English
簡(jiǎn)體中文
Rassini混合板簧安裝在福特F-150卡車上Rassini的1+C混合板簧采用單鋼拋物面主板和平板玻璃纖維復(fù)合材料輔助板，為福特F-150皮卡的后輪提供懸架。
2016年，福特汽車公司（美國(guó)密歇根州迪爾伯恩）向Rassini International公司（美國(guó)密蘇里州普利茅斯）提出挑戰(zhàn)，要求其減輕F-150皮卡后懸架的重量，這是該汽車制造商的旗艦和標(biāo)志性卡車。北美最大的鋼板彈簧和其他懸架部件供應(yīng)商Rassini向福特提出了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的幾種選擇，但傾向于將傳統(tǒng)鋼板彈簧與復(fù)合材料“助手”相結(jié)合的解決方案，這是一種多材料解決方案，代表著汽車復(fù)合材料終端市場(chǎng)的重大增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。
Rassini公司鋼板彈簧工程副總裁兼輕量化研發(fā)總監(jiān)Brent Collyer表示，該公司在汽車供應(yīng)鏈中的地位使其成為尋求創(chuàng)新解決方案的原始設(shè)備制造商的天然合作伙伴。Collyer說(shuō)：“當(dāng)福特工程部考慮如何使用下一代產(chǎn)品來(lái)滿足板簧的懸架需求時(shí)，他們會(huì)首先來(lái)找我們。”“他們?cè)谙乱淮鶩-150卡車的底盤(pán)上有一些非常激進(jìn)的輕型目標(biāo)……他們想知道我們有什么想法。”
Rassini向福特提出的方案是橫跨機(jī)動(dòng)運(yùn)輸歷史的板簧演變的邏輯延伸。早期的板簧設(shè)計(jì)依賴于使用多個(gè)恒定厚度的鋼板，這些鋼板堆疊并捆綁在一起，隨著有效載荷的增加，鋼板依次接合（從上到下）。多年來(lái)，隨著鋼材質(zhì)量的提高，包裝中的鋼板數(shù)量逐漸減少，因?yàn)樗鼈兡軌蛴酶俚匿摪宄惺芟嗤妮d荷。
Rassini在墨西哥Piedras Negras的三個(gè)高度自動(dòng)化的HP-RTM工作站中為1+C混合板簧制造玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂輔助板。每個(gè)工作站使用一個(gè)10腔模具，整個(gè)工廠每年生產(chǎn)80多萬(wàn)塊復(fù)合輔助板。
Hotchkiss懸架主要用于卡車和廂式貨車應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，車輛設(shè)計(jì)為在不同的有效載荷和拖車牽引條件下運(yùn)行。全尺寸皮卡的典型板簧采用2+1設(shè)計(jì)，包括兩塊連接在一起的彎曲鋼板主板和一塊連接在主板底部的扁鋼輔助板。主板長(zhǎng)約2.0米，寬約70毫米，當(dāng)處于自由、無(wú)應(yīng)力位置時(shí)，其端部呈寬“U”形彎曲；輔助板通常在其自由位置是平的。
2+1彈簧結(jié)構(gòu)通過(guò)主板的端部連接到轉(zhuǎn)向架上；有一個(gè)安裝在每個(gè)后輪內(nèi)側(cè)的板簧，彈簧的中間剛性連接到一個(gè)實(shí)心后軸上。主板完成了懸架系統(tǒng)中的大部分工作，但當(dāng)車輛裝載有效載荷時(shí)以及在道路負(fù)載的大懸架鉸接過(guò)程中，輔助板會(huì)接合。因此，當(dāng)懸架加載時(shí)，輔助板是最后一個(gè)要結(jié)合的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這不是小事。像F-150這樣的車輛上的Hotchkiss懸架必須承受六個(gè)自由度（6D0F）的載荷和力矩：三種載荷情況是垂直、縱向、橫向，以及三種力矩情況是側(cè)傾、俯仰和偏航。
Collyer說(shuō)：“鋼板彈簧是一種多功能懸架部件，它不僅能滿足垂直行駛負(fù)載情況下的彈簧要求，而且彈簧實(shí)際上也是一個(gè)將車軸連接到車輛的梁元件，因此橫向和縱向負(fù)載/力矩也會(huì)受到彈簧的反作用。”
Rassini為2021車型年款F-150設(shè)計(jì)的多材料板簧代表了2+1設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，并圍繞著兩項(xiàng)減重創(chuàng)新展開(kāi)。它被稱為1+C，具有一個(gè)單一的鋼主板和一個(gè)復(fù)合輔助板。這些部件中的每一個(gè)都占整個(gè)結(jié)構(gòu)中節(jié)省的重量的大約一半。單鋼主板具有拋物線錐度，可優(yōu)化材料性能，并提供所需的大部分承載能力。玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）輔助板在重載條件下接合。
