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新型轻量化底盘部件——复合材料板弹簧

2018-04-08 15:11:32·  来源：AutoLab  
　
近年来轻量化设计逐渐成为各大汽车厂商节能减排、响应国家政策及法律法规的重要手段。除了车身及内饰以外，底盘中重要的零部件同样可以实现轻量化设计。
近年来轻量化设计逐渐成为各大汽车厂商节能减排、响应国家政策及法律法规的重要手段。除了车身及内饰以外，底盘中重要的零部件同样可以实现轻量化设计。
 
复合材料板弹簧 轻量化
 
今天带大家了解一种新型轻量化底盘部件——复合材料板弹簧。最新款沃尔沃XC60也换装上的复合材料叶片弹簧（Composite Leaf Spring）。
 
为啥大家都在极力追求轻量化？
相关研究表明，汽车减重10%，油耗可减少6%-8%，而对于新能源汽车来说，相当于电池能量密度提高9%。此外，由于重量减少，汽车制动距离、轮胎寿命等都会得到较明显的改善。
 
目前大部分厂商的轻量化设计主要从车身、内饰件着手。如宝马i3的碳纤维车身，全部采用碳纤维制造而成。虽然成本是高了点，但是与同样金属材料的车身相比，重量轻了近50%，轻量化效果显著。
 

 
宝马i3纯碳纤维车身
 
先从复合材料说起
在介绍叶片弹簧之前，首先带大家认识一下什么是复合材料。复合材料这个名词我们并不陌生，那么究竟什么是复合材料呢？为了便于大家理解，举个最简单粗暴的例子：
很久很久以前的祖先们所住的茅草屋，其“墙体”是采用泥浆、秸秆混合到一块构建而成，这样的“墙体结构”实际上具有很好的力学特性，由于秸秆的拉伸作用，使得墙体轻易不会垮掉。
 
而复合材料板弹簧所应用的复合材料，也是这么一种结构形式，其组成成分主要是包括增强纤维（‘秸秆’）、树脂基体（‘泥浆’）经过一定的工艺加工而成。这种结构复合材料的两大特点：重量轻、性能好。
 
复合材料叶片弹簧长什么样？
复合材料的概念我们有了大致的了解，那么复合材料叶片弹簧又是怎么一回事呢？原来，为了实现底盘的轻量化设计，工程师们开发了复合材料板弹簧来代替原有的钢板弹簧。
下图绿色结构即为沃尔沃XC60中采用的横置玻璃纤维增强复合材料叶片弹簧，由玻璃纤维（本特勒公司提供）和聚氨酯（汉高公司提供）加工而成。
 
 
该复合材料叶片弹簧仅重3kg，比传统弹簧轻了约4.5kg，单个零部件减重近60%。值得骄傲的是，目前国内也成功自主开发了纵置复合材料叶片弹簧。
采用复合材料叶片弹簧有什么好处？
目前各大汽车厂商及科研院所都对复合材料叶片弹簧展开了研究，那么采用这种结构形到底有什么好处呢？
第一，减重效果明显。通常来讲，复合材料叶片弹簧总重量（含金属接头）约为钢板弹簧重量的50%，可大大减轻簧下质量，节省油耗。不要小看这50%，量产装车的节能减排效果还是非常可观的。
尤其是对于一些重型货车，意味着可以装更多的货物，省更多的油。对于电动汽车来讲，这比费尽心思提高电池能量密度来的更简单粗暴一些，但是效果却非常明显。
 
针对某轻型客车开发的复合材料叶片弹簧，减重约50%。
第二，可改善整车的NVH（振动、噪声和不平顺性）特性。传统的钢板弹簧由于簧片之间的摩擦力，会产生一定的异响。而对于复合材料叶片弹簧，由于其一般采用单片簧结构，因此不会存在异响问题。
此外，复合材料自带的阻尼特性，也可以加快振动的衰减，为乘客提供良好的乘坐舒适性。
 
