复合材料板簧.
不同复合材料板簧的性能比较及结构优化
关键词: 复合材料ꎻ 板簧ꎻ 结构优化ꎻ 有限元分析
中图分类号: ＴＢ３３２ 文献标识码: Ａ 文章编号: ２０９６－８０００(２０２０)０６－００３５－１１
１ 引 言
一个重量最小的板簧ꎬ并且能够承受给定的静载而
由于复合材料具有机械性能优异、密度低及易
目标优化模型ꎮ 模型的变量是铺层方案的参数ꎬ子
目标为刚度、强度和质量ꎮ 优化结果表明ꎬ复合叶簧
前ꎬ国内外汽车制造商正致力于研发采用复合材料
的宽度应最大化ꎬ其厚度从板簧眼端向支座抛物线
板簧来替代传统钢材板簧ꎬ在汽车的轻量化、行驶的
增加ꎮ 台架试验结果表明ꎬ复合材料板簧的质量仅
舒适性和操纵的稳定性等方面展开了大量相关研
优的性价比ꎬ重量相比传统钢材板簧减轻了 ８０％ꎮ 为进一步减轻单片 Ｅ 玻纤复合材料板簧的重量ꎬ对其应力较小区域进行变
截面宽度的结构优化ꎮ 结果表明优化后的单片变宽度 Ｅ 玻纤复合材料板簧重量相比优化前板簧ꎬ进一步减重 ５ ２％ꎮ 对钢板
板簧及优化前后的单片 Ｅ￣玻纤复合材料板簧的安全系数、振动频率及应变能等进行综合比较ꎬ结果表明ꎬ结构优化后的单片变
复合材料科学与工程
３５
２０２０ 年第 ６ 期
不同复合材料板簧的性能比较及结构优化
陈广豪ꎬ 梁智洪ꎬ 张芝芳 ∗
( 广州大学广州大学￣淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心ꎬ 广州
５１０００６)
摘要: 随着汽车行业日益激烈的竞争和环境问题的不断凸显ꎬ有必要对汽车部件进行优化减重设计ꎮ 本文利用 ＣＡＴＩＡ
板簧结构ꎬ对于汽车其他金属构件的轻量化设计也
为钢板弹簧的 ４０％ꎬ且疲劳寿命是其 ３ 倍ꎮ 此外ꎬ复
复合钢板弹簧的分析与优化
复合钢板弹簧的分析与优化Mahmood M. Shokrieh *, Davood Rezaei 复合材料研究实验室，机械工程系，伊朗科技大学，narmak,德黑兰16844，伊朗理论轻型车辆后悬架系统中使用的四片钢板弹簧是用ANSYS V5.4这种软件进行分析的。
有限结果显示应力和挠度的解析解和实验验证。
使用这种钢板弹簧的结果，通过ANSYS设计出了一种由玻璃纤维与环氧树脂复合制成的弹簧并且得到优化。
主要考虑的是弹簧几何的优化。
其主要目的就是获得一种能够无故障地承载静态外力的轻型弹簧。
这个设计的难点就是受力与位移。
结果表明，最佳的弹簧宽度是以双曲线的规律减小，而厚度从弹簧端孔向轴座线性的增加。
比起钢弹簧，优化复合弹簧应力较低，其自然频率较高和弹簧重量在没有端孔情况下降低80%。
2003埃尔塞维尔科技有限公司版权所有。
关键词：钢板弹簧；复合材料；形状优化；有限元；复合接头；自然频率；悬架系统；组合梁1、介绍为了取代金属零件，复合材料在现在汽车工业中得到广泛使用。
关于应用于汽车的复合材料的多篇论文得到发表。
在这里引用了其中的一些论文，重点是那些涉及复合钢板弹簧的论文。
Breadmore [ 1 , 2]研究了汽车复合结构的应用。
Moris[3]集中把复合材料应用到后方的悬挂系统。
Daugherty[ 4]研究了复合钢板弹簧在重型卡车中的应用。
Yu and Kim[ 5]设计并优化了应用于汽车悬挂的双锥形束钢板弹簧。
Corvi[ 6]调查复合梁设计的初步探讨并用它设计了一个复合钢板弹簧。
弹簧是汽车悬挂中关键的一部分，在尽量减少由于道路违规带来垂直振动，影响和颠簸并创造舒适的乘坐方面是必要的。
钢板弹簧，尤其是纵向型的，是一个可靠和持续的元素在汽车悬挂系统中。
这些弹簧通常由钢板叠加而成，长度由下而上逐步变长，使弹簧在中间抵抗弯曲的地方比较厚而在末端与机体相连的地方比较薄。
