復合材料板簧在汽車上的應用

劉慧 楊鎖望 王曉地 范曉軒 劉雷雷 周震華

節(jié)能減排給予汽車工業(yè)和研發(fā)人員持續(xù)的挑戰(zhàn)，減輕汽車質(zhì)量對汽車的發(fā)展具有重要的意義。2012年國務院頒布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》指出，到2020年，當年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0L/100km。減輕汽車自重，不僅可以降低對原材料的消耗，降低成本，還可以極大地節(jié)能減排，同時提高汽車的動力性能。汽車的輕量化設計已成為當今汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要研究方向。

現(xiàn)代汽車底盤彈簧的分類主要包括鋼制螺旋彈簧和鋼板彈簧。家用汽車主要以螺旋彈簧為主，而卡車、廂式貨車等重型汽車主要使用鋼板彈簧。近年來，由于復合材料技術的發(fā)展，玻纖增強型復合材料板簧發(fā)展成為應用在汽車懸架上的新型輕量化解決方案，其在汽車上的應用主要分縱置和橫置2種結(jié)構(gòu)形式。縱置板簧多用于貨車上，結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼板彈簧相似;橫置板簧多用于汽車，對懸架布置影響較大;材料上，由于玻纖增強型板簧材料的各向異性特點，對設計校核也提出了新的挑戰(zhàn)。本文簡述了復合材料板簧的應用現(xiàn)狀和工藝過程，并以玻纖增強型復合材料板簧為例研究其在汽車上的應用方法和原理，為該技術的研究和應用提供參考。

1復合材料板簧的應用發(fā)展、材料和工藝

1.1復合材料板簧的發(fā)展歷程

意識到復合材料板簧所能帶來的優(yōu)異性能，越來越多的廠商競相研制并取得了一定的成果。目前，傳統(tǒng)的鋼制板簧正逐漸被復合材料板簧取代。這一發(fā)展大體經(jīng)歷了3個階段。

第1階段是1970年以前，為原理性實驗探索階段。這期間，有大量的應用理論分析文章和階段性研制報告被發(fā)表。

第2階段是1980年以前，為實用化研制階段。伴隨塑料工業(yè)的發(fā)展，這期間纖維增強塑料（Fibergla ss Reinfo rcedPlastics，F(xiàn)RP）研制成功，這種材料不僅耐溫、耐磨，而且價格合適。同時，汽車市場正向小型化和輕型化方向發(fā)展，特別是第2次石油危機以后，為了減輕汽車自重、降降油耗，汽車廠商積極投入復合材料板簧的研制，促進了復合材料板簧從理論向?qū)嶋H應用的發(fā)展，并成功美國實現(xiàn)FRP板簧在投入應用。

第3階段是1980年至今，為實際應用和穩(wěn)定發(fā)展階段。復合材料板簧正式投入商業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應用于重型卡車和牽引車上。

1.2復合材料板簧的材料和工藝

復合材料板簧主要采用熱固性塑料，尤其是熱固性纖維增強塑料，同時也會少量采用熱塑性塑料。復合材料板簧的增強材料主要是玻璃纖維，也有碳纖維，基體材料為環(huán)氧樹脂、聚氨酯等。

復合材料板簧的成型工藝主要有RTM、纏繞、模壓等。纏繞成型工藝具有強度高、疲勞性能好、工藝過程便于控制和生產(chǎn)效率高的特點，但也存在層間結(jié)合力不強、易劈裂的問題;RTM工藝既可以生產(chǎn)等截面板簧，也可以生產(chǎn)變截面板簧;模壓成型適合等寬形狀板簧的設備，隨著技術的發(fā)展，目前也可以應用于變截面板簧。

2復合材料板簧的結(jié)構(gòu)形式

復合材料板簧在汽車上的應用主要分縱置和橫置2種結(jié)構(gòu)形式。

2.1縱置復合材料板簧

同傳統(tǒng)鋼板彈簧相比，縱置復合材料板簧在車輛上的布置基本一致，常采用3點連接，即2個外點連接車身，中問點連接車橋，圖1所示為縱置板簧布置示意圖。復合材料板簧可在不更改車輛接口的情況下，直接等效替代傳統(tǒng)鋼板彈簧，實現(xiàn)輕量化。

