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復(fù)合材料板簧對汽車行業(yè)來說并不新鮮。事實上，板簧本身可以追溯到馬車。根據(jù)設(shè)計，板簧可以吸收道路不規(guī)則造成的垂直振動。彈簧撓度的變化允許勢能以應(yīng)變能的形式儲存，然后隨著時間的推移逐漸釋放。復(fù)合材料因其高強度重量比、抗疲勞性和固有頻率而非常適合板簧應(yīng)用。復(fù)合材料中的內(nèi)部阻尼導(dǎo)致材料內(nèi)更好的振動能量吸收，從而減少振動噪聲向相鄰結(jié)構(gòu)的傳遞。

然而，最大的好處是減輕了質(zhì)量：復(fù)合材料鋼板彈簧的耐用性是鋼彈簧的五倍，因此，當(dāng)通用汽車（通用汽車，密歇根州底特律）在1981年的雪佛蘭Corvette C4上改用玻璃增強環(huán)氧復(fù)合橫向鋼板彈簧（由美國俄亥俄州恩格爾伍德的Liteflex LLC提供）時，重量為8磅/3.7公斤的單鋼板復(fù)合彈簧取代了重量為41磅/18.6公斤的鋼板系統(tǒng)。據(jù)報道，這使通用汽車能夠從Corvette上減少15公斤/33磅的簧下重量，同時保持相同的彈簧剛度。板簧橫向安裝；也就是說，它在每個軸上都橫穿汽車的寬度。這消除了框架上彈簧袋中高高的螺旋彈簧。因此，汽車可以坐得更低，這提高了汽車的操控性。

如今，通用汽車?yán)^續(xù)在其克爾維特車型的前后采用橫向玻璃纖維增強塑料復(fù)合材料板簧。2014款雪佛蘭Corvette Coupe包括一個雙叉臂懸架，在通用汽車公司，它被稱為短/長臂（SLA- short/long arm）。SLA指的是上控制臂比下控制臂短。橫向復(fù)合材料板簧壓在下臂上，橫跨汽車的寬度。事實上，彈簧總是加載在副車架上。這種設(shè)計將沖擊載荷引導(dǎo)到車架側(cè)面，消除了必須集成到標(biāo)準(zhǔn)懸架套件中的獨立后防側(cè)傾桿。據(jù)說，彈簧的外傾角曲線還可以改善轉(zhuǎn)彎時輪胎與路面的接觸。

復(fù)合材料也有可能取代鋼并減輕縱向板簧的重量。這些懸架與車輛的長度平行，作為車輪導(dǎo)向系統(tǒng)的一個組成部分提供懸架。“縱向板簧具有更高的安全系數(shù)，”Benteler SGL（奧地利里德）業(yè)務(wù)開發(fā)主管弗蘭克·費舍爾（Frank Fetscher）表示，該公司是Benteler Automotive和SGL Group–the Carbon Company（德國威斯巴登，見“編輯推薦”下的“SGL Automotive Carbon Fibers在華盛頓開設(shè)新工廠”）的合資企業(yè)。“它們可以具有線性彈簧剛度或漸進式彈簧剛度—多級彈簧—并且在扭轉(zhuǎn)和側(cè)向剛度方面必須比橫向彈簧表現(xiàn)更好。”

迄今為止，商用玻璃纖維和碳纖維增強復(fù)合材料板簧僅限于小批量生產(chǎn)型號。漢高股份公司（密歇根州麥迪遜高地）底盤業(yè)務(wù)開發(fā)專家斯科特·西蒙斯（Scott Simmons）解釋說：“當(dāng)樹脂首次用于汽車行業(yè)時，首先選擇的是已經(jīng)在航空航天行業(yè)得到驗證的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)。”。“雖然這些環(huán)氧樹脂系統(tǒng)提供了性能非常高的零件，但主要用于這些樹脂系統(tǒng)的預(yù)浸料制造工藝更適合與航空航天相關(guān)的小批量生產(chǎn)。”