弹簧片应支持如图1所示的各种外部力量，但最重要的任务是抵抗变化的垂直力。
重卡 单片复合材料板簧的作用
重卡单片复合材料板簧的作用
重卡单片复合材料板簧是重型卡车悬挂系统中的一个重要组成
部分，它具有以下作用：
1. 负载支撑，单片复合材料板簧能够承受重型卡车的负载，通
过弹性变形来支撑车辆的重量，从而保持车身的稳定性和平衡性。
它能够减轻车辆的震动和颠簸，提高车辆的行驶稳定性和舒适性。
2. 缓冲减震，单片复合材料板簧在车辆行驶过程中能够起到缓
冲和减震的作用，吸收来自路面的冲击和振动，减少对车辆和货物
的影响，保护车辆的悬挂系统和货物不受损坏。
3. 提高承载能力，相比传统的金属板簧，单片复合材料板簧具
有更高的强度和承载能力，能够在保持相同尺寸的情况下承受更大
的负载，提高了车辆的运输能力和效率。
4. 耐久性和轻量化，单片复合材料板簧由高强度的复合材料制成，具有优异的耐久性和抗腐蚀性，能够在恶劣的环境下长期使用。
同时，相比传统的金属板簧，复合材料板簧具有更轻的重量，能够
减轻车辆的整体重量，提高燃油经济性。
综上所述，重卡单片复合材料板簧在重型卡车悬挂系统中扮演着重要的角色，它不仅能够支撑和缓冲车辆的负载和震动，还能够提高车辆的承载能力和耐久性，对于提升车辆的运输效率和安全性具有重要意义。
板簧设计资料
第一节 概 述悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把悬架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接起来。
其主要任务是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩，并且缓和路面传给车架(或车身)的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。
悬架由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等组成。
导向装置由导向杆系组成，用来决定车轮相对于车架(或车身)的运动特性，并传递除弹性元件传递的垂直力以外的各种力和力矩。
当用纵置钢板弹簧作弹性元件时，它兼起导向装置作用。
缓冲块用来减轻车轴对车架(或车身)的直接冲撞，防止弹性元件产生过大的变形。
装有横向稳定器的汽车，能减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角振动。
对悬架提出的设计要求有：1)保证汽车有良好的行驶平顺性。
2)具有合适的衰减振动能力。
3)保证汽车具有良好的操纵稳定性。
4)汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合适。
5)有良好的隔声能力。
6)结构紧凑、占用空间尺寸要小。
7)可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。
为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求由簧上质量与弹性元件组成的振动系统的固有频率应在合适的频段，并尽可能低。
前、后悬架固有频率的匹配应合理，对轿车，要求前悬架固有频率略低于后悬架的固有频率，还要尽量避免悬架撞击车架(或车身)。
在簧上质量变化的情况下，车身高度变化要小，因此，应采用非线性弹性特性悬架。
汽车在不平路面上行驶，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直振动。
