重型牵引车复合材料板簧的设计及应用_王莉
汽车板簧研究报告
汽车板簧研究报告汽车板簧是汽车悬挂的重要组成部分，具有承载汽车的重量和减震缓冲的作用。
现代汽车板簧研究主要是为了改善其承载能力和减震性能，提升汽车乘坐舒适性和安全性。
本文综述了目前汽车板簧的研究进展，并探讨了未来研究的方向和挑战。
1、汽车板簧的类型汽车板簧按照材料分为钢板板簧和复合板簧两种类型。
钢板板簧又分为多片式和单片式，前者多用于重型车辆，后者多用于轻型车辆。
复合板簧是一种由多种材料组合而成的板簧，具有轻量化、耐疲劳和耐腐蚀等优点，但其制造成本较高。
2、汽车板簧的承载性能汽车板簧的承载性能主要包括弹性、载荷和变形等指标。
弹性指标反映了板簧的弹性恢复能力，其值越高就越能承受重量。
载荷指标反映了板簧能够承受的最大重量，其值越高就越能处理重载。
变形指标反映了在受到悬挂系统力的作用下板簧所产生的变形程度，其值越小说明板簧承载能力越好。
目前，为了提高汽车板簧的承载能力，研究者主要从材料选择、制造工艺和板簧结构设计等方面入手。
例如，采用高强度钢板材料、改变制造工艺以及探索新型板簧结构等手段都可以提高汽车板簧的承载能力。
与此同时，新型板簧结构也能优化板簧的强度和刚度，从而增加其承载能力。
汽车板簧不仅要承载汽车重量，还要具有减震缓冲的功能，以确保乘坐舒适性和安全性。
当前，研究者主要从材料选择、结构设计和附加减震器等方面入手，来改进汽车板簧的减震性能。
材料方面，采用新型材料可以显著提高板簧的减震缓冲效果。
比如，采用闪镁铝合金和铝合金制造板簧能获得更优异的阻尼特性。
此外，结构设计也能影响板簧的减震缓冲效果，例如采用曲线形状的板簧能够增加其阻尼的非线性程度。
附加减震器也是一种可以提升汽车板簧减震效果的手段。
目前，研究者主要采用气弹簧、液压缓冲装置和电磁减震器等附加减震器来协同汽车板簧，提高汽车的减震性能。
相比于单独使用汽车板簧，附加减震器能够显著提高汽车的减震效果。
4、未来研究的方向和挑战随着汽车工业的飞速发展，对汽车板簧的要求也日益严格。
重卡 单片复合材料板簧的作用
重卡单片复合材料板簧的作用
重卡单片复合材料板簧是重型卡车悬挂系统中的一个重要组成
部分，它具有以下作用：
1. 负载支撑，单片复合材料板簧能够承受重型卡车的负载，通
过弹性变形来支撑车辆的重量，从而保持车身的稳定性和平衡性。
它能够减轻车辆的震动和颠簸，提高车辆的行驶稳定性和舒适性。
2. 缓冲减震，单片复合材料板簧在车辆行驶过程中能够起到缓
冲和减震的作用，吸收来自路面的冲击和振动，减少对车辆和货物
的影响，保护车辆的悬挂系统和货物不受损坏。
3. 提高承载能力，相比传统的金属板簧，单片复合材料板簧具
有更高的强度和承载能力，能够在保持相同尺寸的情况下承受更大
的负载，提高了车辆的运输能力和效率。
4. 耐久性和轻量化，单片复合材料板簧由高强度的复合材料制成，具有优异的耐久性和抗腐蚀性，能够在恶劣的环境下长期使用。
同时，相比传统的金属板簧，复合材料板簧具有更轻的重量，能够
减轻车辆的整体重量，提高燃油经济性。
综上所述，重卡单片复合材料板簧在重型卡车悬挂系统中扮演着重要的角色，它不仅能够支撑和缓冲车辆的负载和震动，还能够提高车辆的承载能力和耐久性，对于提升车辆的运输效率和安全性具有重要意义。
复合材料板簧
北京玻璃钢研究设计院 北京中材汽车复合材料有限公司 2010年6月
1. 2. 3. 4.
