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摘要：以某輕型貨車用板簧為研究對(duì)象，以玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料代替彈簧鋼減輕車輛板簧質(zhì)量為目的，通過材料優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了復(fù)合材料設(shè)計(jì)方案，利用 ANSYS 仿真設(shè)計(jì)軟件對(duì)復(fù)合材料板簧進(jìn)行了力學(xué)性能分析，采用樹脂傳遞模塑 (RTM) 制備工藝制備了玄武巖增強(qiáng)復(fù)合材料板簧。結(jié)果表明，優(yōu)化后的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板簧靜態(tài)強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)疲勞壽命能夠滿足設(shè)計(jì)和使用要求，通過了靜載和臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，且質(zhì)量相對(duì)于彈簧鋼板簧減重 55%。
關(guān)鍵詞：板簧；玄武巖纖維；環(huán)氧樹脂；復(fù)合材料
板簧是貨車、卡車或客車懸架的重要組成部分，承受和傳遞車架與車橋之間各方向力及力矩作用。目前量產(chǎn)應(yīng)用的板簧主要由優(yōu)質(zhì)合金鋼板制成，故稱鋼板彈簧，其質(zhì)量占車體自重的 5%～7%，存在自重大、生產(chǎn)工序多、設(shè)備占地面積大、能耗高等缺點(diǎn)。
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車輕量化已成為汽車制造工業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，特別是新能源汽車有迫切減重需求，非主承力外覆蓋件 ( 包括“四門兩蓋”、車頂?shù)?) 由于受力小，屬非關(guān)鍵部件最早被用于復(fù)合材料輕量化研發(fā)，隨著減重需求的深入，作為承力結(jié)構(gòu)的板簧部件也逐漸成為復(fù)合材料輕量化研發(fā)的熱點(diǎn)。目前國內(nèi)開發(fā)復(fù)合材料板簧的廠家和科研機(jī)構(gòu)較多，北京中材汽車復(fù)合材料有限公司、哈爾濱玻璃鋼研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等在這方面均開展過項(xiàng)目研究，北京中材汽車復(fù)合材料有限公司開發(fā)的復(fù)合材料板簧已經(jīng)在國外依維柯車型上獲得了批量應(yīng)用。
連續(xù)玄武巖纖維是一種綜合性能優(yōu)良、性價(jià)比較高的纖維材料，是一種低投入、高產(chǎn)出、低能耗、少排放、能循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的新材料。樹脂傳遞模塑 (RTM) 工藝已經(jīng)發(fā)展成為纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的主導(dǎo)工藝技術(shù)之一，因其制作工藝具有成本低、制品性能高、可加預(yù)埋件等優(yōu)勢(shì)，已成為復(fù)合材料制造工藝中發(fā)展速度最快的工藝之一，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域中，近年來對(duì)其工藝的完善和研究熱度仍不減，RTM工藝技術(shù)方法也日趨成熟和普及。濟(jì)南市汽車輕量化復(fù)合材料與制品工程技術(shù)研究中心采用 RTM 工藝成功制備了玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板簧，已經(jīng)通過了臺(tái)架20萬次疲勞試驗(yàn)，靜載性能滿足使用要求。
單向玄武巖纖維布：300 g／m2，吉林通鑫玄武巖科技股份有限公司；環(huán)氧樹脂、固化劑、增韌劑：自制；聚合物微粉：SN358，黃山貝諾科技有限公司；界面改性劑、表面彈性涂層：自制。
RTM 注塑機(jī)：SPARTAN–2 型，北京科拉斯科技有限公司；
橋式切割機(jī)：山東通佳機(jī)械有限公司；
疲勞試驗(yàn)機(jī)：INSTRON8032 型，英國Instron公司。
首先進(jìn)行模具清理，清除雜物并用高壓氣體吹模具表面。然后進(jìn)入模具準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，包括對(duì)模具表面進(jìn)行涂覆脫模劑處理和模具預(yù)加熱。在模具準(zhǔn)備的同時(shí)，可進(jìn)行預(yù)成型材料準(zhǔn)備，將玄武巖纖維單向布按設(shè)計(jì)尺寸裁切待用，RTM 注塑機(jī)樹脂預(yù)加熱開啟，檢查、調(diào)節(jié)RTM 注塑機(jī)各樹脂比例調(diào)節(jié)閥以使樹脂的配置比例準(zhǔn)確。在預(yù)成型體制備過程中要保證玄武巖纖維布各鋪層方向、鋪層順序和層數(shù)準(zhǔn)確無誤，鋪放過程中可利用定型劑輔助鋪放，以防止纖維層竄動(dòng)造成的鋪層方向偏差。
