复合材料板簧副簧的优化设计
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
汽车复合材料板簧探讨
AUTO PARTS | 汽车零部件时代汽车 汽车复合材料板簧探讨高蕊中国重汽汽车集团有限公司 山东省济南市 250101摘 要： 近年来，社会经济在快速发展的同时，科学技术更新与发展的速度不断加快，在很大程度上也极大的促进了各行各业的迅速发展，人们的生活水平显著提升，对于汽车的需求量不断攀升，汽车工业也步入了蓬勃发展阶段，各种新型材料被应用到汽车工业生产当中，板簧是汽车悬架系统当中非常关键的零部件，其对汽车的整体舒适性以及操作稳定性有着重要的影响。
传统悬架系统所采用的板簧材料主要是弹簧钢加工所制成的，实际重量非常大，随着各项技术的快速更新，轻量化车型也逐渐受到了人们的广泛关注，而采用复合材料板簧，对实现汽车轻量化发展有着重要的价值。
当前所采用的复合材料与金属连接工艺稳定性较差，不能满足当前各种汽车使用需要，特别是重载车型的起动与制动等操作中存在一定的失效风险。
而复合材料板簧轻量化存在突出的优势，能够有效降低复合材料的使用风险，而文章探讨的一种结构，将复合材料板簧作为结构，金属板簧与接口尺寸一致，这样能够满足当前装车板簧的互换，非金属板簧片的重量明显轻了许多，从而实现轻量化应用。
关键词：汽车 复合材料 板簧 轻量化 优化设计随着各行各业的快速发展，汽车工业作为重要的领域，对国民经济的稳步增长有着重要的意义，随着人们的需求不断发生改变，也促使汽车工业越来越重视轻量化技术的发展及应用。
与节能减排战略发展方向相符合，对提升我国汽车品牌的国际竞争力有着重要的影响，如今，汽车轻量化技术已经是衡量汽车产品的重要标准。
数据显示，当前国内自主品牌汽车自重高于其他国家同类型汽车，且国内部分汽车用户时常会出现用户超载的情况，在汽车轻量化技术应用方面和发达国家相比较，依然存在较大差距。
整体而言，汽车轻量化主要是从以下方面入手：首先是结构方面，通过新型结构降低汽车重量，再者便是材料方面，通过采用新型复合材料，代替传统金属材料，从而逐步实现轻量化的最终目的。
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。
复合材料板簧的优化设计及分析
２ ０ 年第 １ 期 ０７ ２ （ 总第 １７ ９ 期）
农业 装备 与车 辆工 程
ＡＧ Ｉ Ｕ Ｔ Ｒ ＬＥ Ｕ Ｐ Ｎ Ｒ Ｃ Ｌ Ｕ Ａ Ｑ ＩＭＥ Ｔ＆ Ｖ ＨＩＬ Ｎ Ｉ Ｅ Ｒ Ｎ Ｅ Ｃ ＥＥ ＧＮ Ｅ Ｉ Ｇ
Ｎｏ １ ２ Ｏ ．２ Ｏ ７
引 言
伴随着油价 的上涨和环境 问题 ， 减轻汽 车质 量 以
降低油耗变得 越来越重要 。 为汽车悬架弹性元 件的 作 钢板弹簧在 车体 自重所 占比重 大约 １２－／ ５ ／０ １１。因而 在汽 车板 簧 的发 展方 面 ． 内外 汽车 厂 商 和研 究 人 国
员一直都紧紧围绕着轻量化 、 提高驾驶的舒适性 、 稳
收稿 日期 ：０ ７ ０ — ７ ２０－９０
作者简介 ： 许长 生（ ９０ ） 男， １８ 一 ， 河南信阳人， 读硕士， 在 研究方 向为汽
车零部件数 字化设计。
（ ｏａ ｙ１ ７ Ｔ ｔｌ ９ ） ｌ
复合材 料 板 簧 的优 化 设 计及 分 析
许长 生， 高诚辉 ， 彭育辉 ， 林风功
（ 福州大学 机械工程及 自动化学院 ， 福建 福州 ３０ ０ ） ５ ０ ２
摘要 ： 根据某汽车钢板 弹簧相 关参数和分析结果 ，用有 限元软件 Ａ Ｙ 设计优化 了一种玻璃纤维增强树脂基复合材 ＮＳ Ｓ 料 （ ｇＰ俗称玻璃钢） ＧＦ 板弹簧 来代替原钢板弹簧 ， 并对其动态特性及结构应力分布进行有 限元分析 ， 结果证明该复合 材料板 弹簧应 力更低 ， 固有频率更高， 不计吊耳时弹簧重量减轻 了约 ７ ％。 ５
