2020年5月26日，我國出臺的《機動車安全技術檢驗項目和方法》（GB38900-2020）要求新車整備誤差±100kg、用車誤差±200kg。但現(xiàn)有藍牌輕卡整備質(zhì)量普遍超限200kg，造成新車上牌難、在用車年檢困難。同時，《中國制造2025》指出提升汽車輕量化材料工程化和產(chǎn)業(yè)化應用能力，推動汽車行業(yè)低碳化發(fā)展，表明汽車輕量化仍然是汽車行業(yè)發(fā)展的重要方向。

1　汽車輕量化發(fā)展必要性

1.1　經(jīng)濟環(huán)境

在“一帶一路”倡議的鼓勵下，我國工業(yè)增加值占全國GDP的比例大幅增加，促進了汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展。隨著我國汽車保有量的增加，石油對外依存度大幅提高。據(jù)公安部統(tǒng)計，2021年全國機動車保有量達3.95億輛，其中汽車3.02億輛；新能源汽車保有量達784萬輛，占汽車總量的2.60%，扣除報廢注銷量比2020年增加292萬輛，增長59.25%。汽車行業(yè)的迅速發(fā)展為復合材料板簧的廣泛應用提供了有力的保障。

1.2　技術環(huán)境

目前，高強度鋼鋁鎂合金廣泛應用于商用車，使得輕量化的空間非常有限。復合材料也用于商用車非承重結構（如導流板等），但復合材料很少用于國內(nèi)商用車承重結構（如板簧、車架等）。主要原因之一是其載荷強、結構復雜、技術困難和風險大。為了實現(xiàn)國內(nèi)商用車突破性的輕量化效果，必須加強負載品中密度輕、強度高的復合材料的應用。復合鋼板彈簧與其他運載部件相比，對減少汽車質(zhì)量有明顯效果，目前已成為國內(nèi)商用車輕量化研究的熱門產(chǎn)品。

1.3　生態(tài)環(huán)境

近年來，我國已成為世界最大的石油進口國。據(jù)我國石油經(jīng)濟技術研究院發(fā)布的《2019年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報告》數(shù)據(jù)顯示，2019年我國原油凈進口首次超過5億t，原油對外依存度首次超過70%。從2004年的40%到2010年首次突破了50%的國際警戒線，從2016年的60%到2019年的70%，我國石油的對外依存度不斷突破。據(jù)國家統(tǒng)計局，2020年1—7月，我國進口原油3.2億t，同比增長12.1%。資料顯示，我國礦石資源對進口石油資源的依賴程度很高。因此，我國需要解決石油危機，減少對石油等礦石能源的依賴，復合鋼板彈簧在汽車輕量化方面的應用有助于更好地解決能源依賴問題。

2　鋼板彈簧概述

2.1 作用

鋼板彈簧主要由多片寬厚相等但長短不一的彈性鋼片組成。采用懸架技術將車架和車橋相連，以承受輪胎對車架產(chǎn)生的沖擊力，同時具有緩沖減振的功能，保證汽車行駛平穩(wěn)性的同時提升駕駛者的舒適度。

2.2 分類

鋼板彈簧主要分為多片簧及少片簧兩大類。多片簧是將多片直徑相同，但長短不同的鋼材疊加一起，將多片鋼板彈簧的各片鋼材疊加成倒三角形狀，最上端的鋼材最長，最下端的鋼材最短，鋼材的片數(shù)和客車的載荷有關，因此鋼材片越多、厚度越大，彈簧剛性也越大。不過，當鋼板彈簧工作時間久了之后，各片之間還會相互滑動摩擦引起巨大噪聲，而鋼片之間的相對磨損也會造成彈簧產(chǎn)生扭曲，導致機器運轉不順暢。少片簧則是將兩頭薄中間厚的鋼材疊加在一起。由于少片鋼板彈簧的鋼材斷面長度變化較大，從中部到兩頭的斷面寬度也會逐漸變化，因此軋壓過程就比較復雜，價錢也比多片簧高。在同樣剛性的情況下，少片簧較多片簧輕50%左右，從而降低了相對磨損和振動，也提高了使用安全性。

