GFRP复合材料板簧的试验分析_牟正明

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概
述
变截面板弹簧的过程，非金属板弹簧是无法通过 结构这一关的。 在国外，自上世纪美国就用玻璃纤维加强塑 料创制出试验型的玻璃纤维加强塑料 （Ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ） 简称 ＧＦＲＰ，我们通常称之为 ＧＦＲＰ 板簧，用 ２ｋｇ 的重量代替 １２．７ｋｇ 的钢制弹 簧用于轻型车， 并用 １３．６ｋｇ 代替 ５９ｋｇ 的钢制弹簧 用于载重汽车（每辆可降低 １８０ｋｇ）。 自美国研制了 ＧＦＲＰ 板簧而且试验性的用到 汽车上之后， 其它汽车工业发达国家， 相继研究开 发。日本也于上世纪 ８０ 年代开始研究， 日本发条 栋式会社（ＮＨＫ ）制造出 ＧＦＲＰ 板簧用日产 “ 温保 克斯” 型汽车上。 在国内， 开发了 ＧＦＲＰ 板簧， 试制出的样品比 钢制副板簧重量减轻约 ５．７ 倍。 ＧＦＲＰ 的特性 １．ＧＦＲＰ 质地轻， 其比重为 １．９， 弹簧钢的比 重为 ７．８， 在同等体积下， ＧＦＲＰ 材料比弹簧钢要约 轻 ４ 倍。 ２． 对弹性能的吸收能力较大， ＧＦＲＰ 材料比
参考文献
表9
GFRP 板簧疲劳试验剥层扩展情况 (单位 ：mm )
疲劳次数 （万次 ）
a 10 20 45 60 79
b 2 5 14 17 22
c 1 1 1 1 1
18 23 25 27 30
图1
1#GFRP 板簧左端
不易产生像钢簧那样突然折断情况，具有一定的
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安全性， 但 ＧＦＲＰ 板簧出现的剥层现象， 并且随着 剥层现象的发生，其刚度逐渐降低，最终而导致 ＧＦＲＰ 板簧失效。 因此国外标准在衡量 ＧＦＲＰ 板簧 的疲劳寿命时， 限定刚度降低在 ５％以下（即刚度 保持率为 ９５％以上）时的疲劳循环次数作为 ＧＦＲＰ 板簧的疲劳寿命。 通过这次试验， 也可验证这种观 点的正确性。 从试验结果看， ２ 架 ＧＦＲＰ 板簧外表面比试验 前发生了变化， 其外表面上出现许多白斑点， 在这 些部位，气泡已侵入玻璃纤维层与层之间， 使 ＧＦＲＰ 板簧出现剥层现象， 其承载能力受到显著影 响，这可从疲劳试验之后的刚度试验时发现的载 荷不稳定这一现象中观察得知。 ＧＦＲＰ 板 簧 与 钢 制 板 簧 另 一 不 同 之 处 是 ＧＦＲＰ 板簧的玻璃纤维层与层之间的剪切应力 γ 不能忽视，它的强度受树脂与玻璃纤维结台强度 的影响， 所以建议， 在对 ＧＦＲＰ 板簧的研发时， 不 仅要对材料样棒作材料物理性能、 化学性能试验，
表8
GFRP 板簧夹紧对刚度影响表
4
试验分析
ＧＦＲＰ板簧
１＃ ２＃
变化率 （％） 实测 ４．５ ５．１ 设计 ６．８
通过试验结果可知，两架 ＧＦＲＰ 板簧的夹紧 刚度， 不夹紧刚度都与设计值相差甚远， 超出国标 要求范围（±８％ ）， 从前批样簧看， 不夹紧刚度也偏 大， 说明 ＧＦＲＰ 板簧的成型工艺不稳定。 ＧＦＲＰ 板簧是由树脂及强化纤维一层一层粘 合起来， 装到模具内加热， 加压硬化成型的， 随着 其玻璃纤维的含有率， 纤维成型方向的不同， 其材 料的弹性模量也不同，而且随着玻璃纤维粘接层 数的不同， 沿板长方向的弹性模量也是一个变量。 因此对 ＧＦＲＰ 板簧来说，其刚度不单只受材料及 其几何尺寸的影响，更重要的还要受到其材料的 成型工艺的影响。 通过对 １＃ＧＦＲＰ 板簧的折损裂纹观察可知， 其裂纹正处在此板簧最大应力区域内 （计算得最 大应力截面在距夹紧中心 １６．１ｃｍ 处），说明在 １＃ＧＦＲＰ 板簧距中心夹紧处 １７ｃｍ 处出现裂纹导 致剥层现象出现是属正常的疲劳损伤， 使 １＃ＧＦＲＰ 板簧夹紧刚度下降 １８￣２０．５％， 不夹紧下降 １７．７～ ２０．９％， 导致板簧失效。 从试验条件来看， ＧＦＲＰ 板簧的最大试验应力 ３５１１３ Ｎ／ｃｍ２。 不及国外标准 ５８８００ Ｎ／ｃｍ２， 在同等 试验寿命（３０ 万次）条件下， 其刚度下降率超过国 外标准许多，可以说此批 ＧＦＲＰ 板簧还存在一定 的质量问题。 目前， ＧＦＲＰ 板簧还处在研发阶段，所以对 ＧＦＲＰ 板簧的性能及寿命的评价仍受到钢制板簧 认识的影响。ＧＦＲＰ 板簧的疲劳寿命较钢簧要高，
