1、复 合 材 料 板 簧,北京玻璃钢研究设计院 北京中材汽车复合材料有限公司 2010年6月,国内外复合材料板簧的研究及应用状况 复合材料板簧应用实例 复合材料板簧应用的意义 复合材料板簧的技术发展概况,1、国内外复合材料板簧的研究及应用状况,由于塑料弹簧具有钢制弹簧难以取代的优点，因此美、英、日等国竞相开展研制，取得了不少研制成果，并已批量投入实际应用。它的发展大体经历了三个阶段。1970年以前为原理性实验探索阶段。在这一阶段，发表的应用理论分析文章和阶段性研制报告比较多。在此期间，由于适合于工程应用的热固性塑料尚处在早期发展阶段，工程塑料弹簧的研制遇到许多问题，如材料的耐温性差、硬度低不耐磨
2、、价格高、难以制成广泛的螺旋弹簧，加之设计程序，加工设备和工艺参数都遇到一些有待解决的新问题，因而延缓了塑料弹簧向实际应用的进程。,1、国内外复合材料板簧的研究及应用状况,1980年以前为实用化研制阶段。在这一阶段，由于塑料工业的发展，耐温、耐磨和价格合理的纤维增强塑料（FRP=Fiberglass Reinforced Plastics）研制成功，加之汽车设计向小型化和轻型化方向发展，特别是石油危机以来，为了减轻汽车配件重量，节约燃料，汽车厂商积极开展塑料板簧的研制，促进了塑料弹簧向实际应用的发展。在这一阶段的突出研制成果是FRP板簧在美国投入实际应用。,1、国内外复合材料板簧的研究及应用状
3、况,1980年至今为实际应用稳定发展阶段。继美国之后，英国纳铁福复合公司（GKN COMPosites）在Telford新厂内建成了年产五十万套FRP板簧生产线，1985年已开始大量生产，在西欧居于领先地位。八十年代末，复合材料板簧在美国也正式投入商业化生产，广泛应用于重型卡车和牵引车上，重量仅为钢材板簧的1/3；复合材料弹簧投入实际应用的数量和范围都在稳步发展。,、复合材料板簧应用实例,复合材料板簧已经在全球诸多汽车厂商得到大量应用，如通用、福特、 戴姆勒克莱斯勒、 依维柯 、康沃斯、 彼得比尔特、国际卡车公司等。,、复合材料板簧应用实例,重型罐车的应用,、复合材料板簧应用实例,重型卡车上的
4、应用,、复合材料板簧应用实例,后驱轿车上的应用,轿跑车上的应用 后轴横置,后轴顺置,跃野车上的应用,、复合材料板簧应用实例,前轴横置单簧,、复合材料板簧应用实例,、复合材料板簧应用实例,火车上的应用,火车上的应用,、复合材料板簧应用实例,、复合材料板簧应用的意义,减轻汽车重量对汽车的发展具有特殊重要的意义。减轻汽车自重，不仅可以减少原材料的消耗，降低汽车的成本，还可以显著降低汽车能源消耗量，减少有害气体的排放，提高汽车的动力性能。研究表明，汽车质量每减小10，可降低68的油耗。据相关资料，汽车质量每减小50kg，则每升燃油行驶的距离可增加1km；若质量减小 10，则燃油经济性可提高5.5左右。
5、减轻车辆自重，实现轻量化设计已成为当今汽车发展的趋势之一。,、复合材料板簧应用的意义,采用复合材料板簧，与传统的金属板簧相比，最明显的优势就是减重效应，由于复合材料的可设计性强且密度小，同等性能的替代产品一般可减重均在50以上。通过选用不同材料及优化设计，减重比例甚至可以达到70以上，这也是目前其它部件优化过程中非常少见的减重优势。,、复合材料板簧应用的意义,FRP板簧与钢制板簧相比较，具有如下优点：（1）容易制作成变厚度截面的板簧，材料利用合理且减轻了重量。某载重汽车的FRP板簧比等效钢制板簧减轻50%，比等效多叶钢制板簧减轻65%。具体如：在某轻型汽车上减轻了25公斤。在某38吨绞车上减轻
6、达500公斤。 （2）“安全断裂”提高了可靠性。汽车严重超载时，FRP板簧沿长度方向分层开裂，虽然结构基本破坏，刚度大大降低，但仍可使车轴基本保持原位，可使空载汽车能安全开到修理厂。 （3） 疲劳寿命高。超过钢制多叶板簧约2-10倍。,、复合材料板簧应用的意义,（4） 全寿命费用（Cycle life Cost）合理。FRP板簧与高档次钢质板簧相比成本较低加上重量轻，节约燃料和维修方便等原因使车辆使用费用更加降低。 （5） 部件简化，重量轻，拆装操作更简便容易。 （6） 相同荷载能力下，复合材料板簧的弹性行程可以设计得更大（可设计性），舒适性更好。（）因材料自身阻尼较大，所以各种工况下其产生的
