一種新型復(fù)合材料板簧的開發(fā)與應(yīng)用

孟令建，曹洲，王俊嬌，宋鵬成

（陜西汽車集團有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710200）

前言

為適應(yīng)社會發(fā)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(jié)能、安全、高速、長壽和環(huán)境友好的方向發(fā)展。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，樹脂基等復(fù)合材料具有比強度高、比模量大、重量輕、耐腐蝕等優(yōu)點。汽車復(fù)合材料板簧與傳統(tǒng)的鋼板彈簧相比，在重量、強度、成型工藝等方面有很大優(yōu)勢。

本文基于某款輕型純電動物流車的設(shè)計開發(fā)任務(wù)，介紹復(fù)合材料板簧的設(shè)計開發(fā)全過程，主要從結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)合材料板簧設(shè)計

1.1 懸架整體布置方案

充分考慮復(fù)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(fù)合材料板簧，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。懸架整體布置方案如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料板簧懸架布置圖

1.2 復(fù)合材料板簧設(shè)計參數(shù)

經(jīng)過與鋼板彈簧的性能數(shù)據(jù)對比，結(jié)合復(fù)合材料本身材料特性，制定復(fù)合材料板簧的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，與鋼板彈簧的數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 復(fù)合材料板簧與鋼板彈簧相關(guān)性能參數(shù)對比

1.3 復(fù)合材料板簧結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)合材料板簧主要有復(fù)合材料本體、卷耳部分、中間連接部分等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料板簧結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)鋼板彈簧的安裝尺寸與性能要求，進行復(fù)合材料板簧結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化；通過多輪CAE對比分析，最終選定為等截面的復(fù)合材料方案。板簧吊耳設(shè)計[1]：為保證通用性，吊耳襯套借用現(xiàn)有規(guī)格產(chǎn)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(fù)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(fù)合材料板簧CAE分析

2.1 復(fù)合材料板簧分析參數(shù)

結(jié)合復(fù)材料的特性，查閱相關(guān)資料確定復(fù)合材料相關(guān)CAE分析參數(shù)如表2。相關(guān)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(fù)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(shù)為2。

表2 復(fù)合材料板簧相關(guān)CAE分析參數(shù)

2.2 滿載載荷下CAE分析

根據(jù)理論計算設(shè)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(fù)合材料部分重6 kg。通過ANSYS軟件仿真分析，復(fù)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(shè)計要求，其最大應(yīng)力為271 MPa。滿載下的復(fù)合材料板簧的縱向位移圖與應(yīng)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(yīng)力云圖

2.3 極限載荷下CAE分析

為保證車輛可靠性，板簧設(shè)計時會考慮具有一定超載性。本次設(shè)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(fù)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(shè)計要求，其最大應(yīng)力為417 MPa。滿載下的復(fù)合材料板簧的縱向位移圖與應(yīng)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(yīng)力云圖

CAE分析結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致，復(fù)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(yīng)力遠小于鋼板彈簧，安全、可靠性更好。

3 復(fù)合材料板簧樣件制作

3.1 加工工藝選擇

對于復(fù)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(guī)則的橢圓形的特殊結(jié)構(gòu)，所以需要選用特定的成型工藝。目前有關(guān)復(fù)合材料板簧主要制造工藝有連續(xù)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(yōu)缺點，制作產(chǎn)品樣件時，需要根據(jù)實際產(chǎn)品情況確定合適工藝[2]。

結(jié)合各類加工工藝特點，根據(jù)實際情況，本次設(shè)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(fù)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(shè)計選擇金屬鋁作為模具材料。鋁制模具密度小，質(zhì)量輕，強度足夠高。在實際生產(chǎn)過程中能減少生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。在制作樣件時，按照設(shè)計的板簧尺寸制造模具，需要注意在模具邊緣部位預(yù)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(fù)合材料板簧本體制作。本體制作完成后與相關(guān)連接件進行裝配，得到最終樣件。

4 復(fù)合材料板簧試驗驗證

4.1 靜載測試

目前國內(nèi)對于復(fù)合材料板簧的靜載測試還沒有出臺相關(guān)標準，本次設(shè)計根據(jù)鋼板彈簧相關(guān)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(tài)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(fù)合材料板簧進行多次加載，記錄數(shù)據(jù)。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(guān)系圖。

圖9 靜載測試數(shù)據(jù)

由圖9可見，復(fù)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(jīng)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(jīng)比較可知，樣品靜載試驗得到的剛度值與CAE分析結(jié)果相差3.3%，而位移值與計算結(jié)果相差3.5%，兩者都比較接近，滿足設(shè)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(xiàn)，也從側(cè)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(fù)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(jīng)過30萬次的加載試驗，板簧外觀沒有發(fā)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(nèi)還沒有復(fù)合材料板簧疲勞測試的相關(guān)標準，所以本次設(shè)計參考鋼板彈簧的疲勞測試標準。從測試結(jié)果來看，復(fù)合材料板簧的疲勞強度遠大于鋼板彈簧的12萬次，復(fù)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(fù)合材料板簧臺架試驗驗證完成，進行整車匹配試驗，在現(xiàn)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(fù)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(fù)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(xiàn)復(fù)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(fù)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(tài)良好。經(jīng)檢測，試驗后的復(fù)合材料板簧本體無損壞，性能參數(shù)基本滿足設(shè)計要求。整車搭載試驗驗證完成，復(fù)合相關(guān)設(shè)計標準。

6 結(jié)論

復(fù)合材料和傳統(tǒng)的金屬材料相比，最大特點就是比強度高、比模量高。用復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(yōu)勢明顯。另外，復(fù)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(fù)合材料板取代傳統(tǒng)的鋼板彈簧，可以大量降低鋼材在生產(chǎn)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(jié)能環(huán)保的產(chǎn)業(yè)政策，為汽車零部件輕量化指明了方向。