定 性及 耐 用性 等 方 面进行 了大 量 的研 究 工作 ， 出现 了少 片式 、 片式 的板簧 。 中以复合 材料 板簧 成效 单 其
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。
复合材料板式弹簧的研制及性能
主要 由优 质 合 金 钢 制 成 ， 占车 体 自重 的 ５ ～７ ， ％ ％ 而且存 在 生产工 序多 、设备 占地 面积 大 、能耗 高等 缺
点 。尤其是 近年 来石 油与钢 价飙 涨 、环境 保护及 安 全
ｃ ｍｍｅ ｃａ ｅ ｃ ｅ ｗｅ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ Ｒｅ ｕ ｈ ｗｅ ｈ ｔ ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｓｔ ｅ ｐ ｎ ｓ ｐ ｏ ｉ ｅ ｔ ｉｈ ｏ ｒ ｉｌｖ ｈｉｌ ｒ ｒ ｓ ｎ ｅ ． ｓ ｈｓ ｓ ｏ ｄ ｔ ａ ｈ ｏ ｏ ｉ Ｓ ｌ ａ ｓ ｒ ｇ ｗａ ｒ ｖｄ ｄ ｗｉ ｌ ｔ ｅ ｆ ｉ ｈ ｇ ｗｅ ｇ ｔ ｌｓ ａ ｉｈ ， ｅ ｓｆ ｗｓ， ｅ ｃ ｌｅ ｔｈｅ ｔｒ ｓｓａ ｔ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｎ ｈｅ ａ ｔｂ ｌ ｙ， ａ ｄ ｔ ａ ｉｕ ｉｅ ｗａ ｌｏ ｌ ｘ ｅ ｌｎ ａ —ｅ ｉｔｎ ｅｆ ｒ ｎ ｅ ａ ｄ ｔ ｒ ｌ ｓａ ｉｉ ｍ ｔ ｎ ｈｅ ｆ ｔｇ ｅ ｌｆ ｓ ａｓ ｍｕｃ ｏ ｇ ｒｔ ｎ ｔ ａ ｆｔａ ｉｉｎ ｌｓｅ ｌｓ ｒｎ ． ｈ ｌｎ ｅ ｈａ ｈ ｔｏ ｒ ｄ ｔｏ ａ ｔ ｅ ｐ ｉ ｇ Ｋｅ ｙｗｏ ｄ ｒ ｓ： Ｃｏ ｏ ｉ ｓ Ｌ ａ ｐ ｉ ｇ； Ｐ ｅ ｒ ｇ； Ｃｏ ｒ ｓ ｉｎ Ｍｏｄ ｎ ｍｐ ｓｔ ； ｅ ｆＳ ｒｎ ｅ ｒｐ ｅ ｍｐ ｅ ｓｏ ｌｉ ｇ； Ｆ ｔｇ ｅ Ｌ ｆ ａ ｉ ｉｅ ｕ
板 式弹簧 作 为汽车 悬架 的重要 组成 部件 ，传 递 和
缓 冲车架 与车轮 间 的一 切力 和力 矩 的作 用 ，并具 有 导 向 的作 用 ，是支 撑汽 车主体 部分 的关键 零 部件 。板 式
变刚度复合材料板弹簧及其刚度控制方法与设计方案
图片简介:本技术涉及一种变刚度复合材料板弹簧，其包括一纤维增强树脂基复合材料板弹簧体，所述板弹簧体内部植入采用形状记忆合金制作的增强纤维；所述形状记忆合金的增强纤维单独或者与发热元件共同组成刚度驱动器。
本技术的变刚度复合材料板弹簧将形状记忆合金作为刚度驱动器植入复合材料板弹簧中，并设计配套的加热装置；车载传感及控制系统根据当前驾驶模式的具体需求，对加热装置输出相应指令；加热装置根据指令对形状记忆合金加热，使形状记忆合金的弹性模量按照预定要求变化，最终实现复合材料板弹簧总成刚度在具体驾驶模式下的匹配控制。
技术要求1.一种变刚度复合材料板弹簧，其特征在于：包括一纤维增强树脂基复合材料板弹簧体，所述板弹簧体内部植入采用形状记忆合金制作的增强纤维；所形状记忆合金的增强纤维单独或者与发热元件共同组成刚度驱动器。
2.如权利要求1所述的变刚度复合材料板弹簧，其特征在于：所述板弹簧体采用纤维增强树脂基复合材料制作。
3.如权利要求1所述的变刚度复合材料板弹簧，其特征在于：所述增强纤维排布方向与板弹簧体的长度方向一致或呈一定的角度；所述增强纤维连续不断，其两端和车载电源组成导电回路。
4.如权利要求1所述的变刚度复合材料板弹簧，其特征在于：所述板弹簧体两端设有接头螺栓；所述刚度驱动器通过接头螺栓和板弹簧体自身树脂的粘接作用来固定和约束。
5.如权利要求2所述的变刚度复合材料板弹簧，其特征在于：所述刚度驱动器采用如下方法得到：将连续的采用形状记忆合金制作的增强纤维布置在铺层上，并使增强纤维在接头螺栓的钻孔区域转向；在簧身固化成型后，通过接头螺栓及树脂粘接作用实现增强纤维的固定；复合材料板弹簧成型模具中设置形状记忆合金的引出空间，使刚度驱动器与外接电源的连接。
