Легкий дизайн и модернизация материалов новой энергии и автомобильных шасси Spring
Автомобильные пружины шасси в новую энергетическую эру: легкие пути проектирования и применение высокопрочных материалов
Введение
По сравнению с традиционными топливными автомобилями, новые энергетические автомобили набирают 200-500 кг за счет силовой батареи. Увеличение веса автомобиля напрямую увеличивает требования к нагрузке подвески, торможения и систем кузова, а также представляет собой серьезную проблему для крейсерского диапазона. Исследования показали, что на каждый 1 кг снижения массы под пружиной эффект эквивалентен снижению массы на пружину на 4-5 кг * * (из-за инерции). В качестве ключевых конструктивных частей под пружиной внимание OEM-производителей привлек легкий потенциал спиральных пружин и стабилизаторов.
С 2024 по 2026 год пружины подвески основных новых энергетических моделей в целом используют высокопрочные пружинные стали с давлением выше 2000 МПа, которые в сочетании с упрочнением под давлением и конструкцией с переменным диаметром снижают вес на 20-30% по сравнению с традиционными пружинами на 1600 МПа. В то же время новые компоненты, такие как вспомогательные пружины в пневматических подвесках и токопроводящие пружины в аккумуляторных блоках, также способствовали интеграции пружинных функций.
В этом документе основное внимание уделяется легким методам проектирования пружин автомобильного шасси (особенно подвески), включая модернизацию материалов, оптимизацию формы, дробление, дизайн привода CAE и сценарии применения, характерные для новой энергии.
Во-первых, технический маршрут облегченной пружины подвески
1,1 Повышенное конструктивное напряжение (повышение прочности материала)
Формула снижения веса пружины: масса пружины m < unk > (нагрузка P, коэффициент намотки C ²) / (допустимое усилие сдвига α ²). Поэтому увеличение допустимого напряжения сдвига материала является наиболее прямым способом снижения веса. Допустимое усилие сдвига пропорционально прочности на растяжение.
Класс материала Прочность на растяжение Rm (МПа) Допустимое напряжение сдвига (МПа) Относительный вес
65Mn (обычный углерод) 1,200 ~ 1,400400 ~ 5001,00 (основание)
60Si2MnA (сплав) 1,600 ~ 1,800600 ~ 700,75
50CrVA (высокая прочность) 1800 ~ 2,000700 ~ 8000,65
55CrSi (сверхвысокая прочность) 2,000 ~ 2,200800 ~ 9500,55
55CrSi пружинной стали через микро-легирования (добавление Nb, V) и контролируемой прокатки и контролируемого процесса охлаждения, размер зерна может достигать более чем 10 марок, с точной термической обработкой и дробью упрочнения, его предел усталостной прочности превысил 1000 МПа, что делает подвеска пружины Вес одной детали уменьшается с 3,5 кг в традиционных транспортных средств топлива до около 2,5 кг в новых транспортных средствах энергии (общий вес четырех пружин уменьшается на 4 кг).
1,2 Переменный диаметр и конструкция с переменным шагом
Уменьшение пружины: Средний диаметр варьируется в зависимости от количества витков (конических, бочкообразных или банановых). Преимущество заключается в том, что он может достичь постепенного изменения характеристик жесткости (мягкого при небольшой амплитуде, жесткого при большой амплитуде), сохраняя при этом пространство для установки. Оптимизированный дизайн с переменным диаметром может снизить вес на 10% до 15% по сравнению с пружиной одинакового диаметра.
Пружина с переменным шагом: нелинейная жесткость также может быть достигнута с различными шагами. При максимальной нагрузке петли с меньшими шагами будут комбинироваться заранее, тем самым защищая пружину от чрезмерной деформации. Конструкция требует точного контроля последовательности петель через FEA.
1,3 Полая весна (формирование стальных труб)
Использование бесшовных стальных труб для прессования и намотки в полую спиральную пружину может снизить вес на 40-50% при том же внешнем диаметре и нагрузке. Тем не менее, процесс сложен (требует упрочнения внутренней стенки и блокировки торца), а стоимость высока. В настоящее время он используется только в гоночных автомобилях и небольшом количестве высококлассных спортивных автомобилей. Если процесс будет зрелым в будущем, ожидается, что его будут продвигать на высококлассных электромобилях.
Снятие напряжения: легкий "предохранительный клапан"
Когда расчетное напряжение превышает 1000 МПа, обычного дробного упрочнения уже недостаточно для обеспечения достаточного остаточного компрессионного напряжения. Упрочнение выполняется при приложении статической крутильной нагрузки (растягивающее напряжение, которое создает от 50% до 80% расчетного напряжения на поверхности пружины). После разгрузки глубина и амплитуда остаточного компрессионного напряжения значительно увеличиваются.
Сравнение эффекта от снятия стресса:
Обычное дробление: поверхностное остаточное сжимающее напряжение составляет около -600 МПа, а глубина слоя сжимающего напряжения составляет 0,15 мм;
Ударное дробление: поверхностное остаточное сжимающее напряжение может достигать более 1000 МПа при глубине 0,25 мм.