結(jié)構(gòu)上，有別于傳統(tǒng)多片式鋼板彈簧，復合材料板簧常常采用單片式，但是對于某些重載車型，也有復合材料板簧和鋼板彈簧疊加的復合設計。通過不同的結(jié)構(gòu)設計，復合材料板簧可分為線性剛度板簧（圖2）和漸進剛度板簧（圖3）。

線性剛度板簧結(jié)構(gòu)簡單，是傳統(tǒng)鋼板彈簧的等效替代，在與車身連接上也需要連桿釋放自由度。漸進剛度板簧的剛度隨載荷增加而逐漸變大，相對于傳統(tǒng)多片板簧的階躍式剛度變化，復合材料板簧的漸進過程更加連續(xù)，表現(xiàn)在剛度曲線上是相對更平滑過渡的曲線，能夠使得懸架的偏頻維持穩(wěn)定，提高了車輛舒適性。

2.2橫置復合材料板簧

典型的復合材料板簧，如玻纖增強型復合材料板簧在汽車上多為橫向布置，采用4點連接的方式，內(nèi)側(cè)通過襯套與后副車架或車身連接，外側(cè)通過襯套、球頭或吊耳等與連桿或轉(zhuǎn)向節(jié)連接在一起（如圖4所示）。

和汽車上傳統(tǒng)螺旋彈簧一樣，橫置玻纖增強型復合材料板簧需要支撐簧上質(zhì)量，提供合適的懸架偏頻，在車輛側(cè)傾時，提供側(cè)傾剛度。在汽車上，彈簧和穩(wěn)定桿常常匹配使用，穩(wěn)定桿能夠在車輛側(cè)傾時提供額外的側(cè)傾剛度。因此，在結(jié)構(gòu)設計上根據(jù)是否兼顧穩(wěn)定桿的作用，橫置玻纖增強型復合材料板簧可分為等壁厚和變壁厚2種形式。

目前市場上已經(jīng)量產(chǎn)的通用克爾維特和沃爾沃（VOLVO）全新xC60的玻纖板簧均屬于等壁厚板簧，并未兼顧穩(wěn)定桿的作用。如果需要橫置板簧兼顧穩(wěn)定桿的作用，就需要板簧兩端，反向運動的剛度要大于同向運動的剛度，即車輛側(cè)傾時的剛度要大于車輛受垂向沖擊時的剛度，這一需求可以通過設計變壁厚板簧來實現(xiàn)。板簧內(nèi)側(cè)壁厚的增減，能夠影響板簧異向剛度和同向剛度的比值，內(nèi)側(cè)越薄，比值越大（詳見圖5所示）。通過虛擬仿真計算，設計合適的壁厚比，橫置板簧能達到兼顧穩(wěn)定桿的作用。

3復合材料板簧的虛擬分析與驗證

3.1復合材料板簧虛擬分析

從應用方面考慮，復合材料板簧材料的性能要求重點是：①變形能V值要大，或者說彈簧模量E值要小;②強度和耐久性要好，尤其是耐久壽命。

玻纖增強型材料的楊氏模量大約為45GPa，遠小于彈簧鋼，V值大于一般金屬，可與螺旋彈簧結(jié)構(gòu)相比。

分析剛度時，需同時考慮襯套對系統(tǒng)剛度的影響，尤其是橫置板簧，襯套的剛度和約束方式對系統(tǒng)剛度和板簧應力分析都有較大影響。圖6所示為帶襯套約束下的分析結(jié)果。

有異于金屬疲勞損傷累計理論，復合材料板簧的疲勞判別常采用應力或者應變評估法，根據(jù)整車動力學分解獲得的載荷，進行不同工況的加載，計算得到對應工況下的應力或者應變，預測相應的疲勞壽命。

