Rassini International公司采用大批量的生產(chǎn)方式，制造出了多材料的鋼/復(fù)合材料混合的板彈簧系統(tǒng)，滿足了福特汽車公司提出的減輕F-150皮卡質(zhì)量的挑戰(zhàn)性要求。
Rassini的1+C混合板彈簧擁有一個(gè)拋物線型的鋼主板和一個(gè)平的玻纖復(fù)合材料輔助板，用作福特F-150皮卡后輪上的懸架
2016年，美國(guó)福特汽車公司（以下簡(jiǎn)稱福特）向美國(guó)Rassini International公司（以下簡(jiǎn)稱Rassini）提出了一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的需求：減輕其標(biāo)致性旗艦貨車F-150皮卡的后懸架質(zhì)量。作為北美最大的板彈簧和其他懸架部件的供應(yīng)商，Rassini為福特提供了幾個(gè)選擇方案， 但更傾向于一種能將傳統(tǒng)的鋼板彈簧與復(fù)合材料的輔件結(jié)合在一起的解決方案——這種多材料的解決方案，意味著能夠?yàn)槠噺?fù)合材料在終端市場(chǎng)的增長(zhǎng)帶來(lái)重要的機(jī)會(huì)。
Rassini 板彈簧工程副總裁、輕量化研發(fā)總監(jiān)表示，該公司在汽車供應(yīng)鏈中的地位，使其自然而然地成為那些尋求創(chuàng)新解決方案的OEMs的合作伙伴。“當(dāng)福特的工程部門(mén)考慮如何讓板彈簧滿足其下一代產(chǎn)品對(duì)懸架的要求時(shí)，他們首先想到了我們。” 相關(guān)人員介紹說(shuō)，“他們對(duì)下一代F-150貨車的底盤(pán)提出了一些極具挑戰(zhàn)性的輕量化目標(biāo)，他們想知道我們有什么想法。”
Rassini向福特提供的解決方案，實(shí)際上是對(duì)跨越機(jī)動(dòng)車歷史的板彈簧演變過(guò)程的一個(gè)邏輯延伸。早期的板彈簧設(shè)計(jì)依賴于對(duì)多層等厚鋼板的使用，這些鋼板疊加結(jié)合在一起，隨著載荷的增加，自上而下地相繼嚙合起來(lái)。多年來(lái)，隨著鋼材質(zhì)量的提高，疊加的鋼板數(shù)量在逐漸減少，因?yàn)橹恍枋褂幂^少的鋼板就能承受同樣的載荷。
在位于墨西哥Piedras Negras 的工廠中，Rassini 采用3個(gè)高度自動(dòng)化的HP-RTM生產(chǎn)單元，制造了用于1+C 混合板彈簧的玻纖/環(huán)氧輔助板，每一個(gè)生產(chǎn)單元都采用一副10腔模具進(jìn)行生產(chǎn)，整個(gè)工廠每年能生產(chǎn)超過(guò)80萬(wàn)個(gè)復(fù)合材料的輔助板
Hotchkiss懸架主要用在貨車和廂式貨車上，這些車輛的設(shè)計(jì)，允許在不同的載荷和拖車拖曳條件下運(yùn)行。用于全尺寸皮卡的典型板彈簧采用一種2+1設(shè)計(jì)，這包括結(jié)合在一起的兩個(gè)彎曲的鋼主板和一個(gè)附著在主板底部的平的鋼輔助板。主板長(zhǎng)約2m、寬約70m，處于自由、無(wú)壓力狀態(tài)時(shí)，兩端彎曲成一個(gè)寬的U形。而輔助板處于自由狀態(tài)時(shí)通常是平的。
2+1板彈簧結(jié)構(gòu)通過(guò)主板的兩端連接到貨車車架上。在每個(gè)后輪的內(nèi)側(cè)，都裝有一個(gè)板彈簧，板彈簧的中部剛性地連接到實(shí)心的后橋上。主板承擔(dān)懸架系統(tǒng)的主要功能，但是，當(dāng)車輛負(fù)載時(shí)，以及在道路載荷引起大懸架鉸接的過(guò)程中，輔助板就會(huì)發(fā)揮作用。因此，當(dāng)懸架承載時(shí)，輔助板是最后一個(gè)參與的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不可小覷。用在像F-150皮卡這種車輛上的Hotchkiss 懸架，必須承受6個(gè)維度的載荷和力矩，包括：垂直、縱向和橫向的載荷，以及滾動(dòng)、傾斜和偏航引起的力矩。
“板彈簧是一種多功能的懸架組件，不僅要滿足垂直載荷方面的要求，而且實(shí)際上也是一種連接車橋與車輛的梁構(gòu)件，這使得橫向和縱向載荷/力矩也受到板彈簧的影響。”相關(guān)人員說(shuō)道。
