汽车复合材料板簧的分析.pdf

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1、独创性声明一本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：盔盈日期：放瞧：厶：苎学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其

2、他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生(签名)废茵导师(签名)：谚殖埤日期彬珐摘要复合材料板簧质量轻、强度高、化学性能优良，与传统的金属材料板簧相比具有多方面优势。本文主要对复合材料板簧的设计、生产和性能测试做全面的描述，包括以下方面：l、复合材料板簧的结构设计。参考传统金属板簧的设计，结合复合材料的性能特性和板簧变宽变厚的结构特点，确定适合复合材料板簧的设计模型；2、板簧的制造设备。以准确控制板簧张力为前提，设计复合材料板簧制造装置；3、原材料的选择。原材料的

3、性能直接决定产品的性能，合理选择玻璃纤维热固性树脂体系和碳纤维热塑性树脂体系的原材料，并对两种体系所生产出来的产品进行性能测试，确定原材料配方；4、板簧的工艺流程。使用模压工艺及缠绕工艺进行复合材料板簧的制造，比较不同工艺的优缺点；5、板簧性能测试。根据板簧的性能要求，对复合材料板簧进行力学性能、静载、纤维含量、热稳定性、疲劳性能等测试。结果表明复合材料板簧有很高的强度及模量，重量相对于传统金属板簧减轻7 0 以上，连接件的强度经过测试符合设计要求，复合材料板簧的冲击性能优异，抗疲劳性能为汽车钢板弹簧的3 倍以上，表明使用复合材料制造的板簧完全符合汽车性能要求。复合材料单片弹簧相对于多片钢板弹

4、簧来说，部件更少、更利于装配、成型步骤更简洁、对成型设备要求更低。对复合材料板簧的工艺及设计进行优化，既可降低成本，节约能源，又可提高板簧性能，为板簧批量化生产创造了条件。本文的创新点在于：使用连续纤维缠绕法制造等截面变宽变厚复合材料板簧在中国尚属首例。热塑性碳纤维复合材料板簧的研究在世界范围内属于前沿课题。关键词：复合材料，汽车板簧，生产工艺，性能测试A b s 仃a c tC o m p o s i t em a t e r i a ll e a fs p r i n gh a sl i g h tw e i g h t，b o t hp h y s i c a la n dc h 锄c

5、a Jp r o p 矾e sa r ee x c e l l e n t，c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a lm e t a lm a t e r i a l s，c o m p o s l t em a t e r i a ll e a f 洲n gh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e I nv i e wo ft h i s，m o r ea n dm 0 r e s e 砌e r sb e g 趾t op a ya t t e n t i o nt ot h i sa r e a T h i sa r

6、t i c l ei sm a i n l ya b o u td e s l g n p r o 删o na n dp e r f o r m a n c et e s t i n ga b o u tc o m p o s i t el e a fs p r i n g I I l c l u d l n gt h ef o i l o w i n g，C o I n b i n et h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p o s i t em 戤a：Il e a ts p r i n gw i

7、 t ht h es h a p ea n ds t r u c t u r ed e s i g n，t r a d j t i o n a ls t e e ls p r i n ga sas t a n d a r dt oi na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g no ft h ed e t e m i n et h el e a fs p r i n gm o d e l T h em a n u f a c 嘶n ga p p a r a t u so f t h el e a fs p r i n g，t h em o s ti m

8、p o r t a n tt h i n gi st oc o n 仃o lt h e1 e a fs p m gt e n s i o na c c u r a t e l y S e l e c t i o no fr a wm a t e r i a l s，T h ep 耐o 彻狃c eo 士t h er a wm a t c r i a l sp l a yad e c i s i v ee f f e c to np r o d u c tp e r f o r m a n c ef o rc o m p o s i t em a t e n a ll e a fs p 咖g C

9、o m p a r et h eg l a s sf i b e r t h e r m o s e t t i n gr e s i ns y s t e m sa n dt h ec a r b o n舳e r m 锄o p l a s t i cr e s i ns y s t e m s，c h o o s eab e t t e rr a wm a t e r i a l T h eP c e s so ft h el e a fs p r i n g，卿a r ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ed i

10、 脓饥tp c e s s e s 蚵t ou s el 批a t i o np r o c e s sa n dw i n d i n gp r o c e s st om a n u f a c t u r e T h ep 幽锄趾c et e s to tm e1 e a fs 阳n g，t e s tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s，s t a t i cl o a d，f i b e rc o n t e n t，也e 皿a ls t a b i l i t y，f a t i g u e，c o n n e c t i n gm

