塑料弹簧的研制和发展.docVIP

塑料弹簧的研制和发展 ??? 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/mm 2。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） 将 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2×10 6 作用次数。 GKN公司宣布，该公司生产的FRP板簧可承受10 7 作用次数的疲劳试验。 ? ?