一種新型復合材料板簧的開發與應用

孟令建，曹洲，王俊嬌，宋鵬成

（陜西汽車集團有限公司技術中心，陜西 西安 710200）

前言

為適應社會發展，滿足消費者需求，汽車零部件的輕量化要求越來越高，汽車新材料也朝著更加輕便、節能、安全、高速、長壽和環境友好的方向發展。與傳統的金屬材料相比，樹脂基等復合材料具有比強度高、比模量大、重量輕、耐腐蝕等優點。汽車復合材料板簧與傳統的鋼板彈簧相比，在重量、強度、成型工藝等方面有很大優勢。

本文基于某款輕型純電動物流車的設計開發任務，介紹復合材料板簧的設計開發全過程，主要從結構設計、CAE分析、樣件臺架疲勞試驗、整車搭載試驗等方面進行闡述。

1 復合材料板簧設計

1.1 懸架整體布置方案

充分考慮復合材料板簧與原基型車鋼板彈簧的互換性，板簧長度、安裝位置保持與原車型一致，僅將鋼板彈簧更換為復合材料板簧，實現輕量化設計。懸架整體布置方案如圖1所示。

圖1 復合材料板簧懸架布置圖

1.2 復合材料板簧設計參數

經過與鋼板彈簧的性能數據對比，結合復合材料本身材料特性，制定復合材料板簧的相關設計參數，與鋼板彈簧的數據對比如表1所示。

表1 復合材料板簧與鋼板彈簧相關性能參數對比

1.3 復合材料板簧結構設計

復合材料板簧主要有復合材料本體、卷耳部分、中間連接部分等組成，其結構如圖2所示。

圖2 復合材料板簧結構圖

根據鋼板彈簧的安裝尺寸與性能要求，進行復合材料板簧結構設計和性能優化；通過多輪CAE對比分析，最終選定為等截面的復合材料方案。板簧吊耳設計[1]：為保證通用性，吊耳襯套借用現有規格產品，吊耳則采用鑄造工藝，吊耳與板簧的連接采用絞制孔螺栓螺母連接，同時在板簧與吊耳之間加以絕緣脂。在其中間連接部分增加一種蓋式鑄件中間支架。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3。

2 復合材料板簧CAE分析

2.1 復合材料板簧分析參數

結合復材料的特性，查閱相關資料確定復合材料相關CAE分析參數如表2。相關約束條件采用跟鋼板彈簧分析一致的方法，固定其中間平直段，在復合材料板簧的兩端施加滿載與極限一半的載荷，其滿載驗證載荷為1 000 kg，極限驗證載荷為1 500 kg，動載系數為2。

表2 復合材料板簧相關CAE分析參數

2.2 滿載載荷下CAE分析

根據理論計算設計的板簧的中心厚度為50 mm，0載荷時兩卷耳處中心距為1 000 mm，弧高120 mm。板簧主體復合材料部分重6 kg。通過ANSYS軟件仿真分析，復合材料板簧滿載（1 000 kg）下縱向位移為83 mm，計算其剛度為10 000 N/83 mm=120 N/mm，滿足剛度設計要求，其最大應力為271 MPa。滿載下的復合材料板簧的縱向位移圖與應力云圖分別為圖4與圖5所示。

圖4 滿載受力下縱向位移云圖

圖5 滿載受力下應力云圖

2.3 極限載荷下CAE分析

為保證車輛可靠性，板簧設計時會考慮具有一定超載性。本次設計采用與鋼板彈簧相同滿足50%的超載載荷，在極限載荷（1 500 kg）下進行分析計算，復合材料板簧滿載（1 500 kg）下縱向位移為 127 mm，計算其剛度為 15 000 N/127 mm=118 N/mm，滿足剛度設計要求，其最大應力為417 MPa。滿載下的復合材料板簧的縱向位移圖與應力云圖分別為圖 6與圖7所示。

圖6 極限受力下縱向位移云圖

圖7 極限受力下應力云圖

CAE分析結果與理論分析結果基本一致，復合材料板簧在車輛滿載與超載情況下均滿足使用要求，而且其所受應力遠小于鋼板彈簧，安全、可靠性更好。

3 復合材料板簧樣件制作

3.1 加工工藝選擇

對于復合材料板簧，因為其具有變寬變厚的形狀特點，且形狀為不規則的橢圓形的特殊結構，所以需要選用特定的成型工藝。目前有關復合材料板簧主要制造工藝有連續纖維纏繞工藝、模壓工藝、拉擠工藝三種制造工藝。每種成型工藝都有各自的優缺點，制作產品樣件時，需要根據實際產品情況確定合適工藝[2]。