11、 跗l b e rs t r u c t u r a la d h e s i v eo fc o m l：o s i t em a t e r i a ll e a f咖g I ts h o w st h a tc o m p o s i t em a t e r i a ll e a fs p r i n gh a sV 叫l l i 曲s 慨驰砌m o d u l u s，h a se X c e l l 饥ts t a t i cl o a dp e r f o r m a n c e，w e i g h tw i t hr e s p e c tt ot h es t e e ll

12、e a f刚n gt or e d u C em o r et h a n7 0，c o n n e c t i n gp a r t sm e e tm er。q u i r 锄e n t s，a l s oh a sg o o di m p a c tp r o p 矾e s，f a t i g u er e s i s t a n c e3t i m e sh i g h e rt h a ns t e e ll e a fs p n n g f l u l l vm e e tm ea u 幻m o t i v er e q u i r e m e n t s E v e ns o m

13、 eo ft h ep e r f o r m a n c e1 sm u c nh i g h e rt h a nt h es t e e ll e a fs p r i n g A tt h es a m et i m e，f e w e rp 鹏，m a k et h em o l d l n gs t 印m o r ec 伽l c i s e，m em 0 1 d i n ge q u 坤m e n tr e 舢r 锄饥t sa r ea l s ol o w 既T oo 衄1 z et h et e 幽l o g Ya n dd e s i g no fc o m p o s i

14、t el e a fs p r i n g，c a I l 础c ec o s t s，s 州e 吼e 唧肌di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h el e a fs p r i n g，B yc o m p a r i s o no fr a wm 栅a l s p r o c e s si m 印v e m e n t s，m o l dt r a n s f o r m，u l t i m a t e l yd c t 锄i n e l eo p t 皿a ld e s l 黟T h ei n n o v a t i o no ft

15、h i sp a p e ri st h a tc o n t i n u o u sf i l a m e n tw i n d i n gm 舳dm a n u f a c 嘶n gw i d e rc r o s s s e c t i o nc o m p o s i t em a t e r i a ll e a fs p r i n gi st h ef i r s tt i m emI lC h i n a T h e r m o p l a s t i cc a r b o nf i b e rc o m p o s i t el e a fs p r i n ga l s o

16、b e l o n gt ot h ef r o n t i e ra r e ai nt h ew o r l d K e yw o r d：c o m p o s i t em a t e r i a l，l e a fs p r i n g，p r o d u c t i o np r o c e s s，p e r f o r m a n c et e s tI I I目录摘要IA b s t r a c t I I第1 章绪论11 1 研究背景及意义11 1 1 汽车复合材料的优点31 1 2 汽车复合材料的缺点41 2 汽车复合材料的历史与现状51 2 1 复合材料板簧研究概况61

17、 2 2 国外复合材料板簧研究现状71 2 3 国内复合材料板簧研究现状81 3 本文研究内容8第2 章复合材料板簧制造方案的确定92 1 复合材料板簧原材料的选择92 1 1 增强材料的选择92 1 2 树脂的选择92 2 汽车复合材料成型工艺92 2 1 复合材料板簧的成型工艺1 12 2 1 复合材料板簧工艺选择1 22 3 复合材料板簧的结构设计1 22 4 本章小结17第3 章复合材料板簧制备l83 1 板簧模具的制造1 83 2 设备的选择1 83 3 缠绕工艺制造复合材料板簧2 23 3 1 准备工作2 23 3 2 缠绕过程2 23 3 3 成型过程2 33 3 4 板簧制造注

18、意事项2 43 4 复合材料板簧的连接件2 43 5 热塑性碳纤维复合材料板簧2 63 5 1 复合材料板簧的模压工艺2 7I V3 5 2 热塑性碳纤维复合材料板簧的制作2 83 5 3 热塑性碳纤维体系实验改进2 93 6 本章小结31第4 章复合材料板簧的性能测试3 24 1 试样板的测试3 24 2 静载测试3 34 3 板簧自重与纤维含量测试3 54 4 复合材料板簧的热稳定性测试3 64 5 板簧疲劳性能测试3 74 6 复合材料板簧优化方案3 84 7 本章小结3 8第5 章总结与展望4 05 1 总结4 05 2 展望4 0致谢4 2参考文献4 4V武汉理工大学硕士学位论文1