6.一种变刚度复合材料板弹簧的刚度控制方法，其特征在于：包括如下步骤：1)，将刚度驱动器接口与车载电源连接，即与车载电源、车载传感及控制系统构成悬架刚度的主动控制系统；2)，在汽车行驶过程中，车载传感系统采集汽车的行驶状态参数并将信息传输给车载控制系统；3)，车载控制系统根据车载传感系统提供的信息，按照预定的控制策略对车载电源输出相应指令；4)，车载电源根据车载控制系统的指令对复合材料板弹簧内部的刚度驱动器通电加热，刚度驱动器温度达到所需范围后，内部的形状记忆合金发生相变并改变弹性模量，实现复合材料板弹簧刚度在具体工况下的匹配控制。
复合材料盒状波形弹簧优化设计及试验验证
复合材料盒状波形弹簧优化设计及试验验证摘要：本文针对盒状波形弹簧的应用需求，设计了一种复合材料盒状波形弹簧，并对其进行了优化设计和试验验证。
通过有限元分析和试验比对，证明了该复合材料盒状波形弹簧的弹性性能优越，具有较高的刚度和负载能力。
关键词：复合材料；盒状波形弹簧；优化设计；试验验证1. 引言盒状波形弹簧广泛应用于各种工业领域，如汽车、机械、仪器等。
传统的盒状波形弹簧主要采用金属材料制造，但由于其密度大、耐腐蚀性差等缺点，不适用于某些特殊应用场合。
因此，研究复合材料盒状波形弹簧具有重要的理论和实际意义。
2. 复合材料盒状波形弹簧的设计原理复合材料盒状波形弹簧由复合材料制成，具有轻量化、高强度、优良的耐腐蚀性等优点。
其设计原理如下图所示。
复合材料盒状波形弹簧采用了梁理论和轴向杆弹性力学原理，以优化设计的方式确定各项参数。
通过对材料类型、层数、纤维方向等参数的选取和优化，实现了复合材料盒状波形弹簧的合理设计。
3. 复合材料盒状波形弹簧的有限元分析为了验证复合材料盒状波形弹簧的设计效果，采用有限元分析的方法进行仿真计算。
分析结果表明，当复合材料盒状波形弹簧的层数为5层、纤维方向为±45°、梁长为40mm时，其最大应力为120MPa，最大应变为0.035。
同时，对复合材料盒状波形弹簧进行了动态模拟分析，模拟结果表明，该弹簧具有较高的刚度和负载能力。
4. 复合材料盒状波形弹簧的试验验证为了验证有限元分析的结果，进行了复合材料盒状波形弹簧的试验验证。
采用单点负载试验法和静态载荷试验法进行了设计弹簧和优化弹簧的对比试验。
试验结果表明，优化后的复合材料盒状波形弹簧具有更好的弹性性能，其最大负载能力约为设计弹簧的1.5倍。
5. 结论本文设计了一种复合材料盒状波形弹簧，并进行了优化设计和试验验证。
仿真分析和试验结果表明，复合材料盒状波形弹簧具有较高的刚度和负载能力，具有广泛应用前景。
同时，该研究为盒状波形弹簧的材料改进和性能提升提供了重要参考。
金属主簧-复合材料副簧复合刚度计算模型
10.16638/ki.1671-7988.2021.05.011金属主簧-复合材料副簧复合刚度计算模型*柯俊1,2，李志虎1，秦玉林1（1.奇瑞汽车股份有限公司前瞻与预研技术中心，安徽芜湖241006；2.浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州310018）摘要：为了揭示金属主簧-复合材料副簧的变形机理并快速预测其复合刚度，综合应用板弹簧设计理论、复合材料层合板理论及有限差分法建立了金属主簧-复合材料副簧复合刚度的理论计算模型，并编写了相应的MA TLAB计算程序。
采用ABAQUS软件建立了某金属主簧-复合材料副簧总成的有限元模型并对其刚度特性进行有限元模拟。
有限元模拟刚度与理论计算刚度之间的误差低于3%，从而验证了理论计算模型的正确性。
建立的理论计算模型不但阐明了金属主簧-复合材料副簧的变形机理，而且适宜编程计算，能准确快速地预测金属主簧-复合材料副簧的复合刚度，这对复合材料板簧的推广应用具有重要意义。
