复合材料板簧对汽车行业来说并不新鲜。事实上，板簧本身可以追溯到马车。根据设计，板簧可以吸收道路不规则造成的垂直振动。弹簧挠度的变化允许势能以应变能的形式储存，然后随着时间的推移逐渐释放。复合材料因其高强度重量比、抗疲劳性和固有频率而非常适合板簧应用。复合材料中的内部阻尼导致材料内更好的振动能量吸收，从而减少振动噪声向相邻结构的传递。

然而，最大的好处是减轻了质量：复合材料钢板弹簧的耐用性是钢弹簧的五倍，因此，当通用汽车（通用汽车，密歇根州底特律）在1981年的雪佛兰Corvette C4上改用玻璃增强环氧复合横向钢板弹簧（由美国俄亥俄州恩格尔伍德的Liteflex LLC提供）时，重量为8磅/3.7公斤的单钢板复合弹簧取代了重量为41磅/18.6公斤的钢板系统。据报道，这使通用汽车能够从Corvette上减少15公斤/33磅的簧下重量，同时保持相同的弹簧刚度。板簧横向安装；也就是说，它在每个轴上都横穿汽车的宽度。这消除了框架上弹簧袋中高高的螺旋弹簧。因此，汽车可以坐得更低，这提高了汽车的操控性。

如今，通用汽车继续在其克尔维特车型的前后采用横向玻璃纤维增强塑料复合材料板簧。2014款雪佛兰Corvette Coupe包括一个双叉臂悬架，在通用汽车公司，它被称为短/长臂（SLA- short/long arm）。SLA指的是上控制臂比下控制臂短。横向复合材料板簧压在下臂上，横跨汽车的宽度。事实上，弹簧总是加载在副车架上。这种设计将冲击载荷引导到车架侧面，消除了必须集成到标准悬架套件中的独立后防侧倾杆。据说，弹簧的外倾角曲线还可以改善转弯时轮胎与路面的接触。

复合材料也有可能取代钢并减轻纵向板簧的重量。这些悬架与车辆的长度平行，作为车轮导向系统的一个组成部分提供悬架。“纵向板簧具有更高的安全系数，”Benteler SGL（奥地利里德）业务开发主管弗兰克·费舍尔（Frank Fetscher）表示，该公司是Benteler Automotive和SGL Group–the Carbon Company（德国威斯巴登，见“编辑推荐”下的“SGL Automotive Carbon Fibers在华盛顿开设新工厂”）的合资企业。“它们可以具有线性弹簧刚度或渐进式弹簧刚度—多级弹簧—并且在扭转和侧向刚度方面必须比横向弹簧表现更好。”

迄今为止，商用玻璃纤维和碳纤维增强复合材料板簧仅限于小批量生产型号。汉高股份公司（密歇根州麦迪逊高地）底盘业务开发专家斯科特·西蒙斯（Scott Simmons）解释说：“当树脂首次用于汽车行业时，首先选择的是已经在航空航天行业得到验证的环氧树脂系统。”。“虽然这些环氧树脂系统提供了性能非常高的零件，但主要用于这些树脂系统的预浸料制造工艺更适合与航空航天相关的小批量生产。”

环氧预浸料系统反应不快，因为它们不需要用于热压罐加工，为了保证高航空航天标准的质量，热压罐加工必然需要缓慢而谨慎地控制温度和压力。然而，许多研究已经通过使用更快的成型工艺以及开发和使用适当的快速反应树脂体系来加快生产过程。这些新兴系统显示出经济批量生产复合材料板簧的前景。

西蒙斯断言：“在汽车领域，RTM（树脂传递模塑）是首选工艺，最大限度地提高加工速度对于实现大批量制造至关重要。”为此，汉高开发了一种专为快速高压RTM（HP-RTM）工艺设计的聚氨酯基树脂系统。西蒙斯解释说：“我们的目标是模仿环氧树脂的性能特征，同时提高加工速度和灵活性。”他指出，最终，“汽车原始设备制造商想要一种复合材料系统，每年可以以相对较低的资本投资成本生产10万至25万个零件。”