19、1 研究背景及意义第1 章绪论汽车板簧是汽车减振系统中的重要组成部分，作为汽车减振系统中的一个组成元件(如图1-1 所示)，主要作用是吸收并减少车辆在行驶时产生的振动，使汽车更加平稳，增加驾驶的舒适度，保证汽车的安全【1 1。汽车板簧主要通过传递车轮与车架之间的力和力矩起到减振的作用，通常汽车板簧呈1 4 椭圆形，在承受外力时能够靠自身的椭圆弧度上下抖动减少车身振幅，增加车辆稳定性。汽车复合材料板簧，顾名思义，就是使用复合材料制造汽车板簧。图1 1 汽车板簧在悬架系统中的位置随着科技时代的高速发展，汽车已成为人类最主要的交通方式之一，汽车行业遇到前所未有的机遇和挑战。众多汽车厂商及相关研究人员

20、希望在未来的汽车发展中占领先机，提高市场竞争力，在此前提下，包括汽车新材料等诸多研究课题提上日程。为适应社会发展，满足消费者需要，汽车新材料朝着更加轻便、节能、安全、高速、长寿和环境友好的方向发展。汽车轻量化可以减少车身自重，降低油耗，达到节能减排的目的，复合材料汽车配件在这样的环境下迅速发展，汽车复合材料板簧是其中的重点研究领域。据相关文献报道，部分车型的钢板弹簧占车身比重高达1 2 0 1 1 5，使用复合材料板簧能够减重5 0 以上，碳纤维复合材料板簧甚至能够减重8 0。钢板弹簧制造工艺复杂，设备成本高，加之近些年来世界范围内的石油资源紧缺，钢材价格上升，人们对于武汉理工大学硕士学位论文

21、自然资源的减少已有正确认识，在这些因素的共同影响下，传统钢板弹簧已经不能满足行业需求，人们期待新型可替代产品的出现。与传统的金属材料相比，树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、重量轻、耐腐蚀、减振性能好、抗冲击性能优良、使用周期长、降噪性好、可设计性强、成型工艺便利等优点。汽车复合材料板簧与传统的钢板弹簧相比，在重量、强度、成型工艺等方面有很大优势。表1 1 为莱特福乐克斯1 9 7 7 年制造的复合材料板簧与传统的板弹簧的性能对比情况【n J。表1 1传统钢板弹簧与复合材料板簧的性能对比性能传统钢板弹簧复合材料板簧弹性模量(M P a)设计极限应力(M P a)2 0 1 0 76 5 53

22、 8 1 0 45 8 6自重(蚝)1 8 63 6由表1 1 可见，复合材料板簧重量仅为传统钢板弹簧1 5，可以大幅度降低车身重量。如何在减轻板簧自身重量时，保证板簧的强度，成为汽车复合材料板簧的重点研究方向。目前，大多数汽车仍使用钢板弹簧，据不完全统计，汽车钢板弹簧市场占有率9 0 以上。相对于钢板弹簧，复合材料板簧的工艺流程更为简单，在大批量生产时，复合材料板簧的成本低于传统钢板弹簧。如果能够克服复合材料板簧的工艺和设计难题，提高产品性能，其市场潜力巨大。复合材料板簧对实现汽车轻量化，提高汽车驾驶舒适度，增加汽车耐用性，促进汽车复合材料的发展具有重要意义。据相关资料统计，预计2 0 2

23、0 年，中国汽车产量将达四千万辆，每辆汽车需要两个板簧，即到2 0 2 0 年，中国的板簧需求量为八千万个!保守估计至2 0 2 0 年复合材料板簧占整个板簧市场的比例达5 以上，可能会更高，复合材料板簧的市场前景十分光明【3 J。宝马公司设计师第一次接触复合材料板簧时，赞赏复合材料板簧的性能“无与伦比”。在拥有更好力学性能的同时，重量大幅度减轻，这就是复合材料板簧最显著的特点，重量减轻，能够降低汽车耗油量，在提倡资源节约的当今社会，这无疑给复合材料板簧的发展带来前所未有的机遇；同时，重量的减轻能够充分释放汽车动力，使汽车跑的更快，动力更强1 4】。图1 2 以卡车为例，显示了复合材料在汽车结

