新型輕量化底盤部件——復(fù)合材料板彈簧

2018-04-08 15:11:32· 來源：AutoLab

近年來輕量化設(shè)計(jì)逐漸成為各大汽車廠商節(jié)能減排、響應(yīng)國家政策及法律法規(guī)的重要手段。除了車身及內(nèi)飾以外，底盤中重要的零部件同樣可以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

今天帶大家了解一種新型輕量化底盤部件——復(fù)合材料板彈簧。最新款沃爾沃XC60也換裝上的復(fù)合材料葉片彈簧（Composite Leaf Spring）。

為啥大家都在極力追求輕量化？

相關(guān)研究表明，汽車減重10%，油耗可減少6%-8%，而對于新能源汽車來說，相當(dāng)于電池能量密度提高9%。此外，由于重量減少，汽車制動距離、輪胎壽命等都會得到較明顯的改善。

目前大部分廠商的輕量化設(shè)計(jì)主要從車身、內(nèi)飾件著手。如寶馬i3的碳纖維車身，全部采用碳纖維制造而成。雖然成本是高了點(diǎn)，但是與同樣金屬材料的車身相比，重量輕了近50%，輕量化效果顯著。

寶馬i3純碳纖維車身

先從復(fù)合材料說起

在介紹葉片彈簧之前，首先帶大家認(rèn)識一下什么是復(fù)合材料。復(fù)合材料這個(gè)名詞我們并不陌生，那么究竟什么是復(fù)合材料呢？為了便于大家理解，舉個(gè)最簡單粗暴的例子：

很久很久以前的祖先們所住的茅草屋，其“墻體”是采用泥漿、秸稈混合到一塊構(gòu)建而成，這樣的“墻體結(jié)構(gòu)”實(shí)際上具有很好的力學(xué)特性，由于秸稈的拉伸作用，使得墻體輕易不會垮掉。

而復(fù)合材料板彈簧所應(yīng)用的復(fù)合材料，也是這么一種結(jié)構(gòu)形式，其組成成分主要是包括增強(qiáng)纖維（‘秸稈’）、樹脂基體（‘泥漿’）經(jīng)過一定的工藝加工而成。這種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的兩大特點(diǎn)：重量輕、性能好。

復(fù)合材料葉片彈簧長什么樣？

復(fù)合材料的概念我們有了大致的了解，那么復(fù)合材料葉片彈簧又是怎么一回事呢？原來，為了實(shí)現(xiàn)底盤的輕量化設(shè)計(jì)，工程師們開發(fā)了復(fù)合材料板彈簧來代替原有的鋼板彈簧。

下圖綠色結(jié)構(gòu)即為沃爾沃XC60中采用的橫置玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片彈簧，由玻璃纖維（本特勒公司提供）和聚氨酯（漢高公司提供）加工而成。

該復(fù)合材料葉片彈簧僅重3kg，比傳統(tǒng)彈簧輕了約4.5kg，單個(gè)零部件減重近60%。值得驕傲的是，目前國內(nèi)也成功自主開發(fā)了縱置復(fù)合材料葉片彈簧。

采用復(fù)合材料葉片彈簧有什么好處？

目前各大汽車廠商及科研院所都對復(fù)合材料葉片彈簧展開了研究，那么采用這種結(jié)構(gòu)形到底有什么好處呢？

第一，減重效果明顯。通常來講，復(fù)合材料葉片彈簧總重量（含金屬接頭）約為鋼板彈簧重量的50%，可大大減輕簧下質(zhì)量，節(jié)省油耗。不要小看這50%，量產(chǎn)裝車的節(jié)能減排效果還是非?？捎^的。

尤其是對于一些重型貨車，意味著可以裝更多的貨物，省更多的油。對于電動汽車來講，這比費(fèi)盡心思提高電池能量密度來的更簡單粗暴一些，但是效果卻非常明顯。

針對某輕型客車開發(fā)的復(fù)合材料葉片彈簧，減重約50%。

第二，可改善整車的NVH（振動、噪聲和不平順性）特性。傳統(tǒng)的鋼板彈簧由于簧片之間的摩擦力，會產(chǎn)生一定的異響。而對于復(fù)合材料葉片彈簧，由于其一般采用單片簧結(jié)構(gòu)，因此不會存在異響問題。

此外，復(fù)合材料自帶的阻尼特性，也可以加快振動的衰減，為乘客提供良好的乘坐舒適性。

第三，改善整車操縱穩(wěn)定性：作為簧下質(zhì)量的一部分，復(fù)合材料葉片彈簧的應(yīng)用可明顯減少簧下質(zhì)量，可大大提高轉(zhuǎn)向的輕便型，提高整車的操縱穩(wěn)定性。

