復(fù)合材料板簧.ppt

復(fù) 合 材 料 板 簧,北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院 北京中材汽車復(fù)合材料有限公司 2010年6月,國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料板簧的研究及應(yīng)用狀況 復(fù)合材料板簧應(yīng)用實(shí)例 復(fù)合材料板簧應(yīng)用的意義 復(fù)合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,1、國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料板簧的研究及應(yīng)用狀況,由于塑料彈簧具有鋼制彈簧難以取代的優(yōu)點(diǎn)，因此美、英、日等國(guó)競(jìng)相開(kāi)展研制，取得了不少研制成果，并已批量投入實(shí)際應(yīng)用。它的發(fā)展大體經(jīng)歷了三個(gè)階段。 1970年以前為原理性實(shí)驗(yàn)探索階段。在這一階段，發(fā)表的應(yīng)用理論分析文章和階段性研制報(bào)告比較多。在此期間，由于適合于工程應(yīng)用的熱固性塑料尚處在早期發(fā)展階段，工程塑料彈簧的研制遇到許多問(wèn)題，如材料的耐溫性差、硬度低不耐磨、價(jià)格高、難以制成廣泛的螺旋彈簧，加之設(shè)計(jì)程序，加工設(shè)備和工藝參數(shù)都遇到一些有待解決的新問(wèn)題，因而延緩了塑料彈簧向?qū)嶋H應(yīng)用的進(jìn)程。,1、國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料板簧的研究及應(yīng)用狀況,1980年以前為實(shí)用化研制階段。在這一階段，由于塑料工業(yè)的發(fā)展，耐溫、耐磨和價(jià)格合理的纖維增強(qiáng)塑料（FRP=Fiberglass Reinforced Plastics）研制成功，加之汽車設(shè)計(jì)向小型化和輕型化方向發(fā)展，特別是石油危機(jī)以來(lái)，為了減輕汽車配件重量，節(jié)約燃料，汽車廠商積極開(kāi)展塑料板簧的研制，促進(jìn)了塑料彈簧向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展。在這一階段的突出研制成果是FRP板簧在美國(guó)投入實(shí)際應(yīng)用。,1、國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料板簧的研究及應(yīng)用狀況,1980年至今為實(shí)際應(yīng)用穩(wěn)定發(fā)展階段。繼美國(guó)之后，英國(guó)納鐵福復(fù)合公司（GKN COMPosites）在Telford新廠內(nèi)建成了年產(chǎn)五十萬(wàn)套FRP板簧生產(chǎn)線，1985年已開(kāi)始大量生產(chǎn)，在西歐居于領(lǐng)先地位。八十年代末，復(fù)合材料板簧在美國(guó)也正式投入商業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于重型卡車和牽引車上，重量?jī)H為鋼材板簧的1/3； 復(fù)合材料彈簧投入實(shí)際應(yīng)用的數(shù)量和范圍都在穩(wěn)步發(fā)展。,、復(fù)合材料板簧應(yīng)用實(shí)例,復(fù)合材料板簧已經(jīng)在全球諸多汽車廠商得到大量應(yīng)用，如通用、福特、 戴姆勒克萊斯勒、 依維柯 、康沃斯、 彼得比爾特、國(guó)際卡車公司等。,、復(fù)合材料板簧應(yīng)用實(shí)例,重型罐車的應(yīng)用,、復(fù)合材料板簧應(yīng)用實(shí)例,重型卡車上的應(yīng)用,、復(fù)合材料板簧應(yīng)用實(shí)例,后驅(qū)轎車上的應(yīng)用,轎跑車上的應(yīng)用 后軸橫置,后軸順置,躍野車上的應(yīng)用,、復(fù)合材料板簧應(yīng)用實(shí)例,前軸橫置單簧,、復(fù)合材料板簧應(yīng)用實(shí)例,、復(fù)合材料板簧應(yīng)用實(shí)例,火車上的應(yīng)用,火車上的應(yīng)用,、復(fù)合材料板簧應(yīng)用實(shí)例,、復(fù)合材料板簧應(yīng)用的意義,減輕汽車重量對(duì)汽車的發(fā)展具有特殊重要的意義。減輕汽車自重，不僅可以減少原材料的消耗，降低汽車的成本，還可以顯著降低汽車能源消耗量，減少有害氣體的排放，提高汽車的動(dòng)力性能。