24、构件上的应用。武汉理工大学硕士学位论文图1-2 复合材料在汽车部件上的应用1 1 1 汽车复合材料的优点复合材料和传统的金属材料相比，最大特点就是比强度高、比模量高。用复合材料代替传统金属材料，重量会得到大幅度减轻，部分配件减重幅度可达9 0。在大幅减轻重量的同时，复合材料还赋予产品高于传统金属材料的性能。复合材料具有各向异性的特点，这个特性使复合材料可设计性强。复合材料的重量、力学性能、化学性能，甚至连微观性能都能通过改变原材料的组成、成型工艺及参数控制等方法进行设计，使其满足要求。此外，相对于传统金属材料，汽车复合材料具有成型过程与构件成型的一致性。传统的金属构件是通过对现有的金属材料进行

25、二次加工制成，而复合材料的成型工艺是将材料成型过程与汽车部件成型过程一体化，整个部件的成型工艺过程就是复合材料的成型过程，一次成型，工艺简便，操作简单，节省中间环节，成本降低，成型过程中对设备要求低；由于复合材料性能的可设计性和制造过程中的一致性，能够对汽车复合材料构件进行整体优化设计。使部件的整体性能更加优良，更符合汽车设计要求，通过对车辆部件进行整体设计，可减少部件数目，最大幅度简化制造工艺、降低设备需求、提高生产效率、降低生产成本；复合材料“各向异性 的性能赋予所成型部件非均质性的特点，各向异性的特质使复合材料板簧的设计性强，能够根据实际情况设计板簧的性能，充分利用材料优势，在达到性能要

26、求的同时力争做到不浪费资源，节约生产成本；从性能方面考虑，复合材料具有良好的抗疲劳性能，作为汽车材料，耐疲劳性能是衡量其好坏的一项重要指标。复合材料的耐疲劳性较传统的金属材料好，例如莱特福勒克斯公武汉理工大学硕士学位论文司生产的板簧，其耐疲劳性能达到5 0 万次，远远高于金属材料；复合材料良好的耐温性也是其优点之一，传统的金属材料如铝，在4 0 0。C 时弹性模量急速下降，基本不能使用，但是使用耐高温树脂制造的复合材料，能够在4 0 0 C 甚至更高的温度下正常使用，在高温下仍具有较好的力学性能，热稳定性好；汽车复合材料还具有良好的减震性能【5】。哈尔滨工程大学相关研究表明，复合材料的阻尼性能

27、高于传统金属，同时复合材料基体与增强材料之间的界面吸震性良好，使得复合材料吸振性能优异；除此之外，汽车复合材料的安全性能好于传统的金属材料，汽车复合材料即使在破损的情况下，也能使应力重新快速分布。因为复合材料中纤维含量成千上万，部分纤维断裂后，应力会分散于其他纤维，安全性更好；复合材料重量轻、强度高正是汽车材料需要的两个特点。以上的诸多特性使复合材料在汽车领域有很大的使用空间。有理由相信，随着研究的深入，复合材料将会在汽车领域得到更广泛的应用。1 1 2 汽车复合材料的缺点虽然汽车复合材料具有比强度高、比模量大、耐温性好、抗冲击性好、可设计性强等优点，但不能盲目乐观，因为对汽车复合材料来说，也

28、有相当多的缺点，比如原材料成本高、质量稳定性差、生产效率低、产品性能分散性高、生产周期长、可回收性差、废弃物环境污染性高、涂装时容易出现油漆爆破等问题【6 1。随着汽车复合材料研究的深入，相关问题随之出现。如成本高，复合材料汽车配件的成本问题一直阻碍着复合材料在汽车行业里的发展，随着复合材料生产技术的不断进步，人们发现虽然小批量生产时复合材料的成本较高，但大批量生产复合材料配件时，成本低于金属材料。以片状模塑料(S M C)为例，相比钢材，S M C 汽车复合材料在生产成本上更具竞争优势；长纤维热塑性复合材料(L F T)也呈快速发展趋势，目前已在汽车保险杠，汽车座椅，仪表盘等部位得到广泛引用

29、。近些年来汽车复合材料的回收技术也得到迅速发展，回收问题一直是制约复合材料广泛应用的重要因素，传统金属材料可以通过将废旧的金属部件溶化再进行回收利用，与复合材料相比材料利用率高。目前人们已经解决了热塑性复合材料的回收问题，可以通过再熔化对热塑性材料进行回收利用，对于热固性复合材料，一方面它的机械稳定性高，化学性能稳定，热稳定性强被人们所追捧，另一方面，其回收问题被人们诟病。目前，热固性复合材料的回收仍没有很好的办法，产品无法进行有效回收，废弃物难以处理，但人4武汉理工大学硕士学位论文们在尝试解决这些问题，使用焚烧法将其转化为热能、利用粉碎机将废料粉碎，重新生成填料等。目前来看，制约热固性复合材

