汽车复合材料板簧探讨

高蕊

摘 要：近年来，社会经济在快速发展的同时，科学技术更新与发展的速度不断加快，在很大程度上也极大的促进了各行各业的迅速发展，人们的生活水平显著提升，对于汽车的需求量不断攀升，汽车工业也步入了蓬勃发展阶段，各种新型材料被应用到汽车工业生产当中，板簧是汽车悬架系统当中非常关键的零部件，其对汽车的整体舒适性以及操作稳定性有着重要的影响。传统悬架系统所采用的板簧材料主要是弹簧钢加工所制成的，实际重量非常大，随着各项技术的快速更新，轻量化车型也逐渐受到了人们的广泛关注，而采用复合材料板簧，对实现汽车轻量化发展有着重要的价值。当前所采用的复合材料与金属连接工艺稳定性较差，不能满足当前各种汽车使用需要，特别是重载车型的起动与制动等操作中存在一定的失效风险。而复合材料板簧轻量化存在突出的优势，能够有效降低复合材料的使用风险，而文章探讨的一种结构，将复合材料板簧作为结构，金属板簧与接口尺寸一致，这样能够满足当前装车板簧的互换，非金属板簧片的重量明显轻了许多，从而实现轻量化应用。

关键词：汽车 复合材料 板簧 轻量化 优化设计

Discussion on Automobile Composite Material Leaf Spring

Gao Rui

Abstract：In recent years， with the rapid development of social economy， the speed of science and technology update and development has been accelerating. To a large extent， it has greatly promoted the rapid development of all walks of life. People's living standards have improved significantly. The demand for the automobile industry continues to rise， and the automobile industry has entered a stage of vigorous development. Various new materials have been applied to the production of the automobile industry. The leaf spring is a very key component in the automobile suspension system， which has an impact on the overall comfort and operational stability. The leaf spring material used in the traditional suspension system is mainly made of spring steel， and the actual weight is very heavy. With the rapid update of various technologies， lightweight models have gradually received widespread attention， and composite materials used for leaf springs have important value for realizing the lightweight development of automobiles. The currently used composite material and metal connection process has poor stability and cannot meet the current needs of various automobiles. In particular， there is a certain risk of failure in operations such as starting and braking of heavy-duty vehicles. However， composite leaf springs have outstanding advantages in light weight， which can effectively reduce the risk of using composite materials. The structure discussed in this article uses composite leaf springs as the structure， and the metal leaf spring has the same size as the interface， which can meet the current requirements. The interchange of car leaf springs makes the weight of non-metal leaf springs significantly lighter， thus realizing lightweight applications.

Key words：automobile， composite material， leaf spring， lightweight， optimized design

隨着各行各业的快速发展，汽车工业作为重要的领域，对国民经济的稳步增长有着重要的意义，随着人们的需求不断发生改变，也促使汽车工业越来越重视轻量化技术的发展及应用。与节能减排战略发展方向相符合，对提升我国汽车品牌的国际竞争力有着重要的影响，如今，汽车轻量化技术已经是衡量汽车产品的重要标准。数据显示，当前国内自主品牌汽车自重高于其他国家同类型汽车，且国内部分汽车用户时常会出现用户超载的情况，在汽车轻量化技术应用方面和发达国家相比较，依然存在较大差距。整体而言，汽车轻量化主要是从以下方面入手：首先是结构方面，通过新型结构降低汽车重量，再者便是材料方面，通过采用新型复合材料，代替传统金属材料，从而逐步实现轻量化的最终目的。

