重型牽引車復合材料板簧的開發與驗證

楊 昂,孫 營，吳曉明,司先軍,司立新，丁冉冉,胡 娟

(集瑞聯合重工有限公司汽車工程研究院，蕪湖 241080)

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2015208

重型牽引車復合材料板簧的開發與驗證

楊 昂,孫 營，吳曉明,司先軍,司立新，丁冉冉,胡 娟

(集瑞聯合重工有限公司汽車工程研究院，蕪湖 241080)

基于集瑞某款輕量化牽引車的復合材料板簧(FRP)開發工作，分別從結構設計、性能計算、CAE分析、零部件試驗和整車搭載試驗等方面介紹了該車復合材料板簧的開發和驗證過程。試驗數據表明：同等剛度條件下，復合材料板簧的質量比傳統鋼板彈簧減輕60%以上，疲勞壽命提高2倍以上，達到了新產品開發的預期目標。

復合材料；板簧；設計驗證；輕量化

前言

為適應節能減排的需求，汽車輕量化研發已形成一種潮流，特別是新材料、新工藝的運用越來越得到設計師的青睞。以集瑞6×4牽引車為例，汽車鋼板彈簧約占整車總質量的4.5%～6.8%，且在原材料生產和產品加工過程中須消耗大量煤炭等非可再生資源；而復合材料的比重還不到鋼材的30%。

本文中基于集瑞某款輕量化牽引車的開發，介紹了復合材料板簧開發的全過程，主要從結構設計、樣件性能試驗和整車試驗驗證幾個方面進行闡述。

1 復合材料板簧的設計

1.1 總體布置方案

為方便后續整車性能和可靠性試驗的開展，復合材料板簧在結構設計初期，充分考慮了與傳統鋼板彈簧的通用性和互換性；同時為確保復合材料板簧的高可靠性和輕量化，經過與傳統鋼板彈簧對比，結合試制樣件的摸底試驗，制定了重型牽引車復合材料板簧性能參數，相關對比數據見表1。

鋼板彈簧與復合材料板簧的整車布置示意圖分別如圖1和圖2所示。為快速實現整車搭載試驗，同時考慮傳統板簧與復合材料板簧轉換的方便性，在整車布置時，統一了接口尺寸。

1.2 結構設計

復合材料板簧主要部件由板簧本體、板簧吊耳和托臂等組成，如圖3所示。

復合材料板簧本體設計：根據承載和安裝接口尺寸要求，采用等應力梁原理，進行結構設計和性能優化；通過多輪CAE對比分析，最終選定為雙面增強型的截面方案。

板簧吊耳設計：為保證通用性，吊耳襯套借用現有規格產品，吊耳采用鑄造工藝，吊耳與板簧的連接采用絞制孔螺栓螺母連接，螺栓與孔配合采用h8/H8,同時板簧與吊耳之間采用粘合膠加強連接。

托臂設計：為保護復合材料板簧本體，降低板簧與車橋之間的接觸磨損，板簧與車橋之間增加板簧托臂結構，同時托臂與板簧間采用橡膠墊片減振抗磨。

復合材料板簧本體試裝完成后，與吊耳進行組裝，組裝樣件實物圖見圖4。

2 復合材料板簧CAE分析

復合材料參數見表2,CAE分析邊界條件為：約束狀況為中間平直段固定，也即板簧的前后兩段各相當于一懸臂梁。滿載驗證載荷為F=41500N；自由弧高為114mm；動載系數為2；其約束與加載方式如圖5所示。

表2 復合材料參數

按3種加載方式進行分析：(1)滿載時加載方式見圖5(a)，分析結果復合材料板簧撓度為122.6mm，計算剛度為41500N/122.6mm=338.5N/mm，符合剛度要求。撓度和應力云圖見圖6和圖7；(2)垂向滿載，水平方向供施加2倍垂向滿載負荷，見圖5(b)，板簧撓度與應力分布見圖8和圖9；(3)滿載緊急制動工況，即垂向滿載，水平方向共施加3倍垂向滿載負荷，見圖5(c)，板簧撓度與應力分布見圖10和圖11，復合材料板簧S變形明顯，最大應力為166.8MPa,彈簧處于安全狀態。

