Analyse der Steifigkeit und Dämpfungsleistung der Verbundblattfeder

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 6842 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Leichtbauweise der Blattfedern trägt zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und zur Verbesserung des Fahrzeugkomforts bei. Das Gewicht der Blattfeder kann offensichtlich durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen reduziert werden. Steifigkeit und Dämpfung sind die Schlüsselfaktoren, die die Eigenschaften der Blattfeder beeinflussen. Der Einfluss des Glasfaserverlegewinkels und des Volumengehalts auf die Steifigkeit und Dämpfung der Verbundblattfeder wurde durch Experimente und Simulationen analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Steifigkeit und Dämpfungseigenschaften der Blattfedern mit dem Faserlegewinkel und dem Faservolumengehalt zusammenhängen. Bei konstantem Volumeninhalt und gleichbleibender Lagenzahl zeigt die Steifigkeit einen nichtlinear abnehmenden Zusammenhang mit dem Verlegewinkel und der Dämpfungskoeffizient steigt linear mit dem Verlegewinkel. Bei konstantem Verlegewinkel und gleichbleibender Lagenzahl steigt die Steifigkeit linear mit dem Faservolumengehalt; Der Dämpfungskoeffizient weist einen nichtlinear abnehmenden Zusammenhang mit dem Faservolumengehalt auf. Die Art der Forschung kann theoretische Grundlagen und Referenzen für die Konstruktion, Analyse und Optimierung von Blattfedern aus Verbundwerkstoffen liefern.

Aufgrund der Anforderungen des Umweltschutzes, der Energieeinsparung und der Emissionsreduzierung ist Leichtbau zum aktuellen Trend der Automobilentwicklung geworden. Darüber hinaus können Leichtbaufahrzeuge auch Leistung und Komfort verbessern, Material einsparen und Kosten senken1. Automobilleichtbautechnik ist die integrierte Anwendung von Design, Material und Fertigungstechnologie. Die beiden wichtigsten Möglichkeiten, Leichtbau zu erreichen, sind Strukturoptimierungsdesign und der Einsatz neuer Materialien. Im Vergleich zu Stahl gleicher Struktur kann die Verwendung von Verbundwerkstoffen das Gewicht erheblich reduzieren, insbesondere die Entwicklung von Verbundwerkstoffen mit geringer Dichte bietet mehr Potenzial für den Leichtbau von Automobilen2. Unter vielen Verbundwerkstoffen zeichnen sich Glasfaser-Harz-Matrix-Verbundwerkstoffe durch eine geringere Dichte, höhere Festigkeit und Steifigkeit, gute Elastizität und Korrosionsbeständigkeit usw. aus. Und die Verbundwerkstoffe werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Maschinenbau und anderen Bereichen eingesetzt3. 4. Die meisten elastischen Elemente im Federungssystem von Nutzfahrzeugen sind Blattfedern. Allerdings ist das Gewicht der Blattfeder groß und die Dämpfungsleistung schlecht, was dem Leichtgewicht und dem Komfort des Fahrzeugs nicht zuträglich ist. Um das Gewicht der Aufhängung zu reduzieren und die Dämpfungsleistung der Aufhängung zu verbessern, sind Verbundblattfedern zum Hauptforschungsobjekt geworden5,6.