待RTM 注射前準(zhǔn)備工作完成后，合模加壓至2 MPa，連接注射頭開啟注塑機(jī)注射，注射結(jié)束后繼續(xù)加壓至10 MPa，模具按固化制度升溫開始進(jìn)行產(chǎn)品固化。
固化完成后脫模，取出后切割成板簧設(shè)計(jì)寬度，然后進(jìn)行安裝配件及后處理。其具體的工藝流程圖如圖1 所示。
按照GB／T 19844–2005 測試，板簧一端固定安裝，另一端在支架上水平單方向自由活動(dòng)，對(duì)復(fù)合材料板簧進(jìn)行靜載及動(dòng)態(tài)疲勞載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)測試安裝示意圖如圖2 所示。
由于板簧特殊的受力工況，要求在滿足剛、強(qiáng)度要求的前提下同時(shí)具有良好的韌性及疲勞可靠性。高性能碳纖維復(fù)合材料雖然具有較高的強(qiáng)度和模量，但其斷裂伸長率差，不適于板簧這類形變較大的結(jié)構(gòu)承載構(gòu)件，雖然其它先進(jìn)有機(jī)纖維如芳綸纖維斷裂強(qiáng)度高，但其不適應(yīng)制備熱固性結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件。無堿玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量較低，拉伸強(qiáng)度較低，導(dǎo)致玻璃纖維制備的復(fù)合材料板簧變形量較大，可承受的應(yīng)力等級(jí)低，產(chǎn)品耐應(yīng)力蠕變性差，與之相比，玄武巖纖維具有良好的斷裂伸長率及較高的拉伸彈性模量，其耐高低溫性能優(yōu)于無堿玻璃纖維，價(jià)格也較低，具有較優(yōu)良的性價(jià)比。
樹脂基體選用自制低黏度高性能環(huán)氧樹脂體系。針對(duì)板簧較為嚴(yán)苛的使用工況，主要從樹脂增韌和界面性能改善兩方面對(duì)樹脂體系進(jìn)行優(yōu)化。采用復(fù)合添加納米聚合物微粉方法，增加樹脂基體的韌性，添加量為3%～5% ；針對(duì)玄武巖纖維– 環(huán)氧樹脂體系，添加一種玄武巖纖維專用界面改性劑，該改性劑由KH-560 和特制界面改性劑復(fù)配，能夠很好地改善玄武巖纖維和環(huán)氧樹脂基體界面性能。
(1) 復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)
根據(jù)金屬板簧結(jié)構(gòu)圖紙，結(jié)合復(fù)合材料性能及成型工藝特點(diǎn)，提出的復(fù)合材料板簧結(jié)構(gòu)如圖3 所示，復(fù)合材料板簧采用玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，采用兩種鋪層方式，分別為單向復(fù)合材料鋪層( 纖維方向?yàn)榘寤缮熘狈较? 以及正交布鋪層( 纖維方向?yàn)樯熘狈较蚣按怪庇谏熘狈较?。深色部分為單向纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料；淺色部分為(1 ∶1 纖維布) 正交布增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，復(fù)合材料板簧幾何尺寸如圖4 所示，寬度為50 mm。
對(duì)復(fù)合材料板簧設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了靜載條件ANSYS 有限元數(shù)值模擬與驗(yàn)算。復(fù)合材料板簧承受950，2 450 N 的Y 向力作用變形計(jì)算結(jié)果如表1所示，分別計(jì)算考慮和未考慮連接孔中橡膠軸套變形影響。計(jì)算結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)方案均滿足靜載荷變形量設(shè)計(jì)要求。
圖5、圖6 為復(fù)合材料板簧承受950，2 450 N 時(shí) Y 方向變形圖。
ANSYS 計(jì)算模擬結(jié)果顯示，通過不同鋪層厚度、不同鋪層角復(fù)合材料板簧結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，可以獲取適合于變形技術(shù)要求的鋪層厚度、鋪層角結(jié)構(gòu)方案。根據(jù)金屬板簧結(jié)構(gòu)圖，按照復(fù)合材料替代方法，根據(jù)復(fù)合材料工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的復(fù)合材料板簧簡化替代結(jié)構(gòu)。在板簧依次承受950，2 450 N 集中力計(jì)算條件下，玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料板簧滿足給定的剛度變形技術(shù)要求。