環(huán)氧預(yù)浸料系統(tǒng)反應(yīng)不快，因為它們不需要用于熱壓罐加工，為了保證高航空航天標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量，熱壓罐加工必然需要緩慢而謹(jǐn)慎地控制溫度和壓力。然而，許多研究已經(jīng)通過使用更快的成型工藝以及開發(fā)和使用適當(dāng)?shù)目焖俜磻?yīng)樹脂體系來加快生產(chǎn)過程。這些新興系統(tǒng)顯示出經(jīng)濟批量生產(chǎn)復(fù)合材料板簧的前景。

西蒙斯斷言：“在汽車領(lǐng)域，RTM（樹脂傳遞模塑）是首選工藝，最大限度地提高加工速度對于實現(xiàn)大批量制造至關(guān)重要。”為此，漢高開發(fā)了一種專為快速高壓RTM（HP-RTM）工藝設(shè)計的聚氨酯基樹脂系統(tǒng)。西蒙斯解釋說：“我們的目標(biāo)是模仿環(huán)氧樹脂的性能特征，同時提高加工速度和靈活性。”他指出，最終，“汽車原始設(shè)備制造商想要一種復(fù)合材料系統(tǒng)，每年可以以相對較低的資本投資成本生產(chǎn)10萬至25萬個零件。”

據(jù)報道，漢高的樂泰Max 2基質(zhì)樹脂提供了一個答案：高模量（2800 MPa），斷裂伸長率為5%至10%，抗拉強度為80 MPa。由于其特定的聚合物骨架結(jié)構(gòu)，將“軟”聚合物鏈段與聚氨酯部分的強H橋結(jié)合在一起，據(jù)說純聚氨酯樹脂具有內(nèi)在韌性。漢高表示，這消除了對增加成本和粘度的額外增韌劑的需求。樹脂的韌性實際上轉(zhuǎn)化為抗疲勞性。這一點至關(guān)重要，因為汽車板簧在行駛條件下會受到動態(tài)載荷，并且需要通過需要700000次重復(fù)載荷循環(huán)的測試。使用具有高疲勞耐受性的柔性材料大大延長了板簧的壽命。

漢高與Benteler SGL合作，使用基于聚氨酯的HP-RTM工藝大規(guī)模生產(chǎn)輕質(zhì)纖維增強板簧。該工藝將單向（UD）玻璃纖維預(yù)制棒技術(shù)與漢高的Max 2樹脂系統(tǒng)相結(jié)合。漢高表示，其結(jié)果是板簧的重量比傳統(tǒng)鋼制彈簧輕65%——6公斤比15公斤（13磅比33磅）。

當(dāng)漢高與Benteler SGL接洽其聚氨酯工藝時，后者正在為戴姆勒股份公司（德國斯圖加特）制造的輕型貨車梅賽德斯-奔馳Sprinter開發(fā)前橋復(fù)合材料板簧。Sprinter多年來一直使用復(fù)合材料板簧。與之前的迭代一樣，該零件是用玻璃增強環(huán)氧樹脂設(shè)計的。西蒙斯說：“Benteler SGL已經(jīng)設(shè)計了織物的方向和密度，我們提出了一種可以與現(xiàn)有設(shè)計配合使用的替代樹脂。”

他堅稱：“用Max 2聚氨酯取代現(xiàn)有的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對戴姆勒很有吸引力，因為聚氨酯比環(huán)氧樹脂更堅固，更能承受彎曲和撓曲。”。“它還提高了對裂紋擴展的抵抗力，這意味著如果巖石彈出并撞擊板簧，可能出現(xiàn)的任何碎片或裂紋都不太可能擴展。”

西蒙斯說：“本特勒的興趣在于速度。”。他說：“現(xiàn)有的環(huán)氧樹脂需要大約30到35分鐘的模具時間。由于一個項目每年需要10萬到15萬個零件，30分鐘的循環(huán)時間將需要大量的模具來滿足需求，這會顯著影響資本投資成本。”他指出，“Max 2樹脂系統(tǒng)提供了更快的注射時間—從環(huán)氧樹脂的幾分鐘到聚氨酯的幾秒鐘—以及更快的模具時間—從30到35分的環(huán)氧樹脂到8分鐘的聚氨酯。”