Als eine der effektivsten Methoden zur Reduzierung von Vibrationen und Geräuschen von Automobilchassis haben Blattfedern aus glasfaserverstärktem Verbundwerkstoff in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt. Ke et al.7 führten die Methode der Blattfederkonstruktion, Steifigkeitsberechnung und -optimierung ein. Guduru et al.8 entwickelten eine Art monolithische Verbundblattfeder aus Glasfaser-Epoxidharz, die das Gewicht im Vergleich zur Blattfeder um 69,4 % reduzierte. Durch die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften verschiedener Verbundwerkstoffe wurde das am besten geeignete Material für die Herstellung von Einzelblattfedern ermittelt. Al-Obaidi et al.9 untersuchten die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen zur Herstellung von Blattfedern. Die Ergebnisse zeigen, dass die Belastbarkeit von Verbundblattfedern mit dem Verlegewinkel und dem Volumengehalt der Fasern zusammenhängt und die Art der Matrix einen wesentlichen Einfluss auf die Steifigkeit hat. Nishant Varma et al.10 zeigten, dass die Eigenfrequenz von Verbundblattfedern 93 % höher ist als die von Blattfedern. Chavhan et al.11 stellten eine Blattfeder aus E-Glasfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoff her und untersuchten ihre mechanischen Eigenschaften. Die Ergebnisse zeigten, dass die Festigkeit der Verbundblattfeder nahe an der der Stahlblattfeder lag, das Gewicht der Verbundblattfeder jedoch um 79,13 % reduziert wurde. Die Autoren stellen in der Arbeit vor, dass Verbundblattfedern einfach herzustellen sind, aber ich denke, diese Schlussfolgerung ist nicht streng. Bei der Herstellung einer Verbundblattfeder sollten verschiedene Faktoren wie Gewicht, Steifigkeit, Festigkeit, Ermüdung, Verformung usw. berücksichtigt werden. Außerdem ist der Herstellungsprozess recht kompliziert, da das Blattfedermuster sonst nicht im tatsächlichen Fahrzeug verwendet werden kann. Umanath et al.12 führten die Herstellungsmethode der Blattfeder mit Kohlefaser und Ananasfaser als Verbundmaterial ein. In der Arbeit wurden die Festigkeit und Steifigkeit der beiden Verbundblattfedern verglichen. Bevor die Festigkeit und Härte verschiedener Arten von Blattfedern aus Verbundwerkstoffen verglichen werden, sollten der Faserlagewinkel, der Volumengehalt und die Blattfedersteifigkeit gleich kontrolliert werden. Gleichzeitig ist die Ermüdungsleistung auch eine wichtige Leistung der Blattfeder, und in diesem Artikel gibt es keine vergleichende Analyse. Rajendran et al.13 stellten fest, dass bei gleichen Designparametern und Optimierungsbedingungen 75,6 % Gewicht durch die Verwendung einer Einzelblattfeder anstelle einer Siebenblattfeder reduziert werden können. Die Verformung der Blattfeder hat großen Einfluss auf den Fahrkomfort und das Fahrverhalten des Fahrzeugs. Als die Autoren die Verbundblattfeder optimierten, waren die ausgewählten Optimierungsziele das Gewicht, die Steifigkeit und die Festigkeit der Blattfeder, und gleichzeitig sollte der Verformungsfaktor der Blattfeder berücksichtigt werden. Hajime Kishi et al.14 führten die Herstellung von Verbundlaminaten durch Vakuumgießformverfahren ein und verglichen die mechanischen Eigenschaften von Glasfaserlaminaten mit Verlegewinkeln von ± 60° und ± 45°. Verbundlaminate sind leichte und dünnwandige Strukturen, deren Dämpfungseigenschaften leicht durch die Masse des Sensors und die Luftdämpfung beeinflusst werden. Die Autoren sollten die oben genannten Faktoren im Forschungsprozess berücksichtigen. Die Auswirkungen verschiedener Schichtmethoden und chemischer Behandlungen auf die mechanischen Eigenschaften und die freien Schwingungseigenschaften von Verbundwerkstoffen wurden in der Literatur diskutiert15. Margherita Basso et al.16 beschrieben das nichtlineare Verhalten von kurzglasfaserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen durch Zug-Kriechtest und Steifigkeitsdegradationstest.

Blattfedern aus faserverstärktem Verbundwerkstoff bestehen aus mehr als zwei Arten von Polymermaterialien mit unterschiedlichem Modul und unterschiedlicher Festigkeit. Durch Ändern des Inhalts, der Art, der Richtung und der Reihenfolge der einzelnen Materialkomponenten kann eine Verbundfeder mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften erhalten werden. Aufgrund der Anisotropie und der nichtlinearen Eigenschaften glasfaserverstärkter Verbundwerkstoffe17 wird es jedoch schwierig, die dynamischen Eigenschaften von Verbundblattfedern theoretisch zu untersuchen.

