2015208

重型牽引車複合材料板簧的開發與驗證

楊 昂,孫 營，吳曉明,司先軍,司立新，丁冉冉,胡 娟

(集瑞聯合重工有限公司汽車工程研究院，蕪湖 241080)

[摘要] 基於集瑞某款輕量化牽引車的複合材料板簧(FRP)開發工作，分別從結構設計、性能計算、CAE分析、零部件試驗和整車搭載試驗等方面介紹了該車複合材料板簧的開發和驗證過程。試驗數據表明：同等剛度條件下，複合材料板簧的質量比傳統鋼板彈簧減輕60%以上，疲勞壽命提高2倍以上，達到了新產品開發的預期目標。

關鍵詞：複合材料；板簧；設計驗證；輕量化

前言

為適應節能減排的需求，汽車輕量化研發已形成一種潮流，特別是新材料、新工藝的運用越來越得到設計師的青睞。以集瑞6×4牽引車為例，汽車鋼板彈簧約佔整車總質量的4.5%～6.8%，且在原材料生產和產品加工過程中須消耗大量煤炭等非可再生資源；而複合材料的比重還不到鋼材的30%。

本文中基於集瑞某款輕量化牽引車的開發，介紹了複合材料板簧開發的全過程，主要從結構設計、樣件性能試驗和整車試驗驗證幾個方面進行闡述。

1 複合材料板簧的設計

1.1 總體布置方案

為方便後續整車性能和可靠性試驗的開展，複合材料板簧在結構設計初期，充分考慮了與傳統鋼板彈簧的通用性和互換性；同時為確保複合材料板簧的高可靠性和輕量化，經過與傳統鋼板彈簧對比，結合試製樣件的摸底試驗，制定了重型牽引車複合材料板簧性能參數，相關對比數據見表1。

表1 鋼板彈簧與複合材料板簧性能參數對比

對比項目鋼板彈簧複合材料板簧材料50CrVAE玻璃纖維，環氧樹脂橫截面寬度×厚度/mm90×(12～26)90×(28～68)卷耳中心距/mm18001800夾緊弧高/mm114114夾緊剛度/(N/mm)340±34340±34總質量/kg89<40靜態破壞載荷 n-≥100永久變形/mm≤0="" 5≤0="" 5疲勞壽命/萬次≥12≥50密度/(g/cm3)7="" 851="">

鋼板彈簧與複合材料板簧的整車布置示意圖分別如圖1和圖2所示。為快速實現整車搭載試驗，同時考慮傳統板簧與複合材料板簧轉換的方便性，在整車布置時，統一了介面尺寸。

圖1 鋼板彈簧整車布置示意圖

圖2 複合材料板簧整車布置示意圖

1.2 結構設計

複合材料板簧主要部件由板簧本體、板簧吊耳和托臂等組成，如圖3所示。

圖3 複合材料板簧結構圖

複合材料板簧本體設計：根據承載和安裝介面尺寸要求，採用等應力梁原理，進行結構設計和性能優化；通過多輪CAE對比分析，最終選定為雙面增強型的截面方案。

板簧吊耳設計：為保證通用性，吊耳襯套借用現有規格產品，吊耳採用鑄造工藝，吊耳與板簧的連接採用絞制孔螺栓螺母連接，螺栓與孔配合採用h8/H8,同時板簧與吊耳之間採用粘合膠加強連接。

托臂設計：為保護複合材料板簧本體，降低板簧與車橋之間的接觸磨損，板簧與車橋之間增加板簧托臂結構，同時托臂與板簧間採用橡膠墊片減振抗磨。

複合材料板簧本體試裝完成後，與吊耳進行組裝，組裝樣件實物圖見圖4。

圖4 複合材料板簧組裝樣件實物圖

2 複合材料板簧CAE分析

複合材料參數見表2,CAE分析邊界條件為：約束狀況為中間平直段固定，也即板簧的前後兩段各相當於一懸臂樑。滿載驗證載荷為F=41500N；自由弧高為114mm；動載係數為2；其約束與載入方式如圖5所示。

表2 複合材料參數

項目對應值X方向拉伸模量/MPa6530Y方向拉伸模量/MPa45000Z方向拉伸模量/MPa6530拉伸強度/MPa1100壓縮強度/MPa802XY方向剪切模量/MPa2433YZ方向剪切模量/MPa2433ZX方向剪切模量/MPa1698XY方向泊松比0 217YZ方向泊松比0 217ZX方向泊松比0 366