国内外复合材料板簧的研究及应用状况 复合材料板簧应用实例 复合材料板簧应用的意义 复合材料板簧的技术发展概况
1、国内外复合材料板簧的研究及应用状况
由于塑料弹簧具有钢制弹簧难以取代的优点，因此美、 英、日等国竞相开展研制，取得了不少研制成果，并已批 量投入实际应用。它的发展大体经历了三个阶段。 1970年以前为原理性实验探索阶段。在这一阶段， 发表的应用理论分析文章和阶段性研制报告比较多。在此 期间，由于适合于工程应用的热固性塑料尚处在早期发展 阶段，工程塑料弹簧的研制遇到许多问题，如材料的耐温 性差、硬度低不耐磨、价格高、难以制成广泛的螺旋弹簧， 加之设计程序，加工设备和工艺参数都遇到一些有待解决 的新问题，因而延缓了塑料弹簧向实际应用的进程。
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
动态特性 疲劳寿命是衡量弹簧动态特性的重要指标。实践证明，FRP板簧的疲 劳寿命比钢制板簧好。英国GKN公司在液压伺服试验台上对FRP板簧 做多向加载（模拟汽车在实际运行中的垂直力、倾翻力和纵向力）疲 劳试验。根据汽车制造厂的规定，该车使用的钢制板簧以最大动行程 的70%做台架疲劳试验，应能承受2×10 作用次数。GKN公司宣布， 该公司生产的FRP板簧可承受10 作用次数的疲劳试验。 环境试验 GKN公司生产的FRP板簧能经受车辆行驶中所受到的全部腐蚀，如油、 蓄电池酸液和盐水。只有焊接火焰、电孤焊飞溅火星如长时间接触， 对其会稍有影响。
复合材料板簧仿真设计与实验研究开题报告
纤维增强复 合材料
它由纤维和基体两种组分材料组 成
复合材料 层合板
它由以上两种复合材料的形式组成的 单层板，以不同的方式叠合在一起形 成层合板。层合板是目前复合材料实 际应用的主要形式
层合板理论
层合板理论在实际的应用当中,由两层或者是两层以上的复合 材料单层板按照不同方向黏合而组成的整体结构单元,即整体 结构板,称为层合板。
复合材料建模
1 2 3
对复合材料进行宏观建模时要把复合材料当成单 一的正交各向异性材料或者当作各向异性材料 复合材料通常被认为是弹性的 各向异性塑性模型通常用来仿真复合材料的非 弹性变形
宏观模型
4 5 6 7
它的形变场是均匀的
宏观建模是用来模拟复合材料的整体行为以此建 模时材料的非线性以及局部失效都不被考虑进去
复合材料建模
2建立Material-1，Mechanical: Elasticity: Elastic: Type=Lamina,在 data中输入材料参数：E1=25.0E6 E2=1.0E6 Nu12=0.25 G12=0.5e6 G13=0.5E6 G23=0.2E6
复合材料建模
3 建立Composite Layup, Composite Layup Manager: Create: Initial ply count=4 Element Type=Conventional Shell, 生成4层的具体数据如下图所示
复合材料建模
使用Query工具的Ply stack plot查看铺层顺序
复合材料建模
4.生成Instance, Create Instance: Parts=Part-1 Instance Type=Independent: OK
复合材料板簧
9100i, 9200i, 9400i
Columbia, Century
Kenworth 康沃斯 Peterbilt 彼得比尔特
T600, T800 385, 387
２、复合材料板簧应用实例
重型罐车的应用
２、复合材料板簧应用实例
重型卡车上的应用
２、复合材料板簧应用实例
后驱轿车上的应用 轿跑车上的应用 后轴横置
复合材料弹簧投入实际应用的数量和范围都在稳步发 展。
２、复合材料板簧应用实例
复合材料板簧已经在全球诸多汽车厂商得到大量应用， 如通用、福特、 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。
厂商
车型
厂商
车型
International 国际卡车 Freightliner 莱纳卡车
３、复合材料板簧应用的意义
采用复合材料板簧，与传统的金属板簧相比，最明显 的优势就是减重效应，由于复合材料的可设计性强且密度 小，同等性能的替代产品一般可减重均在50％以上。通过 选用不同材料及优化设计，减重比例甚至可以达到70％以 上，这也是目前其它部件优化过程中非常少见的减重优势。
３、复合材料板簧应用的意义
４、复合材料板簧的技术发展概况
设计要点： （1）弹性模量； （2）工作环境温度； （3）载荷作用时间； （4）变形量对E值的影响。
复合材料板簧的三种设计形式： （1）恒宽，变厚的设计。 （2）恒厚，变宽的设计。 （3）恒定的交叉设计（变宽和变厚而导致的恒定交叉设计）
４、复合材料板簧的技术发展概况固性复合材料板簧产品可以实现一次成型，其成型
工艺性和钢近似。 热塑性的工艺性好，容易成形，生产率也高，但机械
性能不如热固性塑料。 纤维增强复合材料同时还具有重量轻（比重为1.0—
汽车板簧支架多目标优化设计模型研究