Obwohl es viele verwandte Studien gibt, konzentrieren sich die meisten auf die theoretische Analyse und Finite-Elemente-Simulationsanalyse der mechanischen Eigenschaften von Blattfedern aus Verbundwerkstoffen. Es gibt nur wenige Literatur zur experimentellen Erforschung der mechanischen Eigenschaften von Blattfedern aus Verbundwerkstoffen. In dieser Arbeit wurden die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften von Blattfedern aus Glasfaser-Harz-Matrix-Verbundwerkstoffen untersucht und die Auswirkungen des Faservolumengehalts und des Verlegewinkels auf die Steifigkeit und Dämpfung im Detail untersucht. In dieser Arbeit wird die Entwicklung faserverstärkter Verbundwerkstoffe im Bereich Automobil-Leichtbau und Fahrwerksschwingungsreduzierung vorangetrieben.

In diesem Artikel wird PPG2026-Glasfaser als verstärktes Material und MAX2-Polyurethan als Matrixmaterial ausgewählt. Die Glasfaser PPG2026 gehört zur E-Glasfaser, hergestellt von PPG Industries, USA. Es verfügt über ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und kann eine hervorragende Schnittstelle mit der Harzmatrix bilden, um die Ermüdungsleistung der Verbundblattfeder zu verbessern. MAX2-Polyurethan zeichnet sich durch hohe Festigkeit, Reißfestigkeit, Abriebfestigkeit usw. aus und kann eine hervorragende Grenzflächenbindung mit Glasfasern bilden. Die Eigenschaftsparameter der Materialien sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die Verbundblattfeder ist eine mehrschichtige Plattenstruktur, die durch mehrere einschichtige Platten entsprechend einem bestimmten Verlegewinkel und einer bestimmten Verlegereihenfolge verbunden wird. Seine mechanischen Eigenschaften hängen von der Leistung, dem Inhalt und dem Verlegewinkel der Glasfaser ab18. Der Volumengehalt an Glasfasern ist ein wichtiger Leistungsparameter von E-Glasfaser/Polyurethan-Laminat. Ein zu geringer Faservolumengehalt kann die Wirkung nicht steigern. Wenn die Matrixspannung größer ist, bricht die Faser. Wenn der Faservolumengehalt zu hoch ist, ist die Festigkeit des Verbundmaterials höher, aber die Fließfähigkeit des Harzes verschlechtert sich und die Dämpfungsleistung der Verbundblattfeder nimmt ebenfalls ab19. Unter umfassender Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen wurden Verbundblattfedern mit einem Verlegewinkel von 0° hergestellt, und der Volumengehalt an E-Glasfasern betrug 40 %, 60 % bzw. 80 %. Entsprechend der Verteilung der Glasfasern in der Matrix können Verbundlaminate in unidirektionale Laminate und multidirektionale Laminate unterteilt werden, wobei unidirektionale Laminate Fasern sind, die aus mehreren unidirektionalen Lagen in die gleiche Richtung angeordnet sind. Multidirektionale Laminate sind Fasern aus mehreren unidirektionalen Lagen, die in verschiedene Richtungen gelegt werden20. Es wurden Verbundblattfedern mit einem Faservolumengehalt von 60 % hergestellt und der Verlegewinkel betrug 0°, 45° bzw. 90°. Die zusammengesetzte Blattfederstruktur ist in Abb. 1a dargestellt.

Die zusammengesetzte Blattfederstruktur; (a) das 3D-Modell der Blattfeder; (b) die vordere Verbindungsstruktur; (c) die mittlere Verbindungsstruktur; (d) die hintere Verbindungsstruktur.

