扭桿彈簧的研制和發(fā)展

由于扭桿彈簧具有鋼制彈簧難以取代的優(yōu)點(diǎn)，因此美、英、日等國(guó)競(jìng)相開展研制，取得了不少研制成果，有些已投入實(shí)際應(yīng)用。扭桿彈簧它的發(fā)展大體經(jīng)歷了三個(gè)階段。

1970年以前為原理性實(shí)驗(yàn)探索階段。在這一階段，發(fā)表的應(yīng)用理論分析文章和階段性研制報(bào)告比較多。在此期間，由于適合于工程應(yīng)用的熱固性塑料尚處在早期發(fā)展階段，工程塑料彈簧的研制遇到許多問題，如材料的耐溫性扭桿彈簧差、硬度低不耐磨、價(jià)格高、難以制成廣泛的螺旋彈簧，加之設(shè)計(jì)程序，加工設(shè)備和工藝參數(shù)都遇到一些有待解決的新問題，因而延緩了塑料彈簧向?qū)嶋H應(yīng)用的進(jìn)程。

1980年以前為實(shí)用化研制階段。在這一階段扭桿彈簧，由于塑料工業(yè)的發(fā)展，耐溫、耐磨和價(jià)格合理的纖維增強(qiáng)塑料（FRP=Fiberglass Rein—forced Plastics）研制成功，加之汽車設(shè)計(jì)向小型化和輕型化方向發(fā)展，特別是石油危機(jī)以來，為了減輕汽車配件重量，節(jié)約燃料，汽車廠商積極開展塑料板簧的研制，促進(jìn)了扭桿彈簧塑料彈簧向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展。在這一階段的突出研制成果是FRP板簧在美國(guó)投入實(shí)際應(yīng)用。

1980年至今為實(shí)際應(yīng)用穩(wěn)定發(fā)展階段。繼扭桿彈簧美國(guó)之后，英國(guó)納鐵福復(fù)合公司（GKN COM—Posites）在Telford新廠內(nèi)建成了年產(chǎn)五十萬套FRP板簧生產(chǎn)線，1985年已開始大量生產(chǎn)，在西歐居于領(lǐng)先地位。用熱塑性塑料注射成型的一體化彈簧組件（將塑料彈簧和塑料零件制作成一體）已投放市場(chǎng)應(yīng)用�？傊�，扭桿彈簧今年來塑料彈簧投入實(shí)際應(yīng)用的數(shù)量和范圍都在穩(wěn)步發(fā)展。

使用材料

目前，塑料彈簧主要使用熱固性塑料，特別是熱固扭桿彈簧性纖維增強(qiáng)塑料，也有使用熱塑性塑料的，但數(shù)量不多。

從使用角度考慮，對(duì)彈簧材料性能的主要要求是：（1）變形能V值要大（即彈簧模量E值要�。�。（2）強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度要大。（3）容扭桿彈簧易加工成型。用于制作彈簧的熱固性和熱塑性能否滿足以上要求呢？

1．關(guān)于變形能

熱固性纖維增強(qiáng)塑料的V值比一般金屬都大，可扭桿彈簧與彈簧鋼相比

2．關(guān)于塑料的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度

以環(huán)氧樹脂為膠粘劑的熱固性塑料的抗拉強(qiáng)度σ扭桿彈簧ь很容易超過400N/mm²。一般熱固性塑料與玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）的疲勞強(qiáng)度之比為0.25—0.35，而與碳素纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）的疲勞強(qiáng)度之比為0.5。

FRP是以CF為經(jīng)線，以GF為緯線的交織品。膠粘劑采用最好的環(huán)氧樹脂（其次可用酚醛樹脂，一般可用不飽和聚脂樹脂）FRP半熟化片扭桿彈簧（即予先將CF、GF浸漬過樹肢，再固化到不發(fā)粘為止）。不僅強(qiáng)度高，而且應(yīng)扭桿彈簧力呈單向分布，是制造板簧的理想材料。

3．塑料的加工工藝性

不如鋼，特別是熱固性纖維增強(qiáng)塑料，無論在熱扭桿彈簧態(tài)或冷態(tài)都很難制成螺旋彈簧，但FRP制作成板簧的工藝性和鋼近似，只是加工方法不同而已。

熱塑性的工藝性好，容易成形，生產(chǎn)率也高，但機(jī)械性能不如熱固性塑料。

塑料，特別是熱固性的纖維增強(qiáng)塑料可滿足彈簧扭桿彈簧對(duì)材料的三項(xiàng)基本要求，同時(shí)還具有重量輕（比重為1.0—2.0）、耐腐蝕、電絕緣性好和容易著色等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要，全面權(quán)衡，恰當(dāng)選用。

設(shè)計(jì)程序

設(shè)計(jì)條件 塑料與金屬的性能有許多差異，設(shè)計(jì)塑扭桿彈簧料彈簧時(shí)，應(yīng)認(rèn)真考慮以下問題：（1）彈性模量；（2）工作環(huán)境溫度；（3）載荷作用時(shí)間；（4）變形量對(duì)E值的影響。

