某輕型客車前復合材料板簧的研制

江力 曹政

1. 廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司 福建省廈門市 361023 2.株洲時代新材料科技股份有限公司 湖南省株洲市 412007

1 引言

車輛結構每減重10%，燃油消耗可節(jié)省7%，大大減少了壽命期內(nèi)的使用成本，若車體減重20-30%，每車每年CO2排放可減少0.5噸[1]，因此現(xiàn)代車輛的安全、舒適、節(jié)能和環(huán)保等有明確要求。減輕結構重量，從而節(jié)省燃油、減少尾氣排放和環(huán)境污染是車輛設計的重要發(fā)展方向，車輛減重，當前最重要的措施就是在大量采用先進復合材料。先進復合材料具有比強度高、比剛度高，可設計性強，疲勞耐久性好，耐腐蝕，可大規(guī)模整體成型，減震阻尼性能好等一系列獨特的優(yōu)點。

常規(guī)車型的懸架彈簧通常采用彈簧鋼制，具有重量重、不易布置、阻尼性差等缺點。本文中提到的某輕型客車其前懸架采用橫置板簧麥弗遜式獨立懸架，其橫置板簧采用復合材料板簧為例進行可行性研究。

2 前復合材料板簧的結構設計

前復合材料板簧的結構設計要遵循以下幾個原則：第一，滿足安裝接口尺寸要求；第二，滿足整車性能匹配要求；第三，滿足產(chǎn)品可靠性要求；第四，重量達到減重目的；第五，滿足極限環(huán)境溫度的使用要求；新型板簧采用密度低強度高的玻璃纖維作為增強材料，環(huán)氧樹脂作為基體材料[2]，最后通過模壓工藝成型，表1為原材料性能參數(shù)，圖1為復合材料板簧結構示意圖。

圖1 復合材料板簧結構示意圖

產(chǎn)品端部為梯形結構，這就要求在鋪層結構設計時考慮外側(cè)連續(xù)的長玻璃纖維，來保證結構強度；其次產(chǎn)品經(jīng)過模壓后上表面棱邊處含膠量較高，在使用過程中經(jīng)長久的彎折棱邊會出現(xiàn)剝離，因此需將上表面棱邊倒角消除剝離現(xiàn)象。

3 前復合材料板簧的FEA可靠性分析

3.1 前復合材料板簧承載分析

根據(jù)前懸架系統(tǒng)的校核結果已知其極限載荷工況為：在距板彈簧中心對稱位置309.5mm處共加載2665kg 載荷，將此時位置作為零點位置，再向下施加43mm振幅為極限載荷。

采用極限載荷工況運用FEA進行強度校核，同時結合設計安裝狀態(tài)復合材料板簧為四點支撐，具體在進行FEA計算時施加的邊界條件如下圖2所示：

3.2 FEA網(wǎng)格劃分

圖2 板簧加載示意圖

表1 原材料性能參數(shù)[9]

圖3 網(wǎng)格模型

FEA網(wǎng)格劃分（見圖3）：模型采用C3D8R單元進行計算，單元數(shù)量為11120[3，4]。

3.3 材料體系參數(shù)，見表2

3.4 FEA計算結果

3.4.1 極限載荷工況強度校核：在距板彈簧中心對稱位置309.5mm處共加載3985kg的載荷（即2665kg的基礎上再向下施加43mm的載荷）；最大應力為569.7MPa（圖4），其沿纖維方向的應力分布如圖5所示，最大壓縮應力為529.5MPa，對比壓縮強度值802MPa，其安全系數(shù)為1.51。

圖4 最大應力云圖

圖5 沿纖維S11方向的應力云圖

3.4.2 剛度計算結果為287.08N/m，表明可滿足該復合材料板簧剛度（290±5%N/mm）的設計要求。

4 前復合材料板簧的試制及試驗

4.1 板簧的工藝路線[8] （見圖6）

圖6 復合材料板簧試制工藝路線

經(jīng)過工藝的不斷摸索，總結出：板簧生產(chǎn)的核心技術在于原材料的選擇和模壓固化工序。其中原材料主要是指增強材料與基體材料的配比（7：3），模壓固化工序是一個比較復雜的工藝過程，包括入模溫度、模腔壓力、升溫加壓、保溫時間、后固化等工序[5，6，8]，只有嚴格得把控核心技術才能保證產(chǎn)品有良好的的整體性能（剛度的一致性、低永久變形、高疲勞壽命等等）。

4.2 臺架疲勞壽命試驗

在試驗室對試制的板簧進行靜剛度及疲勞試驗，來驗證產(chǎn)品的可靠性，其中試驗工裝是完全按照實際裝車工況所設計的，圖7為疲勞試驗照片，表3為臺架試驗結果。

依據(jù)表3臺架試驗結果可知產(chǎn)品完全滿足產(chǎn)品性能要求，為了進一步驗證產(chǎn)品的可靠性將完成疲勞試驗的產(chǎn)品再重新進行了50萬次疲勞試驗，試驗結果表明前后剛度變化仍小于5%，僅在產(chǎn)品棱邊處有毛刺現(xiàn)象，完全不影響產(chǎn)品的使用。

圖7 疲勞試驗

4.3 冷熱沖擊后的臺架疲勞壽命試驗

先將復合材料板簧進行冷熱沖擊，然后再進行該板簧的臺架疲勞壽命試驗（上述4.2項）。圖8為冷熱沖擊曲線圖，表4為試驗結果。

試驗結果表明該產(chǎn)品耐高低溫性能良好。

4.4 前復合材料板簧的裝車試驗

產(chǎn)品裝車后通過北京通州交通部試驗場比利時強化路考核及市場5年的實際使用，產(chǎn)品均整體完好。

5 結語

表2 復合材料的力學參數(shù)[9]

（1）利用有限元分析可以指導產(chǎn)品結構的設計、節(jié)約生產(chǎn)成本和縮短開發(fā)周期[7]。

（2）工藝路線的成熟度影響產(chǎn)品的表觀質(zhì)量和性能。

（3）通過調(diào)整玻璃纖維與樹脂含量的方法可以降低產(chǎn)品重量和優(yōu)化產(chǎn)品性能。

（4）產(chǎn)品設計方案的可行性不僅要從理論上分析，而且也得通過臺架試驗和實際裝車考核的驗證，只有這樣才能作出正確的判斷。

表3 臺架壽命試驗結果

表4 冷熱沖擊后的臺架疲勞壽命試驗結果

圖8 冷熱沖擊曲線圖