結合各類加工工藝特點，根據實際情況，本次設計最終確定選擇使用纏繞成型工藝制造熱固性玻璃纖維復合材料板簧。因為板簧是變寬變厚等截面形狀，適合使用纖維纏繞成型。對熱塑性/碳纖維體系，其成型過程需要在加熱下完成，使用模壓工藝更為方便[3]。

3.2 樣件制作

板簧方案確認后，開始制作模具，本次設計選擇金屬鋁作為模具材料。鋁制模具密度小，質量輕，強度足夠高。在實際生產過程中能減少生產周期，提高生產效率。在制作樣件時，按照設計的板簧尺寸制造模具，需要注意在模具邊緣部位預留部分倒角，以免模具邊緣過于鋒利對板簧主體造成損傷[4]。

模具制作完成后，使用纏繞成型工藝進行復合材料板簧本體制作。本體制作完成后與相關連接件進行裝配，得到最終樣件。

4 復合材料板簧試驗驗證

4.1 靜載測試

目前國內對于復合材料板簧的靜載測試還沒有出臺相關標準，本次設計根據鋼板彈簧相關試驗標準 GB/T19844—2005中的試驗方法進行測試。

板簧樣件自由狀態下，放置在板簧試驗機上；將樣件從零負荷加載到極限驗證負荷12 KN，壓縮3次；第4次開始，記錄加載力和變形位移信息，并計算出其剛度值。

圖8 靜載測試

對復合材料板簧進行多次加載，記錄數據。圖9顯示了重型卡車板簧在靜載測試過程中位移與荷載關系圖。

圖9 靜載測試數據

由圖9可見，復合材料板簧的載荷—變形曲線為線性變化，在整個加載過程中，其剛度一直保持不變，這與鋼板彈簧不同。經計算得到樣品的平均剛度值為 124 N/mm，在驗證荷載12 kN時，位移值為96.5 mm。經比較可知，樣品靜載試驗得到的剛度值與CAE分析結果相差3.3%，而位移值與計算結果相差3.5%，兩者都比較接近，滿足設計要求。

4.2 疲勞試驗

對于汽車來說，板簧的疲勞性能是汽車的使用壽命的體現，也從側面反映了材料的安全性能。

對靜載試驗后安裝于試驗臺上的復合材料板簧施加變形，再以一定的振幅進行脈沖疲勞試驗。疲勞試驗的加載力最大值為15 kN，最小值為6540 N對板簧的疲勞性進行測試。振動頻率為1.5 Hz，經過30萬次的加載試驗，板簧外觀沒有發生明顯破壞，纖維沒有明顯劈裂痕跡，在測試過程中沒有聽到纖維斷裂的聲音，連接件無明顯損壞。

目前國內還沒有復合材料板簧疲勞測試的相關標準，所以本次設計參考鋼板彈簧的疲勞測試標準。從測試結果來看，復合材料板簧的疲勞強度遠大于鋼板彈簧的12萬次，復合材料板簧的強度更高，更能滿足車輛的可靠性要求。

5 整車匹配試驗驗證

5.1 整車匹配

復合材料板簧臺架試驗驗證完成，進行整車匹配試驗，在現有輕型純電動物流車上進行裝配驗證，完美取代原鋼板彈簧，其裝配效果圖如下圖10所示。

圖10 復合材料板簧實車搭載

5.2 整車可靠性試驗驗證

在完成換件的樣車上進行復合材料板簧可靠性試驗驗證，累計完成強化路10 000 km試驗驗證，未出現復合材料板簧開裂、變形等問題，整車狀況良好。

試驗完成后，對復合材料板簧進行拆解，除中間連接部分絕緣酯輕微壓縮變形外，其余部分狀態良好。經檢測，試驗后的復合材料板簧本體無損壞，性能參數基本滿足設計要求。整車搭載試驗驗證完成，復合相關設計標準。

6 結論

復合材料和傳統的金屬材料相比，最大特點就是比強度高、比模量高。用復合材料代替傳統的鋼材料，重量會得到大幅度減輕。在輕量化、零部件可靠性和整車性能等方面優勢明顯。另外，復合材料板簧使用壽命更高，超過鋼板彈簧2倍以上，降低用戶的使用和維修成本，同時具有安全斷裂特性，提高車輛的可靠性。

采用復合材料板取代傳統的鋼板彈簧，可以大量降低鋼材在生產過程中的煤炭的消耗，可以有效地降低能耗和排放，符合國家節能環保的產業政策，為汽車零部件輕量化指明了方向。