費舍爾解釋說：“通過HP-RTM，我們有了一個經(jīng)濟的工藝，提供了幾何設(shè)計的可能性。”。“最終，最終產(chǎn)品具有與環(huán)氧體系相同的性能。” 費舍爾表示，評估了聚氨酯基質(zhì)樹脂的流變行為與溫度和等溫固化動力學(xué)的關(guān)系，以確定在最小樹脂粘度下的注射工藝窗口。最佳加工窗口為70°C至110°C（158°F至230°F）。費舍爾聲稱：“在優(yōu)化的加工參數(shù)下，可以以低至30 mPas（30 cps）的粘度注入混合的聚氨酯基質(zhì)樹脂。”。“使用高壓RTM設(shè)備，低基質(zhì)樹脂粘度可實現(xiàn)每秒100克至300克樹脂的超快注射速率。同時，聚氨酯基質(zhì)樹脂的獨特流動行為不會導(dǎo)致高粘度基質(zhì)樹脂所表現(xiàn)出的不良纖維置換效應(yīng)。”

漢高最近推出了其基于Max 3聚氨酯的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在Benteler SGL的投入下開發(fā)的。值得注意的是，新系統(tǒng)還包括一個內(nèi)部脫模器，使加工更容易。西蒙斯解釋說：“通常，RTM或壓縮成型需要某種類型的脫模，因此我們將內(nèi)部脫模集成到產(chǎn)品中，以消除對該步驟的需求。”。此外，可以向基礎(chǔ)異氰酸酯和多元醇中加入任選的促進劑以提高加工速度。

Max 3還提供了更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而提高了成品零件的耐溫性。西蒙斯強調(diào)：“提高耐溫性仍然是我們未來聚氨酯系統(tǒng)的目標(biāo)。”他指出，持續(xù)的研究相當(dāng)于一種保險政策。他解釋說：“在汽車中，150°C至180°C（302°F至356°F）的耐溫性將使零件能夠通過電泳涂裝過程。”。“并不是說復(fù)合材料部件一定需要電泳涂裝工藝，”他觀察到，“但我們的目標(biāo)是讓復(fù)合材料部件能夠承受與汽車上其他部件相同的加工溫度，從而簡化生產(chǎn)。”

在過去的幾年里，環(huán)氧樹脂技術(shù)和用于模制環(huán)氧復(fù)合材料的工藝也取得了實質(zhì)性進展。Momentive Specialty Chemicals（俄亥俄州哥倫布市）開發(fā)了所謂的“快速固化”環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，旨在允許中批量生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，包括板簧。Momentive表示，新系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)環(huán)氧基復(fù)合材料的性能，但在HP-RTM中使用時，與聚氨酯一樣，只需幾分鐘即可完成。

羅曼·希勒梅爾（Roman Hillermeier）博士聲稱：“先進的配方是獨一無二的，因為它們?yōu)樵鰪娎w維的堅固浸漬提供了足夠長的注射窗口，同時仍然能夠?qū)崿F(xiàn)極短的固化周期。”他與Momentive研究合作伙伴塔里克·哈森博士、拉爾斯·弗里德里希和塞德里·波爾在塑料工程師學(xué)會2012年汽車復(fù)合材料會議和展覽上介紹了研究結(jié)果（見尾注）。希勒梅爾說：“整個過程需要很短的周期時間才能實現(xiàn)汽車的大規(guī)模生產(chǎn)。”。他說，實際上，這意味著不到五分鐘。

實現(xiàn)這些更快生產(chǎn)速度的一個關(guān)鍵是預(yù)成型粘合劑。希勒梅爾解釋說：“在快速RTM加工的情況下，與樹脂基質(zhì)具有良好的相容性尤為重要，增強材料的滲透性不會受到負面影響，粘合劑提供足夠的強度以防止纖維在注射過程中變形。”。“通過‘反應(yīng)性’或‘可交聯(lián)’粘合劑實現(xiàn)了更高的性能水平。”

