汽車復合材料板簧探討

高蕊

摘 要：近年來，社會經(jīng)濟在快速發(fā)展的同時，科學技術更新與發(fā)展的速度不斷加快，在很大程度上也極大的促進了各行各業(yè)的迅速發(fā)展，人們的生活水平顯著提升，對于汽車的需求量不斷攀升，汽車工業(yè)也步入了蓬勃發(fā)展階段，各種新型材料被應用到汽車工業(yè)生產(chǎn)當中，板簧是汽車懸架系統(tǒng)當中非常關鍵的零部件，其對汽車的整體舒適性以及操作穩(wěn)定性有著重要的影響。傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)所采用的板簧材料主要是彈簧鋼加工所制成的，實際重量非常大，隨著各項技術的快速更新，輕量化車型也逐漸受到了人們的廣泛關注，而采用復合材料板簧，對實現(xiàn)汽車輕量化發(fā)展有著重要的價值。當前所采用的復合材料與金屬連接工藝穩(wěn)定性較差，不能滿足當前各種汽車使用需要，特別是重載車型的起動與制動等操作中存在一定的失效風險。而復合材料板簧輕量化存在突出的優(yōu)勢，能夠有效降低復合材料的使用風險，而文章探討的一種結(jié)構(gòu)，將復合材料板簧作為結(jié)構(gòu)，金屬板簧與接口尺寸一致，這樣能夠滿足當前裝車板簧的互換，非金屬板簧片的重量明顯輕了許多，從而實現(xiàn)輕量化應用。

關鍵詞：汽車 復合材料 板簧 輕量化 優(yōu)化設計

Discussion on Automobile Composite Material Leaf Spring

Gao Rui

Abstract：In recent years， with the rapid development of social economy， the speed of science and technology update and development has been accelerating. To a large extent， it has greatly promoted the rapid development of all walks of life. People's living standards have improved significantly. The demand for the automobile industry continues to rise， and the automobile industry has entered a stage of vigorous development. Various new materials have been applied to the production of the automobile industry. The leaf spring is a very key component in the automobile suspension system， which has an impact on the overall comfort and operational stability. The leaf spring material used in the traditional suspension system is mainly made of spring steel， and the actual weight is very heavy. With the rapid update of various technologies， lightweight models have gradually received widespread attention， and composite materials used for leaf springs have important value for realizing the lightweight development of automobiles. The currently used composite material and metal connection process has poor stability and cannot meet the current needs of various automobiles. In particular， there is a certain risk of failure in operations such as starting and braking of heavy-duty vehicles. However， composite leaf springs have outstanding advantages in light weight， which can effectively reduce the risk of using composite materials. The structure discussed in this article uses composite leaf springs as the structure， and the metal leaf spring has the same size as the interface， which can meet the current requirements. The interchange of car leaf springs makes the weight of non-metal leaf springs significantly lighter， thus realizing lightweight applications.

Key words：automobile， composite material， leaf spring， lightweight， optimized design

隨著各行各業(yè)的快速發(fā)展，汽車工業(yè)作為重要的領域，對國民經(jīng)濟的穩(wěn)步增長有著重要的意義，隨著人們的需求不斷發(fā)生改變，也促使汽車工業(yè)越來越重視輕量化技術的發(fā)展及應用。與節(jié)能減排戰(zhàn)略發(fā)展方向相符合，對提升我國汽車品牌的國際競爭力有著重要的影響，如今，汽車輕量化技術已經(jīng)是衡量汽車產(chǎn)品的重要標準。數(shù)據(jù)顯示，當前國內(nèi)自主品牌汽車自重高于其他國家同類型汽車，且國內(nèi)部分汽車用戶時常會出現(xiàn)用戶超載的情況，在汽車輕量化技術應用方面和發(fā)達國家相比較，依然存在較大差距。整體而言，汽車輕量化主要是從以下方面入手：首先是結(jié)構(gòu)方面，通過新型結(jié)構(gòu)降低汽車重量，再者便是材料方面，通過采用新型復合材料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料，從而逐步實現(xiàn)輕量化的最終目的。