7、噪音均较小。减少了对环境的污染，改善了人机环境。 鉴于以上原因，可以说精密的FRP板簧应用前景非常好。,、复合材料板簧的技术发展概况,现在，复合材料弹簧主要使用热固性塑料，特别是热固性纤维增强塑料，也有使用热塑性塑料的，但数量不多。 从使用角度考虑，对弹簧材料性能的主要要求是：（1）变形能V值要大（即弹簧模量E值要小）。（2）强度，特别是疲劳强度要大，寿命长。（3）容易加工成型。用于制作弹簧的热固性和热塑复合材料性能均满足以上要求，目前的复合材料板簧的承载能力可达每轴10吨以上。,、复合材料板簧的技术发展概况,关于变形能 热固性纤维增强塑料的V值比一般金属都大，可与弹簧钢相比 关于复合材料的强
8、度和疲劳强度 以环氧树脂为胶粘剂的热固性塑料为例，其抗拉强度可在400-1000MPa间按要求设计。一般的玻璃纤维增强环氧（GFRP）的疲劳寿命均达50万次以上，而碳纤维增强环氧（CFRP）的疲劳寿命更可达100万次以上。,、复合材料板簧的技术发展概况,加工工艺性 热固性复合材料板簧产品可以实现一次成型，其成型工艺性和钢近似。 热塑性的工艺性好，容易成形，生产率也高，但机械性能不如热固性塑料。 纤维增强复合材料同时还具有重量轻（比重为1.02.0）、耐腐蚀、电绝缘性好和容易着色等先天优点。设计者可根据需要，全面权衡，恰当选用和设计。,设计要点：（1）弹性模量；（2）工作环境温度；（3）载荷作用
9、时间；（4）变形量对E值的影响。复合材料板簧的三种设计形式：（1）恒宽，变厚的设计。（2）恒厚，变宽的设计。（3）恒定的交叉设计（变宽和变厚而导致的恒定交叉设计）,、复合材料板簧的技术发展概况,不同形状的板簧，交叉设计目前应用最多。,、复合材料板簧的技术发展概况,蛇形弹簧,螺旋弹簧,其它形状的复合材料车用弹簧,、复合材料板簧的技术发展概况,、复合材料板簧的技术发展概况,复合材料板簧的成型工艺（1） 缠绕工艺是由连续纤维束和基体材料组成的，其中放置纤维束的转动轴引导纤维沿着轴的方向向前和向后以便于实现所需要的缠绕角度，纤维的方向是沿着板簧的长度方向的。缠绕工艺在成型恒定厚度的板簧是非常容易的 ，
10、为了实现所需的纤维含量，材料性能和尺寸控制，必须在加热加压的情况下进行固化。,复合材料板簧的成型工艺（2）拉挤工艺是通过拉出连续树脂浸渍纤维，通过陶瓷连接去生产一个给定的交叉区域，可以通过R.F.加热快速固化，拉挤工艺可以生产直的，连续的区域，但是只要纤维含量是恒定的，如果应用合适的工具可以生产出形状或弧度变化的板簧，因此当产品脱离结合区后后固化程度达到90%时，重新塑型的改变量就会很小。,、复合材料板簧的技术发展概况,板簧的成型工艺（3）层压工艺是在一个加热的合模的金属模具中进行预浸渍料的模压过程。这个过程需要将预浸渍料切成专用形状并放进模具中进行加温加压成型。形状可以用多片预混料组成的预片
11、板预设定切割和叠放实现，,、复合材料板簧的技术发展概况,、复合材料板簧的技术发展概况,动态特性 疲劳寿命是衡量弹簧动态特性的重要指标。实践证明，FRP板簧的疲劳寿命比钢制板簧好。英国GKN公司在液压伺服试验台上对FRP板簧做多向加载（模拟汽车在实际运行中的垂直力、倾翻力和纵向力）疲劳试验。根据汽车制造厂的规定，该车使用的钢制板簧以最大动行程的70%做台架疲劳试验，应能承受2106作用次数。GKN公司宣布，该公司生产的FRP板簧可承受107作用次数的疲劳试验。 环境试验 GKN公司生产的FRP板簧能经受车辆行驶中所受到的全部腐蚀，如油、蓄电池酸液和盐水。只有焊接火焰、电孤焊飞溅火星如长时间接触，对其会稍有影响。,板簧检测,应力实验,疲劳实验,无损检测,复合材料板簧材料基本性能参数：,、复合材料板簧的技术发展概况,应用案例,我公司目前承接了IVECO某车型板簧配件的研制工作，已经完成样件生产和部分性能的评价工作。,动态数据存在小幅波动，属正常现象。,谢 谢2010年6月,
