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新型輕量化底盤部件——復合材料板彈簧

2018-04-08 15:11:32· 來源：AutoLab

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

今天帶大家了解一種新型輕量化底盤部件——復合材料板彈簧。最新款沃爾沃XC60也換裝上的復合材料葉片彈簧（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計主要從車身、內飾件著手。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，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

先從復合材料說起

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

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

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

復合材料葉片彈簧長什么樣？

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

下圖綠色結構即為沃爾沃XC60中采用的橫置玻璃纖維增強復合材料葉片彈簧，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。

該復合材料葉片彈簧僅重3kg，比傳統(tǒng)彈簧輕了約4.5kg，單個零部件減重近60%。值得驕傲的是，目前國內也成功自主開發(fā)了縱置復合材料葉片彈簧。

采用復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合材料葉片彈簧展開了研究，那么采用這種結構形到底有什么好處呢？

第一，減重效果明顯。通常來講，復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。而對于復合材料葉片彈簧，由于其一般采用單片簧結構，因此不會存在異響問題。

此外，復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：作為簧下質量的一部分，復合材料葉片彈簧的應用可明顯減少簧下質量，可大大提高轉向的輕便型，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。試驗結果表明，通過合理的結構設計，復合材料葉片彈簧的壽命可達54萬次。此外，將原有的螺旋彈簧替換之后，復合材料彈簧還可以代替導向結構、以及橫向穩(wěn)定桿的作用，同時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？

最早應用復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，克爾維特一直堅持使用橫置復合材料葉片彈簧，是不是有些不可思議？但是其高超的設計水平?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、有效降低簧下質量、提高懸掛響應特性、兼具防傾桿的作用等。甚至還可以通過變截面設計，設計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都裝有復合材料葉片簧結構。

國外的一些重型卡車上面也是大量采用了復合材料葉片彈簧結構。部分概念車，如13款標致208混合動力概念車也是采用復合材料葉片彈簧?？偟膩碚f，復合材料葉片彈簧雖然是個好東西，但是對于乘用車來講，與螺旋彈簧相比，沒有進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)廠家要求進行生產(chǎn)加工設計，而對于復合材料葉片彈簧而言，其設計加工過程較為復雜，需要考慮的因素有很多，如變截面設計、接頭連接設計、纖維鋪層設計，這一系列工作都具有較高的技術含量。

成本當然是最主要的限制因素。相比之下，單個復合材料葉片彈簧的價格約為鋼板彈簧價格的3倍左右，這樣的成本對于整車廠來講，實在是較難接受。