采埃孚公司为轿车行驶机构研发的轻结构减重系统，其中的主要部件是减振器

15年前，工程师们成功地把车辆行驶机构的重量减轻了大约30%，15年后的今天，采埃孚公司又成功地把减振器的重量再次减少了50%。

自2009年年初开始，采埃孚集团公司的下属负责车辆驱动系统和行驶机构零部件的子公司采埃孚 Sachs公司就开始了纤维合成材料（FVW）超轻型弹簧减振器模块的早期研发。从而带来了采埃孚集团公司其他下属子公司目前也在进行的一系列行驶机构相关零部件轻结构设计的浪潮。

采埃孚 Sachs公司计划为新一代车型研发一种特性鲜明的轻结构行驶机构，研发一种具有未来前瞻性的生产方案。其目的就是：把今天常用的铝合金行驶机构的重量再减轻50%左右。这一目标与采埃孚公司的宗旨“不断地创新”完全吻合。采埃孚集团公司针对行驶机构的传统零部件进行了针对性的设计，提出了通过功能和集成来减轻重量的口号。整套方案选择了下面三个突破口：

1.结构设计轻型化；

2.使用材料轻型化；

3.功能集成化。

图1 比钢质减振器的重量减轻了1.5kg，CDC铝合金材料制造的减振器部件

结构设计轻型化

目前，采埃孚集团公司已经在大众Lupo 3L型轿车行驶机构中成功地用铝合金材料1:1代替了全部钢材零部件。利用传统材料对行驶机构零部件进行科学合理的结构设计，例如，对空心减振活塞杆的设计就是减轻重量的最好实例。与传统的实心减振活塞杆的结构设计相比，采用空心结构可以把重量减少30%以上。这就充分挖掘了减重的潜力，因为减振活塞杆承受着很大的负载，因此直径也较大，减轻它的重量就很好地挖掘了整个行驶机构中很大一部分可以减重的潜力。新的设计采用了钢管和摩擦焊接的活塞杆端部，从而降低了不必要的重量。

另一个非常有意义的减振器方案就是单管减振器。虽然其长度比双管减振器要长一些，但是其重量比性能相同的双管减振器明显要轻许多。有些OEM汽车生产厂已经在车辆的后桥中使用了这种单管减振器。

使用材料轻型化

在利用金属材料来实现减轻重量的目的时，工程师们通常都采用比重较轻的铝合金材料。在这方面，采埃孚 Sachs公司成功研发了工业化大批量铝合金变壁厚管材的冷拉工艺技术。这一技术的特点是：能够按照管材承载能力曲线的变化，拉制出壁厚不同的管材。利用这一技术，在制造铝合金蝶形弹簧和可调节的CDC连续减振控制系统的减振器时，能够比用钢材制造的相同零部件，每一车轴减轻重量3kg。

图2 轻结构设计制造的弹簧减振器－轮架模块

功能集成化

功能集成包括了更加广泛的轻结构设计内容，例如：单管减振器塑料圆环、分体式的底盖、环勾和橡胶轴承等都被集成到一起。能够实现这一集成的基础就是所谓的2K注塑工艺技术。利用这一技术就可以把有轴承衬套的橡胶轴承直接与短纤维增强的聚酯塑料零件制造在一起。在装配时，就可以省略焊接操作，从而为圆柱形减振器的设计提供了更多的自由度。与双管减振器相比较，这一功能集成的结构设计使得车辆的后桥能够减轻1kg的重量。

理论上，综合采用这三种轻结构设计方案可以把每一根车轴的重量减少8kg。对质量、性能要求很高的重要零部件都可采用纤维增强的合成材料。

为了充分挖掘纤维增强合成材料的潜力，就要求设计师们必须摆脱习惯的“钢材零部件”的设计理念，其中也包括整个部件结构的重新设计。只有把所有连接、结合点都舍去之后，才能算是达到了理想的轻结构设计状态。这些连接部位、结合部位的存在决定了部件中零件数量的多少，也决定了生产、装配时的复杂性。这是一种“理性化”的轻结构设计，人们不再仅仅是为了“减轻一个个零件的重量”而减轻重量，相反是从部件整体方案的角度、包括从生产加工的角度来考虑轻结构方案。

采埃孚 Sachs公司在他们研发设计的一种减振模块中坚持不懈地贯彻了这一思想：经过多名经验丰富的专家检验，部件中所有的零件都由设计师们进行了最大可能性的集成、使用了最少的原材料。他们研发设计的主要部件有：

