新能源汽車懸架彈簧的輕量化設(shè)計(jì)

高強(qiáng)度級(jí)別彈簧鋼使傳統(tǒng)車橋系統(tǒng)的螺旋彈簧能夠?qū)崿F(xiàn)冷成型。因此，它們?yōu)橹匦统擞密嚭洼p型商用車提供了較高的材料利用率。在彈簧結(jié)構(gòu)中使用玻璃纖維增強(qiáng)塑料以及新的車軸概念帶來了進(jìn)一步的輕量化潛力，此外，還提供了更大的功能集成和額外的電氣化安裝空間。

懸架彈簧在客車的各個(gè)方面都起著重要的作用。整個(gè)車輛質(zhì)量依靠這些彈簧，而它們的柔性緩沖了傳到乘客艙的震動(dòng)。對(duì)于駕駛員和乘客來說，前后軸上彈簧力和彈簧剛度的調(diào)整保證了安全舒適的駕駛體驗(yàn)。

不考慮能量回收，電氣化車輛平臺(tái)和插電式混合動(dòng)力車,PHEV)的底盤輕量化設(shè)計(jì)仍然非常重要。同時(shí)，增加的車輛重量需要更高的彈簧力和彈簧剛度，因此需要更高的彈簧質(zhì)量。通過對(duì)經(jīng)典鋼彈簧材料的最佳材料利用，或通過替代材料(如彈簧結(jié)構(gòu)中的長纖維增強(qiáng)塑料),經(jīng)濟(jì)、輕質(zhì)的設(shè)計(jì)獲得了成功。

由GFRP制成的適合材料的彈簧設(shè)計(jì)

玻璃纖維增強(qiáng)塑料由于其比拉伸強(qiáng)度和比彈性模量的有利比率而提供了巨大的輕質(zhì)設(shè)計(jì)潛力。特別是當(dāng)用作片簧材料時(shí)，理想的輕質(zhì)材料的這些特性可以以最佳方式得到利用。當(dāng)彈簧主要承受張力、壓力或彎曲時(shí)，這總是可能的。這是因?yàn)榭梢允褂脝蜗驅(qū)咏Y(jié)構(gòu)，其中負(fù)載基本上由高模量纖維吸收[3]。

對(duì)于GFRP螺旋彈簧，由于彈簧橫截面主要受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，這需要具有變化纖維取向的定向?qū)咏Y(jié)構(gòu)，因此重量輕的設(shè)計(jì)潛力顯著降低。這里的限制因素是材料的橫向拉伸強(qiáng)度，與纖維占優(yōu)勢(shì)的強(qiáng)度相比，橫向拉伸強(qiáng)度顯著降低。除了較低的輕質(zhì)設(shè)計(jì)潛力之外，這種彈簧具有降低的抗下垂損失性、在較高溫度下降低的耐久性以及增加的安裝空間需求。

彎曲彈簧設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)中的一些，因?yàn)樵谧顝V泛的意義上，這是一系列相互連接的彎曲梁。彎曲梁截面主要承受彎曲應(yīng)力，這對(duì)輕量化設(shè)計(jì)潛力有積極影響。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是彎曲時(shí)在曲折部分會(huì)產(chǎn)生橫向拉伸應(yīng)力。這可能導(dǎo)致過早失效，尤其是在高溫下。此外，還需要安裝空間，以確保彈簧的穩(wěn)定性和注重耐用性的接口設(shè)計(jì)[4]。

橫向板簧是單向GFRP的理想應(yīng)用。如果橫向板簧除了為結(jié)構(gòu)的垂直運(yùn)動(dòng)儲(chǔ)存彈性能量之外還承擔(dān)其他功能，這一點(diǎn)尤其正確。通過雙彈性內(nèi)軸承，側(cè)傾穩(wěn)定的集成是可能的。除了彈簧的宏觀設(shè)計(jì)之外，內(nèi)部軸承的位置和剛度也是決定性的。例如，在車輛的橫向方向上，更大的軸承支撐底座提供了增加滾動(dòng)行程比的可能性。

功能集成的另一個(gè)階段是除了懸架和側(cè)傾穩(wěn)定功能之外，將車輪導(dǎo)向與橫向鋼板彈簧集成在一起。一個(gè)橫向板簧和兩個(gè)導(dǎo)向輪減震器，更換整個(gè)多連桿軸系統(tǒng)。彈簧的尺寸、內(nèi)軸承的位置、彈簧與車輪托架的連接設(shè)計(jì)以及減震器的調(diào)節(jié)都會(huì)顯著影響彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)。

這種功能集成橫向鋼板彈簧的概念提供了顯著的額外重量?jī)?yōu)勢(shì)，因?yàn)樗锌刂票酆瓦B桿都可以更換，并且副車架和車身結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化。此外，在車輛的縱向方向上節(jié)約成本和空間增益的潛力是可能的。在后輪驅(qū)動(dòng)的電氣化測(cè)試車輛中，在對(duì)后輪軸進(jìn)行全面的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)和多體仿真(MBS)分析之后，實(shí)施并驗(yàn)證了這種功能概念。

評(píng)估證實(shí)了在橫向力下關(guān)于外傾角和前向軌跡的行為，該行為定性和定量地在具有多連桿軸的參考車輛的范圍內(nèi)，圖6。通過內(nèi)部和外部橡膠軸承的目標(biāo)縱向順應(yīng)性，在沒有副車架對(duì)車身的彈性支撐的情況下，可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)氖孢m性，尤其是在類似沖擊的縱向力下。通過優(yōu)化外軸承的軸向剛度，縱向力下的預(yù)軌跡變化也可以達(dá)到多連桿軸的水平。此外，使用完整的道路負(fù)載數(shù)據(jù)輸入對(duì)車軸概念的耐久性進(jìn)行了測(cè)試。橫向鋼板彈簧既沒有顯示外部損傷也沒有顯示內(nèi)部損傷。