关键词：车辆工程；复合材料；板簧；轻量化中图分类号：U462.1 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2021)05-39-05Theoretical Calculation Model of the Composite Stiffness of Leaf SpringsWith Metal Main Spring and Composite Auxiliary Spring*Ke Jun1,2, Li Zhihu1, Qin Yulin1（1.Chery Automobile Co., Ltd. Prospective and Pre-research Technology Center, Anhui Wuhu 241006;2.School of Mechanical and Automatic Control, Zhejiang University of Technology, Zhejiang Hangzhou 310018）Abstract:In order to reveal the deformation mechanism of leaf springs with metal main spring and composite auxiliary spring and predict its composite stiffness quickly, a theoretical calculation model was established by using design theory of leaf spring, composite laminated plate theory and finite difference method. Then the corresponding MATLAB calculation program was written. The finite element model of a leaf spring with a metal main spring and a composite auxiliary spring was established based on the finite element simulation method and its stiffness characteristics were simulated by ABAQUS software. The error between the stiffness values obtained from finite element simulation and the theoretical calculation modal is less than 3%, so the theoretical calculation model is correct. The model not only illustrates the deformation mechanism of leaf springs with metal main spring and composite auxiliary spring, but also suitable for programming, so the model can predict the composite stiffness of leaf springs with metal main spring and composite auxiliary spring accurately and quickly, which is of great significance for promoting the application of composite leaf springs.Keywords: Vehicle engineering; Composite; Leaf spring; Weight reductionCLC NO.: U462.1 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2021)05-39-05作者简介：柯俊，工学博士，副教授，浙江理工大学机械与自动控制学院，研究方向：汽车轻量化、汽车系统动力学与控制。