 
第三，改善整车操纵稳定性：作为簧下质量的一部分，复合材料叶片弹簧的应用可明显减少簧下质量，可大大提高转向的轻便型，提高整车的操纵稳定性。
 
 
第四，良好的耐久性：通常钢板弹簧的疲劳寿命约为10万次。试验结果表明，通过合理的结构设计，复合材料叶片弹簧的寿命可达54万次。此外，将原有的螺旋弹簧替换之后，复合材料弹簧还可以代替导向结构、以及横向稳定杆的作用，同时还可以增加后备箱的储物空间。
叶片弹簧有没有可能取代传统螺旋弹簧？
最早应用复合材料叶片弹簧的车型要追溯到1981款雪佛兰克尔维特跑车上面。直到如今的C7 Stingray，克尔维特一直坚持使用横置复合材料叶片弹簧，是不是有些不可思议？但是其高超的设计水平决定了其良好的操纵性能！
 
 
该布置形式使得布置自由度变大、减少对车厢空间的占用、有效降低簧下质量、提高悬挂响应特性、兼具防倾杆的作用等。甚至还可以通过变截面设计，设计出比一般的螺旋弹簧更容易做出的变刚度特性。此外，文章开头提到的沃尔沃XC60，以及S90都装有复合材料叶片簧结构。
 
 
国外的一些重型卡车上面也是大量采用了复合材料叶片弹簧结构。部分概念车，如13款标致208混合动力概念车也是采用复合材料叶片弹簧。总的来说，复合材料叶片弹簧虽然是个好东西，但是对于乘用车来讲，与螺旋弹簧相比，没有进行大范围推广的原因是什么呢？
 
 
首先，乘用车对于底盘零部件有着特殊要求：乘用车要求车身上下跳动时具有一定的行程，与货车相比，乘用车离地间隙较小，如果采用纵置复合材料叶片弹簧，则很难保证一定的悬架行程。
货车常用的纵置钢板弹簧：悬架行程较小，舒适度较差
 
其次，考虑产品生产加工效率。目前的螺旋弹簧大都采用批量生产直接加工而成，生产流程体系非常完整，能够很快的根据厂家要求进行生产加工设计，而对于复合材料叶片弹簧而言，其设计加工过程较为复杂，需要考虑的因素有很多，如变截面设计、接头连接设计、纤维铺层设计，这一系列工作都具有较高的技术含量。
 
成本当然是最主要的限制因素。相比之下，单个复合材料叶片弹簧的价格约为钢板弹簧价格的3倍左右，这样的成本对于整车厂来讲，实在是较难接受。
 
 
最后一个原因，笔者认为就是观念问题了，具体来讲就是一部分人会认为复合材料看起来跟塑料差不多，这个东西能靠谱吗？笔者在攻读硕士期间也对这个问题从事了一段时间的研究，相关的试验也接触过，就复合材料叶片弹簧的耐久性、刚度性能来讲，通过合理的匹配设计，复合材料叶片弹簧完全可以满足实际需求。
 
 
随着国内新能源汽车的发展，轻量化设计是必然趋势。因此复合材料叶片弹簧还是具有很广阔的市场的。目前国内各大汽车厂商也针对复合材料叶片弹簧的开发进行了相应的技术储备，对于大批量产装车，都处于“蠢蠢欲动”的状态，都在尽力控制成本和市场风险。
至于将来能否大规模应用，就交给市场来决定吧！
延伸阅读——复合材料叶片弹簧是怎么加工出来的？
介绍了复合材料叶片弹簧众多的优点，那么到底是怎么制造出来的呢？目前，复合材料叶片弹簧的成型工艺主要有以下两种：
模压工艺：
模压工艺是将浸润了树脂材料的增强纤维，如玻璃纤维、碳纤维等进行压实、裁剪，然后放到复合材料叶片弹簧模具里进行压实，并提供一定的温度环境，放置一定的时间后，便可取出进行修边处理，进而成型。工艺流程相对简单，成本也相对较低。但是缺点在于产品的大小容易受设备尺寸的限制。
 
高压树脂转移技术（HP-RTM工艺）
该工艺过程主要是将裁剪好的增强纤维放置到模具中，合模密封，然后注入树脂，保温保压操作后，便可制成初步的簧身结构，再进一步加工即可制成产品装车。
 


 
复合材料叶片弹簧HP-RTM工艺流程图
 
该工艺是目前复合材料产品加工常用的工艺，可以保证良好的加工质量。但是其设备多是从国外引进，价格相对都比较高。

复合材料板弹簧 轻量化
 
恩格尔公司和亨内基公司开发HP-RTM生产线 
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复合材料板弹簧 轻量化
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