1.2　技術環(huán)境

目前，高強度鋼鋁鎂合金廣泛應用于商用車，使得輕量化的空間非常有限。復合材料也用于商用車非承重結構（如導流板等），但復合材料很少用于國內(nèi)商用車承重結構（如板簧、車架等）。主要原因之一是其載荷強、結構復雜、技術困難和風險大。為了實現(xiàn)國內(nèi)商用車突破性的輕量化效果，必須加強負載品中密度輕、強度高的復合材料的應用。復合鋼板彈簧與其他運載部件相比，對減少汽車質(zhì)量有明顯效果，目前已成為國內(nèi)商用車輕量化研究的熱門產(chǎn)品。

1.3　生態(tài)環(huán)境

近年來，我國已成為世界最大的石油進口國。據(jù)我國石油經(jīng)濟技術研究院發(fā)布的《2019年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報告》數(shù)據(jù)顯示，2019年我國原油凈進口首次超過5億t，原油對外依存度首次超過70%。從2004年的40%到2010年首次突破了50%的國際警戒線，從2016年的60%到2019年的70%，我國石油的對外依存度不斷突破。據(jù)國家統(tǒng)計局，2020年1—7月，我國進口原油3.2億t，同比增長12.1%。資料顯示，我國礦石資源對進口石油資源的依賴程度很高。因此，我國需要解決石油危機，減少對石油等礦石能源的依賴，復合鋼板彈簧在汽車輕量化方面的應用有助于更好地解決能源依賴問題。

在汽車懸架系統(tǒng)中，板簧屬于該系統(tǒng)的重要結構，其參數(shù)設計合理性、準確性，直接應著汽車舒適性、穩(wěn)定性。傳統(tǒng)汽車技術中，汽車懸架制造使用彈簧鋼加工，但卻導致汽車整體重量較大，所以在汽車輕量化發(fā)展的今天，相關人員可通過降低復合材料板簧自重來控制整車重量。因此，深入探究復合材料板簧在汽車輕量化發(fā)展中的應用，對實現(xiàn)汽車輕量化目標有著重大價值。

2.1 作用

鋼板彈簧主要由多片寬厚相等但長短不一的彈性鋼片組成。采用懸架技術將車架和車橋相連，以承受輪胎對車架產(chǎn)生的沖擊力，同時具有緩沖減振的功能，保證汽車行駛平穩(wěn)性的同時提升駕駛者的舒適度。

2.2 分類

鋼板彈簧主要分為多片簧及少片簧兩大類。多片簧是將多片直徑相同，但長短不同的鋼材疊加一起，將多片鋼板彈簧的各片鋼材疊加成倒三角形狀，最上端的鋼材最長，最下端的鋼材最短，鋼材的片數(shù)和客車的載荷有關，因此鋼材片越多、厚度越大，彈簧剛性也越大。不過，當鋼板彈簧工作時間久了之后，各片之間還會相互滑動摩擦引起巨大噪聲，而鋼片之間的相對磨損也會造成彈簧產(chǎn)生扭曲，導致機器運轉(zhuǎn)不順暢。少片簧則是將兩頭薄中間厚的鋼材疊加在一起。由于少片鋼板彈簧的鋼材斷面長度變化較大，從中部到兩頭的斷面寬度也會逐漸變化，因此軋壓過程就比較復雜，價錢也比多片簧高。在同樣剛性的情況下，少片簧較多片簧輕50%左右，從而降低了相對磨損和振動，也提高了使用安全性。

2.3 原理

鋼板彈簧通常安裝在車輛懸架內(nèi)部，當車橋與車架之間互為依靠時，當鋼板彈簧接受的垂直負荷為正向時，各彈簧均因受力情況而變化，有向上拱彎的趨勢。當車橋和車架之間彼此脫離時，鋼板彈簧承擔的方向垂直負荷和變化便逐步減少。

主片卷耳受力最強，比較容易損壞。為改變主片卷耳的受力狀況，常把第2片末端彎成小卷耳，包在主片卷耳的最外側(cè)，叫做包耳。為了在彈性變化時各片之間有相應滑動的機會，可以在主片卷耳和第2片包耳間留出很大的空間。但有時在鋼板簧片兩端也不做卷耳，而是使用另外的支承連接方法，如橡膠支承墊。

