陳天武，黃昌文，黃 喬

（1.安慶安簧汽車(chē)零部件有限公司，安徽 安慶 246005；2.中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)，湖北 武漢 430060）

汽車(chē)技術(shù)正向的“輕量化、電動(dòng)化、智能化、共享化”方向發(fā)展，歐洲研究數(shù)據(jù)表明，若汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，排放降低5%～6%；從絕對(duì)量來(lái)說(shuō)，汽車(chē)重量每降低100kg，每百公里可節(jié)約0.6L燃油，二氧化碳排放可減少約10g/km。材料輕量化又是汽車(chē)輕量化路徑中的一個(gè)重要組成部分，常用輕量化材料有鋁合金、高強(qiáng)度鋼、纖維增強(qiáng)塑料（簡(jiǎn)稱(chēng)FRP）等。

鋼板彈簧是商用汽車(chē)懸架的重要彈性元件，承受和傳遞車(chē)架與車(chē)橋之間的載荷，緩和路面對(duì)車(chē)身所造成的沖擊，影響汽車(chē)行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性。傳統(tǒng)鋼板彈簧由60Si2Mn、50CrVA等優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，占商用車(chē)自重的5～7%，可見(jiàn)板簧輕量化對(duì)整車(chē)輕量化意義重大。在汽車(chē)輕量化技術(shù)背景下，商用汽車(chē)板簧正向變截面、高應(yīng)力及復(fù)合材料等方向快速發(fā)展。

1 鋼板彈簧技術(shù)發(fā)展

變截面少片簧取代傳統(tǒng)多片簧，是現(xiàn)階段商用車(chē)優(yōu)先配套方案。用50CrVA等材料制造的變截面少片簧取代傳等截面多片簧，重量可減輕20%左右，通過(guò)軋制等自動(dòng)化加工及中頻加熱等節(jié)能技術(shù)應(yīng)用，產(chǎn)品可靠性大幅提升，制造成本略高于傳統(tǒng)多片簧，性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯，是現(xiàn)階段商用車(chē)主流配套方案。

采用抗拉強(qiáng)度達(dá)到1800MPa的高強(qiáng)度鋼新材料，生產(chǎn)的高應(yīng)力鋼板彈簧是高端配置方案。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)力水平達(dá)到1200MPa以上，與傳統(tǒng)多片簧相比，高應(yīng)力少片簧減輕量30%左右、燃油消耗降低約0.5%、懸架系統(tǒng)頻率降低12%左右，同時(shí)提高整車(chē)平順性和舒適性。

鋼板彈簧制造的新工藝為：①變截面少片簧軋制及自動(dòng)加工技術(shù)。簧片一次加熱，實(shí)現(xiàn)除鱗、軋制、校直、切頭、沖大孔、切邊、打彎、卷耳等多工序連續(xù)自動(dòng)加工，生產(chǎn)人員減少60%，能源成本下降30%，材料節(jié)省20%，節(jié)能減排效果明顯。②高應(yīng)力少片簧的噴丸強(qiáng)化工藝。研究表明，自由拋丸可以提高簧片的疲勞壽命1.66～2倍，而應(yīng)力狀態(tài)噴丸可提高疲勞壽命2～7倍。高應(yīng)力鋼板彈簧采用“自由+應(yīng)力”的兩次噴丸工藝，先進(jìn)行自由噴丸，清理簧片表面的氧化皮并形成較淺的硬化層；然后再進(jìn)行應(yīng)力噴丸，預(yù)加800MPa～1200MPa的拉應(yīng)力，使簧片受拉面形成更加致密的硬化層，從而提高簧片的疲勞壽命。

安慶安簧汽車(chē)零部件有限公司與國(guó)內(nèi)鋼廠聯(lián)合開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)度彈簧鋼σs≥1800 MPa，高應(yīng)力板簧已在IVECO、JAC高端客車(chē)、輕卡上成功批量應(yīng)用；牽頭起草安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)《高應(yīng)力鋼板彈簧總成技術(shù)條件》DB34/T 3076-2018。

2 復(fù)合材料板簧

復(fù)合材料板簧的增強(qiáng)材料主要是玻璃纖維，也有碳纖維，基體材料為環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯等材料。因此，把復(fù)合材料板簧稱(chēng)之為FRP復(fù)合材料板簧更為科學(xué)。