为了迅速衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减振器，并使之具有合理的阻尼。
利用减振器的阻尼作用，使汽车的振动振幅连续减小，直至振动停止。
要正确地选择悬架方案和参数，在车轮上、下跳动时，使主销定位角变化不大、车轮运动与导向机构运动要协调，避免前轮摆振；汽车转向时，应使之稍有不足转向特性。
复合材料板簧
２、复合材料板簧应用实例
跃野车上的应用
２、复合材料板簧应用实例
前轴横置单簧
２、复合材料板簧应用实例
火车上的应用
２、复合材料板簧应用实例
火车上的应用
３、复合材料板簧应用的意义
减轻汽车重量对汽车的发展具有特殊重要的意义。减 轻汽车自重，不仅可以减少原材料的消耗，降低汽车的成 本，还可以显著降低汽车能源消耗量，减少有害气体的排 放，提高汽车的动力性能。研究表明，汽车质量每减小10 ％，可降低6％∼8％的油耗。据相关资料，汽车质量每减 小50kg，则每升燃油行驶的距离可增加1km；若质量减小 10％，则燃油经济性可提高5.5％左右。减轻车辆自重， 实现轻量化设计已成为当今汽车发展的趋势之一。
不同形状的板簧，交叉设计目前应用最多。
４、复合材料板簧的技术发展概况
其它形状的复合材料车用弹簧
蛇形弹簧
螺旋弹簧
４、复合材料板簧的技术发展概况
复合材料板簧的成型工艺
（1） 缠绕工艺是由连续纤维束和基体材料组成的，其中放置纤维束
的转动轴引导纤维沿着轴的方向向前和向后以便于实现所需要的缠绕 角度，纤维的方向是沿着板簧的长度方向的。缠绕工艺在成型恒定厚 度的板簧是非常容易的 ，为了实现所需的纤维含量，材料性能和尺寸 控制，必须在加热加压的情况下进行固化。
４、复合材料板簧的技术发展概况
复合材料板簧的成型工艺
（2）拉挤工艺是通过拉出连续树脂浸渍纤维，通过陶瓷连接去生产一 个给定的交叉区域，可以通过R.F.加热快速固化，拉挤工艺可以生产直 的，连续的区域，但是只要纤维含量是恒定的，如果应用合适的工具可 以生产出形状或弧度变化的板簧，因此当产品脱离结合区后后固化程度 达到90%时，重新塑型的改变量就会很小。
【技术帖】复合材料板簧设计与开发
【技术帖】复合材料板簧设计与开发【摘要】针对于汽车复合材料板簧进⾏产品结构设计、材料选择、⼯艺优化，结合CAE分析仿真计算，掌握板簧铺层设计⽅法。
通过台架试验，研究复合材料板簧测试⽅法，形成相应的技术标准,同时对复合材料板簧进⾏成本分析，为其产业化做铺垫。
主题词：复合材料板簧设计开发1 前⾔⼋⼗年代末，复合材料板簧在美国正式投⼊商业化⽣产，⼴泛应⽤于重型卡车和牵引车上，重量仅为钢材板簧的1/3；德国IFC Composite公司推出⼀种新型板簧来代替奔驰、凌特(Sprinter)、⼤众Crafter车上的传统钢制板簧。
该新型板簧与钢制板簧相⽐，质量减轻40～50%，仅重5.5 kg，疲劳寿命可达20万次以上，⾼于⾦属板簧的16万次。
复合材料板簧已经在全球诸多主机⼚商的产品上得到⼤量应⽤，这些主机⼚包括通⽤、福特、沃尔沃（图1）、戴姆勒-克莱斯勒、依维柯、康沃斯、彼得⽐尔特、国际卡车公司等。
国内在过去的⼆⼗年中，有部分院校、研究院所对复合材料板簧进⾏了探索性研究。
由于还没有完全掌握复合材料板簧的设计及稳定制造技术，现阶段还没有主机⼚量产的报道。
⽬前复合材料板簧中的纤维材料主要为E-玻纤、S-玻纤、⽞武岩纤维和碳纤维[1]，本⽂以E-玻纤代替传统材料进⾏板簧结构设计。
图1 复合材料板簧应⽤[2]2 复合材料板簧开发⽬标悬架系统是桥与车架之间的连接纽带，其对整车的⾏驶平顺⾏及操纵稳定性有着重要的影响，同时悬架系统在整车的安全性⽅⾯也是不可忽视的，因此在悬架系统的开发设计中，⼀定要保证板簧输⼊条件的准确性。
