主副式复合材料板弹簧结构设计及性能验证

高蕊

摘 要：根据板簧的应用情况来看，身为汽车悬架系统的重要组成部分，对于汽车运行时的平顺性、舒适性以及整车的操作平稳性有着十分重要的作用。根据传统车辆悬架中板簧的应用情况来看，该构件都是由弹簧钢加工而成，因此板簧自身重量较大。在现代车辆制造业不断发展过程中，轻量化的车型愈发受到人民群众的喜爱，因此降低板簧的重量势在必行。复合材料的应用，改善了传统板簧的重量问题，在板簧实现轻量化的过程中具有十分重要的现实意义。本文主要内容探究了主副式复合材料板簧结构设计及性能验证。

关键词：复合材料 结构设计 主副式板簧 性能验证

Structure Design and Performance Verification of Composite Material Leaf Spring

Gao Rui

Abstract：According to the application of leaf springs， as an important part of the automobile suspension system， leaf spring plays a very important role in the smoothness and comfort of the car during the smooth operation of the whole vehicle. According to the application of leaf springs in traditional vehicle suspensions， the components are all made of spring steel， so the leaf springs are relatively heavy. In the continuous development of the modern vehicle manufacturing industry， lightweight models are becoming more and more popular among the people， so it is imperative to reduce the weight of the leaf spring. The application of composite materials has improved the weight problem of traditional leaf springs， and has very important practical significance in the process of lightening leaf springs. The main content of this article explores the structural design and performance verification of the main and auxiliary composite leaf springs.

Key words：composite materials， structural design， main and auxiliary leaf springs， performance verification

1 引言

在當前汽车轻量化发展的背景下，传统汽车悬架中的板簧构件逐渐从多片簧向少片金属板簧演变。根据现阶段金属板弹簧结构的应用情况来看，存在有噪声小、质量小、片间摩擦小等特点，改变了传统板簧的不足。想要在保障汽车稳定性、安全性的基础上，对板簧结构不断优化，还需要从板簧材料入手，复合材料的应用促使板簧结构进一步朝向轻量化的方向迈进，为汽车制造业实现持续发展奠定基础。

2 主副式复合材料板弹簧的特点

2.1 轻量化

根据主副式复合材料板簧的应用情况来看，该材料板簧相较于传统板簧而言，重量减轻了50%以上，比多片钢制板簧重量减轻了75%以上。

2.2 安全性

主副式复合材料板簧在应用过程中，安全断裂方式提高了板簧的应用可靠性。复合材料板簧的失效模式为沿着弹簧的长度方向分层开裂。通常情况下只能在外观看到裂纹，板簧的主体结构虽然已经被破坏，刚度有所降低，但是仍旧会保持基本形状。这样一来车辆的车轴会始终保持原位，确保车辆正常行驶[1]。

2.3 寿命长

根据相关数据显示，复合材料板簧结构的应用时间最高能够达到钢制多片簧的2～10倍，通常情况下，该结构板簧的使用寿命在30万次以上。

2.4 噪音小

因为复合材料板簧的自身阻尼较大，因此在各种工况下，该构件在运行过程中产生的噪音较小，能够有效减少对周边环境带来的污染，改善汽车运行环境，提高用户的乘坐体验。

3 主副式复合材料板簧结构设计

在主副式复合材料板簧当中存在有胶结的金属板，胶结方式不仅简洁方便，还能够有效提高金属板的使用可靠性。在板簧的端部安装有橡胶减磨垫。板簧会通过铆钉直接固定在复合材料上。最后，复合材料板簧在应用过程中会通过中心螺栓与第一片金属板簧固定在一起。

复合材料板簧在应用过程中，一般情况下，第一片与第二片之间的承受力为叠加关系，工作人员想要优化板簧结构，可以根据两片之间的承载载荷情况，计算出板簧中不同片的刚度。在此过程中，按照承载2/3来计算复合材料板簧承载量时，设负荷材料的板簧片短端为p11=2/3P1，板簧片长端为p12=2/3P2。此时如果设板簧结构的左端为短端，那么在板簧结构中，任一x截面的力矩我Mx=-9121x（0≤x≤0.718），-7213（0.718≤x≤1.626）。根据上述公式以及内力矩Mx的计算最终可以算出板簧应力[2]。进过校验后确定板簧应力符合相关应用要求，有关主副式复合材料板簧力学性能参数如下表1所示。

在该主副式复合材料板簧当中，我们可以将其看做一个各向同性面的正交各向异形体。在板簧应用过程中，我们如果假设垂直于纤维方向的平面为同性面，那么当X、Y坐标轴相互轮换时，那么板簧运行时的密度始终保持不变[3]。