圖5 約束與載入示意圖

按3種載入方式進行分析：(1)滿載時載入方式見圖5(a)，分析結果複合材料板簧撓度為122.6mm，計算剛度為41500N/122.6mm=338.5N/mm，符合剛度要求。撓度和應力雲圖見圖6和圖7；(2)垂向滿載，水平方向供施加2倍垂向滿載負荷，見圖5(b)，板簧撓度與應力分布見圖8和圖9；(3)滿載緊急制動工況，即垂向滿載，水平方向共施加3倍垂向滿載負荷，見圖5(c)，板簧撓度與應力分布見圖10和圖11，複合材料板簧S變形明顯，最大應力為166.8MPa,彈簧處於安全狀態。

圖6 滿載撓度分布雲圖

圖7 滿載纖維方嚮應力分布雲圖

圖8 垂向滿載，水平方向施加2倍滿載負荷時撓度分布雲圖

圖9 垂向滿載，水平方向施加2倍滿載負荷時纖維方嚮應力分布雲圖

圖10 滿載制動撓度分布雲圖

圖11 滿載制動纖維方嚮應力分布雲圖

CAE分析結果與理論計算剛度基本吻合，同時模擬車輛運行過程中的典型工況，複合材料板簧均滿足性能要求。

3 複合材料板簧的試製

複合材料板簧採用層壓工藝進行試製，是一個在加熱的金屬模具中進行預浸漬料的模壓過程。將預浸漬料切成專用形狀並放進模具中進行加溫加壓成型，形狀可以用多片預混料組成的預片板，通過預設定切割和疊放實現，主要工序為裁切、模壓、脫模、後處理和總成裝配。

複合材料板簧在生產過程中，容易導致兩方面缺陷：原材料存放問題和生產工藝穩定性問題。

(1) 原材料存放環境和周期：原材料正常情況下應在-5℃左右的冰櫃內存放，使用前兩天取出，在20℃的環境下解凍48h後使用；如果儲存不當，引起部分固化，會導致樣件製備過程中高分子樹脂的固化速度不一致，內部產生較大的內應力，在使用過程中容易出現裂紋。

(2) 工藝穩定性：在產品的製備過程中，當入模過程把握不好時，會產生邊緣部分的纖維打折缺陷，然後在後處理(飛邊切割與打磨)過程中會產生一些微小裂紋，進而導致板簧使用過程中微小裂紋擴展而引起產品損傷，直到破壞。

4 複合材料板簧試驗驗證

4.1 複合材料板簧零部件台架驗證

根據鋼板彈簧和高分子材料相關標準，對樣件進行零部件驗證，根據複合材料特性，制定了集瑞公司關於複合材料板簧試驗驗證規範，見表3。

表3 複合材料板簧試驗驗證規範

序號試驗項目試驗方法備註190天耐機油檢測GB/T3857和GB/T1449-2高低溫拉伸性能檢測GB/T9979和GB/T3354-3耐鹽霧檢測GB/T12000和GB/T9341-4耐紫外檢測GB/T16422 3和GB/T1449-5樣件基本性能檢測GB/T19844-6疲勞試驗GB/T19844企業標準

根據試驗結果，高分子材料板簧的試製樣件的永久變形檢測、剛度測試、最大承載力檢測和疲勞試驗均符合設計要求。

根據零部件開發驗證計劃，結合鋼板彈簧的行業標準，提出了《複合材料板簧的疲勞試驗規範》，並嚴格按照該規範對3組試製樣件進行性能和疲勞試驗，見圖12和圖13。

圖12 性能試驗圖示

圖13 疲勞試驗圖示

複合材料板簧完成疲勞試驗後，繼續進行破壞性試驗，故障模式見圖14，板簧下部出現縱向分層裂紋，驗證了複合材料板簧的「安全斷裂」特性。

圖14 板簧底部縱向裂紋

根據試驗規範，對複合材料板簧的靜態剛度、垂向疲勞、垂向極限載荷和垂向破壞載荷等關鍵特性進行了試驗驗證，結果見表4。

表4 複合材料板簧試驗驗證結果

序號檢驗項目檢驗方法檢驗結果備註1靜態剛度垂向載入0～44 4kN5個循環，剛度取最後一次趨勢線斜率356N/mm合格2垂向疲勞垂向載入21～50kN，頻率1 5Hz，50萬次，觀察樣品沒有損壞合格3垂向極限垂向載入65kN，保持10min，觀察樣品沒有損壞合格4垂向破壞垂向載入，觀察樣品，直到樣品損壞102 7kN，破壞合格

