对汽车复合材料板簧的制备与研究可以轻松又有效的实现汽车轻量化

  

  随着汽车轻量化发展的新趋势的不断推进，对于汽车各部件的轻量化发展的关注度逐渐提升。汽车零部件的轻量化成为一个重要的研究课题。

  特别是在汽车悬挂系统中，弹性元件钢板簧因占据汽车总重的较大比重，其轻量化显得很重要。

  为了实现轻量化目标，玻璃纤维和环氧树脂等复合材料被制成板管，用于取代重卡、轻卡、客车等车辆中的钢板簧。

  对于传统的货车和客车而言，采用复合材料板簧不但可以改善车辆的运行特性，还能有效减轻重量，降低能源消耗，提高乘坐舒适度。

  综合考虑到诸多因素，如材料的使用温度范围、力学性能、结构应用以及工艺性等，特别是考虑到碳纤维的高模量使其过于坚硬，难以适用于某些情景，在制作单片厚管时，更倾向于选用玻璃纤维作为增强材料。

  在研究中，采用了E-玻璃纤维作为主要的增强材料，其在起到承载作用时，具有一定的柔韧性，能够更好地适应实际应力情况。

  板簧在受到外力作用时，通过基体将这些外力传递给纤维。纤维与纤维之间的界面剪切力则由基体来承担。

  在整个制备过程中，纤维必须始终保持伸直的状态，以确保其能够发挥出最大的承载功能。因此选择使用E-玻璃纤维作为增强材料，以在力学性能和适应性方面取得平衡。

  选择适合的E-玻璃纤维作为增强材料，能够在制备单片厚管的过程中兼顾轻量化和结构的合理性，以满足汽车零部件的性能要求。

  在选择基体材料时，主要考虑了其在工作过程中长期受到反复力作用的情况。因此基体材料需要具备优异的耐疲劳性能，能够在持续的应力循环下保持稳定的性能。

  同时也考虑到基体材料需要具有一定的韧性，以便在受到外部冲击或振动时能够吸收部分能量，从而降低破裂的风险。

  并且要着重关注基体材料的毒性和刺激性，确保其不会对环境和操作人员产生负面影响。

  价格合理也是选择基体材料时需要考虑的因素之一，以确保成本可控。经过一系列反复的试验和筛选，最终选择了高温固化的环氧树脂作为基体材料。

  这种材料具有优异的耐疲劳性能，能够在长期的工作过程中保持稳定性能。环氧树脂还具有良好的耐腐蚀性能，能够抵御恶劣环境的影响。其具备一定的韧性，有助于在受力情况下吸收冲击能量，降低断裂风险。

  环氧树脂的毒性和刺激性较低，不会对环境和人体健康造成不良影响。而且环氧树脂的价格也相对合理，符合成本控制要求。

  经过全面考虑和试验，选择了高温固化的环氧树脂作为基体材料，以确保在制备过程中能够满足板簧的性能需求和实际应用要求。

  采用E-玻璃纤维增强环氧树脂，通过纤维缠绕的方式制备了单向板，并对其进行了力学性能测试，以验证玻璃纤维与环氧树脂的性能以及板管制备工艺的合理性。以下表格呈现了单向板在各项力学性能方面的数据。

  通过对表格数据的详细分析，可以明显观察到E-玻璃纤维增强环氧树脂复合材料高温配方在力学性能方面具备显著优势。这些性能数据基本符合制备复合材料板簧所需的材料性能指标，特别是抗拉强度、弯曲强度和剪切强度等方面。

  经过综合考虑确认C配方非常适合用于制造复合材料板管，这将有助于满足板簧在汽车悬挂系统中的轻量化和性能要求。

  目前制备复合材料板簧的方法包括纤维缠绕、模压成型、RTM等工艺，但是这些方法各自存在一定的问题。例如缠绕工艺虽然生产效率较高，但存在层间结合力不强、易劈裂等问题。针对这些问题，增加环向的玻璃纤维能改善层间结合情况。

  为了克服这些工艺的不足，采用了纤维缠绕/手糊成型的方法来制备变宽变厚等截面积的复合材料板管。

  通过将玻璃纤维纱与玻璃纤维布预浸料相结合的增强材料，形成非单向缠绕结构，从而使板簧在不同方向具备比较好的强度，提高了综合性能。下图展示了该工艺流程路线。

  复合材料板簧的模具模芯形状设计为一种回转体结构，由两个与板簧内弧面结构相等的中心轴对称弧面以及两端圆弧面组成。制备过程中，预浸渍树脂的纤维被缠绕在模具上，并经过高温固化。然后通过切割成所需的形状并安装配件，最终制成复合材料板簧。

