復(fù)合材料板簧在汽車輕量化發(fā)展中的應(yīng)用

高蕊

摘 要：汽車制造行業(yè)發(fā)展中，汽車輕量化是對汽車技術(shù)的創(chuàng)新與改進，對控制汽車能耗、減少汽車燃油量意義重大、復(fù)合材料板簧作為汽車的重要組成部分，其在汽車輕量化發(fā)展中有著不可替代的作用。因此，本文通過介紹汽車負(fù)荷板簧工藝，對汽車輕量化發(fā)展中復(fù)合材料板簧的具體應(yīng)用展開研究，借此在汽車材料輕量化基礎(chǔ)上，實現(xiàn)整車輕量化，推動汽車技術(shù)改革。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 板簧 汽車輕量化

Application of Composite Leaf Spring in the Development of Automobile Lightweight

Gao Rui

Abstract：In the development of the automobile manufacturing industry， automobile lightweight is an innovation and improvement of automobile technology， which is of great significance to control automobile energy consumption and reduce automobile fuel consumption. As an important part of automobile， composite leaf springs are used in the development of automobile lightweight， which plays an irreplaceable role. Therefore， this article introduces the automobile load leaf spring technology， and conducts research on the specific application of composite material leaf springs in the development of automobile lightweight development， so as to realize the lightweight of the vehicle based on the lightweight automobile material and promote the reform of automobile technology.

Key words：composite material， leaf spring， automobile lightweight

1 引言

在汽車懸架系統(tǒng)中，板簧屬于該系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)，其參數(shù)設(shè)計合理性、準(zhǔn)確性，直接應(yīng)著汽車舒適性、穩(wěn)定性。傳統(tǒng)汽車技術(shù)中，汽車懸架制造時俊輝使用彈簧鋼加工，但卻導(dǎo)致汽車整體重量較大，所以在汽車輕量化發(fā)展的今天，相關(guān)人員可通過降低復(fù)合材料板簧自重來控制整車重量。因此，深入探究復(fù)合材料板簧在汽車輕量化發(fā)展中的應(yīng)用，對實現(xiàn)汽車輕量化目標(biāo)有著重大價值。

2 復(fù)合材料板簧相關(guān)概述

板簧是汽車懸架系統(tǒng)中的重要組成部分，車用板簧通?？煞譃樯倨饘侔寤?、梯形簧、多片簧等結(jié)構(gòu)形式，其在汽車懸架系統(tǒng)中具有減少外部沖擊、確保汽車穩(wěn)定行使的作用。梯形簧是汽車懸架系統(tǒng)中應(yīng)用頻次較多，在車輛組裝、懸架系統(tǒng)設(shè)計中此種板簧結(jié)構(gòu)形式非常多見。復(fù)合材料板簧主要是指高強度、大儲能、耐腐蝕的復(fù)合材料所制作的汽車鋼板彈簧，由于該種材料同時具有衰減振動、彈性彎曲的性能，所以在汽車板簧設(shè)計中有著明顯的利用優(yōu)勢[1]。

目前，復(fù)合材料板簧的制造工藝，包括纏繞模型成型、高壓樹脂傳遞模型成型、SMC拉擠成型等，其中SMC拉擠成型工藝是以牽引力為作用力，使用模型模具固化浸潤后的纖維帶、纖維布，從而連續(xù)生產(chǎn)斷面形狀不同的復(fù)合材料板簧。纏繞模型成型工藝則是在纖維材料預(yù)浸后，將其纏繞到模具上，隨后通過合模、固化等方式，產(chǎn)生復(fù)合材料板簧，而在汽車輕量化發(fā)展中，需要大規(guī)模生產(chǎn)復(fù)合材料板簧時，相關(guān)人員則可通過高壓樹脂傳遞模型成型工藝，批量化自動生產(chǎn)復(fù)合材料板簧，滿足汽車輕量化發(fā)展基本要求。

