复合材料板簧

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。

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【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。

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。