2.4 優(yōu)缺點

鋼板彈簧的好處是構造簡單，運行安全可靠，成本便宜，維護簡單。它既是懸掛的彈力部件，也是懸掛的導向裝置。一端與底盤鉸接，能夠傳輸各類動力與扭矩，同時具有摩擦減振的功能，因此被廣泛用于非獨立懸掛上。不足之處是一般作為非獨立懸架，自身質(zhì)量較大，剛性大，舒適度較差，且縱向?qū)挾冗^大，不利于減少車輛的前懸和后懸間距，易于與車架連接的鋼管彈簧銷磨損等。

板簧作為輕型商用車的主要承載部件，市場需求量巨大。如果能夠攻克復合材料板簧設計及工藝等產(chǎn)品瓶頸，其將有巨大的市場潛力及銷售利潤，同時也可減少能源冶煉及鋼板彈簧制造業(yè)對環(huán)境產(chǎn)生的污染，實現(xiàn)綠色制造，助力“雙碳”目標。

自20世紀70年代初起，美國、英國和德國相繼研制出了復合材料板簧，就其原料、構造、成形技術和工藝等方面展開了研究，并將復合材料板簧成功地運用在了客車和轎車上。20世紀80年代末，美國將復合鋼板彈簧投入商品化生產(chǎn)，并廣泛應用在牽引車上；德國的IFCComposite公司推出了一種新型板簧來取代在奔馳、凌特和大眾汽車的傳統(tǒng)鋼板彈簧。而這種新型復合材料板簧和普通鋼板彈簧相較，整體質(zhì)量可以減小40%～50%，疲勞壽命可以達到20萬次以上，遠高于普通鋼板彈簧的16萬次。Mubea公司玻璃鋼板簧榮獲2020年Altair啟蒙獎，如圖1所示。

目前在國內(nèi)，雖有院校對其進行深入探究，但由于技術落后、結構創(chuàng)新性不足等，無法完全掌握復合材料板簧的設計技術?，F(xiàn)階段僅北汽福田輕卡進行小批量產(chǎn)品應用，一汽、東風、江淮等主流車廠均進行了產(chǎn)品和技術儲備，部分通過了樣件制作、臺架試驗及整車試驗階段。

3.2　主要優(yōu)勢

復合材料板簧在現(xiàn)代轎車輕量化發(fā)展中的運用，就是利用該類板簧高強度、質(zhì)量小、成型快等優(yōu)點優(yōu)化了轎車懸掛系統(tǒng)結構，并最終達到減小轎車整體質(zhì)量的目的。

3.3　材料選擇

復合材料產(chǎn)物是指由2種或2種以上截然不同特性的物質(zhì)，根據(jù)某種綜合方法所組成的結合物質(zhì)。復合材料中的連續(xù)相稱為主體物質(zhì)，其分散相稱為強化物質(zhì)?；|(zhì)的主要功能是支撐強化材料，并避免強化材料磨損和侵蝕，而強化材料則以相對獨立的形式均勻分布在基質(zhì)中。復合材料的應用目的是在符合結構的強度、剛度和穩(wěn)定性等條件下盡量地降低結構成本，所使用的復合物應當達到對結構的壽命要求并保證貨源充足，易于搬運、貯存，常用的增強材料主要為E-玻璃纖維、S-玻璃纖維和碳玻璃纖維，而生產(chǎn)復合材料板簧用的熱固性樹脂基體則主要由聚酯纖維、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等組成，可綜合考慮價格、性能、優(yōu)勢確定更好材料及材料配比方案，以此保證高性價比復合材料板簧的誕生。

3.4　成型工藝

高強度級別彈簧鋼使傳統(tǒng)車橋系統(tǒng)的螺旋彈簧能夠?qū)崿F(xiàn)冷成型。因此，它們?yōu)橹匦统擞密嚭洼p型商用車提供了較高的材料利用率。在彈簧結構中使用玻璃纖維增強塑料以及新的車軸概念帶來了進一步的輕量化潛力，此外，還提供了更大的功能集成和額外的電氣化安裝空間。

