Rassini International公司采用大批量的生產(chǎn)方式，制造出了多材料的鋼/復(fù)合材料混合的板彈簧系統(tǒng)，滿足了福特汽車公司提出的減輕F-150皮卡質(zhì)量的挑戰(zhàn)性要求。?

Rassini的1+C混合板彈簧擁有一個拋物線型的鋼主板和一個平的玻纖復(fù)合材料輔助板，用作福特F-150皮卡后輪上的懸架

2016年，美國福特汽車公司（以下簡稱福特）向美國Rassini International公司（以下簡稱Rassini）提出了一項挑戰(zhàn)性的需求：減輕其標(biāo)致性旗艦貨車F-150皮卡的后懸架質(zhì)量。作為北美最大的板彈簧和其他懸架部件的供應(yīng)商，Rassini為福特提供了幾個選擇方案， 但更傾向于一種能將傳統(tǒng)的鋼板彈簧與復(fù)合材料的輔件結(jié)合在一起的解決方案——這種多材料的解決方案，意味著能夠為汽車復(fù)合材料在終端市場的增長帶來重要的機(jī)會。

Rassini 板彈簧工程副總裁、輕量化研發(fā)總監(jiān)表示，該公司在汽車供應(yīng)鏈中的地位，使其自然而然地成為那些尋求創(chuàng)新解決方案的OEMs的合作伙伴。“當(dāng)福特的工程部門考慮如何讓板彈簧滿足其下一代產(chǎn)品對懸架的要求時，他們首先想到了我們。” 相關(guān)人員介紹說，“他們對下一代F-150貨車的底盤提出了一些極具挑戰(zhàn)性的輕量化目標(biāo)，他們想知道我們有什么想法?！?/p>

Rassini向福特提供的解決方案，實(shí)際上是對跨越機(jī)動車歷史的板彈簧演變過程的一個邏輯延伸。早期的板彈簧設(shè)計依賴于對多層等厚鋼板的使用，這些鋼板疊加結(jié)合在一起，隨著載荷的增加，自上而下地相繼嚙合起來。多年來，隨著鋼材質(zhì)量的提高，疊加的鋼板數(shù)量在逐漸減少，因為只需使用較少的鋼板就能承受同樣的載荷。

在位于墨西哥Piedras Negras 的工廠中，Rassini 采用3個高度自動化的HP-RTM生產(chǎn)單元，制造了用于1+C 混合板彈簧的玻纖/環(huán)氧輔助板，每一個生產(chǎn)單元都采用一副10腔模具進(jìn)行生產(chǎn)，整個工廠每年能生產(chǎn)超過80萬個復(fù)合材料的輔助板

Hotchkiss懸架主要用在貨車和廂式貨車上，這些車輛的設(shè)計，允許在不同的載荷和拖車拖曳條件下運(yùn)行。用于全尺寸皮卡的典型板彈簧采用一種2+1設(shè)計，這包括結(jié)合在一起的兩個彎曲的鋼主板和一個附著在主板底部的平的鋼輔助板。主板長約2m、寬約70m，處于自由、無壓力狀態(tài)時，兩端彎曲成一個寬的U形。而輔助板處于自由狀態(tài)時通常是平的。

2+1板彈簧結(jié)構(gòu)通過主板的兩端連接到貨車車架上。在每個后輪的內(nèi)側(cè)，都裝有一個板彈簧，板彈簧的中部剛性地連接到實(shí)心的后橋上。主板承擔(dān)懸架系統(tǒng)的主要功能，但是，當(dāng)車輛負(fù)載時，以及在道路載荷引起大懸架鉸接的過程中，輔助板就會發(fā)揮作用。因此，當(dāng)懸架承載時，輔助板是最后一個參與的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不可小覷。用在像F-150皮卡這種車輛上的Hotchkiss 懸架，必須承受6個維度的載荷和力矩，包括：垂直、縱向和橫向的載荷，以及滾動、傾斜和偏航引起的力矩。