4 主副式复合材料板簧性能试验

根据当前我国主、副式复合材料板簧的应用情况来看，该板簧在使用过程中能够有效促使汽车轻量化发展，提高汽车运行可靠性与安全性。笔者结合自身多年经验，开展了有关主副式复合材料板簧特性试验。

4.1 垂直载荷下的板簧永久变形试验

4.1.1 支承方法与夹持方法

根据我国出台的企业标准Q/ZZ 11005-2014要求，在对带有卷耳的弹簧开展实验时，需要以销轴支承的方式，将卷耳装置装载带有滚轮的滑车上。其他结构弹簧要按照产品图纸开展实验。在此过程中，工作人员一定要严格按照板簧结构图纸中的规定，保证夹持效果能够与装车效果一致。

4.1.2 实验方法

在开展实验活动时，工作人员需要结合实际情况，在被测弹簧的各个簧片之间涂满润脂膏，以便能够减少各簧片之间的摩擦力。在验证板簧负荷时，要采取缓慢、连续的方式，逐渐加载、卸载弹簧，而后对该步骤进行重复。工作人员要记录好各簧片之间的变形量以及施加负载量的大小。如果采取逐级加载的方式，工作人员需要测量的点至少有八个。如果在试验过程中发现任何一级的载荷量超过规定，则需要将其减至该级载荷的1/2以下，而后重新加载，直到规定值位置。当实验过程中进展到1.5倍满载静负荷之后，工作人员可以根据实际情况将其试验到验证负荷。而后缓慢的使弹簧卸载，在此过程中要详细记录有关施加载荷的大小以及弹簧的变形量。

4.2 钢板弹簧刚度试验

4.2.1 支承方法与夹持方法

如果该复合材料板簧带卷耳，那么支承方法与文中上述支承方向相同，其他结构的弹簧需要根据实际装车需求进行支承。板簧中间的夹紧状态需要按照实际装车功能进行。

4.2.2 实验方法

在主副式板簧材料自由状态下对板簧开展刚度实验时，板簧的负荷量要控制加载块来施加。在此需要注意的是所有加载块的长度都要小于100mm，宽度要大于板簧的片宽。在验证板簧刚度的过程中，要以缓慢、连续的方式开展实验，在加载、卸载之后重复上述步骤，计算弹簧加载量的大小。当实验进行到1.5倍荷载量后结束。必要情况下工作人员可以对负荷量再次验证。

变形量：

在上述公式中，f代表的是主副式复合材料板簧在规定负荷下的弹性变形量。f1代表的是主副式复合材料板簧在规定负荷下的加载变形量。f2代表的是主副式复合材料板簧在规定负荷下的卸载变形量。

板簧刚度：

在上述公式中F'代表的是主副式复合材料板簧在规定范围内承受负荷的实测刚度。F代表了主副式复合材料板簧的规定负荷。

5 试验和结果分析

在试验过程中将计算机与试验设备相连，实现了数据实时连接，因此工作人员不需要对各个载荷点的弹簧变形量进行人工记录。

想要计算板簧刚度，工作人员需要在弹簧刚度曲线基础上，对满载状态下的板簧变形量进行计算。选择满载静负荷30%处的静负荷点进行测量。当满载静负荷为28000N时，板簧的载荷分别为28000×1.3=36400N，28000×0.7=19600N。在此情况下，设板簧满载静负荷70%处为A点，130%處为B点。那么板簧在卸载满载静负荷后130%为C点，70%处为D点。完成上述工作之后，x坐标代表的是变形量，y坐标代表的是载荷量。经过整理，最终可得板簧特性实验结果，如下表2所示。

根据上表数值最终可得板簧理论计算与实验差距在要求的10%以内。出现误差的主要原因在于实验过程中忽略了板簧片间的摩擦作用以及生产片厚度控制上的误差。

6 结语

综上所述，在当前人们对汽车轻量化的要求下，复合材料的板簧在应用改变了传统板簧中的不足，优化了板簧的整体结构。主副式复合材料板簧，相较于传统板簧而言，无论是可靠性、安全性还是轻量化都有多改善，为提高汽车悬架功能奠定了坚实的基础。根据本文实验内容来看，此类型板簧的负载力以及刚度都能够满足汽车正常运行，在一定程度上说明了该结构优化设计工艺的可行性，为扩大复合材料板簧的使用范围提供保障。

参考文献：

[1]段瑛涛，张肖肖，王智文，等.编织复合材料顶盖中横梁结构设计及性能验证[J]. 汽车工艺与材料，2019，361（01）：55-59.

[2]黄河源，赵美英，万小朋，等.一种复合材料螺栓连接结构非线性刚度模型及应用[J]. 西北工业大学学报，2018，v.36;No.169（01）：73-80.

[3]周洲，王明星，肖罗喜，等.厚壁复合材料纵置板弹簧用预浸料固化工艺及验证[J]. 塑料工业，2018，046（001）：10-13.