基于整車性能的復合材料板簧阻尼特性研究*

柯 俊，史文庫，袁 可

（1.浙江理工大學，浙江省現代紡織裝備重點實驗室，杭州 310018； 2.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130022；3.南京依維柯汽車有限公司，南京 210028）

前言

在剛度相同的前提下，復合材料板簧的質量不到鋼板彈簧的一半，而其疲勞壽命至少是鋼板彈簧的兩倍，具有良好的應用前景。目前，國內外主要針對復合材料板簧的結構設計及優化［1-2］、剛度匹配設計［3-4］、強度計算［5］、接頭結構設計［6］和疲勞可靠性［7］進行了深入研究，但對復合材料板簧阻尼特性的研究還很有限，主要局限于臺架性能測試［8-9］。因此，國內外對復合材料板簧的阻尼特性，尤其對復合材料板簧的阻尼特性對整車性能影響方面的研究仍很匱乏。如何基于整車性能的考慮來考察和控制復合材料板簧的阻尼特性，并在整車環境下驗證其阻尼特性對整車性能的影響規律，這對明確復合材料板簧的阻尼匹配思路、完善復合材料板簧的性能匹配理論具有重要意義。本文中從材料、零部件和裝車狀態這3個維度出發，系統研究了復合材料板簧的阻尼特性，驗證了復合材料板簧裝車后其阻尼特性對整車性能的確切影響，為復合材料板簧的正向開發提供了參考。

1 復合材料板簧簡介

經剛度匹配設計［4］和多目標優化［1］后確定的復合材料板簧總成結構如圖1所示。其中，復合材料簧身采用E玻璃纖維／聚氨酯復合材料制造，采用高壓RTM工藝成型，所有鋪層均與簧身縱向呈0°布置。樣件的剛度、強度、接頭可靠性和總成疲勞壽命等關鍵性能已通過臺架試驗的驗證，達到了裝車的相關要求。

圖1 復合材料板簧的總成結構

2 復合材料板簧阻尼特性研究

影響復合材料阻尼的因素除了材料本身特性外，還有溫度、激勵頻率和振動幅值。復合材料板簧裝車后裸露在空氣中，因此散熱條件良好，且其聚氨酯基體的玻璃態轉變溫度區間為105～120℃，遠離汽車服役的環境溫度區間，因此無須考慮溫度對其阻尼的影響。對激勵頻率，由于輪胎和接頭橡膠襯套的衰減作用，板簧在服役過程中主要承受低頻激勵。同時，由于復合材料具有各向異性，因此復合材料板簧的阻尼特性理論上也具有各向異性，但很難通過試驗手段直接測得復合材料板簧所有方向上的阻尼特性參數?？紤]到復合材料板簧的阻尼主要來源于其制造材料E玻璃纖維／聚氨酯層合板，因此擬通過E玻璃纖維／聚氨酯層合板試樣損耗因子試驗和理論計算來間接獲取復合材料板簧各方向上的近似阻尼特性參數。然后，通過臺架阻尼試驗和裝車阻尼試驗來直接獲取復合材料板簧的阻尼特性參數，通過綜合3個獨立試驗結果的方法來確定復合材料板簧的阻尼參數區間。

2.1 E玻璃纖維／聚氨酯層合板阻尼試驗

根據標準GB／T 18258—2000，采用高壓RTM工藝制作了4組共8個復合材料層合板試樣。各組試樣的鋪層方案分別為［0°］4，［±45°］2，［±60°］2和［90°］4。試樣以懸臂梁方式裝夾，將單向加速度傳感器粘接在試樣末端，采用力錘對試樣實施激勵，通過LMSTest.lab測試系統對測試信號進行采集和分析。為了避免力錘敲擊力的大小對共振曲線的影響，通過加速度頻響函數曲線來識別試樣的損耗因子。將測試得到的加速度頻響函數曲線數據導入到Matlab軟件，通過數據處理識別出第i階模態的共振峰值fi和半功率帶寬Δfi，則可計算出復合材料層合板的損耗因子：

為了提高識別精度，采用試樣的第3階模態的共振帶對試樣的損耗因子進行識別。各組樣件的損耗因子識別結果取平均值，試驗結果如表1所示。

表1 層合板試樣的損耗因子試驗結果

對單自由度線性系統，當其損耗因子小于0.3時，常用的各阻尼表征量之間存在如下關系［10］：

式中：ψ為比阻尼，是振動系統中每周期消耗的能量與蓄積能量之比；ξ為阻尼比，是振動系統的阻尼系數與臨界阻尼系數之比。根據表1，層合板試樣的縱向損耗因子遠小于0.3。同時，根據線性疊加原理，連續系統的振動響應可分解為若干個相互獨立的單自由度系統振動的疊加，單自由度阻尼表征量之間的換算關系也可用于連續系統阻尼表征量之間的換算，因此式（2）同樣適用于層合板與復合材料板簧阻尼表征量之間的換算。結合表1、式（2）和相關計算理論［11-12］，得到0°鋪層層合板各方向的損耗因子和比阻尼，如表2所示。