“板彈簧是一種多功能的懸架組件，不僅要滿足垂直載荷方面的要求，而且實(shí)際上也是一種連接車橋與車輛的梁構(gòu)件，這使得橫向和縱向載荷/力矩也受到板彈簧的影響。”相關(guān)人員說道。

Rassini為2021 MY F-150皮卡開發(fā)的多材料板彈簧，是圍繞兩個減重創(chuàng)新而對2+1設(shè)計的進(jìn)一步完善。這種名為1+C的板彈簧，擁有一個鋼主板和一個復(fù)合材料的輔助板，這些部件中的每一個，都為整個結(jié)構(gòu)的減重作出了一半的貢獻(xiàn)。鋼主板具有拋物線錐度，能夠優(yōu)化材料性能，并提供所需的大部分承載能力。玻纖增強(qiáng)塑料（GFRP）的輔助板能在重載情況下發(fā)揮作用。

在將復(fù)合材料的輔助板組裝到鋼主板上之前，需要先在數(shù)控機(jī)床上對其進(jìn)行修邊和沖孔。作為北美最大的板彈簧部件制造商，Rassini的墨西哥工廠具有生產(chǎn)更多復(fù)合材料輔助板的擴(kuò)產(chǎn)能力

“我們既可以做全復(fù)合材料的板彈簧，也可以做全鋼材的板彈簧，或者可以做混合材料的板彈簧——這就是福特為這款特殊車輛選用的那種：主彈簧采用鋼材，而輔助彈簧采用復(fù)合材料。”相關(guān)人員強(qiáng)調(diào)道，高強(qiáng)鋼的拋物線錐度厚度提供了顯著的強(qiáng)度和減重優(yōu)勢?！安捎眠@種設(shè)計方法，我們?nèi)鎯?yōu)化了彈簧梁的應(yīng)力分布?！彼又f，“我們采用最先進(jìn)的材料最大程度地減輕了質(zhì)量，所以我們基本上完全優(yōu)化了設(shè)計以及對材料的使用?！?/p>

相關(guān)人員表示，Rassini 在設(shè)計復(fù)合材料的輔助板時考慮了幾種材料選項，最終決定采用德國西格里碳纖維（SGL Carbon）提供的一種無堿玻纖無卷曲織物，并采用瀚森公司（德國杜伊斯堡）提供的EPIKOTE樹脂中的TRAC 06150環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對該織物進(jìn)行浸漬。相關(guān)人員表示，該公司也考慮了碳纖維，但這種材料的成本不能滿足該項目的要求。

選好材料后，Rassini必須完成復(fù)合材料輔助板的設(shè)計。設(shè)計上面臨的挑戰(zhàn)是，GFRP的彈性模量遠(yuǎn)小于鋼的彈性模量，而彈性模量又與彈簧速率成正比?！拔覀円髲?fù)合材料的輔助板要擁有與鋼質(zhì)板一樣的彈簧速率?！毕嚓P(guān)人員說道，“所以我們必須使GFRP的輔助板更厚，這樣才能獲得所匹配的彈簧速率載荷撓度曲線?！?br>

復(fù)合材料的模量性能也驅(qū)使彈簧設(shè)計偏向于采用多材料的選項。如果彈簧完全由復(fù)合材料制成，就需要改變懸架結(jié)構(gòu)以便容納更寬的GFRP主板。相關(guān)人員r解釋說:“之所以將鋼彈簧用作主板，是因為它能夠承受橫向載荷。如果復(fù)合材料的主板擁有與鋼彈簧一樣的寬度，由于復(fù)合材料的模量低，就會導(dǎo)致懸架的橫向剛度太小，因此，雖然我們可以用復(fù)合材料做主板，但必須把它做得更寬，以補(bǔ)償和維持車輛所需的橫向性能，這就意味著要增加懸架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以便容納更寬的彈簧?！?/p>

最終，Rassini開發(fā)出了長1m、寬70mm以及厚30mm的復(fù)合材料輔助板。雖然厚度大約是之前的鋼輔助板的1.7倍，但卻減輕了53%的質(zhì)量，結(jié)合優(yōu)化主板設(shè)計所帶來的減重，Rassini 幫助福特將每輛車的總質(zhì)量減輕了大約16kg。相關(guān)人員承認(rèn)，該復(fù)合材料輔助板的成本相對較高，但是，鑒于其帶來的減重優(yōu)勢，依然被福特看作是可接受的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，這有利于減少溫室氣體排放，并滿足未來日益嚴(yán)格的CAFé和排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

