复合材料板簧
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。
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
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。
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。
轻量化技术背景下汽车板簧发展趋势浅析
轻量化技术背景下汽车板簧发展趋势浅析陈天武; 黄昌文; 黄乔【期刊名称】《《锻压装备与制造技术》》【年(卷),期】2019(054)004【总页数】3页(P91-93)【关键词】轻量化; 汽车板簧; 高强度钢; 纤维增强塑料【作者】陈天武; 黄昌文; 黄乔【作者单位】安庆安簧汽车零部件有限公司安徽安庆246005; 中南财经政法大学湖北武汉430060【正文语种】中文【中图分类】TG386汽车技术正向的“轻量化、电动化、智能化、共享化”方向发展，欧洲研究数据表明，若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，排放降低5%～6%；从绝对量来说，汽车重量每降低100kg，每百公里可节约0.6L燃油，二氧化碳排放可减少约10g/km。
材料轻量化又是汽车轻量化路径中的一个重要组成部分，常用轻量化材料有铝合金、高强度钢、纤维增强塑料（简称FRP）等。
钢板弹簧是商用汽车悬架的重要弹性元件，承受和传递车架与车桥之间的载荷，缓和路面对车身所造成的冲击，影响汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。
传统钢板弹簧由60Si2Mn、50CrVA等优质合金钢制造，占商用车自重的5～7%，可见板簧轻量化对整车轻量化意义重大。
在汽车轻量化技术背景下，商用汽车板簧正向变截面、高应力及复合材料等方向快速发展。
1 钢板弹簧技术发展变截面少片簧取代传统多片簧，是现阶段商用车优先配套方案。
用50CrVA等材料制造的变截面少片簧取代传等截面多片簧，重量可减轻20%左右，通过轧制等自动化加工及中频加热等节能技术应用，产品可靠性大幅提升，制造成本略高于传统多片簧，性价比优势明显，是现阶段商用车主流配套方案。
采用抗拉强度达到1800MPa的高强度钢新材料，生产的高应力钢板弹簧是高端配置方案。
产品的设计应力水平达到1200MPa以上，与传统多片簧相比，高应力少片簧减轻量30%左右、燃油消耗降低约0.5%、悬架系统频率降低12%左右，同时提高整车平顺性和舒适性。
纯电动轻卡轻量化浅析
纯电动轻卡轻量化浅析摘要：随着纯电动汽车产业的迅速发展及国家政策的支持，纯电动轻卡越来越多的走进了我们的生活。
纯电动轻卡常应用于载货运输，当其装载货物量较多时，会面临驱动力不足及续驶里程短等问题，而汽车轻量化是解决这一问题的有效途径。
本文基于纯电动轻卡整车结构，结合前沿科学技术，对车架、车身、驱动电机和动力电池的轻量化展开探究，提出了纯电动轻卡轻量化的相关途径，为纯电动轻卡的轻量化设计提供指导。
关键词：纯电动轻卡；轻量化；车架；车身；动力电池；1 引言随着双碳目标的推进，国家环保治理的日益严格，作为城市物流车主力的轻卡逐渐实现了由传统燃油车型向新能源车型的转变。
2021年新能源卡车销量共计47534辆，其中轻卡销售35395辆，占到市场份额的74.5%，其中纯电动卡车占到了新能源卡车销量的95%以上。
无论是福田、东风、江淮、江铃等传统卡车企业，还是吉利、比亚迪等新进的卡车企业，都推出了相应的纯电动轻卡车型，如吉利远程E200，江淮帅铃i5等多种纯电动车型颇受消费者的喜爱。
纯电动轻卡的安静、舒适及零排放等良好的特性已经得到了消费者的认可，不仅仅减轻了驾驶员的劳动强度，也为城市提供了一个清洁安静的环境，同时，伴随着电商、物流、社区团购的兴起，纯电动轻卡必将迎来新的发展。
虽然纯电动轻卡的保有量越来越多，但其续驶里程短、充电桩不足等问题仍困扰着消费者，由于目前国内汽车用动力电池技术还没有取得革命性的突破，因此纯电动轻卡的轻量化就成为提高汽车续驶里程，减少充电次数的重要途径。
2 纯电动轻卡结构纯电动轻卡是基于传统燃油轻卡的驾驶室和底盘进行油改电设计，其在结构上主要由驾驶室、车架、动力电池、驱动电机、底盘系统及货厢等组成。
纯电动轻卡的驾驶室依托传统燃油轻卡驾驶室，结合纯电动卡车的特点，主要对底板进行了优化设计，整体与传统燃油轻卡驾驶室基本相同。