复合材料 板簧 技术标准
复合材料板簧技术标准1.材料选择复合材料板簧应选择具有高强度、高弹性模量、耐腐蚀等优良性能的材料。
常用的材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等增强树脂基复合材料。
2.弹性模量复合材料板簧的弹性模量应高于传统金属板簧，以确保更好的刚度和振动吸收能力。
3.强度要求复合材料板簧应具有足够的强度，包括抗拉强度、抗压强度和剪切强度等。
这些强度应通过实验和计算得到验证，以确保在正常使用和极端条件下的安全性。
4.疲劳性能复合材料板簧应具有良好的疲劳性能，能够在多次循环载荷下保持其力学性能不变。
疲劳性能应通过实验得到验证，以确保在预期使用寿命内的可靠性。
5.耐腐蚀性复合材料板簧应具有良好的耐腐蚀性，能够在各种环境条件下保持其性能稳定。
耐腐蚀性能应通过实验得到验证，以确保在预期使用寿命内的安全性。
6.表面质量复合材料板簧的表面应光滑、平整、无气泡、无杂质等缺陷。
表面质量应通过目视检查和仪器测量得到验证，以确保在安装和使用过程中的可靠性。
7.尺寸精度复合材料板簧的尺寸精度应符合相关标准，以确保在安装和使用过程中的准确性。
尺寸精度应通过测量得到验证，以确保在预期使用寿命内的可靠性。
8.安装接口设计复合材料板簧的安装接口应设计合理，便于安装和维护。
接口设计应考虑各种因素，如连接方式、密封性能、抗疲劳性能等。
安装接口设计应通过实验和计算得到验证，以确保在正常使用和极端条件下的安全性。
9.安全性复合材料板簧应具有良好的安全性，能够在各种工况下保证人身和设备的安全。
安全性应通过实验和计算得到验证，以确保在预期使用寿命内的可靠性。
10.环境适应性复合材料板簧应具有良好的环境适应性，能够在各种环境条件下正常工作。
环境适应性应通过实验得到验证，以确保在预期使用寿命内的可靠性。
11.生产工艺复合材料板簧的生产工艺应成熟可靠，能够保证产品的质量和稳定性。
生产工艺应包括材料准备、纤维编织、树脂灌注、高温固化等环节，每个环节的质量控制都至关重要。
主副式复合材料板弹簧结构设计及性能验证
主副式复合材料板弹簧结构设计及性能验证作者：文/ 高蕊来源：《时代汽车》 2020年第23期高蕊中国重汽汽车集团有限公司山东省济南市 250101摘要：根据板簧的应用情况来看，身为汽车悬架系统的重要组成部分，对于汽车运行时的平顺性、舒适性以及整车的操作平稳性有着十分重要的作用。
根据传统车辆悬架中板簧的应用情况来看，该构件都是由弹簧钢加工而成，因此板簧自身重量较大。
在现代车辆制造业不断发展过程中，轻量化的车型愈发受到人民群众的喜爱，因此降低板簧的重量势在必行。
复合材料的应用，改善了传统板簧的重量问题，在板簧实现轻量化的过程中具有十分重要的现实意义。
本文主要内容探究了主副式复合材料板簧结构设计及性能验证。
关键词：复合材料结构设计主副式板簧性能验证Structure Design and Performance Verification of Composite Material Leaf SpringGao RuiAbstract： According to the application of leaf springs, as an important partof the automobile suspension system, leaf spring plays a very important role in the smoothness and comfort of the car during the smooth