表2 0°鋪層層合板各方向的損耗因子和比阻尼

2.2 復合材料板簧總成阻尼性能試驗

為了模擬復合材料板簧的實際工況，分別按照空載狀態和滿載狀態的靜載荷對復合材料板簧樣件進行預加載，并將對應的動載荷幅值均分為5組。試驗加載頻率為0.5～2.5 Hz，也分為5組。分別測試不同加載幅值、不同加載頻率狀態下的復合材料板簧阻尼特性，試驗照片如圖2所示。試驗得到的各工況下復合材料板簧的ψ值如圖3所示。根據圖3，空載狀態下各工況中復合材料板簧的ψ＝0.016 6～0.031 4，平均值為0.023 5；滿載狀態下各工況中復合材料板簧的ψ＝0.008 3～0.023 7，平均值為0.013 5。而0°層合板試樣的ψ＝0.029，與臺架阻尼試驗結果在同一數量級上。由于兩個試驗相互獨立，因此試驗結果可信，且復合材料板簧在不同工況下的比阻尼在0.01～0.03之間。

圖2 復合材料板簧阻尼臺架試驗

2.3 復合材料板簧裝車阻尼性能試驗

為了考察裝車狀態下復合材料板簧的阻尼對懸架性能的確切影響，采用滾下法測試安裝有復合材料板簧的樣車后懸架系統的振動衰減特性。在試驗前拆除樣車后懸架的減振器，試驗方法與懸架偏頻試驗相同。樣車后軸輪胎滾下過程中車架和車橋處振動加速度傳感器采集到的穩態衰減曲線如圖4所示。根據數據處理結果，復合材料板簧 后橋 輪胎系統的阻尼比在0.025～0.034之間，而輪胎的阻尼比為0.023。因此復合材料板簧的阻尼在復合材料板簧 后橋 輪胎系統中的占比很小。

圖3 復合材料板簧各工況下的阻尼試驗結果

圖4 裝車阻尼試驗中測點的振動加速度衰減曲線

3 復合材料板簧阻尼特性對整車性能影響研究

汽車懸架系統的阻尼比ξ一般為0.25左右。根據式（2），若復合材料板簧的ψ＝0.01～0.03，則其ξ＜0.0025，不到懸架系統阻尼比的1%。然而，根據2.1節的試驗結果，E玻璃纖維／聚氨酯的損耗因子比彈簧鋼高3個數量級。同時，擬替換的鋼板彈簧簧片之間由墊片隔開，且填充有潤滑脂，片間摩擦很小，因此與擬替換的鋼板彈簧相比，復合材料板簧的阻尼仍然較大。下面從理論上分析板簧阻尼增大對整車性能的影響。

3.1 對整車操縱穩定性的影響

在等速行駛的前提下，汽車在前輪角階躍輸入下產生的穩態響應就是等速圓周行駛。常用穩態橫擺角速度增益，即穩態的橫擺角速度ωr與前輪轉角δ之比來評價穩態響應，即

式中：K為穩定性因數；u為車速；L為軸距；m為汽車質量；a，b分別為汽車質心與前軸及后軸之間的距離；k1，k2分別為汽車前后輪的側偏剛度。根據式（4），穩定性因數不涉及阻尼。因此，前輪角階躍輸入下汽車的穩態響應與板簧的阻尼沒有關系。雖然這一結論是基于線性2自由度汽車模型得到的，但即使考慮懸架、轉向和傳動系統對前、后輪側偏角的影響，前、后輪側偏角也是由懸架、轉向和傳動系統的結構形式和結構參數決定的，與復合材料板簧的阻尼沒有關系。因此，復合材料板簧的阻尼不影響汽車的穩態響應特性。

一般汽車都具有小阻尼（ξ＜1）的瞬態響應。根據汽車理論中的線性2自由度汽車模型，ξ＜1時，前輪角階躍輸入下汽車的橫擺角速度隨時間的變化規律為衰減正弦函數，ξ越大，衰減越快，越有利于橫擺角速度ωr由瞬態響應趨于穩態響應。因此，理論上復合材料板簧的阻尼對汽車的瞬態響應特性有利。

3.2 對整車平順性的影響

根據汽車理論中車身單質量系統模型，阻尼比ξ對振動的衰減主要有如下兩方面的影響。

（1）與有阻尼固有頻率ωr有關。根據車身單質量系統模型：

當ξ增大時，ωr下降。因此，增大汽車懸架系統阻尼比ξ能降低懸架簧載質量的固有頻率，對平順性有利。

（2）決定振幅的衰減程度。系統振動衰減曲線上兩個相鄰的振幅A1與A2之比稱為減幅系數，以d表示。

根據式（6），當ξ增大時，d增大，因此增大汽車懸架系統阻尼比ξ能加快振動的衰減速度，對平順性有利。

綜上所述，理論上換裝復合材料板簧對汽車的穩態響應無影響，但對汽車的瞬態響應有利，因此對整車操縱穩定性有一定的提升作用。同時，理論上也能提高汽車的平順性。因此，無須針對其阻尼特性進行匹配設計。