研究表明，汽車質(zhì)量每減小10，可降低68的油耗。據(jù)相關(guān)資料，汽車質(zhì)量每減小50kg，則每升燃油行駛的距離可增加1km；若質(zhì)量減小 10，則燃油經(jīng)濟(jì)性可提高5.5左右。減輕車輛自重，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)已成為當(dāng)今汽車發(fā)展的趨勢(shì)之一。,、復(fù)合材料板簧應(yīng)用的意義,采用復(fù)合材料板簧，與傳統(tǒng)的金屬板簧相比，最明顯的優(yōu)勢(shì)就是減重效應(yīng)，由于復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)且密度小，同等性能的替代產(chǎn)品一般可減重均在50以上。通過(guò)選用不同材料及優(yōu)化設(shè)計(jì)，減重比例甚至可以達(dá)到70以上，這也是目前其它部件優(yōu)化過(guò)程中非常少見(jiàn)的減重優(yōu)勢(shì)。,、復(fù)合材料板簧應(yīng)用的意義,FRP板簧與鋼制板簧相比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)： （1）容易制作成變厚度截面的板簧，材料利用合理且減輕了重量。某載重汽車的FRP板簧比等效鋼制板簧減輕50%，比等效多葉鋼制板簧減輕65%。具體如：在某輕型汽車上減輕了25公斤。在某38噸絞車上減輕達(dá)500公斤。 （2）“安全斷裂”提高了可靠性。汽車嚴(yán)重超載時(shí)，F(xiàn)RP板簧沿長(zhǎng)度方向分層開(kāi)裂，雖然結(jié)構(gòu)基本破壞，剛度大大降低，但仍可使車軸基本保持原位，可使空載汽車能安全開(kāi)到修理廠。 （3） 疲勞壽命高。超過(guò)鋼制多葉板簧約2-10倍。,、復(fù)合材料板簧應(yīng)用的意義,（4） 全壽命費(fèi)用（Cycle life Cost）合理。FRP板簧與高檔次鋼質(zhì)板簧相比成本較低加上重量輕，節(jié)約燃料和維修方便等原因使車輛使用費(fèi)用更加降低。 （5） 部件簡(jiǎn)化，重量輕，拆裝操作更簡(jiǎn)便容易。 （6） 相同荷載能力下，復(fù)合材料板簧的彈性行程可以設(shè)計(jì)得更大（可設(shè)計(jì)性），舒適性更好。 （）因材料自身阻尼較大，所以各種工況下其產(chǎn)生的噪音均較小。減少了對(duì)環(huán)境的污染，改善了人機(jī)環(huán)境。 鑒于以上原因，可以說(shuō)精密的FRP板簧應(yīng)用前景非常好。,、復(fù)合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,現(xiàn)在，復(fù)合材料彈簧主要使用熱固性塑料，特別是熱固性纖維增強(qiáng)塑料，也有使用熱塑性塑料的，但數(shù)量不多。 從使用角度考慮，對(duì)彈簧材料性能的主要要求是：（1）變形能V值要大（即彈簧模量E值要?。?。 （2）強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度要大，壽命長(zhǎng)。 （3）容易加工成型。 用于制作彈簧的熱固性和熱塑復(fù)合材料性能均滿足以上要求，目前的復(fù)合材料板簧的承載能力可達(dá)每軸10噸以上。,、復(fù)合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,關(guān)于變形能 熱固性纖維增強(qiáng)塑料的V值比一般金屬都大，可與彈簧鋼相比 關(guān)于復(fù)合材料的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度 以環(huán)氧樹(shù)脂為膠粘劑的熱固性塑料為例，其抗拉強(qiáng)度可在400-1000MPa間按要求設(shè)計(jì)。一般的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧（GFRP）的疲勞壽命均達(dá)50萬(wàn)次以上，而碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧（CFRP）的疲勞壽命更可達(dá)100萬(wàn)次以上。,、復(fù)合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,加工工藝性 熱固性復(fù)合材料板簧產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)一次成型，其成型工藝性和鋼近似。 