半掛車輕量化板簧的開(kāi)發(fā)研究

摘要：首先介紹了幾種典型的復(fù)合材料（主）+彈性體（副）板簧結(jié)構(gòu)，然后對(duì)復(fù)材-彈性體板簧的工作原理和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了闡述，接著將其應(yīng)用于半掛車底盤彈性元件的開(kāi)發(fā)。新結(jié)構(gòu)板簧既滿足了基本連接及彈性功能，又實(shí)現(xiàn)了保護(hù)復(fù)合材料板簧過(guò)載、提高總成壽命的目的。通過(guò)相關(guān)測(cè)試證明了新型板簧的復(fù)合結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：半掛車；橡膠；復(fù)合材料；板簧

中圖分類號(hào)：U463.33+4.7 收稿日期：2023-05-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.022

1 前言

自從工信部頒布GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》[1]以來(lái)，國(guó)內(nèi)半掛車輕量化趨勢(shì)不斷上升，許多半掛車企業(yè)目前都開(kāi)始主推輕量化車型，通過(guò)減輕車身自重來(lái)達(dá)到運(yùn)輸更多的貨物的目標(biāo)。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，半掛車屬于無(wú)動(dòng)力拖車，車身及底盤大量使用傳統(tǒng)的鋼鐵零部件，有較大的輕量化空間。

復(fù)合材料板彈簧（以下簡(jiǎn)稱“復(fù)材板簧”），作為典型的懸架輕量化產(chǎn)品，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)鋼板簧其減重率達(dá)到50%以上，它一直是行業(yè)內(nèi)的技術(shù)熱點(diǎn)[2-4]，在設(shè)計(jì)、制造及驗(yàn)證等方面開(kāi)展了大量研究。當(dāng)前復(fù)材板簧在半掛車領(lǐng)域應(yīng)用的報(bào)道或研究還較少，相關(guān)有代表性的舉例如下。

北美的Liteflex在20世紀(jì)90年代曾經(jīng)推出過(guò)一款橡膠+復(fù)材板簧，如圖1a所示。據(jù)其官網(wǎng)介紹，在北美半掛車市場(chǎng)上有批量裝車應(yīng)用，由于橡膠零部件承擔(dān)了額外的載荷并兼具限位功能，從而使得復(fù)合材料板彈簧更安全，壽命更長(zhǎng)。

一汽解放在2009年公開(kāi)的專利《一種載貨汽車專項(xiàng)巧用空心彈簧復(fù)合懸架裝置》[5]，其所述結(jié)構(gòu)如圖1b所示，主簧為多片鋼板簧，利用空心鼓型橡膠簧代替原有的多片鋼板副簧，發(fā)揮了空心橡膠體的彈性和變剛度特性，使車輛的抗沖擊性、平順性和承載大大提高，還使主簧的受力狀況大大改善，提高了總成使用壽命，降低了汽車空載的振動(dòng)噪聲。

Navistar在2018年提出了一種超輕重卡底盤結(jié)構(gòu)，搭載了橡膠副簧-復(fù)材主簧組合式板簧懸架概念產(chǎn)品，如圖1c所示。該板簧用于重卡牽引車前懸架，采用雙鼓型橡膠副簧和復(fù)合材料單片式主簧結(jié)構(gòu)。橡膠副簧起輔助彈性支撐及限位功能，而復(fù)材片主要起彈性支撐、連接車橋與車架功能，該結(jié)構(gòu)既能滿足客戶輕量化要求，又提供了更好的NVH性能。

上述三個(gè)行業(yè)案例表明了彈性體-復(fù)材板簧復(fù)合式結(jié)構(gòu)的可行性。多材料的應(yīng)用可以更好地發(fā)揮各種材料的性能優(yōu)勢(shì)，彈性體零部件承擔(dān)額外沖擊載荷，其極限工況的限位功能使復(fù)材板簧安全系數(shù)更高。但是，對(duì)于半掛車懸架的彈性體-復(fù)材板簧復(fù)合結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)，業(yè)界開(kāi)展的理論研究與工程化應(yīng)用較少，本文擬在上述方面展開(kāi)工作。

本文首先評(píng)價(jià)了近年來(lái)汽車市場(chǎng)上相關(guān)結(jié)構(gòu)的板簧懸架結(jié)構(gòu)，然后對(duì)復(fù)合材料-彈性體板簧的工作原理和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了闡述，接著進(jìn)行了工程樣件開(kāi)發(fā)及臺(tái)架驗(yàn)證。在樣車上進(jìn)行的試裝結(jié)果表明：新結(jié)構(gòu)復(fù)合板簧既能保證原有連接及彈性功能，又可以保護(hù)復(fù)材簧片，提升總成壽命。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 新型板簧懸架特征