Rassini為2021 MY F-150皮卡開(kāi)發(fā)的多材料板彈簧，是圍繞兩個(gè)減重創(chuàng)新而對(duì)2+1設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善。這種名為1+C的板彈簧，擁有一個(gè)鋼主板和一個(gè)復(fù)合材料的輔助板，這些部件中的每一個(gè)，都為整個(gè)結(jié)構(gòu)的減重作出了一半的貢獻(xiàn)。鋼主板具有拋物線錐度，能夠優(yōu)化材料性能，并提供所需的大部分承載能力。玻纖增強(qiáng)塑料（GFRP）的輔助板能在重載情況下發(fā)揮作用。
在將復(fù)合材料的輔助板組裝到鋼主板上之前，需要先在數(shù)控機(jī)床上對(duì)其進(jìn)行修邊和沖孔。作為北美最大的板彈簧部件制造商，Rassini的墨西哥工廠具有生產(chǎn)更多復(fù)合材料輔助板的擴(kuò)產(chǎn)能力
“我們既可以做全復(fù)合材料的板彈簧，也可以做全鋼材的板彈簧，或者可以做混合材料的板彈簧——這就是福特為這款特殊車輛選用的那種：主彈簧采用鋼材，而輔助彈簧采用復(fù)合材料。”相關(guān)人員強(qiáng)調(diào)道，高強(qiáng)鋼的拋物線錐度厚度提供了顯著的強(qiáng)度和減重優(yōu)勢(shì)。“采用這種設(shè)計(jì)方法，我們?nèi)鎯?yōu)化了彈簧梁的應(yīng)力分布。”他接著說(shuō)，“我們采用最先進(jìn)的材料最大程度地減輕了質(zhì)量，所以我們基本上完全優(yōu)化了設(shè)計(jì)以及對(duì)材料的使用。”
相關(guān)人員表示，Rassini 在設(shè)計(jì)復(fù)合材料的輔助板時(shí)考慮了幾種材料選項(xiàng)，最終決定采用德國(guó)西格里碳纖維（SGL Carbon）提供的一種無(wú)堿玻纖無(wú)卷曲織物，并采用瀚森公司（德國(guó)杜伊斯堡）提供的EPIKOTE樹(shù)脂中的TRAC 06150環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)對(duì)該織物進(jìn)行浸漬。相關(guān)人員表示，該公司也考慮了碳纖維，但這種材料的成本不能滿足該項(xiàng)目的要求。
選好材料后，Rassini必須完成復(fù)合材料輔助板的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上面臨的挑戰(zhàn)是，GFRP的彈性模量遠(yuǎn)小于鋼的彈性模量，而彈性模量又與彈簧速率成正比。“我們要求復(fù)合材料的輔助板要擁有與鋼質(zhì)板一樣的彈簧速率。”相關(guān)人員說(shuō)道，“所以我們必須使GFRP的輔助板更厚，這樣才能獲得所匹配的彈簧速率載荷撓度曲線。”
復(fù)合材料的模量性能也驅(qū)使彈簧設(shè)計(jì)偏向于采用多材料的選項(xiàng)。如果彈簧完全由復(fù)合材料制成，就需要改變懸架結(jié)構(gòu)以便容納更寬的GFRP主板。相關(guān)人員r解釋說(shuō):“之所以將鋼彈簧用作主板，是因?yàn)樗軌虺惺軝M向載荷。如果復(fù)合材料的主板擁有與鋼彈簧一樣的寬度，由于復(fù)合材料的模量低，就會(huì)導(dǎo)致懸架的橫向剛度太小，因此，雖然我們可以用復(fù)合材料做主板，但必須把它做得更寬，以補(bǔ)償和維持車輛所需的橫向性能，這就意味著要增加懸架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以便容納更寬的彈簧。”
最終，Rassini開(kāi)發(fā)出了長(zhǎng)1m、寬70mm以及厚30mm的復(fù)合材料輔助板。雖然厚度大約是之前的鋼輔助板的1.7倍，但卻減輕了53%的質(zhì)量，結(jié)合優(yōu)化主板設(shè)計(jì)所帶來(lái)的減重，Rassini 幫助福特將每輛車的總質(zhì)量減輕了大約16kg。相關(guān)人員承認(rèn)，該復(fù)合材料輔助板的成本相對(duì)較高，但是，鑒于其帶來(lái)的減重優(yōu)勢(shì)，依然被福特看作是可接受的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，這有利于減少溫室氣體排放，并滿足未來(lái)日益嚴(yán)格的CAFÉ和排放標(biāo)準(zhǔn)要求。