在5分鐘或更短的生產(chǎn)速度下，填充模具和完成纖維潤濕所需的時間對環(huán)氧樹脂來說是一個挑戰(zhàn)。希勒梅爾指出，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件需要50%或更多的相對較高的纖維體積。“非常低的粘度和足夠的浸漬時間是實現(xiàn)高質(zhì)量成品零件所需的兩個關(guān)鍵特征。RTM樹脂的理想注射粘度應(yīng)在加工溫度下低于100 mPas（100 cps）至少60秒。”

作為回應(yīng)，Momentive開發(fā)了兩種快速反應(yīng)的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，其設(shè)計具有足夠的熱延遲，以便有時間徹底潤濕大型或幾何形狀復(fù)雜的部件。這兩個系統(tǒng)都是為HP-RTM處理而設(shè)計的。第一種是含有EPIKURE 05443固化劑的EPIKOTE 05475樹脂，據(jù)報道在120°C/248°F下可在五分鐘內(nèi)固化。第二種是EPIKOTE 05475樹脂，含有EPIKURE 05500固化劑和Heloxy 112內(nèi)部脫模劑，據(jù)報道在115°C/239°F下可在兩分鐘內(nèi)固化。最近，Momentive推出了EPIKURE 05500快速固化環(huán)氧樹脂和EPIKOTE 04695-1粘合劑/EPIKURE 05490A固化劑，用于使用間隙浸漬RTM工藝生產(chǎn)A級復(fù)合材料汽車零部件。

Momentive在開發(fā)其新型環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的過程中也與模具商合作。一個值得注意的例子是IFC Composites（德國哈爾登斯勒本），該公司自2005年以來一直在大規(guī)模生產(chǎn)玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基板簧。該公司使用半自動預(yù)浸料制造系統(tǒng)，在此過程中，連續(xù)纖維被樹脂浸漬。據(jù)報道，國際金融公司已為包括戴姆勒Sprinter貨車在內(nèi)的輕型卡車供應(yīng)了130多萬個復(fù)合材料板簧。IFC制造的Sprinter前橋板簧長1400毫米/55英寸，寬75毫米/3英寸，厚30毫米/1.18英寸，重量為5.5公斤/12.1磅，而它取代的是25公斤/55磅的鋼制前橋板簧。

新的發(fā)展還包括汽車懸架系統(tǒng)制造方法的變化。Benteler SGL的費舍爾預(yù)測：“橫向板簧的下一步將是從單一組件供應(yīng)商轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供應(yīng)商。”他補充道：“具有復(fù)合材料板簧覆蓋顛簸和側(cè)傾功能的多連桿軸系統(tǒng)是完整后橋模塊最有效的重量優(yōu)化，也是減輕重量的下一步。”。Benteler板簧后模塊的開發(fā)目標(biāo)包括通過用橫向復(fù)合板簧代替螺旋彈簧和防側(cè)傾桿來減輕重量，同時不降低車輛的操縱性能，改善懸架系統(tǒng)的聲學(xué)阻尼。板簧將支撐碰撞和側(cè)傾剛度。 Benteler認為車輛動力學(xué)將得到改善。據(jù)報道，每個系統(tǒng)的重量減輕將達到4公斤至8公斤（8.8磅至17.6磅），成本在減輕重量的可接受范圍內(nèi)。目前，Benteler已在車軸懸架概念中開發(fā)了系統(tǒng)集成，將防側(cè)傾桿的功能納入板簧。該系統(tǒng)已完全開發(fā)完畢，可進行程序集成。

ZF Friedrichshafen AG（德國施韋因富特）是一家全球傳動系統(tǒng)和底盤技術(shù)供應(yīng)商，正在進一步開發(fā)車輪導(dǎo)向橫向板簧。該系統(tǒng)旨在執(zhí)行彈簧、防側(cè)傾和車輪控制功能。然而，這種板簧是通過加熱壓縮成型制造的，采用環(huán)氧樹脂體系和連續(xù)玻璃纖維增強材料。