operation of the whole vehicle. According to the application of leaf springs in traditional vehicle suspensions,the components are all made of spring steel, so the leaf springs are relatively heavy. In the continuous development of the modern vehicle manufacturing industry, lightweight models are becoming more and more popular among the people, so it is imperative to reduce the weight of the leaf spring. The application of composite materials has improved the weight problem of traditional leaf springs, and has very important practical significance in the process of lightening leaf springs. Themain content of this article explores the structural design and performance verification of the main and auxiliary composite leaf springs.Key words： composite materials, structural design, main and auxiliary leaf springs, performance verification1 引言在当前汽车轻量化发展的背景下，传统汽车悬架中的板簧构件逐渐从多片簧向少片金属板簧演变。
【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。
复合材料汽车板簧的优化设计
复合材料汽车板簧的优化设计赵燕;蔡艳涛;王声涛;李宇菲;郑银环【摘要】文章以汽车零部件中的板簧为研究对象,选取合适的复合材料取代传统的弹簧钢以减轻质量,并通过板簧结构的优化设计进一步减轻质量,最终达到轻量化的目的.在有关复合材料层合板力学相关理论的基础上,利用Matlab中的相关优化函数对板簧结构进行优化设计,在保证板簧优良性能的前提下得到最小质量下的最佳尺寸,然后运用ANSYS对板簧进行了分析,结果表明:优化后板簧质量减少了50％,板簧的疲劳寿命有了大幅度的提高.【期刊名称】《汽车工程师》【年(卷),期】2014(000)011【总页数】5页(P28-32)【关键词】汽车;板簧;优化设计;复合材料;有限元分析【作者】赵燕;蔡艳涛;王声涛;李宇菲;郑银环【作者单位】武汉理工大学机电工程学院;武汉理工大学机电工程学院;武汉理工大学机电工程学院;武汉理工大学机电工程学院;武汉理工大学机电工程学院【正文语种】中文随着汽车平顺性和节能环保要求的提高，对汽车轻量化的要求越来越高。
汽车钢板弹簧的质量约占整车质量的5%～7%，因此钢板弹簧的轻量化对汽车的轻量化有十分积极的影响。
传统钢板弹簧的设计，国内外学者进行了很多的研究并提出了很多优化和可靠性的设计方法[1-4]。
纤维增强复合材料具有单向强度高、单位质量储能大、弹性模量小及耐腐蚀等优点，所以近年来科研人员开始致力于复合材料板簧的研究[5-7]。
文章对复合材料板簧进行优化设计并与相同条件下的钢板弹簧进行对比，结果表明，复合材料板簧的性能优于钢板弹簧。
1 复合材料汽车板簧的优化设计根据复合材料层合板力学的相关理论，对复合材料板簧进行优化设计。
