塑料彈簧的研發和前景

　　使用材料
　　
　　目前，塑料彈簧主要使用熱固性塑料，特別是熱固性纖維增強塑料，也有使用熱塑性塑料的，但數量不多。
　　
　　從使用角度考慮，對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值要小）。（2）強度，特別是疲勞強度要大。（3）容易加工成型。用于制作彈簧的熱固性和熱塑性能否滿足以上要求呢？
　　
　　1．關于變形能
　　
　　熱固性纖維增強塑料的V值比一般金屬都大，可與彈簧鋼相比
　　
　　2．關于塑料的強度和疲勞強度
　　
　　以環氧樹脂為膠粘劑的熱固性塑料的抗拉強度σь很容易超過400N/mm²。一般熱固性塑料與玻璃纖維增強塑料（GFRP）的疲勞強度之比為0.25—0.35，而與碳素纖維增強塑料（CFRP）的疲勞強度之比為0.5。
　　
　　FRP是以CF為經線，以GF為緯線的交織品。膠粘劑采用的環氧樹脂（其次可用酚醛樹脂，一般可用不飽和聚脂樹脂）FRP半熟化片（即予先將CF、GF浸漬過樹肢，再固化到不發粘為止）。不僅強度高，而且應力呈單向分布，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塑料，無論在熱態或冷態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，生產率也高，但機械性能不如熱固性塑料。
　　
　　塑料，特別是熱固性的纖維增強塑料可滿足彈簧對材料的三項基本要求，同時還具有重量輕（比重為1.0—2.0）、耐腐蝕、電絕緣性好和容易著色等優點。設計者可根據需要，全面權衡，恰當選用。
　　
　　設計程序
　　
　　設計條件塑料與金屬的性能有許多差異，設計塑料彈簧時，應認真考慮以下問題：（1）彈性模量；（2）工作環境溫度；（3）載荷作用時間；（4）變形量對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）用增強玻璃材料將塑料板和單獨制作的卷耳組合為一體。
　　
　　2、大批量生產工藝
　　
　　目前，適合于大批量生產塑料板簧的方法有許多種，主要根據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一起
　　
　　實驗性能
　　
　　1、靜態特性
　　
　　（1）一般性能
　　
　　（2）應力分布
　　
　　2、動態特性
　　
　　疲勞壽命是衡量彈簧動態特性的重要指標。實踐證明，FRP板簧的疲勞壽命比鋼制板簧好。英國GKN公司在液壓伺服試驗臺上對FRP板簧做多向加載（模擬汽車在實際運行中的垂直力、傾翻力和縱向力）疲勞試驗。根據汽車制造廠的規定，該車使用的鋼制板簧以zui大動行程的70%做臺架疲勞試驗，應能承受2×106作用次數。GKN公司宣布，該公司生產的FRP板簧可承受107作用次數的疲勞試驗。
　　
　　3、環境試驗
　　
　　GKN公司生產的FRP板簧能經受車輛行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、電孤焊飛濺火星對其有影響。
　　
　　前程展望
　　
　　1．應用數量和范圍將繼續穩步增加
　　
　　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。汽車嚴重超載時，FRP板簧沿長度方向分層開裂，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）全壽命費用（CyclelifeCost）合理。FRP板簧與同等鋼制板簧相比成本較低加上重量輕，節約燃料和維修方便等原因使車輛操作費用更加降低。
　　
　　（5）容易制作成變厚度截面的板簧，材料利用合理且減輕了重量。
　　
　　（6）嗓音小。減少了對環境的污染，改善了操作條件。
　　
　　鑒于以上原因，可以說精密的FRP板簧應用前景是光明的。
　　
　　“一體化”的彈簧組件研制工作進展較快，已有商品出售。這樣不僅減少了零件數量，而且簡化了裝配工序。而金屬彈簧與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，這是金屬難以具備的特點。
　　
　　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，至今沒有取得實質性的突破。
　　
　　2．應用理論還需要繼續完善。塑料彈簧雖然在實際中得到了一些應用，但還沒有完善的應用理論體系。它主要以彈性力學和塑料工程學作為理論基礎，但又有自己的特點。許多問題如溫度、載荷作用時間和變形對塑料彈性模量的影響、塑料板中間層的應力分析、塑料彈簧的設計程序、依據標準，如何塑性成形等等，都需要進一步完善和解決。近年來雖然形成了一些半經驗半分析性的解法用于元、組件的設計。這些方法，從嚴格的科學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。
　　
　　總之，塑料彈簧是有鋼制彈簧難以取代的優點，而且經受了多年的實用考驗。因此，它的研制和應用將會繼續向前發展。