熱塑性的工藝性好，容易成形，生產(chǎn)率也高，但機(jī)械性能不如熱固性塑料。 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料同時(shí)還具有重量輕（比重為1.02.0）、耐腐蝕、電絕緣性好和容易著色等先天優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要，全面權(quán)衡，恰當(dāng)選用和設(shè)計(jì)。,設(shè)計(jì)要點(diǎn)： （1）彈性模量； （2）工作環(huán)境溫度； （3）載荷作用時(shí)間； （4）變形量對(duì)E值的影響。 復(fù)合材料板簧的三種設(shè)計(jì)形式： （1）恒寬，變厚的設(shè)計(jì)。 （2）恒厚，變寬的設(shè)計(jì)。 （3）恒定的交叉設(shè)計(jì)（變寬和變厚而導(dǎo)致的恒定交叉設(shè)計(jì)）,、復(fù)合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,不同形狀的板簧，交叉設(shè)計(jì)目前應(yīng)用最多。,、復(fù)合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,蛇形彈簧,螺旋彈簧,其它形狀的復(fù)合材料車用彈簧,、復(fù)合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,、復(fù)合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,復(fù)合材料板簧的成型工藝 （1） 纏繞工藝是由連續(xù)纖維束和基體材料組成的，其中放置纖維束的轉(zhuǎn)動(dòng)軸引導(dǎo)纖維沿著軸的方向向前和向后以便于實(shí)現(xiàn)所需要的纏繞角度，纖維的方向是沿著板簧的長(zhǎng)度方向的。纏繞工藝在成型恒定厚度的板簧是非常容易的 ，為了實(shí)現(xiàn)所需的纖維含量，材料性能和尺寸控制，必須在加熱加壓的情況下進(jìn)行固化。,復(fù)合材料板簧的成型工藝 （2）拉擠工藝是通過(guò)拉出連續(xù)樹(shù)脂浸漬纖維，通過(guò)陶瓷連接去生產(chǎn)一個(gè)給定的交叉區(qū)域，可以通過(guò)R.F.加熱快速固化，拉擠工藝可以生產(chǎn)直的，連續(xù)的區(qū)域，但是只要纖維含量是恒定的，如果應(yīng)用合適的工具可以生產(chǎn)出形狀或弧度變化的板簧，因此當(dāng)產(chǎn)品脫離結(jié)合區(qū)后后固化程度達(dá)到90%時(shí)，重新塑型的改變量就會(huì)很小。,、復(fù)合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,板簧的成型工藝 （3）層壓工藝是在一個(gè)加熱的合模的金屬模具中進(jìn)行預(yù)浸漬料的模壓過(guò)程。這個(gè)過(guò)程需要將預(yù)浸漬料切成專用形狀并放進(jìn)模具中進(jìn)行加溫加壓成型。形狀可以用多片預(yù)混料組成的預(yù)片板預(yù)設(shè)定切割和疊放實(shí)現(xiàn)，,、復(fù)合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,、復(fù)合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,動(dòng)態(tài)特性 疲勞壽命是衡量彈簧動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo)。實(shí)踐證明，F(xiàn)RP板簧的疲勞壽命比鋼制板簧好。英國(guó)GKN公司在液壓伺服試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)FRP板簧做多向加載（模擬汽車在實(shí)際運(yùn)行中的垂直力、傾翻力和縱向力）疲勞試驗(yàn)。根據(jù)汽車制造廠的規(guī)定，該車使用的鋼制板簧以最大動(dòng)行程的70%做臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，應(yīng)能承受2106作用次數(shù)。GKN公司宣布，該公司生產(chǎn)的FRP板簧可承受107作用次數(shù)的疲勞試驗(yàn)。 環(huán)境試驗(yàn) GKN公司生產(chǎn)的FRP板簧能經(jīng)受車輛行駛中所受到的全部腐蝕，如油