周站福 潘超 宋恩章

（中國第一汽車股份有限公司 商用車開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：復(fù)合材料 板簧 設(shè)計(jì)開發(fā)

1 前言

八十年代末，復(fù)合材料板簧在美國正式投入商業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于重型卡車和牽引車上，重量僅為鋼材板簧的1/3；德國IFC Composite公司推出一種新型板簧來代替奔馳、凌特(Sprinter)、大眾Crafter車上的傳統(tǒng)鋼制板簧。該新型板簧與鋼制板簧相比，質(zhì)量減輕40～50%，僅重5.5 kg，疲勞壽命可達(dá)20萬次以上，高于金屬板簧的16萬次。復(fù)合材料板簧已經(jīng)在全球諸多主機(jī)廠商的產(chǎn)品上得到大量應(yīng)用，這些主機(jī)廠包括通用、福特、沃爾沃（圖1）、戴姆勒-克萊斯勒、依維柯、康沃斯、彼得比爾特、國際卡車公司等。

國內(nèi)在過去的二十年中，有部分院校、研究院所對復(fù)合材料板簧進(jìn)行了探索性研究。由于還沒有完全掌握復(fù)合材料板簧的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定制造技術(shù)，現(xiàn)階段還沒有主機(jī)廠量產(chǎn)的報(bào)道。目前復(fù)合材料板簧中的纖維材料主要為E-玻纖、S-玻纖、玄武巖纖維和碳纖維[1]，本文以E-玻纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料進(jìn)行板簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 復(fù)合材料板簧應(yīng)用[2]

2 復(fù)合材料板簧開發(fā)目標(biāo)

懸架系統(tǒng)是橋與車架之間的連接紐帶，其對整車的行駛平順行及操縱穩(wěn)定性有著重要的影響，同時(shí)懸架系統(tǒng)在整車的安全性方面也是不可忽視的，因此在懸架系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)中，一定要保證板簧輸入條件的準(zhǔn)確性。一般來說，板簧開發(fā)設(shè)計(jì)條件如下。

2.1 整車輸入條件

在板簧開發(fā)過成中，整車對懸架系統(tǒng)要求見表1。

2.2 懸架系統(tǒng)輸入條件

除整車要求外，懸架系統(tǒng)對板簧開發(fā)設(shè)計(jì)自身目標(biāo)制定見表2。

表1 板簧整車開發(fā)輸入?yún)?shù)表

表2 板簧開發(fā)目標(biāo)

3 復(fù)合材料板簧開發(fā)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

復(fù)合材料板簧采用單片等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，保證板簧沿軸線各截面具有相同的強(qiáng)度，以此來降低板簧重量。通過模型簡化，給定設(shè)計(jì)限定應(yīng)力，可以對板簧的厚度、應(yīng)力、位移和剛度進(jìn)行解析求解。

3.1.1 設(shè)計(jì)原則

（1）在滿足功能、性能基礎(chǔ)上，保證開發(fā)可靠性要求。

（2）采用單片式、等寬度、變厚度結(jié)構(gòu)形式。

3.1.2 開發(fā)目標(biāo)

（1）板簧重量≤17/kg

（2）自由剛度≤133/N/mm

（3）疲勞壽命≥16/萬次

（4）總成成本200元之內(nèi)

3.1.3 復(fù)合板簧材料板簧結(jié)構(gòu)

復(fù)合板簧主體主要分為3部分（圖2）：加載盒、纖維板簧、鋼制卷耳，加載盒相當(dāng)于板簧蓋板，鋼制卷耳主要與懸架系統(tǒng)支架連接，從而形成承載及導(dǎo)向元件。

圖2 復(fù)合材料板簧結(jié)構(gòu)

3.2 復(fù)合板簧設(shè)計(jì)過程

復(fù)合板簧的設(shè)計(jì)過程見圖3。

圖3 復(fù)合板簧設(shè)計(jì)過程

3.3 復(fù)合材料板簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次復(fù)合材料板簧設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)開發(fā)模式，首先從材料特性入手，根據(jù)復(fù)合材料的力學(xué)特性，考慮結(jié)構(gòu)尺寸，把制造誤差及工藝設(shè)計(jì)提前考慮到結(jié)構(gòu)開發(fā)中。綜上因素，復(fù)合材料板簧總成結(jié)構(gòu)組成如下。

復(fù)合材料簧身起到承載作用，上下夾板主要作用是緊固U型螺栓，其材料為40Cr，端部金屬件接頭主要作用是與車身連接，其材料也采用40Cr。

復(fù)合材料簧身與端頭金屬件連接方式：結(jié)構(gòu)膠+螺栓40Cr材料（10.9級）+自鎖螺母。

復(fù)合材料簧身與上下夾板的連接方式：結(jié)構(gòu)膠。

圖4中“粗虛線”部位為粘接面，粘接前金屬和塑料表面要有打磨去銹蝕要求。圖5為半片板簧詳細(xì)尺寸。

圖4 整體結(jié)構(gòu)

圖5 半片板簧詳細(xì)尺寸

3.4 工藝鋪層設(shè)計(jì)

