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满足高产量应用需求的轻量化钢/复合材料板弹簧

2022-11-22 17:40:19 来源:弗戈工业在线

Rassini的1+C混合板弹簧拥有一个抛物线型的钢主板和一个平的玻纤复合材料辅助板,用作福特F-150皮卡后轮上的悬架(图片来自Rassini)

2016年,美国福特汽车公司(以下简称福特)向美国Rassini International公司(以下简称Rassini)提出了一项挑战性的需求:减轻其标致性旗舰货车F-150皮卡的后悬架质量。作为北美最大的板弹簧和其他悬架部件的供应商,Rassini为福特提供了几个选择方案, 但更倾向于一种能将传统的钢板弹簧与复合材料的辅件结合在一起的解决方案——这种多材料的解决方案,意味着能够为汽车复合材料在终端市场的增长带来重要的机会。

Rassini 板弹簧工程副总裁、轻量化研发总监Brent Collyer表示,该公司在汽车供应链中的地位,使其自然而然地成为那些寻求创新解决方案的OEMs的合作伙伴。“当福特的工程部门考虑如何让板弹簧满足其下一代产品对悬架的要求时,他们首先想到了我们。” Collyer介绍说,“他们对下一代F-150货车的底盘提出了一些极具挑战性的轻量化目标,他们想知道我们有什么想法。”


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Rassini向福特提供的解决方案,实际上是对跨越机动车历史的板弹簧演变过程的一个逻辑延伸。早期的板弹簧设计依赖于对多层等厚钢板的使用,这些钢板叠加结合在一起,随着载荷的增加,自上而下地相继啮合起来。多年来,随着钢材质量的提高,叠加的钢板数量在逐渐减少,因为只需使用较少的钢板就能承受同样的载荷。

在位于墨西哥Piedras Negras 的工厂中,Rassini 采用3个高度自动化的HP-RTM生产单元,制造了用于1+C 混合板弹簧的玻纤/环氧辅助板,每一个生产单元都采用一副10腔模具进行生产,整个工厂每年能生产超过80万个复合材料的辅助板(图片来自Rassini)

Hotchkiss悬架主要用在货车和厢式货车上,这些车辆的设计,允许在不同的载荷和拖车拖曳条件下运行。用于全尺寸皮卡的典型板弹簧采用一种2+1设计,这包括结合在一起的两个弯曲的钢主板和一个附着在主板底部的平的钢辅助板。主板长约2m、宽约70m,处于自由、无压力状态时,两端弯曲成一个宽的U形。而辅助板处于自由状态时通常是平的。

2+1板弹簧结构通过主板的两端连接到货车车架上。在每个后轮的内侧,都装有一个板弹簧,板弹簧的中部刚性地连接到实心的后桥上。主板承担悬架系统的主要功能,但是,当车辆负载时,以及在道路载荷引起大悬架铰接的过程中,辅助板就会发挥作用。因此,当悬架承载时,辅助板是最后一个参与的结构构件,不可小觑。用在像F-150皮卡这种车辆上的Hotchkiss 悬架,必须承受6个维度的载荷和力矩,包括:垂直、纵向和横向的载荷,以及滚动、倾斜和偏航引起的力矩。

“板弹簧是一种多功能的悬架组件,不仅要满足垂直载荷方面的要求,而且实际上也是一种连接车桥与车辆的梁构件,这使得横向和纵向载荷/力矩也受到板弹簧的影响。”Collyer说道。

Rassini为2021 MY F-150皮卡开发的多材料板弹簧,是围绕两个减重创新而对2+1设计的进一步完善。这种名为1+C的板弹簧,拥有一个钢主板和一个复合材料的辅助板,这些部件中的每一个,都为整个结构的减重作出了一半的贡献。钢主板具有抛物线锥度,能够优化材料性能,并提供所需的大部分承载能力。玻纤增强塑料(GFRP)的辅助板能在重载情况下发挥作用。

在将复合材料的辅助板组装到钢主板上之前,需要先在数控机床上对其进行修边和冲孔。作为北美最大的板弹簧部件制造商,Rassini的墨西哥工厂具有生产更多复合材料辅助板的扩产能力(图片来自Rassini)

“我们既可以做全复合材料的板弹簧,也可以做全钢材的板弹簧,或者可以做混合材料的板弹簧——这就是福特为这款特殊车辆选用的那种:主弹簧采用钢材,而辅助弹簧采用复合材料。”Collyer强调道,高强钢的抛物线锥度厚度提供了显著的强度和减重优势。“采用这种设计方法,我们全面优化了弹簧梁的应力分布。”他接着说,“我们采用最先进的材料最大程度地减轻了质量,所以我们基本上完全优化了设计以及对材料的使用。”

Collyer表示,Rassini 在设计复合材料的辅助板时考虑了几种材料选项,最终决定采用德国西格里碳纤维(SGL Carbon)提供的一种无碱玻纤无卷曲织物,并采用瀚森公司(德国杜伊斯堡)提供的EPIKOTE树脂中的TRAC 06150环氧树脂系统对该织物进行浸渍。Collyer表示,该公司也考虑了碳纤维,但这种材料的成本不能满足该项目的要求。