选择适合汽车板簧的复合材料并设计计算板簧的尺寸以便选取合适的设计变量，以最小的板簧质量为目标函数，以板簧的尺寸参数为设计变量，以板簧的强度和刚度为约束条件，建立复合材料汽车板簧的优化数学模型。
最后结合某车型板簧的原始数据，调用Matlab 优化工具箱中的有约束非线性优化函数求得板簧最小质量下的最佳尺寸，为板簧模型的建立和有限元分析奠定基础[8-10]。
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。
采用遗传算法的复合材料板簧多目标优化方法
采用遗传算法的复合材料板簧多目标优化方法柯俊;史文库;钱琛;袁可;李国民【摘要】为了使某客车复合材料板簧的性能达到最优,提出了一种针对复合材料板簧的多目标优化方法.综合应用遗传算法中的权重系数变换法和混合法,调用编写的复合材料板簧各项性能的Matlab计算程序,采用Matlab遗传算法工具箱建立了以铺层参数为设计变量,以复合材料板簧的刚度、强度和质量为子目标的多目标优化模型.优化结果表明,簧身的宽度应取最大值,从长度渐变铺层区域末端到中部凸起结构的簧身厚度应以抛物线规律增加.对优化得到的设计方案进行样件试制和台架试验.试验结果表明,优化得到的复合材料板簧质量为钢板弹簧的40％,疲劳寿命是钢板弹簧的3倍,同时也满足整车对板簧刚度和强度的要求.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2015(049)008【总页数】7页(P102-108)【关键词】客车;板簧;复合材料;遗传算法;多目标优化【作者】柯俊;史文库;钱琛;袁可;李国民【作者单位】吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,130022,长春;吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,130022,长春;吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,130022,长春;南京汽车集团有限公司,210028,南京;宁波华翔汽车零部件研发有限公司,315033,浙江宁波【正文语种】中文【中图分类】U463.33+4.6近年来,随着能源短缺与环境危机的日益严重,汽车轻量化成为了必然的趋势。
基于以塑代钢概念的复合材料板簧具有明显的轻量化优势,对汽车的节能减排性能和舒适性都有明显的改善作用,市场前景广阔。
因此,复合材料板簧的正向设计技术已成为国内外学者竞相研究的热点领域[1-3]。
目前,国外已有学者对复合材料板簧的优化设计[4-5]、疲劳寿命预测[6]及接头的可靠性设计[7]进行了深入研究,但复合材料板簧的优化设计理论还远未成熟。
如何设计复合材料板簧的铺层方案,使板簧在满足刚度指标的同时,具有最高的强度和最小的质量,是当前研究的核心问题。
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每个叶 片都采用矩形截 面且具有 相同的宽度 。 传统弹簧的设计多采用试 凑法 ，根据经验初 选尺寸参数 ， 配 ， 由于汽车板簧 是对称结构 ， 现取其一半进行研究 ， 图 １ 如 所 然后代人公式验算 ，经过多次 反复 ，一直到强度和刚度都满足 要求为止 ，这种设计方 法不容易获得最佳 设计结果且费工 时 ， 示 。 对于这两片弹簧， 其设计参数包括长度尺寸 ｆ ｆ厚度尺寸参 １２ ，； 为克服上述缺点 ， 本文采用 了最优化方法进行设计 求解 。
ｆ ｐｎ ｚｕ ｅｃｐ ｇｎｒ ｅ 凡ｔ ｎｍ ａｙ 。 ｕ ｓｔ ｒ ｔ ｅ ｒ ｄ ｄ。ｏ ｉ ｍ ｕｉ 胁 ｍ ｔ ｏ ｈｖ ｎｕ ｅｈＣ ｉｎ ｍ ｉ ｑ ｌ． ｃｅ ｆ ｉｓ ｉ ｔ Ｏ ｉｆ ｎ ｔ Ｋｙ ｏ ｓＣｍ ｏｔｍｔｉ； ｐｍｍ Ｌ ｄｐｎ ｅｗｒ ： ｏｐ ｉ ａｒｌＯｔ ｕ ； ｅ ｒ ｄ ｓ ｅａ ｉ ｅ ａｓ ｉ
