主副式復合材料板彈簧結構設計及性能驗證

高蕊

摘 要：根據板簧的應用情況來看，身為汽車懸架系統的重要組成部分，對于汽車運行時的平順性、舒適性以及整車的操作平穩性有著十分重要的作用。根據傳統車輛懸架中板簧的應用情況來看，該構件都是由彈簧鋼加工而成，因此板簧自身重量較大。在現代車輛制造業不斷發展過程中，輕量化的車型愈發受到人民群眾的喜愛，因此降低板簧的重量勢在必行。復合材料的應用，改善了傳統板簧的重量問題，在板簧實現輕量化的過程中具有十分重要的現實意義。本文主要內容探究了主副式復合材料板簧結構設計及性能驗證。

關鍵詞：復合材料 結構設計 主副式板簧 性能驗證

Structure Design and Performance Verification of Composite Material Leaf Spring

Gao Rui

Abstract：According to the application of leaf springs， as an important part of the automobile suspension system， leaf spring plays a very important role in the smoothness and comfort of the car during the smooth operation of the whole vehicle. According to the application of leaf springs in traditional vehicle suspensions， the components are all made of spring steel， so the leaf springs are relatively heavy. In the continuous development of the modern vehicle manufacturing industry， lightweight models are becoming more and more popular among the people， so it is imperative to reduce the weight of the leaf spring. The application of composite materials has improved the weight problem of traditional leaf springs， and has very important practical significance in the process of lightening leaf springs. The main content of this article explores the structural design and performance verification of the main and auxiliary composite leaf springs.

Key words：composite materials， structural design， main and auxiliary leaf springs， performance verification

1 引言

在當前汽車輕量化發展的背景下，傳統汽車懸架中的板簧構件逐漸從多片簧向少片金屬板簧演變。根據現階段金屬板彈簧結構的應用情況來看，存在有噪聲小、質量小、片間摩擦小等特點，改變了傳統板簧的不足。想要在保障汽車穩定性、安全性的基礎上，對板簧結構不斷優化，還需要從板簧材料入手，復合材料的應用促使板簧結構進一步朝向輕量化的方向邁進，為汽車制造業實現持續發展奠定基礎。

2 主副式復合材料板彈簧的特點

2.1 輕量化

根據主副式復合材料板簧的應用情況來看，該材料板簧相較于傳統板簧而言，重量減輕了50%以上，比多片鋼制板簧重量減輕了75%以上。

2.2 安全性

主副式復合材料板簧在應用過程中，安全斷裂方式提高了板簧的應用可靠性。復合材料板簧的失效模式為沿著彈簧的長度方向分層開裂。通常情況下只能在外觀看到裂紋，板簧的主體結構雖然已經被破壞，剛度有所降低，但是仍舊會保持基本形狀。這樣一來車輛的車軸會始終保持原位，確保車輛正常行駛[1]。

2.3 壽命長

根據相關數據顯示，復合材料板簧結構的應用時間最高能夠達到鋼制多片簧的2～10倍，通常情況下，該結構板簧的使用壽命在30萬次以上。

2.4 噪音小

因為復合材料板簧的自身阻尼較大，因此在各種工況下，該構件在運行過程中產生的噪音較小，能夠有效減少對周邊環境帶來的污染，改善汽車運行環境，提高用戶的乘坐體驗。

3 主副式復合材料板簧結構設計

在主副式復合材料板簧當中存在有膠結的金屬板，膠結方式不僅簡潔方便，還能夠有效提高金屬板的使用可靠性。在板簧的端部安裝有橡膠減磨墊。板簧會通過鉚釘直接固定在復合材料上。最后，復合材料板簧在應用過程中會通過中心螺栓與第一片金屬板簧固定在一起。

復合材料板簧在應用過程中，一般情況下，第一片與第二片之間的承受力為疊加關系，工作人員想要優化板簧結構，可以根據兩片之間的承載載荷情況，計算出板簧中不同片的剛度。在此過程中，按照承載2/3來計算復合材料板簧承載量時，設負荷材料的板簧片短端為p11=2/3P1，板簧片長端為p12=2/3P2。此時如果設板簧結構的左端為短端，那么在板簧結構中，任一x截面的力矩我Mx=-9121x（0≤x≤0.718），-7213（0.718≤x≤1.626）。根據上述公式以及內力矩Mx的計算最終可以算出板簧應力[2]。進過校驗后確定板簧應力符合相關應用要求，有關主副式復合材料板簧力學性能參數如下表1所示。

在該主副式復合材料板簧當中，我們可以將其看做一個各向同性面的正交各向異形體。在板簧應用過程中，我們如果假設垂直于纖維方向的平面為同性面，那么當X、Y坐標軸相互輪換時，那么板簧運行時的密度始終保持不變[3]。

