【复材资讯】新能源汽车复合材料结构板簧轻量化技术分析
汽车制造业发展中，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无法替代的作用。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。
目前，高强度钢铝镁合金大范围的应用于商用车，使得轻量化的空间非常有限。复合材料也用于商用车非承重结构（如导流板等），但复合材料很少用于国内商用车承重结构（如板簧、车架等）。根本原因之一是其载荷强、结构较为复杂、技术困难和风险大。为实现国内商用车突破性的轻量化效果，必须加强负载品中密度轻、强度高的复合材料的应用。复合钢板弹簧与其他运载部件相比，对减少汽车质量有显著效果，目前已成为国内商用车轻量化研究的热门产品。
近年来，我国已变成全球最大的石油进口国。据我国石油经济技术研究院发布的《2019年国内外油气行业发展报告》多个方面数据显示，2019年我国原油净进口首次超过5亿t，原油对外依存度首次超过70%。从2004年的40%到2010年首次突破了50%的国际警戒线%，我国石油的对外依存度不断突破。据国家统计局，2020年1—7月，我国进口原油3.2亿t，同比增长12.1%。资料显示，我国矿石资源对进口石油资源的依赖程度很高。因此，我国要解决石油危机，减少对石油等矿石能源的依赖，复合钢板弹簧在汽车轻量化方面的应用有助于更好地解决能源依赖问题。
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，有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。
钢板弹簧主要由多片宽厚相等但长短不一的弹性钢片组成。采用悬架技术将车架和车桥相连，以承受轮胎对车架产生的冲击力，同时具有缓冲减振的功能，保证汽车行驶平稳性的同时提升驾驶者的舒适度。
钢板弹簧大致上可以分为多片簧及少片簧两大类。多片簧是将多片直径相同，但长短不同的钢材叠加一起，将多片钢板弹簧的各片钢材叠加成倒三角形状，最上端的钢材最长，最下端的钢材最短，钢材的片数和客车的载荷有关，因此钢材片越多、厚度越大，弹簧刚性也越大。不过，当钢板弹簧上班时间久了之后，各片之间还会相互滑动摩擦引起巨大噪声，而钢片之间的相对磨损也会造成弹簧产生扭曲，导致机器运转不顺畅。少片簧则是将两头薄中间厚的钢材叠加在一起。由于少片钢板弹簧的钢材断面长度变化较大，从中部到两头的断面宽度也会逐渐变化，因此轧压过程就很复杂，价钱也比多片簧高。在同样刚性的情况下，少片簧较多片簧轻50%左右，以此来降低了相对磨损和振动，也提高了使用安全性。
钢板弹簧通常安装在车辆悬架内部，当车桥与车架之间互为依靠时，当钢板弹簧接受的垂直负荷为正向时，各弹簧均因受力情况而变化，有向上拱弯的趋势。当车桥和车架之间彼此脱离时，钢板弹簧承担的方向垂直负荷和变化便逐步减少。
主片卷耳受力最强，非常容易损坏。为改变主片卷耳的受力状况，常把第2片末端弯成小卷耳，包在主片卷耳的最外侧，叫做包耳。为了在弹性变化时各片之间有相应滑动的机会，可以在主片卷耳和第2片包耳间留出很大的空间。但有时在钢板簧片两端也不做卷耳，而是使用另外的支承连接方法，如橡胶支承垫。
钢板弹簧的好处是构造简单，运行安全可靠，成本便宜，维护简单。它既是悬挂的弹力部件，也是悬挂的导向装置。一端与底盘铰接，能够传输各类动力与扭矩，同时具有摩擦减振的功能，因此被大范围的使用在非独立悬挂上。不足之处是一般作为非独立悬架，自身质量较大，刚性大，舒适度较差，且纵向宽度过大，不利于减少车辆的前悬和后悬间距，易于与车架连接的钢管弹簧销磨损等。
板簧作为轻型商用车的主要承载部件，市场需求量巨大。若能够攻克复合材料板簧设计及工艺等产品瓶颈，其将有巨大的市场潜力及销售利润，同时也可减少能源冶炼及钢板弹簧制造业对环境产生的污染，实现绿色制造，助力“双碳”目标。