Die Verbundblattfeder besteht aus einem Blattfederkörper, einer vorderen Verbindungsstruktur, einer hinteren Verbindungsstruktur und einer mittleren Verbindungsstruktur. Der Körper der Blattfeder hat eine parabolische Form, und in der Mitte des Blattfederkörpers ist eine Nabenstruktur vorgesehen, und die Nabenstruktur ist mit der mittleren Verbindungsstruktur verbunden, um Längslasten und Querlasten zu übertragen. Abbildung 1b ist eine vordere Verbindungsstruktur, die aus einem vorderen Metallgelenk und einer Gummibuchse besteht, die über Bolzen mit dem vorderen Ende des Blattfederkörpers verbunden ist. Abbildung 1c zeigt die mittlere Verbindungsstruktur, die aus einer unteren Metallplatte, einer oberen Metallplatte und einer U-Bolzen-Metallplatte besteht. Abbildung 1d ist eine hintere Verbindungsstruktur, die aus einem vorderen Metallgelenk und einer Gummibuchse besteht, die über Bolzen mit dem hinteren Ende des Blattfederkörpers verbunden ist.

In diesem Artikel wird ein Hochdruck-Harz-Spritzpressverfahren (kurz HP-RTM-Verfahren) zur Herstellung von E-Glasfaser-Polyurethan-Verbundblattfedern verwendet. Beim HP-RTM-Verfahren wird das Harz mit hohem Druck gemischt und im Voraus in eine vakuumversiegelte Form mit faserverstärkten Materialien und voreingestellten Einsätzen eingespritzt. Nach dem Füllen, Imprägnieren, Aushärten und Entformen mit Harzfluss erfolgt der Formprozess für Verbundprodukte21,22. Um die mechanischen Eigenschaften des Polyurethanharzes zu optimieren, ist es außerdem erforderlich, den Blattfederkörper in einem Ofen nachzuhärten. Die endgültigen Prüfkörper der Verbundblattfedern sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Aufgrund des langen Arbeitszyklus und der hohen Kosten für die Herstellung von Blattfedern aus Verbundwerkstoffen ist es schwierig, mehr Proben mit unterschiedlichen Verlegewinkeln und unterschiedlichen Volumeninhalten herzustellen. Um mehr Daten zu erhalten, wurde in dieser Arbeit das Finite-Elemente-Modell einer Verbundblattfeder erstellt.

Das 3D-Modell der Verbundblattfeder wurde in die HYPERMESH-Software importiert, das Modell wurde in Volumennetze unterteilt und der Elementtyp war C3D8I-Element. Abbildung 2 ist ein Blattfeder-Finite-Elemente-Modell mit 457.482 Elementen und 518.750 Knoten. Das Finite-Elemente-Modell wurde in Form einer INP-Datei in die ABAQUS-Software importiert und die Materialeigenschaften des Modells wurden gemäß den Daten in Tabelle 1 eingestellt. Der Freiheitsgrad in Ry-Richtung der Gummibuchse A in der Wenn die vordere Verbindungsstruktur freigegeben wird, werden die Freiheitsgrade in X- und Ry-Richtung der Gummibuchse B in der hinteren Verbindungsstruktur freigegeben.

Das Finite-Elemente-Modell der Verbundblattfeder.

Bei der Simulation der statischen Steifigkeit der Blattfeder wird die Verschiebungsanregung in z-Richtung langsam auf die mittlere verbundene Struktur C angewendet und die statische Steifigkeit wird gemäß der Kraft-Verschiebungs-Kurve der mittleren verbundenen Struktur C berechnet. Bei der Simulation der Dynamik Steifigkeit der Blattfeder, eine Vorspannung wird auf die Blattfeder ausgeübt, und die Verschiebungsamplitude in Z-Richtung beträgt ± 10 mm und die Belastungsfrequenz beträgt 4 Hz. Bei der Simulation des Dämpfungskoeffizienten der Blattfeder wird die transiente Impulsverschiebungsanregung in Z-Richtung auf die mittlere verbundene Struktur C angewendet und der Dämpfungskoeffizient wird gemäß der Beschleunigungszeitbereichskurve der mittleren verbundenen Struktur C berechnet.

