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，正如Mubea如下展示的案例。
懸架彈簧在客車(PCs)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)(電動(dòng)車，BEV)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(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料),經(jīng)濟(jì)、輕質(zhì)的設(shè)計(jì)獲得了成功。
一、具有最佳材料利用率的鋼制螺旋彈簧
鋼制螺旋彈簧是PCs的主要設(shè)計(jì)類型之一。鋼制螺旋彈簧用于復(fù)雜的多連桿和雙叉臂車軸，以及廣泛使用的高效麥弗遜前軸和扭力梁后軸。
由于彈簧力和彈簧剛度通過鋼絲直徑、圈數(shù)和線圈體直徑的簡(jiǎn)單變化，螺旋彈簧能夠?yàn)檐囕v平臺(tái)的所有重量變量提供精細(xì)的調(diào)諧范圍。通過有意地將彈簧的力作用線相對(duì)于其幾何中心軸移動(dòng)和傾斜，也可以產(chǎn)生橫向分力。該側(cè)向加載彈簧補(bǔ)償麥弗遜支柱中不需要的橫向力，圖1(左上)。它還可以改善扭力梁軸的彈性運(yùn)動(dòng)，正如福特公司用的力矢量彈簧[1]所展示的那樣，圖1(右上)。
特別是冷成型螺旋彈簧提供了非常高的設(shè)計(jì)自由度。它們不需要任何特殊工具，由淬火彈簧鋼通過CNC控制的卷繞指或輥冷成型。因此，每個(gè)單獨(dú)的線圈可以具有為彈簧的安裝空間和功能定制的形狀，而在熱成型彈簧的情況下，成型心軸限制了設(shè)計(jì)形狀選擇。
一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是使冷成型的優(yōu)勢(shì)也可用于重型客車，因?yàn)殇摻z直徑影響繞組剛度的四次方。因此，用于空載重量超過2 t且鋼絲直徑超過18 mm的車輛的彈簧通常是熱成型的，這在功能、安裝空間和構(gòu)造潛力方面具有相應(yīng)的缺點(diǎn)。
在過去的二十年中，同等功能的客車彈簧的重量通過冷成型而穩(wěn)步減小，圖1(左下方)。以下四項(xiàng)發(fā)展促成了這一點(diǎn):
（1）增加的材料強(qiáng)度加上表面層中的高壓縮殘余應(yīng)力
彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度增加到超過2000 N/mm，為更高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度(抗下垂損失性和耐久性)奠定了基礎(chǔ)。此外，通過在淬火到馬氏體階段之前感應(yīng)奧氏體化線材和短的保持時(shí)間，獲得了特別細(xì)晶粒的微觀結(jié)構(gòu)，這延遲了裂紋擴(kuò)展并因此進(jìn)一步增加了疲勞強(qiáng)度，圖2(上)。
一種特殊形式的感應(yīng)回火能夠通過馬氏體鋼絲的橫截面有針對(duì)性地調(diào)整硬度分布，圖2(底部)。這種梯度鋼實(shí)現(xiàn)了大于2100 N/mm的抗拉強(qiáng)度。與具有均勻硬度的線相比，表面的缺口敏感性以及螺旋彈簧的堅(jiān)固性保持不受影響。彈簧鋼絲的高極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度對(duì)于通過多階段噴丸處理和彈簧預(yù)設(shè)定形成壓縮殘余應(yīng)力分布也是決定性的[2]。
（2）強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化，圖1(右下角)，用于應(yīng)力均勻化設(shè)計(jì)
纏繞輪廓設(shè)計(jì)是輕質(zhì)堅(jiān)固螺旋彈簧的第二個(gè)先決條件。通過完全參數(shù)化有限元模型，設(shè)計(jì)優(yōu)化是可能的-考慮所有邊界條件，圖3(底部)。運(yùn)行期間抗下垂損失的靜態(tài)阻力(最大剪切應(yīng)力τj顛簸負(fù)載時(shí))和動(dòng)態(tài)耐久性(通常是彈簧損壞參數(shù)P短波無線電發(fā)射(Short-wave Transmission))作為限制。目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)是最小彈簧質(zhì)量，考慮次要條件，如彈簧剛度、設(shè)計(jì)長(zhǎng)度中的彈簧力、彈簧行程以及內(nèi)部和外部安裝空間。其結(jié)果是一個(gè)虛擬彈簧，優(yōu)化了重量、安裝空間和功能。
