基于整车性能的复合材料板簧阻尼特性研究*

柯 俊，史文库，袁 可

（1.浙江理工大学，浙江省现代纺织装备重点实验室，杭州 310018； 2.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022；3.南京依维柯汽车有限公司，南京 210028）

前言

在刚度相同的前提下，复合材料板簧的质量不到钢板弹簧的一半，而其疲劳寿命至少是钢板弹簧的两倍，具有良好的应用前景。目前，国内外主要针对复合材料板簧的结构设计及优化［1-2］、刚度匹配设计［3-4］、强度计算［5］、接头结构设计［6］和疲劳可靠性［7］进行了深入研究，但对复合材料板簧阻尼特性的研究还很有限，主要局限于台架性能测试［8-9］。因此，国内外对复合材料板簧的阻尼特性，尤其对复合材料板簧的阻尼特性对整车性能影响方面的研究仍很匮乏。如何基于整车性能的考虑来考察和控制复合材料板簧的阻尼特性，并在整车环境下验证其阻尼特性对整车性能的影响规律，这对明确复合材料板簧的阻尼匹配思路、完善复合材料板簧的性能匹配理论具有重要意义。本文中从材料、零部件和装车状态这3个维度出发，系统研究了复合材料板簧的阻尼特性，验证了复合材料板簧装车后其阻尼特性对整车性能的确切影响，为复合材料板簧的正向开发提供了参考。

1 复合材料板簧简介

经刚度匹配设计［4］和多目标优化［1］后确定的复合材料板簧总成结构如图1所示。其中，复合材料簧身采用E玻璃纤维／聚氨酯复合材料制造，采用高压RTM工艺成型，所有铺层均与簧身纵向呈0°布置。样件的刚度、强度、接头可靠性和总成疲劳寿命等关键性能已通过台架试验的验证，达到了装车的相关要求。

图1 复合材料板簧的总成结构

2 复合材料板簧阻尼特性研究

影响复合材料阻尼的因素除了材料本身特性外，还有温度、激励频率和振动幅值。复合材料板簧装车后裸露在空气中，因此散热条件良好，且其聚氨酯基体的玻璃态转变温度区间为105～120℃，远离汽车服役的环境温度区间，因此无须考虑温度对其阻尼的影响。对激励频率，由于轮胎和接头橡胶衬套的衰减作用，板簧在服役过程中主要承受低频激励。同时，由于复合材料具有各向异性，因此复合材料板簧的阻尼特性理论上也具有各向异性，但很难通过试验手段直接测得复合材料板簧所有方向上的阻尼特性参数。考虑到复合材料板簧的阻尼主要来源于其制造材料E玻璃纤维／聚氨酯层合板，因此拟通过E玻璃纤维／聚氨酯层合板试样损耗因子试验和理论计算来间接获取复合材料板簧各方向上的近似阻尼特性参数。然后，通过台架阻尼试验和装车阻尼试验来直接获取复合材料板簧的阻尼特性参数，通过综合3个独立试验结果的方法来确定复合材料板簧的阻尼参数区间。

2.1 E玻璃纤维／聚氨酯层合板阻尼试验

根据标准GB／T 18258—2000，采用高压RTM工艺制作了4组共8个复合材料层合板试样。各组试样的铺层方案分别为［0°］4，［±45°］2，［±60°］2和［90°］4。试样以悬臂梁方式装夹，将单向加速度传感器粘接在试样末端，采用力锤对试样实施激励，通过LMSTest.lab测试系统对测试信号进行采集和分析。为了避免力锤敲击力的大小对共振曲线的影响，通过加速度频响函数曲线来识别试样的损耗因子。将测试得到的加速度频响函数曲线数据导入到Matlab软件，通过数据处理识别出第i阶模态的共振峰值fi和半功率带宽Δfi，则可计算出复合材料层合板的损耗因子：

为了提高识别精度，采用试样的第3阶模态的共振带对试样的损耗因子进行识别。各组样件的损耗因子识别结果取平均值，试验结果如表1所示。

表1 层合板试样的损耗因子试验结果

对单自由度线性系统，当其损耗因子小于0.3时，常用的各阻尼表征量之间存在如下关系［10］：

式中：ψ为比阻尼，是振动系统中每周期消耗的能量与蓄积能量之比；ξ为阻尼比，是振动系统的阻尼系数与临界阻尼系数之比。根据表1，层合板试样的纵向损耗因子远小于0.3。同时，根据线性叠加原理，连续系统的振动响应可分解为若干个相互独立的单自由度系统振动的叠加，单自由度阻尼表征量之间的换算关系也可用于连续系统阻尼表征量之间的换算，因此式（2）同样适用于层合板与复合材料板簧阻尼表征量之间的换算。结合表1、式（2）和相关计算理论［11-12］，得到0°铺层层合板各方向的损耗因子和比阻尼，如表2所示。