据报道，汉高的乐泰Max 2基质树脂提供了一个答案：高模量（2800 MPa），断裂伸长率为5%至10%，抗拉强度为80 MPa。由于其特定的聚合物骨架结构，将“软”聚合物链段与聚氨酯部分的强H桥结合在一起，据说纯聚氨酯树脂具有内在韧性。汉高表示，这消除了对增加成本和粘度的额外增韧剂的需求。树脂的韧性实际上转化为抗疲劳性。这一点至关重要，因为汽车板簧在行驶条件下会受到动态载荷，并且需要通过需要700000次重复载荷循环的测试。使用具有高疲劳耐受性的柔性材料大大延长了板簧的寿命。

汉高与Benteler SGL合作，使用基于聚氨酯的HP-RTM工艺大规模生产轻质纤维增强板簧。该工艺将单向（UD）玻璃纤维预制棒技术与汉高的Max 2树脂系统相结合。汉高表示，其结果是板簧的重量比传统钢制弹簧轻65%——6公斤比15公斤（13磅比33磅）。

当汉高与Benteler SGL接洽其聚氨酯工艺时，后者正在为戴姆勒股份公司（德国斯图加特）制造的轻型货车梅赛德斯-奔驰Sprinter开发前桥复合材料板簧。Sprinter多年来一直使用复合材料板簧。与之前的迭代一样，该零件是用玻璃增强环氧树脂设计的。西蒙斯说：“Benteler SGL已经设计了织物的方向和密度，我们提出了一种可以与现有设计配合使用的替代树脂。”

他坚称：“用Max 2聚氨酯取代现有的环氧树脂系统对戴姆勒很有吸引力，因为聚氨酯比环氧树脂更坚固，更能承受弯曲和挠曲。”。“它还提高了对裂纹扩展的抵抗力，这意味着如果岩石弹出并撞击板簧，可能出现的任何碎片或裂纹都不太可能扩展。”

西蒙斯说：“本特勒的兴趣在于速度。”。他说：“现有的环氧树脂需要大约30到35分钟的模具时间。由于一个项目每年需要10万到15万个零件，30分钟的循环时间将需要大量的模具来满足需求，这会显著影响资本投资成本。”他指出，“Max 2树脂系统提供了更快的注射时间—从环氧树脂的几分钟到聚氨酯的几秒钟—以及更快的模具时间—从30到35分的环氧树脂到8分钟的聚氨酯。”

费舍尔解释说：“通过HP-RTM，我们有了一个经济的工艺，提供了几何设计的可能性。”。“最终，最终产品具有与环氧体系相同的性能。” 费舍尔表示，评估了聚氨酯基质树脂的流变行为与温度和等温固化动力学的关系，以确定在最小树脂粘度下的注射工艺窗口。最佳加工窗口为70°C至110°C（158°F至230°F）。费舍尔声称：“在优化的加工参数下，可以以低至30 mPas（30 cps）的粘度注入混合的聚氨酯基质树脂。”。“使用高压RTM设备，低基质树脂粘度可实现每秒100克至300克树脂的超快注射速率。同时，聚氨酯基质树脂的独特流动行为不会导致高粘度基质树脂所表现出的不良纤维置换效应。”

汉高最近推出了其基于Max 3聚氨酯的系统，该系统是在Benteler SGL的投入下开发的。值得注意的是，新系统还包括一个内部脱模器，使加工更容易。西蒙斯解释说：“通常，RTM或压缩成型需要某种类型的脱模，因此我们将内部脱模集成到产品中，以消除对该步骤的需求。”。此外，可以向基础异氰酸酯和多元醇中加入任选的促进剂以提高加工速度。