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1# GFRP 板簧外形尺寸 (单位 ：mm)
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ＧＦＲＰ复合材料板簧的试验分析
牟正明 朱学华 李 吉 夏 阳 刘 明
（南京汽车集团有限公司汽车工程研究院） 摘 要
本文阐述 GFRP 复合材料板簧的性能以及试验； 试验表明， 复合材料板簧疲 劳寿命高于传统钢板弹簧； 分析其疲劳破坏特征与钢板弹簧的不同点。 关键词： ＧＦＲＰ 板簧 试验分析
自从汽车诞生以来，它所配备的悬架弹性元 件一一板簧绝大多数均为钢制成，但这种钢板弹 簧在整车自重中所占的比重较大，重量约为汽车 自重的 １ ～ １ 。 １０ １５ 在 国 内 钢 板 弹 簧 材 料 一 般 采 用 ６０Ｓｉ２Ｍｎ， ５５ＳｉＭｎＶＢ， 国 外 一 般 采 用 中 碳 铬 钒 钢 （５５ＣｒＶ、 ５０ＣｒＭｎ、 ６０ＣｒＶＡ 等）。随着材料工业的发展， 高屈 强比，高弹性的优质弹簧钢为提高板簧设计的许 用应力和降低弹簧自重提供了条件。 近几十年来， 在汽车钢板簧的发展上紧紧围绕着轻量化、乘座 舒适化及使用耐用化来进行产品开发科研工作， 少片变截面钢板弹簧须为优质高强度弹簧钢， 并 在保证价廉供应的条件下， 才能快速推广， 因此汽 车悬架板弹簧的发展受到材料工业发展的制约。 钢制少片变截面板弹簧的出现，使板弹簧片 数变成最少（最少为单片）， 应力发展到最大（可用 ９８０Ｎ／ｍｍ２）， 给发展非金属板弹簧提供了结构上的 依据，如果没有由多片等截面板弹簧发展到少片
表1
弹性能为 ０．１５６， 弹簧钢的比弹性能为 ０．０２５， 所以 ＧＦＲＰ 材料比弹性能为弹簧钢的 ６ 倍多。 ３． 抗弯强度较大， ＧＦＲＰ 材料弯曲弹性模量 为 ４２６３０Ｎ／ｍｍ２， 弹 簧 钢 弯 曲 弹 性 模 量 为 ２０５８０Ｎ／ｍｍ２， 故在弯曲弹性模量上， ＧＦＲＰ 材料比 弹簧钢要大 ２ 倍多。 ４． 在疲劳特性方面， ＧＦＲＰ 材料的疲劳寿命 较弹簧钢要高， 在试验中不会产生突然折断现象， 但会出现材料剥层现象， 使刚度下降。 ５． 在耐油性及化学药品的侵蚀性方面， ＧＦＲＰ 材料在汽油等石油产品及酸、 污水、 融雪剂 中浸泡 ５０ 小时， 其性能无变化， 不会像弹簧钢那 样易生锈造成疲劳源点。 ６．ＧＦＲＰ 材料不导电，易于着色成各种美观 的颜色。 ７．但 ＧＦＲＰ 材料剪切应力相当低， 剪切应力 约为弯曲应力 １ 。 １０ ８．ＧＦＲＰ 材料的耐磨性能要比弹簧钢要低。 由以上各特性为根据，采用 ＧＦＲＰ 材料制造 汽车悬架板弹簧是可行的， 但是到目前为止， 尚未 大量用到汽车生产上， 仍属于研制试用阶段。
（试验室室温 ６～９℃），在随后的疲劳试验过程 中， 对 ＧＦＲＰ 板簧表面， 尤其是板端接触处的温度 进行测量， 均小于 ３０℃。 在疲劳试验进行到 １３ 万次时， １＃ＧＦＲＰ 板簧 左端距中心夹紧处 １７０ｍｍ 处出现小白点， 随着试 验时间延长， 小白点渐渐扩大为裂纹， 裂断又渐渐 扩大， 在裂纹周围发生剥层现象， 其剥层扩展情况 如表 ９ 所述。