第36卷第3期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版） Vol.36,No.3 2020年5月Journal of Qiqihar University(Natural Science Edition)May,2020汽车板簧支架多目标优化设计模型研究陈亮，辛顺强（福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000）摘要：针对汽车板簧支架多目标轻量化设计问题，提出 一种基于最小二乘法拟合的响应曲面近似模型的多目标轻量化设计方法，寻找板簧支架刚度和强度的冗余和不足。
同时对一阶Taylor 展开式和三种二阶Taylor 展开式进行 4次拟合比较并与Kriging 近似模型进行 分析比较，得到 更优越的设计模型，为后续汽车重要零部件的静强度及抗疲劳研究提供指导。
关键词：板簧支架；响应曲面模型；结构优化；轻量化中图分类号：U463 文献标志码：A 文章编号：1007-984X(2020)03-0045-06汽车板簧支架是汽车上支撑板簧或其它部件的重要零件，在汽车不同运行条件下，该类零件承受较大的交变冲击载荷作用[1]。
为此，必须保证其在不同的路况都具有良好的综合力学性能。
启培，高沛等人对某板簧支架的结构进行 优化设计[2]，但并未考虑颠簸路面对板簧支架对受力的影响，也未对设计方法进行设计校核。
陈立娜，张维刚针对发动机罩多目标优化设计问题使用Kriging 模型进行求解[3]，但未能和其它算法进行比较。
本文针对汽车板簧支架多目标轻量化设计问题，提出 一种基于最小二乘法拟合的响应曲面近似模型的多目标轻量化设计方法，寻找板簧支架刚度和强度的冗余和不足。
同时，本文对一阶Taylor 展开式和3种二阶Taylor 展开式进行 4次拟合比较并与Kriging 近似模型[4]进行 分析比较，得到 更优越的设计模型，为后续汽车重要零部件的静强度及抗疲劳研究提供指导。
1 响应曲面建模方法在响应曲面建模中，假 y 为产品或过程或参数的质量特性即响应，与输入变量X 存在如下关系[5]：()y f X δ=+ 其中：[]12,,,k X x x x =⋯。
【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。
复合材料板簧在汽车上的应用
复合材料板簧在汽车上的应用作者：刘慧杨锁望王晓地范晓轩刘雷雷周震华来源：《新材料产业》2020年第04期节能减排给予汽车工业和研发人员持续的挑战，减轻汽车质量对汽车的发展具有重要的意义。
2012年国务院颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》指出，到2020年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0L/100km。
减轻汽车自重，不仅可以降低对原材料的消耗，降低成本，还可以极大地节能减排，同时提高汽车的动力性能。
汽车的轻量化设计已成为当今汽车产业发展的重要研究方向。
现代汽车底盘弹簧的分类主要包括钢制螺旋弹簧和钢板弹簧。
家用汽车主要以螺旋弹簧为主，而卡车、厢式货车等重型汽车主要使用钢板弹簧。
近年来，由于复合材料技术的发展，玻纤增强型复合材料板簧发展成为应用在汽车悬架上的新型轻量化解决方案，其在汽车上的应用主要分纵置和横置2种结构形式。
纵置板簧多用于货车上，结构与传统钢板弹簧相似;横置板簧多用于汽车，对悬架布置影响较大;材料上，由于玻纤增强型板簧材料的各向异性特点，对设计校核也提出了新的挑战。
本文简述了复合材料板簧的应用现状和工艺过程，并以玻纤增强型复合材料板簧为例研究其在汽车上的应用方法和原理，为该技术的研究和应用提供参考。
1复合材料板簧的应用发展、材料和工艺1.1复合材料板簧的发展历程意识到复合材料板簧所能带来的优异性能，越来越多的厂商竞相研制并取得了一定的成果。
目前，传统的钢制板簧正逐渐被复合材料板簧取代。
这一发展大体经历了3个阶段。
第1阶段是1970年以前，为原理性实验探索阶段。
这期间，有大量的应用理论分析文章和阶段性研制报告被发表。
第2阶段是1980年以前，为实用化研制阶段。
伴随塑料工业的发展，这期间纤维增强塑料（Fibergla ss Reinfo rcedPlastics，FRP）研制成功，这种材料不仅耐温、耐磨，而且价格合适。
同时，汽车市场正向小型化和轻型化方向发展，特别是第2次石油危机以后，为了减轻汽车自重、降降油耗，汽车厂商积极投入复合材料板簧的研制，促进了复合材料板簧从理论向实际应用的发展，并成功美国实现FRP板簧在投入应用。
复合材料板簧的迟滞特性建模与试验研究
2021年（第43卷）第6期汽车工程Automotive Engineering2021（Vol.43）No.6复合材料板簧的迟滞特性建模与试验研究*刘鹤龙1，史文库1，高蕊2，陈志勇1，陈晃2，孙云龙3（1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022；2.中国重汽集团汽车研究总院，济南250100；3.哈尔滨玻璃钢研究院有限公司，哈尔滨150036）［摘要］运用Bouc⁃Wen摩擦学理论建立了复合材料板簧的迟滞特性模型，根据台架试验测得的动态力-位移曲线，利用改进的乌鸦搜索算法（MCSA）进行了模型的参数辨识。