1 汽車復合材料板簧概述

懸架系統(tǒng)是整個汽車系統(tǒng)當中極為重要的組成部分，也是底盤設計的重要環(huán)節(jié)，能夠?qū)④嚰芎洼喬ラg有效的連接在一起，這樣也能夠緩解沖擊力與振動，且鋼板彈簧也有著一定的導向作用。而懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的逐漸簡化，在一定程度上，也有效降低了成本的投入，結(jié)構(gòu)布置也更為簡單化，因此，少片金屬板簧懸架結(jié)構(gòu)被廣泛應用于各類商用汽車當中，受到用戶的廣泛認可。隨著人們對于汽車輕量化以及穩(wěn)定性整體要求不斷提高，汽車鋼板彈簧也由多片簧逐漸朝著少片金屬板簧發(fā)展，少片金屬板簧具有摩擦小、噪聲小、質(zhì)量輕等特征。為了最大程度上保障其舒適性與安全性，通過優(yōu)化設計達到減重的目的難度較大，且無法改變尺寸和參數(shù)。因此，復合材料板簧的應用是推進汽車輕量化發(fā)展的重要手段，對提升汽車的整體穩(wěn)定性與舒適性有著重要的作用。

2 汽車復合材料板簧設計應用現(xiàn)狀

復合材料的整體強度比較高，儲能很強，材料的實際利用率也比較高，減振能力與耐腐蝕性能良好，彈性彎曲性強，復合汽車板簧的實際應用需求。早在上世紀70年代，便已經(jīng)開始研究復合材料板簧，和汽車導向板的加工工藝相同。在70年代末開發(fā)出的復合材料板簧，主要采用的是連續(xù)纖維纏繞工藝，其整體性能、成本和產(chǎn)量都滿足要求。通過對復合材料板簧和普通鋼板彈簧進行綜合分析與對比，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，復合材料板簧重量整體非常輕，且應力也比較低，從而保障行駛的穩(wěn)定性與平順性[1]。

數(shù)據(jù)顯示，在國內(nèi)，復合材料板簧也被應用于各個領域當中，通過大量的實驗研究，結(jié)果表明復合材料板簧的應力降低了許多，通過對靜載與疲勞性能進行測試，板簧也符合具體設計要求。復合材料板簧的整體重量很輕，且壽命也比較長，其市場占有率居高不下，復合材料板簧已經(jīng)被逐漸應用到許多汽車廠生產(chǎn)與應用當中。通過研究發(fā)現(xiàn)，復合材料板簧具有以下優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）復合材料板簧和少片金屬板簧相比較，整體重量減輕了大約50%以上，變化幅度是非常大的。（2）極大的提升了整體可靠性與安全性，復合材料板簧同時也具有安全斷裂的性能，可分層開裂，從外觀上看，變化不明顯，只有幾條裂紋，即使結(jié)構(gòu)被破壞，剛度也大幅度降低，但是依然能夠保障整體基本形狀，也能夠保障空載狀態(tài)下，繼續(xù)行駛。（3）疲勞壽命較高，結(jié)構(gòu)在設計過程中，根據(jù)實際需求，所采用的具體材料也有著很大的不同，是多片簧的2-10倍以上。（4）壽命費用相對合理，復合材料板簧與鋼制板簧相比較，整體壽命成本更低，且重量也大幅度減輕，極大的節(jié)約了材料等成本費用。（5）在荷載能力相同的條件下，其工作行程設計可以更大，極大的提升了整體舒適性與穩(wěn)定性。（6）材料的整體阻尼較大，因此，在不同工況環(huán)境下進行生產(chǎn)，其噪音都是非常小的，這樣也能夠極大的減輕對環(huán)境造成的污染，有效改善周邊環(huán)境。（7）符合材料板簧的應用范圍不斷擴大，可被逐漸應用于橋車以及商用車輛當中。

通過對符合材料進行深入分析與研究能夠發(fā)現(xiàn)，國外對于復合材料產(chǎn)品的應用已經(jīng)有很多年了，也掌握著關鍵核心技術，當前國內(nèi)對于復合材料的設計依然是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，在汽車應用方面的研究相對較少。國內(nèi)復合材料設計主要還是參照國外先進的經(jīng)驗和樣品進行分析對比以及測試，針對分析、試驗結(jié)果，從而進一步明確復合材料板簧的配方，其性能能夠最大程度上滿足疲勞性能以及承載能力，強度也大幅度提升[2]。

3 復合材料板簧制造工藝分析

復合材料板簧早期的制造工藝類型主要是纏繞模壓成型工藝，設計模壓模具以及纖維纏繞模具，該復合材料板簧的外表面也比較光滑，性能也比較穩(wěn)定。另一種復合材料成型的方法主要是SMC拉擠成型，主要是指的是浸潤纖維帶，受到牽引力的作用，擠壓模具，逐漸成型固化，并且連續(xù)不斷的進行時生產(chǎn)，該工藝比較適用于非常規(guī)斷面的型材。其具備以下優(yōu)點：