Инженерные соображения: для упрочнения под напряжением требуется специальное оборудование (приспособления, которые прикладывают усилие предварительной нагрузки к пружине), а размер предварительной нагрузки необходимо строго контролировать - слишком малого недостаточно, а слишком большой может привести к выходу и деформации пружины.
III. Интеграция функции весны для новых требований к энергии
3,1 Проводящая пружина аккумуляторного блока
В новых аккумуляторных модулях все более распространенным становится дизайн пружин в качестве проводящих разъемов. Например, проводящая пружина из медного сплава помещается между выступом полюса батареи и шиной, а упругость пружины используется для поддержания контактного давления (0,5 ~ 2 Н) при проведении тока (от десятков до сотен ампер).
Технические требования:
Материал: бериллиевая медь (C17200), фосфорная бронза (C5191), проводимость ≥ 20% IACS;
Контактное сопротивление: ≤ 0,5 мΩ (начальное), ≤ 1 мΩ после длительного старения;
Рабочая температура: -40C ~ 120C;
Релаксация напряжения: 1000 часов после ослабления силы ≤ 10%.
3,2 Вспомогательная рессора пневматической подвески (резинометаллическая композитная рессора)
Некоторые новые энергетические модели используют комбинацию пневматической подвески + вспомогательной пружины катушки. Вспомогательная пружина поддерживает корпус, когда основная воздушная камера сдувается, чтобы обеспечить минимальный дорожный просвет. Эта пружина требует чрезвычайно низкой остаточной деформации (< 0,2%) и высокой усталостной устойчивости (более 10 ^ 6 раз).
IV. Облегченный процесс проектирования на основе САПР
4,1 Оптимизация топологии и параметрическое моделирование
Используя Altair HyperWorks или ANSYS для оптимизации топологии пружин подвески: учитывая установочное пространство, условия нагрузки, целевую жесткость, программное обеспечение автоматически оптимизирует распределение диаметра проволоки и винтовой путь. Полученная концептуальная модель затем преобразуется в параметрическую модель САПР (переменный диаметр, переменный шаг).
4,2 Многокорпусная динамическая вытяжка
Фактический спектр нагрузки пружины при типичных условиях работы (торможение, ускорение, изгиб, удар) извлекается из многокорпусной модели всего автомобиля (ADAMS, CarSim). Спектр нагрузки вводится в программное обеспечение для анализа усталости для расчета значения повреждения каждого узла, чтобы направлять локальное усиление или истончение.
4,3 Картография жизни после усталости
Для оптимизированной пружины переменного диаметра используется метод локальной деформации для прогнозирования усталостного срока службы на разных участках. Если срок службы определенной зоны недостаточен, точно настройте диаметр проволоки (увеличьте) или увеличьте прочность дробления.
Корпус: Модель внедорожника прошла вышеописанный процесс, чтобы уменьшить вес пружины задней подвески с 3,0 кг до 2,3 кг (снижение веса на 23%), а усталостный ресурс был увеличен с 250 000 раз до 400 000 раз.
V. Ограничения производственного процесса и прорывы в облегчении
Легкий дизайн должен быть сбалансирован с технологичностью.
Особенности проектирования Решения для производственных задач
Очень небольшой коэффициент обмотки (C < 4) Оправка тонкая при намотке пружины, и легко застревает. Используется раздвижная оправка или внутренняя опорная обмотка
Специальная шлифовальная пружинная арматура для сложного позиционирования при шлифовании торцевых граней с переменным диаметром (конической) + автоматическое выравнивание
Сверхвысокая прочность (> 2100 МПа) повышена чувствительность к замедленному растрескиванию Строго контролируемая прочность дробления + дегидрирование
Когда полую пружину раскатывают, стенка трубы заполняется округлой поддерживающей средой (например, полиуретаном).
VI. Инженерная оценка и будущие тенденции
6,1 Комплексные оценочные показатели легковесного эффекта
Рекомендуется использовать коэффициент легкости L _ F = (масса пружины, допустимое напряжение) / (расчетная нагрузка, установочное пространство). Чем ниже коэффициент, тем лучше конструкция.
6,2 Будущие направления
Волоконная композитная пружина: пружина из эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном, с плотностью всего в четверть от стали, но усталостная стойкость и ударопрочность еще предстоит проверить.
Весна сплава памяти формы: используя мартенситное преобразование для достижения функции привода большой деформации для активной подвески;
Встроенный блок пружинного демпфирования: интегрируйте пружину с магнитореологическим демпфером для интеллектуальной подвески.
вывод
Легкий спрос на новые энергетические транспортные средства вызывает быструю итерацию технологии пружин шасси. От модернизации материалов (пружинная сталь марки 2200 МПа) до технологических прорывов (упрочнение дробью, намотка с переменным диаметром) и методов проектирования (оптимизация CAE, экстракция многокорпусной нагрузки), весеннее облегчение сформировало четкий технический путь. Для OEM-производителей и поставщиков пружин освоение этих технологий - это не только средство снижения потребления энергии и увеличения срока службы батареи, но и билет на участие в конкурентной борьбе на рынке высокого класса в будущем.
BQUQ является профессиональным производителем пружин металла, пожалуйста, пришлите нам чертежи, и наша компания процитирует вас в течение 12 часов.