仿真结果与试验结果吻合较好，表明该模型能准确预测复合材料板簧的迟滞特性。
建立考虑复合材料板簧迟滞特性的整车7自由度动力学模型，分析了在随机路面激励下，复合材料板簧迟滞特性对整车动态响应的影响。
结果表明，复合材料板簧的迟滞特性使簧载质量的质心加速度增加，板簧的回复力增大，而悬架的动挠度减小。
该研究为复合材料板簧的整车匹配和精细化动力学建模提供参考。
关键词：复合材料板簧；迟滞特性；平顺性；Bouc⁃Wen模型；乌鸦搜索算法Modeling and Experimental Study on Hysteresis Characteristic ofComposite Leaf SpringsLiu Helong1，Shi Wenku1，Gao Rui2，Chen Zhiyong1，Chen Huang2&Sun Yunlong31.Jilin University，State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Changchun130022；2.Automotive Research Institute of China National Heavy Duty Truck Group Co.，Ltd.，Jinan250100；3.Harbin FRP Institute Co.，Ltd.，Harbin150036［Abstract］Bouc⁃Wen tribology theory is applied to the setting up of the hysteresis characteristic model of composite leaf springs，and according to the dynamic force⁃displacement curves obtained by bench test，the model parameters are identified by using the modified crow search algorithm（MCSA）.The simulation results well agree with the test ones，showing that the model can accurately predict the hysteresis characteristic of composite leaf spring.A seven DOF vehicle dynamic model is established with consideration of the hysteresis characteristic of com⁃posite leaf spring，and the influence of the hysteresis characteristic of composite leaf springs on the dynamic re⁃sponse of vehicle under random road excitation is analyzed.The results indicate that the hysteresis characteristic of composite leaf spring increases the mass⁃center acceleration of sprung mass and the restoring force of leaf spring，and reduces the dynamic deflection of suspension.This study provides a reference for the vehicle matching and the refined dynamic modeling of composite leaf springs.Keywords：composite leaf spring；hysteresis characteristic；ride comfort；Bouc⁃Wen model；crow search algorithm前言随着能源短缺的问题日益凸显和新能源汽车对续航里程的要求逐渐提高，汽车轻量化技术的发展得到了广泛的关注。
某卡车板簧悬架U型螺栓设计
70
汽车实用技术
2017 年第 16 期
螺距 P——螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。 导程 S——螺纹上任一点沿统一条螺旋线转一周所移动 的轴向距离。单线螺纹 S = P，多线螺纹 S = nP。 牙型角α——螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。
表 1 常用骑马螺栓选用材料与疲劳极限
表 2 计算参数
图3
图4
根据 d1≥12mm，查标准件手册可得螺栓的规格为 M16 (d1=13.835mm)。
螺栓拧紧力矩确定 根据机械设计手册，为了满足螺栓的预紧力要求，确定 螺栓的拧紧力矩 M，如下：
（4）