Der Steifigkeitstest einer Verbundblattfeder ist in Abb. 3a dargestellt. Die Laschen an beiden Enden der Verbundblattfeder werden jeweils an der Klemme angebracht. Wenn sich die Blattfeder verformt, kann die Klemme entlang der Erstreckungsrichtung der Blattfeder auf dem Prüfstand gerollt werden, um den tatsächlichen Betriebszustand der Verbundblattfeder zu simulieren. Der Antrieb der Bank wird durch ein hydraulisches Servosystem gesteuert. Die Belastung des Aktuators während des Tests wird von einem Kraftsensor in der Mitte der Blattfederprobe erfasst und die vertikale Verschiebung des Aktuators während des Tests wird von einem Messschieber gemessen. Die Steigung der Last-Weg-Kurve des Aktuators ist die Steifigkeit der Verbundblattfeder. Die maximale dynamische Auslenkung der in diesem Artikel entworfenen Verbundblattfeder beträgt 140 mm. Zunächst wird durch den Aktuator eine vertikale Verschiebung auf die Probe ausgeübt, die vertikale Verschiebung wird schrittweise von 0 auf 140 mm erhöht und die vertikale Belastung des Aktuators wird alle 5 mm aufgezeichnet. Zweitens wurde die durch den Aktuator auf die Probe ausgeübte vertikale Verschiebung schrittweise von 140 auf 0 mm reduziert und die vertikale Belastung des Aktuators alle 5 mm aufgezeichnet.

Prüfung der mechanischen Eigenschaften einer Verbundblattfeder; (a) der Steifigkeitstest; (b) der Dämpfungstest.

Da der relative Schlupf zwischen Glasfaser und Polyurethan-Matrix viel Energie verbraucht und die Matrix inhärente Viskoelastizität aufweist, weist der Glasfaser-Polyurethan-Verbundwerkstoff gute Dämpfungseigenschaften auf. Die Dämpfung der Verbundblattfeder beruht hauptsächlich auf der Viskoelastizität des Verbundmaterials selbst und der inneren Reibung der Blattfeder. Die Dämpfung wird üblicherweise durch den Dämpfungskoeffizienten ausgedrückt. Aufgrund der großen Steifigkeit der Verbundblattfeder ist es schwierig, ihren Dämpfungskoeffizienten mit der Prüfstandstestmethode zu messen. In dieser Arbeit wird die Blattfederprobe an der Hinterachse des Fahrzeugs installiert und die Dämpfungseigenschaften der Probe durch die Abrollmethode getestet. Um einen Einfluss des Stoßdämpfers auf die Testergebnisse zu vermeiden, wurde der Stoßdämpfer in der Hinterradaufhängung des Fahrzeugs vor dem Dämpfungstest entfernt. Der Dämpfungstest erfolgt mit dem Testsystem LMS TEST.LAB und dem PCB-Drei-Wege-Schwingungsbeschleunigungssensor. Der Sensor ist am Rahmen oberhalb der Hinterachse des Fahrzeugs angeordnet, wie in Abb. 3b dargestellt. Das Beschleunigungssignal des Vibrationssensors am Rahmen wird erfasst und der Dämpfungskoeffizient der Verbundblattfeder wird entsprechend dem Amplitudendämpfungsverhältnis der freien Vibrationsdämpfungskurve berechnet.

Die Steifigkeit der Verbundblattfeder wird durch die mechanischen Eigenschaften jeder einschichtigen Platte bestimmt und durch Faktoren wie den Volumengehalt der Glasfaser, die Anzahl der Schichten, den Verlegewinkel und die Arbeitstemperatur beeinflusst. Um den Einfluss des Verlegewinkels auf die Steifigkeit der Verbundblattfeder zu analysieren, wurden die Proben 1, 2 und 3 für Steifigkeitsvergleichstests ausgewählt. Die Ergebnisse des Steifigkeitstests sind in Abb. 4 dargestellt.

Steifigkeitskurven von Blattfedern mit unterschiedlichen Verlegewinkeln; (a) Testdaten von Probe 1; (b) Testdaten von Probe 2; (c) Testdaten von Probe 3.

