汽车悬架弹簧的生产与技术发展趋势

汽车悬架弹簧的生产与技术发展趋势(上)——上汽股份中国弹簧厂孙云秋前言汽车悬架弹簧是轿车底盘减震系统中的重要功能性零件，主要作用是吸收振动保证乘员的舒适性。从技术层面分析，它还起着维持轮胎与地面贴合，保证车辆操纵性的功能。目前，除了少数顶级豪华车使用主动悬架之外，大部分轿车的减震系统都是由螺旋悬架弹簧与减震器组合而成，每年全世界对悬架弹簧的总需求近2亿件。上世纪80年代以来，能耗、环保、安全已成为汽车设计的首要考虑因素，推动了汽车制造技术的进步，受此影响，悬架弹簧的设计应力提高了约20%，重量减少约25%，本文的重点是对国内悬架弹簧的发展趋势进行探讨。一、市场与生产商1．2005年国内市场需求2005年国内乘用车的生产与销售处于快速增长状态，2005年1~10月份与2004年同期相比销售增幅达17.92%，截止10月为止乘用车的生产量为315.2万辆，其中轿车生产221万辆，MPV车生产13.1万辆，SUV车生产15.6万辆，微客生产65.5万辆。预计全年轿车和MPV等车的产量将超过300万辆，对悬架弹簧OEM配套需求在1200万件左右，剔除部分新车型没有完全国产化的因素，国产悬架弹簧的配套量需求将超过1000万件。如果加上其它乘用车需求130万件和维修配件120万件，全年需求将不低于1250万件。2．2006年国内市场预测按照2005年汽车市场的走势，2006年的增幅大约为12%，保守的预测增幅不会低于9%。照此推算，2006年国内市场对悬架弹簧的需求将在1385~1400万件之间。3．长期预测2005年中国汽车总产量突破500万辆已成定局，并有可能进入世界第三汽车生产国之列，但与此同时制约因素也在增长，最突出的当数能源、环保和道路交通三个方面，中国已成为世界石油第二大进口国，汽车废气排放和交通堵塞成为广大民众及舆论关注的焦点，并且引起了高层决策者的注意。十一五期间，国家很可能会出台系列宏观调控政策，如对新建汽车厂、油耗和排放的限制等等。外界普遍预测到2010年中国轿车产量会达到700~750万辆，即使考虑宏观调控政策的影响2010年的轿车产量不会低于600万辆，如以此为预测基数，2010年国内市场悬架弹簧的总需求量将不会低于2500万件。4．国内悬架弹簧的主要供应商和竞争趋势伴随着中国汽车工业的发展，悬架弹簧已经成为弹簧行业中最大的产品门类，从事这类产品生产的主要企业有：上汽股份中国弹簧厂、广州华德汽车弹簧公司、辽阳克索汽车弹簧公司、山东联美汽车弹簧公司、天发汽车弹簧公司、三A弹簧公司、广州日正弹簧公司。除上汽股份中国弹簧厂属于上市公司之外，其余6家企业都有外资不同程度的加入，如辽阳克索背后是德国克虏伯公司，天发背后是日本的中央发条，而日正公司是日本NHK和子公司友联公司两家100%控股的公司。汽车工业对悬架弹簧的强力拉动，也吸引了其它公司的注意力，国内的钱江弹簧厂(民营企业)、威孚集团弹簧厂(上市公司)和国外的大圆公司(韩国)、M&B(德国)都在准备进入这一领域，其中钱江弹簧厂已进入建设阶段。目前，悬架弹簧生产企业之间的竞争主要表现在价格竞争。5年来悬架弹簧的平均价格下降70%以上，大约只相当于国际市场价格的50—60%,基本接近成本底线,甚至于亏损状态。因此价格竞争的余地已经不大,今后竞争形式将逐渐转向新产品开发能力和质量水平之间的竞争。从悬架弹簧本身的产品特点看，一家工厂的生产规模在400—700万件之间较为适宜,过低不利于成本的降低和开发费用的投入分摊，过大物流供应链太长、运输成本会大幅度上升。当前大部分企业生产量并没有到达经济规模。“十一五”期间随着竞争的继续，部分企业有可能被淘汰出局。5．出口市场的走势汽车行业全球采购已成为降低成本的有效措施，经过多年的策划和组织，全球采购的前提质量管理手段亦已成熟，ISO/TS16949在全球得到普遍认同，为全球采购提供了有力的质量保证。