復(fù)合材料板簧的特點(diǎn)：①質(zhì)量輕，僅鋼板彈簧質(zhì)量的20%左右，對(duì)減輕構(gòu)件重量效果顯著；②良好的耐疲勞性能，是鋼板彈簧的4～10倍；③比強(qiáng)度和比模量高。復(fù)合材料板簧比彈性能是鋼板彈簧的5倍以上，舒適性大大提高；④安全斷裂性。復(fù)合材料基體中含有大量獨(dú)立的纖維，當(dāng)有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配到未破壞的纖維上，在短期內(nèi)不至于使整個(gè)構(gòu)件失去承載能力。⑤復(fù)合材料有好的阻尼減震性；⑥良好的耐腐蝕性能；⑦部件簡(jiǎn)化，拆裝更方便。

復(fù)合材料板簧的缺點(diǎn)：①許用剪切應(yīng)力很小。一般在50MPa左右，受到大沖擊很容易失效斷裂，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮給一定安全系數(shù)；②高溫環(huán)境下樹(shù)脂老化，影響復(fù)合材料板簧性能，一般工作環(huán)境溫度在-40～80℃。

復(fù)合材料板簧技術(shù)研究情況：①在國(guó)外復(fù)合材料板簧技術(shù)研究相對(duì)成熟，在歐美汽車(chē)廠商在上世紀(jì)八十年代已廣泛應(yīng)用，如通用、福特、戴姆斯克萊斯勒、依維柯、康沃斯等。②國(guó)內(nèi)復(fù)合材料板簧技術(shù)研究起步較晚，但發(fā)展速度很快，目前大多不具備商業(yè)化生產(chǎn)。隨著新能源汽車(chē)高速發(fā)展和復(fù)合材料板簧成型技術(shù)逐漸成熟，國(guó)內(nèi)主要汽車(chē)公司推出復(fù)合材料板簧替代鋼板彈簧輕量化應(yīng)用項(xiàng)目計(jì)劃，同時(shí)涌現(xiàn)一批復(fù)合材料板簧開(kāi)發(fā)應(yīng)用的企業(yè)。

圖1 HP-RTM工藝流程

復(fù)合材料板簧主要成型技術(shù)：①纖維纏繞成型法（Filament Winding），現(xiàn)行 FRP 板簧的制造，不少采用連續(xù)纖維纏繞法，增強(qiáng)纖維在預(yù)浸池內(nèi)預(yù)浸后，控制纖維的張力，用纏繞機(jī)纏繞到模具上，然后再經(jīng)過(guò)合模、加壓、固化、脫模等工序成型。纖維纏繞成型法只能小批量生產(chǎn)，制造成本高。②模壓成型法(Compression Molding)，是將纖維布切割成一定形狀，預(yù)浸樹(shù)脂后放入模具內(nèi)，經(jīng)過(guò)加壓、加熱固化成型。模壓成型工藝，模具制造較為復(fù)雜，也不適合大批量生產(chǎn)；成型時(shí)空氣不能徹底排出，纖維層與層之間結(jié)合不均衡，復(fù)合材料板簧使用容易出現(xiàn)“脫絲”現(xiàn)象。③高壓樹(shù)脂傳遞模塑成型(HP-RTM)工藝（圖1），代表復(fù)合材料板簧成型技術(shù)發(fā)展方向，能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)，不足是設(shè)備投資較大。高溫高壓成型工藝，使復(fù)合材料中纖維和基體之間的微觀界面充分結(jié)合，大幅提高FRP復(fù)合材料板簧的性能。

安慶安簧汽車(chē)零部件有限公司采用HP-RTM工藝開(kāi)發(fā)的E玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料板簧N64A樣品（圖2），產(chǎn)品質(zhì)量減輕70%以上；按GB/T19844-2005鋼板彈簧標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架壽命達(dá)50萬(wàn)次，是同型號(hào)鋼板彈簧（圖3）的5倍以上。主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

圖2 N64A復(fù)合材料板簧

圖3 N64A鋼板彈簧

表1 兩種彈簧技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品輕量化、生產(chǎn)自動(dòng)化、工廠綠色化是汽車(chē)零部件行業(yè)共同的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。汽車(chē)鋼板彈簧作為商用汽車(chē)懸架主要配置方案將長(zhǎng)期存在，傳統(tǒng)多片簧將被輕量化優(yōu)勢(shì)的變截面少片簧、高應(yīng)力板簧快速替代，復(fù)合材料板簧是商用車(chē)懸架新的發(fā)展方向。