2.3 原理

鋼板彈簧通常安裝在車輛懸架內(nèi)部，當車橋與車架之間互為依靠時，當鋼板彈簧接受的垂直負荷為正向時，各彈簧均因受力情況而變化，有向上拱彎的趨勢。當車橋和車架之間彼此脫離時，鋼板彈簧承擔的方向垂直負荷和變化便逐步減少。

主片卷耳受力最強，比較容易損壞。為改變主片卷耳的受力狀況，常把第2片末端彎成小卷耳，包在主片卷耳的最外側，叫做包耳。為了在彈性變化時各片之間有相應滑動的機會，可以在主片卷耳和第2片包耳間留出很大的空間。但有時在鋼板簧片兩端也不做卷耳，而是使用另外的支承連接方法，如橡膠支承墊。

2.4 優(yōu)缺點

鋼板彈簧的好處是構造簡單，運行安全可靠，成本便宜，維護簡單。它既是懸掛的彈力部件，也是懸掛的導向裝置。一端與底盤鉸接，能夠傳輸各類動力與扭矩，同時具有摩擦減振的功能，因此被廣泛用于非獨立懸掛上。不足之處是一般作為非獨立懸架，自身質(zhì)量較大，剛性大，舒適度較差，且縱向?qū)挾冗^大，不利于減少車輛的前懸和后懸間距，易于與車架連接的鋼管彈簧銷磨損等。

3　復合材料板簧概述

3.1　國內(nèi)外發(fā)展

板簧作為輕型商用車的主要承載部件，市場需求量巨大。如果能夠攻克復合材料板簧設計及工藝等產(chǎn)品瓶頸，其將有巨大的市場潛力及銷售利潤，同時也可減少能源冶煉及鋼板彈簧制造業(yè)對環(huán)境產(chǎn)生的污染，實現(xiàn)綠色制造，助力“雙碳”目標。

自20世紀70年代初起，美國、英國和德國相繼研制出了復合材料板簧，就其原料、構造、成形技術和工藝等方面展開了研究，并將復合材料板簧成功地運用在了客車和轎車上。20世紀80年代末，美國將復合鋼板彈簧投入商品化生產(chǎn)，并廣泛應用在牽引車上；德國的IFCComposite公司推出了一種新型板簧來取代在奔馳、凌特和大眾汽車的傳統(tǒng)鋼板彈簧。而這種新型復合材料板簧和普通鋼板彈簧相較，整體質(zhì)量可以減小40%～50%，疲勞壽命可以達到20萬次以上，遠高于普通鋼板彈簧的16萬次。Mubea公司玻璃鋼板簧榮獲2020年Altair啟蒙獎，如圖1所示。

目前在國內(nèi)，雖有院校對其進行深入探究，但由于技術落后、結構創(chuàng)新性不足等，無法完全掌握復合材料板簧的設計技術?，F(xiàn)階段僅北汽福田輕卡進行小批量產(chǎn)品應用，一汽、東風、江淮等主流車廠均進行了產(chǎn)品和技術儲備，部分通過了樣件制作、臺架試驗及整車試驗階段。

3.2　主要優(yōu)勢

復合材料板簧在現(xiàn)代轎車輕量化發(fā)展中的運用，就是利用該類板簧高強度、質(zhì)量小、成型快等優(yōu)點優(yōu)化了轎車懸掛系統(tǒng)結構，并最終達到減小轎車整體質(zhì)量的目的。

相比于傳統(tǒng)鋼板彈簧，復合材料板簧的彈性較高，吸震力強，振動阻尼高，能在車輛行駛中有效利用自身特性，改善車輛舒適度和平順性，減少顛簸感；另外，該種鋼板彈簧的主體材質(zhì)是玻璃纖維類復合材料，抗疲勞特性較強，疲勞壽命是一般鋼板彈簧的2倍以上；復合材料板簧中還含有較多的獨立玻璃纖維，單根玻璃纖維破裂后對車輛所造成的負荷能夠自由轉移至其他玻璃纖維中，以防止破壞懸架構件的承載能力。