1.由纤维增强合成材料制造的弹簧减振器-轮架模块：把弹簧减振器和车轮的轮架集成在一起构成一个组件；

2.集成式的单管减振器：液压减振；

3.纤维增强合成材料制造的封闭式悬架弹簧；

4.与车架连接的塑料端盖。

除了把轮架与减振器集成在一起之外，采埃孚 Sachs公司还把一些原来安装在减振器的附件也集成到减振器体上了。例如钢质的悬架弹簧被长纤维增强材料制造的‘膨胀管式弹簧’所代替。它不仅承担着悬架减振的任务，而且也承担着液压元器件安全保护的作用。因为膨胀管式的连接不像钢质蝶形弹簧那样是刚性连接的，它的缓冲性能很好，能够吸收碰撞能量；从而能够省略价格昂贵的、带有主动防护性弹性元器件或者由钛－锌合金板材制作的防蚀阳极。另外，经膨胀管式弹簧传导到蝶形弹簧中的力流分布更加有利、更加符合零件的结构设计：没有了弹簧压缩行程变化时弹簧施力点的变动。与此相反，钢质弹簧的三点支撑相比较，钢质弹簧则只能在弹簧行程恒定、在360°范围内均匀分布时才能做到这点。专业技术方面的检测也证实了这一点。

图3 这一减振器－轮架模块的重量减轻了4kg

由于减振器的许多零件附件，例如转向拉杆连接耳、横拉杆连接耳、稳定支座连接耳和制动钳连接耳等也都集成到减振器体上了，从而也能减少大量的生产制造工作量。轮轴轴承孔的配合尺寸是利用切削加工技术制造出来的。由于轮轴轴承壳是直接集成到减振器中的，因此其生产过程也大大简化了，降低了生产成本。

液压减振器元件的轻结构设计

在液压减振器元件中也有很大的轻结构设计潜力可以挖掘。理想的状态是最简单的减振器几何形状结构。在转向车轮的减振器中，OEM汽车生产厂通常使用的是有两层套管的双管减振器，直径较大的实心或者空心减振活塞杆。由称之为支架的构架把轮架受到的力和力矩传递到减振弹簧上。这一结构的重量很大。而最新设计的单管减振器则明显减轻了它的重量。

在装配时，只需把减振活塞杆安装到轮轴轴承上（所谓的逆向安装），由弯曲负载产生的弯矩，经减振器内管的固定部件处就传导到减振器模块的承载部件上去了。铝合金材料内管由两个高强度聚酯滑动轴承与“悬架管”连接。内管内外表面的镀层具有很高的抗剥离性能和很好的耐腐蚀性能，从而也保障了它能够很好地在悬架管中滑动。

纤维增强的塑料材料

金属材料不仅仅由于其比重较大，在轻结构设计、在重量方面不如纤维增强的塑料材料占优势，而且金属板材的变型性能也在轻结构的结构设计中带来了很大的障碍。

FVW——纤维增强合成材料，尤其是热塑性的纤维增强合成材料，具有很高的耐化学腐蚀性能（例如：抵抗盐、碱腐蚀或者抵抗矿物油侵蚀的能力），而且在成型性能方面不像钢件那样受限。因此，它可以真正按照所需的尺寸、按照特殊的压力流分布和传递的要求进行制造。热塑性纤维增强塑料中合成树脂的作用是：保持玻璃纤维或者碳纤维的外置固定，防止外部环境对它们造成不良影响，使承受到的作用力沿着纤维传导下去。

另外，这种纤维增强的合成材料决定了它的生产制造工艺流程，也使得这种合成材料能够实现工业化的大批量生产。作为所使用的增强纤维，既可以是高性能、低价格的玻璃纤维，尤其是在高强度、大长度（大于10mm的纤维长度）要求的情况下；也可以是无限长的纤维。作为一种有益的副作用，这种纤维增强的热塑性塑料本身就具有比金属材料好得多的减振性能，更加有益于降噪减振。

生产方式

创新性的减振器－轮架模块是在一个注塑工序中生产出来的，无需其他的，例如螺栓连接和焊接等辅助工序。在由无限长纤维制作的半成品中，其纤维的走向保证了承受的负载能够在整个工件中均匀分布。因此，制作时使用的工具如同一个“线轴”；其上缠绕着无限长的纤维材料，从而能够一次完成承载管件和轮轴轴承座的制造并具有严格的、精确的公差尺寸。

在注塑时，黏稠的热塑性塑料熔液在高压和高温的作用下完全渗透到半成品中。热塑性塑料极高的耐气候性能也省略了涂覆防护层。

模块化结构的纤维增强合成材料零件的一个最大优点是：可以根据用户的特殊要求和最终使用的情况进行独特的、针对性很强的结构件设计。因此，这使得减振器－轮轴模块结合蝶形弹簧、钢质弹簧或者传统的双管减振器的组合设计成为可能。通过在注塑生产过程中很容易实现的“传感纤维”的集成，甚至可以表达减振器的过载或者向行驶动态稳定系统发出信号。

结束语

除此之外，采埃孚公司还对其他零部件的轻结构设计进行了开发，如：创新性GFK玻璃纤维增强塑料的横向弹簧板。它除了能够保证更好的减振性能以外，还能为轮轴导向、保持减振－轮轴系统的稳定性，从而可以取代带有支撑的稳定器、代替两个摆动支撑、两个横拉杆和两个传统的螺旋弹簧。其好处是：明显减小了安装使用空间并明显减少了重量。