某轻型客车前复合材料板簧的研制

2018-06-18江力曹政

时代汽车 2018年12期

江力曹政

1. 厦门金龙联合汽车工业有限公司福建省厦门市 361023 2.株洲时代新材料科技股份有限公司湖南省株洲市 412007

1 引言

车辆结构每减重10%，燃油消耗可节省7%，大大减少了寿命期内的使用成本，若车体减重20-30%，每车每年CO2排放可减少0.5吨[1]，因此现代车辆的安全、舒适、节能和环保等有明确要求。减轻结构重量，从而节省燃油、减少尾气排放和环境污染是车辆设计的重要发展方向，车辆减重，当前最重要的措施就是在大量采用先进复合材料。先进复合材料具有比强度高、比刚度高，可设计性强，疲劳耐久性好，耐腐蚀，可大规模整体成型，减震阻尼性能好等一系列独特的优点。

常规车型的悬架弹簧通常采用弹簧钢制，具有重量重、不易布置、阻尼性差等缺点。本文中提到的某轻型客车其前悬架采用横置板簧麦弗逊式独立悬架，其横置板簧采用复合材料板簧为例进行可行性研究。

2 前复合材料板簧的结构设计

前复合材料板簧的结构设计要遵循以下几个原则：第一，满足安装接口尺寸要求；第二，满足整车性能匹配要求；第三，满足产品可靠性要求；第四，重量达到减重目的；第五，满足极限环境温度的使用要求；新型板簧采用密度低强度高的玻璃纤维作为增强材料，环氧树脂作为基体材料[2]，最后通过模压工艺成型，表1为原材料性能参数，图1为复合材料板簧结构示意图。

图1 复合材料板簧结构示意图

产品端部为梯形结构，这就要求在铺层结构设计时考虑外侧连续的长玻璃纤维，来保证结构强度；其次产品经过模压后上表面棱边处含胶量较高，在使用过程中经长久的弯折棱边会出现剥离，因此需将上表面棱边倒角消除剥离现象。

3 前复合材料板簧的FEA可靠性分析

3.1 前复合材料板簧承载分析

根据前悬架系统的校核结果已知其极限载荷工况为：在距板弹簧中心对称位置309.5mm处共加载2665kg 载荷，将此时位置作为零点位置，再向下施加43mm振幅为极限载荷。

采用极限载荷工况运用FEA进行强度校核，同时结合设计安装状态复合材料板簧为四点支撑，具体在进行FEA计算时施加的边界条件如下图2所示：

3.2 FEA网格划分

图2 板簧加载示意图

表1 原材料性能参数[9]

图3 网格模型

FEA网格划分（见图3）：模型采用C3D8R单元进行计算，单元数量为11120[3，4]。

3.3 材料体系参数，见表2

3.4 FEA计算结果

3.4.1 极限载荷工况强度校核：在距板弹簧中心对称位置309.5mm处共加载3985kg的载荷（即2665kg的基础上再向下施加43mm的载荷）；最大应力为569.7MPa（图4），其沿纤维方向的应力分布如图5所示，最大压缩应力为529.5MPa，对比压缩强度值802MPa，其安全系数为1.51。

图4 最大应力云图

图5 沿纤维S11方向的应力云图

3.4.2 刚度计算结果为287.08N/m，表明可满足该复合材料板簧刚度（290±5%N/mm）的设计要求。

4 前复合材料板簧的试制及试验

4.1 板簧的工艺路线[8] （见图6）

图6 复合材料板簧试制工艺路线

经过工艺的不断摸索，总结出：板簧生产的核心技术在于原材料的选择和模压固化工序。其中原材料主要是指增强材料与基体材料的配比（7：3），模压固化工序是一个比较复杂的工艺过程，包括入模温度、模腔压力、升温加压、保温时间、后固化等工序[5，6，8]，只有严格得把控核心技术才能保证产品有良好的的整体性能（刚度的一致性、低永久变形、高疲劳寿命等等）。