沃爾沃XC60用複合材料造懸掛

近年來輕量化設計逐漸成為各大汽車廠商節能減排、響應國家政策及法律法規的重要手段。除了車身及內飾以外，底盤中重要的零部件同樣可以實現輕量化設計。

今天帶大家了解一種新型輕量化底盤部件——複合材料板彈簧。最新款沃爾沃XC60也換裝上的複合材料葉片彈簧（Composite Leaf Spring）。

為啥大家都在極力追求輕量化？

相關研究表明，汽車減重10%，油耗可減少6%-8%，而對於新能源汽車來說，相當於電池能量密度提高9%。此外，由於重量減少，汽車制動距離、輪胎壽命等都會得到較明顯的改善。

目前大部分廠商的輕量化設計主要從車身、內飾件著手。如寶馬i3的碳纖維車身，全部採用碳纖維製造而成。雖然成本是高了點，但是與同樣金屬材料的車身相比，重量輕了近50%，輕量化效果顯著。

寶馬i3純碳纖維車身

先從複合材料說起

在介紹葉片彈簧之前，首先帶大家認識一下什麼是複合材料。複合材料這個名詞我們並不陌生，那麼究竟什麼是複合材料呢？為了便於大家理解，舉個最簡單粗暴的例子：

很久很久以前的祖先們所住的茅草屋，其「牆體」是採用泥漿、秸稈混合到一塊構建而成，這樣的「牆體結構」實際上具有很好的力學特性，由於秸稈的拉伸作用，使得牆體輕易不會垮掉。

而複合材料板彈簧所應用的複合材料，也是這麼一種結構形式，其組成成分主要是包括增強纖維（『秸稈』）、樹脂基體（『泥漿』）經過一定的工藝加工而成。這種結構複合材料的兩大特點：重量輕、性能好。

複合材料葉片彈簧長什麼樣？

複合材料的概念我們有了大致的了解，那麼複合材料葉片彈簧又是怎麼一回事呢？原來，為了實現底盤的輕量化設計，工程師們開發了複合材料板彈簧來代替原有的鋼板彈簧。

下圖綠色結構即為沃爾沃XC60中採用的橫置玻璃纖維增強複合材料葉片彈簧，由玻璃纖維（本特勒公司提供）和聚氨酯（漢高公司提供）加工而成。

該複合材料葉片彈簧僅重3kg，比傳統彈簧輕了約4.5kg，單個零部件減重近60%。值得驕傲的是，目前國內也成功自主開發了縱置複合材料葉片彈簧。

採用複合材料葉片彈簧有什麼好處？

目前各大汽車廠商及科研院所都對複合材料葉片彈簧展開了研究，那麼採用這種結構形到底有什麼好處呢？

第一，減重效果明顯。通常來講，複合材料葉片彈簧總重量（含金屬接頭）約為鋼板彈簧重量的50%，可大大減輕簧下質量，節省油耗。不要小看這50%，量產裝車的節能減排效果還是非常可觀的。

尤其是對於一些重型貨車，意味著可以裝更多的貨物，省更多的油。對於電動汽車來講，這比費盡心思提高電池能量密度來的更簡單粗暴一些，但是效果卻非常明顯。

針對某輕型客車開發的複合材料葉片彈簧，減重約50%。

第二，可改善整車的NVH（振動、雜訊和不平順性）特性。傳統的鋼板彈簧由於簧片之間的摩擦力，會產生一定的異響。而對於複合材料葉片彈簧，由於其一般採用單片簧結構，因此不會存在異響問題。

此外，複合材料自帶的阻尼特性，也可以加快振動的衰減，為乘客提供良好的乘坐舒適性。

第三，改善整車操縱穩定性：作為簧下質量的一部分，複合材料葉片彈簧的應用可明顯減少簧下質量，可大大提高轉向的輕便型，提高整車的操縱穩定性。

第四，良好的耐久性：通常鋼板彈簧的疲勞壽命約為10萬次。試驗結果表明，通過合理的結構設計，複合材料葉片彈簧的壽命可達54萬次。此外，將原有的螺旋彈簧替換之後，複合材料彈簧還可以代替導向結構、以及橫向穩定桿的作用，同時還可以增加後備箱的儲物空間。