出于成本的压力，美国FORD和GM在2003年和2004开始在中国采购OEM配套悬架弹簧，2005年中国出口的OEM配套悬架弹簧达到150万件。并且欧洲市场对从中国采购悬架弹簧也表现出很浓厚的兴趣，东南亚甚至印度也可能成为潜在的市场。仅就市场而言悬架弹簧的出口前景光明，最大的困难在于价格，与当地产品相比要低30%左右，物流和服务费用大约要占20%，因此，折算下来单件产品销售所得只相当于当地产品的50%左右，生产企业是否能承受是必须慎重考虑的问题。出口产品质量与服务，必须完全按照用户的要求和国际惯例，质量出问题和交货延误都会使企业蒙受巨大的损失。最后,国际原材料和能源上涨的趋势明显,人民币汇率升值和劳动力成本提高不可逆转,并且出口产品资金周转期长达8—9月也都是需要考虑的因素。综合上面种种因素，对悬架弹簧出口走势的判断可以归结为“市场需求旺盛，难点存在不少，大量出口为时尚早”。二、悬架弹簧原材料现状与趋势1．原材料Si–Cr系列钢种,55SiCr(SAE9254.SUP12)以及同一大类的材料55SiCrV(SAE9254+V、54SiCrV6)、SRS60、60Si2CrA是目前制造悬架弹簧的主流钢种，Cr-V型钢种50CrV(50CrV4、SUP10)基本退出，Si-Mn系列材料60Si2MnA(SUP6、SUP7)、55CrMn(55Cr3)价格低于Si-Cr系列钢种，主要用于制造较低应力的悬架弹簧和维修配件。2.悬架弹簧原材料制造商悬架弹簧的成本构成中，原材料占到50%以上，按照悬架弹簧生产工艺的不同，可分为棒材和盘元材料两类，前者用于热卷生产方式，后者由金属制品厂加工成油淬火或ITW状态材料供应给悬架弹簧制造商。国产热轧棒材供应商有上钢五厂、兴澄纲厂、无锡钢厂、南京钢厂、大连钢厂等等。热轧棒料还不能直接制造悬架弹簧，需要对它进行拉拔、磨光或剥皮加工，2005年之后一直依赖进口的剥皮变截面材料已经开始国产化。宝钢是弹簧钢盘条主要的供应商，盘条还需要进一步加工成油淬火或ITW钢丝,从事这项加工业务的有上海中炼公司(目前只使用日本新日铁盘条)、郑州金属所中试二厂、宝钢二钢公司、浙江海纳公司、天津隶华公司、南京东吴公司等，钢种以55SiCr(SAE9254)为主，也生产60Si2MnA。制造高应力悬架弹簧的材料有一部分还需要进口，供应商有日本热炼公司、杉田公司和韩国三和钢棒。国产材料的品质目前还有些欠缺,主要表现为表面缺陷和成分偏析。宝钢正在规划改造，引进大方坯项目2008年投产之后会有所改观。3.悬架弹簧新材料研发日本处于领先地位，90年代已经研究出用于应力达到1200Mpa、甚至1300Mpa的新材料。目前已经投入市场的有UHS1900及UHS2000两个牌号，国内钢厂对此几乎没有什么动作。新材料与传统材料相比，重点考虑了材料的腐蚀疲劳性能和改善了强化方式，材料的化学成份做出了很大调整，C下降到0.4%，添加了Mo、V、Nb、B、Ni等元素，其中Ni有助于提高材料的抗腐蚀性能。虽然悬架弹簧新材料面市已经七、八年了,但在实际使用上并不普遍主要原因有：汽车悬架弹簧的生产与技术发展趋势（下）——上汽股份中国弹簧厂孙云秋新材料不向非相关企业出售；添加了很多贵重的金属元素，材料的成本高于传统材料；针对高应力悬架弹簧腐蚀疲劳失效的矛盾已经研发出新型的保护涂层，新型涂层可以有效地保护弹簧表面，从而阻断产生腐蚀疲劳的途径。三、悬架弹簧的设计1．最近20年悬架弹簧重量差不多降低25%，主要归功于高应力轻量化设计，新车型悬架弹簧的应力≥1100Mpa非常常见。弹簧在如此高应力下服役，已经超过材料可以承受的极限，所以必须辅之以其它的强化手段(如喷丸)。虽然高应力轻量化是当前的设计趋势，但设计思想上还是有所差异。一般而言，欧洲车型对高应力、轻量化设计用得较多，日韩车型设计应力相对较低，体现了高性价比和务实的设计思想。２．90年代之后将悬架弹簧设计成有偏心力的”S”型弹簧的实例越来越多，如POLO、PQ35、蒙迪欧、福克斯都采用了这种设计。”