複合板バネの剛性と減衰性能の解析 - ゴムグロメットアセンブリ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 6842 (2022) この記事を引用

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リーフスプリングの軽量設計は、燃料消費量の削減と車両の快適性の向上に役立ちます。板バネは複合材料を使用することで大幅な軽量化が可能です。剛性と減衰は、板バネの特性に影響を与える重要な要素です。ガラス繊維の敷設角度と体積含有量が複合板バネの剛性と減衰に及ぼす影響を実験とシミュレーションを通じて分析した。結果は、板バネの剛性と減衰特性が繊維の敷設角度と繊維の体積含有量に関連していることを示しています。体積含有量と層の数が一定の場合、剛性は敷設角度に応じて非線形に減少する関係を示し、減衰係数は敷設角度に応じて線形に増加します。敷設角度と層の数が一定の場合、剛性は繊維の体積含有量に応じて直線的に増加します。減衰係数は繊維の体積含有量と非線形の減少関係を持ちます。研究の種類により、複合板バネの設計、解析、最適化のための理論的基礎と参考資料が得られます。

環境保護、省エネ、排出ガス削減のニーズにより、軽量化が自動車開発の現在のトレンドとなっています。さらに、軽量車両はパワー、快適性を向上させ、材料を節約し、コストを削減することもできます1。自動車の軽量化技術は、設計、材料、製造技術の統合応用です。軽量化を実現する主な方法は、構造最適化設計と新素材の適用の 2 つです。同じ構造の鋼と比較して、複合材料を使用すると大幅な軽量化が可能であり、特に低密度複合材料の開発により、自動車の軽量化の可能性がさらに高まります2。多くの複合材料の中でも、ガラス繊維樹脂マトリックス複合材料は、低密度、高強度と剛性、優れた弾性と耐食性などの特性を備えており、複合材料は航空宇宙、自動車産業、機械製造などの分野で広く使用されています3、 4. 商用車のサスペンションシステムの弾性要素のほとんどは板バネです。しかし、板バネの重量が大きく、減衰性能が劣るため、車両の軽量化や乗り心地の向上に貢献しませんでした。サスペンションの重量を軽減し、サスペンションの減衰性能を向上させるために、複合板バネが主な研究対象となっている5,6。

自動車シャシーの振動や騒音を低減する有効な手段の一つとして、近年、ガラス繊維強化複合板バネが注目されています。 Ke et al.7 は、板ばねの設計方法、剛性の計算、最適化の方法を紹介しました。 Guduru et al.8 は、一種のガラス繊維エポキシ樹脂一体型複合板バネを開発し、板バネと比較して 69.4% 軽量化しました。さまざまな複合材料の機械的特性を研究することにより、単板ばねを製造するのに最適な材料が得られました。 Al-Obaidi et al.9 は、板バネを製造するための複合材料の機械的特性を研究しました。結果は、複合板バネの耐荷重能力は繊維の敷設角度と体積含有量に関連しており、マトリックスの種類が剛性に大きな影響を与えることを示しています。 Nishant Varma et al.10 は、複合板バネの固有振動数が板バネの固有振動数より 93% 高いことを示しました。 Chavhan ら 11 は、E ガラス繊維エポキシ樹脂複合板バネを調製し、その機械的特性を研究しました。結果は、複合板バネの強度は鋼板バネに近いが、複合板バネの重量は 79.13% 減少することを示しました。著者らは論文の中で複合板バネの製造が簡単であると紹介していますが、この結論は厳密ではないと思います。複合板バネの製造には、軽量、剛性、強度、疲労、変形などのさまざまな要素を考慮する必要があり、製造プロセスも非常に複雑であり、そうでないと板バネのサンプルを実車に使用することができません。 Umanath et al.12 は、炭素繊維とパイナップル繊維を複合材料として使用した板バネの製造方法を紹介しました。この論文では、2 つの複合板バネの強度と剛性が比較されました。さまざまな種類の複合板バネの強度と硬度を比較する前に、繊維積層角度、体積含有量、および板バネの剛性を同じに制御する必要があります。同時に疲労性能も板ばねの重要な性能であるが、本稿では比較解析は行っていない。 Rajendran et al.13 は、同じ設計パラメータと最適化条件の下で、7 枚の板バネの代わりに 1 枚の板バネを使用することで 75.6% の重量を削減できることを紹介しました。リーフスプリングの変形は車両の乗り心地やハンドリング性能に大きな影響を与えます。著者らが複合板バネを最適化する際に選択した最適化ターゲットは板バネの重量、剛性、強度であり、板バネの変形係数も同時に考慮する必要がある。岸肇ら 14 は、真空注入成形プロセスによる複合積層板の製造を紹介し、± 60° と ± 45° の敷設角度を持つガラス繊維積層板の機械的特性を比較しました。複合積層板は軽量で薄肉の構造であり、その減衰特性はセンサーの質量と空気減衰の影響を受けやすくなります。著者は研究プロセスにおいて上記の要素を考慮する必要があります。複合材料の機械的特性と自由振動特性に対するさまざまな層化方法と化学処理の影響は、文献で議論されています15。 Margherita Basso et al.16 は、引張クリープ試験と剛性劣化試験によるガラス短繊維強化ポリマー複合材料の非線形挙動を説明しました。