选好材料后,Rassini必须完成复合材料辅助板的设计。设计上面临的挑战是,GFRP的弹性模量远小于钢的弹性模量,而弹性模量又与弹簧速率成正比。“我们要求复合材料的辅助板要拥有与钢质板一样的弹簧速率。”Collyer说道,“所以我们必须使GFRP的辅助板更厚,这样才能获得所匹配的弹簧速率载荷挠度曲线。”

复合材料的模量性能也驱使弹簧设计偏向于采用多材料的选项。如果弹簧完全由复合材料制成,就需要改变悬架结构以便容纳更宽的GFRP主板。Collyer解释说:“之所以将钢弹簧用作主板,是因为它能够承受横向载荷。如果复合材料的主板拥有与钢弹簧一样的宽度,由于复合材料的模量低,就会导致悬架的横向刚度太小,因此,虽然我们可以用复合材料做主板,但必须把它做得更宽,以补偿和维持车辆所需的横向性能,这就意味着要增加悬架结构的复杂性,以便容纳更宽的弹簧。”

最终,Rassini开发出了长1m、宽70mm以及厚30mm的复合材料辅助板。虽然厚度大约是之前的钢辅助板的1.7倍,但却减轻了53%的质量,结合优化主板设计所带来的减重,Rassini 帮助福特将每辆车的总质量减轻了大约16kg。Collyer承认,该复合材料辅助板的成本相对较高,但是,鉴于其带来的减重优势,依然被福特看作是可接受的优质产品,这有利于减少温室气体排放,并满足未来日益严格的CAFÉ和排放标准要求。

下一个挑战是开发一种能满足F-150产品线大批量生产需求的生产工艺。Collyer介绍说,在最初的产品开发和原型阶段,是由人工来铺放预浸料。但是,当Rassini考虑进入大批量的生产时,就必须采用高产量、自动化且可重复性高的生产工艺。因此,他们选用了高压树脂传递模塑成型(HP-RTM)工艺。Collyer表示:“对于每年10万个以下的板弹簧产量,使用预浸料是可行的。但由于该项目的产量大,因此我们需要更高产量的生产工艺。只要年产量超过10万件,HP-RTM 工艺就具有吸引力。”

与模具制造商Alpex Technologies公司(奥地利Mils bei Hall)以及机器供应商FILL Gesellschaft公司(奥地利Gurten)、Hennecke公司(美国宾夕法尼亚州Bridgeville)和Engel公司(美国宾夕法尼亚州York)合作,Rassini 在其位于墨西哥的新工厂中开发并安装了3个高度自动化的HP-RTM生产单元,每一个HP-RTM生产单元都配有一副10腔模具,生产运行的年循环次数大约是28000~30000次,辅助板的年总产量是84万~90万件。在交付给福特之前,每一个复合材料的辅助板都要通过承载测试。

Rassini制造的每一个复合材料的辅助板在被交付给福特前都要通过承载测试。这种复合材料的辅助板,结合对钢主板的材料和设计进行的改进,使得福特的F-150皮卡质量减轻了16kg(图片来自Rassini)

可以说,该工厂代表了汽车用复合材料制造的未来。这一占地5.2万平方英尺的工厂于2018年3月启用,当时,3条HP-RTM生产线中的第一条已开始运行。到2020年3月,全部3条生产线都已投入运行。如果需要,还有安装第四条生产线的空间。Collyer介绍说,这种复合材料的辅助板是该工厂目前生产的唯一部件,凭借高度的自动化,与设备接触的操作人员通常只是在加工开始(装上NCF料卷)和结束(取下成品部件)时才需要。

Rassini于2018年在墨西哥建成了这一占地5.2万平方英尺的工厂,主要用于制造1+C混合板弹簧上使用的复合材料辅助板。这一高度自动化的生产所需的人工操作只是装上玻纤料卷和取下成品部件(图片来自Rassini)

车辆减重16kg对于福特及其用户而言意味着什么呢?Collyer表示,虽然Rassini不能分享来自福特的数据,但却可以分享与车辆减重有关的假设案例数据。比如,假设一辆汽油驱动的汽车在其生命周期中每使用1加仑的汽油平均能行驶20英里,车辆的平均寿命为15万英里,使用这种轻质板弹簧的车辆数量大约是250万辆,那么,车辆减重16kg就意味着在车队的整个生命周期中,预计可以减少大约75.8万t的CO2排放和3.22亿升的燃油消耗。

在福特P702平台上制造的F-150皮卡预计在其整个生产周期中都将使用Rassini开发的1+C混合板弹簧(图片来自Rassini)

凭借为F-150皮卡设计、开发板弹簧所进行的创新,Rassini获得了2021 SPE汽车复合材料大会暨展示会(ACCE)和2021 SPE创新奖暨颁奖典礼的大奖和底盘硬件类奖项。这种多材料的板弹簧组件还使该公司获得了2021 Altair Enlightenment奖。

Rassini 表示,目前该公司已成功地实施了这一令人兴奋的复合材料轻量化项目,而且可以将这项技术推广应用于其他产品。

标签: 复合材料 复合材料辅助板

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