1 汽車輕量化發(fā)展必要性
汽車制造行業(yè)發(fā)展中，汽車輕量化是對(duì)汽車技術(shù)的創(chuàng)新與改進(jìn)，對(duì)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(guò)介紹汽車負(fù)荷板簧工藝，對(duì)汽車輕量化發(fā)展中復(fù)合材料板簧的具體應(yīng)用展開(kāi)研究，借此在汽車材料輕量化基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)整車輕量化，推動(dòng)汽車技術(shù)改革。
1.2 技術(shù)環(huán)境
目前，高強(qiáng)度鋼鋁鎂合金廣泛應(yīng)用于商用車，使得輕量化的空間非常有限。復(fù)合材料也用于商用車非承重結(jié)構(gòu)（如導(dǎo)流板等），但復(fù)合材料很少用于國(guó)內(nèi)商用車承重結(jié)構(gòu)（如板簧、車架等）。主要原因之一是其載荷強(qiáng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)困難和風(fēng)險(xiǎn)大。為了實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)商用車突破性的輕量化效果，必須加強(qiáng)負(fù)載品中密度輕、強(qiáng)度高的復(fù)合材料的應(yīng)用。復(fù)合鋼板彈簧與其他運(yùn)載部件相比，對(duì)減少汽車質(zhì)量有明顯效果，目前已成為國(guó)內(nèi)商用車輕量化研究的熱門產(chǎn)品。
1.3 生態(tài)環(huán)境
近年來(lái)，我國(guó)已成為世界最大的石油進(jìn)口國(guó)。據(jù)我國(guó)石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院發(fā)布的《2019年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)原油凈進(jìn)口首次超過(guò)5億t，原油對(duì)外依存度首次超過(guò)70%。從2004年的40%到2010年首次突破了50%的國(guó)際警戒線，從2016年的60%到2019年的70%，我國(guó)石油的對(duì)外依存度不斷突破。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，2020年1—7月，我國(guó)進(jìn)口原油3.2億t，同比增長(zhǎng)12.1%。資料顯示，我國(guó)礦石資源對(duì)進(jìn)口石油資源的依賴程度很高。因此，我國(guó)需要解決石油危機(jī)，減少對(duì)石油等礦石能源的依賴，復(fù)合鋼板彈簧在汽車輕量化方面的應(yīng)用有助于更好地解決能源依賴問(wèn)題。
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(jì)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(guò)降低復(fù)合材料板簧自重來(lái)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(duì)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化目標(biāo)有著重大價(jià)值。
2 鋼板彈簧概述
2.1 作用
鋼板彈簧主要由多片寬厚相等但長(zhǎng)短不一的彈性鋼片組成。采用懸架技術(shù)將車架和車橋相連，以承受輪胎對(duì)車架產(chǎn)生的沖擊力，同時(shí)具有緩沖減振的功能，保證汽車行駛平穩(wěn)性的同時(shí)提升駕駛者的舒適度。
2.2 分類