繊維強化複合板バネは、弾性率と強度の異なる2種類以上のポリマー材料で構成されています。各構成材料の含有量、種類、方向、順序を変えることで、異なる機械的性質の複合ばねを得ることができます。しかし、ガラス繊維強化複合材料の異方性と非線形特性17により、複合板バネの動的特性を理論的に研究することは困難になります。

関連する研究は数多くありますが、そのほとんどは複合板バネの機械的特性の理論解析と有限要素シミュレーション解析に焦点を当てています。複合板バネの機械的性質に関する実験研究に関する文献は少ない。この論文では,ガラス繊維樹脂マトリックス複合板バネの剛性と減衰特性を研究し,剛性と減衰に及ぼす繊維体積含有量と寝かせ角度の影響を詳細に研究した。この研究では、自動車の軽量化とサスペンションの振動低減の分野における繊維強化複合材料の開発が推進されています。

この論文では、強化材料として PPG2026 ガラス繊維が選択され、マトリックス材料として MAX2 ポリウレタンが選択されています。 PPG2026 ガラス繊維は、米国 PPG Industries 社が製造する E ガラス繊維に属します。優れた機械的特性を備えており、樹脂マトリックスと優れた界面を形成して複合板バネの疲労性能を向上させることができます。 MAX2ポリウレタンは、高強度、耐引裂性、耐摩耗性などの特性を有し、ガラス繊維と優れた界面結合を形成することができます。材料の物性パラメータを表 1 に示します。

複合板バネは、特定の敷設角度と敷設順序に従って複数の単層板を接着した多層板構造です。その機械的特性は、ガラス繊維の性能、含有量、および敷設角度によって異なります18。ガラス繊維の体積含有量は、E ガラス繊維/ポリウレタンラミネートの重要な性能パラメータです。繊維量が少なすぎると効果が大きくなりません。マトリックスのひずみが大きくなると、繊維が破損します。繊維体積含有量が多すぎると、複合材料の強度は高くなるが、樹脂の流動性が低下し、複合板バネの減衰性能も低下する19。複合材料の機械的特性を総合的に考慮して、寝角度0°の複合板バネを用意し、eガラス繊維の体積含有率はそれぞれ40%、60%、80%とした。マトリックス中のガラス繊維の分布に応じて、複合積層体は一方向積層体と多方向積層体に分類できます。一方向積層体は、複数の一方向層から同じ方向に配置された繊維です。多方向積層体は、異なる方向に配置された複数の一方向層からなる繊維です20。繊維体積含有率60%の複合板バネを用意し、寝かせ角はそれぞれ0°、45°、90°とした。複合板バネ構造を図 1a に示します。

