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塑料弹簧的研制和发展

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-04-11  浏览次数:32
核心提示:塑料弹簧的研制和发展刘辉航(中国人民解放军1001强力弹簧研究所)发展情况由于塑料弹簧具有钢制弹簧难以取代的优点,因此美、英
 塑料弹簧的研制和发展

刘辉航(中国人民解放军1001强力弹簧研究所)


发展情况

 

由于塑料弹簧具有钢制弹簧难以取代的优点,因此美、英、日等国竞相开展研制,取得了不少研制成果,有些已投入实际应用。它的发展大体经历了三个阶段。

 

1970年以前为原理性实验探索阶段。在这一阶段,发表的应用理论分析文章和阶段性研制报告比较多。在此期间,由于适合于工程应用的热固性塑料尚处在早期发展阶段,工程塑料弹簧的研制遇到许多问题,如材料的耐温性差、硬度低不耐磨、价格高、难以制成广泛的螺旋弹簧,加之设计程序,加工设备和工艺参数都遇到一些有待解决的新问题,因而延缓了塑料弹簧向实际应用的进程。

 

1980年以前为实用化研制阶段。在这一阶段,由于塑料工业的发展,耐温、耐磨和价格合理的纤维增强塑料(FRP=Fiberglass Rein—forced Plastics)研制成功,加之汽车设计向小型化和轻型化方向发展,特别是石油危机以来,为了减轻汽车配件重量,节约燃料,汽车厂商积极开展塑料板簧的研制,促进了塑料弹簧向实际应用的发展。在这一阶段的突出研制成果是FRP板簧在美国投入实际应用。

 

1980年至今为实际应用稳定发展阶段。继美国之后,英国纳铁福复合公司(GKN COM—Posites)在Telford新厂内建成了年产五十万套FRP板簧生产线,1985年已开始大量生产,在西欧居于领先地位。用热塑性塑料注射成型的一体化弹簧组件(将塑料弹簧和塑料零件制作成一体)已投放市场应用。总之,今年来塑料弹簧投入实际应用的数量和范围都在稳步发展。

 

使用材料

 

目前,塑料弹簧主要使用热固性塑料,特别是热固性纤维增强塑料,也有使用热塑性塑料的,但数量不多。

 

从使用角度考虑,对弹簧材料性能的主要要求是:(1)变形能V值要大(即弹簧模量E值要小)。(2)强度,特别是疲劳强度要大。(3)容易加工成型。用于制作弹簧的热固性和热塑性能否满足以上要求呢?

 

1. 关于变形能

 

热固性纤维增强塑料的V值比一般金属都大,可与弹簧钢相比

 

2. 关于塑料的强度和疲劳强度

 

以环氧树脂为胶粘剂的热固性塑料的抗拉强度σь很容易超过400N/mm²。一般热固性塑料与玻璃纤维增强塑料(GFRP)的疲劳强度之比为0.25—0.35,而与碳素纤维增强塑料(CFRP)的疲劳强度之比为0.5。

 

FRP是以CF为经线,以GF为纬线的交织品。胶粘剂采用最好的环氧树脂(其次可用酚醛树脂,一般可用不饱和聚脂树脂)FRP半熟化片(即予先将CF、GF浸渍过树肢,再固化到不发粘为止)。不仅强度高,而且应力呈单向分布,是制造板簧的理想材料。

 

3. 塑料的加工工艺性

 

不如钢,特别是热固性纤维增强塑料,无论在热态或冷态都很难制成螺旋弹簧,但FRP制作成板簧的工艺性和钢近似,只是加工方法不同而已。

 

热塑性的工艺性好,容易成形,生产率也高,但机械性能不如热固性塑料。

 

塑料,特别是热固性的纤维增强塑料可满足弹簧对材料的三项基本要求,同时还具有重量轻(比重为1.0—2.0)、耐腐蚀、电绝缘性好和容易着色等优点。设计者可根据需要,全面权衡,恰当选用。

 

设计程序

 