Max 3还提供了更高的玻璃化转变温度，从而提高了成品零件的耐温性。西蒙斯强调：“提高耐温性仍然是我们未来聚氨酯系统的目标。”他指出，持续的研究相当于一种保险政策。他解释说：“在汽车中，150°C至180°C（302°F至356°F）的耐温性将使零件能够通过电泳涂装过程。”。“并不是说复合材料部件一定需要电泳涂装工艺，”他观察到，“但我们的目标是让复合材料部件能够承受与汽车上其他部件相同的加工温度，从而简化生产。”

在过去的几年里，环氧树脂技术和用于模制环氧复合材料的工艺也取得了实质性进展。Momentive Specialty Chemicals（俄亥俄州哥伦布市）开发了所谓的“快速固化”环氧树脂系统，旨在允许中批量生产结构复合材料，包括板簧。Momentive表示，新系统保留了传统环氧基复合材料的性能，但在HP-RTM中使用时，与聚氨酯一样，只需几分钟即可完成。

罗曼·希勒梅尔（Roman Hillermeier）博士声称：“先进的配方是独一无二的，因为它们为增强纤维的坚固浸渍提供了足够长的注射窗口，同时仍然能够实现极短的固化周期。”他与Momentive研究合作伙伴塔里克·哈森博士、拉尔斯·弗里德里希和塞德里·波尔在塑料工程师学会2012年汽车复合材料会议和展览上介绍了研究结果（见尾注）。希勒梅尔说：“整个过程需要很短的周期时间才能实现汽车的大规模生产。”。他说，实际上，这意味着不到五分钟。

实现这些更快生产速度的一个关键是预成型粘合剂。希勒梅尔解释说：“在快速RTM加工的情况下，与树脂基质具有良好的相容性尤为重要，增强材料的渗透性不会受到负面影响，粘合剂提供足够的强度以防止纤维在注射过程中变形。”。“通过‘反应性’或‘可交联’粘合剂实现了更高的性能水平。”

在5分钟或更短的生产速度下，填充模具和完成纤维润湿所需的时间对环氧树脂来说是一个挑战。希勒梅尔指出，复合材料结构部件需要50%或更多的相对较高的纤维体积。“非常低的粘度和足够的浸渍时间是实现高质量成品零件所需的两个关键特征。RTM树脂的理想注射粘度应在加工温度下低于100 mPas（100 cps）至少60秒。”

作为回应，Momentive开发了两种快速反应的环氧树脂系统，其设计具有足够的热延迟，以便有时间彻底润湿大型或几何形状复杂的部件。这两个系统都是为HP-RTM处理而设计的。第一种是含有EPIKURE 05443固化剂的EPIKOTE 05475树脂，据报道在120°C/248°F下可在五分钟内固化。第二种是EPIKOTE 05475树脂，含有EPIKURE 05500固化剂和Heloxy 112内部脱模剂，据报道在115°C/239°F下可在两分钟内固化。最近，Momentive推出了EPIKURE 05500快速固化环氧树脂和EPIKOTE 04695-1粘合剂/EPIKURE 05490A固化剂，用于使用间隙浸渍RTM工艺生产A级复合材料汽车零部件。

Momentive在开发其新型环氧树脂系统的过程中也与模具商合作。一个值得注意的例子是IFC Composites（德国哈尔登斯勒本），该公司自2005年以来一直在大规模生产玻璃纤维增强环氧树脂基板簧。该公司使用半自动预浸料制造系统，在此过程中，连续纤维被树脂浸渍。据报道，国际金融公司已为包括戴姆勒Sprinter货车在内的轻型卡车供应了130多万个复合材料板簧。IFC制造的Sprinter前桥板簧长1400毫米/55英寸，宽75毫米/3英寸，厚30毫米/1.18英寸，重量为5.5公斤/12.1磅，而它取代的是25公斤/55磅的钢制前桥板簧。

