主副式復(fù)合材料板彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證

高蕊

摘 要：根據(jù)板簧的應(yīng)用情況來(lái)看，身為汽車懸架系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于汽車運(yùn)行時(shí)的平順性、舒適性以及整車的操作平穩(wěn)性有著十分重要的作用。根據(jù)傳統(tǒng)車輛懸架中板簧的應(yīng)用情況來(lái)看，該構(gòu)件都是由彈簧鋼加工而成，因此板簧自身重量較大。在現(xiàn)代車輛制造業(yè)不斷發(fā)展過(guò)程中，輕量化的車型愈發(fā)受到人民群眾的喜愛，因此降低板簧的重量勢(shì)在必行。復(fù)合材料的應(yīng)用，改善了傳統(tǒng)板簧的重量問(wèn)題，在板簧實(shí)現(xiàn)輕量化的過(guò)程中具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要內(nèi)容探究了主副式復(fù)合材料板簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主副式板簧 性能驗(yàn)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(dāng)前汽車輕量化發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)汽車懸架中的板簧構(gòu)件逐漸從多片簧向少片金屬板簧演變。根據(jù)現(xiàn)階段金屬板彈簧結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況來(lái)看，存在有噪聲小、質(zhì)量小、片間摩擦小等特點(diǎn)，改變了傳統(tǒng)板簧的不足。想要在保障汽車穩(wěn)定性、安全性的基礎(chǔ)上，對(duì)板簧結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，還需要從板簧材料入手，復(fù)合材料的應(yīng)用促使板簧結(jié)構(gòu)進(jìn)一步朝向輕量化的方向邁進(jìn)，為汽車制造業(yè)實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2 主副式復(fù)合材料板彈簧的特點(diǎn)

2.1 輕量化

根據(jù)主副式復(fù)合材料板簧的應(yīng)用情況來(lái)看，該材料板簧相較于傳統(tǒng)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(fù)合材料板簧在應(yīng)用過(guò)程中，安全斷裂方式提高了板簧的應(yīng)用可靠性。復(fù)合材料板簧的失效模式為沿著彈簧的長(zhǎng)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(jié)構(gòu)雖然已經(jīng)被破壞，剛度有所降低，但是仍舊會(huì)保持基本形狀。這樣一來(lái)車輛的車軸會(huì)始終保持原位，確保車輛正常行駛[1]。

2.3 壽命長(zhǎng)

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，復(fù)合材料板簧結(jié)構(gòu)的應(yīng)用時(shí)間最高能夠達(dá)到鋼制多片簧的2～10倍，通常情況下，該結(jié)構(gòu)板簧的使用壽命在30萬(wàn)次以上。

2.4 噪音小

因?yàn)閺?fù)合材料板簧的自身阻尼較大，因此在各種工況下，該構(gòu)件在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪音較小，能夠有效減少對(duì)周邊環(huán)境帶來(lái)的污染，改善汽車運(yùn)行環(huán)境，提高用戶的乘坐體驗(yàn)。

3 主副式復(fù)合材料板簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在主副式復(fù)合材料板簧當(dāng)中存在有膠結(jié)的金屬板，膠結(jié)方式不僅簡(jiǎn)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(huì)通過(guò)鉚釘直接固定在復(fù)合材料上。最后，復(fù)合材料板簧在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)通過(guò)中心螺栓與第一片金屬板簧固定在一起。

復(fù)合材料板簧在應(yīng)用過(guò)程中，一般情況下，第一片與第二片之間的承受力為疊加關(guān)系，工作人員想要優(yōu)化板簧結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)兩片之間的承載載荷情況，計(jì)算出板簧中不同片的剛度。在此過(guò)程中，按照承載2/3來(lái)計(jì)算復(fù)合材料板簧承載量時(shí)，設(shè)負(fù)荷材料的板簧片短端為p11=2/3P1，板簧片長(zhǎng)端為p12=2/3P2。此時(shí)如果設(shè)板簧結(jié)構(gòu)的左端為短端，那么在板簧結(jié)構(gòu)中，任一x截面的力矩我Mx=-9121x（0≤x≤0.718），-7213（0.718≤x≤1.626）。根據(jù)上述公式以及內(nèi)力矩Mx的計(jì)算最終可以算出板簧應(yīng)力[2]。進(jìn)過(guò)校驗(yàn)后確定板簧應(yīng)力符合相關(guān)應(yīng)用要求，有關(guān)主副式復(fù)合材料板簧力學(xué)性能參數(shù)如下表1所示。

在該主副式復(fù)合材料板簧當(dāng)中，我們可以將其看做一個(gè)各向同性面的正交各向異形體。在板簧應(yīng)用過(guò)程中，我們?nèi)绻僭O(shè)垂直于纖維方向的平面為同性面，那么當(dāng)X、Y坐標(biāo)軸相互輪換時(shí)，那么板簧運(yùn)行時(shí)的密度始終保持不變[3]。

4 主副式復(fù)合材料板簧性能試驗(yàn)

根據(jù)當(dāng)前我國(guó)主、副式復(fù)合材料板簧的應(yīng)用情況來(lái)看，該板簧在使用過(guò)程中能夠有效促使汽車輕量化發(fā)展，提高汽車運(yùn)行可靠性與安全性。筆者結(jié)合自身多年經(jīng)驗(yàn)，開展了有關(guān)主副式復(fù)合材料板簧特性試驗(yàn)。

