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新能源汽车悬架弹簧的轻量化设计

2023-05-06 19:5565780

 

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,正如Mubea如下展示的案例。



悬架弹簧在客车(PCs)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(电动车,BEV)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。



一、具有最佳材料利用率的钢制螺旋弹簧


钢制螺旋弹簧是PCs的主要设计类型之一。钢制螺旋弹簧用于复杂的多连杆和双叉臂车轴,以及广泛使用的高效麦弗逊前轴和扭力梁后轴。



由于弹簧力和弹簧刚度通过钢丝直径、圈数和线圈体直径的简单变化,螺旋弹簧能够为车辆平台的所有重量变量提供精细的调谐范围。通过有意地将弹簧的力作用线相对于其几何中心轴移动和倾斜,也可以产生横向分力。该侧向加载弹簧补偿麦弗逊支柱中不需要的横向力,图1(左上)。它还可以改善扭力梁轴的弹性运动,正如福特公司用的力矢量弹簧[1]所展示的那样,图1(右上)。





特别是冷成型螺旋弹簧提供了非常高的设计自由度。它们不需要任何特殊工具,由淬火弹簧钢通过CNC控制的卷绕指或辊冷成型。因此,每个单独的线圈可以具有为弹簧的安装空间和功能定制的形状,而在热成型弹簧的情况下,成型心轴限制了设计形状选择。



一个主要的挑战是使冷成型的优势也可用于重型客车,因为钢丝直径影响绕组刚度的四次方。因此,用于空载重量超过2 t且钢丝直径超过18 mm的车辆的弹簧通常是热成型的,这在功能、安装空间和构造潜力方面具有相应的缺点。



在过去的二十年中,同等功能的客车弹簧的重量通过冷成型而稳步减小,图1(左下方)。以下四项发展促成了这一点:



(1)增加的材料强度加上表面层中的高压缩残余应力



弹簧钢丝的抗拉强度增加到超过2000 N/mm,为更高的静态和动态强度(抗下垂损失性和耐久性)奠定了基础。此外,通过在淬火到马氏体阶段之前感应奥氏体化线材和短的保持时间,获得了特别细晶粒的微观结构,这延迟了裂纹扩展并因此进一步增加了疲劳强度,图2(上)。


    


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