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复合材料板簧作为汽车轻量化的代表,率先实现汽车复合材料工业化。鉴于国外复合材料板簧已经工业化,国内尚处于研制或小批量生产阶段,本文以Volvo XC90和 Mercedes-BenzSprinter两款批产复合材料板簧为论述背景,分别对高压 - 树脂传递模塑和预浸料模压制备板簧的整套工艺流程进行阐述,涉及原材料、工艺参数、成型设备等。同时,对两种批产工艺生产节拍和制造成本进行对比,如果年产 20 万件以内,预浸料模压工艺更具有优势。最后,针对复合材料板簧开发现状,提出了建议。
板簧是汽车悬架系统的重要组成部分,用于减震降噪,根据其装配环境位置分为横置板簧和纵置板簧,纵置板簧的载荷工况更为复杂。随着对汽车轻量化标准提出更高的要求,同时兼顾整车平顺性和安全性,板簧选材已经从钢质向复合材料过渡。
纤维增强树脂基复合材料具有比强度高、耐疲劳、固有频率与车身匹配优于金属等特点,为车用复合材料板簧应用提供了基础。在轻量化设计方面,复合材料板簧悬架系统比麦弗逊式独立悬挂系统减重 12%,比双横臂悬架系统减重 10%,比层片板簧悬架系统减重 60%。单从复合材料板簧结构外观看,横置和纵置并没有明显区别,但将复材板簧放到悬架或者底盘系统中看,装配环境大相径庭。
此外,现阶段即便使用价格最低的E玻纤,复合材料板簧制造成本也高于钢制板簧 1/3,而且主机厂对中低端车制造成本比较敏感。
国外对复合材料板簧研究相对早,上世纪 80年代初,美国、英国、德国竞相开展研制,美国通用率先研制成功。英国 GKN 集团为配套复合材料板簧、德国 IFC 为梅赛德斯 Sprinter配套复合材料板簧、德国 SGL 为沃尔沃提供复合材料板簧。
国内尚没有量产车型采用复合材料板簧公开过,处于研制、小批量供货阶段,主机厂、零部件供应商、研究所及高校也在积极研究。其中,北京中材汽车与株洲时代新材料科技股份有限公司为厦门金龙商务车型研制复合材料板簧;上海汽车钢板弹簧厂和同济大学为南京依维柯部分车型配套复合材料板簧。此外,哈尔滨玻璃钢研究院、吉林大学、株洲时代新材料科技股份有限公司、武汉理工大学、广州汽车集团股份有限公司、北京航空航天大学、蓝星(北京)化工机械有限公司、中国重汽集团技术发展中心、中国兵器工业集团第五三研究所、陕西重型汽车有限公司、集瑞联合重工有限公司汽车工程研究院、上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心、南京汽车集团有限公司汽车工程学院、吉林省华阳新材料研发有限公司等都在开发复合材料板簧。
2014年,SGL 与 Henkel 合作为 Volvo SPA 平台开发一款玻纤增强聚氨酯横置板簧,采用高压 - 树脂传递模塑(HP-RTM)成型工艺,2019 年 7 月,SGL 向 Volvo 交付了第一百万根板簧。
2006 年,IFC 与 Hexion 合作为 Mercedes-Benz Sprinter 开发了一款玻纤增强环氧横置板簧,采用预浸料模压成型工艺,截止到 2014 年,已累计交付了 130 多万根复合材料板簧。以上两种复合材料板簧批产工艺已经得到工业验证,如图 1 所示。下面以国外两款批产复合材料板簧为技术背景,对原材料、工艺设备及制造成本进行阐述。
HP-RTM 技术源于欧洲,能满足复合材料制品汽车工业化要求,工艺路线是将预制体放入闭腔模具内,通过高压注射完成树脂对预制体的浸润渗透,热进热出快速固化,生产节拍约 3-5 分钟/模。HP-RTM 产线包括三个关键部分:压机、注胶机、模温机,三者通过压机上的控制平台实现联动。
其中,注胶机的高压注胶头为核心部件,国内尚不能独立制造,依赖进口。能提供整条 HP-RTM 产线解决方案的主流设备供应商有康隆(Cannon)、迪芬(Dieffenbacher)、克劳斯玛菲(KraussMaffei)、舒 勒(Schuller), 其 中, 舒 勒 能 提 供 2500 吨 以上的大吨位压机,但是高压注胶系统是亨内基(Henneck)的技术,其余三家具备整套完备的解决方案,如图 2 所示。
与湿法模压(wet compression molding)相比,HP-RTM 能实现 3D 复杂结构,成型前需要制备预制体(preformings),为避免在模具压制的过程中出现起皱、撕裂现象,预成型模具往往采用分瓣式结构,通过控制系统实现分区不同步压制。
预制体在成型模具中需要定位准确且紧贴模具型面,避免在压制的过程中出现剐蹭滑脱。理论上讲,为避免在注射的过程中形成树脂流动快速通道,预制体边缘轮廓需要与密封条保持等宽 50mm 左右,在织物预成型后边缘轮廓进行修剪,通常是用切割机进行修剪。图3为 Frimo 制造的一套兼有预成型和切边功能的预模具,提高了生产效率,Frimo 为BMW 一级供应商。
Schmidt&Heinzmann 成立于 1949 年,是德国复材设备制造商,也是纤维切割技术领域的领跑者。预制体的成型路线:裁切下料→织物堆叠→加热压实→切割预制体,图 3 为预制体成型工序流程,特殊说明下,板簧的预成型模具型面为拱形,这里用平板模具代替,其余环节与板簧生产基本一致。先进的裁床能实现多层同步开卷,用于裁切 WCM 的层叠件(Stacking)效率高。有时对于预制体展开件还可能涉及打剪口,单层开卷切割就可以满足使用。机械手抓取形式有吸附式、夹持式、针刺式。对于织物的抓取针刺式更为合适,机械手实现有张力堆叠难度很高,通过温控模具活化定型剂(binder)进行并压实,后续五轴联动柔性高速割机实现预制体裁切,如图 4 所示。
树脂、固化剂、内脱模剂三者按一定比例混合后注入到模腔中,高压注射流率为 100-300g/s,注射压力可达 10-15Mpa。树脂粘度大、流动浸润性差, 美国树脂企业 Hexion 提出 115℃条件下 1 分钟粘度低于 200cps,2 分钟脱模,脱模后需要后固化处理。常温(25℃)下,注射混料的粘度在 3000cps 左右;在70℃时,树脂粘度低于 200cps。树脂、固化剂、脱模剂混合后发生交联反应,温度越高反应速度越快,混料就变得越粘稠,注射窗口就会变短。大部分树脂供应商建议树脂注射温度为 70-80℃,注射窗口控制在2 分钟左右。
用于复合材料板簧的HP-RTM树脂体系有环氧、聚氨酯两种,聚氨酯的性能介于环氧和尼龙,比环氧成本低,强度小于环氧,断裂延伸率大于环氧,能够满足复材板簧强度许用值。聚氨酯板簧的疲劳性能优于环氧复材板簧,即聚氨酯平面应变断裂韧度K1C较大。
此外,聚氨酯对水的敏感性极高,混合注射前需通氮气或者惰性气体排水蒸气。表1为4家树脂供应商的 HP-RTM 树脂基本性能参数,仅供参考。
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