重型牽引車復(fù)合材料板簧的開發(fā)與驗(yàn)證

楊 昂,孫 營，吳曉明,司先軍,司立新，丁冉冉,胡 娟

(集瑞聯(lián)合重工有限公司汽車工程研究院，蕪湖 241080)

?

2015208

重型牽引車復(fù)合材料板簧的開發(fā)與驗(yàn)證

楊 昂,孫 營，吳曉明,司先軍,司立新，丁冉冉,胡 娟

(集瑞聯(lián)合重工有限公司汽車工程研究院，蕪湖 241080)

基于集瑞某款輕量化牽引車的復(fù)合材料板簧(FRP)開發(fā)工作，分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能計(jì)算、CAE分析、零部件試驗(yàn)和整車搭載試驗(yàn)等方面介紹了該車復(fù)合材料板簧的開發(fā)和驗(yàn)證過程。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：同等剛度條件下，復(fù)合材料板簧的質(zhì)量比傳統(tǒng)鋼板彈簧減輕60%以上，疲勞壽命提高2倍以上，達(dá)到了新產(chǎn)品開發(fā)的預(yù)期目標(biāo)。

復(fù)合材料；板簧；設(shè)計(jì)驗(yàn)證；輕量化

前言

為適應(yīng)節(jié)能減排的需求，汽車輕量化研發(fā)已形成一種潮流，特別是新材料、新工藝的運(yùn)用越來越得到設(shè)計(jì)師的青睞。以集瑞6×4牽引車為例，汽車鋼板彈簧約占整車總質(zhì)量的4.5%～6.8%，且在原材料生產(chǎn)和產(chǎn)品加工過程中須消耗大量煤炭等非可再生資源；而復(fù)合材料的比重還不到鋼材的30%。

本文中基于集瑞某款輕量化牽引車的開發(fā)，介紹了復(fù)合材料板簧開發(fā)的全過程，主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樣件性能試驗(yàn)和整車試驗(yàn)驗(yàn)證幾個方面進(jìn)行闡述。

1 復(fù)合材料板簧的設(shè)計(jì)

1.1 總體布置方案

為方便后續(xù)整車性能和可靠性試驗(yàn)的開展，復(fù)合材料板簧在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，充分考慮了與傳統(tǒng)鋼板彈簧的通用性和互換性；同時(shí)為確保復(fù)合材料板簧的高可靠性和輕量化，經(jīng)過與傳統(tǒng)鋼板彈簧對比，結(jié)合試制樣件的摸底試驗(yàn)，制定了重型牽引車復(fù)合材料板簧性能參數(shù)，相關(guān)對比數(shù)據(jù)見表1。

鋼板彈簧與復(fù)合材料板簧的整車布置示意圖分別如圖1和圖2所示。為快速實(shí)現(xiàn)整車搭載試驗(yàn)，同時(shí)考慮傳統(tǒng)板簧與復(fù)合材料板簧轉(zhuǎn)換的方便性，在整車布置時(shí)，統(tǒng)一了接口尺寸。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合材料板簧主要部件由板簧本體、板簧吊耳和托臂等組成，如圖3所示。

復(fù)合材料板簧本體設(shè)計(jì)：根據(jù)承載和安裝接口尺寸要求，采用等應(yīng)力梁原理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化；通過多輪CAE對比分析，最終選定為雙面增強(qiáng)型的截面方案。

板簧吊耳設(shè)計(jì)：為保證通用性，吊耳襯套借用現(xiàn)有規(guī)格產(chǎn)品，吊耳采用鑄造工藝，吊耳與板簧的連接采用絞制孔螺栓螺母連接，螺栓與孔配合采用h8/H8,同時(shí)板簧與吊耳之間采用粘合膠加強(qiáng)連接。

托臂設(shè)計(jì)：為保護(hù)復(fù)合材料板簧本體，降低板簧與車橋之間的接觸磨損，板簧與車橋之間增加板簧托臂結(jié)構(gòu)，同時(shí)托臂與板簧間采用橡膠墊片減振抗磨。