(2) 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
復(fù)合材料板簧的關(guān)鍵部位為兩端部的金屬吊耳的連接，通常的結(jié)構(gòu)連接形式如參考文獻(xiàn)，其結(jié)構(gòu)形式均為一體成型，帶來兩個(gè)方面問題，一是整體結(jié)構(gòu)熱處理工藝?yán)щy；二是安裝時(shí)易損壞連接部位的復(fù)合材料。
圖7 為優(yōu)化后的吊耳結(jié)構(gòu)形式。將吊耳結(jié)構(gòu)分為兩部分制作，一方面制作成本降低，另一方面安裝方便且不會(huì)造成復(fù)合材料板簧的表面損傷。連接孔優(yōu)化為兩孔錯(cuò)位連接，限制連接部件的不同平面方向的滑動(dòng)。連接工藝為機(jī)械連接配合膠接方式，機(jī)械連接采用螺栓或鉚接連接，螺栓連接時(shí)應(yīng)配合螺紋緊固膠使用，膠粘劑均勻涂抹在連接面，未固化前緊固連接后放入固定工裝中后固化。
(1) 工藝溫度的確定
RTM 工藝對(duì)樹脂的黏度要求較高。樹脂黏度的增加帶來樹脂對(duì)纖維的浸潤性變差和注塑壓力的增大，采取加熱樹脂原材料的方法能夠有效地降低樹脂黏度，配合加熱模具，使樹脂能夠在模具內(nèi)更好地浸潤纖維，同時(shí)減少缺陷的產(chǎn)生。圖8 為溫度對(duì)樹脂黏度的影響。樹脂加熱到80℃以上時(shí)，黏度降低至240 mPa · s，基本達(dá)到了最佳注射黏度范圍，故樹脂加熱的工藝溫度設(shè)定為80～100℃。
復(fù)合材料板簧用樹脂的固化工藝如圖9 所示。采用三步升溫法固化工藝，RTM 工藝操作時(shí)模具加熱嚴(yán)格按固化工藝控制。
(2) 成型壓力控制
RTM 工藝壓力控制主要考慮注射初期對(duì)纖維織物預(yù)成型體紗線排布的影響和浸潤速率等方面。
在板簧成型過程中壓力控制的優(yōu)化更多的是對(duì)制品質(zhì)量的干預(yù)。采取恒壓注射，中間注射過程采取以下步驟排除“短路”等缺陷，當(dāng)流動(dòng)前沿到達(dá)排氣孔時(shí)，關(guān)閉排氣孔，保持注射口打開，直至型腔內(nèi)壓強(qiáng)與注射口相同后，保壓一段時(shí)間，然后重新打開排氣孔，一部分樹脂會(huì)與空氣同時(shí)流出型腔，重復(fù)上述過程可獲得較好的效果，提高復(fù)合材料成型質(zhì)量。
(3) 切割工藝
常用的復(fù)合材料切割工藝有高壓水切割和金剛石鋸片切割方法。高壓水切割的方法雖然具有精度控制高及冷切割的優(yōu)點(diǎn)，但是高壓考驗(yàn)著復(fù)合材料薄弱的層間強(qiáng)度，容易產(chǎn)生分層缺陷，且水射流發(fā)散導(dǎo)致切割厚度方向尺寸偏差，高速的剛性砂的散射也會(huì)損傷復(fù)合材料切割面。
相對(duì)于高壓水切割方法，金剛石鋸片切割方法更適合切割復(fù)合材料的板簧，不同工藝切割后表面的對(duì)比圖如圖10 所示。
由圖10 可見，金剛石鋸片切割面損傷更小，切割面平滑平整。
采用RTM 工藝制備的玄武巖復(fù)合材料板簧實(shí)物樣品如圖11 所示，達(dá)到的性能如下：
(1) 負(fù)荷為950 N 時(shí)，板簧變形量為(22±5)mm ；
(2) 負(fù)荷為2 450 N 時(shí)，板簧變形量為(55±5)mm ；
(3) 復(fù)合材料板簧在20 萬次往復(fù)載荷（頻率1 Hz，7 350 N）條件下未發(fā)生破壞；
(4) 制備的玄武巖板簧重11.7 kg，對(duì)比鋼板彈簧(25.9 kg) 減重約55%。
目前，玄武巖復(fù)合材料板簧已通過地面臺(tái)架試驗(yàn)，正進(jìn)行試車試驗(yàn)，截至發(fā)稿期試驗(yàn)過程良好。
(1) 玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料板簧經(jīng)過材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠滿足靜載及疲勞載荷性能要求。
(2) 玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料板簧采用RTM 工藝制備，在成型過程中嚴(yán)格執(zhí)行各工序質(zhì)量控制要點(diǎn)要求，制備的復(fù)合材料板簧能夠滿足汽車批量化生產(chǎn)質(zhì)量一致性控制要求。
(3) 制備的復(fù)合材料板簧質(zhì)量較輕，相對(duì)鋼板彈簧減重達(dá)55%，若替代鋼板彈簧整車可減重約56 kg，可明顯降低車輛油耗量和減少碳排放量，符合當(dāng)代汽車工業(yè)輕量化需求和低碳、綠色環(huán)保發(fā)展趨勢(shì)。
來源：中國汽車材料網(wǎng)編輯整理
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