30、料回收的主要问题是回收后材料使用率及回收成本问题。在我国目前先进汽车复合材料生产工艺比如R 1 M(树脂传递模塑成型)、S M C(片状模塑料)、B M C(团状模塑料)等工艺仍处于起步阶段，但发展迅速，尤其是汽车用S M C，很多汽车配件厂家都在使用此工艺进行汽车复合材料的制造【7】。面对复合材料以上诸多缺点，我们要做是正视这些缺点，找出解决方法，并努力克服缺点，这需要一代又一代复材人的共同努力。1 2 汽车复合材料的历史与现状国际油价居高不下，且有愈涨愈高之势，世界范围内对自然资源保护意识愈发强烈，越来越多人开始认识到建设环境友好型社会的重要性，在这种背景下，汽车的节能减排便成为广大消费者

31、和汽车厂商共同追求的目标。相关专家指出，汽车的轻量化、环境友好直接决定了汽车未来的发展方向，也是各大汽车厂商的重点研究领域。汽车新材料在追求高性能的同时，必须考虑到车辆的节能减排问题。汽车轻量化在某种程度上能够实现节能减排的目标一汽车重量减轻，耗油量降低，据相关资料统计，汽车自重每减轻1 0，可以节约6 8 的燃油消耗。使用复合材料制造汽车保险杠、车轮罩、遮阳罩、发动机外壳等零部件能够明显减低车身重量，从而达到节能减排的目标。复合材料正朝着延长使用寿命以及可再生的方向发展，这与社会所倡导的可持续发展不谋而合，势必会在市场竞争中占据优势。目前我国复合材料年产量达3 0 0 万吨以上，其中汽车用复

32、合材料的含量仅仅为1 0 万吨左右，而在欧美等复合材料技术比较成熟的国家，其汽车复合材料产量占复合材料总产量的3 0 p A 上【8】。国内的汽车复合材料生产厂家规模普遍偏小，技术研究能力薄弱，自主创新能力较差，不能较好的推动行业的健康发展。复合材料在汽车领域经历一段摸索期后，己得到众多汽车生产厂商的青睐一国内汽车复合材料相对于国外来说起步较晚，但发展速度很快：19 9 7 年，南京依维柯公司的小客车在国内率先采用S M C 制作汽车保险杠；2 0 0 5 年，通用别克凯越车型有l8 种零部件使用复合材料制造；2 0 0 8 年，一汽大众迈腾的后座仓使用G M T 工艺制造。经过7 0 多年的

33、探索，复合材料的新工艺、新设计不断出现，这在很大程度上取决于复合材料的各向异性的特点，各向异性使得复合材料具有很强的可设计性，促使复合材料在汽车行业得到更加广泛的应用p J。武汉理工大学硕士学位论文虽然目前各界都认为汽车复合材料的前景光明，但应该认识到无论汽车复合材料发展的多快，性能有多优越，也不可能完全取代传统金属材料，性能也不可能全方位超越金属材料。为了充分发挥复合材料和金属材料各自的优势，有些专家学者提出同时采用金属材料和复合材料制造汽车配件，使所得到的产品具有复合材料和金属材料的最优性能。这种方法具有重要的实际意义，但采用这种方法势必要考虑金属材料与复合材料之间的相容性。最主要的就是连

34、接问题。如果连接问题能够得到很好的解决，金属复合材料体系的未来无限光明。可能在那时，汽车行业就能够如现在的航空航天行业一样大规模使用复合材料，带动整个汽车行业向着更轻、更快、更安全、更节能的方向发展。1 2 1 复合材料板簧研究概况汽车板簧的历史需要追溯到复合材料出现之前。最原始的汽车板簧是由金属材料构成，是由多片长短不一，但弧度相同的多片钢板弹簧组成，分为主簧和副簧，这种方式一直延续至今。常见的汽车钢板弹簧有以下形式：1、多片弹簧等截面式；2、单片弹簧变截面式；3、主簧副簧结合式；4、单片弹簧等截面式；5、渐变刚度式。目前传统的多片金属弹簧市场占有率最高，但近几年单片簧发展迅猛，逐渐成为主流