（5） 式中： Dk——支撑面等价扭矩直径，mm； dw——螺栓法兰外直径，mm； dh——安装孔直径，mm； d2——螺栓中径，mm； P——螺距，mm； u——螺栓摩擦系数，对于安全件螺栓取 0.1～0.16； S——许用安全系数，通常取 1.2～1.5； F0——系统需要的预紧力，N。 预紧力的大小需根据螺栓组受力的大小和连接的工作要 求决定。设计时首先保证所需的预紧力，又不应使连接的结 构尺寸过大。一般规定拧紧后螺纹连接件预紧应力不得大于 其材料的屈服点σs 的 80%。对于一般连接用钢制螺栓，推
10.16638/ki.1671-7988.2017.16.025
某卡车板簧悬架 U 型螺栓设计
王成立，洪学臣，杨巩
（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）
摘 要：钢板弹簧悬架是卡车最常用的悬架形式，其结构简单，成本低廉，具有良好的承载性能。板簧悬架通过钢 板弹簧连接车架（或车身）与车桥，钢板弹簧与车桥通过 U 型螺栓连接。U 型螺栓的强度，打紧力矩影响着钢板 弹簧的使用寿命和整车的安全性能。 关键词：卡车；钢板弹簧；U 型螺栓 中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2017)16-69-03
复合材料板簧
复合材料板簧
复合材料板簧是一种由多种材料组合而成的弹簧，它具有轻质、高强度、耐腐
蚀等特点，因此在工程领域中得到了广泛的应用。
复合材料板簧通常由玻璃纤维、碳纤维、环氧树脂等材料组成，其制造工艺复杂，但是可以根据需要进行定制，以满足不同工程项目的需求。
首先，复合材料板簧具有较高的强度和刚度。
由于其材料的特性，复合材料板
簧可以承受较大的负荷，同时保持稳定的形状，不易变形或断裂。
这使得复合材料板簧在需要承受较大压力或拉力的工程项目中得到了广泛的应用，例如航空航天领域的飞机起落架、汽车工业中的悬挂系统等。
其次，复合材料板簧具有较轻的重量。
相比于传统的金属板簧，复合材料板簧
的重量更轻，这使得它可以在不增加额外负担的情况下，为工程项目提供更大的弹性支撑。
在需要减轻整体重量的工程项目中，复合材料板簧可以发挥其独特的优势，例如在航空航天领域的航天器结构中，复合材料板簧可以减轻整体重量，提高载荷能力。
此外，复合材料板簧具有良好的耐腐蚀性能。
由于其主要材料为玻璃纤维、碳
纤维等非金属材料，复合材料板簧不易受到腐蚀的影响，可以在恶劣的环境条件下长期稳定运行。
这使得复合材料板簧在海洋工程、化工设备等领域得到了广泛的应用，可以有效延长设备的使用寿命，降低维护成本。
综上所述，复合材料板簧作为一种新型的弹簧结构，在工程领域中具有重要的
应用前景。
它的轻质、高强度、耐腐蚀等特点，使得它可以满足不同工程项目的需求，为工程项目提供更可靠的支撑和保障。
随着材料科学技术的不断发展，相信复合材料板簧将会在更多领域展现出其独特的优势，为工程领域的发展做出更大的贡献。
汽车板簧材料与工艺试验
34
2
1375
1358
8.0
21
44
3
1349
1315
8.2
31
36
4
1384
1339
9.0
33
38
平均
1369
1338
8.2
28
38
60Si2Mn
水基淬火液
1
1314
1274
4.5
18
43
2
1411
1354
4.5
16
46
3
1354
1299
4.4
16
38
平均
1340
1306
4.5
16.7
42
3试验结果及讨论
编号
疲劳寿命（万次）
平均疲劳寿命（万次）
试验标准（万次）
断片序号及断裂位置
1
≮14.0
13.9
≮8.0
通过
2
≮14.0
通过
3
13.9
第7片板簧断，距中心67mm，断口为疲劳断裂
4
≮14.0
通过
5
≮14.0
通过
从上述试验情况可看出，使用今禹水基淬火液由于在金属表面上形成一层膜，通过调整浓度、温度和搅拌程度可以得到各种冷却速度，达到最佳淬火效果。经过该淬火介质处理的试样其拉伸试验各种指标优于油淬，其中塑性指标更为突出，金相组织级别也优于油淬火介质的。弹簧总成的疲劳台架试验，前簧、后簧、副簧疲劳寿命均达到优等品水平(>14万次)。因此，今禹水基淬火剂可以在大截面钢板弹簧热处理中使用。14mmxl00mm大截面弹簧可以使用60Si2Mn钢制造，满足产品的技术要求。
复合材料板簧
环境试验 GKN公司生产的FRP板簧能经受车辆行驶中所受到的全部腐蚀，如油、 蓄电池酸液和盐水。只有焊接火焰、电孤焊飞溅火星如长时间接触， 对其会稍有影响。
板簧检测
应力实验 无损检测
疲劳实验
４、复合材料板簧的技术发展概况
复合材料板簧材料基本性能参数：
参数
弯曲强度 MPa 弯曲模量GPa 拉伸强度 MPa 拉伸模量 GPa 0°的压缩强度 MPa 90°的压缩强度 MPa 疲劳次数 万次 耐热 ℃
用于制作弹簧的热固性和热塑复合材料性能均满足以上要 求，目前的复合材料板簧的承载能力可达每轴10吨以上。
４、复合材料板簧的技术发展概况
关于变形能 热固性纤维增强塑料的V值比一般金属都大，可与弹簧钢 相比
关于复合材料的强度和疲劳强度 以环氧树脂为胶粘剂的热固性塑料为例，其抗拉强度可在 400-1000MPa间按要求设计。一般的玻璃纤维增强环氧 （GFRP）的疲劳寿命均达50万次以上，而碳纤维增强环 氧（CFRP）的疲劳寿命更可达100万次以上。
３、复合材料板簧应用的意义