3 汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

在我國汽車行業(yè)中，汽車輕量化發(fā)展是為響應(yīng)國家在節(jié)能環(huán)保中的相關(guān)號召，實現(xiàn)節(jié)能減排的基本目標(biāo)。在我國資源體系中，由于我國人口基數(shù)大，所以能源人均占有量較低，節(jié)能減排是我國汽車行業(yè)建設(shè)中，提高國產(chǎn)汽車品牌國際市場競爭力的主要方式，能夠幫助我國在國際市場中搶占市場份額[2]。但在汽車制造、汽車設(shè)計、汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，部分企業(yè)人以車輛低故障、車輛出勤率為汽車技術(shù)創(chuàng)新要點，未能認(rèn)識到控制汽車自重的價值。在此背景下，我國汽車輕量化技術(shù)不僅起步較晚，并且發(fā)展速度與發(fā)達國家差距明顯。比如部分自卸汽車、牽引汽車在底盤配置、懸架系統(tǒng)制造中，整體配置相同，且車體重量大。懸架系統(tǒng)作為汽車底盤區(qū)域的重要組分，由彈性元件、導(dǎo)向裝置、減振元件組成，能夠利用彈性元件的連接，緩和內(nèi)外部沖擊的作用。板簧在汽車懸架系統(tǒng)中，可憑借自身衰竭振動、導(dǎo)向性能，簡化懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有效降低汽車自重。因此，汽車輕量化發(fā)展中，相關(guān)人員可根據(jù)用戶基本要求，應(yīng)用復(fù)合材料板簧確保整車平順性，并且在控制汽車自重的基礎(chǔ)上，提高汽車舒適性。

4 復(fù)合材料板簧在汽車輕量化發(fā)展中的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用價值

復(fù)合材料板簧在汽車輕量化發(fā)展中的應(yīng)用，是利用該類板簧高強度、輕質(zhì)、模量高等使用優(yōu)勢，減輕汽車懸架系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終起到降低汽車自重的作用[3]。具體來說，相較于傳統(tǒng)鋼板彈簧，復(fù)合材料板簧的彈性較高，能夠提高汽車舒適性，并且該板簧的主要材料為纖維類復(fù)合材料，所以在使用中耐疲勞性能較強，疲勞壽命為普通板簧的8～10倍。除此之外，復(fù)合材料板簧吸振能力強，振動阻尼高，可在汽車行駛中通過自身阻尼減震性，保證整車平順性。再者，復(fù)合材板簧中包含較多獨立纖維，可形成靜不定體系，在板簧結(jié)構(gòu)中部分纖維斷裂后，汽車產(chǎn)生的荷載可自行移動至其他纖維中，避免懸架結(jié)構(gòu)承載能力受損。

4.2 具體應(yīng)用

在汽車輕量化發(fā)展中，應(yīng)用復(fù)合材料板簧時，相關(guān)人員需從復(fù)合材料板簧設(shè)計入手，分析汽車輕量化目標(biāo)實現(xiàn)期間，復(fù)合材料板簧使用的可行性方案。

第一，復(fù)合材料板簧參數(shù)計算。以汽車輕量化為目標(biāo)設(shè)計復(fù)合材料板簧時，相關(guān)人員可將其視為疊合后的層壓梁，隨后通過計算板簧各平面中的荷載力，評估復(fù)合材料板簧在汽車自重控制的實際效果[4]。

具體計算分析流程如下。首先，復(fù)合材料板簧橫向受力時，汽車行駛期間的荷載力會集中在懸架系統(tǒng)對稱面，并且在層壓梁偏移后，板簧會出現(xiàn)彎曲變形情況。其次，在與X點平行截面中，板簧中間區(qū)域Y點，會從橫向、縱向軸移動，而移動后的點可用u、z、w表示。假設(shè)縱向軸V的位移為0，橫向位移中u、w中各點移間距為常數(shù)，并且與汽車行駛中板簧在各方向的移動無關(guān)。相關(guān)人員在計算復(fù)合材料板簧荷載力時，僅需利用公式（1）、（2）計算位移區(qū)域中X點、Y點的變形情況即可。其中，公式一為U=u0-z·δW1/δX1，公式二為U=u0-z·δX1/δW1。最后，根據(jù)公式中的關(guān)系可知，、。其中kx=-δW1/δX1，ky=-δW1/δXδY，表示復(fù)合材料板簧中各層壓板在汽車行駛后，外部荷載力產(chǎn)生后的扭率、曲率。在利用以上公式計算出εx后，可知εy、εxy分別為0。相關(guān)人員可以計算復(fù)合材料板簧中第n層的板簧應(yīng)力。