35、。随着复合材料板簧的发展，众多厂家开始使用复合材料板簧代替传统的钢板弹簧。复合材料板簧的结构经历了从多片弹簧到单片弹簧的转变，成型工艺经历了从拉挤成型向缠绕成型和模压成型的转变。关于复合材料板簧的理论研究一直属于前沿课题。C o r v iA E1 0】在19 8 9 年用有限元方法对汽车复合材料板簧进行了结构研究。Y uW J，K i mH C E 儿J 为汽车悬架系统设计了一种新型楔型梁。A E B a u m a l 和J J M c P h e e 2 9】使用遗传算法对复合材料板簧的设计进行了优化。H A A I Q u r e s h i 和R a i e n d r a ni 1

36、 4 对复合材料板簧的模型及工艺进行了研究。S a i r a m K 和J a q o d e e s h K A E 3 0】使用A N S Y S 对复合材料板簧进行了结构分析和优化设计，证明了复合材料板簧比钢板弹簧性能更优异【l O】O复合材料板簧因为其自身具有的轻质高强和耐疲劳等特性，在汽车材料领域得到初步应用，随着研究的深入，预见将来复合材料在汽车行业必将出现急速增长。自从1 9 8 1 年戴尔福公司设计制造出人类历史上第一根复合材料板簧，板簧便经历了一段高速发展时期。众所周知，复合材料的密度只有钢材的5 0 7 0，武汉理工大学硕士学位论文结构比传统钢板弹簧简单，易于装配和维修，

37、厚度比钢板弹簧小，可以在设计时使车身更贴近地面，从而为汽车腾出更多的有效空间，提高汽车驾驶舒适性f 1 1】01 2 2 国外复合材料板簧研究现状自1 9 5 3 年卡维特第一辆全复合材料车型亮相，复合材料便开始在汽车领域崭露头角，卡维特车型如今成为汽车复合材料行业的典范，从车头到车身再到车尾，从汽车内部饰件到汽车外部饰品，从车身面板到结构组装件，从皮卡车厢到发动机气门盖、油底壳、从传动轴到板簧等结构部件，全部使用复合材料制造。复合材料从性能上显示了传统材料无法比拟的优势：更低的投资成本、更轻的车身重量、更具设计性的结构、更好的机械性能一汽车复合材料从此踏上汽车行业的舞台；1 9 6 5 年，

38、斯坦德巴克企业推出“阿凡提”复合材料跑车，更轻的车身重量给予跑车更快的奔跑速度；1 9 7 2 年，庞蒂克公司的P e s t 车型中第一次使用复合材料制作汽车格栅，充分显示了使用片状模塑料(S M C)工艺成型的汽车零部件具有良好的装配性能和力学性能；1 9 8 4 年，酷名公司使用S M C工艺制造的复合材料气门盖是人类历史上第一次将复合材料应用于发动机引擎部件；1 9 8 7 年，雷斯公司生产出第一根复合材料保险杠，这是复合材料第一次应用于汽车结构件；1 9 8 9 年，英国率先采用连续纤维缠绕工艺制造车用复合材料天然气气瓶，直到现在，复合材料气瓶依旧是汽车界的宠儿；进入2 0 世纪以后

39、，汽车复合材料板簧在美国正式投入商业化生产，广泛应用于重型卡车和小汽车上，重量仅为传统钢板弹簧的1 5；1 9 9 4 年，维德公司的“高尔夫”型汽车使用复合材料框架；1 9 9 6 年，福特公司的萨博车型首次采用了S M C 工艺制作汽车的散热支架；1 9 9 9 年，科威特车型首先推出了复合材料汽车底盘；2 0 0 6 年，雷纳特推出的新车型其车身的9 0 采用了S M C 复合材料【1 2】。国外在汽车复合材料板簧方面的研究相对成熟。2 0 世纪8 0 年代初期，美国通用公司工程部率先研制复合材料板簧；1 9 6 4 年，通用制作出第一个四分之一椭圆形状的复合材料板簧，开创了复合材料板簧

40、发展的先河；1 9 7 9 年莱特福勒克斯成功制造了复合材料板簧，创造性的使用缠绕工艺；1 9 7 9 年，莱特福勒克斯生产出的复合材料板簧疲劳性能测试为5 0 万次，远远高于传统钢板弹簧：1 9 8 2年，莱特福勒克斯制造出疲劳寿命高达1 0 0 万次的复合材料板簧；1 9 8 2 年，6万辆科威特轿车装上了复合材料板簧；1 9 8 5 年，科威特车型首次在前后悬架系统同时使用复合材料板簧【l3 1。除了在轻型轿车上使用复合材料板簧外，一些重武汉理工大学硕士学位论文型卡车也在尝试使用复合材料板簧。1 2 3 国内复合材料板簧研究现状国内王继成【3 3 J 对复合材料板簧的强度进行了详细研究。