CAE分析結果與理論計算剛度基本吻合，同時模擬車輛運行過程中的典型工況，復合材料板簧均滿足性能要求。

3 復合材料板簧的試制

復合材料板簧采用層壓工藝進行試制，是一個在加熱的金屬模具中進行預浸漬料的模壓過程。將預浸漬料切成專用形狀并放進模具中進行加溫加壓成型，形狀可以用多片預混料組成的預片板，通過預設定切割和疊放實現，主要工序為裁切、模壓、脫模、后處理和總成裝配。

復合材料板簧在生產過程中，容易導致兩方面缺陷：原材料存放問題和生產工藝穩定性問題。

(1) 原材料存放環境和周期：原材料正常情況下應在-5℃左右的冰柜內存放，使用前兩天取出，在20℃的環境下解凍48h后使用；如果儲存不當，引起部分固化，會導致樣件制備過程中高分子樹脂的固化速度不一致，內部產生較大的內應力，在使用過程中容易出現裂紋。

(2) 工藝穩定性：在產品的制備過程中，當入模過程把握不好時，會產生邊緣部分的纖維打折缺陷，然后在后處理(飛邊切割與打磨)過程中會產生一些微小裂紋，進而導致板簧使用過程中微小裂紋擴展而引起產品損傷，直到破壞。

4 復合材料板簧試驗驗證

4.1 復合材料板簧零部件臺架驗證

根據鋼板彈簧和高分子材料相關標準，對樣件進行零部件驗證，根據復合材料特性，制定了集瑞公司關于復合材料板簧試驗驗證規范，見表3。

表3 復合材料板簧試驗驗證規范

根據試驗結果，高分子材料板簧的試制樣件的永久變形檢測、剛度測試、最大承載力檢測和疲勞試驗均符合設計要求。

根據零部件開發驗證計劃，結合鋼板彈簧的行業標準，提出了《復合材料板簧的疲勞試驗規范》，并嚴格按照該規范對3組試制樣件進行性能和疲勞試驗，見圖12和圖13。

復合材料板簧完成疲勞試驗后，繼續進行破壞性試驗，故障模式見圖14，板簧下部出現縱向分層裂紋，驗證了復合材料板簧的“安全斷裂”特性。

根據試驗規范，對復合材料板簧的靜態剛度、垂向疲勞、垂向極限載荷和垂向破壞載荷等關鍵特性進行了試驗驗證，結果見表4。

表4 復合材料板簧試驗驗證結果

4.2 復合材料板簧整車匹配試驗驗證

4.2.1 整車匹配試驗對比

根據常規鋼板彈簧更換復合材料板簧后可能引起的整車性能變化，組織主觀評價和客觀測量。復合材料板簧舒適性主觀評價結果見圖15。

復合材料板簧在綜合壞路上行駛，高頻振動(如小鵝卵石路面、搓衣板路面)感覺較好，但在大沖擊路面(減速坎路面、坑洼路面)，起伏衰減較差。操穩性主觀評價結果見圖16。

根據試驗結果可知，傳統鋼板彈簧更換為復合材料板簧后，阻尼衰減效果降低，須重新調校減振器參數。

4.2.2 整車可靠性搭載試驗

在2臺整車上進行復合材料整車搭載試驗，累計完成3萬km的綜合壞路試驗，試驗結束后，對4根板簧進行拆解，發現板簧剛性接觸作用的橡膠軟墊有一定程度向外擠出(見圖17，后續優化過程中已有改進方案)；經檢測，試驗后板簧本體沒有任何損壞，性能參數符合設計定義。整車搭載試驗完全符合相關標準。

5 結論

通過對復合材料板簧的開發，進行了大量的試驗和驗證工作，結果表明，復合材料板簧相對傳統鋼板彈簧，在輕量化、零部件可靠性和整車性能等方面優勢明顯。復合材料板簧疲勞壽命高，超過鋼制多片板簧約2倍以上，降低了用戶的使用和維護成本，同時其具有“安全斷裂”特性，提高了車輛的可靠性。

采用復合材料板簧，可以大量降低鋼材在生產和加工過程中煤炭等非可再生資源的消耗，同時降低了排放和能耗,符合國家節能環保的產業政策,為汽車輕量化工作提供了一個很好的方向。

[1] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,1996.