本文對(duì)標(biāo)的板簧結(jié)構(gòu)如圖2a所示，為13 m半掛車用典型鋼板簧結(jié)構(gòu)，其底盤無(wú)限位裝置。新型彈性體-復(fù)材板簧，如圖2b所示。板簧總成由兩部分構(gòu)成，復(fù)材主簧其彈性功能并連接車架和車橋，雙鼓型橡膠副簧起輔助彈性支撐及限位作用。常見(jiàn)的彈性體材料為聚氨酯、橡膠等，本文以天然橡膠為例說(shuō)明。

相比鋼板簧懸架，橡膠-復(fù)材懸架具有以下有明顯優(yōu)點(diǎn)：

a.橡膠-復(fù)材懸架取消了鋼板簧及卡箍等，配件大大減少，使用高分子材料代替彈簧鋼，比鋼板簧懸架重量有大幅下降。

b.平順性得到改善。橡膠彈簧為純彈性體或帶有金屬背板結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品可變形范圍非常大（0～50 mm），與車架無(wú)剛性接觸，限制了車架的振動(dòng)加速度，有效保證了整車a9a5ce2a4a04f04c53bda2a52e012b44行駛過(guò)程中的舒適性和平順性。

c.彈性體的極限限位使復(fù)材板簧上的極限應(yīng)力減小，提升了板簧耐久性。

如圖3所示，橡膠簧在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，隨著變形增大其變剛度特性顯著，在輕載階段剛度較小，主要保證整車行駛的平順性和舒適性。在重載階段或路面沖擊比較大時(shí)，橡膠副簧剛度劇增，承擔(dān)大部分的載荷，保護(hù)板簧因發(fā)生過(guò)大的變形而破壞，有效增加了板簧總成壽命。

2.2 工作原理

采用橡膠-復(fù)材一體化設(shè)計(jì)的板簧懸架系統(tǒng)，加載過(guò)程分為三個(gè)階段，如圖4所示。

在加載初期（0～d1），復(fù)合板簧獨(dú)立承擔(dān)載荷，總成剛度為恒定值；隨著載荷增加，橡膠簧在復(fù)合材料彈簧變形的中期或后期即開(kāi)始與之接觸，剛度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（d1），在（d1～d3）總成剛度增加但仍基本保持線性；當(dāng)載荷增大到極限區(qū)間（d3～d4），膠塊不斷壓縮導(dǎo)致其剛度劇增，限位作用生效，剛度曲線翹尾并終止變形。在第二、三階段，膠塊分?jǐn)傇瓉?lái)復(fù)合材料片獨(dú)立承擔(dān)的載荷，保護(hù)了復(fù)合材料簧，從而提高了總成的服役期限。

通過(guò)使用橡膠副簧，可以改善復(fù)合材料簧的受力情況，提高其壽命。表1列出了兩種結(jié)構(gòu)板簧的特點(diǎn)對(duì)比。

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 輸入及可行性方案

客戶輸入的某款多片式金屬簧結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5a，主材為60Si2Mn，重約70 kg，用于13 m半掛車懸架，該懸架板簧僅承擔(dān)垂向載荷，X向載荷由水平拉桿承擔(dān)。復(fù)材主簧+橡膠副簧的可行性方案見(jiàn)圖5b，其與金屬簧主要技術(shù)參數(shù)的對(duì)比見(jiàn)表2。

3.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

總成設(shè)計(jì)主要包含橡膠副簧、復(fù)材主簧及支座三部分。總成垂向剛度為2 500 N/mm，極限載荷條件與原鋼板簧相同，撓度50 mm。根據(jù)本文2.2所述工作原理，當(dāng)載荷按位移控制時(shí)，分為3段：a.0～10 mm，主簧單獨(dú)作用剛度曲線為線性（剛度2 000 N/mm）；b.10～40 mm，主簧+副簧共同作用，剛度曲線為線性（剛度增大到2 500 N/mm）；c.40～50 mm，主副簧共同作用，剛度曲線為曲線（剛度進(jìn)一步增大到2 000+500+X N/mm）。達(dá)到極限載荷時(shí)，由于橡膠簧的變剛度特性，其剛度增加承擔(dān)了較多載荷，主簧變形小于原型件主簧，因此其受力得到改善，從而提升了總成壽命。