第四，良好的耐久性：通常鋼板彈簧的疲勞壽命約為10萬次。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，復(fù)合材料葉片彈簧的壽命可達(dá)54萬次。此外，將原有的螺旋彈簧替換之后，復(fù)合材料彈簧還可以代替導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、以及橫向穩(wěn)定桿的作用，同時(shí)還可以增加后備箱的儲物空間。

葉片彈簧有沒有可能取代傳統(tǒng)螺旋彈簧？

最早應(yīng)用復(fù)合材料葉片彈簧的車型要追溯到1981款雪佛蘭克爾維特跑車上面。直到如今的C7 Stingray，克爾維特一直堅(jiān)持使用橫置復(fù)合材料葉片彈簧，是不是有些不可思議？但是其高超的設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定了其良好的操縱性能！

該布置形式使得布置自由度變大、減少對車廂空間的占用、有效降低簧下質(zhì)量、提高懸掛響應(yīng)特性、兼具防傾桿的作用等。甚至還可以通過變截面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出比一般的螺旋彈簧更容易做出的變剛度特性。此外，文章開頭提到的沃爾沃XC60，以及S90都裝有復(fù)合材料葉片簧結(jié)構(gòu)。

國外的一些重型卡車上面也是大量采用了復(fù)合材料葉片彈簧結(jié)構(gòu)。部分概念車，如13款標(biāo)致208混合動力概念車也是采用復(fù)合材料葉片彈簧?？偟膩碚f，復(fù)合材料葉片彈簧雖然是個(gè)好東西，但是對于乘用車來講，與螺旋彈簧相比，沒有進(jìn)行大范圍推廣的原因是什么呢？

首先，乘用車對于底盤零部件有著特殊要求：乘用車要求車身上下跳動時(shí)具有一定的行程，與貨車相比，乘用車離地間隙較小，如果采用縱置復(fù)合材料葉片彈簧，則很難保證一定的懸架行程。

貨車常用的縱置鋼板彈簧：懸架行程較小，舒適度較差

其次，考慮產(chǎn)品生產(chǎn)加工效率。目前的螺旋彈簧大都采用批量生產(chǎn)直接加工而成，生產(chǎn)流程體系非常完整，能夠很快的根據(jù)廠家要求進(jìn)行生產(chǎn)加工設(shè)計(jì)，而對于復(fù)合材料葉片彈簧而言，其設(shè)計(jì)加工過程較為復(fù)雜，需要考慮的因素有很多，如變截面設(shè)計(jì)、接頭連接設(shè)計(jì)、纖維鋪層設(shè)計(jì)，這一系列工作都具有較高的技術(shù)含量。

成本當(dāng)然是最主要的限制因素。相比之下，單個(gè)復(fù)合材料葉片彈簧的價(jià)格約為鋼板彈簧價(jià)格的3倍左右，這樣的成本對于整車廠來講，實(shí)在是較難接受。

最后一個(gè)原因，筆者認(rèn)為就是觀念問題了，具體來講就是一部分人會認(rèn)為復(fù)合材料看起來跟塑料差不多，這個(gè)東西能靠譜嗎？筆者在攻讀碩士期間也對這個(gè)問題從事了一段時(shí)間的研究，相關(guān)的試驗(yàn)也接觸過，就復(fù)合材料葉片彈簧的耐久性、剛度性能來講，通過合理的匹配設(shè)計(jì)，復(fù)合材料葉片彈簧完全可以滿足實(shí)際需求。

隨著國內(nèi)新能源汽車的發(fā)展，輕量化設(shè)計(jì)是必然趨勢。因此復(fù)合材料葉片彈簧還是具有很廣闊的市場的。目前國內(nèi)各大汽車廠商也針對復(fù)合材料葉片彈簧的開發(fā)進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)儲備，對于大批量產(chǎn)裝車，都處于“蠢蠢欲動”的狀態(tài)，都在盡力控制成本和市場風(fēng)險(xiǎn)。

至于將來能否大規(guī)模應(yīng)用，就交給市場來決定吧！

延伸閱讀——復(fù)合材料葉片彈簧是怎么加工出來的？

介紹了復(fù)合材料葉片彈簧眾多的優(yōu)點(diǎn)，那么到底是怎么制造出來的呢？目前，復(fù)合材料葉片彈簧的成型工藝主要有以下兩種：

模壓工藝：

模壓工藝是將浸潤了樹脂材料的增強(qiáng)纖維，如玻璃纖維、碳纖維等進(jìn)行壓實(shí)、裁剪，然后放到復(fù)合材料葉片彈簧模具里進(jìn)行壓實(shí)，并提供一定的溫度環(huán)境，放置一定的時(shí)間后，便可取出進(jìn)行修邊處理，進(jìn)而成型。工藝流程相對簡單，成本也相對較低。但是缺點(diǎn)在于產(chǎn)品的大小容易受設(shè)備尺寸的限制。