懸架彈簧在客車的各個方面都起著重要的作用。整個車輛質(zhì)量依靠這些彈簧，而它們的柔性緩沖了傳到乘客艙的震動。對于駕駛員和乘客來說，前后軸上彈簧力和彈簧剛度的調(diào)整保證了安全舒適的駕駛體驗。

不考慮能量回收，電氣化車輛平臺和插電式混合動力車,PHEV)的底盤輕量化設計仍然非常重要。同時，增加的車輛重量需要更高的彈簧力和彈簧剛度，因此需要更高的彈簧質(zhì)量。通過對經(jīng)典鋼彈簧材料的最佳材料利用，或通過替代材料(如彈簧結構中的長纖維增強塑料),經(jīng)濟、輕質(zhì)的設計獲得了成功。

由GFRP制成的適合材料的彈簧設計

玻璃纖維增強塑料由于其比拉伸強度和比彈性模量的有利比率而提供了巨大的輕質(zhì)設計潛力。特別是當用作片簧材料時，理想的輕質(zhì)材料的這些特性可以以最佳方式得到利用。當彈簧主要承受張力、壓力或彎曲時，這總是可能的。這是因為可以使用單向?qū)咏Y構，其中負載基本上由高模量纖維吸收[3]。

對于GFRP螺旋彈簧，由于彈簧橫截面主要受扭轉(zhuǎn)應力，這需要具有變化纖維取向的定向?qū)咏Y構，因此重量輕的設計潛力顯著降低。這里的限制因素是材料的橫向拉伸強度，與纖維占優(yōu)勢的強度相比，橫向拉伸強度顯著降低。除了較低的輕質(zhì)設計潛力之外，這種彈簧具有降低的抗下垂損失性、在較高溫度下降低的耐久性以及增加的安裝空間需求。

彎曲彈簧設計彌補了這些缺點中的一些，因為在最廣泛的意義上，這是一系列相互連接的彎曲梁。彎曲梁截面主要承受彎曲應力，這對輕量化設計潛力有積極影響。這種設計的缺點是彎曲時在曲折部分會產(chǎn)生橫向拉伸應力。這可能導致過早失效，尤其是在高溫下。此外，還需要安裝空間，以確保彈簧的穩(wěn)定性和注重耐用性的接口設計。

橫向板簧是單向GFRP的理想應用。如果橫向板簧除了為結構的垂直運動儲存彈性能量之外還承擔其他功能，這一點尤其正確。通過雙彈性內(nèi)軸承，側(cè)傾穩(wěn)定的集成是可能的。除了彈簧的宏觀設計之外，內(nèi)部軸承的位置和剛度也是決定性的。例如，在車輛的橫向方向上，更大的軸承支撐底座提供了增加滾動行程比的可能性。

功能集成的另一個階段是除了懸架和側(cè)傾穩(wěn)定功能之外，將車輪導向與橫向鋼板彈簧集成在一起。一個橫向板簧和兩個導向輪減震器，更換整個多連桿軸系統(tǒng)。彈簧的尺寸、內(nèi)軸承的位置、彈簧與車輪托架的連接設計以及減震器的調(diào)節(jié)都會顯著影響彈性運動學。

這種功能集成橫向鋼板彈簧的概念提供了顯著的額外重量優(yōu)勢，因為所有控制臂和連桿都可以更換，并且副車架和車身結構可以簡化。此外，在車輛的縱向方向上節(jié)約成本和空間增益的潛力是可能的。在后輪驅(qū)動的電氣化測試車輛中，在對后輪軸進行全面的計算機輔助工程(CAE)和多體仿真(MBS)分析之后，實施并驗證了這種功能概念。

評估證實了在橫向力下關于外傾角和前向軌跡的行為，該行為定性和定量地在具有多連桿軸的參考車輛的范圍內(nèi)，圖6。通過內(nèi)部和外部橡膠軸承的目標縱向順應性，在沒有副車架對車身的彈性支撐的情況下，可以實現(xiàn)相當?shù)氖孢m性，尤其是在類似沖擊的縱向力下。通過優(yōu)化外軸承的軸向剛度，縱向力下的預軌跡變化也可以達到多連桿軸的水平。此外，使用完整的道路負載數(shù)據(jù)輸入對車軸概念的耐久性進行了測試。橫向鋼板彈簧既沒有顯示外部損傷也沒有顯示內(nèi)部損傷。