4.2 複合材料板簧整車匹配試驗驗證

4.2.1 整車匹配試驗對比

根據常規鋼板彈簧更換複合材料板簧後可能引起的整車性能變化，組織主觀評價和客觀測量。複合材料板簧舒適性主觀評價結果見圖15。

圖15 舒適性主觀評價結果

複合材料板簧在綜合壞路上行駛，高頻振動(如小鵝卵石路面、搓衣板路面)感覺較好，但在大衝擊路面(減速坎路面、坑窪路面)，起伏衰減較差。操穩性主觀評價結果見圖16。

圖16 操穩性主觀評價結果

根據試驗結果可知，傳統鋼板彈簧更換為複合材料板簧後，阻尼衰減效果降低，須重新調校減振器參數。

4.2.2 整車可靠性搭載試驗

在2台整車上進行複合材料整車搭載試驗，累計完成3萬km的綜合壞路試驗，試驗結束後，對4根板簧進行拆解，發現板簧剛性接觸作用的橡膠軟墊有一定程度向外擠出(見圖17，後續優化過程中已有改進方案)；經檢測，試驗後板簧本體沒有任何損壞，性能參數符合設計定義。整車搭載試驗完全符合相關標準。

圖17 橡膠墊擠出示意圖

5 結論

通過對複合材料板簧的開發，進行了大量的試驗和驗證工作，結果表明，複合材料板簧相對傳統鋼板彈簧，在輕量化、零部件可靠性和整車性能等方面優勢明顯。複合材料板簧疲勞壽命高，超過鋼製多片板簧約2倍以上，降低了用戶的使用和維護成本，同時其具有「安全斷裂」特性，提高了車輛的可靠性。

採用複合材料板簧，可以大量降低鋼材在生產和加工過程中煤炭等非可再生資源的消耗，同時降低了排放和能耗,符合國家節能環保的產業政策,為汽車輕量化工作提供了一個很好的方向。

參考文獻：

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2015年9月7～8日，由中國汽車工程學會主辦，吉林大學汽車工程學院承辦的「首屆汽車空氣動力學研討會」在吉林大學南嶺校區成功舉辦。這是汽車空氣動力學行業的一次專業交流盛會，適應了國家節能低碳汽車的發展需求，促進了專業人才培養與行業的發展。

研討會邀請到了行業眾多精英，包括同濟大學國家「千人計劃」特聘專家楊志剛、吉林大學國家「千人計劃」特聘專家馬芳武、一汽集團技術中心技術總監孫少雲、中國空氣動力研究與發展中心副總工程師王勛年、吉利汽車工程院資深總工/副院長門永新、日本大阪大學梶島岳夫等著名空氣動力學專家學者以及來自吉林大學、清華大學、同濟大學、湖南大學、西南交通大學、中國空氣動力研究與發展中心、中汽中心、中國汽研、一汽集團、東風汽車、上汽、北汽、廣汽、吉利汽車、FEA ONLINE、EXA、Altair、CD-adapco等高校、研究單位、企業參會代表120餘人。

本次研討會以「節能低碳汽車中的空氣動力學」為主題，圍繞「汽車空氣動力學開發的先進理念」、「空氣動力學在汽車開發中的應用及專業人才的培養」等內容展開。本次研討會彙集了知名高校和研究機構、行業組織、整車企業與相關軟體公司以及在空氣動力學領域有影響力的專家、學者共同參會並參與研討，實現本次研討會演講嘉賓多元化以及參會代表的多元化，有利於各方加深交流和了解，為大家搭建了交流的平台，受到參會代表的肯定。

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2015年9月11日上午，節能與新能源汽車技術路線圖研究課題啟動會在京成功召開。會議由中國汽車工程學會常務副理事長兼秘書長張進華主持，工信部裝備司瞿國春副巡視員，工信部裝備司汽車處佘偉珍處長、中國汽車工程學會付於武理事長、清華大學汽車工程系歐陽明高教授、科技部電動汽車重大專項特聘專家王秉剛、中國汽車工程研究院有限公司李開國總經理、中國汽車工業協會許艷華副秘書長、中國汽車技術研究中心吳志新副主任、清華大學汽車產業與技術戰略研究院趙福全院長、東風汽車公司技術中心方馳主任，以及來自行業組織、高校、科研機構及相關企業的超過150位專家參加了本次啟動會。

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Development and Verification of the Composite Leaf Spring for a Heavy Tractor

Yang Ang, Sun Ying, Wu Xiaoming, Si Xianjun, Si Lixin, Ding Ranran & Hu Juan

AERI, C&C Trucks Co., Ltd., Wuhu 241080

[Abstract] Based on the development work of the composite (FRP) leaf spring of a Jirui lightweight tractor, the whole process of its development and verification is presented from the aspects of structural design, performance calculation, CAE analysis, component test and vehicle test. The test results show that under the condition of equal stiffness, the mass and the fatigue life of composite spring is over 60% less than and over three times as long as that of traditional steel leaf spring respectively, achieving the expected goal of new product development.

Keywords：composite materials; leaf spring; design verification; lightweighting

原稿收到日期為2015年7月2日，修改稿收到日期為2015年8月4日。

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