自20世纪70年代初起，美国、英国和德国相继研制出了复合材料板簧，就其原料、构造、成形技术和工艺等方面展开了研究，并将复合材料板簧成功地运用在了客车和轿车上。20世纪80年代末，美国将复合钢板弹簧投入商品化生产，并大范围的应用在牵引车上；德国的IFCComposite公司推出了一种新型板簧来取代在奔驰、凌特和大众汽车的传统钢板弹簧。而这种新型复合材料板簧和普通钢板弹簧相较，整体质量能减小40%～50%，疲劳寿命能达到20万次以上，远高于普通钢板弹簧的16万次。Mubea公司玻璃钢板簧荣获2020年Altair启蒙奖，如图所示。
目前在国内，虽有院校对其进行深入探究，但由于技术落后、结构创新性不足等，无法完全掌握复合材料板簧的设计技术。现阶段仅北汽福田轻卡进行小批量产品应用，一汽、东风、江淮等主流车厂均进行了产品和技术储备，部分通过了样件制作、台架试验及整车试验阶段。
复合材料板簧在现代轿车轻量化发展中的运用，就是利用该类板簧高强度、质量小、成型快等优点优化了轿车悬挂系统结构，并最终达到减小轿车整体质量的目的。
相比于传统钢板弹簧，复合材料板簧的弹性较高，吸震力强，振动阻尼高，能在车辆行驶中有效利用自身特性，改善车辆舒适度和平顺性，减少颠簸感；另外，该种钢板弹簧的主体材质是玻璃纤维类复合材料，抗疲劳特性较强，疲劳寿命是一般钢板弹簧的2倍以上；复合材料板簧中还含有较多的独立玻璃纤维，单根玻璃纤维破裂后对车辆所造成的负荷能够自由转移至其他玻璃纤维中，以防止破坏悬架构件的承载能力。
复合材料产物是指由2种或2种以上截然不同特性的物质，根据某种综合方法所组成的结合物质。复合材料中的连续相称为主体物质，其分散相称为强化物质。基质的主要功能是支撑强化材料，并避免强化材料磨损和侵蚀，而强化材料则以相对独立的形式均匀分布在基质中。复合材料的应用目的是在符合结构的强度、刚度和稳定性等条件下尽量地降低结构成本，所使用的复合物应当达到对结构的寿命要求并保证货源充足，易于搬运、贮存，常用的增强材料主要为E-玻璃纤维、S-玻璃纤维和碳玻璃纤维，而生产复合材料板簧用的热固性树脂基体则主要由聚酯纤维、乙烯基树脂和环氧树脂等组成，可综合考虑价格、性能、优势确定更好材料及材料配比方案，以此保证高性价比复合材料板簧的诞生。
复合材料板簧开发过程非常复杂，其生产工序主要分为缠绕建模成型、高压环氧树脂传递建模成型、SMC拉挤成型等工序。其中，缠绕建模成型工序是将玻璃纤维复合材料预浸后，将其缠绕在模具上，然后再经过合模、凝固等加工方法，形成复合材料板簧；高压环氧树脂传递建模成型指使用高压将环氧树脂按对冲风险比例混合，并灌注在事先铺有玻璃纤维增强材料和预置嵌件的真空密闭模具里，经树脂流动充模、浸渍、固化和脱模，从而得到复合材料制品的成型工艺；SMC拉挤成型工序则是以牵引力为主要作用力，通过模具固化浸渍后的玻璃纤维带、纤维织物，以连续制造断面形式不同的复合材料板簧。编织成型的优点是硬度较高、疲劳特性好、制造效率较高、工艺简单易于管理，但面临着结合力不强、容易劈裂等主要问题；拉挤法的优点是能够连续性拉制不同尺寸的复合材料板簧，但对于连续制造变截面结构钢板弹簧仍具有一定的技术难度，且制造成本较大；而RTM工艺既可制造中等直径宽度又能制造大变截面结构钢板弹簧，还可以进行金属嵌件式操作，但其存在纤维铺层有变形、操作环境差、环保不易达标等问题。模压成型可满足目前等大不同直径形状叶片弹簧的生产，其制品紧密、外表光洁，方便后期的工业化生产。
与钢板弹簧相比，复合板簧作为国内新兴产品主要具有3个优点：一是板簧轻量化效果明显，复合材料板簧与钢板弹簧相比，在保证板簧可靠性的同时，可减小质量60%；二是疲劳寿命明显提高，钢板弹簧的疲劳寿命为16万次，复合板簧的疲劳寿命约为30万次，寿命提高87.5%；三是安全断裂预警，与钢板弹簧相比，当汽车在极其恶劣的环境中工作时，复合板簧会沿长度方向缓慢开裂，但仍能保持轴的位置不变，以确保车辆和乘客的安全。
高强度级别弹簧钢使传统车桥系统的螺旋弹簧能够实现冷成型。因此，它们为重型乘用车和轻型商用车提供了较高的材料利用率。在弹簧结构中使用玻璃纤维增强塑料以及新的车轴概念带来了进一步的轻量化潜力，此外，还提供了更大的功能集成和额外的电气化安装空间。