41、边文凤【1 2】等对复合材料弹簧进行了结构设计和应力场分析。哈尔滨玻璃钢研究设计院的赵红斌【l3】等人制造出了复合材料板簧样品。许长生【2 7】等人从动态特性及结构应力分布方面对复合材料板簧进行优化，分析了板簧的受力情况。薛元德【1 2】对复合材料板簧进行受力分析，提出复合材料板簧的若干设计要点。李磊【3 9】等人对模压工艺制造板簧进行深入分析并设计出性能优良的复合材料板簧样品。目前南京依维柯汽车部分车型已经使用复合材料板簧，哈尔滨飞机制造公司的一种货车也采用复合材料板簧，中材北京汽车复合材料公司成功设计了小型汽车和重型卡车复合材料板簧。此外哈尔滨工业大学、武汉理工大学、哈尔滨玻璃钢研究设计院

42、、长春汽车研究所、北京玻璃钢研究院、南车株洲时代新材、福州大学、山东科技大学、中航工业复合材料研究所都在研究复合材料板簧项目。国内相对起步较晚，但发展速度很快，目前虽没有形成大规模商业化生产，但已初具规模，相信复合材料板簧的大量使用只是时间问题【l4 1。1 3 本文研究内容本文主要对板簧的设计、生产和性能测试进行初步的探讨，根据性能测试结果提出板簧优化方案。研究连续纤维缠绕法制造等截面变宽变厚度汽车复合材料板簧的工艺流程，提出复合材料板簧新的发展方向一热塑性碳纤维复合材料板簧。对板簧和试样板的性能进行测试，表明所制得的板簧产品性能符合要求，通过性能测试结果反馈对板簧的成型工艺进行改进，提出连

43、续纤维缠绕法制造汽车复合材料板簧的优化方案。武汉理工大学硕士学位论文第2 章复合材料板簧制造方案的确定2 1 复合材料板簧原材料的选择本文采用树脂基复合材料进行板簧制造，其原材料为增强材料与基体材料。2 1 1 增强材料的选择对板簧来说，纤维的选择非常重要。纤维是复合材料中的主要承力部分，它不但能够提高复合材料的弹性模量和强度，还能够提高热变形温度和低温冲击强度，提高抗疲劳性能，减小收缩变形，提高材料的力学、机械性能。根据板簧的性能需求，考虑到板簧对温度、重量、强度等因素的影响，确定使用的增强材料为E 玻璃纤维。除此之外目前汽车工业领域使用的增强材料还有天然纤维和碳纤维，天然纤维增强复合材料，

44、强度高，密度小，最大的特点是环境友好，目前已在部分汽车领域得到应用，但天然纤维技术不成熟，力学性能相对于玻璃纤维及碳纤维有一定差距【l5 J；碳纤维价格过于高昂，市场前景难以预计，因此优先选择玻璃纤维作为增强材料。目前车用复合材料使用最多的是玻璃纤维，玻璃纤维价格低廉，生产工艺简单，能够很好的提升产品性能。2 1 2 树脂的选择树脂作为基体材料，在复合材料中起到传递应力与保护增强体和功能体的作用，对材料的抗压、弯曲、扭转、剪切强度起到重要作用。应选用耐疲劳性好，耐腐蚀性好，隔热性好，力学性能优良，抗冲击性能好的树脂。目前板簧所用树脂有聚酯树脂、环氧树脂及乙烯基酯树脂三大类【l6 1。综合板簧的

45、性能要求，成型工艺条件，经过反复的实验测试，最终选择高温固化环氧树脂作为基体材料。本文所采用的热固性玻璃纤维复合材料板簧的原材料为E 玻璃纤维环氧树脂。通过性能测试结果，确定配方为高温配方C，详细分析见3 1。2 2 汽车复合材料成型工艺汽车复合材料工艺的可设计性给汽车行业带来无限的创新和遐想。目前，汽车复合材料生产工艺有几十种之多，新的生产工艺还在不断涌现。以下就几武汉理工大学硕士学位论文种常用的汽车复合材料工艺进行介绍。手糊成型工艺。手糊成型工艺为复合材料成型工艺中最基本的工艺。就是利用手工进行复合材料的制造，通常是将树脂和纤维隔层交替覆盖在模具至上。然后给予一定压力，在常温下固化成型。对