4.1 垂直載荷下的板簧永久變形試驗(yàn)

4.1.1 支承方法與夾持方法

根據(jù)我國(guó)出臺(tái)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/ZZ 11005-2014要求，在對(duì)帶有卷耳的彈簧開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(jié)構(gòu)彈簧要按照產(chǎn)品圖紙開展實(shí)驗(yàn)。在此過(guò)程中，工作人員一定要嚴(yán)格按照板簧結(jié)構(gòu)圖紙中的規(guī)定，保證夾持效果能夠與裝車效果一致。

4.1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)時(shí)，工作人員需要結(jié)合實(shí)際情況，在被測(cè)彈簧的各個(gè)簧片之間涂滿潤(rùn)脂膏，以便能夠減少各簧片之間的摩擦力。在驗(yàn)證板簧負(fù)荷時(shí)，要采取緩慢、連續(xù)的方式，逐漸加載、卸載彈簧，而后對(duì)該步驟進(jìn)行重復(fù)。工作人員要記錄好各簧片之間的變形量以及施加負(fù)載量的大小。如果采取逐級(jí)加載的方式，工作人員需要測(cè)量的點(diǎn)至少有八個(gè)。如果在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)任何一級(jí)的載荷量超過(guò)規(guī)定，則需要將其減至該級(jí)載荷的1/2以下，而后重新加載，直到規(guī)定值位置。當(dāng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)展到1.5倍滿載靜負(fù)荷之后，工作人員可以根據(jù)實(shí)際情況將其試驗(yàn)到驗(yàn)證負(fù)荷。而后緩慢的使彈簧卸載，在此過(guò)程中要詳細(xì)記錄有關(guān)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(yàn)

4.2.1 支承方法與夾持方法

如果該復(fù)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(jié)構(gòu)的彈簧需要根據(jù)實(shí)際裝車需求進(jìn)行支承。板簧中間的夾緊狀態(tài)需要按照實(shí)際裝車功能進(jìn)行。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

在主副式板簧材料自由狀態(tài)下對(duì)板簧開展剛度實(shí)驗(yàn)時(shí)，板簧的負(fù)荷量要控制加載塊來(lái)施加。在此需要注意的是所有加載塊的長(zhǎng)度都要小于100mm，寬度要大于板簧的片寬。在驗(yàn)證板簧剛度的過(guò)程中，要以緩慢、連續(xù)的方式開展實(shí)驗(yàn)，在加載、卸載之后重復(fù)上述步驟，計(jì)算彈簧加載量的大小。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1.5倍荷載量后結(jié)束。必要情況下工作人員可以對(duì)負(fù)荷量再次驗(yàn)證。

變形量：

在上述公式中，f代表的是主副式復(fù)合材料板簧在規(guī)定負(fù)荷下的彈性變形量。f1代表的是主副式復(fù)合材料板簧在規(guī)定負(fù)荷下的加載變形量。f2代表的是主副式復(fù)合材料板簧在規(guī)定負(fù)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(fù)合材料板簧在規(guī)定范圍內(nèi)承受負(fù)荷的實(shí)測(cè)剛度。F代表了主副式復(fù)合材料板簧的規(guī)定負(fù)荷。

5 試驗(yàn)和結(jié)果分析

在試驗(yàn)過(guò)程中將計(jì)算機(jī)與試驗(yàn)設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)連接，因此工作人員不需要對(duì)各個(gè)載荷點(diǎn)的彈簧變形量進(jìn)行人工記錄。

想要計(jì)算板簧剛度，工作人員需要在彈簧剛度曲線基礎(chǔ)上，對(duì)滿載狀態(tài)下的板簧變形量進(jìn)行計(jì)算。選擇滿載靜負(fù)荷30%處的靜負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)滿載靜負(fù)荷為28000N時(shí)，板簧的載荷分別為28000×1.3=36400N，28000×0.7=19600N。在此情況下，設(shè)板簧滿載靜負(fù)荷70%處為A點(diǎn)，130%處為B點(diǎn)。那么板簧在卸載滿載靜負(fù)荷后130%為C點(diǎn)，70%處為D點(diǎn)。完成上述工作之后，x坐標(biāo)代表的是變形量，y坐標(biāo)代表的是載荷量。經(jīng)過(guò)整理，最終可得板簧特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如下表2所示。

根據(jù)上表數(shù)值最終可得板簧理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)差距在要求的10%以內(nèi)。出現(xiàn)誤差的主要原因在于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中忽略了板簧片間的摩擦作用以及生產(chǎn)片厚度控制上的誤差。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)前人們對(duì)汽車輕量化的要求下，復(fù)合材料的板簧在應(yīng)用改變了傳統(tǒng)板簧中的不足，優(yōu)化了板簧的整體結(jié)構(gòu)。主副式復(fù)合材料板簧，相較于傳統(tǒng)板簧而言，無(wú)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)看，此類型板簧的負(fù)載力以及剛度都能夠滿足汽車正常運(yùn)行，在一定程度上說(shuō)明了該結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝的可行性，為擴(kuò)大復(fù)合材料板簧的使用范圍提供保障。

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