（1）可實現(xiàn)自動化、連續(xù)性的進行生產(chǎn);（2）整體生產(chǎn)效率是非常高的，可實現(xiàn)多模多件。（3）整體纖維的含量非常高，達80%左右，可最大程度上發(fā)揮纖維的實際性能，提升產(chǎn)品的整體強度。（4）橫縱向強度能夠任意的調(diào)整與優(yōu)化，最大程度上滿足不同場景的使用要求。（5）制品的整體可靠性非常穩(wěn)定，波動范圍小。（6）原材料的實際利用率非常高，廢品率非常低。

SNC模具主要分為以下兩個部分：

（1）預成型模具：通常情況下，在拉擠成型工藝當中，先要浸潤樹脂，要采用預成型模具，其主要是各類元件所共同組成，浸潤后的復合材料的尺寸、形狀等符合最終近似形狀，其能夠最大程度上保障斷面的含砂量[3]。（2）成型模具：為了最大程度上保障模具的強度和剛度，模具必須要有相對足夠的橫截面積，通常情況下，復合材料是應當進行加熱固化的，因此，模具在進行加熱之后，不同部分的溫度一定要保持穩(wěn)定均勻。模具的實際長度應當由樹脂固化具體時間進行確定。還有一種是SCM模壓成型，其主要指的是將SMC材料放入金屬模塊當中，在壓力以及溫度的雙重作用影響下，逐漸固化成型[4]。

4 少片金屬板簧設計

以市場上銷量比較好的一款車型為例，對其進行稱重之后，得到車輛整體總重量，有利于在進行板簧荷載設計過程中提供參考，針對實際稱重結(jié)果，主要被應用于牽引車上，因此，對于整體舒適度的要求是比較高的，為了盡可能避免較大的振動情況，對駕駛室造成影響。通過計算可進一步得出板簧的實際剛度，其形狀外觀具備以下特點：兩端呈卷耳設計，其主要是為了在盡可能避免在制動過程當中，板簧卷耳盡量不出現(xiàn)彎矩，從而提升整體壽命。其次，前后長度不同，增加后半段的整體剛度，從而不斷提升車輛的整體抗側(cè)傾能力，盡可能的避免剎車出現(xiàn)扭曲變形或者擺動。

5 復合材料板簧設計

復合材料板簧當中有金屬板，采用膠結(jié)的方式也使得其更加的方便簡單，且實用性與可靠性也更高，兩側(cè)有橡膠磨墊，將板簧卡箍固定在材料上，復合材料板簧第一片和第二片之間屬于疊加的關系，可針對兩片的承載荷載，設計其剛度。從計算的結(jié)果能夠得出，復合材料板簧設計過程中，并未達到板簧的實際強度，通過核算，明確復合材料板簧的強度與應力復合具體要求，同時滿足產(chǎn)品的實際性能，也能夠充分說明板簧設計結(jié)果的可行性，從而最大程度上滿足懸架在不同工況中的具體使用需求[5]。

6 結(jié)語

此次以汽車懸架部分的重要元件為例進行深入研究與分析，進一步論證了少片金屬板簧與復合材料板簧組合結(jié)構(gòu)之間的不同之處，主要包括以下方面：因復合材料板簧和金屬連接之間存在風險，從而造成復合材料板簧難度較大，為了進一步實現(xiàn)汽車復合材料板簧輕量化，在其剛度與剛度符合要求的情況下，先設計少片金屬板簧，之后再進行復合材料板簧設計，不斷的優(yōu)化與完善，對于可能出現(xiàn)的失效點應當進一步優(yōu)化，最大程度上保障產(chǎn)品的可靠性與穩(wěn)定性，從而不斷提升設計效率和質(zhì)量，節(jié)約實際生產(chǎn)時間。

參考文獻：

[1]張先彬，黃昌文，汪翠琴，等.復合材料板簧在汽車輕量化發(fā)展中的應用[J].安徽科技，2019，000（002）：48-49.

[2]李宇菲.復合材料汽車板簧的優(yōu)化設計及其有限元分析[D].武漢理工大學，2018.22（6）22-23.

[3]樊凱，丁智平，張亞新，等.汽車復合材料板彈簧單向?qū)訅喊宓男阅苎芯縖J].汽車實用技術，2018，000（002）：15-17.

[4]董國華，袁國青.復合材料汽車板簧與車橋殼的聯(lián)接研究[J].玻璃鋼/復合材料2018，22（6）：42-43.

[5]崔強，俞陸新，柳硯.沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼性能研究[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2020.22（6）33-34.