纯电动轻卡的车架沿用了传统轻卡的车架，由纵梁和横梁铆接而成。
纯电动轻卡为增加市场竞争力，提高续驶里程，其动力电池重量往往超过了1000kg，对动力电池进行轻量化也是提高续驶里程的重要途径。
【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。
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
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。
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。
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。
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。
汽车复合材料板弹簧的有限元分析及性能测试
２ 汽 车 复 合 材 料 板 弹 簧 有 限元 模 型 的 建 立
通常 ．复 合材料 板 弹簧 的横截 面可 采用恒 定 厚
度恒 定宽 度 、恒定厚 度 变宽度 及 变厚度 变宽度 ３种
形式 ｆ 为 了结构设 计 和生产 制造 的方便 ． 验汽 车 ３ ＿ 试
所用 复合 材料 板弹 簧采 用 的横 截 面为恒 定厚 度恒定
１ 前 言
目前 ， 全球 的能 源 紧 张 、 环境 污 染 等 问题 ， 迫使
人们 想 方 设法 来 实 现 车辆 的 轻 质化 以减 少油 耗 、 保 护 环境 钢板 弹 簧作 为汽 车 悬架 系 统 的 一部 分 ． 其 在 车体 自重 中所 占 比例 约 为 １１ ～ ／０１如 果使 用 ／５ １１ Ｉ． ｌ
试验 测试 结果 吻合 较好 ．该 复合材 料板 弹簧 的主 要
性能 指标 达到 了设 计要求
复合 材 料 ． 质 量 可减轻 ６ ％～ ０ ｒ 此 外 ， 合材 其 ０ ７ ％２ ］ 复
料 的模量 小 、 比重 轻 、 比强度 高 、 抗疲 劳性 能好 ， 可提 高 驾 驶 的舒 适 性 、 定性 及 耐 用 性 ｌ 美 国 于 １ ８ 稳 ３ Ｉ ９１ 年 利 用 缠 绕 技 术成 功 制 备 出 了 玻 纤 复 合 材 料 板 弹 簧 ： 国 Ｇ Ｎ公 司生产 的复 合材 料板 弹簧 也 已成功 英 Ｋ 实现 了产业 化 ； 、ｔ 法等 国也 都对 复 合 材 料板 弹 德 Ｅ、 簧开 展 了大量 的基 础性 研究 工作［ 目前 ． 国还没 ４ １ 我 有 关 于 汽 车复 合材 料 板 弹 簧产 业 化 的 相关 报 道 ． 关 于汽 车复 合材 料板 弹簧 的研究 还 处 于初步 的探 索 与
典型弹簧选材
工程材料的应用
典型弹簧选材
一、汽车板簧
汽车板簧
(1) 用途及性能要求 用于缓冲和吸振，承受很大的交 变应力和冲击载荷的作用，需要高的屈服强度和疲劳强 度。
• (2) 材料 • 轻型汽车选用65Mn、60Si2Mn钢制造； • 中型或重型汽车, 板簧用50CrMn, 55SiMnVB钢； • 重型载重汽车大截面板簧用55SiMnMoV, 55SiMnMoVNb钢制造。 • (3) 工艺路线 • 热轧钢带(板)冲裁下料—压力成型—淬火—中温回火—喷丸强化 • 淬火 温度为850 ºC～860 ºC(60Si2Mn钢为870 ºC), 采用油冷, 淬火后
• 气门弹簧也可用冷拔后经油淬及回火后的钢丝制造，绕制后经300 ºC～350 ºC加热消除冷卷簧时产生的内应力。
• 四、自行车手闸弹簧
• 自行车手闸弹簧是一种扭转弹簧，其用途是使手闸复位。 该弹簧承受载荷小，不受冲击和振动作用，精度要求不高。 因此手闸弹簧可用碳素弹簧钢60或65钢制造。经过冷拔 加工获得的钢丝直接冷卷、弯钩成形即可。卷后可低温 (200 ºC～220 ºC)加热消除内应力，一般也可不进行热处 理。
• 2. 主要工艺说明
• (1) 球化退火 使钢中碳化物呈粒状分布, 细化组织, 降低硬度, 改善切削加 工性能。同时为淬火准备好适宜的组织, 使最终成品组织中含有细小的碳化 物颗粒, 提高钢的耐磨性。锉刀通常采用普通球化退火工艺。将毛坯加热到 760 ℃～770 ℃, 保温一定时间(2 h～ 4 h)，然后以30 ℃～50 ℃/h的速度冷 却到550 ℃～600 ℃， 出炉后空冷。处理后组织为球化体，硬度为180 HB～200 HB。
