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(jīng)濟的快速復蘇，城區(qū)內(nèi)貨物配送變得越來越頻繁，同時農(nóng)村城市化進程加快，汽車下鄉(xiāng)、以舊換新等多項扶持政策的實施，農(nóng)村輕卡市場需求也受到極大刺激。城市物流市場和農(nóng)村運輸市場的蓬勃發(fā)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(guī)等政策的陸續(xù)出臺，國家對于汽車行業(yè)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(yè)競爭高地和重要發(fā)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(zhì)量，進而提高汽車綜合性能，實現(xiàn)低碳綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展[3-4]，故研究商用輕卡輕量化，具有顯著的經(jīng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，并實車采集了襄陽試驗場的道路加速度數(shù)據(jù)，結(jié)合ABAQUS軟件，對玻璃纖維前后板簧進行了CAE結(jié)構(gòu)強度分析，結(jié)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(xiàn)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

玻璃纖維復合材料，是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，它是以葉臘石等礦石為原料,經(jīng)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(huán)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(zhì)板簧，具有重量輕、彈性模量低、更安全舒適等優(yōu)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(tǒng)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(gòu)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(zhì)量為標載。參考鋼板簧結(jié)構(gòu)，上端采用鋼板彈簧，下端采用玻璃纖維材質(zhì)板簧，由彈簧夾和中心螺栓建立連接關系，構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yè)內(nèi)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(fā)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(zhì)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)測試結(jié)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(jié)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(jù)襄陽試驗場實車加速度激勵數(shù)據(jù)，對玻璃纖維前后板簧進行了CAE強度分析，分析結(jié)果如圖6和圖7。

圖6 玻璃纖維前板簧CAE強度分析結(jié)果

圖7 玻璃纖維后板簧CAE強度分析結(jié)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，并實車采集了襄陽試驗場的道路加速度數(shù)據(jù)，結(jié)合ABAQUS軟件，對玻璃纖維前后板簧進行了CAE結(jié)構(gòu)強度分析，結(jié)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(xiàn)減重35 kg，效果顯著。