某新型商用車復合材料板簧輕量化研究

鄧 斌，劉文磊，王 博，黃 勤，李匯誠

（江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330010）

引言

隨著疫情后經濟的快速復蘇，城區內貨物配送變得越來越頻繁，同時農村城市化進程加快，汽車下鄉、以舊換新等多項扶持政策的實施，農村輕卡市場需求也受到極大刺激。城市物流市場和農村運輸市場的蓬勃發展為輕型卡車市場帶來了巨大機遇[1-2]。與此同時，隨著國六排放法規等政策的陸續出臺，國家對于汽車行業提出了更嚴的要求，在此背景下，汽車輕量化設計成為全行業競爭高地和重要發展方向。汽車輕量化技術，旨在保證汽車的強度、剛度和安全等性能的前提下，盡可能減輕整備質量，進而提高汽車綜合性能，實現低碳綠色環保可持續發展[3-4]，故研究商用輕卡輕量化，具有顯著的經濟價值和社會效益。

本文基于工程材料學和汽車設計理論，開展了某商用輕卡復合玻璃纖維板簧結構優化設計，并實車采集了襄陽試驗場的道路加速度數據，結合ABAQUS軟件，對玻璃纖維前后板簧進行了CAE結構強度分析，結果顯示，玻璃纖維板簧輕量化方案滿足設計目標，綜合輕量化效果實現減重35 kg，效果顯著，具有較強的市場推廣前景。

1 復合材料輕卡板簧結構優化設計

玻璃纖維復合材料，是一種性能優異的無機非金屬材料，它是以葉臘石等礦石為原料,經高溫熔制，拉絲和織布等工藝制成，如圖1，玻璃纖維通常用于復合材料的增強材料。本文基于輕量化考慮，開展了玻璃纖維板簧技術研究。玻璃纖維板簧，是以環氧樹脂為基體，以玻璃纖維為載體，通過特殊模壓工藝制成的一種復合材料輕質板簧，具有重量輕、彈性模量低、更安全舒適等優越性能，具有廣闊的應用前景。

圖1 玻璃纖維板簧

鋼板簧是輕卡懸架系統中應用廣泛的一種彈性元件，如圖2（a），它是由若干片等寬但不等長的鋼材彈簧片組成，其主要構成部件是卷耳、彈簧夾、鋼板彈簧及螺栓螺母等零部件。本文研究的輕卡車型設計質量為標載。參考鋼板簧結構，上端采用鋼板彈簧，下端采用玻璃纖維材質板簧，由彈簧夾和中心螺栓建立連接關系，構成玻璃纖維板簧輕量化方案，如圖2（b），單片玻璃纖維板簧可以減重約6.5 kg。

圖2 鋼制板簧與玻纖板簧結構對比

2 玻璃纖維板簧加速度試驗

2.1 襄陽試驗場耐久道路工況

襄陽汽車試驗場是我國汽車行業內著名的綜合性汽車試驗場地，擁有壞路、平路、山路等路面[5]。本文開發的某商用輕卡整車耐久試驗開展的是壞路和山路考核，主要包括搓板路和坑洼路等路面（圖3）。

圖3 襄陽試驗場道路路面示意圖

2.2 玻璃纖維板簧加速度采集

本文在襄陽試驗場進行了某商用輕卡玻璃纖維板簧加速度采集試驗，圖4為加速度傳感器布點位置說明，整車GVW質量5 595 kg。

圖4 加速度傳感器布點位置示意圖

2.3 玻璃纖維板簧加速度數據分析

本文在襄陽試驗場進行了四輪壞路工況采集，玻璃纖維板簧加速度數據測試結果如圖5，其中X向峰值加速度為1.1 g，Y向峰值加速度為1.9 g，Z方向最大值達到6.6 g，兼顧設計使用余量，本文輸入于玻璃纖維板簧強度分析的載荷激勵為X向3 g，Y向3 g，Z向8 g。

圖5 玻璃纖維板簧加速度測試結果

3 玻璃纖維板簧CAE強度分析

本文利用ABAQUS軟件，建立了玻璃纖維板簧CAE有限元模型，并根據襄陽試驗場實車加速度激勵數據，對玻璃纖維前后板簧進行了CAE強度分析，分析結果如圖6和圖7。

圖6 玻璃纖維前板簧CAE強度分析結果

圖7 玻璃纖維后板簧CAE強度分析結果

其中玻璃纖維前板簧X向3 g工況下的最大拉應力為584 MPa，Y向3 g工況下的最大壓應力為558 MPa，Z向8 g工況下的最大拉應力為565 MPa。玻璃纖維后板簧X向3 g工況下的最大拉應力為418 MPa，Y向3 g工況下的最大壓應力為507 MPa，Z向8 g工況下的最大拉應力為329 MPa，復合材料拉應力應<850 MPa，壓應力應<650 MPa，故本文研究的玻璃纖維板簧強度性能滿足要求。

4 玻璃纖維板簧道路試驗

本文對玻璃纖維板簧方案進行了結構設計與CAE分析后，同時開展了玻纖板簧整車道路耐久試驗考核驗證，如圖8，經過2.5個月道路耐久試驗，玻璃纖維板簧通過路試考核。

圖8 襄陽整車道路試驗場

5 結論

本文基于工程材料學和汽車設計理論，開展了某商用輕卡復合玻璃纖維板簧結構優化設計，并實車采集了襄陽試驗場的道路加速度數據，結合ABAQUS軟件，對玻璃纖維前后板簧進行了CAE結構強度分析，結果顯示，玻璃纖維板簧輕量化方案滿足設計目標，并通過了道路耐久試驗考核，綜合輕量化效果實現減重35 kg，效果顯著。