S”型悬架弹簧的优点是它的合力矢量方向与减震器运动方向相一致，从而减少了侧向分力对减震器的不良影响。然而“S”形弹簧制造工艺复杂，弹簧某一簧圈承受的应力会高于其它簧圈，导致该处容易产生疲劳失效。日韩车型很少采用“S”形弹簧的设计。３．对于后悬架弹簧，设计师为了追求后座及行李箱有更大的空间，把弹簧设计成变截面中凸形状（也称为MINIBLOCK弹簧)，这类弹簧受力后的压并高度很小，从而节省出空间，VW和Audi非常偏爱此类设计,如PassatB5、AudiA6都使用这类设计,经济型车如Sail为扩大空间也使用了这类设计。４．近些年来，汽车业普遍开始实施平台战略，同一平台的底盘可以多功能配置。实施平台战略之后，新车型推出速度空前加速,然而对悬架弹簧而言，同一平台的车型，由于配置的不同，悬架弹簧需要重新匹配，如PQ35平台的悬架弹簧品种多达90种。主机厂要求悬架弹簧供应商按照它的市场战略，做出快速反应。能否快速研发出与新车型相匹配的悬架弹簧已经成为竞争力的重要一环。5．中国汽车自主品牌与悬架弹簧的同步开发，由于众所周知的原因，我国轿车市场的产品开发和认可权基本都掌握在国外企业手中，国内悬架弹簧生产企业很少有机会参与整车的同步开发，大部分是来图加工，充其量只是进行了一些工艺开发。按照来图制成样品之后需要送到国外认可，产品认可周期长，在技术上很不平等，他们认为不合格的项目国内供应商不能辩解，有时甚至连不合格原因都不告知供应商。今后随着时间的流逝,国内民族品牌已经开始起步,情况也许会有所好转。四、悬架弹簧的制造技术１．卷簧成型技术卷簧成型、喷丸强化和涂装是悬架弹簧生产的三大核心工艺技术，其中成型有热、冷两种方式，各有优缺点。热卷成型的优势是材料成本低但能耗高占地大，产品有脱碳风险，最新的热卷使用中频加热技术无论是能耗、产品质量均有明显改善，属于重大的技术进步。冷卷工艺起步较晚但发展速度快，冷卷设备目前可以做到Φ17.00mm(C=4,σb=2000MPa的条件下)。对于产品门类而言热卷适宜于制造变截面和MINIBLOCK弹簧，冷卷适合做”S”型偏心力弹簧。２．喷丸强化技术喷丸是悬架弹簧最有效的强化手段，高应力弹簧经过适当的喷丸之后疲劳寿命可以提高5倍以上，悬架弹簧的喷丸早期使用铸钢丸粒，由于容易破碎效果不佳，基本淘汰，目前大都使用钢丝切丸，工艺上多次喷丸（不同丸粒直径）普遍应用，热喷丸（弹簧加热到200度以上）和应力喷丸在本世纪初进入实际生产应用阶段。弹簧表面压应力强度和深度是衡量喷丸效果的重要指标。良好的喷丸表面压应力至少在-600Mpa以上，距表面50um处达到-800Mpa，应力喷丸弹簧的表面压应力可达-800Mpa，距表面50um处可达-1200Mpa。３．弹簧热压技术国内应用不普及，普遍使用冷压（6次以上）取代，与冷压相比，经过热压的弹簧对疲劳寿命和松弛性能的提高效果更显著。目前妨碍热压技术应用的主要原因除设备因素之外热压对弹簧温度的一致性要求较高，并且要求与前道工序有良好的节拍匹配。“S”型弹簧对热压的工装和定位要求更高一些，生产高应力悬架弹簧热压是必不可少的环节，也是今后国内生产企业需要加强的工艺技术项目。４．涂装技术悬架弹簧涂装技术是近几年发展最快的工艺技术，以盐雾试验项目为例，20年前大部分产品只要求通过240-480小时试验，而目前普遍的要求是720—1000小时，除此之外，还增加出种类繁多的试验项目，例如石击试验、冷冻冲击试验、石击后盐雾疲劳试验等等，如美国GM公司针对汽车悬架弹簧表面涂层的9984164标准规定涂层需要通过13项性能试验项目，其中最长的1项试验周期长达70天（10周）。主机厂之所以采用如此严格的试验标准原因在于在高应力条件下服役的悬架弹簧，一旦表面受到腐蚀很快即产生腐蚀疲劳失效，断裂后的弹簧断口倘若戳破轮胎将有可能造成重大的安全及人身事故。2003年美国某公司就由于悬架弹簧使用传统的涂装工艺导致89万辆汽车的召回。近20年弹簧表面涂装历经了阴极电泳、静电喷涂和复合涂层三个发展阶段，目