复合材料板簧接头方案设计与研究

王鲁斌,陆晓沁,张正朋

(1.大连理工大学宁波研究院,浙江 宁波 315016) (2.宁波华翔汽车技术有限公司,浙江 宁波 315033)

由于激烈的市场竞争和严格的排放标准要求,节能减排已成为汽车和铁路车辆的基本要求。减重是提高燃油经济性的最有效途径,通过引入轻质材料和优化设计可在不降低车辆性能的前提下达到减重的目的[1-3]。

钢板弹簧,尤其是纵向式钢板弹簧是汽车悬架中可靠的弹性元件,起着传递车轮和车架(或车身)之间的力和力矩的作用。这些弹簧通常是由钢板堆垛而成,其质量占汽车非簧载质量(即不受悬架系统支撑的质量)的10%～20%。减小非簧载质量将显著降低钢板弹簧的疲劳应力,因此即使在钢板弹簧上减少少量的质量,也有助于提高车辆的驾驶性能[4]。

玻璃纤维增强复合材料(GFRP)的低密度和高弹性应变使其具有较高的比应变能。由于玻纤板簧可以提供一个更顺滑、更舒适的悬挂系统,使得玻纤板簧的设计和试验受到了广泛的关注[5-10]。然而,复合材料的应用仍受钢板弹簧与车架连接设计的限制。由于玻纤板簧具有较低的耐热性和耐磨性,其不能像钢板弹簧一样通过吊耳与车架相连,它需要经受各种工况和长期使用的考验,要求其必须安全可靠,否则将无法保证汽车的安全性能。

本文针对目前主流复合材料板簧(简称复材板簧)接头样式进行研究,在满足接头及板簧整体性能的前提下探讨各种接头方案,以达到减重降本的目的。

1 复材板簧接头样式

玻纤板簧接头常见的连接方式主要有下面几种,如图1所示[7]。

图1 常见的玻纤板簧接头样式

样式a采用钢制卷耳通过螺栓或铆钉加胶与簧体连接,其优点是工艺简单、成本较低,缺点是需要在复合材料板簧上钻孔,使得孔周边产生应力集中现象。样式b的卷耳和簧体采用复合材料一体制成,不需要钻孔,没有应力集中问题,但是卷耳和簧体相连过渡部分需要加强,以避免单向纤维劈裂,此样式制造成型困难,成本较高。样式c和d的簧体端部呈锥形或凹形,钢制卷耳也制成同样形状,其优点是簧体不需要钻孔,缺点是簧体端部锥形或凹形结构制作成本高,端部需要的横向尺寸较大,对布置空间有影响。目前市场上板簧多采用样式a。

2 复材板簧接头受力分析

2.1 复材板簧设计要求

复材板簧的主要设计参数见表1,为保证复材板簧与原金属板簧的安装接口一致,复材板簧左右两端采用金属卷耳,板簧本体采用全复合材料。复合材料与金属卷耳通过螺栓和胶连接,确保卷耳与板簧连接的可靠性。

表1 复合材料板簧主要设计参数

板簧的加载区域为板簧U型螺栓夹持的区域,宽度为板簧的全宽,加载位置为板簧的中部(夹持位置)。板簧的约束方式由实际装车环境所决定,常见的为一端固支、一端简支模式,即在一端约束1、2、3、4、6这5个自由度(放开板簧长度方向的扭转),另一端约束2、3、4、6这4个自由度(放开板簧长度方向位移和扭转),如图2所示。复材板簧受到的载荷情况与金属板簧一致,主要工况有垂向极限工况、制动工况、转向工况和疲劳工况,具体工况要求见表2。

表2 板簧工况载荷要求

图2 复材板簧受力图

2.2 复材板簧材料属性

复合材料簧身为等宽度变厚度结构,由玻璃纤维和环氧树脂通过成型工艺制成。玻璃纤维里面包含±45°双轴向NCF织物(BD)和0°的单向带(UD),二者通过一定的比例和顺序铺成。卷耳为40Cr材料金属件。具体材料信息见表3～表5。其中X向为玻纤铺层的长度方向,Y向为宽度方向。

表3 织物(BD)材料属性

表4 单向带(UD)材料属性

表5 40Cr材料属性

2.3 板簧接头受力分析

卷耳的受力主要由两部分组成,一部分是板簧本体通过螺栓传递给卷耳,另一部分是车架通过衬套传递给卷耳。一般来说板簧通过螺栓传递给卷耳的力要远大于车架传递给卷耳的力,因此在分析卷耳受力时通常只考虑板簧本体对其的影响。

图3所示为4个强度工况下卷耳的受力情况,4个工况下卷耳的应力分别为垂向工况91.56 MPa、制动工况87.57 MPa、转向工况287.6 MPa、疲劳工况68.92 MPa。4个工况最大应力均位于螺栓孔周边。材料屈服强度为785 MPa,材料强度余量较大。

