复合材料板簧在汽车轻量化发展中的应用

高蕊

摘 要：汽车制造行业发展中，汽车轻量化是对汽车技术的创新与改进，对控制汽车能耗、减少汽车燃油量意义重大、复合材料板簧作为汽车的重要组成部分，其在汽车轻量化发展中有着不可替代的作用。因此，本文通过介绍汽车负荷板簧工艺，对汽车轻量化发展中复合材料板簧的具体应用展开研究，借此在汽车材料轻量化基础上，实现整车轻量化，推动汽车技术改革。

关键词：复合材料 板簧 汽车轻量化

Application of Composite Leaf Spring in the Development of Automobile Lightweight

Gao Rui

Abstract：In the development of the automobile manufacturing industry， automobile lightweight is an innovation and improvement of automobile technology， which is of great significance to control automobile energy consumption and reduce automobile fuel consumption. As an important part of automobile， composite leaf springs are used in the development of automobile lightweight， which plays an irreplaceable role. Therefore， this article introduces the automobile load leaf spring technology， and conducts research on the specific application of composite material leaf springs in the development of automobile lightweight development， so as to realize the lightweight of the vehicle based on the lightweight automobile material and promote the reform of automobile technology.

Key words：composite material， leaf spring， automobile lightweight

1 引言

在汽车悬架系统中，板簧属于该系统的重要结构，其参数设计合理性、准确性，直接应着汽车舒适性、稳定性。传统汽车技术中，汽车悬架制造时俊辉使用弹簧钢加工，但却导致汽车整体重量较大，所以在汽车轻量化发展的今天，相关人员可通过降低复合材料板簧自重来控制整车重量。因此，深入探究复合材料板簧在汽车轻量化发展中的应用，对实现汽车轻量化目标有着重大价值。

2 复合材料板簧相关概述

板簧是汽车悬架系统中的重要组成部分，车用板簧通常可分为少片金属板簧、梯形簧、多片簧等结构形式，其在汽车悬架系统中具有减少外部冲击、确保汽车稳定行使的作用。梯形簧是汽车悬架系统中应用频次较多，在车辆组装、悬架系统设计中此种板簧结构形式非常多见。复合材料板簧主要是指高强度、大储能、耐腐蚀的复合材料所制作的汽车钢板弹簧，由于该种材料同时具有衰减振动、弹性弯曲的性能，所以在汽车板簧设计中有着明显的利用优势[1]。

目前，复合材料板簧的制造工艺，包括缠绕模型成型、高压树脂传递模型成型、SMC拉挤成型等，其中SMC拉挤成型工艺是以牵引力为作用力，使用模型模具固化浸润后的纤维带、纤维布，从而连续生产断面形状不同的复合材料板簧。缠绕模型成型工艺则是在纤维材料预浸后，将其缠绕到模具上，随后通过合模、固化等方式，产生复合材料板簧，而在汽车轻量化发展中，需要大规模生产复合材料板簧时，相关人员则可通过高压树脂传递模型成型工艺，批量化自动生产复合材料板簧，满足汽车轻量化发展基本要求。

3 汽车轻量化发展现状

在我国汽车行业中，汽车轻量化发展是为响应国家在节能环保中的相关号召，实现节能减排的基本目标。在我国资源体系中，由于我国人口基数大，所以能源人均占有量较低，节能减排是我国汽车行业建设中，提高国产汽车品牌国际市场竞争力的主要方式，能够帮助我国在国际市场中抢占市场份额[2]。但在汽车制造、汽车设计、汽车结构优化中，部分企业人以车辆低故障、车辆出勤率为汽车技术创新要点，未能认识到控制汽车自重的价值。在此背景下，我国汽车轻量化技术不仅起步较晚，并且发展速度与发达国家差距明显。比如部分自卸汽车、牵引汽车在底盘配置、悬架系统制造中，整体配置相同，且车体重量大。悬架系统作为汽车底盘区域的重要组分，由弹性元件、导向装置、减振元件组成，能够利用弹性元件的连接，缓和内外部冲击的作用。板簧在汽车悬架系统中，可凭借自身衰竭振动、导向性能，简化悬架系统结构，有效降低汽车自重。因此，汽车轻量化发展中，相关人员可根据用户基本要求，应用复合材料板簧确保整车平顺性，并且在控制汽车自重的基础上，提高汽车舒适性。

4 复合材料板簧在汽车轻量化发展中的应用

4.1 应用价值

复合材料板簧在汽车轻量化发展中的应用，是利用该类板簧高强度、轻质、模量高等使用优势，减轻汽车悬架系统内部结构，最终起到降低汽车自重的作用[3]。具体来说，相较于传统钢板弹簧，复合材料板簧的弹性较高，能够提高汽车舒适性，并且该板簧的主要材料为纤维类复合材料，所以在使用中耐疲劳性能较强，疲劳寿命为普通板簧的8～10倍。除此之外，复合材料板簧吸振能力强，振动阻尼高，可在汽车行驶中通过自身阻尼减震性，保证整车平顺性。再者，复合材板簧中包含较多独立纤维，可形成静不定体系，在板簧结构中部分纤维断裂后，汽車产生的荷载可自行移动至其他纤维中，避免悬架结构承载能力受损。