46、于一些结构非常复杂的汽车配件，手糊工艺的作用显得尤为重要。在汽车复合材料成型工艺中有着不可替代的作用。手糊工艺不需要过多的设备及资金投入，生产过程简单，设备需求低，可与其他材料如陶瓷，金属材料等同时成型。目前一些农用车的车身，重型卡车的面板等仍使用手糊工艺制造。缺点是产品性能受人为影响较大，生产效率低，产品性能不稳定。但是手糊不等同于性能差，如果能够严格按照相关工艺要求进行手糊工艺制造，也能够制造出性能优越的复合材料制品。科威特跑车车身便是通过手糊工艺制作而成。喷射成型工艺。喷射工艺即将树脂及纤维同时从喷枪喷出，充分混合后落在模具上进行成型。至指定厚度时停止喷射，用工具滚压材料使纤维和树脂充分

47、接触。经固化成型得到汽车复合材料配件。喷射工艺作为手糊工艺的升级，提高了成型效率，制品的整体性能优良、成本低。缺点是产品受人为影响因素较大、制品强度较低、阴模成型难度较大。目前部分客车和中型卡车的侧面板、导流罩等配件使用喷射工艺制作。缠绕成型工艺。缠绕工艺是指在控制纤维张力的条件下，将浸润过树脂的纤维按照一定规律缠绕在模具上，在一定温度下固化成型，得到汽车复合材料制品。通常根据树脂基体形态的不同将连续纤维缠绕分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。湿法缠绕目前应用最为广泛，即将浸渍后的纤维直接缠绕至模具上。缠绕成型的优点是可按要求对产品性能进行设计，沿纤维方向的强度较高，能够充分发挥纤维的优势

48、。制品性能稳定，生产效率高。缺点是只能制造固定结构的汽车配件，对设备需求较高，生产成本较高。目前很多车用高压气瓶均为缠绕成型工艺制造。树脂传递模塑成型工艺(I 汀M)。R T M 工艺是在模具型腔中预先放置增强材料，闭模后，在一定的温度和压力下，将树脂从注入孔处导入模腔，树脂充分浸润增强材料后，固化成型，脱模。R T M 工艺制品表面光滑，成型过程密闭，无有毒物质散发，成型效率高，易实现批量生产。缺点是模具费用较高，对原材料及设备要求高。目前R T M 在汽车复合材料中已得到规模化应用。卡车外壳，项板等部件均使用R T M 工艺制造。模压成型工艺。模压成型是指将一定量的预浸料加入模具内，经过加

49、压加1 0武汉理工大学硕士学位论文热固化成型的一种方法。模压料可以是预混料、预浸料，也可以是坯料。S M C(片状模塑料)和G M T(玻璃纤维毡增强热塑性塑料片材)均为模压工艺的模压料。S M C 工艺比较简单，但S M C 组成较为复杂，组分的比例、种类、性能都对产品性能影响很大，所以合理选择组分，对配比进行合理选择对S M C 具有重要意义；G M T 工艺适合制造形状复杂的汽车部件。产品耐腐蚀性能好，隔音、隔热和绝缘效果好。能够一次性成型结构复杂的配件。S M C 和G M T 相比，前者的固化过程为化学变化，后者的固化过程为物理变化。模压成型的缺点是模具制造较为复杂，对成型设备要求较

50、高。目前部分汽车车门、引擎盖、轴承板等部件使用模压工艺制造。L F T 成型工艺。L F T 又名长纤维增强热塑性成型工艺。与G M T 工艺相比，省去了半成品的中间步骤。采用一步法生产。因此成本比通过半成品这个环节工艺的成本低2 0 左右。制品的性能优异，生产效率高，缺点是对模具及设备要求较高。对于汽车复合材料的多种成型工艺，每一种都有其各自特点，在实际生产过程中，应结合制品实际性能需求来选择合适的工艺。2 2 1 复合材料板簧的成型工艺对于复合材料板簧，因为其具有变宽变厚的形状，且形状为不规则的1 4 椭圆形的特殊结构，故需要选用特定的成型工艺。目前有关复合材料板簧主要制造工艺有以下三种：