⼀般来说，板簧开发设计条件如下。
2.1 整车输⼊条件在板簧开发过成中，整车对悬架系统要求见表1。
2.2 悬架系统输⼊条件除整车要求外，悬架系统对板簧开发设计⾃⾝⽬标制定见表2。
表1 板簧整车开发输⼊参数表表2 板簧开发⽬标3 复合材料板簧开发设计3.1 结构设计⽅法复合材料板簧采⽤单⽚等强度设计，保证板簧沿轴线各截⾯具有相同的强度，以此来降低板簧重量。
汽车复合材料板弹簧的有限元分析及性能测试
汽车复合材料板弹簧的有限元分析及性能测试汽车复合材料板弹簧是现代汽车悬挂系统中的一种新型材料弹簧，它由多层玻璃纤维增强环氧树脂层和铝合金层组成。
该材料弹簧具有体积小、重量轻、抗疲劳性能好、寿命长等优点，为汽车行业带来了重大突破。
本文将从有限元分析和性能测试两个方面对汽车复合材料板弹簧进行探讨。
一、有限元分析有限元分析是一种重要的工程计算方法，可以对汽车复合材料板弹簧的力学性能进行数值模拟，以预测材料弹性变形、疲劳寿命、最大承载能力等重要指标。
通过有限元分析模拟，可以更好地理解和优化汽车复合材料板弹簧的设计和制造。
在有限元分析过程中，需要首先建立汽车复合材料板弹簧的三维模型，并对其进行网格化处理。
接着需要根据弹簧的实际工作环境、外载荷和边界条件等因素，建立合适的力学模型。
然后利用有限元软件进行模拟计算，得到板弹簧的应力、应变、位移等物理量分布规律。
最后根据模拟结果进行分析和评估。
在具体的有限元分析中，需要考虑材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数等参数。
还需要考虑板弹簧的几何结构、截面形状、厚度和叠层方式等因素。
这些因素都会对板弹簧的强度、刚度和疲劳寿命等性能产生重要影响。
因此，有限元分析的结果可以为汽车复合材料板弹簧的设计和制造提供重要参考依据。
二、性能测试为了验证有限元分析的结果，需要进行汽车复合材料板弹簧的性能测试。
性能测试可以直接测量弹簧的实际物理量，如位移、应力、应变等，从而检验有限元分析的准确性和信度。
常见的汽车复合材料板弹簧性能测试方法包括三点弯曲试验、循环荷载试验、疲劳寿命试验等。
其中，三点弯曲试验是最基本的试验，可测量板弹簧的弹性模量、屈服强度、极限承载力等力学指标；循环荷载试验可以模拟板弹簧的实际工作环境，测量其疲劳寿命和断裂机理；疲劳寿命试验则可以评价板弹簧在长期疲劳作用下的耐久性和可靠性。
在性能测试中，需要特别注意汽车复合材料板弹簧的热膨胀系数对测试结果的影响。
因为板弹簧由不同的材料复合而成，各层材料的热膨胀系数不一致，容易引起板弹簧在变温作用下的应力和变形。
复合材料板簧在汽车上的应用
复合材料板簧在汽车上的应用作者：刘慧杨锁望王晓地范晓轩刘雷雷周震华来源：《新材料产业》2020年第04期节能减排给予汽车工业和研发人员持续的挑战，减轻汽车质量对汽车的发展具有重要的意义。
2012年国务院颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》指出，到2020年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0L/100km。
减轻汽车自重，不仅可以降低对原材料的消耗，降低成本，还可以极大地节能减排，同时提高汽车的动力性能。
汽车的轻量化设计已成为当今汽车产业发展的重要研究方向。
现代汽车底盘弹簧的分类主要包括钢制螺旋弹簧和钢板弹簧。
家用汽车主要以螺旋弹簧为主，而卡车、厢式货车等重型汽车主要使用钢板弹簧。
近年来，由于复合材料技术的发展，玻纤增强型复合材料板簧发展成为应用在汽车悬架上的新型轻量化解决方案，其在汽车上的应用主要分纵置和横置2种结构形式。
