一、悬架弹簧的设计
1.最近20年悬架弹簧重量差不多降低25%,主要归功于高应力轻量化设计,新车型悬架弹簧的应力≥1100Mpa非常常见。弹簧在如此高应力下服役,已经超过材料可以承受的极限,所以必须辅之以其它的强化手段(如喷丸)。虽然高应力轻量化是当前的设计趋势,但设计思想上还是有所差异。一般而言,欧洲车型对高应力、轻量化设计用得较多,日韩车型设计应力相对较低,体现了高性价比和务实的设计思想。
2.90年代之后将悬架弹簧设计成有偏心力的”S”型弹簧的实例越来越多,如POLO、PQ35、蒙迪欧、福克斯都采用了这种设计。”S”型悬架弹簧的优点是它的合力矢量方向与减震器运动方向相一致,从而减少了侧向分力对减震器的不良影响。然而“S”形弹簧制造工艺复杂,弹簧某一簧圈承受的应力会高于其它簧圈,导致该处容易产生疲劳失效
。日韩车型很少采用“S”形弹簧的设计。
3.对于后悬架弹簧,设计师为了追求后座及行李箱有更大的空间,把弹簧设计成变截面中凸形状(也称为MINIBLOCK弹簧),
这类弹簧受力后的压并高度很小,从而节省出空间,VW和Audi非常偏爱此类设计,如Passat B5、Audi
A6都使用这类设计,经济型车如Sail为扩大空间也使用了这类设计。
4.近些年来,汽车业普遍开始实施平台战略,同一平台的底盘可以多功能配置。实施平台战略之后,新车型推出速度空前加速,然而对悬架弹簧而言,同一平台的车型,由于配置的不同,悬架弹簧需要重新匹配,如PQ35平台的悬架弹簧品种多达90种。主机厂要求悬架弹簧供应商按照它的市场战略,做出快速反应。能否快速研发出与新车型相匹配的悬架弹簧已经成为竞争力的重要一环。
5.中国汽车自主品牌与悬架弹簧的同步开发,由于众所周知的原因,我国轿车市场的产品开发和认可权基本都掌握在国外企业手中,国内悬架弹簧生产企业很少有机会参与整车的同步开发,大部分是来图加工,充其量只是进行了一些工艺开发。按照来图制成样品之后需要送到国外认可,产品认可周期长,在技术上很不平等,他们认为不合格的项目国内供应商不能辩解,有时甚至连不合格原因都不告知供应商。今后随着时间的流逝,国内民族品牌已经开始起步,情况也许会有所好转。
二、悬架弹簧的制造技术
1.卷簧成型技术
卷簧成型、喷丸强化和涂装是悬架弹簧生产的三大核心工艺技术,其中成型有热、冷两种方式,各有优缺点。热卷成型的优势是材料成本低但能耗高占地大,产品有脱碳风险,最新的热卷使用中频加热技术无论是能耗、产品质量均有明显改善,属于重大的技术进步。冷卷工艺起步较晚但发展速度快,冷卷设备目前可以做到Φ17.00mm(C=4,σb=2000MPa的条件下)。对于产品门类而言热卷适宜于制造变截面和MINIBLOCK弹簧,冷卷适合做”S”型偏心力弹簧。
2.喷丸强化技术
喷丸是悬架弹簧最有效的强化手段,高应力弹簧经过适当的喷丸之后疲劳寿命可以提高5倍以上,悬架弹簧的喷丸早期使用铸钢丸粒,由于容易破碎效果不佳,基本淘汰,目前大都使用钢丝切丸,工艺上多次喷丸(不同丸粒直径)普遍应用,热喷丸(弹簧加热到200度以上)和应力喷丸在本世纪初进入实际生产应用阶段。弹簧表面压应力强度和深度是衡量喷丸效果的重要指标。良好的喷丸表面压应力至少在-600Mpa以上,距表面50um处达到-800Mpa,应力喷丸弹簧的表面压应力可达-800Mpa,距表面50um处可达-1200Mpa。
3.弹簧热压技术
国内应用不普及,普遍使用冷压(6次以上)取代,与冷压相比,经过热压的弹簧对疲劳寿命和松弛性能的提高效果更显著。目前妨碍热压技术应用的主要原因除设备因素之外热压对弹簧温度的一致性要求较高,并且要求与前道工序有良好的节拍匹配。“S”型弹簧对热压的工装和定位要求更高一些,生产高应力悬架弹簧热压是必不可少的环节,也是今后国内生产企业需要加强的工艺技术项目。
4.涂装技术
悬架弹簧涂装技术是近几年发展最快的工艺技术,以盐雾试验项目为例,20年前大部分产品只要求通过240-480小时试验,而目前普遍的要求是720—1000小时,除此之外,还增加出种类繁多的试验项目,例如石击试验、冷冻冲击试验、石击后盐雾疲劳试验等等,如美国GM公司针对汽车悬架弹簧表面涂层的9984164标准规定涂层需要通过13项性能试验项目,其中最长的1项试验周期长达70天(10周)。主机厂之所以采用如此严格的试验标准原因在于在高应力条件下服役的悬架弹簧,一旦表面受到腐蚀很快即产生腐蚀疲劳失效,断裂后的弹簧断口倘若戳破轮胎将有可能造成重大的安全及人身事故。2003年美国某公司就由于悬架弹簧使用传统的涂装工艺导致89万辆汽车的召回。近20年弹簧表面涂装历经了阴极电泳、静电喷涂和复合涂层三个发展阶段,目前的主流是静电喷涂,复合涂层是最近几年发展的新工艺,弹簧在加热状态下先涂一层锌粉、然后再在表面覆盖环氧粉末,表层粉末能有效地吸收碎石撞击的能量使弹簧表面免受破坏。
5. 悬架弹簧检测技术
除了一般机械性能及金相试验之外,腐蚀试验(包括腐蚀疲劳试验)是悬架弹簧生产必需具备的检测手段,“S”型弹簧合力矢量的检测设备和X线应力仪分别是检测弹簧负荷方向和喷丸效果的有力工具,也是产品研发和过程控制经常用到的检测手段。弹簧负荷在线检测和标识自动打印国外已经普遍使用,而我国这些项目应用有很大差距。
6.悬架弹簧生产过程的物流:
生产过程中的物流是我国悬架弹簧生产企业普遍存在的薄弱环节,一物流联线自动化生产国外20年前已经解决了的问题,在我国至今没有解决。产生这些现象的深层次原因主要是认知上的误区,长期处于小生产影响下的中国企业,在规划过程中往往把重点放在生产设备引进上,忽视设备之间的联线、接口、节拍控制等诸多问题。采购设备时更多地考虑价格因素,引进多国设备,导致接口以及控制方式互不兼容,生产效率不相适应,致使联线无法进行。场地布置问题,也是造成日后联线的困难的重要因素。悬架弹簧联线生产是提高生产效率、产品质量和提升企业竞争力的重要手段,是悬架弹簧发展的方向之一。