设计条件 塑料与金属的性能有许多差异,设计塑料弹簧时,应认真考虑以下问题:(1)弹性模量;(2)工作环境温度;(3)载荷作用时间;(4)变形量对E值的影响。

 

制造工艺

 

1、 小批量制造工艺

 

1)制作变厚度塑料板;(2)制作卷耳;(3)用增强玻璃材料将塑料板和单独制作的卷耳组合为一体。

 

2、 大批量生产工艺

 

目前,适合于大批量生产塑料板簧的方法有许多种,主要根据弹簧使用的材料选择加工方法。基本流程是:

 

(1) 制作FRP塑料板

 

(2) 制作卷耳

 

(3)FRP塑料板和卷耳组合在一起

 

实验性能

 

1、静态特性

 

(1) 一般性能

 

(2) 应力分布

 

2、动态特性

 

疲劳寿命是衡量弹簧动态特性的重要指标。实践证明,FRP板簧的疲劳寿命比钢制板簧好。英国GKN公司在液压伺服试验台上对FRP板簧做多向加载(模拟汽车在实际运行中的垂直力、倾翻力和纵向力)疲劳试验。根据汽车制造厂的规定,该车使用的钢制板簧以最大动行程的70%做台架疲劳试验,应能承受2×106作用次数。GKN公司宣布,该公司生产的FRP板簧可承受107作用次数的疲劳试验。

 

3、 环境试验

 

GKN公司生产的FRP板簧能经受车辆行驶中所受到的全部腐蚀,如油、蓄电池酸液和盐水。只有焊接火焰、电孤焊飞溅火星对其有影响。

 

前程展望

 

1. 应用数量和范围将继续稳步增加

 

FRP板簧与钢制板簧相比较,具有:

 

(1) 重量轻。某载重汽车的FRP板簧比等效钢制板簧减轻50%,比等效多叶钢制板簧减轻65%。在轻型汽车上减轻了25公斤。在38吨绞车上减轻了500公斤。

 

(2)“安全断裂”提高了可靠性。汽车严重超载时,FRP板簧沿长度方向分层开裂,虽然降低了刚度,但仍可使车轴位置保持不变,可使汽车能安全开到修理厂。

 

(3) 疲劳寿命高。超过钢制多叶板簧约5倍。

 

(4) 全寿命费用(Cycle life Cost)合理。FRP板簧与同等钢制板簧相比成本较低加上重量轻,节约燃料和维修方便等原因使车辆操作费用更加降低。

 

(5) 容易制作成变厚度截面的板簧,材料利用合理且减轻了重量。

 

(6) 嗓音小。减少了对环境的污染,改善了操作条件。

 

鉴于以上原因,可以说精密的FRP板簧应用前景是光明的。

 

“一体化”的弹簧组件研制工作进展较快,已有商品出售。这样不仅减少了零件数量,而且简化了装配工序。而金属弹簧与其它零件的加工方法(如压力加工,切削加工和铸造等)不同,难于一体成形。

装饰性塑料弹簧的研制正在兴起。塑料容易着色,这是金属难以具备的特点。

 

塑料扭杆弹簧的研制已开始起步。

 

塑料螺旋弹簧的制作工艺,至今没有取得实质性的突破。

 

2.应用理论还需要继续完善。塑料弹簧虽然在实际中得到了一些应用,但还没有完善的应用理论体系。它主要以弹性力学和塑料工程学作为理论基础,但又有自己的特点。许多问题如温度、载荷作用时间和变形对塑料弹性模量的影响、塑料板中间层的应力分析、塑料弹簧的设计程序、依据标准,如何塑性成形等等,都需要进一步完善和解决。近年来虽然形成了一些半经验半分析性的解法用于元、组件的设计。这些方法,从严格的科学理论来说还是不完善不充分的,但从局部工程意义上来说是可行的有效的。

总之,塑料弹簧是有钢制弹簧难以取代的优点,而且经受了多年的实用考验。因此,它的研制和应用将会继续向前发展。

 
 
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