纵置板簧多用于货车上，结构与传统钢板弹簧相似;横置板簧多用于汽车，对悬架布置影响较大;材料上，由于玻纤增强型板簧材料的各向异性特点，对设计校核也提出了新的挑战。
本文简述了复合材料板簧的应用现状和工艺过程，并以玻纤增强型复合材料板簧为例研究其在汽车上的应用方法和原理，为该技术的研究和应用提供参考。
1复合材料板簧的应用发展、材料和工艺1.1复合材料板簧的发展历程意识到复合材料板簧所能带来的优异性能，越来越多的厂商竞相研制并取得了一定的成果。
目前，传统的钢制板簧正逐渐被复合材料板簧取代。
这一发展大体经历了3个阶段。
第1阶段是1970年以前，为原理性实验探索阶段。
这期间，有大量的应用理论分析文章和阶段性研制报告被发表。
第2阶段是1980年以前，为实用化研制阶段。
伴随塑料工业的发展，这期间纤维增强塑料（Fibergla ss Reinfo rcedPlastics，FRP）研制成功，这种材料不仅耐温、耐磨，而且价格合适。
同时，汽车市场正向小型化和轻型化方向发展，特别是第2次石油危机以后，为了减轻汽车自重、降降油耗，汽车厂商积极投入复合材料板簧的研制，促进了复合材料板簧从理论向实际应用的发展，并成功美国实现FRP板簧在投入应用。
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（７）因材料自身阻尼较大，所以各种工况下其产生的噪 音均较小。减少了对环境的污染，改善了人机环境。
鉴于以上原因，可以说精密的FRP板簧应用前景非常好。
４、复合材料板簧的技术发展概况
现在，复合材料弹簧主要使用热固性塑料，特别是热 固性纤维增强塑料，也有使用热塑性塑料的，但数量不多。 从使用角度考虑，对弹簧材料性能的主要要求是： （1）变形能V值要大（即弹簧模量E值要小）。 （2）强度，特别是疲劳强度要大，寿命长。 （3）容易加工成型。
复合材料板簧
北京玻璃钢研究设计院 北京中材汽车复合材料有限公司 2010年6月
1. 2. 3. 4.
国内外复合材料板簧的研究及应用状况 复合材料板簧应用实例 复合材料板簧应用的意义 复合材料板簧的技术发展概况
1、国内外复合材料板簧的研究及应用状况
由于塑料弹簧具有钢制弹簧难以取代的优点，因此美、 英、日等国竞相开展研制，取得了不少研制成果，并已批 量投入实际应用。它的发展大体经历了三个阶段。 1970年以前为原理性实验探索阶段。在这一阶段， 发表的应用理论分析文章和阶段性研制报告比较多。在此 期间，由于适合于工程应用的热固性塑料尚处在早期发展 阶段，工程塑料弹簧的研制遇到许多问题，如材料的耐温 性差、硬度低不耐磨、价格高、难以制成广泛的螺旋弹簧， 加之设计程序，加工设备和工艺参数都遇到一些有待解决 的新问题，因而延缓了塑料弹簧向实际应用的进程。
３、复合材料板簧应用的意义
采用复合材料板簧，与传统的金属板簧相比，最明显 的优势就是减重效应，由于复合材料的可设计性强且密度 小，同等性能的替代产品一般可减重均在50％以上。通过 选用不同材料及优化设计，减重比例甚至可以达到70％以 上，这也是目前其它部件优化过程中非常少见的减重优势。
３、复合材料板簧应用的意义
２、复合材料板簧应用实例
火车上的应用
２、复合材料板簧应用实例
火车上的应用
３、复合材料板簧应用的意义
减轻汽车重量对汽车的发展具有特殊重要的意义。减 轻汽车自重，不仅可以减少原材料的消耗，降低汽车的成 本，还可以显著降低汽车能源消耗量，减少有害气体的排 放，提高汽车的动力性能。研究表明，汽车质量每减小10 ％，可降低6％∼8％的油耗。据相关资料，汽车质量每减 小50kg，则每升燃油行驶的距离可增加1km；若质量减小 10％，则燃油经济性可提高5.5％左右。减轻车辆自重， 实现轻量化设计已成为当今汽车发展的趋势之一。
