复合材料板簧在汽车轻量化方面的应用

在“一带一路”倡议的鼓励下，我国工业增加值占全国GDP的比例大幅增加，促进了汽车工业的蓬勃发展。随着我国汽车保有量的增加，石油对外依存度大幅提高。据公安部统计，2021年全国机动车保有量达3.95亿辆，其中汽车3.02亿辆；新能源汽车保有量达784万辆，占汽车总量的2.60%，扣除报废注销量比2020年增加292万辆，增长59.25%。汽车行业的迅速发展为复合材料板簧的广泛应用提供了有力的保障。

目前，高强度钢铝镁合金广泛应用于商用车，使得轻量化的空间非常有限。复合材料也用于商用车非承重结构（如导流板等），但复合材料很少用于国内商用车承重结构（如板簧、车架等）。主要原因之一是其载荷强、结构复杂、技术困难和风险大。为了实现国内商用车突破性的轻量化效果，必须加强负载品中密度轻、强度高的复合材料的应用。复合钢板弹簧与其他运载部件相比，对减少汽车质量有明显效果，目前已成为国内商用车轻量化研究的热门产品。

近年来，我国已成为世界最大的石油进口国。据我国石油经济技术研究院发布的《2019年国内外油气行业发展报告》数据显示，2019年我国原油净进口首次超过5亿t，原油对外依存度首次超过70%。从2004年的40%到2010年首次突破了50%的国际警戒线，从2016年的60%到2019年的70%，我国石油的对外依存度不断突破。据国家统计局，2020年1—7月，我国进口原油3.2亿t，同比增长12.1%。资料显示，我国矿石资源对进口石油资源的依赖程度很高。因此，我国需要解决石油危机，减少对石油等矿石能源的依赖，复合钢板弹簧在汽车轻量化方面的应用有助于更好地解决能源依赖问题。

钢板弹簧主要由多片宽厚相等但长短不一的弹性钢片组成。采用悬架技术将车架和车桥相连，以承受轮胎对车架产生的冲击力，同时具有缓冲减振的功能，保证汽车行驶平稳性的同时提升驾驶者的舒适度。

钢板弹簧主要分为多片簧及少片簧两大类。多片簧是将多片直径相同，但长短不同的钢材叠加一起，将多片钢板弹簧的各片钢材叠加成倒三角形状，最上端的钢材最长，最下端的钢材最短，钢材的片数和客车的载荷有关，因此钢材片越多、厚度越大，弹簧刚性也越大。不过，当钢板弹簧工作时间久了之后，各片之间还会相互滑动摩擦引起巨大噪声，而钢片之间的相对磨损也会造成弹簧产生扭曲，导致机器运转不顺畅。少片簧则是将两头薄中间厚的钢材叠加在一起。由于少片钢板弹簧的钢材断面长度变化较大，从中部到两头的断面宽度也会逐渐变化，因此轧压过程就比较复杂，价钱也比多片簧高。在同样刚性的情况下，少片簧较多片簧轻50%左右，从而降低了相对磨损和振动，也提高了使用安全性。

钢板弹簧通常安装在车辆悬架内部，当车桥与车架之间互为依靠时，当钢板弹簧接受的垂直负荷为正向时，各弹簧均因受力情况而变化，有向上拱弯的趋势。当车桥和车架之间彼此脱离时，钢板弹簧承担的方向垂直负荷和变化便逐步减少。

主片卷耳受力最强，比较容易损坏。为改变主片卷耳的受力状况，常把第2片末端弯成小卷耳，包在主片卷耳的最外侧，叫做包耳。为了在弹性变化时各片之间有相应滑动的机会，可以在主片卷耳和第2片包耳间留出很大的空间。但有时在钢板簧片两端也不做卷耳，而是使用另外的支承连接方法，如橡胶支承垫。

钢板弹簧的好处是构造简单，运行安全可靠，成本便宜，维护简单。它既是悬挂的弹力部件，也是悬挂的导向装置。一端与底盘铰接，能够传输各类动力与扭矩，同时具有摩擦减振的功能，因此被广泛用于非独立悬挂上。不足之处是一般作为非独立悬架，自身质量较大，刚性大，舒适度较差，且纵向宽度过大，不利于减少车辆的前悬和后悬间距，易于与车架连接的钢管弹簧销磨损等。