4 主副式復合材料板簧性能試驗

根據當前我國主、副式復合材料板簧的應用情況來看，該板簧在使用過程中能夠有效促使汽車輕量化發展，提高汽車運行可靠性與安全性。筆者結合自身多年經驗，開展了有關主副式復合材料板簧特性試驗。

4.1 垂直載荷下的板簧永久變形試驗

4.1.1 支承方法與夾持方法

根據我國出臺的企業標準Q/ZZ 11005-2014要求，在對帶有卷耳的彈簧開展實驗時，需要以銷軸支承的方式，將卷耳裝置裝載帶有滾輪的滑車上。其他結構彈簧要按照產品圖紙開展實驗。在此過程中，工作人員一定要嚴格按照板簧結構圖紙中的規定，保證夾持效果能夠與裝車效果一致。

4.1.2 實驗方法

在開展實驗活動時，工作人員需要結合實際情況，在被測彈簧的各個簧片之間涂滿潤脂膏，以便能夠減少各簧片之間的摩擦力。在驗證板簧負荷時，要采取緩慢、連續的方式，逐漸加載、卸載彈簧，而后對該步驟進行重復。工作人員要記錄好各簧片之間的變形量以及施加負載量的大小。如果采取逐級加載的方式，工作人員需要測量的點至少有八個。如果在試驗過程中發現任何一級的載荷量超過規定，則需要將其減至該級載荷的1/2以下，而后重新加載，直到規定值位置。當實驗過程中進展到1.5倍滿載靜負荷之后，工作人員可以根據實際情況將其試驗到驗證負荷。而后緩慢的使彈簧卸載，在此過程中要詳細記錄有關施加載荷的大小以及彈簧的變形量。

4.2 鋼板彈簧剛度試驗

4.2.1 支承方法與夾持方法

如果該復合材料板簧帶卷耳，那么支承方法與文中上述支承方向相同，其他結構的彈簧需要根據實際裝車需求進行支承。板簧中間的夾緊狀態需要按照實際裝車功能進行。

4.2.2 實驗方法

在主副式板簧材料自由狀態下對板簧開展剛度實驗時，板簧的負荷量要控制加載塊來施加。在此需要注意的是所有加載塊的長度都要小于100mm，寬度要大于板簧的片寬。在驗證板簧剛度的過程中，要以緩慢、連續的方式開展實驗，在加載、卸載之后重復上述步驟，計算彈簧加載量的大小。當實驗進行到1.5倍荷載量后結束。必要情況下工作人員可以對負荷量再次驗證。

變形量：

在上述公式中，f代表的是主副式復合材料板簧在規定負荷下的彈性變形量。f1代表的是主副式復合材料板簧在規定負荷下的加載變形量。f2代表的是主副式復合材料板簧在規定負荷下的卸載變形量。

板簧剛度：

在上述公式中F'代表的是主副式復合材料板簧在規定范圍內承受負荷的實測剛度。F代表了主副式復合材料板簧的規定負荷。

5 試驗和結果分析

在試驗過程中將計算機與試驗設備相連，實現了數據實時連接，因此工作人員不需要對各個載荷點的彈簧變形量進行人工記錄。

想要計算板簧剛度，工作人員需要在彈簧剛度曲線基礎上，對滿載狀態下的板簧變形量進行計算。選擇滿載靜負荷30%處的靜負荷點進行測量。當滿載靜負荷為28000N時，板簧的載荷分別為28000×1.3=36400N，28000×0.7=19600N。在此情況下，設板簧滿載靜負荷70%處為A點，130%處為B點。那么板簧在卸載滿載靜負荷后130%為C點，70%處為D點。完成上述工作之后，x坐標代表的是變形量，y坐標代表的是載荷量。經過整理，最終可得板簧特性實驗結果，如下表2所示。

根據上表數值最終可得板簧理論計算與實驗差距在要求的10%以內。出現誤差的主要原因在于實驗過程中忽略了板簧片間的摩擦作用以及生產片厚度控制上的誤差。

6 結語

綜上所述，在當前人們對汽車輕量化的要求下，復合材料的板簧在應用改變了傳統板簧中的不足，優化了板簧的整體結構。主副式復合材料板簧，相較于傳統板簧而言，無論是可靠性、安全性還是輕量化都有多改善，為提高汽車懸架功能奠定了堅實的基礎。根據本文實驗內容來看，此類型板簧的負載力以及剛度都能夠滿足汽車正常運行，在一定程度上說明了該結構優化設計工藝的可行性，為擴大復合材料板簧的使用范圍提供保障。

參考文獻：

[1]段瑛濤，張肖肖，王智文，等.編織復合材料頂蓋中橫梁結構設計及性能驗證[J]. 汽車工藝與材料，2019，361（01）：55-59.

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[3]周洲，王明星，肖羅喜，等.厚壁復合材料縱置板彈簧用預浸料固化工藝及驗證[J]. 塑料工業，2018，046（001）：10-13.