（4） 全寿命费用（Cycle life Cost）合理。FRP板簧与高 档次钢质板簧相比成本较低加上重量轻，节约燃料和维修 方便等原因使车辆使用费用更加降低。 （5） 部件简化，重量轻，拆装操作更简便容易。 （6） 相同荷载能力下，复合材料板簧的弹性行程可以设 计得更大（可设计性），舒适性更好。 （７）因材料自身阻尼较大，所以各种工况下其产生的噪 音均较小。减少了对环境的污染，改善了人机环境。
重型牵引车空气悬架钢板弹簧支架强度分析与优化
重型牵引车空气悬架钢板弹簧支架强度分析与优化尚志诚;胡葳;刘一鸣【摘要】利用有限元分析软件对某重型牵引车空气悬架的钢板弹簧支架进行强度分析。
结果表明，在四种典型工况下，钢板弹簧支架的强度均满足要求，并存在一定的材料冗余；在此基础上，对钢板弹簧支架进行拓扑优化，优化后的钢板弹簧支架质量减轻了6.8%，同时仍满足强度要求。
%The authors use the finite element analysis(FEA)software to analyze the strength of the leaf spring hold-er in the air suspension system of a heavy traction vehicle. The results show that the leaf spring holder can meet the requirements under the four conditions and the material is still redundant. Based on this, they conduct the topological optimization on the leaf spring holder. The optimized mass of the leaf spring holder is reduced by 6.8%, and the structure strength can still meet the requirements.【期刊名称】《客车技术与研究》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P4-7)【关键词】重型牵引车;空气悬架;钢板弹簧支架;强度分析;优化【作者】尚志诚;胡葳;刘一鸣【作者单位】重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆 401122;中国汽车技术研究中心数据资源中心，天津 300300;重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆 401122【正文语种】中文【中图分类】U463.33+4.2悬架对车辆的经济性、安全性和营运效率起着非常重要的作用。
重型牵引车驱动桥壳厚度及板簧中心距的优化
［ １— ８ ］ 中对 整 个 驱 动 桥 壳 只设 计 了一 个 厚 度 变 量， 虽 然实 现 了轻量化设 计 ， 但是 由于驱动 桥壳本 体与半 轴套 管厚 度 并 不 相 同 ， 只设 计 一 个 厚 度 变
量 并不 符合 实 际情况 。 因此笔者 将驱 动桥 壳本 体 厚度 和半 轴套 管 厚度 均 作 为 设计 变 量 ， 对 其 进 行 优化 设计 。 重 型牵引 车 的钢 板 弹 簧 安装 在 板 簧 座 上 ， 板
常 采用 整体铸 造 桥 壳 ， 两 端 通过 压 入 由无 缝钢 管
制成的半轴套管来提高其强度和刚度 。这种整体
铸 造 桥 壳 的强 度 和 刚度 较 大 ， 但其质量也较大。
为 了实 现轻 量化 设 计 ， 近 年 来 一些 学 者 和 科 研 机 构 已经 对驱 动桥 壳 的厚 度进 行 了优 化设 计 ， 文献
矩就 不 同 ， 驱 动 桥 壳 的强 度 和 刚 度也 会 不 同。 因
差速 器 、 半 轴 和 驱动 车 轮 等 组 成 。其动 力 通 常 由
发动 机 、 离 合器 、 变速 器 和传动轴 传递 到驱 动桥 的
此， 对两 个板 簧座 中心 的距离 ， 即板簧 中心距 进行
优化 设计 具有 重要 意义 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４— ０ ９—１ ２ ．
作者简介 ： 徐杨坤（ １ ９ ８ ９一） ， 男， 湖北武汉人 ， 武汉理工大学汽车工程学 院硕士研究生 基金项 目： 教育部创 新团队发展计划基金资助项 目（ Ｉ Ｒ Ｔ １ ３ ０ ８ ７ ） ．
１ ９ ８
武汉理工大学学报（ 信息与管理工程版 ）
图１ 重 型 牵 引 车 驱 动 桥 壳 结 构 示 意 图
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。
一种变刚度复合材料板簧[实用新型专利]
![一种变刚度复合材料板簧[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/3d8262e802020740bf1e9b8c.png)
专利名称：一种变刚度复合材料板簧专利类型：实用新型专利
发明人：黄昌文,汪翠琴