Abbildung 4a–c zeigt die Steifigkeitskurven von Verbundblattfedern mit unterschiedlichen Verlegewinkeln bei einem Glasfaservolumenanteil von 60 %. Die Kurven zeigen, dass der Faserverlegewinkel einen erheblichen Einfluss auf die Steifigkeit der Verbundblattfeder hat. Die von der Hystereseschleife umschlossene Fläche ist die von der aufgebrachten Last geleistete Arbeit, die mit zunehmendem Verlegewinkel abnimmt. Unter den gleichen Verschiebungsbedingungen ist die Steifigkeit der Verbundblattfeder umso größer, je größer die Fläche ist. Die Steifigkeiten der Proben 1, 2 und 3 betragen 118,3 N/mm, 87,8 N/mm bzw. 70,3 N/mm. Bei einem Verlegewinkel von 0° ist die Steifigkeit maximal, bei einem Verlegewinkel von 90° ist die Steifigkeit minimal.

Abbildung 5 zeigt die Simulations- und Versuchskurven einer Blattfeder mit unterschiedlichem Verlegewinkel. Bei einem Verlegewinkel von 0° beträgt die Übereinstimmung zwischen dem Testergebnis der statischen Steifigkeit und dem Simulationsergebnis der statischen Steifigkeit 98,5 %, bei einem Verlegewinkel von 45° beträgt die Übereinstimmung 96,3 % und bei einem Verlegewinkel von 90° Die Übereinstimmung beträgt 95,8 %. Die Vergleichsergebnisse zeigen, dass das Finite-Elemente-Modell der Verbundblattfeder korrekt ist. Die dynamische Steifigkeit der Blattfeder ist größer als die statische Steifigkeit, und der Unterschied zwischen den beiden Daten nimmt mit zunehmendem Biegewinkel zu. Experimentelle Daten und Simulationsdaten zeigen, dass bei konstantem Volumengehalt und konstanter Anzahl der Schichten die Steifigkeit umso geringer ist, je größer der Verlegewinkel ist und eine nichtlinear abnehmende Beziehung zum Verlegewinkel besteht.

Die Simulation und experimentelle Kurven von Blattfedern mit unterschiedlichen Verlegewinkeln.

Bei einer Verbundblattfeder mit einem Lagenwinkel von 0° beeinflusst der Glasfaservolumengehalt hauptsächlich den Längszugmodul. Je höher der Faservolumenanteil ist, desto höher ist der Längszugmodul und desto größer ist die Blattfedersteifigkeit. Um den Zusammenhang zwischen der Steifigkeit der Verbundblattfeder und dem Volumengehalt an Glasfasern quantitativ zu analysieren, wurden die Proben 1, 4 und 5 für Steifigkeitsvergleichstests ausgewählt. Abbildung 6a–c zeigt die Steifigkeitskurven von Verbundblattfedern mit unterschiedlichem Faservolumengehalt bei einem Verlegewinkel von 0°. Die Steifigkeiten der Proben 4, 1 und 5 betragen 95,7 N/mm, 118,3 N/mm bzw. 137,1 N/mm. Bei einem Faservolumengehalt von 40 % ist die Steifigkeit minimal, bei einem Faservolumengehalt von 80 % ist die Steifigkeit maximal.

Steifigkeitskurve einer Verbundblattfeder mit unterschiedlichem Faservolumengehalt; (a) Testdaten von Probe 4; (b) Testdaten von Probe 1; (c) Testdaten von Probe 5.

Abbildung 7 zeigt die Simulations- und Versuchskurven einer Blattfeder mit unterschiedlichem Volumeninhalt. Bei einem Volumengehalt von 40 % beträgt die Übereinstimmung zwischen dem Testergebnis der statischen Steifigkeit und dem Simulationsergebnis der statischen Steifigkeit 92,5 %, bei einem Volumengehalt von 60 % beträgt die Übereinstimmung 98,5 % und bei einem Volumengehalt von 80 % Die Übereinstimmung liegt bei 93,5 %. Die dynamische Steifigkeit der Blattfeder ist größer als die statische Steifigkeit und der Unterschied zwischen den beiden Daten nimmt mit zunehmendem Volumeninhalt ab. Experimentelle Daten und Simulationsdaten zeigen, dass bei konstantem Verlegewinkel und konstanter Lagenzahl die Steifigkeit umso höher ist, je größer der Volumengehalt ist und ein linear steigender Zusammenhang mit dem Faservolumengehalt besteht.

