復合材料板簧.ppt

復 合 材 料 板 簧,北京玻璃鋼研究設(shè)計院 北京中材汽車復合材料有限公司 2010年6月,國內(nèi)外復合材料板簧的研究及應用狀況 復合材料板簧應用實例 復合材料板簧應用的意義 復合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,1、國內(nèi)外復合材料板簧的研究及應用狀況,由于塑料彈簧具有鋼制彈簧難以取代的優(yōu)點，因此美、英、日等國競相開展研制，取得了不少研制成果，并已批量投入實際應用。它的發(fā)展大體經(jīng)歷了三個階段。 1970年以前為原理性實驗探索階段。在這一階段，發(fā)表的應用理論分析文章和階段性研制報告比較多。在此期間，由于適合于工程應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題，如材料的耐溫性差、硬度低不耐磨、價格高、難以制成廣泛的螺旋彈簧，加之設(shè)計程序，加工設(shè)備和工藝參數(shù)都遇到一些有待解決的新問題，因而延緩了塑料彈簧向?qū)嶋H應用的進程。,1、國內(nèi)外復合材料板簧的研究及應用狀況,1980年以前為實用化研制階段。在這一階段，由于塑料工業(yè)的發(fā)展，耐溫、耐磨和價格合理的纖維增強塑料（FRP=Fiberglass Reinforced Plastics）研制成功，加之汽車設(shè)計向小型化和輕型化方向發(fā)展，特別是石油危機以來，為了減輕汽車配件重量，節(jié)約燃料，汽車廠商積極開展塑料板簧的研制，促進了塑料彈簧向?qū)嶋H應用的發(fā)展。在這一階段的突出研制成果是FRP板簧在美國投入實際應用。,1、國內(nèi)外復合材料板簧的研究及應用狀況,1980年至今為實際應用穩(wěn)定發(fā)展階段。繼美國之后，英國納鐵福復合公司（GKN COMPosites）在Telford新廠內(nèi)建成了年產(chǎn)五十萬套FRP板簧生產(chǎn)線，1985年已開始大量生產(chǎn)，在西歐居于領(lǐng)先地位。八十年代末，復合材料板簧在美國也正式投入商業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應用于重型卡車和牽引車上，重量僅為鋼材板簧的1/3； 復合材料彈簧投入實際應用的數(shù)量和范圍都在穩(wěn)步發(fā)展。,、復合材料板簧應用實例,復合材料板簧已經(jīng)在全球諸多汽車廠商得到大量應用，如通用、福特、 戴姆勒克萊斯勒、 依維柯 、康沃斯、 彼得比爾特、國際卡車公司等。,、復合材料板簧應用實例,重型罐車的應用,、復合材料板簧應用實例,重型卡車上的應用,、復合材料板簧應用實例,后驅(qū)轎車上的應用,轎跑車上的應用 后軸橫置,后軸順置,躍野車上的應用,、復合材料板簧應用實例,前軸橫置單簧,、復合材料板簧應用實例,、復合材料板簧應用實例,火車上的應用,火車上的應用,、復合材料板簧應用實例,、復合材料板簧應用的意義,減輕汽車重量對汽車的發(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)濟性可提高5.5左右。減輕車輛自重，實現(xiàn)輕量化設(shè)計已成為當今汽車發(fā)展的趨勢之一。,、復合材料板簧應用的意義,采用復合材料板簧，與傳統(tǒng)的金屬板簧相比，最明顯的優(yōu)勢就是減重效應，由于復合材料的可設(shè)計性強且密度小，同等性能的替代產(chǎn)品一般可減重均在50以上。通過選用不同材料及優(yōu)化設(shè)計，減重比例甚至可以達到70以上，這也是目前其它部件優(yōu)化過程中非常少見的減重優(yōu)勢。,、復合材料板簧應用的意義,FRP板簧與鋼制板簧相比較，具有如下優(yōu)點： （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500公斤。 （2）“安全斷裂”提高了可靠性。汽車嚴重超載時，F(xiàn)RP板簧沿長度方向分層開裂，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到修理廠。 （3） 疲勞壽命高。超過鋼制多葉板簧約2-10倍。,、復合材料板簧應用的意義,（4） 全壽命費用（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用更加降低。 （5） 部件簡化，重量輕，拆裝操作更簡便容易。 （6） 相同荷載能力下，復合材料板簧的彈性行程可以設(shè)計得更大（可設(shè)計性），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。減少了對環(huán)境的污染，改善了人機環(huán)境。 鑒于以上原因，可以說精密的FRP板簧應用前景非常好。