下一個挑戰(zhàn)是開發(fā)一種能滿足F-150產(chǎn)品線大批量生產(chǎn)需求的生產(chǎn)工藝。相關(guān)人員介紹說，在最初的產(chǎn)品開發(fā)和原型階段，是由人工來鋪放預(yù)浸料。但是，當(dāng)Rassini考慮進(jìn)入大批量的生產(chǎn)時，就必須采用高產(chǎn)量、自動化且可重復(fù)性高的生產(chǎn)工藝。因此，他們選用了高壓樹脂傳遞模塑成型（HP-RTM）工藝。相關(guān)人員表示：“對于每年10萬個以下的板彈簧產(chǎn)量，使用預(yù)浸料是可行的。但由于該項目的產(chǎn)量大，因此我們需要更高產(chǎn)量的生產(chǎn)工藝。只要年產(chǎn)量超過10萬件，HP-RTM 工藝就具有吸引力。”

與模具制造商Alpex Technologies公司（奧地利Mils bei Hall）以及機(jī)器供應(yīng)商FILL Gesellschaft公司（奧地利Gurten）、Hennecke公司（美國賓夕法尼亞州Bridgeville）和Engel公司（美國賓夕法尼亞州York）合作，Rassini 在其位于墨西哥的新工廠中開發(fā)并安裝了3個高度自動化的HP-RTM生產(chǎn)單元，每一個HP-RTM生產(chǎn)單元都配有一副10腔模具，生產(chǎn)運(yùn)行的年循環(huán)次數(shù)大約是28000～30000次，輔助板的年總產(chǎn)量是84萬～90萬件。在交付給福特之前，每一個復(fù)合材料的輔助板都要通過承載測試。

可以說，該工廠代表了汽車用復(fù)合材料制造的未來。這一占地5.2萬平方英尺的工廠于2018年3月啟用，當(dāng)時，3條HP-RTM生產(chǎn)線中的第一條已開始運(yùn)行。到2020年3月，全部3條生產(chǎn)線都已投入運(yùn)行。如果需要，還有安裝第四條生產(chǎn)線的空間。Collyer介紹說，這種復(fù)合材料的輔助板是該工廠目前生產(chǎn)的唯一部件，憑借高度的自動化，與設(shè)備接觸的操作人員通常只是在加工開始（裝上NCF料卷）和結(jié)束（取下成品部件）時才需要。

Rassini于2018年在墨西哥建成了這一占地5.2萬平方英尺的工廠，主要用于制造1+C混合板彈簧上使用的復(fù)合材料輔助板。這一高度自動化的生產(chǎn)所需的人工操作只是裝上玻纖料卷和取下成品部件

車輛減重16kg對于福特及其用戶而言意味著什么呢？相關(guān)人員表示，雖然Rassini不能分享來自福特的數(shù)據(jù)，但卻可以分享與車輛減重有關(guān)的假設(shè)案例數(shù)據(jù)。比如，假設(shè)一輛汽油驅(qū)動的汽車在其生命周期中每使用1加侖的汽油平均能行駛20英里，車輛的平均壽命為15萬英里，使用這種輕質(zhì)板彈簧的車輛數(shù)量大約是250萬輛，那么，車輛減重16kg就意味著在車隊的整個生命周期中，預(yù)計可以減少大約75.8萬t的CO2排放和3.22億升的燃油消耗。

在福特P702平臺上制造的F-150皮卡預(yù)計在其整個生產(chǎn)周期中都將使用Rassini開發(fā)的1+C混合板彈簧

Rassini 表示，目前該公司已成功地實(shí)施了這一令人興奮的復(fù)合材料輕量化項目，而且可以將這項技術(shù)推廣應(yīng)用于其他產(chǎn)品。?

文章來源：CompositesWorld、PT現(xiàn)代塑料

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