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(wù)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(dāng)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(shè)計已成為當(dāng)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(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，玻纖增強(qiáng)型復(fù)合材料板簧發(fā)展成為應(yīng)用在汽車懸架上的新型輕量化解決方案，其在汽車上的應(yīng)用主要分縱置和橫置2種結(jié)構(gòu)形式?？v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(qiáng)型板簧材料的各向異性特點，對設(shè)計校核也提出了新的挑戰(zhàn)。本文簡述了復(fù)合材料板簧的應(yīng)用現(xiàn)狀和工藝過程，并以玻纖增強(qiáng)型復(fù)合材料板簧為例研究其在汽車上的應(yīng)用方法和原理，為該技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

1復(fù)合材料板簧的應(yīng)用發(fā)展、材料和工藝

1.1復(fù)合材料板簧的發(fā)展歷程

意識到復(fù)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(fù)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(yīng)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(qiáng)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(jī)以后，為了減輕汽車自重、降降油耗，汽車廠商積極投入復(fù)合材料板簧的研制，促進(jìn)了復(fù)合材料板簧從理論向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展，并成功美國實現(xiàn)FRP板簧在投入應(yīng)用。

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

1.2復(fù)合材料板簧的材料和工藝

復(fù)合材料板簧主要采用熱固性塑料，尤其是熱固性纖維增強(qiáng)塑料，同時也會少量采用熱塑性塑料。復(fù)合材料板簧的增強(qiáng)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(fù)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(qiáng)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(qiáng)、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(shè)備，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前也可以應(yīng)用于變截面板簧。

2復(fù)合材料板簧的結(jié)構(gòu)形式

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

2.1縱置復(fù)合材料板簧

同傳統(tǒng)鋼板彈簧相比，縱置復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料板簧和鋼板彈簧疊加的復(fù)合設(shè)計。通過不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，復(fù)合材料板簧可分為線性剛度板簧（圖2）和漸進(jìn)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(jìn)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(fù)合材料板簧的漸進(jìn)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(fù)合材料板簧

典型的復(fù)合材料板簧，如玻纖增強(qiáng)型復(fù)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(qiáng)型復(fù)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(shè)計上根據(jù)是否兼顧穩(wěn)定桿的作用，橫置玻纖增強(qiáng)型復(fù)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(shè)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(shè)計合適的壁厚比，橫置板簧能達(dá)到兼顧穩(wěn)定桿的作用。

3復(fù)合材料板簧的虛擬分析與驗證

3.1復(fù)合材料板簧虛擬分析

從應(yīng)用方面考慮，復(fù)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(qiáng)度和耐久性要好，尤其是耐久壽命。

玻纖增強(qiáng)型材料的楊氏模量大約為45GPa，遠(yuǎn)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(yīng)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(fù)合材料板簧的疲勞判別常采用應(yīng)力或者應(yīng)變評估法，根據(jù)整車動力學(xué)分解獲得的載荷，進(jìn)行不同工況的加載，計算得到對應(yīng)工況下的應(yīng)力或者應(yīng)變，預(yù)測相應(yīng)的疲勞壽命。

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

3.2復(fù)合材料板簧驗證

復(fù)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(shè)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(fù)合材料板簧的耐久性能要優(yōu)于鋼板彈簧，具體依據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)不同而耐久性能有差異。

4復(fù)合材料板簧的性能優(yōu)勢

具體來說，復(fù)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(fù)合材料板簧的應(yīng)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(qiáng)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(fù)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(fù)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(fù)合材料板簧的應(yīng)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(yīng)，提高整車的操縱穩(wěn)定性。同時，還可以通過變截面設(shè)計，設(shè)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(shè)計，復(fù)合材料板簧的壽命可達(dá)50萬次左右。

第五，斷裂安全性。斷裂安全性是復(fù)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(fù)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(fù)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(shè)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(luò)，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(fù)雜，易干涉的問題。

第八，成本。因橫置復(fù)合材料板簧通過自身優(yōu)化設(shè)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(shè)計已成為汽車發(fā)展的大趨勢。復(fù)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(yīng)商和整車廠都投入資源研究復(fù)合材料板簧的設(shè)計和應(yīng)用，并已逐漸在部分車型上推廣，尤其在汽車上的應(yīng)用越來越多。相信在不遠(yuǎn)的將來，復(fù)合材料板簧會逐漸成為車輛常規(guī)配置而廣泛應(yīng)用在汽車上。