4.2 具体应用

在汽车轻量化发展中，应用复合材料板簧时，相关人员需从复合材料板簧设计入手，分析汽车轻量化目标实现期间，复合材料板簧使用的可行性方案。

第一，复合材料板簧参数计算。以汽车轻量化为目标设计复合材料板簧时，相关人员可将其视为叠合后的层压梁，随后通过计算板簧各平面中的荷载力，评估复合材料板簧在汽车自重控制的实际效果[4]。

具体计算分析流程如下。首先，复合材料板簧横向受力时，汽车行驶期间的荷载力会集中在悬架系统对称面，并且在层压梁偏移后，板簧会出现弯曲变形情况。其次，在与X点平行截面中，板簧中间区域Y点，会从横向、纵向轴移动，而移动后的点可用u、z、w表示。假设纵向轴V的位移为0，横向位移中u、w中各点移间距为常数，并且与汽车行驶中板簧在各方向的移动无关。相关人员在计算复合材料板簧荷载力时，仅需利用公式（1）、（2）计算位移区域中X点、Y点的变形情况即可。其中，公式一为U=u0-z·δW1/δX1，公式二为U=u0-z·δX1/δW1。最后，根据公式中的关系可知，、。其中kx=-δW1/δX1，ky=-δW1/δXδY，表示复合材料板簧中各层压板在汽车行驶后，外部荷载力产生后的扭率、曲率。在利用以上公式计算出εx后，可知εy、εxy分别为0。相关人员可以计算复合材料板簧中第n层的板簧应力。

第二，复合材料板簧的具体设计。汽车悬架结构中，为确保整车重量的减轻，在应用复合材料板簧时，可使用板簧卡箍、板簧垫块、复合材料板簧、橡胶减磨垫组成汽车悬架系统。其中板簧作为该系统的主要应力来源，所以需要通过复合材料板簧优化设计，保证其整体重量符合汽车轻量化发展要求[5]。

相关人员可应用主副式复合材料板簧这一结构形式，并在板簧中设置轻质金属板时，利用胶结方式，固定板簧内部各元件。比如板簧端部用于缓解磨损的垫子，可使用板簧专用卡箍，将其布设在复合材料板簧上，随后使用金属板、中心螺栓将其固定。

另外，通常情况下，复合材料板簧中各层承受力会逐层叠加，所以在汽车轻量化发展中风，需基于汽车行驶中板簧实际承受的荷载力，梳理复合材料板簧设计中各层板簧片的数量、刚度。其中板簧片的实际计算公式分别为复合材料板簧片较短、较长的一端，其承载力分别为P短+2/3p1、p长=2、3p2。假设悬架系统中复合材料板簧左端为板簧片的短端，则板簧片中任何截面的力矩M为-91212x、-7231（1626-x），版簧片内力为13680、-7215，其中力矩M中x取值为0≤x≤0.718。各设计所需参数确定无误后，代入公式，在对该公式进行计算后，获得复合材料板簧设计时板簧实现汽车轻量化的弯曲挠度，然后将其代入各层板簧片的应力公式。

根据版簧片内力矩M，计算出汽车轻量化发展中，复合材料板簧在应用时，其应力α为6800Mpa，并且通过比对板簧制造中复合材料的基本性能、校对和复合材料板簧设计数据，总结出板簧应用中复合材料的性能参数。第一，汽车悬架系统中，横向复合材料板簧的弹性模量应该为45000Mpa。第二，纵向复合材料板簧的弹性模量应该为65300Mpa，且板簧拉伸、伸缩强度分别为6530、1100Mpa.第三，复合材料板簧横纵向平面中，剪切模量应为1698Mpa，泊松比为0.366。

基于上述数据，相同人员设计出的复合材料板簧才能够满足汽车轻量化的要求，对凸显复合材料板簧在我国汽车轻量化发展中的应用价值意义重大[6]。在此期间，相关人员分析复合材料板簧使用方案可行性时，可将复合材料板簧看作具有多个同性面在正交的异形体，然后假设垂直方向的复合材料纤维带平面为同性面，那么在复合材料板簧中各应力点坐标改变时，板簧本身的应变能力不会减弱。因此，相关人员可根据各同性面、具体应力坐标，分析复合材料的弹性模量，并以此为依据评估板簧优化设计方案的应用效果，使汽车悬架系统在不同行驶状态中，都能够利用复合材料板簧衰减振动，保证车辆行驶期间的平稳性，提高汽车行驶安全性。

5 结语

综上所述，汽车轻量化概念的提出，为我国制造新能源汽车指明方向。复合材料板簧在汽车轻量化发展中的应用，是为发挥板簧强度高、弹性应变大等优势，进一步完善汽车悬架结构，有效控制外部环境对汽车造成的冲击。但在复合材料板簧的实际运用中，相关人员还应结合板簧制造工艺、参数设计等方面入手，并利用板簧的轻量化，实现汽车的轻量化。

参考文献：

[1]陳天武，黄昌文，黄乔.轻量化技术背景下汽车板簧发展趋势浅析[J].锻压装备与制造技术，2019（06）：18-20.

[2]周洲，肖罗喜，程杨等.主副式复合材料板弹簧结构设计及性能验证[J].工程塑料应用， 2018（005）：77-82.

[3]李洋，尹才宣.复合材料在汽车轻量化设计中的应用[J].大众汽车，2019（5）：112-113.

[4]王蹐尹.汽车轻量化材料及制造工艺研究[J].科技创新导报，2019（02）：66-67.

[5]樊凯，李建林，王遵等.基于Isight复合材料板弹簧的结构优化设计[J].纤维复合材料， 2019（3）：121-122.

[6]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（05）：167-170.