葉片彈簧有沒有可能取代傳統螺旋彈簧？

最早應用複合材料葉片彈簧的車型要追溯到1981款雪佛蘭克爾維特跑車上面。直到如今的C7 Stingray，克爾維特一直堅持使用橫置複合材料葉片彈簧，是不是有些不可思議？但是其高超的設計水平決定了其良好的操縱性能！

該布置形式使得布置自由度變大、減少對車廂空間的佔用、有效降低簧下質量、提高懸掛響應特性、兼具防傾桿的作用等。甚至還可以通過變截面設計，設計出比一般的螺旋彈簧更容易做出的變剛度特性。此外，文章開頭提到的沃爾沃XC60，以及S90都裝有複合材料葉片簧結構。

國外的一些重型卡車上面也是大量採用了複合材料葉片彈簧結構。部分概念車，如13款標緻208混合動力概念車也是採用複合材料葉片彈簧。總的來說，複合材料葉片彈簧雖然是個好東西，但是對於乘用車來講，與螺旋彈簧相比，沒有進行大範圍推廣的原因是什麼呢？

首先，乘用車對於底盤零部件有著特殊要求：乘用車要求車身上下跳動時具有一定的行程，與貨車相比，乘用車離地間隙較小，如果採用縱置複合材料葉片彈簧，則很難保證一定的懸架行程。

貨車常用的縱置鋼板彈簧：懸架行程較小，舒適度較差

其次，考慮產品生產加工效率。目前的螺旋彈簧大都採用批量生產直接加工而成，生產流程體系非常完整，能夠很快的根據廠家要求進行生產加工設計，而對於複合材料葉片彈簧而言，其設計加工過程較為複雜，需要考慮的因素有很多，如變截面設計、接頭連接設計、纖維鋪層設計，這一系列工作都具有較高的技術含量。

成本當然是最主要的限制因素。相比之下，單個複合材料葉片彈簧的價格約為鋼板彈簧價格的3倍左右，這樣的成本對於整車廠來講，實在是較難接受。

最後一個原因，筆者認為就是觀念問題了，具體來講就是一部分人會認為複合材料看起來跟塑料差不多，這個東西能靠譜嗎？筆者在攻讀碩士期間也對這個問題從事了一段時間的研究，相關的試驗也接觸過，就複合材料葉片彈簧的耐久性、剛度性能來講，通過合理的匹配設計，複合材料葉片彈簧完全可以滿足實際需求。

隨著國內新能源汽車的發展，輕量化設計是必然趨勢。因此複合材料葉片彈簧還是具有很廣闊的市場的。目前國內各大汽車廠商也針對複合材料葉片彈簧的開發進行了相應的技術儲備，對於大批量產裝車，都處於「蠢蠢欲動」的狀態，都在儘力控制成本和市場風險。

至於將來能否大規模應用，就交給市場來決定吧！

延伸閱讀——複合材料葉片彈簧是怎麼加工出來的？

介紹了複合材料葉片彈簧眾多的優點，那麼到底是怎麼製造出來的呢？目前，複合材料葉片彈簧的成型工藝主要有以下兩種：

模壓工藝：

模壓工藝是將浸潤了樹脂材料的增強纖維，如玻璃纖維、碳纖維等進行壓實、裁剪，然後放到複合材料葉片彈簧模具里進行壓實，並提供一定的溫度環境，放置一定的時間後，便可取出進行修邊處理，進而成型。工藝流程相對簡單，成本也相對較低。但是缺點在於產品的大小容易受設備尺寸的限制。

高壓樹脂轉移技術（HP-RTM工藝）

該工藝過程主要是將裁剪好的增強纖維放置到模具中，合模密封，然後注入樹脂，保溫保壓操作後，便可製成初步的簧身結構，再進一步加工即可製成產品裝車。

複合材料葉片彈簧HP-RTM工藝流程圖

該工藝是目前複合材料產品加工常用的工藝，可以保證良好的加工質量。但是其設備多是從國外引進，價格相對都比較高。

恩格爾公司和亨內基公司開發HP-RTM生產線

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