復(fù)合材料板簧本體試裝完成后，與吊耳進(jìn)行組裝，組裝樣件實(shí)物圖見圖4。

2 復(fù)合材料板簧CAE分析

復(fù)合材料參數(shù)見表2,CAE分析邊界條件為：約束狀況為中間平直段固定，也即板簧的前后兩段各相當(dāng)于一懸臂梁。滿載驗(yàn)證載荷為F=41500N；自由弧高為114mm；動載系數(shù)為2；其約束與加載方式如圖5所示。

表2 復(fù)合材料參數(shù)

按3種加載方式進(jìn)行分析：(1)滿載時(shí)加載方式見圖5(a)，分析結(jié)果復(fù)合材料板簧撓度為122.6mm，計(jì)算剛度為41500N/122.6mm=338.5N/mm，符合剛度要求。撓度和應(yīng)力云圖見圖6和圖7；(2)垂向滿載，水平方向供施加2倍垂向滿載負(fù)荷，見圖5(b)，板簧撓度與應(yīng)力分布見圖8和圖9；(3)滿載緊急制動工況，即垂向滿載，水平方向共施加3倍垂向滿載負(fù)荷，見圖5(c)，板簧撓度與應(yīng)力分布見圖10和圖11，復(fù)合材料板簧S變形明顯，最大應(yīng)力為166.8MPa,彈簧處于安全狀態(tài)。

CAE分析結(jié)果與理論計(jì)算剛度基本吻合，同時(shí)模擬車輛運(yùn)行過程中的典型工況，復(fù)合材料板簧均滿足性能要求。

3 復(fù)合材料板簧的試制

復(fù)合材料板簧采用層壓工藝進(jìn)行試制，是一個在加熱的金屬模具中進(jìn)行預(yù)浸漬料的模壓過程。將預(yù)浸漬料切成專用形狀并放進(jìn)模具中進(jìn)行加溫加壓成型，形狀可以用多片預(yù)混料組成的預(yù)片板，通過預(yù)設(shè)定切割和疊放實(shí)現(xiàn)，主要工序?yàn)椴们?、模壓、脫模、后處理和總成裝配。

復(fù)合材料板簧在生產(chǎn)過程中，容易導(dǎo)致兩方面缺陷：原材料存放問題和生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性問題。

(1) 原材料存放環(huán)境和周期：原材料正常情況下應(yīng)在-5℃左右的冰柜內(nèi)存放，使用前兩天取出，在20℃的環(huán)境下解凍48h后使用；如果儲存不當(dāng)，引起部分固化，會導(dǎo)致樣件制備過程中高分子樹脂的固化速度不一致，內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，在使用過程中容易出現(xiàn)裂紋。

(2) 工藝穩(wěn)定性：在產(chǎn)品的制備過程中，當(dāng)入模過程把握不好時(shí)，會產(chǎn)生邊緣部分的纖維打折缺陷，然后在后處理(飛邊切割與打磨)過程中會產(chǎn)生一些微小裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致板簧使用過程中微小裂紋擴(kuò)展而引起產(chǎn)品損傷，直到破壞。

4 復(fù)合材料板簧試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 復(fù)合材料板簧零部件臺架驗(yàn)證

根據(jù)鋼板彈簧和高分子材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對樣件進(jìn)行零部件驗(yàn)證，根據(jù)復(fù)合材料特性，制定了集瑞公司關(guān)于復(fù)合材料板簧試驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)范，見表3。

表3 復(fù)合材料板簧試驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)范

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，高分子材料板簧的試制樣件的永久變形檢測、剛度測試、最大承載力檢測和疲勞試驗(yàn)均符合設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)零部件開發(fā)驗(yàn)證計(jì)劃，結(jié)合鋼板彈簧的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提出了《復(fù)合材料板簧的疲勞試驗(yàn)規(guī)范》，并嚴(yán)格按照該規(guī)范對3組試制樣件進(jìn)行性能和疲勞試驗(yàn)，見圖12和圖13。

復(fù)合材料板簧完成疲勞試驗(yàn)后，繼續(xù)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，故障模式見圖14，板簧下部出現(xiàn)縱向分層裂紋，驗(yàn)證了復(fù)合材料板簧的“安全斷裂”特性。

