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汽车中不同材料的弹簧,有什么不同的应用。

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钢板弹簧和玻璃纤维增强塑料弹簧的不同的优势
玻璃纤维增强塑料弹簧
玻璃纤维增强塑料(GFRP)板簧展对于汽车节能、环保以及安全性方面的重要意义;从理论上说明GFRP板簧替代钢板弹簧将使悬架弹性元件大幅减重成为可能;以典型板簧布置模型为例,阐述GFRP板簧对比传统钢制弹簧在空间布置上的优势。
汽车工业是我国国民经济的重要支柱产业在中国共产党第十六届中央委员会第五次会议中首次将建设资源节约型和环境友好型社会确定为国民经济与社会发展中长期规划的一项战略任务。根据国务院2012年颁发的《节能与新能源气车产业发展规划(2012-2020年)》,到2020年,车企平均油耗必须降低到5L/100km。据数据统计,传统燃油汽车重量毎減少10%就能节油3%到4%,以69L/00km计算,油耗能够下降0.2L~0.3L二氧化碳排放降低460g~690g。
以应用实例表明复合材料板簧疲劳寿命高于传统钢板弹簧;并探讨悬架板簧应用GFRP的可能性及注意事项。
根据40km/h匀速行驶电动汽车计算车重降低10%其续航里程可增加约5%~6%。可见实现汽车轻量化是节省能源最有效的途径之一。
玻璃纤维增强塑料是各向异性的非匀质材料,具有重量轻、弹性模量低、疲劳强度大等特点,这些特点使其成为替代钢制板簧的理想材料。由于树脂板簧相对传统钢制板簧独有的特点,国外公司已经取得了不少研制成果并已进行批量投产。英国GKN批量生产的GFRP板簧年产量为50万根。德国IFC年产量超过40万根GFRP板簧,为大众Crafter和奔驰Sprinter供货。美国DELPHI也曾经进行过此种板簧的开发。在国内,各研究院所也进行了相应的研究,目前已有国内厂商在轻量化商用车上完成量产装车,在乘用车上的应用也已得到验证。

塑料弹簧中的工艺是什么呢?目前,塑料弹簧主要使用热固性纤维增强塑料,GFRP板簧成型工艺主要有模压法、纤维缠绕法和拉挤法。材料中,玻璃纤维主要起承载作用,基体环氧树脂将外力传递给玻璃纤维,同时保证纤维的稳定性,防止其出现屈曲等失稳现象。
塑料弹簧相对于钢板弹簧的特性在于以GFRP替代钢制板簧,不同尺寸的板簧的重量降低一般在40%~80%之间,可以满足汽车轻量化要求。以下公式是板簧比应变能的关系式:

而对于安全性来说,汽车严重超载时,GFRP板簧沿长度方向分层开裂,虽然降低了刚度,但仍可使车轴位置保持不变,汽车可以安全地开到修理厂,从而避免了钢板弹簧突然断裂产生的驾乘风险。

GFRP弹簧分成断裂图

疲芳寿命是衡量弹簧动态特性的重要指标。以环氧树脂为胶粘剂的热固性塑料的抗拉强度σb很容易超过400N/mm2。一般GFRP材料的疲劳强度之比0.25~0.35。传统钢板弹董的疲劳寿命约为8万~20万次而复合材料叶片弹簧的疲芳寿命可达到50万次,是普通钢板弹簧的两倍以上大大降低用户的使用和维护成本。 

在噪音方面,塑料增强弹簧有着更大的优势。

由于钢板弹簧需要迸行热处理工艺单片厚度受到淬透性限制在采用少片及多片钢板弹簧时,片间存在库伦阻尼而这种阻尼随着负荷和振幅的増大而増大。导致钢板弹簧动刚度増大,同时由于存在片间摩擦,将产生噪声等问题。GFRP板簧工艺无需热处理,多采用单片设计,可避免由于片间摩擦产生的噪音。且GFRP板簧在形变过程中内部自带阻尼特性可显著改善悬架的舒适度。

但在磨损性方面,则需要格外注意。

GFRP属于易磨损材料,环氧树脂基体固化玻璃纤维温度为140℃,摩擦使材料温度上升,容易使GFRP迅速损伤,对磨接触材料多为橡胶件。由于此种材料耐磨性不强,在按照传统少片及多片板簧形式设计时,需格外注意片间摩擦及片间防砂石处理。

  GFRP板簧采用树脂基体,硬度比弹簧钢低很多。树脂基体的强度破坏在常温下是突然产生的脆性破坏且他们的拉伸强度、压缩强度都比较低。因此复合材料板簧经受不住与坚硬物质的碰撞。所以,在安装GFRP板簧时应注意局部压力不要过大以免压断纤维进而使弹簧失效同时需防止砂石撞击GFRP板簧,可以增加抗撞击涂层等工艺手段。

钢板弹簧疲劳试验频率多在1-3Hz,且弹簧钢作为匀质性材料,疲劳寿命与试验频率关联很小。但GFRP板簧由玻璃纤维及环氧树脂固化而成,由于层间摩擦或玻璃纤维与基体之间的蠕动将会产生热量,引发效能下降,进而导致疲劳断裂。试验频率对GFRP疲劳寿命的影响有待进一步验证。

那么钢板材料弹簧又有什么样的特性呢。

1、无论汽车板簧以什么形式装在汽车上,它都是以梁的方式在工作,也就是说它的主要受力方向垂直于钢板弹簧长度。同时,由于受变形相对其长度很小,因此可以利用材料力学中有关小挠度梁的理论,即线性原理来进行分析计算。 

2、汽车板簧装在汽车上所承受的弯矩,基本上是单向载荷,因而其弯曲应力也是单向应力。

3、可靠性好、结构简单、制造工艺流程短、成本低而且结构能大大简化

可以总结以下结论

(1)复合材料板簧替代钢板弹簧,可以大幅的减轻弹簧重量,实现汽车轻量化

(2)复合材料板簧替代钢弹簧可减少弹簧本身的空间占 用有利于整车布置增加装载空间

(3)复合材料板簧疲劳寿命较钢板弹簧高,且断裂形态 安全使得整车行驶安全性提高

(4)复合材料板簧存在耐磨性、抗压性差等缺点使用 时应予以注意保护。

(5)现有技术条件下开发适于安装复合材料板簧的悬架结构,使得复合材料板簧替代板弹簧成为可能。其中,σ表示强度表示材料的弹性模量(当GFRP玻璃纤维质量分数为70%时弹性模量约为42000MPa)。通过上式很容易看出拥有较低模量的GFRP的比应变能能力更强

(6)传统钢板弹簧的制造工艺流程短,成本低,是暂时没办法取代的,但给与汽车重量要求的压力也是毋庸置疑的。

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首次发布时间:2020-07-18
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