在可能条件下， 按国外标准进行一些台架试验， 比 如在 －４０℃ 至 ７０℃ 温度范围测刚度 变 化 率 ， 以 ４４１±１４７ Ｎ／ｍｍ２ 应力幅在刚度保持率为 ９５％时， 寿命 ３０ 万次及耐蠕变失效试验等。 从减重、 舒适、 耐用这几方面来说 ＧＦＲＰ 板簧 是汽车用悬架弹性元件的发展方向，如果这种 ＧＦＲＰ 板簧得到推广和普及， 无异对钢制悬架弹性 元件是一场 “革命” ， 但目前阻碍使用这种材料的 主要原因是成本价格高。国外的 ＧＦＲＰ 板簧比等 效的钢制簧成本价格还高 ３．５ 倍，国内研制的 ＧＦＲＰ 板簧， 也要比等效的钢制簧成本价格高 ２ 倍 多。所以， 发展 ＧＦＲＰ 板簧这种新产品， 必须从根 本上降低成本， 才会有推广的可能。
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轻型汽车技术 2014 （9/10）
GFRP 板簧性能数据
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2# GFRP 板簧外形尺寸 (单位 ：mm )



表4
GFRP 板簧弧高尺寸 (单位 ：mm )
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表5
GFRP 板簧样簧疲劳试验前刚度
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表6
GFRP 板簧样簧疲劳试验之后刚度
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轻型汽车技术 2014 （9/10） ＧＦＲＰ 材料与金属夹具之间放置橡胶垫块， 减少塑 料材料与金属材料之间的摩擦。 虽然 ＧＦＲＰ 板簧的疲劳寿命较高，在试验中 不易发生突然断裂现象， 但会出现材料表层起泡、 剥离现象， 随着这些现象发生， ＧＦＲＰ 簧刚度下降， 因此在试验中， 在完成疲劳寿命试验之后， 又进行 了 ＧＦＲＰ 簧的刚度复核试验。 对于台架疲劳寿命的试验条件的确定，我们 参考了国外的情况， 按照国标规定的计算方法， 给 出试验振幅±３５ｍｍ， 试验预加变形 ５１ｍｍ， 相当于 振 动 应 力 幅 ２０８２５ ±１４２８８Ｎ／ｃｍ２， 最 大 应 力 于 载荷频率采用 １８５ 次 ／ 分。 ３５１１３Ｎ／ｃｍ２， 两架样簧外表平整，无损伤，且表面呈深棕 色， 无气泡夹杂。样簧在厚度上沿板长渐变， 且都 为单片。其参数及与此等效的现行钢制副簧对比 情况见表 １。
源自文库
GFRP 板簧与钢板弹簧参数对比
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2 GFRP 板簧的性能试验
目前， 国外一般 ＧＦＲＰ 板簧做过以下试验： １． 在 －４０℃ 至 ＋７０℃温度范围试验的刚度 变化低于±１％， 无其它问题出现。 ２． 以 ４４１ ±１４７Ｎ／ｍｍ２ 应力幅进行疲劳试 验， 当刚度保持原刚度 ９５％时， 达 ３０ 万次循环无 损坏。 ３．耐蠕变失效性， 以 ５８８Ｎ／ｍｍ２ 应力夹紧低 于 ＋７０℃， 放置 １０ 天无损坏。 鉴于此次我们的试制样品只有二架，故只进 行了刚度及疲劳寿命试验。 在 ＧＦＲＰ 簧做夹紧刚度及疲劳寿命试验时，
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试验结果与观察现象
在疲劳试验之后，进行 ＧＦＲＰ 板簧刚度性能 试验时， 发现当载荷加至 ２５０ｋｇ 左右时， 载荷值发 生快速的跳跃变化（电子压力机）， 这一现象一直延 续到满载（５１０ｋｇ）以上。 在疲劳试验进行到 ３ 万次时， １＃ＧＦＲＰ 板簧板 端与支承接触处（距中心 ４２．５ｃｍ）有油烟。经查， 其 它设备一切正常，当时 ＧＦＲＰ 板簧表面温度 １５℃