热固性树脂基体(复合材料板簧研究进展)

板簧作为汽车悬架的重要组成部件，承受和传递车架与车桥之间的垂直力和垂直力以外的各种力及其所形成的力矩，并保证车轮相对于车架（或车身）按一定的关系运动，缓和及抑制不平路面所造成的冲击，保证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，工作条件恶劣。目前，汽车钢板弹簧主要由优质合金钢制成，占车体自重的5%～7%，而且存在生产工序多、设备占地面积大、能耗高等缺点。尤其是近年来石油价格飙涨、环境保护及安全舒适标准的提高，钢板弹簧已渐渐难以满足未来汽车行业的要求。

为解决这一问题，国内外研究人员围绕着板簧的材料与结构进行了大量的研究工作，并研制出了“以塑代钢”的复合材料板簧。与传统钢制板簧相比，复合材料板簧具有质量轻、弹性应变大、比应变能高、疲劳寿命长及“安全断裂性”好等特点。然而，由于材料与加工技术限制，复合材料板簧的研究进展缓慢，相关的理论及技术也相当贫乏。近年来，由于汽车向轻量化方向发展的呼声愈来愈高，复合材料板簧受到了汽车行业的广泛关注。

一、原材料和成型工艺

考虑到汽车用弹簧承载高、冲击大、疲劳循环次数高的工作特点，目前强度高、耐冲击、耐腐蚀的热固性树脂基纤维增强材料成为研究的首选。

原材料选择，在纤维增强塑料中，纤维是主要承力组分。它不仅能使材料显示出较高的拉伸强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度及低温冲击强度等。复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。目前复合材料板簧中的增强材料主要为E玻纤、S玻纤及碳纤维三种。考虑到材料使用温度范围、力学性能以及工艺适用性等因素，碳纤维的高模量导致过硬而不适合使用，研究人员在制作复合材料板簧时，多选用玻璃纤维作为增强材料。采用玻璃纤维和环氧树脂来制作复合材料板簧，以降低其总成本。

对于基体材料，根据汽车板簧的工作情况及受力要求，树脂基体应具有能长期在静载和动载下的承载能力（耐蠕变和抗疲劳性能）、吸收冲击性能（韧性）及一定的耐热性，且需价格合理。目前，制造复合材料板簧的热固性树脂基体主要由聚酯、乙烯基树脂和环氧树脂三类，其中环氧树脂因其具有良好的机械性能与层间剪切强度、较低的固化收缩率，且市场供应充足，研究人员多选择其作为复合材料板簧的基体材料。成型工艺，当前复合材料板簧的成型工艺方法有缠绕、模压、拉挤、ＲTM等工艺，这些板簧成型工艺方法各有特点。缠绕成型的特点是强度高、疲劳性能好、生产效率较高、工艺过程便于控制，但存在层间结合力不强、易劈裂等问题；拉挤法的特点是可以连续拉制各种形状的复合材料板簧；模压成型适合等宽形状板簧的制备，产品密实、表面光滑，工艺既可生产等截面也可生产变截面板簧。

结合上述研究情况可知，预浸料层压工艺适合制备等厚等宽的复合材料板簧，而当板簧为变宽变厚等截面结构时，宜采用纤维缠绕成型，由于板簧的两端与中间的宽度不同，为使纤维在各个不同截面均匀分布，缠绕成型时需要控制纱片的丝嘴作有规律的翻转，以使落纱平整。缠绕结束后辅之闭模加压工序以控制树脂含量并保持产品外表面光滑。这种方法自动化程度高，成型的复合材料板簧表面光滑，质地密实，性能稳定。由于板簧缠绕过程中张力需实时变化，且张力值及精度要求较高，目前市面上普通缠绕成型装置无法满足复合材料板簧纤维缠绕的要求，需要设计针对板簧的生产制造设备。普通缠绕机组的张力系统，无法实现精密控制以及张力数据的实时显示，而纤维张力控制恰巧是关键所在，关系到板簧产品内部的受力情况及铺展状态，影响到复合材料板簧的产品质量。普通缠绕机组张力控制系统多采用滚轮绕轴转动，与行走纤维纱束之间的摩擦力来实现，张力调节力度有限，无法实时准确控制纤维的张力数值，精度较低，误差较大。