鋼板彈簧主要分為多片簧及少片簧兩大類。多片簧是將多片直徑相同，但長(zhǎng)短不同的鋼材疊加一起，將多片鋼板彈簧的各片鋼材疊加成倒三角形狀，最上端的鋼材最長(zhǎng)，最下端的鋼材最短，鋼材的片數(shù)和客車的載荷有關(guān)，因此鋼材片越多、厚度越大，彈簧剛性也越大。不過(guò)，當(dāng)鋼板彈簧工作時(shí)間久了之后，各片之間還會(huì)相互滑動(dòng)摩擦引起巨大噪聲，而鋼片之間的相對(duì)磨損也會(huì)造成彈簧產(chǎn)生扭曲，導(dǎo)致機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)不順暢。少片簧則是將兩頭薄中間厚的鋼材疊加在一起。由于少片鋼板彈簧的鋼材斷面長(zhǎng)度變化較大，從中部到兩頭的斷面寬度也會(huì)逐漸變化，因此軋壓過(guò)程就比較復(fù)雜，價(jià)錢也比多片簧高。在同樣剛性的情況下，少片簧較多片簧輕50%左右，從而降低了相對(duì)磨損和振動(dòng)，也提高了使用安全性。
2.3 原理
鋼板彈簧通常安裝在車輛懸架內(nèi)部，當(dāng)車橋與車架之間互為依靠時(shí)，當(dāng)鋼板彈簧接受的垂直負(fù)荷為正向時(shí)，各彈簧均因受力情況而變化，有向上拱彎的趨勢(shì)。當(dāng)車橋和車架之間彼此脫離時(shí)，鋼板彈簧承擔(dān)的方向垂直負(fù)荷和變化便逐步減少。
主片卷耳受力最強(qiáng)，比較容易損壞。為改變主片卷耳的受力狀況，常把第2片末端彎成小卷耳，包在主片卷耳的最外側(cè)，叫做包耳。為了在彈性變化時(shí)各片之間有相應(yīng)滑動(dòng)的機(jī)會(huì)，可以在主片卷耳和第2片包耳間留出很大的空間。但有時(shí)在鋼板簧片兩端也不做卷耳，而是使用另外的支承連接方法，如橡膠支承墊。
2.4 優(yōu)缺點(diǎn)
鋼板彈簧的好處是構(gòu)造簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠，成本便宜，維護(hù)簡(jiǎn)單。它既是懸掛的彈力部件，也是懸掛的導(dǎo)向裝置。一端與底盤鉸接，能夠傳輸各類動(dòng)力與扭矩，同時(shí)具有摩擦減振的功能，因此被廣泛用于非獨(dú)立懸掛上。不足之處是一般作為非獨(dú)立懸架，自身質(zhì)量較大，剛性大，舒適度較差，且縱向?qū)挾冗^(guò)大，不利于減少車輛的前懸和后懸間距，易于與車架連接的鋼管彈簧銷磨損等。
3 復(fù)合材料板簧概述
3.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展
板簧作為輕型商用車的主要承載部件，市場(chǎng)需求量巨大。如果能夠攻克復(fù)合材料板簧設(shè)計(jì)及工藝等產(chǎn)品瓶頸，其將有巨大的市場(chǎng)潛力及銷售利潤(rùn)，同時(shí)也可減少能源冶煉及鋼板彈簧制造業(yè)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染，實(shí)現(xiàn)綠色制造，助力“雙碳”目標(biāo)。
自20世紀(jì)70年代初起，美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)相繼研制出了復(fù)合材料板簧，就其原料、構(gòu)造、成形技術(shù)和工藝等方面展開(kāi)了研究，并將復(fù)合材料板簧成功地運(yùn)用在了客車和轎車上。20世紀(jì)80年代末，美國(guó)將復(fù)合鋼板彈簧投入商品化生產(chǎn)，并廣泛應(yīng)用在牽引車上；德國(guó)的IFCComposite公司推出了一種新型板簧來(lái)取代在奔馳、凌特和大眾汽車的傳統(tǒng)鋼板彈簧。而這種新型復(fù)合材料板簧和普通鋼板彈簧相較，整體質(zhì)量可以減小40%～50%，疲勞壽命可以達(dá)到20萬(wàn)次以上，遠(yuǎn)高于普通鋼板彈簧的16萬(wàn)次。Mubea公司玻璃鋼板簧榮獲2020年Altair啟蒙獎(jiǎng)，如圖1所示。
目前在國(guó)內(nèi)，雖有院校對(duì)其進(jìn)行深入探究，但由于技術(shù)落后、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性不足等，無(wú)法完全掌握復(fù)合材料板簧的設(shè)計(jì)技術(shù)?，F(xiàn)階段僅北汽福田輕卡進(jìn)行小批量產(chǎn)品應(yīng)用，一汽、東風(fēng)、江淮等主流車廠均進(jìn)行了產(chǎn)品和技術(shù)儲(chǔ)備，部分通過(guò)了樣件制作、臺(tái)架試驗(yàn)及整車試驗(yàn)階段。
