【复材资讯】新能源汽车悬架弹簧的轻量化设计

高强度级别弹簧钢使传统车桥系统的螺旋弹簧能够实现冷成型。因此，它们为重型乘用车和轻型商用车提供了较高的材料利用率。在弹簧结构中使用玻璃纤维增强塑料以及新的车轴概念带来了进一步的轻量化潜力，此外，还提供了更大的功能集成和额外的电气化安装空间。

悬架弹簧在客车的各个方面都起着重要的作用。整个车辆质量依靠这些弹簧，而它们的柔性缓冲了传到乘客舱的震动。对于驾驶员和乘客来说，前后轴上弹簧力和弹簧刚度的调整保证了安全舒适的驾驶体验。

不考虑能量回收，电气化车辆平台和插电式混合动力车,PHEV)的底盘轻量化设计仍然非常重要。同时，增加的车辆重量需要更高的弹簧力和弹簧刚度，因此需要更高的弹簧质量。通过对经典钢弹簧材料的最佳材料利用，或通过替代材料(如弹簧结构中的长纤维增强塑料),经济、轻质的设计获得了成功。

由GFRP制成的适合材料的弹簧设计

玻璃纤维增强塑料由于其比拉伸强度和比弹性模量的有利比率而提供了巨大的轻质设计潜力。特别是当用作片簧材料时，理想的轻质材料的这些特性可以以最佳方式得到利用。当弹簧主要承受张力、压力或弯曲时，这总是可能的。这是因为可以使用单向层结构，其中负载基本上由高模量纤维吸收[3]。

对于GFRP螺旋弹簧，由于弹簧横截面主要受扭转应力，这需要具有变化纤维取向的定向层结构，因此重量轻的设计潜力显著降低。这里的限制因素是材料的横向拉伸强度，与纤维占优势的强度相比，横向拉伸强度显著降低。除了较低的轻质设计潜力之外，这种弹簧具有降低的抗下垂损失性、在较高温度下降低的耐久性以及增加的安装空间需求。

弯曲弹簧设计弥补了这些缺点中的一些，因为在最广泛的意义上，这是一系列相互连接的弯曲梁。弯曲梁截面主要承受弯曲应力，这对轻量化设计潜力有积极影响。这种设计的缺点是弯曲时在曲折部分会产生横向拉伸应力。这可能导致过早失效，尤其是在高温下。此外，还需要安装空间，以确保弹簧的稳定性和注重耐用性的接口设计[4]。

横向板簧是单向GFRP的理想应用。如果横向板簧除了为结构的垂直运动储存弹性能量之外还承担其他功能，这一点尤其正确。通过双弹性内轴承，侧倾稳定的集成是可能的。除了弹簧的宏观设计之外，内部轴承的位置和刚度也是决定性的。例如，在车辆的横向方向上，更大的轴承支撑底座提供了增加滚动行程比的可能性。

功能集成的另一个阶段是除了悬架和侧倾稳定功能之外，将车轮导向与横向钢板弹簧集成在一起。一个横向板簧和两个导向轮减震器，更换整个多连杆轴系统。弹簧的尺寸、内轴承的位置、弹簧与车轮托架的连接设计以及减震器的调节都会显著影响弹性运动学。

这种功能集成横向钢板弹簧的概念提供了显著的额外重量优势，因为所有控制臂和连杆都可以更换，并且副车架和车身结构可以简化。此外，在车辆的纵向方向上节约成本和空间增益的潜力是可能的。在后轮驱动的电气化测试车辆中，在对后轮轴进行全面的计算机辅助工程(CAE)和多体仿真(MBS)分析之后，实施并验证了这种功能概念。

评估证实了在横向力下关于外倾角和前向轨迹的行为，该行为定性和定量地在具有多连杆轴的参考车辆的范围内，图6。通过内部和外部橡胶轴承的目标纵向顺应性，在没有副车架对车身的弹性支撑的情况下，可以实现相当的舒适性，尤其是在类似冲击的纵向力下。通过优化外轴承的轴向刚度，纵向力下的预轨迹变化也可以达到多连杆轴的水平。此外，使用完整的道路负载数据输入对车轴概念的耐久性进行了测试。横向钢板弹簧既没有显示外部损伤也没有显示内部损伤。