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，對復(fù)合材料板簧的靜態(tài)剛度、垂向疲勞、垂向極限載荷和垂向破壞載荷等關(guān)鍵特性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果見表4。

表4 復(fù)合材料板簧試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

4.2 復(fù)合材料板簧整車匹配試驗(yàn)驗(yàn)證

4.2.1 整車匹配試驗(yàn)對比

根據(jù)常規(guī)鋼板彈簧更換復(fù)合材料板簧后可能引起的整車性能變化，組織主觀評價(jià)和客觀測量。復(fù)合材料板簧舒適性主觀評價(jià)結(jié)果見圖15。

復(fù)合材料板簧在綜合壞路上行駛，高頻振動(如小鵝卵石路面、搓衣板路面)感覺較好，但在大沖擊路面(減速坎路面、坑洼路面)，起伏衰減較差。操穩(wěn)性主觀評價(jià)結(jié)果見圖16。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，傳統(tǒng)鋼板彈簧更換為復(fù)合材料板簧后，阻尼衰減效果降低，須重新調(diào)校減振器參數(shù)。

4.2.2 整車可靠性搭載試驗(yàn)

在2臺整車上進(jìn)行復(fù)合材料整車搭載試驗(yàn)，累計(jì)完成3萬km的綜合壞路試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，對4根板簧進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)板簧剛性接觸作用的橡膠軟墊有一定程度向外擠出(見圖17，后續(xù)優(yōu)化過程中已有改進(jìn)方案)；經(jīng)檢測，試驗(yàn)后板簧本體沒有任何損壞，性能參數(shù)符合設(shè)計(jì)定義。整車搭載試驗(yàn)完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

通過對復(fù)合材料板簧的開發(fā)，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和驗(yàn)證工作，結(jié)果表明，復(fù)合材料板簧相對傳統(tǒng)鋼板彈簧，在輕量化、零部件可靠性和整車性能等方面優(yōu)勢明顯。復(fù)合材料板簧疲勞壽命高，超過鋼制多片板簧約2倍以上，降低了用戶的使用和維護(hù)成本，同時(shí)其具有“安全斷裂”特性，提高了車輛的可靠性。

采用復(fù)合材料板簧，可以大量降低鋼材在生產(chǎn)和加工過程中煤炭等非可再生資源的消耗，同時(shí)降低了排放和能耗,符合國家節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)業(yè)政策,為汽車輕量化工作提供了一個很好的方向。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

[2] 謝鳴久.復(fù)合材料連接手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,1994.

[3] 邊文鳳,李未.復(fù)合材料板簧副簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006(9):29-31.

[4] 楊宗孟.汽車鋼板彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].汽車技術(shù),1979(1):12-28.

[5] 王國榮,武衛(wèi)莉,谷萬里.復(fù)合材料概論 [M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[6] 郭紅,周曉偉,張恒.復(fù)合材料板簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其應(yīng)力場分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),1996,13(4):64-69.

首屆汽車空氣動力學(xué)研討會成功舉辦

2015年9月7～8日，由中國汽車工程學(xué)會主辦，吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院承辦的“首屆汽車空氣動力學(xué)研討會”在吉林大學(xué)南嶺校區(qū)成功舉辦。這是汽車空氣動力學(xué)行業(yè)的一次專業(yè)交流盛會，適應(yīng)了國家節(jié)能低碳汽車的發(fā)展需求，促進(jìn)了專業(yè)人才培養(yǎng)與行業(yè)的發(fā)展。

研討會邀請到了行業(yè)眾多精英，包括同濟(jì)大學(xué)國家“千人計(jì)劃”特聘專家楊志剛、吉林大學(xué)國家“千人計(jì)劃”特聘專家馬芳武、一汽集團(tuán)技術(shù)中心技術(shù)總監(jiān)孫少云、中國空氣動力研究與發(fā)展中心副總工程師王勛年、吉利汽車工程院資深總工/副院長門永新、日本大阪大學(xué)梶島岳夫等著名空氣動力學(xué)專家學(xué)者以及來自吉林大學(xué)、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、湖南大學(xué)、西南交通大學(xué)、中國空氣動力研究與發(fā)展中心、中汽中心、中國汽研、一汽集團(tuán)、東風(fēng)汽車、上汽、北汽、廣汽、吉利汽車、FEA ONLINE、EXA、Altair、CD-adapco等高校、研究單位、企業(yè)參會代表120余人。