（3）與底盤和車身的可靠接口
僅通過考慮車軸運(yùn)動(dòng)學(xué)，螺旋彈簧可以在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和堅(jiān)固性方面進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，圖3(上)。但界面往往會(huì)成為彈簧的薄弱點(diǎn)。此外，為了給電驅(qū)動(dòng)軸和電池創(chuàng)造更多的安裝空間，彈簧的偏轉(zhuǎn)有時(shí)變得更加復(fù)雜。因此，隨著電氣化的發(fā)展，彈簧接口的精確設(shè)計(jì)變得更加重要。
（4）改進(jìn)的表面防護(hù)
除了彎曲應(yīng)力和滾動(dòng)接觸條件之外，彈簧墊（spring pads）移動(dòng)到焦點(diǎn)-特別是在彈簧板（spring plate）的下界面處，圖4(右)。它們大多由天然橡膠制成。由于高彈簧力和復(fù)雜的撓曲條件，它們承受更大的應(yīng)力。粘性彈性體化合物以及適合的底漆和粘性化學(xué)物質(zhì)的發(fā)展帶來了彈簧墊和粉末涂覆的彈簧表面的強(qiáng)化學(xué)連接，圖4(左、中)。這有效地消除了下端線圈滾動(dòng)接觸區(qū)域的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。因此，彈簧體中材料的全部強(qiáng)度可用于彈簧的設(shè)計(jì)。
為了利用這種輕質(zhì)設(shè)計(jì)潛力，還必須保護(hù)彈簧體在行駛過程中免受損壞和隨后的腐蝕。為此，近年來已經(jīng)開發(fā)了定制的環(huán)氧樹脂基粉末涂料系統(tǒng)，例如單層系統(tǒng)，圖4(中)、泡沫狀單層系統(tǒng)和雙層系統(tǒng)。根據(jù)石屑損壞的風(fēng)險(xiǎn)，它們可以經(jīng)濟(jì)有效地防止彈簧鋼絲腐蝕。
二、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(GFRPs)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，圖5，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。
三、結(jié)論
在經(jīng)典客車車橋中，高強(qiáng)度彈簧鋼與計(jì)算機(jī)優(yōu)化的螺旋彈簧設(shè)計(jì)相結(jié)合，提供了高度輕量化的設(shè)計(jì)潛力，具有更大的靈活性和低成本，即使對(duì)于PHEVs或BEV等重型車輛也是如此。如果材料合適的彈簧結(jié)構(gòu)可以集成或改善底盤的進(jìn)一步功能，則可以合理且經(jīng)濟(jì)地利用各向異性材料(如GFRP)的高輕質(zhì)設(shè)計(jì)潛力。
參考文獻(xiàn)
[1]Carlitz, A. et al.: Effect of Force Vectoring Spring Implementation into a Twistbeam Suspension. 26th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology, Aachen, 2017
[2]Tump, A.: Leichtbau von Fahrzeugtragfedern durch funktionale Gradierung an Drähten aus Federstahl. Siegen: University of Siegen, Dissertation, 2020
[3]Schürmann, H.: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. Berlin/Heidelberg/New York: Springer, 2007
[4]Müller, D.: Beitrag zur Entwicklung von Achsfedern aus Glasfaser-Kunststoff-Verbund: Methoden und Konzepte. Aachen: RWTH Aachen University, dissertation, 2015
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