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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—
2.0）、耐腐蚀、电绝缘性好和容易着色等先天优点。设 计者可根据需要，全面权衡，恰当选用和设计。
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 ℃
鉴于以上原因，可以说精密的FRP板簧应用前景非常好。
４、复合材料板簧的技术发展概况
现在，复合材料弹簧主要使用热固性塑料，特别是热 固性纤维增强塑料，也有使用热塑性塑料的，但数量不多。
从使用角度考虑，对弹簧材料性能的主要要求是： （1）变形能V值要大（即弹簧模量E值要小）。 （2）强度，特别是疲劳强度要大，寿命长。 （3）容易加工成型。
1、国内外复合材料板簧的研究及应用状况
1980年以前为实用化研制阶段。在这一阶段，由于塑 料工业的发展，耐温、耐磨和价格合理的纤维增强塑料 （FRP=Fiberglass Reinforced Plastics）研制成功，加之 汽车设计向小型化和轻型化方向发展，特别是石油危机以 来，为了减轻汽车配件重量，节约燃料，汽车厂商积极开 展塑料板簧的研制，促进了塑料弹簧向实际应用的发展。 在这一阶段的突出研制成果是FRP板簧在美国投入实际应 用。
1、国内外复合材料板簧的研究及应用状况
1980年至今为实际应用稳定发展阶段。继美国之后， 英国纳铁福复合公司（GKN COM—Posites）在Telford新 厂内建成了年产五十万套FRP板簧生产线，1985年已开始 大量生产，在西欧居于领先地位。八十年代末，复合材料 板簧在美国也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；
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。
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。
后轴顺置
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。
４、复合材料板簧的技术发展概况
板簧的成型工艺
（3）层压工艺是在一个加热的合模的金属模具中进行预浸渍料 的模压过程。这个过程需要将预浸渍料切成专用形状并放进模 具中进行加温加压成型。形状可以用多片预混料组成的预片板 预设定切割和叠放实现，
４、复合材料板簧的技术发展概况
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2×106作用次数。GKN公司宣布， 该公司生产的FRP板簧可承受107作用次数的疲劳试验。
FRP板簧与钢制板簧相比较，具有如下优点： （1）容易制作成变厚度截面的板簧，材料利用合理且减轻
了重量。某载重汽车的FRP板簧比等效钢制板簧减轻50%， 比等效多叶钢制板簧减轻65%。具体如：在某轻型汽车上 减轻了25公斤。在某38吨绞车上减轻达500公斤。 （2）“安全断裂”提高了可靠性。汽车严重超载时， FRP板簧沿长度方向分层开裂，虽然结构基本破坏，刚度 大大降低，但仍可使车轴基本保持原位，可使空载汽车能 安全开到修理厂。 （3） 疲劳寿命高。超过钢制多叶板簧约2-10倍。
参考值
932 28 800 33 724 315 >30 150
应用案例
• 我公司目前承接了IVECO 某车型板簧配件的研制工 作，已经完成样件生产和 部分性能的评价工作。
动态数据存在小幅波 动，属正常现象。
谢谢
2010年6月
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。
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。
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. 国内外复合材料板簧的研究及应用状况 2. 复合材料板簧应用实例 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
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。
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。