悬架弹簧在客车的各个方面都起着重要的作用。整个车辆质量依靠这些弹簧，而它们的柔性缓冲了传到乘客舱的震动。对于驾驶员和乘客来说，前后轴上弹簧力和弹簧刚度的调整保证了安全舒适的驾驶体验。
不考虑能量回收，电气化车辆平台和插电式混合动力车,PHEV)的底盘轻量化设计仍然非常重要。同时，增加的车辆重量需要更高的弹簧力和弹簧刚度，因此需要更高的弹簧质量。通过对经典钢弹簧材料的最佳材料利用，或通过替代材料(如弹簧结构中的长纤维增强塑料),经济、轻质的设计获得了成功。
玻璃纤维增强塑料由于其比拉伸强度和比弹性模量的有利比率而提供了巨大的轻质设计潜力。特别是当用作片簧材料时，理想的轻质材料的这些特性可以以最佳方式得到利用。当弹簧主要承受张力、压力或弯曲时，这总是可能的。这是因为可以使用单向层结构，其中负载基本上由高模量纤维吸收。
对于GFRP螺旋弹簧，由于弹簧横截面主要受扭转应力，这需要具有变化纤维取向的定向层结构，因此重量轻的设计潜力显著降低。这里的限制因素是材料的横向拉伸强度，与纤维占优势的强度相比，横向拉伸强度显著降低。除了较低的轻质设计潜力之外，这种弹簧具有降低的抗下垂损失性、在较高温度下降低的耐久性以及增加的安装空间需求。
弯曲弹簧设计弥补了这些缺点中的一些，因为在最广泛的意义上，这是一系列相互连接的弯曲梁。弯曲梁截面主要承受弯曲应力，这对轻量化设计潜力有积极影响。这种设计的缺点是弯曲时在曲折部分会产生横向拉伸应力。这可能导致过早失效，尤其是在高温下。此外，还需要安装空间，以确保弹簧的稳定性和注重耐用性的接口设计。
横向板簧是单向GFRP的理想应用。如果横向板簧除了为结构的垂直运动储存弹性能量之外还承担其他功能，这一点尤其正确。通过双弹性内轴承，侧倾稳定的集成是可能的。除了弹簧的宏观设计之外，内部轴承的位置和刚度也是决定性的。例如，在车辆的横向方向上，更大的轴承支撑底座提供了增加滚动行程比的可能性。
功能集成的另一个阶段是除了悬架和侧倾稳定功能之外，将车轮导向与横向钢板弹簧集成在一起。一个横向板簧和两个导向轮减震器，更换整个多连杆轴系统。弹簧的尺寸、内轴承的位置、弹簧与车轮托架的连接设计以及减震器的调节都会显著影响弹性运动学。
这种功能集成横向钢板弹簧的概念提供了显著的额外重量优势，因为所有控制臂和连杆都可以更换，并且副车架和车身结构可以简化。此外，在车辆的纵向方向上节约成本和空间增益的潜力是可能的。在后轮驱动的电气化测试车辆中，在对后轮轴进行全面的计算机辅助工程(CAE)和多体仿真(MBS)分析之后，实施并验证了这种功能概念。
评估证实了在横向力下关于外倾角和前向轨迹的行为，该行为定性和定量地在具有多连杆轴的参考车辆的范围内，图6。通过内部和外部橡胶轴承的目标纵向顺应性，在没有副车架对车身的弹性支撑的情况下，可以实现相当的舒适性，尤其是在类似冲击的纵向力下。通过优化外轴承的轴向刚度，纵向力下的预轨迹变化也能够达到多连杆轴的水平。此外，使用完整的道路负载数据输入对车轴概念的耐久性进行了测试。横向钢板弹簧既没有显示外部损伤也没有显示内部损伤。
板簧是汽车悬架系统的关键性零部件,也是汽车减重的重要组成部分.占车体自重的5%-7%。复合材料板簧相对于钢板弹簧至少减重50%，同时还具有更高的疲劳寿命,更佳的阻尼效果以及更良好的耐腐的能力等性能，当前传统钢板弹簧项目，都会存在生产工序多、设备占地面积大、能耗高、自重大等缺点，在“双碳”战略和汽车轻量化背景下，传统钢板弹簧已渐渐难以满足汽车行业的发展需要。多片簧向单片簧升级、换代，将成为未来发展的必然。
复合材料板簧在轿车轻量化工程中的应用，将进一步丰富轿车悬架设计，更好地发挥板簧强度高、弹性应变大等优势，加强完善汽车悬架结构，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，有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，加快实现汽车的整体轻量化。
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