本文選用玻璃纖維+漢高樹脂作為復(fù)合板簧材料，應(yīng)用CATIA的復(fù)合材料模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋪層比例按0°、±45°劃分為70%、30%，共54層。復(fù)合板簧制造工藝包括RTM、熱壓罐成型、模壓成型的對比工藝試驗(yàn)研究[3]，經(jīng)過成本、成型質(zhì)量、制造效率綜合比較，最終采用了模壓成型工藝（圖6）。

圖6 復(fù)合材料板簧模壓成型

具體工藝方法如下：

a.預(yù)浸料的下料：鋪層的角度有0°、+45°、-45°；

b.預(yù)浸料的鋪放：將預(yù)浸料分組鋪覆在模具的下模中，再采用輥筒將預(yù)浸料預(yù)壓實(shí)；

c.合模：將上模與鋪完預(yù)浸料的下模進(jìn)行合模，檢查合模間隙，直至模具兩邊均勻；

d.固化：模具開始升溫，當(dāng)溫度升至90～95℃，保溫1～1.5 h后，開始加壓0.5～0.6 MPa；最后將溫度升至120～125℃，保溫2～3 h；保持壓力開始降溫，直至模具達(dá)到45℃以下；

e.脫模：通過模具的頂出螺栓將固化后的板簧頂出模具，打去邊緣的飛邊。

3.5 復(fù)合材料板簧材料性能

復(fù)合材料板簧材料性能參數(shù)見表3和表4。

表3 復(fù)合材料基本屬性

3.6 復(fù)合板簧鋪層技術(shù)

鋪層一般采取對稱均衡形式布置，以避免拉-彎、拉-剪耦合而引起上蓋發(fā)生翹曲變形[4]。隨著鋪層厚度的增加，零件的抗扭轉(zhuǎn)性能提高，但是鋪層數(shù)目增多，其扭轉(zhuǎn)剛度并不會(huì)線性增長，考慮到加工成本，應(yīng)合理選擇鋪層厚度，具體見表5。

表4 材料強(qiáng)度許用值

表5 復(fù)合材料參數(shù)及型號(hào)

復(fù)合材料板簧54層鋪層分布規(guī)律如表6。

表6 鋪層示意表

3.7 復(fù)合板簧CAE分析技術(shù)

依據(jù)上述鋪層方式，對復(fù)合材料板簧進(jìn)行CAE分析計(jì)算。建模時(shí)板簧前端通過銷軸與板簧支架相連，為固定端，使得板簧前卷耳連接關(guān)系為繞軸擺動(dòng)的鉸鏈連接，后端卷耳在水平面前后方向自由移動(dòng)。在總成計(jì)算時(shí)，不考慮鉸鏈接觸細(xì)節(jié)，而是利用Abacus中的connector來定義這種力的傳遞[5],計(jì)算結(jié)果見表7。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，板簧重量16.3 kg，自由剛度130 N/mm，復(fù)合材料板簧技術(shù)條件滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足整車裝配需求。

4 復(fù)合材料板簧試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 復(fù)合材料板簧臺(tái)架試驗(yàn)

4.1.1 臺(tái)架性能試驗(yàn)

復(fù)合材料板簧（圖8）臺(tái)架試驗(yàn)自由剛度為128 N/mm（圖9），與設(shè)計(jì)值131 N/mm相差3 N/mm，剛度誤差小于7%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 有限元分析結(jié)果

圖8 臺(tái)架試驗(yàn)用復(fù)合板簧

圖9 復(fù)合材料鋼板彈簧剛度曲線

4.1.2 臺(tái)架疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)方法按照《汽車懸架用鋼板彈簧總成試驗(yàn)方法》進(jìn)行，垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)參數(shù)見表8。

表8 少片簧疲勞壽命限值

按上述實(shí)驗(yàn)條件，復(fù)合材料板簧臺(tái)架疲勞壽命達(dá)到20萬次未損壞，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 復(fù)合材料板簧耐候試驗(yàn)

非金屬復(fù)合材料板簧耐候性要求比較高，主要分為耐化學(xué)品、耐濕熱、耐高溫，其試驗(yàn)結(jié)果如表9。

表9 耐候試驗(yàn)

5 復(fù)合材料板簧成本分析

復(fù)合材料板簧替代鋼板彈簧方案，在剛度、應(yīng)力、疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)需求的情況下，重量降低40%，成本在小批量階段比原方案上浮25%，后期隨復(fù)合材料板簧在汽車零部件應(yīng)用逐漸增多，供應(yīng)鏈?zhǔn)袌鲂纬珊?，其成本?huì)有所降低（表10）。

表10 成本分析列表

6 結(jié)束語

本文主要論述了復(fù)合材料板簧玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成本分析、模壓成型工藝，摸索出復(fù)合材料特異性，借助有限元分析手段，理論結(jié)合試驗(yàn)，論證其開發(fā)設(shè)計(jì)的可行性。復(fù)合材料板簧除輕量化優(yōu)勢之外，還可提升整車及乘員安全性，避免金屬板簧突然斷裂帶來的安全問題。