3.2 主要優(yōu)勢(shì)
復(fù)合材料板簧在現(xiàn)代轎車輕量化發(fā)展中的運(yùn)用，就是利用該類板簧高強(qiáng)度、質(zhì)量小、成型快等優(yōu)點(diǎn)優(yōu)化了轎車懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并最終達(dá)到減小轎車整體質(zhì)量的目的。
相比于傳統(tǒng)鋼板彈簧，復(fù)合材料板簧的彈性較高，吸震力強(qiáng)，振動(dòng)阻尼高，能在車輛行駛中有效利用自身特性，改善車輛舒適度和平順性，減少顛簸感；另外，該種鋼板彈簧的主體材質(zhì)是玻璃纖維類復(fù)合材料，抗疲勞特性較強(qiáng)，疲勞壽命是一般鋼板彈簧的2倍以上；復(fù)合材料板簧中還含有較多的獨(dú)立玻璃纖維，單根玻璃纖維破裂后對(duì)車輛所造成的負(fù)荷能夠自由轉(zhuǎn)移至其他玻璃纖維中，以防止破壞懸架構(gòu)件的承載能力。
3.3 材料選擇
復(fù)合材料產(chǎn)物是指由2種或2種以上截然不同特性的物質(zhì)，根據(jù)某種綜合方法所組成的結(jié)合物質(zhì)。復(fù)合材料中的連續(xù)相稱為主體物質(zhì)，其分散相稱為強(qiáng)化物質(zhì)?；|(zhì)的主要功能是支撐強(qiáng)化材料，并避免強(qiáng)化材料磨損和侵蝕，而強(qiáng)化材料則以相對(duì)獨(dú)立的形式均勻分布在基質(zhì)中。復(fù)合材料的應(yīng)用目的是在符合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等條件下盡量地降低結(jié)構(gòu)成本，所使用的復(fù)合物應(yīng)當(dāng)達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)的壽命要求并保證貨源充足，易于搬運(yùn)、貯存，常用的增強(qiáng)材料主要為E-玻璃纖維、S-玻璃纖維和碳玻璃纖維，而生產(chǎn)復(fù)合材料板簧用的熱固性樹(shù)脂基體則主要由聚酯纖維、乙烯基樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂等組成，可綜合考慮價(jià)格、性能、優(yōu)勢(shì)確定更好材料及材料配比方案，以此保證高性價(jià)比復(fù)合材料板簧的誕生。
3.4 成型工藝
復(fù)合材料板簧開(kāi)發(fā)過(guò)程非常復(fù)雜，其生產(chǎn)工序主要分為纏繞建模成型、高壓環(huán)氧樹(shù)脂傳遞建模成型、SMC拉擠成型等工序。其中，纏繞建模成型工序是將玻璃纖維復(fù)合材料預(yù)浸后，將其纏繞在模具上，然后再經(jīng)過(guò)合模、凝固等加工方法，形成復(fù)合材料板簧；高壓環(huán)氧樹(shù)脂傳遞建模成型指使用高壓將環(huán)氧樹(shù)脂按對(duì)沖風(fēng)險(xiǎn)比例混合，并灌注在事先鋪有玻璃纖維增強(qiáng)材料和預(yù)置嵌件的真空密閉模具里，經(jīng)樹(shù)脂流動(dòng)充模、浸漬、固化和脫模，從而得到復(fù)合材料制品的成型工藝；SMC拉擠成型工序則是以牽引力為主要作用力，通過(guò)模具固化浸漬后的玻璃纖維帶、纖維織物，以連續(xù)制造斷面形式不同的復(fù)合材料板簧。編織成型的優(yōu)點(diǎn)是硬度較高、疲勞特性好、制造效率較高、工藝簡(jiǎn)單易于管理，但面臨著結(jié)合力不強(qiáng)、容易劈裂等主要問(wèn)題；拉擠法的優(yōu)點(diǎn)是能夠連續(xù)性拉制不同尺寸的復(fù)合材料板簧，但對(duì)于連續(xù)制造變截面結(jié)構(gòu)鋼板彈簧仍具有一定的技術(shù)難度，且制造成本較大；而RTM工藝既可制造中等直徑寬度又能制造大變截面結(jié)構(gòu)鋼板彈簧，還可以進(jìn)行金屬嵌件式操作，但其存在纖維鋪層有變形、操作環(huán)境差、環(huán)保不易達(dá)標(biāo)等問(wèn)題。模壓成型可滿足目前等大不同直徑形狀葉片彈簧的生產(chǎn)，其制品緊密、外表光潔，方便后期的工業(yè)化生產(chǎn)。