图3 不同工况下卷耳受力情况

3 板簧接头方案设计

3.1 接头本体设计优化

当前的接头方案为整体式机加工件,产品具有质量轻、强度高的优点,缺点是成本高、加工周期较长。目前接头采用的40Cr材料,强度余量较大,可选用强度稍低的S420MC材料代替,工艺可采用成本较低的钣弯加焊接工艺。表6为5种不同接头方案的对比,接头方案1～5均由弯板和套筒组成,弯板和套筒之间采用焊接工艺进行连接。方案1～3适合平卷耳板簧,方案4适合上、下卷耳式板簧,方案5适合上、中、下卷耳式板簧。方案1与2的区别在于方案1中的卡箍是开口的,方案2中的卡箍是封闭的。方案1结构对焊接要求较高,必须保证板簧在实际工作中卡箍与套筒之间不发生分离。方案2对弯板的折弯精度要求较高,以保证与套筒充分接触,方案3与方案4的区别在于方案3板簧末端的形状完全与弯板贴合而方案4没有,方案3对板簧成型工艺要求较高。

表6 不同接头方案对比

选取工艺难度低及成本相对低廉的方案2、4、5进行强度的有限元分析校核,验证结果见表7。3个方案各部件在强度工况下Mises应力均未超出材料屈服极限。3个方案中Mises应力最大的为方案5,Mises应力最大的工况为转向工况且在螺栓孔周边存在应力集中现象。分析可知,因为在转向过程中簧体与接头之间只能通过螺栓来传递力,而簧体与接头的接触面积较小,所以应力较大。

表7 方案2、4、5强度分析结果

3.2 螺栓孔设计

螺栓孔的设计在复材板簧的结构设计中非常重要,螺栓孔的设计是复材板簧结构设计的要点。板簧本体通过螺栓与接头相连,簧体与螺栓连接处主要受到挤压,其破坏形式为局部挤压破坏。为了提高螺栓连接处簧体的寿命,通常选用铰制孔螺栓作为板簧接头的连接螺栓。该板簧选用安全等级为10.9级的铰制孔螺栓(许用剪切应力为257 MPa),根据力学公式可计算出螺栓剪切面的最小要求直径。

(1)

式中:d为螺栓孔直径;P为最大工况载荷,该板簧最大载荷工况为垂向工况即21 kN;[τ]为螺栓材料的许用剪切应力。

由此可知M8的螺栓能满足要求,对应钻孔直径为9 mm。卷耳接头螺栓孔的几何参数见表8。

表8 螺栓孔参数

为防止复合材料板簧簧体与接头之间出现低强度破坏模式,一般要求S/D≥5,W/D≥2.5,e/D≥3。由于单剪接头受载时会产生偏心载荷,因此在接头结构中往往采用两个对称的螺栓进行连接,受板簧宽度的限制使得各指标往往会小于理论要求值,螺栓孔参数可根据实际结构进行适当调整。图4为卷耳螺栓孔位置示意图。

图4 螺栓孔位置示意图

复合材料板簧接头常用的螺栓孔连接方式是采用两孔对称的螺栓进行连接,也有三孔和四孔,如图5所示,对3种不同的螺栓连接方式进行比较,主要观察这几种连接方式对板簧本体和接头的影响。

图5 复材板簧接头螺栓连接方案

表9为3个开孔方案在不同工况下金属接头的受力情况。3个方案的金属接头应力均未超出材料屈服强度,其应力最大值均在螺栓孔周围。其中两孔方案和四孔方案的各工况应力值大小较为接近,三孔方案由于为非对称结构,其应力分布也与另外2个方案不同。4个强度工况中,转向工况对接头强度的影响最大。

表9 不同方案对接头强度的影响

不同方案对簧体端部强度的影响见表10,S11为纤维长度方向,S22为垂直纤维方向,S12为面内纤维方向。多孔方案(三孔、四孔)对簧体端部各方向应力影响较大,尤其是三孔方案。在S11方向上三孔方案各工况平均应力比两孔方案上升46.4%,在S22方向上三孔方案各工况平均应力比两孔方案上升80.2%,在S12方向上三孔方案各工况平均应力比两孔方案上升36.6%。在S11方向上四孔方案各工况平均应力比两孔方案上升23.4%,在S22方向上四孔方案各工况平均应力比两孔方案上升69.7%,在S12方向上四孔方案各工况平均应力比两孔方案下降3.6%。

表10 不同方案对板簧本体强度的影响 单位:MPa

从表9和表10中可以看出,多螺栓孔的方案对复合材料板簧接头影响较小,不会影响接头的整体强度,但多孔方案对簧体的影响较大,采用多孔方案后在纤维的S11、S22和S12方向上应力都会有所增加。

4 复材板簧台架试验

结合板簧接头优化方案和螺栓孔优化方案,选用接头方案2和两孔螺栓连接方式对接头进行试制组装。对组装好的板簧进行台架刚度和疲劳试验,如图6所示。板簧静态夹紧刚度为157 N/mm,满足设计要求。疲劳试验将载荷力施加于复合材料板簧的中部,所加垂向载荷力为3 250～15 500 N,加载频率为1 Hz。监控板簧的动刚度曲线,当曲线出现断崖式下降时说明板簧内部出现了损伤,如图7所示。试验证明,该板簧的疲劳寿命超过50万次,满足车辆30万次的正常使用寿命要求。

图6 复材板簧台架试验

5 结束语

本文从经济成本和结构强度出发,对复合材料板簧接头进行研究。利用有限元仿真技术对螺栓孔数量和排列布局进行优化,设计出一种相对最优的接头结构方案。受生产工艺的限制,文章仅针对钣弯-焊接工艺对接头结构的优化进行了讨论,可能存在更优的工艺路线及设计方案,有待进一步研究和探索。