋼 相比 u關于復合材料的強度和疲勞強度 以環(huán)氧樹脂為膠粘劑的熱固性塑料為例，其抗拉強度可在 400-1000MPa間按要求設計。一般的玻璃纖維增強環(huán)氧 （GFRP）的疲勞壽命均達

9、50萬次以上，而碳纖維增強環(huán) 氧（CFRP）的疲勞壽命更可達100萬次以上。 、復合材料板簧的技術發(fā)展概況 u 加工工藝性 熱固性復合材料板簧產品可以實現一次成型，其成型 工藝性和鋼近似。 熱塑性的工藝性好，容易成形，生產率也高，但機械 性能不如熱固性塑料。 纖維增強復合材料同時還具有重量輕（比重為1.0 2.0）、耐腐蝕、電絕緣性好和容易著色等先天優(yōu)點。設 計者可根據需要，全面權衡，恰當選用和設計。 設計要點： （1）彈性模量； （2）工作環(huán)境溫度； （3）載荷作用時間； （4）變形量對E值的影響。 復合材料板簧的三種設計形式： （1）恒寬，變厚的設計。 （2）恒厚，變寬的設計。 （3）恒定

10、的交叉設計（變寬和變厚而導致的恒定交叉設計） 、復合材料板簧的技術發(fā)展概況 不同形狀的板簧，交叉設計目前應用最多。 、復合材料板簧的技術發(fā)展概況 蛇形彈簧螺旋彈簧 其它形狀的復合材料車用彈簧 、復合材料板簧的技術發(fā)展概況 、復合材料板簧的技術發(fā)展概況 u復合材料板簧的成型工藝復合材料板簧的成型工藝 （1） 纏繞工藝是由連續(xù)纖維束和基體材料組成的，其中放置纖維束 的轉動軸引導纖維沿著軸的方向向前和向后以便于實現所需要的纏繞 角度，纖維的方向是沿著板簧的長度方向的。纏繞工藝在成型恒定厚 度的板簧是非常容易的 ，為了實現所需的纖維含量，材料性能和尺寸 控制，必須在加熱加壓的情況下進行固化。 u復合材

11、料板簧的成型工藝復合材料板簧的成型工藝 （2）拉擠工藝是通過拉出連續(xù)樹脂浸漬纖維，通過陶瓷連接去生產一 個給定的交叉區(qū)域，可以通過R.F.加熱快速固化，拉擠工藝可以生產直 的，連續(xù)的區(qū)域，但是只要纖維含量是恒定的，如果應用合適的工具可 以生產出形狀或弧度變化的板簧，因此當產品脫離結合區(qū)后后固化程度 達到90%時，重新塑型的改變量就會很小。 、復合材料板簧的技術發(fā)展概況 u板簧的成型工藝板簧的成型工藝 （3）層壓工藝是在一個加熱的合模的金屬模具中進行預浸漬料 的模壓過程。這個過程需要將預浸漬料切成專用形狀并放進模 具中進行加溫加壓成型。形狀可以用多片預混料組成的預片板 預設定切割和疊放實現， 、

12、復合材料板簧的技術發(fā)展概況 、復合材料板簧的技術發(fā)展概況 u 動態(tài)特性 疲勞壽命是衡量彈簧動態(tài)特性的重要指標。實踐證明，FRP板簧的疲 勞壽命比鋼制板簧好。英國GKN公司在液壓伺服試驗臺上對FRP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(guī)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2106作用次數。GKN公司宣布， 該公司生產的FRP板簧可承受107作用次數的疲勞試驗。 u 環(huán)境試驗 GKN公司生產的FRP板簧能經受車輛行駛中所受到的全部腐蝕，如油、 蓄電池酸液和鹽水。只有焊接火焰、電孤焊飛濺火星如長時間接觸， 對其會稍有影響。 板簧檢測 應力實驗應力實驗 疲勞實驗疲勞實驗 無損檢測無損檢測 復合材料板簧材料基本性能參數： 參數參考值 彎曲強度 MPa