對(duì)于復(fù)合材料主簧，原材料為單向玻璃纖維預(yù)浸料，密度為2.0 g/cm3，按等寬變截面的拋物線輪廓設(shè)計(jì)[6]，考慮到端部打孔固定耐磨板，適當(dāng)做了增厚。使用Abaqus 6.14-1軟件進(jìn)行了耐久校核，通過(guò)對(duì)比極限工況的最大應(yīng)力情況確定了最優(yōu)輪廓。如圖6所示，弧面輪廓按等應(yīng)力梁設(shè)計(jì)，大撓度區(qū)域應(yīng)力均勻分布。表3中列出了不同剛度的主簧在極限工況時(shí)的應(yīng)力值，可以看出復(fù)材片剛度分配越多，分擔(dān)的載荷也越多，極限應(yīng)力也越大。

橡膠彈簧使用了天然橡膠，為兩層空心回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，高100 mm，外徑[?]120 mm，如圖7所示。剛度曲線類似于圖3所示的漸變剛度曲線，產(chǎn)品靜態(tài)剛度性能為0～15 kN范圍剛度為500 N/mm。

支座為鑄鐵材質(zhì)，頂部設(shè)計(jì)成碗口型，用于容納與固定橡膠副簧，頸部設(shè)計(jì)為特定高度，使板簧總成安裝在橋上后，橡膠簧頂面與縱梁下表面保證合適的垂向間隙。

3.3 驗(yàn)證情況

復(fù)材板簧工程樣件如圖8所示，尺寸與上節(jié)所述的設(shè)計(jì)方案一致。試驗(yàn)大綱參照國(guó)標(biāo)GB/T 19844-2018中的技術(shù)條件[7]制定。進(jìn)行三組復(fù)材板簧的臺(tái)架測(cè)試，實(shí)測(cè)剛度范圍在2 000～2 200 N/mm之間。圖9給出了板簧的剛度曲線。其中圖9a為復(fù)材板主簧剛度曲線，經(jīng)22萬(wàn)次疲勞載荷后無(wú)失效現(xiàn)象，永久變形為0.2 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。圖9b所示為橡膠副簧剛度曲線，線性段剛度為508 N/mm，經(jīng)24萬(wàn)次疲勞載荷后無(wú)失效現(xiàn)象，永久變形約5%，變剛度特性未變化。

通過(guò)整車搭載試驗(yàn)完成了復(fù)材板簧總成裝配和性能驗(yàn)證（見(jiàn)圖10），橡膠-復(fù)材簧變形有空載、滿載、極限載荷三種典型工況，復(fù)材主簧始終承載，空載階段橡膠簧與車架不接觸，復(fù)材主簧獨(dú)立承擔(dān)載荷；滿載后橡膠簧與車架下緣接觸，橡膠簧壓縮變形，起到輔助彈性支撐功能；極限載荷下，橡膠簧壓縮起到限位作用。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于橡膠-復(fù)材板簧的變形特性，在中小載荷階段，二者基本一致；在大載荷階段，橡膠簧剛度提升，復(fù)合板簧與橡膠簧的剛度比變化，在總載荷恒定時(shí)，橡膠簧額外分?jǐn)偭溯d荷，減小了復(fù)材板簧出現(xiàn)極限應(yīng)力的概率；在極限載荷階段，由于橡膠簧剛度劇增的限位作用，避免板簧劈裂失效，從而提升了產(chǎn)品壽命。橡膠-復(fù)材板簧結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)鋼板簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，二者基本的彈性與連接功能相同，相同的懸架安裝接口使二者可以直接替換，易于在半掛車市場(chǎng)推廣。橡膠-復(fù)材板簧較傳統(tǒng)鋼板簧減重率為68.6%，減重效果明顯，有助于推動(dòng)半掛車企業(yè)落實(shí)國(guó)家強(qiáng)制法規(guī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 1589-2016 汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值[S].

[2]周站福，潘超，宋恩章.復(fù)合材料板簧設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].汽車文摘，2020（2）：47-50.

[3]孟凡壹，鄒志偉，秦創(chuàng)，等.淺談批產(chǎn)復(fù)合材料板簧成型工藝[J].纖維復(fù)合材料，2020（2）：41-44+28.

[4]張雷，李?yuàn)檴櫍⑵胶瘢?車用復(fù)合材料板簧的性能測(cè)試方法研究[J].當(dāng)代化工研究，2020（18）：97-99.

[5]李勝，陳佳琳，郝紹剛，等.一種載貨汽車轉(zhuǎn)向橋用空心橡膠彈簧復(fù)合懸架裝置[P].中國(guó)，CN 201736759U，2011-02-09.

[6]株洲，肖羅喜，程楊，等.主副式復(fù)合材料板彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證[J].工程塑料應(yīng)用，2018（7）：74-77+82.

[7]GB∕T 19844-2018 鋼板彈簧技術(shù)條件[S].

作者簡(jiǎn)介：

周濱，男，1380年生，工學(xué)博士，研究方向?yàn)槠噾壹茌p量化技術(shù)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。