【复材资讯】传统钢板弹簧与复合材料“辅助”结合 打造新型混合材料板簧系统

2016年，美国福特汽车公司向Rassini International发起挑战。任务是减轻F-150皮卡后悬架的重量。F-150皮卡是该汽车制造商的旗舰和标志性卡车。Rassini是北美最大的板簧和其他悬架部件供应，他们为福特提供了几个解决方案，但更倾向于将传统钢板弹簧与复合材料“辅助”结合起来的解决方案——这是一个多种材料的解决方案，代表了汽车复合材料终端市场的重要增长契机。

实现轻量化的目标

Rassini工程、钢板弹簧副总裁兼轻量化研发总监表示，Rassini在汽车供应链中的地位使其成为寻求创新解决方案的原始设备制造商的首选合作伙伴。“当福特工程部考虑如何开发下一代叶片弹簧悬架产品时，他们首先会来找我们。”相关人员说，“他们对下一代F-150卡车的底盘提出了一些非常激进的轻量化目标，他们很想知道我们有什么想法。”

Rassini向福特给出的方案，与汽车运输历史上钢板弹簧的发展趋势相辅相成。早期的板簧设计依赖于使用多个厚度恒定的钢板，这些钢板被堆叠并捆绑在一起，随着有效载荷的增加，钢板从上到下连续接合。多年来，随着钢材质量的提高，包装中的钢板数量逐渐减少，因为它们能够用更少的板承受相同的负载。

Hotchkiss悬架主要用于卡车和货车应用，这些车辆被设计为在不同的载荷和拖车牵引条件下运行。典型的全尺寸皮卡钢板弹簧的特点是2+1设计，包括两个弯曲的钢主板绑在一起，和一个扁平的钢辅助板附着在主板的底部。主板长约2.0米，宽约70毫米，当处于自由、不受力的位置时，其两端呈宽“U”形向上弯曲；辅助板在其自由位置通常是平的。

2+1弹簧结构通过主板的端部连接至卡车框架；每个后轮的内侧都安装有一个板簧，弹簧的中部与实心后轴紧密相连。主板在悬架系统中完成大部分工作，但辅助板在车辆装载有效载荷和在道路负载的大型悬架连接中被使用。因此，辅助板是悬架加载时要接合的最后一个结构构件。这不是小事。F-150等车辆上的Hotchkiss悬架必须承受来自六个自由度（6D0F）的载荷和力矩：三种载荷情况为垂直、纵向、横向，以及三种力矩情况为滚转、俯仰和偏航。

板簧是一种多功能悬架组件，它不仅满足垂直行驶载荷情况下的弹簧要求，但弹簧实际上也是连接车轴和车辆的梁元件，这样横向和纵向载荷/力矩也受到弹簧的反作用。”

Rassini为2021 MY F-150设计的多材料板簧代表了2+1设计的进一步发展，并围绕两项减轻重量的创新展开。被称为1+C，它具有一个单一的钢主板和一个复合辅助板。这些部件中的每一个都占整个结构节省的重量的一半左右。单个钢制主板具有抛物线锥度，可优化材料性能并提供所需的大部分承重。玻璃纤维增强塑料（GFRP）辅助板在重载条件下进行接合。

相关人员表示：“我们可以采用全复合材料弹簧，也可以采用全钢弹簧，或者混合使用，这就是福特在这款车中所选择的。”相关人员强调，“主板仍然是钢的，辅助板则使用复合材料。”高强度钢的抛物线锥形厚度本身就提供了显著的强度和重量节省。“通过这种设计方法，弹簧梁在应力分布方面得到了充分优化。我们正在使用现有最先进的材料来实现尽可能轻的重量，所以基本上我们已经完全优化了材料的设计和使用。”

材料选择

Rassini在设计复合材料辅助板时考虑了几种材料选择，但最终选择了由SGL Carbon提供的非卷曲织物E-glass玻璃纤维，注入了Westlake环氧树脂（前身为Hexion）的EPIKOTE树脂TRAC 06150环氧树脂体系。相关人员表示，也曾考虑过使用碳纤维，但这种材料的成本并不支持商业案例。

Rassini选用的Epikote™ Resin TRAC 06150 与Epikure™ Curing Agent TRAC 06150结合的环氧树脂系统，是因为该树脂系统可以确保复合材料辅助弹簧实现稳定的大批量生产。

这种环氧复合材料的辅助弹簧即使暴露在严酷的应用条件下，如炎热的天气、高湿度以及接触汽车中的各种液体等，依然表现出了较长的疲劳寿命。

Epikote™ Resin TRAC 06720粘结剂对于稳定织物以及实现大型定向织物叠层的自动化预成型至关重要，且与快速固化树脂系统完全兼容。

选择材料后，Rassini必须最终确定复合辅助板的设计。这里的挑战在于，GFRP的弹性模量远小于钢的弹性模量，而钢的弹性模量与弹簧刚度成正比。“我们需要辅助材料具有与钢制版本相同的弹簧刚度，”相关人员说，“因此我们必须使GFRP更厚，以使其弹性速率载荷挠度曲线匹配。”

复合材料的模量性能也推动了多材料弹簧的设计偏好。如果弹簧是由全复合材料制成的，悬架将需要结构上的改变，以适应更宽的GFRP主板。

Rassini最终开发的复合材料辅助板长1.0米，宽70毫米，厚30毫米，大约是前一代钢板厚度的1.7倍，但仍轻53%。结合优化主板设计所节省的重量，Rassini为福特每辆车节省了约16公斤的总重量。

相关人员承认，复合材料辅助板的成本较高，但考虑到减轻的重量，这是福特可以接受的成本溢价。这有利于减少温室气体（GHG），并为未来制定更严格的CAFE和排放标准。

相关人员说，下一个挑战是开发一种能够满足F-150产品线高产量的制造工艺。相关人员说，最初的产品开发和原型设计使用了手工铺放的预浸材料。然而，当Rassini考虑大规模生产时，它必须进入一个大批量、自动化、高重复性的工艺过程，因此选择了高压树脂传递模塑（HP-RTM）。“对于这个特定的项目，由于数量众多，HP-RTM能够提供最好的商业应用。”相关人员说。“预浸料每年可生产10万个左右的弹簧。由于这个项目的工作量很大，我们需要的不仅仅是这些。一旦年产量超过10万个单位，HP-RTM就会很有吸引力。”

与模具制造商Alpex Technologies GmbH和机械供应商FILL Gesellschaft GmbH、Hennecke、Engel合作，Rassini开发并在其位于墨西哥Coahuila的Piedras Negras的最新工厂安装了三个高度自动化的HP-RTM单元。三个HP-RTM单元中，每个单元操作一个10型腔模具，每年循环运行约28,000 – 30,000次，总产能为每年840,000-900,000个辅助板簧。每个复合材料辅助板簧在运送到福特之前会进行负载测试。

这16公斤的减重如何转化为福特和其客户的切实利益？相关人员说，Rassini不能分享来自福特的具体数据，但它可以分享关于轻型卡车等车辆应用的假设案例数据。例如，假设一辆以汽油为动力的汽车在其使用寿命中平均每加仑汽油行驶20英里，汽车的平均使用寿命为15万英里，使用轻型钢板弹簧的汽车数量约为250万辆。该车队每节省16公斤的重量，估计在整个车队使用寿命中可减少75.8万吨二氧化碳排放和3.22亿升燃料。

文章来源：荣格复材技术

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