ZF表示，彈簧上的負載很復(fù)雜，因此纖維含量和取向的過程控制是成功的關(guān)鍵。彈簧的設(shè)計消除了許多傳統(tǒng)的鋼制部件—一個帶支架的防側(cè)傾桿、兩個防側(cè)傾桿連桿、兩個控制臂和兩個傳統(tǒng)螺旋彈簧。ZF報告稱，復(fù)合鋼板彈簧懸架系統(tǒng)比傳統(tǒng)麥弗遜（MacPherson）支柱懸架輕約12%，比傳統(tǒng)扭梁懸架輕約10%，比鋼制多鋼板彈簧輕60%。精確車輪控制和所需彈簧剛度的關(guān)鍵是鋼板彈簧橫截面的設(shè)計和安裝位置。ZF的設(shè)計目標(biāo)是緊湊型轎車，該公司預(yù)計將在2014年首次投入生產(chǎn)。

由于橫向復(fù)合材料鋼板彈簧已經(jīng)用于輕型卡車和貨車，以及高端跑車，“橫向鋼板彈簧未來的主要焦點，” 費舍爾說，“將是將車身懸架（螺旋彈簧）和防側(cè)傾桿功能系統(tǒng)集成到多連桿鋼板彈簧懸架概念中。”這些將是廣泛采用的關(guān)鍵因素。他說：“該系統(tǒng)將主要針對C級和D級市場的乘用車。”他分別指的是大規(guī)模生產(chǎn)的緊湊型轎車和大型轎車。

在縱向板簧側(cè)，復(fù)合材料主要用于高間隙皮卡、大型貨車和重型卡車。在這里，前景稍顯黯淡。費舍爾解釋說：“對于縱向板簧，我們預(yù)計將看到更多的FRP部件替代鋼，而不是系統(tǒng)集成。”。也就是說，經(jīng)過50年的復(fù)合材料研究，在20世紀(jì)50年代高價跑車的稀有領(lǐng)域首次亮相的復(fù)合材料板簧將在日常汽車中實現(xiàn)商業(yè)生產(chǎn)的可能性從未如此之高。

Benteler SGL（奧地利里德）已經(jīng)確定了一種用于生產(chǎn)縱向彈簧的碳纖維混合系統(tǒng)。Benteler SGL業(yè)務(wù)開發(fā)主管弗蘭克·費舍爾表示：“縱向彈簧是車輪導(dǎo)向裝置，因此它是一個與安全相關(guān)的部件，故障將導(dǎo)致嚴(yán)重的題。”。“為了有一個更堅固的零件，我們正在開發(fā)一種增強的復(fù)合材料制造工藝，以結(jié)合纖維纏繞、預(yù)浸料和RTM的優(yōu)點。”專有流程仍在開發(fā)中。費舍爾說：“我們已經(jīng)取得了第一個里程碑——第一個積極成果——我們有一個預(yù)期目標(biāo)。”。“我們也用RTM工藝實現(xiàn)了縱向板簧，但我們看到物理需求在增加，因此，我們希望有第二種工藝，以便在保持RTM工藝成本。

效益的同時更加靈活。”縱向板簧比橫向彈簧更容易受到外部的沖擊。因此，玻璃纖維增強聚合物縱向板簧并不常用。費舍爾說：“縱向板簧需要一定程度的剛度，該剛度始終與彈簧的寬度無關(guān)。”。他補充道：“你需要靈活的寬度和厚度變化，以滿足剛度水平與主要功能—輪轂剛度相結(jié)合的要求。”。“這是我們希望通過新工藝實現(xiàn)的目標(biāo)—RTM更具靈活性。纖維纏繞允許彈簧寬度的靈活性，RTM和預(yù)浸料允許交替的厚度變化。”他說，將這些工藝與碳纖維結(jié)合起來，可以實現(xiàn)適用于輕型商用卡車和皮卡的縱向板簧設(shè)計。