二、结构设计及性能测试

结构设计对于归属承载件的复合材料板簧来说，非常重要。通常复合材料板簧的横截面可采用恒定厚度恒定宽度、恒定厚度变宽度以及变厚度变宽度3种形式。轻型车复合材料板簧的力学模型，根据层合板理论，计算出了副簧的危险应力和最大挠度，并以强度和刚度为约束，以质量最小为目标函数，通过有约束最小化优化方法，对复合材料副簧进行了优化设计，得到了最小质量下副簧的最佳尺寸，设计的板簧重量减少了74%，达到了轻量化的要求。利用ABAQUS有限元软件，对设计的某型号汽车复合材料板簧进行了有限元分析，计算了复合材料板簧的刚度系数和最大承载力，并对采用模压工艺制备的复合材料板簧样件进行了性能测试。复合材料板簧比钢板簧减重约63%。复合材料板簧应力更低，固有频率更高，不计吊耳时弹簧重量减轻了约75%。利用有限元分析软件分析了玻纤增强复合材料板簧的力学性能，通过和钢板簧的对比分析，显示出复合材料板簧具有很好的疲劳性能，能够满足减重、舒适性的需要。

使用遗传算法对复合板簧的设计进行了优化。最大应力在板簧的中部，最大拉应力为727.876MPa，而最大压应力为647.268MPa，板簧主体材料参数Z方向拉伸强度为1400MPa，压缩强度为960MPa，最大拉应力和压应力分别小于材料相应的强度值，最大拉应力为强度值的52%，最大压应力为强度值的67.4%。由此说明，经过适当的结构设计，可以使外弧面的压应力和内弧面的拉应力相对强度值的百分比保持在比较接近的程度上。以最大压应力与压缩强度的比值确定安全系数为1.48，可知即便在极限荷载的情况下，此结构的复合材料板簧仍能保持一定程度的安全性。

由于国内没有相应的复合材料板簧的静载及疲劳测试标准，板簧的性能测试多是参考钢板弹簧的测试标准进行试验。国内文献研究表明，板簧静载试验得到的刚度值与有限元计算结果相差在10%以内，对样件进行疲劳性能测试，经30万次试验后板簧未断裂，并且刚度无损失，复合材料板簧设计符合使用要求。利用有限元分析获得，复合材料板簧的重量减轻了68.15%，疲劳寿命可达到100万次，远大于钢板簧的20万次。

三、应用情况

国外研究应用复合材料板簧相对较早。20世纪80年代初期，美国通用工程部率先研制复合材料板簧，由于复合材料板簧有钢板弹簧难以取代的优点，美、英、德等国竞相开展研制，取得了不少研制成果。英国已进行批量生产，年产量为50万根。德国复合材料板簧日产量超过1000根，国内目前虽没有形成大规模商业化生产，但已初具规模，相信复合材料板簧的大量使用只是时间问题。就我国汽车钢板弹簧行业而言，每年消耗的弹簧钢材料在120万吨以上，如果将部分钢板簧替换为复合材料板簧，则可以节约社会资源，降低能源消耗、减少排放。国家“十二五”发展规划纲要提出，“新材料产业重点发展新型功能材料、先进结构材料、高性能纤维及其复合材料”，研究开发复合材料板簧，符合汽车轻量化的发展方向，对于优化我国汽车零部件产业的结构，促进汽车零部件行业的技术升级，推动我国汽车零部件产业整体的快速健康发展，具有重要意义。

由于我国超载现象相对普遍，超过设计载荷使用复合材料板簧可能会造成其提前损坏，因此提出建议预先设计承载能力更大的板簧，所谓“高能低标”，使其具有一定的超载能力，推荐在定载车上使用复合材料板簧，如:罐车，汽、液运输车，工程机械车，军用车辆以及其它不超载车辆等。