復合材料板簧設計與開發

周站福 潘超 宋恩章

（中國第一汽車股份有限公司 商用車開發院，長春 130011）

主題詞：復合材料 板簧 設計開發

1 前言

八十年代末，復合材料板簧在美國正式投入商業化生產，廣泛應用于重型卡車和牽引車上，重量僅為鋼材板簧的1/3；德國IFC Composite公司推出一種新型板簧來代替奔馳、凌特(Sprinter)、大眾Crafter車上的傳統鋼制板簧。該新型板簧與鋼制板簧相比，質量減輕40～50%，僅重5.5 kg，疲勞壽命可達20萬次以上，高于金屬板簧的16萬次。復合材料板簧已經在全球諸多主機廠商的產品上得到大量應用，這些主機廠包括通用、福特、沃爾沃（圖1）、戴姆勒-克萊斯勒、依維柯、康沃斯、彼得比爾特、國際卡車公司等。

國內在過去的二十年中，有部分院校、研究院所對復合材料板簧進行了探索性研究。由于還沒有完全掌握復合材料板簧的設計及穩定制造技術，現階段還沒有主機廠量產的報道。目前復合材料板簧中的纖維材料主要為E-玻纖、S-玻纖、玄武巖纖維和碳纖維[1]，本文以E-玻纖代替傳統材料進行板簧結構設計。

圖1 復合材料板簧應用[2]

2 復合材料板簧開發目標

懸架系統是橋與車架之間的連接紐帶，其對整車的行駛平順行及操縱穩定性有著重要的影響，同時懸架系統在整車的安全性方面也是不可忽視的，因此在懸架系統的開發設計中，一定要保證板簧輸入條件的準確性。一般來說，板簧開發設計條件如下。

2.1 整車輸入條件

在板簧開發過成中，整車對懸架系統要求見表1。

2.2 懸架系統輸入條件

除整車要求外，懸架系統對板簧開發設計自身目標制定見表2。

表1 板簧整車開發輸入參數表

表2 板簧開發目標

3 復合材料板簧開發設計

3.1 結構設計方法

復合材料板簧采用單片等強度設計，保證板簧沿軸線各截面具有相同的強度，以此來降低板簧重量。通過模型簡化，給定設計限定應力，可以對板簧的厚度、應力、位移和剛度進行解析求解。

3.1.1 設計原則

（1）在滿足功能、性能基礎上，保證開發可靠性要求。

（2）采用單片式、等寬度、變厚度結構形式。

3.1.2 開發目標

（1）板簧重量≤17/kg

（2）自由剛度≤133/N/mm

（3）疲勞壽命≥16/萬次

（4）總成成本200元之內

3.1.3 復合板簧材料板簧結構

復合板簧主體主要分為3部分（圖2）：加載盒、纖維板簧、鋼制卷耳，加載盒相當于板簧蓋板，鋼制卷耳主要與懸架系統支架連接，從而形成承載及導向元件。

圖2 復合材料板簧結構

3.2 復合板簧設計過程

復合板簧的設計過程見圖3。

圖3 復合板簧設計過程

3.3 復合材料板簧結構設計

本次復合材料板簧設計打破了傳統開發模式，首先從材料特性入手，根據復合材料的力學特性，考慮結構尺寸，把制造誤差及工藝設計提前考慮到結構開發中。綜上因素，復合材料板簧總成結構組成如下。

復合材料簧身起到承載作用，上下夾板主要作用是緊固U型螺栓，其材料為40Cr，端部金屬件接頭主要作用是與車身連接，其材料也采用40Cr。

復合材料簧身與端頭金屬件連接方式：結構膠+螺栓40Cr材料（10.9級）+自鎖螺母。

復合材料簧身與上下夾板的連接方式：結構膠。

圖4中“粗虛線”部位為粘接面，粘接前金屬和塑料表面要有打磨去銹蝕要求。圖5為半片板簧詳細尺寸。

圖4 整體結構

圖5 半片板簧詳細尺寸

3.4 工藝鋪層設計

本文選用玻璃纖維+漢高樹脂作為復合板簧材料，應用CATIA的復合材料模塊進行設計，鋪層比例按0°、±45°劃分為70%、30%，共54層。復合板簧制造工藝包括RTM、熱壓罐成型、模壓成型的對比工藝試驗研究[3]，經過成本、成型質量、制造效率綜合比較，最終采用了模壓成型工藝（圖6）。