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首屆汽車空氣動力學研討會成功舉辦

2015年9月7～8日，由中國汽車工程學會主辦，吉林大學汽車工程學院承辦的“首屆汽車空氣動力學研討會”在吉林大學南嶺校區成功舉辦。這是汽車空氣動力學行業的一次專業交流盛會，適應了國家節能低碳汽車的發展需求，促進了專業人才培養與行業的發展。

研討會邀請到了行業眾多精英，包括同濟大學國家“千人計劃”特聘專家楊志剛、吉林大學國家“千人計劃”特聘專家馬芳武、一汽集團技術中心技術總監孫少云、中國空氣動力研究與發展中心副總工程師王勛年、吉利汽車工程院資深總工/副院長門永新、日本大阪大學梶島岳夫等著名空氣動力學專家學者以及來自吉林大學、清華大學、同濟大學、湖南大學、西南交通大學、中國空氣動力研究與發展中心、中汽中心、中國汽研、一汽集團、東風汽車、上汽、北汽、廣汽、吉利汽車、FEA ONLINE、EXA、Altair、CD-adapco等高校、研究單位、企業參會代表120余人。

本次研討會以“節能低碳汽車中的空氣動力學”為主題，圍繞“汽車空氣動力學開發的先進理念”、“空氣動力學在汽車開發中的應用及專業人才的培養”等內容展開。本次研討會匯集了知名高校和研究機構、行業組織、整車企業與相關軟件公司以及在空氣動力學領域有影響力的專家、學者共同參會并參與研討，實現本次研討會演講嘉賓多元化以及參會代表的多元化，有利于各方加深交流和了解，為大家搭建了交流的平臺，受到參會代表的肯定。

節能與新能源汽車技術路線圖課題啟動會在京成功召開

2015年9月11日上午，節能與新能源汽車技術路線圖研究課題啟動會在京成功召開。會議由中國汽車工程學會常務副理事長兼秘書長張進華主持，工信部裝備司瞿國春副巡視員，工信部裝備司汽車處佘偉珍處長、中國汽車工程學會付于武理事長、清華大學汽車工程系歐陽明高教授、科技部電動汽車重大專項特聘專家王秉剛、中國汽車工程研究院有限公司李開國總經理、中國汽車工業協會許艷華副秘書長、中國汽車技術研究中心吳志新副主任、清華大學汽車產業與技術戰略研究院趙福全院長、東風汽車公司技術中心方馳主任，以及來自行業組織、高校、科研機構及相關企業的超過150位專家參加了本次啟動會。

首次汽車輕量化技術沙龍在重慶舉辦

由汽車輕量化技術創新戰略聯盟(以下簡稱“聯盟”)舉辦的“首次汽車輕量化技術沙龍”于2015年9月16日在重慶成功舉辦。來自一汽、東風、上汽、長安、北汽、廣汽、奇瑞、吉利、華晨、江淮、江鈴、通用汽車中國、奇瑞捷豹路虎、東風日產等14家整車企業的代表以及聯盟秘書處的30余人參加，聯盟秘書長張寧、專家委主任王登峰出席會議。

本屆沙龍以“面向‘十三五’的汽車企業輕量化規劃與實施難點”為主題，就企業輕量化規劃和落實中面臨的諸多問題進行了深入討論，分享了成功的經驗，提出了在工作流程、標準和規范、技術鏈和產業鏈構建、行業信息和數據共性等方面面臨的問題。根據與會代表提出的建議，聯盟秘書處整理出20多項工作建議，并將在后期的工作中逐項落實。

Development and Verification of the Composite Leaf Spring for a Heavy Tractor

Yang Ang, Sun Ying, Wu Xiaoming, Si Xianjun, Si Lixin, Ding Ranran & Hu Juan

AERI,C&CTrucksCo.,Ltd.,Wuhu241080

Based on the development work of the composite (FRP) leaf spring of a Jirui lightweight tractor, the whole process of its development and verification is presented from the aspects of structural design, performance calculation, CAE analysis, component test and vehicle test. The test results show that under the condition of equal stiffness, the mass and the fatigue life of composite spring is over 60% less than and over three times as long as that of traditional steel leaf spring respectively, achieving the expected goal of new product development.

composite materials; leaf spring; design verification; lightweighting

原稿收到日期為2015年7月2日，修改稿收到日期為2015年8月4日。