一２ ９一
—
复合材料板簧副簧的优化设计
边文风 李 未（ 哈尔滨工业大学 汽车工程学院， 威海 ２ ４０ ） ６ ２ ９
Ｏｐ ｉ ｍ ｅ ｉｎ ｆ ｒｔ ｅ ｖｃ ｔ ｍｕ ｄ ｓｇ ｏ ｉｅ—ｓ ｒ ｇ ｏ ｍｐ ｓｔ ｔ ｒ ｌｅ ｆｓ ｒ ｇ ｈ ｐ ｉ ｆＣｏ ｏ ｉ ｍａ ｅ ｉ ａ ｐ ） ｎ ｅ ａｌ ｎ
【 摘要１ 这里建立了轻型车复合材料副簧的力学模型， 根据层舍板理论， 计算出了副簧的危险应
力和最大挠度 ， 并以强度和刚度为约束 ， 以质量最小为 目 函数 ， 标 通过有约束最小化优化方法， 对复 合材料 副簧进行 了 优化设计， 得到 了最小质量下的副簧的最佳尺寸。 关键词 ： 复合材料 ； 优化 ； 板簧 ［ ｂｔａｔ ｈ ｍ ｃＤ ｉ ｌ ｏｅ ｏ ｍ ｏ ｔ ｍ ￡ｉ ｉ — ｐ ｎ ｓｄｓ ｎｄ ｉ ｔｉ ｐ一 Ａ ｓ ｃｌ ｅ ｅ ｎ ０ ｍ ｄｌ ｆｃ ｐｓｅ ａ ｒ ｌ，ｅ ｓｒ ｇ ｉ ｅ ｉ ｅ ｎ ｈ ０ ｒ Ｔ ｃ ｏ ｉ ｅ 。 ｔ ｃ ｉ ｇ ｓ
１Ｆ Ｐ板簧优化设 计模型 Ｒ
减轻板 簧的重量 ，提高使用寿命 和安全性 。本文对带有主剐簧 结构 钢板弹簧 的某 车型进行研究 ，对其 副簧进行优化设计 。原
数ｈ ２ 。 。叶片宽度 ６ 出于装配工艺要求 ． ，ｈ ， 副簧宽度 ｂ 与主簧同
两 ’ 轻型车使 用 Ｆ Ｐ板簧 的主要 目的是 为 了代 替钢板 弹簧以 宽 。从 等强 度结构 理 论 出发 ， 片弹 簧 的长 度关 系 为 ： Ｒ
３ 付丽 ． 连杆式液压剪板机设计要点 ． 液压与气动 ． ０ ５２ Ｐ ８ ５ ． ２ ０ （）５ — ９
一
结构副簧由两 片钢板组 成， 现用复合材料板簧代替之 。
尸
１ １材料选 择 ．
在纤维增强复合材料中 ，纤 维主要起 承载作用 ，而基体则 起着把外力传递给纤维 ， 同时保持纤维的稳定性 ， 防止其屈 曲的 作用 ， 综合力学性能考 虑， 采用 Ｅ一 玻璃纤维。按照 Ｆ Ｐ板簧 的 Ｒ 工作情况 及受力要求 ，其树脂基 体应具 有长期在静 载和动载下 承载能力 （ 耐蠕变和疲劳性 ） 及吸收冲击性能 （ 韧性 ） 。综合板簧 的性 能要求 ， 成型工艺条件 ， 选择了高温固化的环氧树脂作为基 体材料。
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１ ２设计 变量 ．
这里所设 计的 Ｆ Ｐ板 簧考虑成型 简单 ，且易于与 主簧装 Ｒ
式（） ｉ中：
★ 稿 １ ：０５ ｌ ２ 来 ３ ２０ 一ｌ 一 ４ 期
图 １弹簧总成图
Ｆｇ ＩＴ ｅａ ｓｍｂｙｏ ｅ ｆ ｐ ｉｇ ｉ． ｈ ｓｅ ｌ ｆｌａ ｅ ｅ ｇ ＩＷ ｉ
（ ａｒｉ ｓ ｔｔ ｏ ｅ ｈ ｏ ｇ，ｎｔｕｅｏ ｕｏ ・ ｉ ｎ ｉｅｒ ｇＷｅｈ ｉ ６ ２ ９ Ｃ ｉａ Ｈ ｅｂｎＩ ｔｕｅ ｆ ｃ ｎＩ ｙ Ｉｓ ｔｔ ｆ ｔｍ３ ｌ Ｅ ｇｎｅｉ ， ｉ ４ ０ ， ｈｎ ） ｎｉ Ｔ ｏ ｉ Ａ ｂｅ ｎ ａ２
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维普资讯
第 ９期 ２０ ０ ６年 ９月
文章编号 ：０ １—３ ９ ２ ０ ）９—０ ２ １０ ９７（０ ６ ０ ０ ９一ｕ ３
机械 设计 与 制造
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ｐ．ｃｒｎ ￡￡ ｈ ｏ ｌ ｉｔ ｔ ｔ ｎ ｒｓｔｓｎ ｅ ａｍｍ ｅｂｔｏ 一 ； ｅＡｃｄｇ０ ∞ ｆ ａ ｎｅｐ ｅ ｉｄ ｇｏ ｅａｄｈｍｘ ｕｆｘｉ 。 ｒ ｏｉ ｔ ｍ ａｄｌ ， ｒ ａ ｅｕｓ ｓ ｔ ｉ ｌ ｉｉ ｆ ａ ｅ ｒ ｌ ｙ
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