Die Simulations- und Versuchskurven von Blattfedern mit unterschiedlichen Volumeninhalten.

Die Prüflinge 1, 2 und 3 wurden zwischen Hinterachse und Rahmen eingebaut, die Stoßdämpfer der Hinterradaufhängung entfernt und der Blattfederdämpfungstest durchgeführt. Abbildung 8a–c zeigt die freien Schwingungsdämpfungskurven der Verbundblattfeder. Die Amplitude benachbarter Zyklen ändert sich nicht wesentlich, was darauf hindeutet, dass die Dämpfung der Verbundblattfeder gering ist. Die Dämpfungskoeffizienten der Proben 1, 2 und 3 betragen 0,024, 0,031 bzw. 0,044. Der Dämpfungskoeffizient der Blattfeder mit 0°-Schicht ist am kleinsten und der Dämpfungskoeffizient der Blattfeder mit 90°-Schicht am größten.

Variationskurve der Schwingungsdämpfung von Verbundblattfedern bei unterschiedlichen Verlegewinkeln; (a) Testdaten von Probe 1; (b) Testdaten von Probe 2; (c) Testdaten von Probe 3.

Die Faserverlegewinkel beeinflussen die Gesamtsteifigkeit, die interlaminare Reibung und die Schereigenschaften von Laminaten. Wenn die Steifigkeit der Verbundblattfeder zu groß ist, wird die Verformungsfähigkeit des Polyurethans beeinträchtigt und das relative Gleiten zwischen der Verstärkung und der Matrix wird behindert, wodurch die Dämpfungseigenschaften der Verbundblattfeder verringert werden23,24. Probe 1 ist bei 0° verlegt, die Faserschicht spielt die tragende Hauptrolle und die Steifigkeit der Blattfeder ist am größten. Bei gleicher äußerer Belastung verbraucht die Verbundblattfeder weniger Schwingungsenergie und weist den kleinsten Dämpfungskoeffizienten auf. Probe 5 ist im 90°-Winkel verlegt, wobei die Polyurethanschicht die Haupttragrolle übernimmt, was zu der geringsten Steifigkeit der Blattfeder führt. Bei gleicher äußerer Belastung verbraucht die Verbundblattfeder mehr Schwingungsenergie und weist den größten Dämpfungskoeffizienten auf.

Abbildung 9 zeigt die Dämpfungskontrastkurven der Blattfeder bei unterschiedlichen Verlegewinkeln. Bei einem Verlegewinkel von 0° beträgt die Übereinstimmung zwischen Testergebnis und Simulationsergebnis 93,8 %, bei einem Verlegewinkel von 45° beträgt die Übereinstimmung 96,6 % und bei einem Verlegewinkel von 90° beträgt die Übereinstimmung 95,0 % . Experimentelle Daten und Simulationsdaten zeigen, dass bei konstantem Faservolumengehalt und konstanter Anzahl der Schichten der Dämpfungskoeffizient der Verbundblattfeder umso größer ist, je größer der Verlegewinkel ist und eine ungefähre lineare Wachstumsbeziehung mit den Verlegewinkeln besteht.

Die Dämpfungskontrastkurven von Blattfedern mit unterschiedlichen Verlegewinkeln.

Für Dämpfungstests wurden die Proben 1, 4, 5 ausgewählt. Abbildung 10a–c zeigt die Kurven der freien Schwingungsdämpfung der Verbundblattfederproben. Die Dämpfungskoeffizienten der Proben 4, 1 und 5 betragen 0,032, 0,024 bzw. 0,0197. Wenn der Faservolumengehalt 40 % beträgt. Der Dämpfungskoeffizient der Blattfeder ist am größten. Bei einem Faservolumenanteil von 80 % ist der Dämpfungskoeffizient der Blattfeder am kleinsten.