申请号：CN201721301137.6
申请日：20171010
公开号：CN207297717U
公开日：
20180501
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种适用于轻型客车、轻型卡车、MPV、皮卡等汽车的变刚度复合材料板簧，包括从上至下依次层叠设置主簧片、中间垫片和副簧片，所述主簧片的一端设有平卷耳，另一端设有上卷耳，两端耳孔内都装有复合衬套；本实用新型采用两片制的主、副复合结构，主片卷耳及两耳孔尺寸等与传统钢板弹簧保持一致，可实现与传统多片制变刚度板簧等效替换，安装、维护方便；本实用新型主簧片采用高强度弹簧钢等应力变截面设计、副簧片采用玻璃纤维树脂基复合材料，重量比传统钢板弹簧减轻50%以上，使整车轻载时更舒适，重载时更能承载，能显著减轻汽车自重、降低油耗，减少环境污染。
申请人：安庆安簧汽车零部件有限公司
地址：246000 安徽省安庆市经济技术开发区3.9平方公里工业园
国籍：CN
代理机构：合肥市科融知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：刘备
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242.3 280.5
动刚度/静刚度
1.92
1.16
结论：钢板弹簧动刚度＞FRP板簧动刚度，钢板弹簧的 平顺性相对较差
图15 钢板弹簧和FRP板簧的动刚度对比
4.2 FRP板簧台架试验现象
小，这样有利于载荷传递，可减小分层的可能性。
FRP板簧在台架试验过程中出现中部分层断裂（图
4.3 FRP板簧和钢板弹簧在质量、密度、比强度及储
综合表7 表9的结果，采用M8X1螺栓可以满足 使用要求。
3.3.2.2 卷耳孔参数的选取 为防止复合材料机械连接出现低强度破坏模
式，并具有较高的强度，卷耳接头螺栓孔的几何参 数一般按表10的指标进行设计，卷耳螺栓孔位置示 意见图11。 3.4 金属加载盒的设计
复合材料板簧在装配过程中会受到U形螺栓夹紧 力的作用，如果没有金属加载盒，夹紧力直接作用于
为了保证悬架系统的高可靠 性，FRP板簧需要与车身及前轴进行 可靠的连接。 3.3.1 板簧卷耳与簧体的连接方式
FRP板簧与簧体的连接形式有4
3.2.3 FRP板簧几何参数设计
种（图7），各种连接形式的特点见表6。
目前处于FRP板簧的初期摸索阶段，先按照少
3.3.2 卷耳的设计思路
片簧（梯形）的设计经验初步确定FRP板簧的几何参
302.4/582.3
满载/极限纵向最大压缩应力/MPa 自由刚度/N·mm-1
317/610 250.3
满载/极限纵向拉伸应变/με
7 541/14 521
满载/极限纵向压缩应变/με
7 755/14 933
满载/极限面内剪切应力/MPa
31.6/60.8
结论：满载和极限载荷时,纵向最大拉伸和压缩应力、拉 伸和压缩应变、面内剪切应力都在材料许可的范围内
表6 各种连接形式的特点
方案
特点
a.钢制卷耳通过螺栓或铆钉或螺栓+胶和簧体
连接
1
b.这种连接方式需要在复合材料板簧上钻孔，
孔周围有应力集中
c.制造简单且成本低
2 3、4 结论
a.卷耳和簧体制成一体，采用复合材料 b.不需要钻孔，没有应力集中问题 c.卷耳和簧体相连的过渡部分需要加强，以避 免单向纤维劈裂 d.制造难且成本高
AT & M 视 界
FIELD
OF
VISION
图7 FRP板簧与簧体的连接形式
图8 卷耳的设计思路 复合材料机械连接的破坏形式[1]有挤压破坏、拉 伸破坏、拉脱破坏、剪切破坏、劈裂破坏、紧固件的
剪切破坏、紧固件的拉伸破坏以及组合破坏形式等8 种形式（图9）。复合材料板簧一般出现的是组合型 破坏，如挤压-剪切、拉伸-剪切等。其中剪切破坏 和劈裂破坏是两种低强度破坏模式，应防止发生；挤 压破坏是局部性质的破坏，通常不会引起复合材料结 构的灾难性破坏，是设计预期的可能破坏形式。从既 要保证连接的安全性又要提高连接效率的角度出发， 应尽可能使机械连接设计产生与挤压破坏有关的破坏 模式。
表12 性能和疲劳参数
自由刚度 /N·mm-1
239.9 243.6
夹紧刚度 /N·mm-1
240.2 242.3 248.0
疲劳寿命 /万次 18.4 30.0 12.0
表13 静刚度对比
项目
FRP板簧（公式计算） FRP板簧（有限元） FRP板簧（台架实测） 钢板弹簧（公式计算） 钢板弹簧（台架实测）
簧体方案1和簧体方案2的对比见表2，从布置空
图2 FRP板簧的设计思路 间角度考虑选择方案2。 3.2.2 FRP板簧和钢板弹簧性能参数的对比
FRP板簧和钢板弹簧性能参数的对比见表3。
方案 1 2
图片
表2 FRP板簧簧体方案的对比 形状特点
布置空间
与钢板弹簧互换性
宽 度 和 厚 度 沿 与横向稳定杆吊臂
钢板弹簧 FAS3550，各向同性
无
弹性模量：210 000 MPa 泊松比：0.3 拉伸强度：1 500 MPa
数，并与少片簧进行对比（表4）。 3.2.4 FRP板簧有限元分析
FRP板簧有限元分析（满载）见 图3 图6，FRP板簧的有限元计算结 果见表5。
综合表4和表5的参数，可以看 出初期的复合材料板簧理论设计是 合理的。 3.3 FRP板簧卷耳的设计