板簧作为轻型商用车的主要承载部件，市场需求量巨大。如果能够攻克复合材料板簧设计及工艺等产品瓶颈，其将有巨大的市场潜力及销售利润，同时也可减少能源冶炼及钢板弹簧制造业对环境产生的污染，实现绿色制造，助力“双碳”目标。

自20世纪70年代初起，美国、英国和德国相继研制出了复合材料板簧，就其原料、构造、成形技术和工艺等方面展开了研究，并将复合材料板簧成功地运用在了客车和轿车上。20世纪80年代末，美国将复合钢板弹簧投入商品化生产，并广泛应用在牵引车上；德国的IFCComposite公司推出了一种新型板簧来取代在奔驰、凌特和大众汽车的传统钢板弹簧。而这种新型复合材料板簧和普通钢板弹簧相较，整体质量可以减小40%～50%，疲劳寿命可以达到20万次以上，远高于普通钢板弹簧的16万次。Mubea公司玻璃钢板簧荣获2020年Altair启蒙奖，如图1所示。

目前在国内，虽有院校对其进行深入探究，但由于技术落后、结构创新性不足等，无法完全掌握复合材料板簧的设计技术。现阶段仅北汽福田轻卡进行小批量产品应用，一汽、东风、江淮等主流车厂均进行了产品和技术储备，部分通过了样件制作、台架试验及整车试验阶段。

复合材料板簧在现代轿车轻量化发展中的运用，就是利用该类板簧高强度、质量小、成型快等优点优化了轿车悬挂系统结构，并最终达到减小轿车整体质量的目的。

相比于传统钢板弹簧，复合材料板簧的弹性较高，吸震力强，振动阻尼高，能在车辆行驶中有效利用自身特性，改善车辆舒适度和平顺性，减少颠簸感；另外，该种钢板弹簧的主体材质是玻璃纤维类复合材料，抗疲劳特性较强，疲劳寿命是一般钢板弹簧的2倍以上；复合材料板簧中还含有较多的独立玻璃纤维，单根玻璃纤维破裂后对车辆所造成的负荷能够自由转移至其他玻璃纤维中，以防止破坏悬架构件的承载能力。

复合材料产物是指由2种或2种以上截然不同特性的物质，根据某种综合方法所组成的结合物质。复合材料中的连续相称为主体物质，其分散相称为强化物质。基质的主要功能是支撑强化材料，并避免强化材料磨损和侵蚀，而强化材料则以相对独立的形式均匀分布在基质中。复合材料的应用目的是在符合结构的强度、刚度和稳定性等条件下尽量地降低结构成本，所使用的复合物应当达到对结构的寿命要求并保证货源充足，易于搬运、贮存，常用的增强材料主要为E-玻璃纤维、S-玻璃纤维和碳玻璃纤维，而生产复合材料板簧用的热固性树脂基体则主要由聚酯纤维、乙烯基树脂和环氧树脂等组成，可综合考虑价格、性能、优势确定更好材料及材料配比方案，以此保证高性价比复合材料板簧的诞生。

复合材料板簧开发过程非常复杂，其生产工序主要分为缠绕建模成型、高压环氧树脂传递建模成型、SMC拉挤成型等工序。其中，缠绕建模成型工序是将玻璃纤维复合材料预浸后，将其缠绕在模具上，然后再经过合模、凝固等加工方法，形成复合材料板簧；高压环氧树脂传递建模成型指使用高压将环氧树脂按对冲风险比例混合，并灌注在事先铺有玻璃纤维增强材料和预置嵌件的真空密闭模具里，经树脂流动充模、浸渍、固化和脱模，从而得到复合材料制品的成型工艺；SMC拉挤成型工序则是以牵引力为主要作用力，通过模具固化浸渍后的玻璃纤维带、纤维织物，以连续制造断面形式不同的复合材料板簧。编织成型的优点是硬度较高、疲劳特性好、制造效率较高、工艺简单易于管理，但面临着结合力不强、容易劈裂等主要问题；拉挤法的优点是能够连续性拉制不同尺寸的复合材料板簧，但对于连续制造变截面结构钢板弹簧仍具有一定的技术难度，且制造成本较大；而RTM工艺既可制造中等直径宽度又能制造大变截面结构钢板弹簧，还可以进行金属嵌件式操作，但其存在纤维铺层有变形、操作环境差、环保不易达标等问题。模压成型可满足目前等大不同直径形状叶片弹簧的生产，其制品紧密、外表光洁，方便后期的工业化生产。