制造工藝

1、小批量制造工藝

（1）制作變厚度塑料板；（2）制作卷耳；（3）用扭桿彈簧增強(qiáng)玻璃材料將塑料板和單獨(dú)制作的卷耳組合為一體。

2、大批量生產(chǎn)工藝

目前，適合于大批量生產(chǎn)塑料板簧的方法有許多種，扭桿彈簧主要根據(jù)彈簧使用的材料選擇加工方法。基本流程是：

（1） 制作FRP塑料板
（2） 制作卷耳
（3）將FRP塑料板和卷耳組合在扭桿彈簧一起

實(shí)驗(yàn)性能

1、靜態(tài)特性

（1） 一般性能
（2） 應(yīng)力分布

2、動(dòng)態(tài)特性

疲勞壽命是衡量彈簧動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo)。實(shí)扭桿彈簧踐證明，FRP板簧的疲勞壽命比鋼制板簧好。英國(guó)GKN公司在液壓伺服試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)FRP板簧做多向加載（模擬汽車在實(shí)際運(yùn)行中的垂直力、傾翻力和縱向力）疲勞試扭桿彈簧驗(yàn)。根據(jù)汽車制造廠的規(guī)定，該車使用的鋼制板簧以最大動(dòng)行程的70%做臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，應(yīng)能承受2×106作用次數(shù)。GKN公司宣布，該公司生產(chǎn)的FRP板簧可承受107作用次數(shù)的疲勞試驗(yàn)。

3、 環(huán)境試驗(yàn)

GKN公司生產(chǎn)的FRP板簧能經(jīng)受車輛行扭桿彈簧駛中所受到的全部腐蝕，如油、蓄電池酸液和鹽水。只有焊接火焰、電孤焊飛濺火星對(duì)其有影響。

前程展望

1．應(yīng)用數(shù)量和范圍將繼續(xù)穩(wěn)步增加

FRP板簧與鋼制板簧相比較，具有：

（1） 重量輕。某載重汽車的FRP板簧比等效扭桿彈簧鋼制板簧減輕50%，比等效多葉鋼制板簧減輕65%。在輕型汽車上減輕了25公斤。在38噸絞車上減輕了500公斤。
（2）“安全斷裂”提高了可靠性。汽車嚴(yán)重超載時(shí)，FRP板簧沿長(zhǎng)度方向分層開裂，雖然降低了剛度，但仍可使車軸位置保持不變，可使汽扭桿彈簧車能安全開到修理廠。
（3） 疲勞壽命高。超過鋼制多葉板簧約5倍。
（4） 全壽命費(fèi)用（Cycle life Cost）合理。FRP板簧與同等鋼制板簧相比成本較低加上重量輕，節(jié)約燃料和維修方便等原因使車輛操作費(fèi)用更加降低。
（5） 容易制作成變厚度截面的板簧，材料利扭桿彈簧用合理且減輕了重量。
（6） 嗓音小。減少了對(duì)環(huán)境的污染，改善了操作條件。

鑒于以上原因，可以說精密的FRP板簧應(yīng)用前扭桿彈簧景是光明的。

“一體化”的彈簧組件研制工作進(jìn)展較快，已有商品出售。這樣不僅減少了零件數(shù)量，而且簡(jiǎn)化了裝配工序。而金屬?gòu)椈膳c其它零件的加工方法（如壓力加工，切削加工和鑄造等）不同，難于一體成形。

裝飾性塑料彈簧的研制正在興起。塑料容易著色扭桿彈簧，這是金屬難以具備的特點(diǎn)。

塑料扭桿彈簧的研制已開始起步。

塑料螺旋彈簧的制作工藝，至今沒有取得實(shí)質(zhì)性的突破。
扭桿彈簧
2．應(yīng)用理論還需要繼續(xù)完善。塑料彈簧雖然在實(shí)際中得到了一些應(yīng)用，但還沒有完善的應(yīng)用理論體系。它主要以彈性力學(xué)和塑料工程學(xué)作扭桿彈簧為理論基礎(chǔ)，但又有自己的特點(diǎn)。許多問題如溫度、載荷作用時(shí)間和變形對(duì)塑料彈性模量的影響、塑料板中間層的應(yīng)力分析、塑料彈簧的設(shè)計(jì)程序、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，如何塑性成形扭桿彈簧等等，都需要進(jìn)一步完善和解決。近年來雖然形成了一些半經(jīng)驗(yàn)半分析性的解法用于元、組件的設(shè)計(jì)。這些方法，從嚴(yán)格的科學(xué)理論來說還是不完善不充分的，但從局部工程意義上來說是可行的有效的。
扭桿彈簧
總之，塑料彈簧是有鋼制彈簧難以取代的優(yōu)點(diǎn)，扭桿彈簧而且經(jīng)受了多年的實(shí)用考驗(yàn)。因此，它的研制和應(yīng)用將會(huì)繼續(xù)向前發(fā)展