4 裝車試驗驗證

4.1 裝車操縱穩定性試驗

為了分別考察復合材料板簧的阻尼特性對汽車穩態和瞬態響應的影響，選取穩態回轉試驗和轉向回正性能試驗來進行換裝復合材料板簧前后整車操縱穩定性的對比測試。其中，穩態回轉試驗和轉向回正性能試驗均分為樣車左轉和樣車右轉2個方向，每個方向分別進行3次試驗。試驗方法及數據處理方法根據標準GB／T 6323.6—1994相關要求執行。

穩態回轉試驗結果如表3所示。其中，an為中性轉向點的側向加速度，U為不足轉向度，Kφ為車身側傾度。根據表3，分別安裝鋼板彈簧和復合材料板簧的樣車在穩態回轉試驗中的技術指標非常接近，考慮到試驗誤差，工程上可認為復合材料板簧的阻尼不影響汽車的穩態響應特性。

表3 穩態回轉試驗結果

轉向回正性能試驗結果如表4所示。其中，Δr為殘留橫擺角速度，Er為橫擺角速度總方差。根據表4，安裝復合材料板簧的樣車在穩態回轉試驗中的Δr值明顯低于安裝鋼板彈簧的樣車，同時Er值也稍低。因此復合材料板簧的阻尼對汽車的瞬態響應特性有利。

表4 轉向回正性能試驗結果

4.2 裝車平順性試驗

分別對裝載復合材料板簧和鋼板彈簧的同一樣車進行下述試驗：（1）偏頻試驗（滿載）；（2）脈沖輸入試驗（滿載）；（3）隨機輸入試驗，包括城市道路（空載）和小鵝卵石道路（空載）。其中，進行偏頻試驗和脈沖輸入試驗的目的是針對性地考察換裝復合材料板簧后樣車后懸架性能的變化情況。隨機輸入試驗中，測試城市道路的目的是考察常用路況中樣車的平順性，測試小鵝卵石路的目的是考察惡劣路況中樣車的平順性。此外，試驗還包括駕駛員和乘員的主觀評價。試驗項目的相關照片如圖5所示。試驗方法和數據處理方法根據標準GBT4970—1996，GBT4970—2009和GBT5902—86相關要求執行。

圖5 試驗項目的相關照片

根據后懸架偏頻試驗的數據處理結果，換裝復合材料板簧后，樣車后懸架滿載偏頻由1.76降為1.65 Hz。同時，樣車前懸架的滿載偏頻為1.57 Hz，后懸架滿載偏頻值1.65 Hz比前懸架的滿載偏頻值1.57 Hz稍大，有利于防止樣車車身產生較大的縱向角振動。

根據脈沖輸入試驗數據處理結果，換裝復合材料板簧后，樣車在常用車速下，后懸架在脈沖輸入工況中的傳遞率均低于安裝鋼板彈簧時的狀態。對隨機輸入試驗，各工況中駕駛員和乘員位置的總加權加速度均方根值av與車速v之間關系的對比圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 城市道路工況av值對比

圖7 小鵝卵石道路工況av值對比

根據圖6和圖7，在絕大多數工況中安裝復合材料板簧的樣車在駕駛員處和成員處的av值低于裝載鋼板彈簧的樣車。個別工況在駕駛員處出現了安裝鋼板彈簧的樣車av較低的情況，這是由于復合材料板簧安裝在樣車后懸架中，主要影響乘員處的振動，對駕駛員處的振動優化效果可能隨著振動傳遞路徑的衰減湮沒了。

根據駕駛員和乘員的主觀感受，裝載復合材料板簧的樣車平順性要好于裝載鋼板彈簧的樣車，且復合材料板簧服役過程中自身基本不發出噪聲。

綜上所述，裝載復合材料板簧后，樣車的平順性整體上優于裝載鋼板彈簧的樣車。

5 結論

（1）本文中所研究復合材料板簧的比阻尼在0.01～0.03之間。

（2）雖然E玻璃纖維／聚氨酯復合材料的損耗因子比彈簧鋼高3個數量級，但復合材料板簧提供的阻尼與懸架系統自身的阻尼相比很小，且其阻尼特性對整車性能有利，因此無須對復合材料板簧的阻尼性能參數進行匹配設計，這對其他車型的復合材料板簧阻尼匹配工作具有參考意義。

（3）根據理論分析及裝車試驗結果，復合材料板簧的阻尼不影響汽車的穩態響應特性，但對汽車的瞬態響應特性有利，同時能改善汽車的平順性，這對完善復合材料板簧的性能匹配理論具有重要意義。