,、復合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,現(xiàn)在，復合材料彈簧主要使用熱固性塑料，特別是熱固性纖維增強塑料，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值要小）。 （2）強度，特別是疲勞強度要大，壽命長。 （3）容易加工成型。 用于制作彈簧的熱固性和熱塑復合材料性能均滿足以上要求，目前的復合材料板簧的承載能力可達每軸10噸以上。,、復合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,關(guān)于變形能 熱固性纖維增強塑料的V值比一般金屬都大，可與彈簧鋼相比 關(guān)于復合材料的強度和疲勞強度 以環(huán)氧樹脂為膠粘劑的熱固性塑料為例，其抗拉強度可在400-1000MPa間按要求設(shè)計。一般的玻璃纖維增強環(huán)氧（GFRP）的疲勞壽命均達50萬次以上，而碳纖維增強環(huán)氧（CFRP）的疲勞壽命更可達100萬次以上。,、復合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,加工工藝性 熱固性復合材料板簧產(chǎn)品可以實現(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，但機械性能不如熱固性塑料。 纖維增強復合材料同時還具有重量輕（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。設(shè)計者可根據(jù)需要，全面權(quán)衡，恰當選用和設(shè)計。,設(shè)計要點： （1）彈性模量； （2）工作環(huán)境溫度； （3）載荷作用時間； （4）變形量對E值的影響。 復合材料板簧的三種設(shè)計形式： （1）恒寬，變厚的設(shè)計。 （2）恒厚，變寬的設(shè)計。 （3）恒定的交叉設(shè)計（變寬和變厚而導致的恒定交叉設(shè)計）,、復合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,不同形狀的板簧，交叉設(shè)計目前應用最多。,、復合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,蛇形彈簧,螺旋彈簧,其它形狀的復合材料車用彈簧,、復合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,、復合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,復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)動軸引導纖維沿著軸的方向向前和向后以便于實現(xiàn)所需要的纏繞角度，纖維的方向是沿著板簧的長度方向的。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行固化。,復合材料板簧的成型工藝 （2）拉擠工藝是通過拉出連續(xù)樹脂浸漬纖維，通過陶瓷連接去生產(chǎn)一個給定的交叉區(qū)域，可以通過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，因此當產(chǎn)品脫離結(jié)合區(qū)后后固化程度達到90%時，重新塑型的改變量就會很小。,、復合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,板簧的成型工藝 （3）層壓工藝是在一個加熱的合模的金屬模具中進行預浸漬料的模壓過程。這個過程需要將預浸漬料切成專用形狀并放進模具中進行加溫加壓成型。形狀可以用多片預混料組成的預片板預設(shè)定切割和疊放實現(xiàn)，,、復合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,、復合材料板簧的技術(shù)發(fā)展概況,動態(tài)特性 疲勞壽命是衡量彈簧動態(tài)特性的重要指標。實踐證明，F(xiàn)RP板簧的疲勞壽命比鋼制板簧好。英國GKN公司在液壓伺服試驗臺上對FRP板簧做多向加載（模擬汽車在實際運行中的垂直力、傾翻力和縱向力）疲勞試驗。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行程的70%做臺架疲勞試驗，應能承受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。 環(huán)境試驗 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