３、复合材料板簧应用的意义
（4） 全寿命费用（Cycle life Cost）合理。FRP板簧与高 档次钢质板簧相比成本较低加上重量轻，节约燃料和维修 方便等原因使车辆使用费用更加降低。 （5） 部件简化，重量轻，拆装操作更简便容易。 （6） 相同荷载能力下，复合材料板簧的弹性行程可以设 计得更大（可设计性），舒适性更好。
1、国内外复合材料板簧的研究及应用状况
1980年以前为实用化研制阶段。在这一阶段，由于塑 料工业的发展，耐温、耐磨和价格合理的纤维增强塑料 （FRP=Fiberglass Reinforced Plastics）研制成功，加之 汽车设计向小型化和轻型化方向发展，特别是石油危机以 来，为了减轻汽车配件重量，节约燃料，汽车厂商积极开 展塑料板簧一阶段的突出研制成果是FRP板簧在美国投入实际应 用。
1、国内外复合材料板簧的研究及应用状况
1980年至今为实际应用稳定发展阶段。继美国之后， 英国纳铁福复合公司（GKN COM—Posites）在Telford新 厂内建成了年产五十万套FRP板簧生产线，1985年已开始 大量生产，在西欧居于领先地位。八十年代末，复合材料 板簧在美国也正式投入商业化生产，广泛应用于重型卡车 和牵引车上，重量仅为钢材板簧的1/3； 复合材料弹簧投入实际应用的数量和范围都在稳步发 展。
Columbia, Century Peterbilt 彼得比尔特
２、复合材料板簧应用实例
重型罐车的应用
２、复合材料板簧应用实例
重型卡车上的应用
２、复合材料板簧应用实例
后驱轿车上的应用
轿跑车上的应用 后轴横置
后轴顺置
２、复合材料板簧应用实例
跃野车上的应用
２、复合材料板簧应用实例
前轴横置单簧
FRP板簧与钢制板簧相比较，具有如下优点：
（1）容易制作成变厚度截面的板簧，材料利用合理且减轻 了重量。某载重汽车的FRP板簧比等效钢制板簧减轻50%， 比等效多叶钢制板簧减轻65%。具体如：在某轻型汽车上 减轻了25公斤。在某38吨绞车上减轻达500公斤。 （2）“安全断裂”提高了可靠性。汽车严重超载时， FRP板簧沿长度方向分层开裂，虽然结构基本破坏，刚度 大大降低，但仍可使车轴基本保持原位，可使空载汽车能 安全开到修理厂。 （3） 疲劳寿命高。超过钢制多叶板簧约2-10倍。
４、复合材料板簧的技术发展概况
加工工艺性 热固性复合材料板簧产品可以实现一次成型，其成型 工艺性和钢近似。 热塑性的工艺性好，容易成形，生产率也高，但机械 性能不如热固性塑料。 纤维增强复合材料同时还具有重量轻（比重为1.0—
用于制作弹簧的热固性和热塑复合材料性能均满足以上要 求，目前的复合材料板簧的承载能力可达每轴10吨以上。
４、复合材料板簧的技术发展概况
关于变形能 热固性纤维增强塑料的V值比一般金属都大，可与弹簧钢 相比 关于复合材料的强度和疲劳强度
以环氧树脂为胶粘剂的热固性塑料为例，其抗拉强度可在 400-1000MPa间按要求设计。一般的玻璃纤维增强环氧 （GFRP）的疲劳寿命均达50万次以上，而碳纤维增强环 氧（CFRP）的疲劳寿命更可达100万次以上。
２、复合材料板簧应用实例
复合材料板簧已经在全球诸多汽车厂商得到大量应用， 如通用、福特、 戴姆勒克莱斯勒、 依维柯 、康沃斯、 彼 得比尔特、国际卡车公司等。
厂商 车型 厂商 Kenworth 康沃斯 车型 T600, T800 385, 387
International 9100i, 9200i, 9400i 国际卡车 Freightliner 莱纳卡车