下一個(gè)挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)一種能滿足F-150產(chǎn)品線大批量生產(chǎn)需求的生產(chǎn)工藝。相關(guān)人員介紹說(shuō)，在最初的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和原型階段，是由人工來(lái)鋪放預(yù)浸料。但是，當(dāng)Rassini考慮進(jìn)入大批量的生產(chǎn)時(shí)，就必須采用高產(chǎn)量、自動(dòng)化且可重復(fù)性高的生產(chǎn)工藝。因此，他們選用了高壓樹(shù)脂傳遞模塑成型（HP-RTM）工藝。相關(guān)人員表示：“對(duì)于每年10萬(wàn)個(gè)以下的板彈簧產(chǎn)量，使用預(yù)浸料是可行的。但由于該項(xiàng)目的產(chǎn)量大，因此我們需要更高產(chǎn)量的生產(chǎn)工藝。只要年產(chǎn)量超過(guò)10萬(wàn)件，HP-RTM 工藝就具有吸引力。”
與模具制造商Alpex Technologies公司（奧地利Mils bei Hall）以及機(jī)器供應(yīng)商FILL Gesellschaft公司（奧地利Gurten）、Hennecke公司（美國(guó)賓夕法尼亞州Bridgeville）和Engel公司（美國(guó)賓夕法尼亞州York）合作，Rassini 在其位于墨西哥的新工廠中開(kāi)發(fā)并安裝了3個(gè)高度自動(dòng)化的HP-RTM生產(chǎn)單元，每一個(gè)HP-RTM生產(chǎn)單元都配有一副10腔模具，生產(chǎn)運(yùn)行的年循環(huán)次數(shù)大約是28000～30000次，輔助板的年總產(chǎn)量是84萬(wàn)～90萬(wàn)件。在交付給福特之前，每一個(gè)復(fù)合材料的輔助板都要通過(guò)承載測(cè)試。
Rassini制造的每一個(gè)復(fù)合材料的輔助板在被交付給福特前都要通過(guò)承載測(cè)試。這種復(fù)合材料的輔助板，結(jié)合對(duì)鋼主板的材料和設(shè)計(jì)進(jìn)行的改進(jìn)，使得福特的F-150皮卡質(zhì)量減輕了16kg
可以說(shuō)，該工廠代表了汽車用復(fù)合材料制造的未來(lái)。這一占地5.2萬(wàn)平方英尺的工廠于2018年3月啟用，當(dāng)時(shí)，3條HP-RTM生產(chǎn)線中的第一條已開(kāi)始運(yùn)行。到2020年3月，全部3條生產(chǎn)線都已投入運(yùn)行。如果需要，還有安裝第四條生產(chǎn)線的空間。Collyer介紹說(shuō)，這種復(fù)合材料的輔助板是該工廠目前生產(chǎn)的唯一部件，憑借高度的自動(dòng)化，與設(shè)備接觸的操作人員通常只是在加工開(kāi)始（裝上NCF料卷）和結(jié)束（取下成品部件）時(shí)才需要。
Rassini于2018年在墨西哥建成了這一占地5.2萬(wàn)平方英尺的工廠，主要用于制造1+C混合板彈簧上使用的復(fù)合材料輔助板。這一高度自動(dòng)化的生產(chǎn)所需的人工操作只是裝上玻纖料卷和取下成品部件
車輛減重16kg對(duì)于福特及其用戶而言意味著什么呢？相關(guān)人員表示，雖然Rassini不能分享來(lái)自福特的數(shù)據(jù)，但卻可以分享與車輛減重有關(guān)的假設(shè)案例數(shù)據(jù)。比如，假設(shè)一輛汽油驅(qū)動(dòng)的汽車在其生命周期中每使用1加侖的汽油平均能行駛20英里，車輛的平均壽命為15萬(wàn)英里，使用這種輕質(zhì)板彈簧的車輛數(shù)量大約是250萬(wàn)輛，那么，車輛減重16kg就意味著在車隊(duì)的整個(gè)生命周期中，預(yù)計(jì)可以減少大約75.8萬(wàn)t的CO2排放和3.22億升的燃油消耗。
在福特P702平臺(tái)上制造的F-150皮卡預(yù)計(jì)在其整個(gè)生產(chǎn)周期中都將使用Rassini開(kāi)發(fā)的1+C混合板彈簧
Rassini 表示，目前該公司已成功地實(shí)施了這一令人興奮的復(fù)合材料輕量化項(xiàng)目，而且可以將這項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用于其他產(chǎn)品。