第二，復(fù)合材料板簧的具體設(shè)計。汽車懸架結(jié)構(gòu)中，為確保整車重量的減輕，在應(yīng)用復(fù)合材料板簧時，可使用板簧卡箍、板簧墊塊、復(fù)合材料板簧、橡膠減磨墊組成汽車懸架系統(tǒng)。其中板簧作為該系統(tǒng)的主要應(yīng)力來源，所以需要通過復(fù)合材料板簧優(yōu)化設(shè)計，保證其整體重量符合汽車輕量化發(fā)展要求[5]。

相關(guān)人員可應(yīng)用主副式復(fù)合材料板簧這一結(jié)構(gòu)形式，并在板簧中設(shè)置輕質(zhì)金屬板時，利用膠結(jié)方式，固定板簧內(nèi)部各元件。比如板簧端部用于緩解磨損的墊子，可使用板簧專用卡箍，將其布設(shè)在復(fù)合材料板簧上，隨后使用金屬板、中心螺栓將其固定。

另外，通常情況下，復(fù)合材料板簧中各層承受力會逐層疊加，所以在汽車輕量化發(fā)展中風(fēng)，需基于汽車行駛中板簧實際承受的荷載力，梳理復(fù)合材料板簧設(shè)計中各層板簧片的數(shù)量、剛度。其中板簧片的實際計算公式分別為復(fù)合材料板簧片較短、較長的一端，其承載力分別為P短+2/3p1、p長=2、3p2。假設(shè)懸架系統(tǒng)中復(fù)合材料板簧左端為板簧片的短端，則板簧片中任何截面的力矩M為-91212x、-7231（1626-x），版簧片內(nèi)力為13680、-7215，其中力矩M中x取值為0≤x≤0.718。各設(shè)計所需參數(shù)確定無誤后，代入公式，在對該公式進行計算后，獲得復(fù)合材料板簧設(shè)計時板簧實現(xiàn)汽車輕量化的彎曲撓度，然后將其代入各層板簧片的應(yīng)力公式。

根據(jù)版簧片內(nèi)力矩M，計算出汽車輕量化發(fā)展中，復(fù)合材料板簧在應(yīng)用時，其應(yīng)力α為6800Mpa，并且通過比對板簧制造中復(fù)合材料的基本性能、校對和復(fù)合材料板簧設(shè)計數(shù)據(jù)，總結(jié)出板簧應(yīng)用中復(fù)合材料的性能參數(shù)。第一，汽車懸架系統(tǒng)中，橫向復(fù)合材料板簧的彈性模量應(yīng)該為45000Mpa。第二，縱向復(fù)合材料板簧的彈性模量應(yīng)該為65300Mpa，且板簧拉伸、伸縮強度分別為6530、1100Mpa.第三，復(fù)合材料板簧橫縱向平面中，剪切模量應(yīng)為1698Mpa，泊松比為0.366。

基于上述數(shù)據(jù)，相同人員設(shè)計出的復(fù)合材料板簧才能夠滿足汽車輕量化的要求，對凸顯復(fù)合材料板簧在我國汽車輕量化發(fā)展中的應(yīng)用價值意義重大[6]。在此期間，相關(guān)人員分析復(fù)合材料板簧使用方案可行性時，可將復(fù)合材料板簧看作具有多個同性面在正交的異形體，然后假設(shè)垂直方向的復(fù)合材料纖維帶平面為同性面，那么在復(fù)合材料板簧中各應(yīng)力點坐標(biāo)改變時，板簧本身的應(yīng)變能力不會減弱。因此，相關(guān)人員可根據(jù)各同性面、具體應(yīng)力坐標(biāo)，分析復(fù)合材料的彈性模量，并以此為依據(jù)評估板簧優(yōu)化設(shè)計方案的應(yīng)用效果，使汽車懸架系統(tǒng)在不同行駛狀態(tài)中，都能夠利用復(fù)合材料板簧衰減振動，保證車輛行駛期間的平穩(wěn)性，提高汽車行駛安全性。

5 結(jié)語

綜上所述，汽車輕量化概念的提出，為我國制造新能源汽車指明方向。復(fù)合材料板簧在汽車輕量化發(fā)展中的應(yīng)用，是為發(fā)揮板簧強度高、彈性應(yīng)變大等優(yōu)勢，進一步完善汽車懸架結(jié)構(gòu)，有效控制外部環(huán)境對汽車造成的沖擊。但在復(fù)合材料板簧的實際運用中，相關(guān)人員還應(yīng)結(jié)合板簧制造工藝、參數(shù)設(shè)計等方面入手，并利用板簧的輕量化，實現(xiàn)汽車的輕量化。

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