中图分类号：TU532
文献标识码：B
中国第一汽车股份有限公司技术中心 王 莉 郭立群 吴晓涛 江 梅 宋恩章
减轻汽车悬架自重一直以来都是悬架设计师们关 注的重点之一。以6×4重型牵引车为例，悬架设计人员 做了大量的研究和应用工作，使得悬架弹性元件的前钢 板弹簧从多片簧过渡到少片簧，相对于多片簧减轻质量 39%，现在牵引车上越来越多地采用少片簧。新型复合 材料FRP（玻璃钢-玻璃纤维与环氧树脂的组合物）板 簧减轻质量效果更为显著，比少片簧降重近74%，材料 利用率也更高。研制牵引车FRP板簧的目的就是为了在 一定范围内代替前少片钢板弹簧，达到降重、节能和减 排的目的；同时为扩大应用范围积累经验。
模型并辅助CAE分析。FRP板簧比变截面少片同静刚度钢板弹簧轻74%，动、静刚度比值为后者的
3/5，摩擦力为后者的1/3。从台架试验结果看，FRP板簧寿命至少是少片钢板弹簧的2倍，分层断
裂及簧体端部挤压-剪切撕裂是主要的失效模式。FRP板簧初期设计方法和台架验证方法可行，为
后续改进工作奠定了基础。
关键词：复合材料板簧 正向设计方法 台架试验
-螺栓杆挤压应力σp /MPa 249
表9 卷耳与孔壁间挤压强度的计算
卷耳端部受压总厚度h /mm
卷耳材料的许用挤压应力[σ ]p /MPa
10
284
结论：Φ 8的孔σp ＜[σ ]p ，采用M8X1螺栓规格满足卷耳挤压要求
卷耳挤压应力σp /MPa 249
图10 卷耳与簧体螺接示意图
表10 螺栓孔参数设计指标
卷耳的设计思路见图8。
2 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M
2013年第10期
AT & M
AT & M 视 界
FIELD
OF
VISION
表4 FRP板簧的性能参数
类型 总片数
钢板弹簧
3
FRP板簧
1
自由刚度 /N·mm-1
239.1
238.1
夹紧刚度 /N·mm-1
254.8
252.8
图3 垂直方向变形量
a.簧体端部呈锥形或凹形，钢制卷耳也制成同 样形状
b.簧体不需要钻孔，没有应力集中 c.簧体端部锥形或凹形结构制作成本高 d.锥形角度设计成足够大，以避免复合材料簧 体被压坏 e.端部需要的横向尺寸大，对布置空间有影响
综合考虑制造难易程度及成本，选择方案1
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 3
AT & M
AT & M
AT & M 视 界
FIELD
OF
VISION
2013中国汽车工程学会优秀论文（选登）
重型牵引车复合材料板簧的设计及应用
摘要：研究了玻璃纤维增强塑料（FRP）板簧在重型牵引车上应用的可行性。采用正向设计方
法设计等宽变厚板簧，卷耳采用变厚度弹性结构，卷耳与簧体采用螺栓机械连接，建立简化数学
8
螺栓的屈服强度 σs (10.9级)/MPa
940
螺栓材料的许用切 应力[τ ]/MPa
235
螺栓杆切应力 τ /MPa
198
表8 螺栓杆与孔壁间挤压强度的计算
复合材料板簧端部厚度h /mm
螺栓材料的许用挤压应力[σ]p /MPa
23
752
结论：σp ＜[σ]p ，M8X1和M6X0.75均满足挤压要求
图4 纵向拉应力
图5 纵向拉应变 3.3.2.1 卷耳螺栓规格的选取
螺栓规格的选取和复合材料板簧螺栓孔的破坏形式 密切相关，下面先介绍复合材料机械连接的破坏形式。
2013年第10期
图6 板簧面内应力
表5 FRP板簧的有限元计算结果
项目
有限元
满载垂直变形（自由状态）/mm
110.4
满载/极限纵向最大拉伸应力/MPa
差
长度变化
及减振器距离近
与横向稳定杆吊臂
厚度沿长度变
及减振器距离与钢板
好
化，宽度不变
弹簧方案相同
表3 FRP板簧和钢板弹簧性能参数的对比
项目 材料 强度方向性
性能参数
FRP板簧
FRP，各向异性
有
X轴拉伸模量：40 200 MPa Y轴拉伸模量：9 900 MPa Z轴拉伸模量：9 900 MPa 泊松比：0.3 泊松比：0.366 泊松比：0.3 剪切模量：3 430 MPa 剪切模量：2 500 MPa 剪切模量：3 430 MPa X轴拉伸强度：1 050 MPa X轴压缩强度：680 MPa 剪切强度 S：65 MPa 最大应变με：15 000
16）、端部挤压-剪切破坏（图17和图18）。
存能力方面的对比
对于整个簧体而言，各方向纤维的铺层比例沿
FRP板簧（图19）和钢板弹簧（图20）在质
簧体厚度方向尽可能均匀，并使相邻层纤维间夹角最
量、密度、比强度及储存能力方面的对比见表15。
6 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M
2013年第10期
AT & M
AT & M 视 界
FIELD
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VISION
图16 FRP板簧中部失效形式
图18 FRP板簧端部失效形式 图19 FRP板簧
图17 FRP板簧端部失效形式
图20 钢板弹簧
项目
指标
设计数据 评价
列距/孔径（S /D ）
≥5
50/8=6.25 满足