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复合材料板弹簧减轻量产悬架系统的重量

复合材料板弹簧对于汽车制造业而言不是一件新生事物,实际上,板弹簧本身的历史可以追溯到马车运输时代。通过设计,板弹簧能够吸取因路面不平而引起的上下振动。弹簧变位的变量可使势能作为应变能而得到储存,然后随时间而逐渐大量释放。复合材料以其高强度/重量比、抗疲劳性和自然频率而很好地适合于板弹簧的应用。复合材料中的内部阻尼能够将振动能更好地吸取到材料中,从而减少了振动噪声向附近结构的传播。



然而,复合材料带来的最大好处是重量的降低:复合材料板弹簧的耐用性是钢质弹簧的5倍多。因此,通用汽车公于1981年将玻纤增强环氧树脂复合材料的横向板弹簧用于雪佛兰科尔维特C4上,这种单叶复合材料弹簧重3.7kg,它取代了重达18.6kg的10叶钢弹簧系统,从而使科尔维特车减去了15kg的重量,同时保持了相同的弹簧刚性系数。今天,通用汽车企业已持续将横向的玻纤增强复合材料板弹簧用在雪佛兰科尔维特车型的前后轴上。

在纵向板弹簧应用方面,复合材料也有取代钢材并降低重量的潜力。(欢迎关注《汽车工艺师》 auto1950 )这些纵向板弹簧与汽车长度方向平行,使得悬架成为车轮导向系统的一个组成部分。



迄今为止, 商业化的玻璃纤维和碳纤维增强复合材料的板弹簧已被限用在低产量的车型中。然而,随着更快的成型工艺以及适合的快速反应树脂系统等技术的进步,为实现复合材料板弹簧的批量化经济生产提供了保证,例如:汉高企业开发的Loctite Max 2聚氨酯基体树脂,通过取代环氧树脂系统,而将HP-RTM工艺的成型时间从30~35min缩短到8min,生产出的板弹簧重量仅6kg,而传统的钢质板弹簧重量为15kg。


Momentive Specialty Chemicals企业专为HP-RTM工艺而开发的两种快速反应环氧树脂系统,允许为大型或形状复杂部件的纤维彻底浸透提供充足的时间。其中,含EPIKURE 05443固化剂的EPIKOTE 05475树脂在120℃的温度下固化仅需5min,而含EPIKURE 05500固化剂和Heloxy 112脱模剂的EPIKOTE 05475树脂在115℃的温度下2min即可固化。



新的进展还包括汽车悬架系统制造方式的变化。据预测,横向板弹簧的下一步发展将是从单一部件向系统集成的转变。


比如,通过采用一种横向复合材料板弹簧来取代螺旋弹簧和抗侧倾杆,可以达到减重的目的,同时不降低汽车的操作性能并改善悬架系统的声阻性。在成本可接受的范围内,每个系统的重量可减轻4~8kg。



作为动力传动系统及底盘技术的全球供应商,德国ZF Friedrichshafen 企业正在进一步地开发一种轮导向的横向板弹簧,该系统的设计可实现弹簧、抗侧倾和轮控制等功能。据先容,这种复合材料板弹簧悬架系统比传统的MacPherson支柱悬架大约轻12%,比传统的扭转梁悬架大约轻10%,而比一个钢质多叶弹簧轻60%。



因为横向复合材料板弹簧已在轻型卡车、货运车及高档跑车上得到了应用,因此,未来对横向板弹簧的主要关注点将是车身悬架(螺旋弹簧)的系统集成,以及将抗侧倾杆功能集成到一个多链板弹簧悬架概念中。这些将是广泛采用复合材料板弹簧的一个关键因素。这一系统的主要目标是C级和D级乘用车,包括批量生产的紧凑型轿车和大型轿车。


在纵向板弹簧方面,复合材料主要被用于更高离地间隙的皮卡、大型货运车和重型卡车上。

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