新的发展还包括汽车悬架系统制造方法的变化。Benteler SGL的费舍尔预测：“横向板簧的下一步将是从单一组件供应商转向系统供应商。”他补充道：“具有复合材料板簧覆盖颠簸和侧倾功能的多连杆轴系统是完整后桥模块最有效的重量优化，也是减轻重量的下一步。”。Benteler板簧后模块的开发目标包括通过用横向复合板簧代替螺旋弹簧和防侧倾杆来减轻重量，同时不降低车辆的操纵性能，改善悬架系统的声学阻尼。板簧将支撑碰撞和侧倾刚度。 Benteler认为车辆动力学将得到改善。据报道，每个系统的重量减轻将达到4公斤至8公斤（8.8磅至17.6磅），成本在减轻重量的可接受范围内。目前，Benteler已在车轴悬架概念中开发了系统集成，将防侧倾杆的功能纳入板簧。该系统已完全开发完毕，可进行程序集成。

ZF Friedrichshafen AG（德国施韦因富特）是一家全球传动系统和底盘技术供应商，正在进一步开发车轮导向横向板簧。该系统旨在执行弹簧、防侧倾和车轮控制功能。然而，这种板簧是通过加热压缩成型制造的，采用环氧树脂体系和连续玻璃纤维增强材料。

ZF表示，弹簧上的负载很复杂，因此纤维含量和取向的过程控制是成功的关键。弹簧的设计消除了许多传统的钢制部件—一个带支架的防侧倾杆、两个防侧倾杆连杆、两个控制臂和两个传统螺旋弹簧。ZF报告称，复合钢板弹簧悬架系统比传统麦弗逊（MacPherson）支柱悬架轻约12%，比传统扭梁悬架轻约10%，比钢制多钢板弹簧轻60%。精确车轮控制和所需弹簧刚度的关键是钢板弹簧横截面的设计和安装位置。ZF的设计目标是紧凑型轿车，该公司预计将在2014年首次投入生产。

由于横向复合材料钢板弹簧已经用于轻型卡车和货车，以及高端跑车，“横向钢板弹簧未来的主要焦点，” 费舍尔说，“将是将车身悬架（螺旋弹簧）和防侧倾杆功能系统集成到多连杆钢板弹簧悬架概念中。”这些将是广泛采用的关键因素。他说：“该系统将主要针对C级和D级市场的乘用车。”他分别指的是大规模生产的紧凑型轿车和大型轿车。

在纵向板簧侧，复合材料主要用于高间隙皮卡、大型货车和重型卡车。在这里，前景稍显黯淡。费舍尔解释说：“对于纵向板簧，我们预计将看到更多的FRP部件替代钢，而不是系统集成。”。也就是说，经过50年的复合材料研究，在20世纪50年代高价跑车的稀有领域首次亮相的复合材料板簧将在日常汽车中实现商业生产的可能性从未如此之高。

Benteler SGL（奥地利里德）已经确定了一种用于生产纵向弹簧的碳纤维混合系统。Benteler SGL业务开发主管弗兰克·费舍尔表示：“纵向弹簧是车轮导向装置，因此它是一个与安全相关的部件，故障将导致严重的题。”。“为了有一个更坚固的零件，我们正在开发一种增强的复合材料制造工艺，以结合纤维缠绕、预浸料和RTM的优点。”专有流程仍在开发中。费舍尔说：“我们已经取得了第一个里程碑——第一个积极成果——我们有一个预期目标。”。“我们也用RTM工艺实现了纵向板簧，但我们看到物理需求在增加，因此，我们希望有第二种工艺，以便在保持RTM工艺成本。

效益的同时更加灵活。”纵向板簧比横向弹簧更容易受到外部的冲击。因此，玻璃纤维增强聚合物纵向板簧并不常用。费舍尔说：“纵向板簧需要一定程度的刚度，该刚度始终与弹簧的宽度无关。”。他补充道：“你需要灵活的宽度和厚度变化，以满足刚度水平与主要功能—轮毂刚度相结合的要求。”。“这是我们希望通过新工艺实现的目标—RTM更具灵活性。纤维缠绕允许弹簧宽度的灵活性，RTM和预浸料允许交替的厚度变化。”他说，将这些工艺与碳纤维结合起来，可以实现适用于轻型商用卡车和皮卡的纵向板簧设计。