深圳弹簧厂塑料弹簧的研制和发展

塑料弹簧的研制和发展
    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）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2×106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。