復(fù)合輔助板在與鋼主板組裝之前，在數(shù)控機(jī)床中通過(guò)修剪和鉆孔完成。Rassini是北美最大的鋼板彈簧組件制造商，其墨西哥工廠有生產(chǎn)額外復(fù)合材料輔助板的擴(kuò)張能力。
Collyer說(shuō)：“我們可以做全復(fù)合材料彈簧，也可以做全鋼彈簧，或者我們可以做混合彈簧，這就是福特在這輛車上選擇的。”“主葉片仍然是鋼的，輔助葉片變成了復(fù)合材料。”Collyer強(qiáng)調(diào)，高強(qiáng)度鋼的拋物線錐形厚度本身就提供了顯著的強(qiáng)度和重量節(jié)約。他說(shuō)：“通過(guò)這種設(shè)計(jì)方法，彈簧梁的應(yīng)力分布得到了充分優(yōu)化。”“我們使用最先進(jìn)的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)盡可能輕的重量，因此基本上我們已經(jīng)完全優(yōu)化了材料的設(shè)計(jì)和使用。”
M&P注意事項(xiàng)
Collyer表示，Rassini在設(shè)計(jì)復(fù)合材料輔助板時(shí)考慮了幾種材料選項(xiàng)，但最終選擇了由SGL Carbon（Wackersdorf，德國(guó)）提供的無(wú)卷曲織物E玻璃，該玻璃注入了西湖環(huán)氧樹(shù)脂（前德國(guó)杜伊斯堡Hexion）的EPIKOTE樹(shù)脂TRAC 06150環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)。Collyer報(bào)道稱，碳纖維曾被考慮過(guò)，但他表示，材料的成本并不支持這一商業(yè)案例。
隨著材料的選擇，Rassini不得不完成復(fù)合輔助板的設(shè)計(jì)。這里的挑戰(zhàn)圍繞著這樣一個(gè)事實(shí)，即GFRP的彈性模量遠(yuǎn)小于鋼的彈性模量，后者與彈簧剛度成正比。Collyer說(shuō)：“我們需要助手的彈簧剛度與鋼制版本相同，所以我們必須用GFRP使其更厚，以使其彈簧剛度-載荷-撓度曲線匹配。”
復(fù)合材料的模量性能也推動(dòng)了多材料彈簧的設(shè)計(jì)偏好。如果彈簧是由全復(fù)合材料制成的，那么懸架將需要改變結(jié)構(gòu)以適應(yīng)更寬的GFRP主板。Collyer解釋道：“鋼板彈簧之所以在主板中，是因?yàn)樗枰獧M向載荷。如果主板中有一個(gè)與鋼板彈簧寬度相同的復(fù)合材料，由于復(fù)合材料的模量較低，懸架的橫向剛度會(huì)較低。因此，我們可以用復(fù)合材料制作主板，但我們必須使其更寬，以補(bǔ)償和保持車輛的橫向性能。這意味著懸架結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，以封裝更寬的彈簧。”
Rassini制造的每個(gè)復(fù)合材料輔助板在交付給福特之前都要經(jīng)過(guò)負(fù)載測(cè)試。復(fù)合輔助板，再加上鋼主板材料和設(shè)計(jì)的進(jìn)步，使福特能夠從其F-150皮卡上消除16公斤的質(zhì)量。
Rassini開(kāi)發(fā)的最終復(fù)合輔助板長(zhǎng)1.0米，寬70毫米，厚30毫米，約為其前代鋼的1.7倍，但仍輕53%。結(jié)合主板設(shè)計(jì)的優(yōu)化所帶來(lái)的重量節(jié)約，Rassini為福特實(shí)現(xiàn)了每輛車約16公斤的總重量節(jié)約。Collyer承認(rèn)，復(fù)合材料輔助板的成本很高，但考慮到重量節(jié)省，這是福特可以接受的溢價(jià)。這有助于減少溫室氣體（GHG），并為未來(lái)制定更嚴(yán)格的CAFE和排放標(biāo)準(zhǔn)。Collyer說(shuō)：“市場(chǎng)開(kāi)始接受這些減肥機(jī)會(huì)的每公斤一定美元的溢價(jià)，當(dāng)你可以在一個(gè)項(xiàng)目中做到這一點(diǎn)并獲得16公斤時(shí)，這將成為一個(gè)非常有吸引力的商業(yè)案例。”
