轻量化技术背景下汽车板簧发展趋势浅析

陈天武，黄昌文，黄 乔

（1.安庆安簧汽车零部件有限公司，安徽 安庆 246005；2.中南财经政法大学，湖北 武汉 430060）

汽车技术正向的“轻量化、电动化、智能化、共享化”方向发展，欧洲研究数据表明，若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，排放降低5%～6%；从绝对量来说，汽车重量每降低100kg，每百公里可节约0.6L燃油，二氧化碳排放可减少约10g/km。材料轻量化又是汽车轻量化路径中的一个重要组成部分，常用轻量化材料有铝合金、高强度钢、纤维增强塑料（简称FRP）等。

钢板弹簧是商用汽车悬架的重要弹性元件，承受和传递车架与车桥之间的载荷，缓和路面对车身所造成的冲击，影响汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。传统钢板弹簧由60Si2Mn、50CrVA等优质合金钢制造，占商用车自重的5～7%，可见板簧轻量化对整车轻量化意义重大。在汽车轻量化技术背景下，商用汽车板簧正向变截面、高应力及复合材料等方向快速发展。

1 钢板弹簧技术发展

变截面少片簧取代传统多片簧，是现阶段商用车优先配套方案。用50CrVA等材料制造的变截面少片簧取代传等截面多片簧，重量可减轻20%左右，通过轧制等自动化加工及中频加热等节能技术应用，产品可靠性大幅提升，制造成本略高于传统多片簧，性价比优势明显，是现阶段商用车主流配套方案。

采用抗拉强度达到1800MPa的高强度钢新材料，生产的高应力钢板弹簧是高端配置方案。产品的设计应力水平达到1200MPa以上，与传统多片簧相比，高应力少片簧减轻量30%左右、燃油消耗降低约0.5%、悬架系统频率降低12%左右，同时提高整车平顺性和舒适性。

钢板弹簧制造的新工艺为：①变截面少片簧轧制及自动加工技术。簧片一次加热，实现除鳞、轧制、校直、切头、冲大孔、切边、打弯、卷耳等多工序连续自动加工，生产人员减少60%，能源成本下降30%，材料节省20%，节能减排效果明显。②高应力少片簧的喷丸强化工艺。研究表明，自由抛丸可以提高簧片的疲劳寿命1.66～2倍，而应力状态喷丸可提高疲劳寿命2～7倍。高应力钢板弹簧采用“自由+应力”的两次喷丸工艺，先进行自由喷丸，清理簧片表面的氧化皮并形成较浅的硬化层；然后再进行应力喷丸，预加800MPa～1200MPa的拉应力，使簧片受拉面形成更加致密的硬化层，从而提高簧片的疲劳寿命。

安庆安簧汽车零部件有限公司与国内钢厂联合开发的高强度弹簧钢σs≥1800 MPa，高应力板簧已在IVECO、JAC高端客车、轻卡上成功批量应用；牵头起草安徽省地方标准《高应力钢板弹簧总成技术条件》DB34/T 3076-2018。

2 复合材料板簧

复合材料板簧的增强材料主要是玻璃纤维，也有碳纤维，基体材料为环氧树脂、聚氨酯等材料。因此，把复合材料板簧称之为FRP复合材料板簧更为科学。

复合材料板簧的特点：①质量轻，仅钢板弹簧质量的20%左右，对减轻构件重量效果显著；②良好的耐疲劳性能，是钢板弹簧的4～10倍；③比强度和比模量高。复合材料板簧比弹性能是钢板弹簧的5倍以上，舒适性大大提高；④安全断裂性。复合材料基体中含有大量独立的纤维，当有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，在短期内不至于使整个构件失去承载能力。⑤复合材料有好的阻尼减震性；⑥良好的耐腐蚀性能；⑦部件简化，拆装更方便。

复合材料板簧的缺点：①许用剪切应力很小。一般在50MPa左右，受到大冲击很容易失效断裂，设计时必须考虑给一定安全系数；②高温环境下树脂老化，影响复合材料板簧性能，一般工作环境温度在-40～80℃。

复合材料板簧技术研究情况：①在国外复合材料板簧技术研究相对成熟，在欧美汽车厂商在上世纪八十年代已广泛应用，如通用、福特、戴姆斯克莱斯勒、依维柯、康沃斯等。②国内复合材料板簧技术研究起步较晚，但发展速度很快，目前大多不具备商业化生产。随着新能源汽车高速发展和复合材料板簧成型技术逐渐成熟，国内主要汽车公司推出复合材料板簧替代钢板弹簧轻量化应用项目计划，同时涌现一批复合材料板簧开发应用的企业。

图1 HP-RTM工艺流程

复合材料板簧主要成型技术：①纤维缠绕成型法（Filament Winding），现行 FRP 板簧的制造，不少采用连续纤维缠绕法，增强纤维在预浸池内预浸后，控制纤维的张力，用缠绕机缠绕到模具上，然后再经过合模、加压、固化、脱模等工序成型。纤维缠绕成型法只能小批量生产，制造成本高。②模压成型法(Compression Molding)，是将纤维布切割成一定形状，预浸树脂后放入模具内，经过加压、加热固化成型。模压成型工艺，模具制造较为复杂，也不适合大批量生产；成型时空气不能彻底排出，纤维层与层之间结合不均衡，复合材料板簧使用容易出现“脱丝”现象。③高压树脂传递模塑成型(HP-RTM)工艺（图1），代表复合材料板簧成型技术发展方向，能实现大规模自动化生产，不足是设备投资较大。高温高压成型工艺，使复合材料中纤维和基体之间的微观界面充分结合，大幅提高FRP复合材料板簧的性能。

安庆安簧汽车零部件有限公司采用HP-RTM工艺开发的E玻纤增强复合材料板簧N64A样品（图2），产品质量减轻70%以上；按GB/T19844-2005钢板弹簧标准台架寿命达50万次，是同型号钢板弹簧（图3）的5倍以上。主要技术指标对比如表1所示。

图2 N64A复合材料板簧

图3 N64A钢板弹簧

表1 两种弹簧技术指标对比

3 结束语

产品轻量化、生产自动化、工厂绿色化是汽车零部件行业共同的机遇与挑战。汽车钢板弹簧作为商用汽车悬架主要配置方案将长期存在，传统多片簧将被轻量化优势的变截面少片簧、高应力板簧快速替代，复合材料板簧是商用车悬架新的发展方向。