圖6 復合材料板簧模壓成型

具體工藝方法如下：

a.預浸料的下料：鋪層的角度有0°、+45°、-45°；

b.預浸料的鋪放：將預浸料分組鋪覆在模具的下模中，再采用輥筒將預浸料預壓實；

c.合模：將上模與鋪完預浸料的下模進行合模，檢查合模間隙，直至模具兩邊均勻；

d.固化：模具開始升溫，當溫度升至90～95℃，保溫1～1.5 h后，開始加壓0.5～0.6 MPa；最后將溫度升至120～125℃，保溫2～3 h；保持壓力開始降溫，直至模具達到45℃以下；

e.脫模：通過模具的頂出螺栓將固化后的板簧頂出模具，打去邊緣的飛邊。

3.5 復合材料板簧材料性能

復合材料板簧材料性能參數見表3和表4。

表3 復合材料基本屬性

3.6 復合板簧鋪層技術

鋪層一般采取對稱均衡形式布置，以避免拉-彎、拉-剪耦合而引起上蓋發生翹曲變形[4]。隨著鋪層厚度的增加，零件的抗扭轉性能提高，但是鋪層數目增多，其扭轉剛度并不會線性增長，考慮到加工成本，應合理選擇鋪層厚度，具體見表5。

表4 材料強度許用值

表5 復合材料參數及型號

復合材料板簧54層鋪層分布規律如表6。

表6 鋪層示意表

3.7 復合板簧CAE分析技術

依據上述鋪層方式，對復合材料板簧進行CAE分析計算。建模時板簧前端通過銷軸與板簧支架相連，為固定端，使得板簧前卷耳連接關系為繞軸擺動的鉸鏈連接，后端卷耳在水平面前后方向自由移動。在總成計算時，不考慮鉸鏈接觸細節，而是利用Abacus中的connector來定義這種力的傳遞[5],計算結果見表7。

根據有限元分析結果，板簧重量16.3 kg，自由剛度130 N/mm，復合材料板簧技術條件滿足設計目標，結構強度滿足整車裝配需求。

4 復合材料板簧試驗驗證

4.1 復合材料板簧臺架試驗

4.1.1 臺架性能試驗

復合材料板簧（圖8）臺架試驗自由剛度為128 N/mm（圖9），與設計值131 N/mm相差3 N/mm，剛度誤差小于7%的行業標準要求。

表7 有限元分析結果

圖8 臺架試驗用復合板簧

圖9 復合材料鋼板彈簧剛度曲線

4.1.2 臺架疲勞試驗

試驗方法按照《汽車懸架用鋼板彈簧總成試驗方法》進行，垂直彎曲疲勞壽命試驗參數見表8。

表8 少片簧疲勞壽命限值

按上述實驗條件，復合材料板簧臺架疲勞壽命達到20萬次未損壞，符合設計要求。

4.2 復合材料板簧耐候試驗

非金屬復合材料板簧耐候性要求比較高，主要分為耐化學品、耐濕熱、耐高溫，其試驗結果如表9。

表9 耐候試驗

5 復合材料板簧成本分析

復合材料板簧替代鋼板彈簧方案，在剛度、應力、疲勞壽命滿足設計需求的情況下，重量降低40%，成本在小批量階段比原方案上浮25%，后期隨復合材料板簧在汽車零部件應用逐漸增多，供應鏈市場形成后，其成本會有所降低（表10）。

表10 成本分析列表

6 結束語

本文主要論述了復合材料板簧玻纖增強環氧樹脂材料、結構設計、成本分析、模壓成型工藝，摸索出復合材料特異性，借助有限元分析手段，理論結合試驗，論證其開發設計的可行性。復合材料板簧除輕量化優勢之外，還可提升整車及乘員安全性，避免金屬板簧突然斷裂帶來的安全問題。