4 復(fù)合材料板簧優(yōu)勢(shì)
與鋼板彈簧相比，復(fù)合板簧作為國(guó)內(nèi)新興產(chǎn)品主要具有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是板簧輕量化效果明顯，復(fù)合材料板簧與鋼板彈簧相比，在保證板簧可靠性的同時(shí)，可減小質(zhì)量60%；二是疲勞壽命明顯提高，鋼板彈簧的疲勞壽命為16萬(wàn)次，復(fù)合板簧的疲勞壽命約為30萬(wàn)次，壽命提高87.5%；三是安全斷裂預(yù)警，與鋼板彈簧相比，當(dāng)汽車在極其惡劣的環(huán)境中工作時(shí)，復(fù)合板簧會(huì)沿長(zhǎng)度方向緩慢開(kāi)裂，但仍能保持軸的位置不變，以確保車輛和乘客的安全。
5、新能源汽車懸架彈簧的輕量化設(shè)計(jì)
高強(qiáng)度級(jí)別彈簧鋼使傳統(tǒng)車橋系統(tǒng)的螺旋彈簧能夠?qū)崿F(xiàn)冷成型。因此，它們?yōu)橹匦统擞密嚭洼p型商用車提供了較高的材料利用率。在彈簧結(jié)構(gòu)中使用玻璃纖維增強(qiáng)塑料以及新的車軸概念帶來(lái)了進(jìn)一步的輕量化潛力，此外，還提供了更大的功能集成和額外的電氣化安裝空間。
懸架彈簧在客車的各個(gè)方面都起著重要的作用。整個(gè)車輛質(zhì)量依靠這些彈簧，而它們的柔性緩沖了傳到乘客艙的震動(dòng)。對(duì)于駕駛員和乘客來(lái)說(shuō)，前后軸上彈簧力和彈簧剛度的調(diào)整保證了安全舒適的駕駛體驗(yàn)。
不考慮能量回收，電氣化車輛平臺(tái)和插電式混合動(dòng)力車,PHEV)的底盤輕量化設(shè)計(jì)仍然非常重要。同時(shí)，增加的車輛重量需要更高的彈簧力和彈簧剛度，因此需要更高的彈簧質(zhì)量。通過(guò)對(duì)經(jīng)典鋼彈簧材料的最佳材料利用，或通過(guò)替代材料(如彈簧結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料),經(jīng)濟(jì)、輕質(zhì)的設(shè)計(jì)獲得了成功。
由GFRP制成的適合材料的彈簧設(shè)計(jì)
玻璃纖維增強(qiáng)塑料由于其比拉伸強(qiáng)度和比彈性模量的有利比率而提供了巨大的輕質(zhì)設(shè)計(jì)潛力。特別是當(dāng)用作片簧材料時(shí)，理想的輕質(zhì)材料的這些特性可以以最佳方式得到利用。當(dāng)彈簧主要承受張力、壓力或彎曲時(shí)，這總是可能的。這是因?yàn)榭梢允褂脝蜗驅(qū)咏Y(jié)構(gòu)，其中負(fù)載基本上由高模量纖維吸收[3]。
對(duì)于GFRP螺旋彈簧，由于彈簧橫截面主要受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，這需要具有變化纖維取向的定向?qū)咏Y(jié)構(gòu)，因此重量輕的設(shè)計(jì)潛力顯著降低。這里的限制因素是材料的橫向拉伸強(qiáng)度，與纖維占優(yōu)勢(shì)的強(qiáng)度相比，橫向拉伸強(qiáng)度顯著降低。除了較低的輕質(zhì)設(shè)計(jì)潛力之外，這種彈簧具有降低的抗下垂損失性、在較高溫度下降低的耐久性以及增加的安裝空間需求。
彎曲彈簧設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)中的一些，因?yàn)樵谧顝V泛的意義上，這是一系列相互連接的彎曲梁。彎曲梁截面主要承受彎曲應(yīng)力，這對(duì)輕量化設(shè)計(jì)潛力有積極影響。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是彎曲時(shí)在曲折部分會(huì)產(chǎn)生橫向拉伸應(yīng)力。這可能導(dǎo)致過(guò)早失效，尤其是在高溫下。此外，還需要安裝空間，以確保彈簧的穩(wěn)定性和注重耐用性的接口設(shè)計(jì)。