Collyer說(shuō)，下一個(gè)挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)一種能夠滿足F-150產(chǎn)品線高產(chǎn)量的制造工藝。Collyer表示，最初的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和原型設(shè)計(jì)使用了手工鋪設(shè)的預(yù)浸材料。然而，由于Rassini考慮大規(guī)模生產(chǎn)，它必須進(jìn)入高容量、自動(dòng)化、高度可重復(fù)的工藝，因此選擇了高壓樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑（HP-RTM）。Collyer說(shuō)：“對(duì)于這個(gè)特殊的項(xiàng)目，由于數(shù)量的原因，HP-RTM提供了最好的商業(yè)案例。”“預(yù)浸料每年可用于10萬(wàn)個(gè)或更少的彈簧。由于該項(xiàng)目的規(guī)模很大，我們需要更多的東西。一旦你每年獲得超過(guò)10萬(wàn)個(gè)預(yù)浸料，HP-RTM就開(kāi)始看起來(lái)很有吸引力。”
Rassini與moldmaker Alpex Technologies GmbH（Mils bei Hall，Austria）和機(jī)械供應(yīng)商FILL Gesellschaft GmbH，就在格蘭德河對(duì)岸，得克薩斯州拉雷多和德?tīng)柪飱W之間。三個(gè)HP-RTM單元中的每一個(gè)以每年約28000-30000次循環(huán)的速率操作10腔模具，每年的總?cè)萘繛?4000-900000個(gè)輔助板。每個(gè)復(fù)合材料輔助板在運(yùn)往福特之前也要進(jìn)行負(fù)載測(cè)試。
Rassini于2018年在墨西哥科阿韋拉的PiedrasNegras建造了這座52000平方英尺的工廠，其唯一目的是為1+C混合葉片彈簧制造復(fù)合輔助板。高度自動(dòng)化的制造僅在裝載玻璃纖維卷和卸載成品零件時(shí)需要接觸人工
Piedras Negras工廠可以說(shuō)代表了汽車應(yīng)用復(fù)合材料制造的未來(lái)。這座52000平方英尺的工廠于2018年3月投產(chǎn)，當(dāng)時(shí)三條HP-RTM生產(chǎn)線中的第一條開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。到2020年3月，這三條線路都已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，根據(jù)需要還有第四條線路的空間。而且，該設(shè)施周圍有足夠的土地，其規(guī)模幾乎翻了一番。Collyer說(shuō)，復(fù)合材料輔助板是目前工廠生產(chǎn)的唯一零件，由于自動(dòng)化程度高，操作員通常在流程開(kāi)始時(shí)（裝載NCF輥）和結(jié)束時(shí)（拉動(dòng)成品零件）與設(shè)備互動(dòng)。
這16公斤的重量節(jié)省是如何轉(zhuǎn)化為福特及其客戶的切實(shí)利益的？Collyer表示，Rassini無(wú)法分享福特的具體數(shù)據(jù)，但它可以分享關(guān)于皮卡等輕型車應(yīng)用的假設(shè)案例數(shù)據(jù)。例如，假設(shè)一輛燃?xì)馄囋谄涫褂脡勖鼉?nèi)平均每加侖行駛20英里，平均車輛使用壽命為150000英里，使用輕型鋼板彈簧的車輛數(shù)量約為250萬(wàn)輛。該車隊(duì)節(jié)省了16公斤的重量，估計(jì)在車隊(duì)使用壽命內(nèi)可節(jié)省75.8萬(wàn)噸二氧化碳排放和3.22億升燃料。
福特F-150是在該公司的P702平臺(tái)上制造的，預(yù)計(jì)該平臺(tái)將在其整個(gè)使用壽命內(nèi)使用Rassini1+C混合動(dòng)力板簧
Rassini在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)F-150片簧方面的創(chuàng)新并沒(méi)有被忽視。該公司在2021 SPE汽車復(fù)合材料大會(huì)和博覽會(huì)（ACCE）以及2021 SPE創(chuàng)新獎(jiǎng)競(jìng)賽和頒獎(jiǎng)典禮上獲得了獎(jiǎng)項(xiàng)，贏得了底盤(pán)硬件類別和大獎(jiǎng)。Rassini還因其多材料葉片彈簧組件獲得了2021年Altair啟蒙獎(jiǎng)。
Rassini指出，現(xiàn)在它已經(jīng)成功地執(zhí)行了這個(gè)令人興奮的復(fù)合材料輕量級(jí)項(xiàng)目，人們意識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)可以擴(kuò)展到其他產(chǎn)品。Collyer表示，該公司愿意尋求行業(yè)可能需要的其他輕量化發(fā)展。