某新型商用车复合材料板簧轻量化研究

邓 斌，刘文磊，王 博，黄 勤，李汇诚

（江西五十铃汽车有限公司，江西 南昌 330010）

引言

随着疫情后经济的快速复苏，城区内货物配送变得越来越频繁，同时农村城市化进程加快，汽车下乡、以旧换新等多项扶持政策的实施，农村轻卡市场需求也受到极大刺激。城市物流市场和农村运输市场的蓬勃发展为轻型卡车市场带来了巨大机遇[1-2]。与此同时，随着国六排放法规等政策的陆续出台，国家对于汽车行业提出了更严的要求，在此背景下，汽车轻量化设计成为全行业竞争高地和重要发展方向。汽车轻量化技术，旨在保证汽车的强度、刚度和安全等性能的前提下，尽可能减轻整备质量，进而提高汽车综合性能，实现低碳绿色环保可持续发展[3-4]，故研究商用轻卡轻量化，具有显著的经济价值和社会效益。

本文基于工程材料学和汽车设计理论，开展了某商用轻卡复合玻璃纤维板簧结构优化设计，并实车采集了襄阳试验场的道路加速度数据，结合ABAQUS软件，对玻璃纤维前后板簧进行了CAE结构强度分析，结果显示，玻璃纤维板簧轻量化方案满足设计目标，综合轻量化效果实现减重35 kg，效果显著，具有较强的市场推广前景。

1 复合材料轻卡板簧结构优化设计

玻璃纤维复合材料，是一种性能优异的无机非金属材料，它是以叶腊石等矿石为原料,经高温熔制，拉丝和织布等工艺制成，如图1，玻璃纤维通常用于复合材料的增强材料。本文基于轻量化考虑，开展了玻璃纤维板簧技术研究。玻璃纤维板簧，是以环氧树脂为基体，以玻璃纤维为载体，通过特殊模压工艺制成的一种复合材料轻质板簧，具有重量轻、弹性模量低、更安全舒适等优越性能，具有广阔的应用前景。

图1 玻璃纤维板簧

钢板簧是轻卡悬架系统中应用广泛的一种弹性元件，如图2（a），它是由若干片等宽但不等长的钢材弹簧片组成，其主要构成部件是卷耳、弹簧夹、钢板弹簧及螺栓螺母等零部件。本文研究的轻卡车型设计质量为标载。参考钢板簧结构，上端采用钢板弹簧，下端采用玻璃纤维材质板簧，由弹簧夹和中心螺栓建立连接关系，构成玻璃纤维板簧轻量化方案，如图2（b），单片玻璃纤维板簧可以减重约6.5 kg。

图2 钢制板簧与玻纤板簧结构对比

2 玻璃纤维板簧加速度试验

2.1 襄阳试验场耐久道路工况

襄阳汽车试验场是我国汽车行业内著名的综合性汽车试验场地，拥有坏路、平路、山路等路面[5]。本文开发的某商用轻卡整车耐久试验开展的是坏路和山路考核，主要包括搓板路和坑洼路等路面（图3）。

图3 襄阳试验场道路路面示意图

2.2 玻璃纤维板簧加速度采集

本文在襄阳试验场进行了某商用轻卡玻璃纤维板簧加速度采集试验，图4为加速度传感器布点位置说明，整车GVW质量5 595 kg。

图4 加速度传感器布点位置示意图

2.3 玻璃纤维板簧加速度数据分析

本文在襄阳试验场进行了四轮坏路工况采集，玻璃纤维板簧加速度数据测试结果如图5，其中X向峰值加速度为1.1 g，Y向峰值加速度为1.9 g，Z方向最大值达到6.6 g，兼顾设计使用余量，本文输入于玻璃纤维板簧强度分析的载荷激励为X向3 g，Y向3 g，Z向8 g。

图5 玻璃纤维板簧加速度测试结果

3 玻璃纤维板簧CAE强度分析

本文利用ABAQUS软件，建立了玻璃纤维板簧CAE有限元模型，并根据襄阳试验场实车加速度激励数据，对玻璃纤维前后板簧进行了CAE强度分析，分析结果如图6和图7。

图6 玻璃纤维前板簧CAE强度分析结果

图7 玻璃纤维后板簧CAE强度分析结果

其中玻璃纤维前板簧X向3 g工况下的最大拉应力为584 MPa，Y向3 g工况下的最大压应力为558 MPa，Z向8 g工况下的最大拉应力为565 MPa。玻璃纤维后板簧X向3 g工况下的最大拉应力为418 MPa，Y向3 g工况下的最大压应力为507 MPa，Z向8 g工况下的最大拉应力为329 MPa，复合材料拉应力应<850 MPa，压应力应<650 MPa，故本文研究的玻璃纤维板簧强度性能满足要求。

4 玻璃纤维板簧道路试验

本文对玻璃纤维板簧方案进行了结构设计与CAE分析后，同时开展了玻纤板簧整车道路耐久试验考核验证，如图8，经过2.5个月道路耐久试验，玻璃纤维板簧通过路试考核。

图8 襄阳整车道路试验场

5 结论

本文基于工程材料学和汽车设计理论，开展了某商用轻卡复合玻璃纤维板簧结构优化设计，并实车采集了襄阳试验场的道路加速度数据，结合ABAQUS软件，对玻璃纤维前后板簧进行了CAE结构强度分析，结果显示，玻璃纤维板簧轻量化方案满足设计目标，并通过了道路耐久试验考核，综合轻量化效果实现减重35 kg，效果显著。