Schwingungsdämpfungskurve einer Verbundblattfeder mit unterschiedlichem Volumeninhalt; (a) Testdaten von Probe 4; (b) Testdaten von Probe 1; (c) Testdaten von Probe 5.

Der Hauptbeitrag zur Dämpfung der Verbundblattfeder kommt von der Polyurethanmatrix. Polyurethan ist viskoelastisch. Wenn eine Kraft auf die Blattfeder ausgeübt wird, erfährt die Polyurethanmatrix eine Zugverformung, Biegeverformung und Scherverformung, wodurch Vibrationsenergie verbraucht wird, um den Vibrationsreduzierungseffekt zu erzielen. Je höher der Glasfaservolumenanteil, desto geringer der Polyurethananteil, desto schlechter ist die Viskoelastizität der Verbundblattfeder und desto geringer ist der Dämpfungskoeffizient.

Abbildung 11 zeigt die Dämpfungskontrastkurven von Blattfedern mit unterschiedlichem Volumeninhalt. Bei einem Volumengehalt von 40 % beträgt die Übereinstimmung zwischen Testergebnis und Simulationsergebnis 95,5 %, bei einem Volumengehalt von 60 % beträgt die Übereinstimmung 94,1 % und bei einem Volumengehalt von 80 % beträgt die Übereinstimmung 93,4 %. . Experimentelle Daten und Simulationsdaten zeigen, dass bei konstantem Verlegewinkel und konstanter Lagenzahl der Dämpfungskoeffizient umso kleiner ist, je höher der Faservolumengehalt ist. Wenn jedoch der Faservolumengehalt bis zu einem gewissen Grad zunimmt, wird der Einfluss des Faservolumengehalts auf den Dämpfungskoeffizienten der Verbundblattfeder unbedeutend.

Die Dämpfungskontrastkurven von Blattfedern mit unterschiedlichem Volumeninhalt.

Bei unverändertem Faservolumengehalt und Lagenzahl der Verbundblattfeder gilt: Je größer der Verlegewinkel, desto kleiner die Steifigkeit und desto größer der Dämpfungskoeffizient.

Wenn der Faserverlegewinkel und die Anzahl der Schichten der Verbundblattfeder unverändert bleiben, ist die Steifigkeit umso größer und der Dämpfungskoeffizient umso kleiner, je größer der Faservolumengehalt ist.

In der Arbeit wird das Finite-Elemente-Modell der Verbundblattfeder erstellt und die Steifigkeit und Dämpfung simuliert und analysiert. Die Simulationsdaten stimmen gut mit den experimentellen Daten überein. Die Finite-Elemente-Simulationsmethode ist hilfreich, um die mechanischen Eigenschaften der Blattfeder zu untersuchen.

Die Forschungsergebnisse zur Steifigkeit und Dämpfung von Verbundblattfedern liefern eine theoretische Grundlage und Referenz für die Leistungsauslegung von Blattfedern.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung von Naveco Automobile Co., Ltd (Grant-Nr. HTSP20210302) für die Bereitstellung der Materialien und Geräte zur Durchführung der experimentellen Arbeiten.

School of Cyber Science and Engineering, Southeast University, Nanjing, 211189, China

Xiaojun Zou & Guodong Yin

Naveco Automobile Co., Ltd, Nanjing, 211806, China

Xiaojun Zou & Bao Zhang

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XZ ist für das Design der Verbundblattfeder verantwortlich und hat das Hauptmanuskript geschrieben. BZ ist für die Steifigkeits- und Dämpfungstestanalyse verantwortlich. GY ist für die Machbarkeitsanalyse des Verbundblattfederschemas und die Probenvorbereitung verantwortlich.

Korrespondenz mit Xiaojun Zou.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zou, X., Zhang, B. & Yin, G. Analyse der Steifigkeit und Dämpfungsleistung der Verbundblattfeder. Sci Rep 12, 6842 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11055-5

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Eingegangen: 11. März 2022

Angenommen: 15. April 2022

Veröffentlicht: 27. April 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11055-5

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Angewandte Verbundwerkstoffe (2023)

Internationale Zeitschrift für interaktives Design und Fertigung (IJIDeM) (2022)

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