1 汽车复合材料板簧概述

悬架系统是整个汽车系统当中极为重要的组成部分，也是底盘设计的重要环节，能够将车架和轮胎间有效的连接在一起，这样也能够缓解冲击力与振动，且钢板弹簧也有着一定的导向作用。而悬架系统结构的逐渐简化，在一定程度上，也有效降低了成本的投入，结构布置也更为简单化，因此，少片金属板簧悬架结构被广泛应用于各类商用汽车当中，受到用户的广泛认可。随着人们对于汽车轻量化以及稳定性整体要求不断提高，汽车钢板弹簧也由多片簧逐渐朝着少片金属板簧发展，少片金属板簧具有摩擦小、噪声小、质量轻等特征。为了最大程度上保障其舒适性与安全性，通过优化设计达到减重的目的难度较大，且无法改变尺寸和参数。因此，复合材料板簧的應用是推进汽车轻量化发展的重要手段，对提升汽车的整体稳定性与舒适性有着重要的作用。

2 汽车复合材料板簧设计应用现状

复合材料的整体强度比较高，储能很强，材料的实际利用率也比较高，减振能力与耐腐蚀性能良好，弹性弯曲性强，复合汽车板簧的实际应用需求。早在上世纪70年代，便已经开始研究复合材料板簧，和汽车导向板的加工工艺相同。在70年代末开发出的复合材料板簧，主要采用的是连续纤维缠绕工艺，其整体性能、成本和产量都满足要求。通过对复合材料板簧和普通钢板弹簧进行综合分析与对比，数据结果显示，复合材料板簧重量整体非常轻，且应力也比较低，从而保障行驶的稳定性与平顺性[1]。

数据显示，在国内，复合材料板簧也被应用于各个领域当中，通过大量的实验研究，结果表明复合材料板簧的应力降低了许多，通过对静载与疲劳性能进行测试，板簧也符合具体设计要求。复合材料板簧的整体重量很轻，且寿命也比较长，其市场占有率居高不下，复合材料板簧已经被逐渐应用到许多汽车厂生产与应用当中。通过研究发现，复合材料板簧具有以下优势，主要体现在以下几点：

（1）复合材料板簧和少片金属板簧相比较，整体重量减轻了大约50%以上，变化幅度是非常大的。（2）极大的提升了整体可靠性与安全性，复合材料板簧同时也具有安全断裂的性能，可分层开裂，从外观上看，变化不明显，只有几条裂纹，即使结构被破坏，刚度也大幅度降低，但是依然能够保障整体基本形状，也能够保障空载状态下，继续行驶。（3）疲劳寿命较高，结构在设计过程中，根据实际需求，所采用的具体材料也有着很大的不同，是多片簧的2-10倍以上。（4）寿命费用相对合理，复合材料板簧与钢制板簧相比较，整体寿命成本更低，且重量也大幅度减轻，极大的节约了材料等成本费用。（5）在荷载能力相同的条件下，其工作行程设计可以更大，极大的提升了整体舒适性与稳定性。（6）材料的整体阻尼较大，因此，在不同工况环境下进行生产，其噪音都是非常小的，这样也能够极大的减轻对环境造成的污染，有效改善周边环境。（7）符合材料板簧的应用范围不断扩大，可被逐渐应用于桥车以及商用车辆当中。

通过对符合材料进行深入分析与研究能够发现，国外对于复合材料产品的应用已经有很多年了，也掌握着关键核心技术，当前国内对于复合材料的设计依然是在结构优化方面，在汽车应用方面的研究相对较少。国内复合材料设计主要还是参照国外先进的经验和样品进行分析对比以及测试，针对分析、试验结果，从而进一步明确复合材料板簧的配方，其性能能够最大程度上满足疲劳性能以及承载能力，强度也大幅度提升[2]。

3 复合材料板簧制造工艺分析

复合材料板簧早期的制造工艺类型主要是缠绕模压成型工艺，设计模压模具以及纤维缠绕模具，该复合材料板簧的外表面也比较光滑，性能也比较稳定。另一种复合材料成型的方法主要是SMC拉挤成型，主要是指的是浸润纤维带，受到牵引力的作用，挤压模具，逐渐成型固化，并且连续不断的进行时生产，该工艺比较适用于非常规断面的型材。其具备以下优点：