3.3　材料選擇

復合材料產(chǎn)物是指由2種或2種以上截然不同特性的物質(zhì)，根據(jù)某種綜合方法所組成的結合物質(zhì)。復合材料中的連續(xù)相稱為主體物質(zhì)，其分散相稱為強化物質(zhì)。基質(zhì)的主要功能是支撐強化材料，并避免強化材料磨損和侵蝕，而強化材料則以相對獨立的形式均勻分布在基質(zhì)中。復合材料的應用目的是在符合結構的強度、剛度和穩(wěn)定性等條件下盡量地降低結構成本，所使用的復合物應當達到對結構的壽命要求并保證貨源充足，易于搬運、貯存，常用的增強材料主要為E-玻璃纖維、S-玻璃纖維和碳玻璃纖維，而生產(chǎn)復合材料板簧用的熱固性樹脂基體則主要由聚酯纖維、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等組成，可綜合考慮價格、性能、優(yōu)勢確定更好材料及材料配比方案，以此保證高性價比復合材料板簧的誕生。

3.4　成型工藝

復合材料板簧開發(fā)過程非常復雜，其生產(chǎn)工序主要分為纏繞建模成型、高壓環(huán)氧樹脂傳遞建模成型、SMC拉擠成型等工序。其中，纏繞建模成型工序是將玻璃纖維復合材料預浸后，將其纏繞在模具上，然后再經(jīng)過合模、凝固等加工方法，形成復合材料板簧；高壓環(huán)氧樹脂傳遞建模成型指使用高壓將環(huán)氧樹脂按對沖風險比例混合，并灌注在事先鋪有玻璃纖維增強材料和預置嵌件的真空密閉模具里，經(jīng)樹脂流動充模、浸漬、固化和脫模，從而得到復合材料制品的成型工藝；SMC拉擠成型工序則是以牽引力為主要作用力，通過模具固化浸漬后的玻璃纖維帶、纖維織物，以連續(xù)制造斷面形式不同的復合材料板簧。編織成型的優(yōu)點是硬度較高、疲勞特性好、制造效率較高、工藝簡單易于管理，但面臨著結合力不強、容易劈裂等主要問題；拉擠法的優(yōu)點是能夠連續(xù)性拉制不同尺寸的復合材料板簧，但對于連續(xù)制造變截面結構鋼板彈簧仍具有一定的技術難度，且制造成本較大；而RTM工藝既可制造中等直徑寬度又能制造大變截面結構鋼板彈簧，還可以進行金屬嵌件式操作，但其存在纖維鋪層有變形、操作環(huán)境差、環(huán)保不易達標等問題。模壓成型可滿足目前等大不同直徑形狀葉片彈簧的生產(chǎn)，其制品緊密、外表光潔，方便后期的工業(yè)化生產(chǎn)。

4　復合材料板簧優(yōu)勢

與鋼板彈簧相比，復合板簧作為國內(nèi)新興產(chǎn)品主要具有3個優(yōu)點：一是板簧輕量化效果明顯，復合材料板簧與鋼板彈簧相比，在保證板簧可靠性的同時，可減小質(zhì)量60%；二是疲勞壽命明顯提高，鋼板彈簧的疲勞壽命為16萬次，復合板簧的疲勞壽命約為30萬次，壽命提高87.5%；三是安全斷裂預警，與鋼板彈簧相比，當汽車在極其惡劣的環(huán)境中工作時，復合板簧會沿長度方向緩慢開裂，但仍能保持軸的位置不變，以確保車輛和乘客的安全。

5 結束語

在當前的汽車行業(yè)中，整車輕量化發(fā)展響應了國家節(jié)能減排的號召，是助力藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的一場技術創(chuàng)新。在國家能源結構上，因為我國人口基數(shù)較大，汽車能源的人均占有率也較小，所以節(jié)能減排是在汽車行業(yè)發(fā)展中，進一步提升國產(chǎn)汽車企業(yè)的國際市場地位的重要途徑，也可以幫助我國汽車在全球領域中搶占市場份額。復合材料板簧在轎車輕量化工程中的應用，將進一步豐富轎車懸架設計，并提高復合材料在汽車中的應用，為汽車零部件輕量化發(fā)展指明前進方向。

作者：鄭欣雨，楊金猛，張卿瑞，李一寧，李兵

來源：《汽車工藝材料》

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