某輕型客車前復合材料板簧的研制

江力 曹政

1. 廈門金龍聯合汽車工業有限公司 福建省廈門市 361023 2.株洲時代新材料科技股份有限公司 湖南省株洲市 412007

1 引言

車輛結構每減重10%，燃油消耗可節省7%，大大減少了壽命期內的使用成本，若車體減重20-30%，每車每年CO2排放可減少0.5噸[1]，因此現代車輛的安全、舒適、節能和環保等有明確要求。減輕結構重量，從而節省燃油、減少尾氣排放和環境污染是車輛設計的重要發展方向，車輛減重，當前最重要的措施就是在大量采用先進復合材料。先進復合材料具有比強度高、比剛度高，可設計性強，疲勞耐久性好，耐腐蝕，可大規模整體成型，減震阻尼性能好等一系列獨特的優點。

常規車型的懸架彈簧通常采用彈簧鋼制，具有重量重、不易布置、阻尼性差等缺點。本文中提到的某輕型客車其前懸架采用橫置板簧麥弗遜式獨立懸架，其橫置板簧采用復合材料板簧為例進行可行性研究。

2 前復合材料板簧的結構設計

前復合材料板簧的結構設計要遵循以下幾個原則：第一，滿足安裝接口尺寸要求；第二，滿足整車性能匹配要求；第三，滿足產品可靠性要求；第四，重量達到減重目的；第五，滿足極限環境溫度的使用要求；新型板簧采用密度低強度高的玻璃纖維作為增強材料，環氧樹脂作為基體材料[2]，最后通過模壓工藝成型，表1為原材料性能參數，圖1為復合材料板簧結構示意圖。

圖1 復合材料板簧結構示意圖

產品端部為梯形結構，這就要求在鋪層結構設計時考慮外側連續的長玻璃纖維，來保證結構強度；其次產品經過模壓后上表面棱邊處含膠量較高，在使用過程中經長久的彎折棱邊會出現剝離，因此需將上表面棱邊倒角消除剝離現象。

3 前復合材料板簧的FEA可靠性分析

3.1 前復合材料板簧承載分析

根據前懸架系統的校核結果已知其極限載荷工況為：在距板彈簧中心對稱位置309.5mm處共加載2665kg 載荷，將此時位置作為零點位置，再向下施加43mm振幅為極限載荷。

采用極限載荷工況運用FEA進行強度校核，同時結合設計安裝狀態復合材料板簧為四點支撐，具體在進行FEA計算時施加的邊界條件如下圖2所示：

3.2 FEA網格劃分

圖2 板簧加載示意圖

表1 原材料性能參數[9]

圖3 網格模型

FEA網格劃分（見圖3）：模型采用C3D8R單元進行計算，單元數量為11120[3，4]。

3.3 材料體系參數，見表2

3.4 FEA計算結果

3.4.1 極限載荷工況強度校核：在距板彈簧中心對稱位置309.5mm處共加載3985kg的載荷（即2665kg的基礎上再向下施加43mm的載荷）；最大應力為569.7MPa（圖4），其沿纖維方向的應力分布如圖5所示，最大壓縮應力為529.5MPa，對比壓縮強度值802MPa，其安全系數為1.51。

圖4 最大應力云圖

圖5 沿纖維S11方向的應力云圖

3.4.2 剛度計算結果為287.08N/m，表明可滿足該復合材料板簧剛度（290±5%N/mm）的設計要求。

4 前復合材料板簧的試制及試驗

4.1 板簧的工藝路線[8] （見圖6）

圖6 復合材料板簧試制工藝路線

經過工藝的不斷摸索，總結出：板簧生產的核心技術在于原材料的選擇和模壓固化工序。其中原材料主要是指增強材料與基體材料的配比（7：3），模壓固化工序是一個比較復雜的工藝過程，包括入模溫度、模腔壓力、升溫加壓、保溫時間、后固化等工序[5，6，8]，只有嚴格得把控核心技術才能保證產品有良好的的整體性能（剛度的一致性、低永久變形、高疲勞壽命等等）。

4.2 臺架疲勞壽命試驗

在試驗室對試制的板簧進行靜剛度及疲勞試驗，來驗證產品的可靠性，其中試驗工裝是完全按照實際裝車工況所設計的，圖7為疲勞試驗照片，表3為臺架試驗結果。

依據表3臺架試驗結果可知產品完全滿足產品性能要求，為了進一步驗證產品的可靠性將完成疲勞試驗的產品再重新進行了50萬次疲勞試驗，試驗結果表明前后剛度變化仍小于5%，僅在產品棱邊處有毛刺現象，完全不影響產品的使用。

圖7 疲勞試驗

4.3 冷熱沖擊后的臺架疲勞壽命試驗

先將復合材料板簧進行冷熱沖擊，然后再進行該板簧的臺架疲勞壽命試驗（上述4.2項）。圖8為冷熱沖擊曲線圖，表4為試驗結果。

試驗結果表明該產品耐高低溫性能良好。

4.4 前復合材料板簧的裝車試驗

產品裝車后通過北京通州交通部試驗場比利時強化路考核及市場5年的實際使用，產品均整體完好。

5 結語

表2 復合材料的力學參數[9]

（1）利用有限元分析可以指導產品結構的設計、節約生產成本和縮短開發周期[7]。

（2）工藝路線的成熟度影響產品的表觀質量和性能。

（3）通過調整玻璃纖維與樹脂含量的方法可以降低產品重量和優化產品性能。

（4）產品設計方案的可行性不僅要從理論上分析，而且也得通過臺架試驗和實際裝車考核的驗證，只有這樣才能作出正確的判斷。

表3 臺架壽命試驗結果

表4 冷熱沖擊后的臺架疲勞壽命試驗結果

圖8 冷熱沖擊曲線圖