重型牵引车复合材料板簧的设计及应用_王莉

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
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
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
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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。
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
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图11 卷耳螺栓孔位置示意图
表11 金属加载盒受力情况分析
金属盒受力分析 金属盒单侧壁压应力σ /MPa 极限挤压应力[σp] /MPa 合格条件 结论
276.5 284 σ ≤[σp] 壁厚设计合理
4 FRP板簧台架试验
4.1 FRP板簧台架试验结果 复合材料板簧台架试验台见图14，台架试验
自由刚度 /N·mm-1
238.1 250.3 239.9 239.1 257.2
夹紧刚度 /N·mm-1
252.8
242.3 254.8 262.0
结论： FRP板簧台架实测数据和公式计算较吻合。
表14 动刚度的对比
项目
钢板弹簧
FRP板簧
夹紧静刚度/N·mm-1 夹紧动刚度/N·mm-1
262.0 502.5
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）
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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
-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
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
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螺栓所受的工作 单端螺栓 螺栓受剪 纵向切力P /N 个数n /个 切面数m
39 816
2
2
结论：M8X1螺栓τ ＜[τ ]，满足抗剪要求
表7 螺栓杆抗剪强度的计算
螺栓受剪切面 直径d /mm
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
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。
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。
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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
缺点
弹性模量低（比钢小10倍） 层间剪切强度低 老化现象
3 FRP板簧的理论设计
钢板弹簧Baidu Nhomakorabea装配状态见图1，其受力条件从整车 载荷谱中得出。 3.1 FRP板簧的设计思路
FRP板簧的设计思路见图2。
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图1 钢板弹簧装配示意图 3.2 FRP板簧簧体具体的设计内容 3.2.1 簧体方案
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。
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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
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
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图12 金属加载盒的结构
图13 金属加载盒的受力面
图14 复合材料板簧台架试验台 测得的性能和疲劳参数见表12，静刚度对比值见 表13，钢板弹簧和FRP板簧的动刚度对比见图15 及表14。
样件
1号 2号 3号
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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
（a）挤压破坏
（b）拉伸破坏
（c）拉脱破坏
（d）剪切和劈裂破坏
（e）组合破坏形式 图9 复合材料机械连接的破坏形式
既然希望螺栓对复合材料板簧产生挤压效果， 那么螺栓孔需设计成铰制孔（螺栓和孔的配合关系 h8/H8）。受剪螺栓（铰制孔用螺栓）连接的主要失 效形式为螺栓杆被剪断（表7）、螺栓杆被压溃（表 8）、卷耳被压溃（表9），卷耳与簧体螺栓连接受力 分析见图10。
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
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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
1 FRP板簧的优点和缺点
FRP板簧主要的优点和缺点见表1。
2 FRP板簧的设计原则
为保证FRP板簧能与原车少片钢板弹簧通用，必
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须保证FRP板簧特性与钢板弹簧特性相同，并且FRP 板簧寿命不低于原钢板弹簧寿命。
表1 FRP板簧主要的优点和缺点
优点
轻质高强（相对密度小，比强度高） 耐腐蚀性能好（对大气、水和一般浓度的酸、 碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能 力） 较小的内摩擦、高的疲劳强度、破损安全性高
卷耳的设计思路见图8。
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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
项目
指标
设计数据 评价
列距/孔径（S /D ）
≥5
50/8=6.25 满足
边距/孔径（Sw /D ） ≥2.5 20/8=2.5 满足
端距/孔径（e /D ）
≥3
50/8=6.25 满足
S =50 mm，D =8 mm，Sw =20 mm，e =50 mm。
复合材料板簧上，会导致板簧变形，造成U形螺栓松 动。为防止复合材料板簧与金属加载盒直接接触产生 摩擦而使复合材料板簧表面被磨损，在板簧和金属 盒中间增加了1块非尼龙垫。金属加载盒的结构见图 12，金属加载盒的受力面见图13，金属加载盒受力 情况分析见表11。
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