Rassini International采用多材料混合板弹簧系统成功减轻福特F-150皮卡质量

Rassini International 使用大批量生产方法制造了一种多材料钢/复合材料混合板簧系统，该系统满足了福特汽车公司减轻 F-150 皮卡质量的挑战性要求。

Rassini 的 1+C 混合板簧具有抛物线钢主板和扁平玻璃纤维复合辅助板，用作福特 F-150 皮卡后轮的悬架

2016 年，福特汽车公司 （Ford） 与 Rassini International （Rassini） 接洽，提出了减少其标致旗舰货车 F-150 皮卡后悬架质量的挑战性需求。作为北美最大的板簧和其他悬架部件供应商，Rassini 为福特提供了多种选择，但更喜欢将传统板簧与复合材料部件相结合的解决方案——这种多材料解决方案为汽车复合材料在终端市场的增长带来了重大机遇。

Rassini的板簧工程副总裁兼轻量化研发总监表示，该公司在汽车供应链中的地位使其成为寻求创新解决方案的OEM的自然合作伙伴。“当 Ford 的工程部门考虑如何使板簧满足其下一代产品的悬架要求时，他们首先想到了我们。”“他们对下一代 F-150 卡车的底盘有一些非常具有挑战性的轻量化目标，他们想知道我们的想法。””

Rassini 对 Ford 的解决方案实际上是板簧在机动车历史上演变的逻辑延伸。早期的钢板弹簧设计依赖于使用多层等厚钢板，随着负载的增加，这些钢板从上到下叠加和啮合在一起。多年来，随着钢材质量的提高，叠合板的数量逐渐减少，因为承受相同负载所需的板更少。

在墨西哥 Piedras Negras 的工厂，Rassini 在三个高度自动化的 HP-RTM 生产单元中生产用于 1+C 混合板簧的玻璃纤维/环氧树脂辅助板，每个生产单元都有一个 10 腔模具，每年能够生产超过 800,000 块复合辅助板

Hotchkiss 悬架主要用于货车和货车，旨在允许在不同的负载和拖车牵引条件下运行。用于全尺寸拾音器的典型板簧采用 2+1 设计，由两块粘合在一起的弯曲钢制主板和一块连接到主板底部的扁平钢制辅助板组成。主板长约 2 米，宽约 70 米，当它自由无压力时，两端弯曲成宽 U 形。而辅助板在自由状态下通常是平坦的。

2+1 板簧结构通过主板两端连接到卡车框架。在每个后轮的内侧，都安装了一个板簧，其中间部分刚性地连接到实心后轴上。主板承担了悬架系统的主要功能，但当车辆处于负载状态时，以及在道路负载引起的大悬架铰接过程中，辅助板开始发挥作用。因此，当悬架加载时，辅助板是最后一个参与的结构构件，不应低估。用于 F-150 皮卡等车辆的 Hotchkiss 悬架必须承受六个维度的载荷和力矩，包括：垂直、纵向和横向载荷，以及由侧倾、倾斜和偏航引起的力矩。

“板簧是多功能悬架部件，不仅满足垂直载荷的要求，而且实际上是连接车轴和车辆的横梁构件，这使得横向和纵向载荷/力矩也受到板簧的影响。”“涉事人士说。

Rassini 为 2021 款 F-150 皮卡设计的多材料板簧是围绕两项减重创新对 2+1 设计的改进。板簧称为 1+C，具有钢制主板和复合辅助板，每块板都为整个结构的减重贡献了一半。钢制主板具有抛物线锥度，可优化材料特性并提供大部分所需的承载能力。玻璃纤维增强塑料 （GFRP） 辅助板设计用于在重负载下工作。

在

将复合材料的辅助板组装到钢制主板上之前，需要在数控机床上进行修整和冲孔。作为北美最大的板簧部件制造商，Rassini 的墨西哥工厂有能力扩大生产能力，以生产更多的复合辅助板

“我们可以制造全复合材料板簧、全钢板簧或混合板簧——这就是福特为这款特殊车辆选择的东西：主弹簧是钢，辅助弹簧是复合材料。”工作人员强调，高强度钢的抛物线锥厚度提供了显着的强度和减重优势。“通过这种设计方法，我们完全优化了弹簧梁的应力分布。”他继续说道：“我们使用最先进的材料最大限度地减少了质量，因此我们基本上完全优化了材料的设计和使用。

据消息人士称，Rassini 在设计复合材料的辅助面板时考虑了多种材料选择，最终决定使用德国 SGL Carbon 的无碱玻璃纤维非卷曲织物，并使用 TRAC 06150 环氧树脂系统浸渍织物由瀚森（德国杜伊斯堡）提供的 EPIKOTE 树脂。官员们说，该公司还考虑过碳纤维，但材料的成本不符合项目的要求。