橫向板簧是單向GFRP的理想應(yīng)用。如果橫向板簧除了為結(jié)構(gòu)的垂直運(yùn)動(dòng)儲(chǔ)存彈性能量之外還承擔(dān)其他功能，這一點(diǎn)尤其正確。通過(guò)雙彈性內(nèi)軸承，側(cè)傾穩(wěn)定的集成是可能的。除了彈簧的宏觀設(shè)計(jì)之外，內(nèi)部軸承的位置和剛度也是決定性的。例如，在車輛的橫向方向上，更大的軸承支撐底座提供了增加滾動(dòng)行程比的可能性。
功能集成的另一個(gè)階段是除了懸架和側(cè)傾穩(wěn)定功能之外，將車輪導(dǎo)向與橫向鋼板彈簧集成在一起。一個(gè)橫向板簧和兩個(gè)導(dǎo)向輪減震器，更換整個(gè)多連桿軸系統(tǒng)。彈簧的尺寸、內(nèi)軸承的位置、彈簧與車輪托架的連接設(shè)計(jì)以及減震器的調(diào)節(jié)都會(huì)顯著影響彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)。
這種功能集成橫向鋼板彈簧的概念提供了顯著的額外重量?jī)?yōu)勢(shì)，因?yàn)樗锌刂票酆瓦B桿都可以更換，并且副車架和車身結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化。此外，在車輛的縱向方向上節(jié)約成本和空間增益的潛力是可能的。在后輪驅(qū)動(dòng)的電氣化測(cè)試車輛中，在對(duì)后輪軸進(jìn)行全面的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)和多體仿真(MBS)分析之后，實(shí)施并驗(yàn)證了這種功能概念。
評(píng)估證實(shí)了在橫向力下關(guān)于外傾角和前向軌跡的行為，該行為定性和定量地在具有多連桿軸的參考車輛的范圍內(nèi)，圖6。通過(guò)內(nèi)部和外部橡膠軸承的目標(biāo)縱向順應(yīng)性，在沒(méi)有副車架對(duì)車身的彈性支撐的情況下，可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)氖孢m性，尤其是在類似沖擊的縱向力下。通過(guò)優(yōu)化外軸承的軸向剛度，縱向力下的預(yù)軌跡變化也可以達(dá)到多連桿軸的水平。此外，使用完整的道路負(fù)載數(shù)據(jù)輸入對(duì)車軸概念的耐久性進(jìn)行了測(cè)試。橫向鋼板彈簧既沒(méi)有顯示外部損傷也沒(méi)有顯示內(nèi)部損傷。
6 總結(jié)
板簧是汽車懸架系統(tǒng)的關(guān)鍵性零部件,也是汽車減重的重要組成部分.占車體自重的5%-7%。復(fù)合材料板簧相對(duì)于鋼板彈簧至少減重50%，同時(shí)還具有更高的疲勞壽命,更佳的阻尼效果以及更良好的耐腐蝕性等性能，當(dāng)前傳統(tǒng)鋼板彈簧項(xiàng)目，普遍存在生產(chǎn)工序多、設(shè)備占地面積大、能耗高、自重大等缺點(diǎn)，在“雙碳”戰(zhàn)略和汽車輕量化背景下，傳統(tǒng)鋼板彈簧已漸漸難以滿足汽車行業(yè)的發(fā)展需要。多片簧向單片簧升級(jí)、換代，將成為未來(lái)發(fā)展的必然。
復(fù)合材料板簧在轎車輕量化工程中的應(yīng)用，將進(jìn)一步豐富轎車懸架設(shè)計(jì)，更好發(fā)揮板簧強(qiáng)度高、彈性應(yīng)變大等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步完善汽車懸架結(jié)構(gòu)，有效控制外部環(huán)境對(duì)汽車造成的沖擊。但在復(fù)合材料板簧的實(shí)際運(yùn)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(jì)等方面入手，并利用板簧的輕量化，加快實(shí)現(xiàn)汽車的整體輕量化。