本次研討會以“節(jié)能低碳汽車中的空氣動力學(xué)”為主題，圍繞“汽車空氣動力學(xué)開發(fā)的先進(jìn)理念”、“空氣動力學(xué)在汽車開發(fā)中的應(yīng)用及專業(yè)人才的培養(yǎng)”等內(nèi)容展開。本次研討會匯集了知名高校和研究機(jī)構(gòu)、行業(yè)組織、整車企業(yè)與相關(guān)軟件公司以及在空氣動力學(xué)領(lǐng)域有影響力的專家、學(xué)者共同參會并參與研討，實(shí)現(xiàn)本次研討會演講嘉賓多元化以及參會代表的多元化，有利于各方加深交流和了解，為大家搭建了交流的平臺，受到參會代表的肯定。

節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖課題啟動會在京成功召開

2015年9月11日上午，節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖研究課題啟動會在京成功召開。會議由中國汽車工程學(xué)會常務(wù)副理事長兼秘書長張進(jìn)華主持，工信部裝備司瞿國春副巡視員，工信部裝備司汽車處佘偉珍處長、中國汽車工程學(xué)會付于武理事長、清華大學(xué)汽車工程系歐陽明高教授、科技部電動汽車重大專項(xiàng)特聘專家王秉剛、中國汽車工程研究院有限公司李開國總經(jīng)理、中國汽車工業(yè)協(xié)會許艷華副秘書長、中國汽車技術(shù)研究中心吳志新副主任、清華大學(xué)汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院趙福全院長、東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心方馳主任，以及來自行業(yè)組織、高校、科研機(jī)構(gòu)及相關(guān)企業(yè)的超過150位專家參加了本次啟動會。

首次汽車輕量化技術(shù)沙龍?jiān)谥貞c舉辦

由汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟(以下簡稱“聯(lián)盟”)舉辦的“首次汽車輕量化技術(shù)沙龍”于2015年9月16日在重慶成功舉辦。來自一汽、東風(fēng)、上汽、長安、北汽、廣汽、奇瑞、吉利、華晨、江淮、江鈴、通用汽車中國、奇瑞捷豹路虎、東風(fēng)日產(chǎn)等14家整車企業(yè)的代表以及聯(lián)盟秘書處的30余人參加，聯(lián)盟秘書長張寧、專家委主任王登峰出席會議。

本屆沙龍以“面向‘十三五’的汽車企業(yè)輕量化規(guī)劃與實(shí)施難點(diǎn)”為主題，就企業(yè)輕量化規(guī)劃和落實(shí)中面臨的諸多問題進(jìn)行了深入討論，分享了成功的經(jīng)驗(yàn)，提出了在工作流程、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、技術(shù)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建、行業(yè)信息和數(shù)據(jù)共性等方面面臨的問題。根據(jù)與會代表提出的建議，聯(lián)盟秘書處整理出20多項(xiàng)工作建議，并將在后期的工作中逐項(xiàng)落實(shí)。

Development and Verification of the Composite Leaf Spring for a Heavy Tractor

Yang Ang, Sun Ying, Wu Xiaoming, Si Xianjun, Si Lixin, Ding Ranran & Hu Juan

AERI,C&CTrucksCo.,Ltd.,Wuhu241080

Based on the development work of the composite (FRP) leaf spring of a Jirui lightweight tractor, the whole process of its development and verification is presented from the aspects of structural design, performance calculation, CAE analysis, component test and vehicle test. The test results show that under the condition of equal stiffness, the mass and the fatigue life of composite spring is over 60% less than and over three times as long as that of traditional steel leaf spring respectively, achieving the expected goal of new product development.

composite materials; leaf spring; design verification; lightweighting

原稿收到日期為2015年7月2日，修改稿收到日期為2015年8月4日。