表2 0°铺层层合板各方向的损耗因子和比阻尼

2.2 复合材料板簧总成阻尼性能试验

为了模拟复合材料板簧的实际工况，分别按照空载状态和满载状态的静载荷对复合材料板簧样件进行预加载，并将对应的动载荷幅值均分为5组。试验加载频率为0.5～2.5 Hz，也分为5组。分别测试不同加载幅值、不同加载频率状态下的复合材料板簧阻尼特性，试验照片如图2所示。试验得到的各工况下复合材料板簧的ψ值如图3所示。根据图3，空载状态下各工况中复合材料板簧的ψ＝0.016 6～0.031 4，平均值为0.023 5；满载状态下各工况中复合材料板簧的ψ＝0.008 3～0.023 7，平均值为0.013 5。而0°层合板试样的ψ＝0.029，与台架阻尼试验结果在同一数量级上。由于两个试验相互独立，因此试验结果可信，且复合材料板簧在不同工况下的比阻尼在0.01～0.03之间。

图2 复合材料板簧阻尼台架试验

2.3 复合材料板簧装车阻尼性能试验

为了考察装车状态下复合材料板簧的阻尼对悬架性能的确切影响，采用滚下法测试安装有复合材料板簧的样车后悬架系统的振动衰减特性。在试验前拆除样车后悬架的减振器，试验方法与悬架偏频试验相同。样车后轴轮胎滚下过程中车架和车桥处振动加速度传感器采集到的稳态衰减曲线如图4所示。根据数据处理结果，复合材料板簧 后桥 轮胎系统的阻尼比在0.025～0.034之间，而轮胎的阻尼比为0.023。因此复合材料板簧的阻尼在复合材料板簧 后桥 轮胎系统中的占比很小。

图3 复合材料板簧各工况下的阻尼试验结果

图4 装车阻尼试验中测点的振动加速度衰减曲线

3 复合材料板簧阻尼特性对整车性能影响研究

汽车悬架系统的阻尼比ξ一般为0.25左右。根据式（2），若复合材料板簧的ψ＝0.01～0.03，则其ξ＜0.0025，不到悬架系统阻尼比的1%。然而，根据2.1节的试验结果，E玻璃纤维／聚氨酯的损耗因子比弹簧钢高3个数量级。同时，拟替换的钢板弹簧簧片之间由垫片隔开，且填充有润滑脂，片间摩擦很小，因此与拟替换的钢板弹簧相比，复合材料板簧的阻尼仍然较大。下面从理论上分析板簧阻尼增大对整车性能的影响。

3.1 对整车操纵稳定性的影响

在等速行驶的前提下，汽车在前轮角阶跃输入下产生的稳态响应就是等速圆周行驶。常用稳态横摆角速度增益，即稳态的横摆角速度ωr与前轮转角δ之比来评价稳态响应，即

式中：K为稳定性因数；u为车速；L为轴距；m为汽车质量；a，b分别为汽车质心与前轴及后轴之间的距离；k1，k2分别为汽车前后轮的侧偏刚度。根据式（4），稳定性因数不涉及阻尼。因此，前轮角阶跃输入下汽车的稳态响应与板簧的阻尼没有关系。虽然这一结论是基于线性2自由度汽车模型得到的，但即使考虑悬架、转向和传动系统对前、后轮侧偏角的影响，前、后轮侧偏角也是由悬架、转向和传动系统的结构形式和结构参数决定的，与复合材料板簧的阻尼没有关系。因此，复合材料板簧的阻尼不影响汽车的稳态响应特性。

一般汽车都具有小阻尼（ξ＜1）的瞬态响应。根据汽车理论中的线性2自由度汽车模型，ξ＜1时，前轮角阶跃输入下汽车的横摆角速度随时间的变化规律为衰减正弦函数，ξ越大，衰减越快，越有利于横摆角速度ωr由瞬态响应趋于稳态响应。因此，理论上复合材料板簧的阻尼对汽车的瞬态响应特性有利。

3.2 对整车平顺性的影响

根据汽车理论中车身单质量系统模型，阻尼比ξ对振动的衰减主要有如下两方面的影响。

（1）与有阻尼固有频率ωr有关。根据车身单质量系统模型：

当ξ增大时，ωr下降。因此，增大汽车悬架系统阻尼比ξ能降低悬架簧载质量的固有频率，对平顺性有利。

（2）决定振幅的衰减程度。系统振动衰减曲线上两个相邻的振幅A1与A2之比称为减幅系数，以d表示。

根据式（6），当ξ增大时，d增大，因此增大汽车悬架系统阻尼比ξ能加快振动的衰减速度，对平顺性有利。

综上所述，理论上换装复合材料板簧对汽车的稳态响应无影响，但对汽车的瞬态响应有利，因此对整车操纵稳定性有一定的提升作用。同时，理论上也能提高汽车的平顺性。因此，无须针对其阻尼特性进行匹配设计。