选择材料后，Rassini 必须完成复合辅助板的设计。设计挑战在于 GFRP 的弹性模量远小于钢的弹性模量，而钢的弹性模量又与弹簧速度成正比。“我们要求复合材料的辅助板具有与钢板相同的弹簧速度。”“因此，我们必须使 GFRP 的辅助板更厚，以便获得匹配的弹簧刚度载荷挠度曲线。””

复合材料的模量特性也推动了弹簧设计，有利于多材料选择。如果弹簧完全由复合材料制成，则需要更改悬架结构以适应更宽的 GFRP 主板。“钢弹簧被用作主板，因为它能够承受横向负载。如果复合材料的主板与钢弹簧的宽度相同，由于复合材料的模量低，悬架的横向刚度太小，所以虽然我们可以做复合材料的主板，但必须做得更宽，以补偿和保持车辆所需的横向性能， 这意味着增加悬架结构的复杂性，以适应更宽的弹簧。”

因此，Rassini 开发了 1 米长、70 毫米宽和 30 毫米厚的复合辅助板。虽然比以前的钢制辅助板厚约 1.7 倍，但重量减轻了 53%，再加上优化主板设计带来的重量减轻，Rassini 帮助福特将每辆车的总重量减轻了约 16 公斤。复合板的成本相对较高，但由于它带来的减重好处，它仍然被福特认为是可接受的高质量产品，有助于减少温室气体排放，并满足未来日益严格的 CAFé 和排放标准。

下一个挑战是开发一种能够满足 F-150 产品线大批量生产需求的生产工艺。据相关人员介绍，在最初的产品开发和原型阶段，预浸料是人工布置的。然而，当 Rassini 考虑转向大批量生产时，它必须采用大批量、自动化和可重复的生产流程。因此，他们选择了高压树脂传递模塑 （HP-RTM）。“对于每年生产不到 100,000 个钢板弹簧的情况，使用预浸料是可行的。但是，由于这个项目的产量很大，我们需要更高的生产工艺。只要年产量超过 100,000 件，HP-RTM 工艺就很有吸引力。”

Rassini 与模具制造商 Alpex Technologies（奥地利 Mils bei Hall）和机器供应商 FILL Gesellschaft（奥地利 Gurten）、Hennecke（美国宾夕法尼亚州布里奇维尔）和 Engel（美国宾夕法尼亚州约克）合作，在其位于墨西哥的新工厂中，开发并安装了 3 个高度自动化的 HP-RTM 生产单元，每个单元配备一个 10 腔模具，年生产运行量约为 28,000~30,000 次循环，总年产量为 840,000~900,000 个辅助板。 在交付给福特之前，每个复合辅助板都通过了承重测试。

Rassini 制造的每块复合辅助板在交付给福特之前都经过了承载测试。复合辅助板，结合对钢制主板的材料和设计改进，使福特 F-16 皮卡的重量减轻了 150 公斤

可以说，该工厂代表了汽车复合材料制造的未来。这座占地 52,000 平方英尺的设施于 2018 年 3 月开业，当时三条 HP-RTM 生产线中的第一条投入运营。到 2020 年 3 月，所有三条生产线都已投入运营。如果需要，还有空间安装第四条生产线。Collyer 说，复合辅助板是该工厂目前唯一生产的零件，并且自动化程度高，通常只需要在加工开始（加载 NCF 线圈）和结束（移除成品零件）时需要接触设备的操作员。

Rassini 于 2018 年在墨西哥完成了 52,000 平方英尺的工厂，用于制造用于 1+C 混合板簧的复合辅助板。这种高度自动化生产所需的手动操作只需装载玻璃纤维卷材并取出成品零件

车辆重量减轻 16 公斤对福特及其用户意味着什么？官员们表示，虽然拉西尼不能分享福特的数据，但他可以分享与汽车减重相关的假设案例数据。例如，如果一辆汽油动力汽车在其生命周期内每使用1加仑汽油平均行驶20英里，平均车辆寿命为15万英里，使用这种轻质板簧的车辆数量约为250万辆，那么车辆重量减轻16公斤意味着在车队的使用寿命内可以减少约758,000吨二氧化碳排放和3.22亿升燃料消耗。

F-702 皮卡基于福特 P150 平台打造，预计将在其整个生产周期中使用 Rassini 开发的 1+C 混合板簧

Rassini 表示，该公司已经成功实施了这个令人兴奋的复合材料轻量化项目，该技术可以应用于其他产品。