同時，因玻纖增強型復合材料板簧的材料各向異性，需要考慮90度方向的應力應變對疲勞壽命的影響。圖7所示為耐久工況應力分布示意圖。

3.2復合材料板簧驗證

復合材料板簧的試驗包括常溫耐久試驗、低溫耐久試驗和高溫高濕耐久試驗等。根據(jù)板簧在車輛上的受力特性，設計臺架及加載方式，常常采用高、中和低多級載荷循環(huán)加載的方式。對于橫置板簧，還需要考慮同步加載、異步加載，單向加載、雙向加載。圖8所示為4點連接的一種加載示意圖。復合材料板簧的耐久性能要優(yōu)于鋼板彈簧，具體依據(jù)設計結(jié)構(gòu)不同而耐久性能有差異。

4復合材料板簧的性能優(yōu)勢

具體來說，復合材料板簧具有以下8方面的優(yōu)勢;

第一，減重效果明顯。通常來講，復合材料板簧的應用可以大大減輕簧下質(zhì)量，節(jié)省油耗。對于一些重型貨車，意味著可以裝更多的貨物，省更多的油。對于電動汽車來講，則是提高了續(xù)航里程，這與提高電池能量密度所增強的續(xù)航效果同樣珍貴。

第二，可改善整車的振動、噪聲和不平順性（NVH）特性。傳統(tǒng)的鋼板彈簧由于簧片之間的摩擦力，會產(chǎn)生一定的異響。而對于復合材料板簧，是作為一個整體模壓而成，因此不會存在異響問題。此外，復合材料自帶的阻尼特性，也可以加快振動的衰減，為乘客提供良好的乘坐舒適性。

第三，改善整車操縱穩(wěn)定性。作為簧下質(zhì)量的一部分，復合材料板簧的應用可明顯減少簧下質(zhì)量，不僅能降低底盤零件受力，也可大大提高操縱響應，提高整車的操縱穩(wěn)定性。同時，還可以通過變截面設計，設計出比一般的螺旋彈簧更豐富的變剛度特性，給操縱穩(wěn)定性更多的可調(diào)空間。

第四，良好的耐久性。通常鋼板彈簧的疲勞壽命約為10萬次。試驗結(jié)果表明，通過合理的結(jié)構(gòu)設計，復合材料板簧的壽命可達50萬次左右。

第五，斷裂安全性。斷裂安全性是復合材料板簧特有的優(yōu)點。所說的斷裂安全性是指在過載時，復合材料板簧將沿其長度方向分層開裂，剛度降低，但即便如此仍能保持車輛底盤姿態(tài)不變，讓汽車可以行駛到維修店。同時剛度降低所帶來駕乘體驗的變化也會提醒駕駛員及時修理，避免突然出現(xiàn)問題。

第六，防腐性能。傳統(tǒng)的螺旋彈簧和穩(wěn)定桿需要在表面有1層或2層靜電噴粉涂層來防腐。而復合材料板簧所用主要原材料為碳纖、玻纖、環(huán)氧樹脂、聚氨酯等耐腐蝕的材料，因此在防腐性能上有非常優(yōu)異的表現(xiàn)。

第七，空間優(yōu)勢。螺旋彈簧設計中為了保證運動過程中垂向不碰圈，要求較大的垂向空間，常常會影響車內(nèi)空間布置;且由于較大的徑向包絡，往往妥協(xié)于較大的杠桿比。橫置板簧釋放了簧下質(zhì)量對空間的需求，使得懸架剛度更合理，釋放更大車內(nèi)空間。而兼顧穩(wěn)定桿的橫置板簧，則避免了傳統(tǒng)穩(wěn)定桿走線復雜，易干涉的問題。

第八，成本。因橫置復合材料板簧通過自身優(yōu)化設計兼顧了穩(wěn)定桿功能，簡化了懸架結(jié)構(gòu)，使得車輛總體成本有下降可能。

5展望

隨著國家法規(guī)要求以及國內(nèi)新能源汽車的發(fā)展，輕量化設計已成為汽車發(fā)展的大趨勢。復合材料板簧在性能和空問布置上都有獨特的優(yōu)勢，因此具有很廣闊的市場前景。目前國內(nèi)外很多零部件供應商和整車廠都投入資源研究復合材料板簧的設計和應用，并已逐漸在部分車型上推廣，尤其在汽車上的應用越來越多。相信在不遠的將來，復合材料板簧會逐漸成為車輛常規(guī)配置而廣泛應用在汽車上。