（1）可实现自动化、连续性的进行生产;（2）整体生产效率是非常高的，可实现多模多件。（3）整体纤维的含量非常高，达80%左右，可最大程度上发挥纤维的实际性能，提升产品的整体强度。（4）横纵向强度能够任意的调整与优化，最大程度上满足不同场景的使用要求。（5）制品的整体可靠性非常稳定，波动范围小。（6）原材料的实际利用率非常高，废品率非常低。

SNC模具主要分为以下两个部分：

（1）预成型模具：通常情况下，在拉挤成型工艺当中，先要浸润树脂，要采用预成型模具，其主要是各类元件所共同组成，浸润后的复合材料的尺寸、形状等符合最终近似形状，其能够最大程度上保障断面的含砂量[3]。（2）成型模具：为了最大程度上保障模具的强度和刚度，模具必须要有相对足够的横截面积，通常情况下，复合材料是应当进行加热固化的，因此，模具在进行加热之后，不同部分的温度一定要保持稳定均匀。模具的实际长度应当由树脂固化具体时间进行确定。还有一种是SCM模压成型，其主要指的是将SMC材料放入金属模块当中，在压力以及温度的双重作用影响下，逐渐固化成型[4]。

4 少片金属板簧设计

以市场上销量比较好的一款车型为例，对其进行称重之后，得到车辆整体总重量，有利于在进行板簧荷载设计过程中提供参考，针对实际称重结果，主要被应用于牵引车上，因此，对于整体舒适度的要求是比较高的，为了尽可能避免较大的振动情况，对驾驶室造成影响。通过计算可进一步得出板簧的实际刚度，其形状外观具备以下特点：两端呈卷耳设计，其主要是为了在尽可能避免在制动过程当中，板簧卷耳尽量不出现弯矩，从而提升整体寿命。其次，前后长度不同，增加后半段的整体刚度，从而不断提升车辆的整体抗侧倾能力，尽可能的避免刹车出现扭曲变形或者摆动。

5 复合材料板簧设计

复合材料板簧当中有金属板，采用胶结的方式也使得其更加的方便简单，且实用性与可靠性也更高，两侧有橡胶磨垫，将板簧卡箍固定在材料上，复合材料板簧第一片和第二片之间属于叠加的关系，可针对两片的承载荷载，设计其刚度。从计算的结果能够得出，复合材料板簧设计过程中，并未达到板簧的实际强度，通过核算，明确复合材料板簧的强度与应力复合具体要求，同时满足产品的实际性能，也能够充分说明板簧设计结果的可行性，从而最大程度上满足悬架在不同工况中的具体使用需求[5]。

6 结语

此次以汽车悬架部分的重要元件为例进行深入研究与分析，进一步论证了少片金属板簧与复合材料板簧组合结构之间的不同之处，主要包括以下方面：因复合材料板簧和金属连接之间存在风险，从而造成复合材料板簧难度较大，为了进一步实现汽车复合材料板簧轻量化，在其刚度与刚度符合要求的情况下，先设计少片金属板簧，之后再进行复合材料板簧设计，不断的优化与完善，对于可能出现的失效点应当进一步优化，最大程度上保障产品的可靠性与稳定性，从而不断提升设计效率和质量，节约实际生产时间。

参考文献：

[1]张先彬，黄昌文，汪翠琴，等.复合材料板簧在汽车轻量化发展中的应用[J].安徽科技，2019，000（002）：48-49.

[2]李宇菲.复合材料汽车板簧的优化设计及其有限元分析[D].武汉理工大学，2018.22（6）22-23.

[3]樊凯，丁智平，张亚新，等.汽车复合材料板弹簧单向层压板的性能研究[J].汽车实用技术，2018，000（002）：15-17.

[4]董国华，袁国青.复合材料汽车板簧与车桥壳的联接研究[J].玻璃钢/复合材料2018，22（6）：42-43.

[5]崔强，俞陆新，柳砚.冲击载荷下汽车复合材料板簧结构阻尼性能研究[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2020.22（6）33-34.