  通过这一创新的制备方法，能够克服传统工艺存在的问题，提高复合材料板簧的性能和质量，为汽车悬挂系统的应用提供更可靠和高效的解决方案。

  在温度为60°C的环境下，首先对纤维进行烘干，以确保纤维的干燥状态。随后将模具稳固地固定在缠绕机上，并在模具的成型面上均匀涂抹一层树脂。

  将预浸过的平纹玻璃纤维布手工粘贴在树脂涂层上，确保纤维均匀且覆盖至合模的表面，以备缠绕完成后外层纤维层的包覆。

  然后从树脂预浸渍处理的纤维中铺设一层经过浸渍的纤维，以缠绕的方式将其排列在模具的型腔内。在缠绕的过程中，通过缠绕机的设定，输入缠绕线速度、张力、圈数等参数。

  模具以一定的恒定线速度旋转，同时通过张力控制装置控制纤维的张力，以确保纤维的逐层缠绕并使纤维张力逐渐减小，以避免外层纤维对内层的压力，防止树脂流失降低产品的树脂含量，进而影响产品的力学性能。导纱器的协助使纤维从一个侧面均匀地往复缠绕至另一侧。

  当缠绕达到所需的圈数后，停止缠绕并剪断纤维。然后使用最初铺设的玻璃纤维预浸布将外层纤维层包裹起来。在准备合模时，需要尽可能缩短时间，以避免树脂流失。取下模具，进行合模，切断模具两端的纤维，并施加适当的压力。

  为了应对可能出现的树脂流失问题，在缠绕过程和合模过程中，能添加絮凝剂A来改善情况，以确保纤维含胶量控制在25%至35%之间。然后将整体模具移至高温烘箱中进行固化。

  待固化完成后，模具冷却，取下模具，然后通过修边切割的方式得到所需形状的复合材料板簧主体。最后将各个配件组装在一起，完成整个板簧的装配过程。

  对于下图所示的卷耳，在胶结板簧本体与卷耳时，使用胶黏剂进行连接。连接后，经过充分的固化，在胶层上进行钻孔，然后使用螺栓进行二次连接。

  在此过程中，需要确保螺栓的螺纹涂覆有一定的胶层，以确保连接的强度足够可靠。所选用的胶黏剂类型为甲基丙烯酸甲酯，这种胶黏剂具有高粘度、耐老化、耐疲劳、良好的韧性，其拉剪强度超过8.5MPa，裂延伸率在7%至15%之间，表现出优异的性能。

  在测试中，所用的板簧长度为1.6米，极限载荷为5.5吨。在加载过程中，板簧承受了达到极限载荷的荷载，然而在这个载荷下，板簧并未发生破坏。具体的刚度曲线如图所示

  遵循依维柯某型复合材料板簧的测试标准、进行疲劳测试。在测试过程中根据标准的要求将样品做固定。将板簧总成安装在试验台上后，对其施加了预加变形。

  随后以满载荷的70%振幅进行了30万次的脉动疲劳试验。在这一疲劳试验中，板簧未出现破坏的情况。

  台架试验结果明确表明，采用的复合材料板簧的力学性能全部符合设计要求，且其疲劳性能表现出色。在经历了疲劳试验后，板簧的弧高基本没发生变化，而吊耳连接依然可靠且没有损伤。

  采用 E-玻璃纤维增强环氧树脂，通过纤维缠绕与手糊复合成型工艺，成功制备了变厚变宽等截面积的复合材料板簧。

  在该板簧的制备过程中，纤维的排布得到了合理的安排，这导致其总重量相较于传统的钢板簧减轻了超过70%。经过板管的静载以及疲劳试验测试，这些复合材料板簧的各项性能指标都达到了标准要求。

  在疲劳测试方面，这些复合材料板簧的表现超越了传统钢板簧相应的性能指标。卷耳结构的设计以及连接方式的选择也都经过了合理的考虑，从而确保了这些板簧在使用中的安全性和可靠性。

  赵洪斌，陈宏章,刘忠珊. 纤维复合材料单片板簧的研制 .纤维复合材料,2000，(9) :29-31.

  许长生，彭育辉.一种玻璃纤维增强树脂基复合材料板弹簧的设计 .福建工程学院学报,2008，(6): 79-83.

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