4 装车试验验证

4.1 装车操纵稳定性试验

为了分别考察复合材料板簧的阻尼特性对汽车稳态和瞬态响应的影响，选取稳态回转试验和转向回正性能试验来进行换装复合材料板簧前后整车操纵稳定性的对比测试。其中，稳态回转试验和转向回正性能试验均分为样车左转和样车右转2个方向，每个方向分别进行3次试验。试验方法及数据处理方法根据标准GB／T 6323.6—1994相关要求执行。

稳态回转试验结果如表3所示。其中，an为中性转向点的侧向加速度，U为不足转向度，Kφ为车身侧倾度。根据表3，分别安装钢板弹簧和复合材料板簧的样车在稳态回转试验中的技术指标非常接近，考虑到试验误差，工程上可认为复合材料板簧的阻尼不影响汽车的稳态响应特性。

表3 稳态回转试验结果

转向回正性能试验结果如表4所示。其中，Δr为残留横摆角速度，Er为横摆角速度总方差。根据表4，安装复合材料板簧的样车在稳态回转试验中的Δr值明显低于安装钢板弹簧的样车，同时Er值也稍低。因此复合材料板簧的阻尼对汽车的瞬态响应特性有利。

表4 转向回正性能试验结果

4.2 装车平顺性试验

分别对装载复合材料板簧和钢板弹簧的同一样车进行下述试验：（1）偏频试验（满载）；（2）脉冲输入试验（满载）；（3）随机输入试验，包括城市道路（空载）和小鹅卵石道路（空载）。其中，进行偏频试验和脉冲输入试验的目的是针对性地考察换装复合材料板簧后样车后悬架性能的变化情况。随机输入试验中，测试城市道路的目的是考察常用路况中样车的平顺性，测试小鹅卵石路的目的是考察恶劣路况中样车的平顺性。此外，试验还包括驾驶员和乘员的主观评价。试验项目的相关照片如图5所示。试验方法和数据处理方法根据标准GBT4970—1996，GBT4970—2009和GBT5902—86相关要求执行。

图5 试验项目的相关照片

根据后悬架偏频试验的数据处理结果，换装复合材料板簧后，样车后悬架满载偏频由1.76降为1.65 Hz。同时，样车前悬架的满载偏频为1.57 Hz，后悬架满载偏频值1.65 Hz比前悬架的满载偏频值1.57 Hz稍大，有利于防止样车车身产生较大的纵向角振动。

根据脉冲输入试验数据处理结果，换装复合材料板簧后，样车在常用车速下，后悬架在脉冲输入工况中的传递率均低于安装钢板弹簧时的状态。对随机输入试验，各工况中驾驶员和乘员位置的总加权加速度均方根值av与车速v之间关系的对比图分别如图6和图7所示。

图6 城市道路工况av值对比

图7 小鹅卵石道路工况av值对比

根据图6和图7，在绝大多数工况中安装复合材料板簧的样车在驾驶员处和成员处的av值低于装载钢板弹簧的样车。个别工况在驾驶员处出现了安装钢板弹簧的样车av较低的情况，这是由于复合材料板簧安装在样车后悬架中，主要影响乘员处的振动，对驾驶员处的振动优化效果可能随着振动传递路径的衰减湮没了。

根据驾驶员和乘员的主观感受，装载复合材料板簧的样车平顺性要好于装载钢板弹簧的样车，且复合材料板簧服役过程中自身基本不发出噪声。

综上所述，装载复合材料板簧后，样车的平顺性整体上优于装载钢板弹簧的样车。

5 结论

（1）本文中所研究复合材料板簧的比阻尼在0.01～0.03之间。

（2）虽然E玻璃纤维／聚氨酯复合材料的损耗因子比弹簧钢高3个数量级，但复合材料板簧提供的阻尼与悬架系统自身的阻尼相比很小，且其阻尼特性对整车性能有利，因此无须对复合材料板簧的阻尼性能参数进行匹配设计，这对其他车型的复合材料板簧阻尼匹配工作具有参考意义。

（3）根据理论分析及装车试验结果，复合材料板簧的阻尼不影响汽车的稳态响应特性，但对汽车的瞬态响应特性有利，同时能改善汽车的平顺性，这对完善复合材料板簧的性能匹配理论具有重要意义。