複合板バネ構造。 (a) 板バネの 3D モデル。 (b) フロント接続構造。 (c) 中間接続構造。 (d) 後部接続構造。

複合板バネは、板バネ本体、前側接続構造、後側接続構造、中間接続構造から構成されます。板バネの本体は放物線状で、板バネ本体の中央にボス構造が設計されており、ボス構造は中間の接続構造と接続されて縦荷重と横荷重を伝達します。図1bは、前部金属ジョイントとゴムブッシュからなる前部接続構造であり、板バネ本体の前端にボルトで接続されています。図 1c は、下部金属プレート、上部金属プレート、および U ボルト金属プレートで構成される中間接続構造を示しています。図1dは、前部の金属ジョイントとゴムブッシュからなる後部の接続構造であり、板バネ本体の後端にボルトで接続されています。

この論文では、高圧樹脂トランスファー成形プロセス (略して HP-RTM プロセス) を使用して、E ガラス繊維ポリウレタン複合板バネを製造します。 HP-RTM プロセスでは、高圧を使用して樹脂を混合し、繊維強化材料とプリセットインサートを事前に備えた真空密閉金型に射出します。樹脂フロー充填、含浸、硬化、および脱型の後、複合製品の成形プロセスが完了します21、22。ポリウレタン樹脂の機械的特性を最適化するために、板バネ本体をオーブンで後硬化することも必要です。複合板バネの最終試験片を表 2 に示します。

複合板バネの製造には長い作業サイクルと高コストがかかるため、異なる敷設角度や異なる体積内容でより多くのサンプルを作成することは困難です。より多くのデータを取得するために,本論文では複合板バネの有限要素モデルを確立した。

複合板バネの 3D モデルは HYPERMESH ソフトウェアにインポートされ、モデルはソリッドメッシュに分割され、要素タイプは C3D8I 要素でした。図 2 は、457,482 個の要素と 518,750 個の節点を持つ板バネ有限要素モデルです。有限要素モデルは INP ファイルの形式で ABAQUS ソフトウェアにインポートされ、モデルの材料特性は表 1 のデータに従って設定されました。前側接続構造が解除されると、後側接続構造のゴムブッシュBのX、Ry方向の自由度が解除されます。

複合板バネの有限要素モデル。

板ばねの静的剛性をシミュレーションする場合、中間接続構造 C に Z 方向の変位加振をゆっくりと加え、中間接続構造 C の力 - 変位曲線に従って静的剛性を計算します。板バネの剛性を考慮し、板バネに予圧を与え、Z方向の変位振幅は±10mm、負荷周波数は4Hzとします。板バネの減衰係数をシミュレーションする場合、中間連結構造Cに過渡的なZ方向パルス変位励振を加え、中間連結構造Cの加速度時間領域曲線に従って減衰係数を計算します。

複合板バネの剛性ベンチテストを図 3a に示します。複合板バネの両端のラグはそれぞれクランプに取り付けられます。板バネが変形すると、クランプをテストベッド上で板バネの伸長方向に沿って回転させて、複合板バネの実際の動作状態をシミュレートできます。ベンチのアクチュエータは油圧サーボシステムによって制御されます。試験中のアクチュエータの荷重は板バネ試験片の中央にある力センサーによって収集され、試験中のアクチュエータの垂直変位はノギスによって測定されます。アクチュエータの荷重 - 変位曲線の傾きが複合板バネの剛性です。この論文で設計された複合板バネの最大動的たわみは 140 mm です。まず、アクチュエータを介して試験片に垂直変位を加え、垂直変位を 0 ～ 140 mm まで徐々に増加させ、アクチュエータの垂直荷重を 5 mm ごとに記録します。次に、アクチュエータによって試験片に加えられる垂直変位を 140 mm から 0 mm まで徐々に減少させ、アクチュエータの垂直荷重を 5 mm ごとに記録しました。

複合板バネの機械的特性試験； (a) 剛性テスト。 (b) 減衰試験。

ガラス繊維とポリウレタンマトリックス間の相対的な滑りは多くのエネルギーとマトリックス固有の粘弾性を消費するため、ガラス繊維ポリウレタン複合材料は優れた減衰特性を備えています。複合板バネの減衰は主に複合材料自体の粘弾性と板バネの内部摩擦によって生じます。減衰は通常減衰係数で表されます。複合板バネは剛性が大きいため、台上試験法では減衰係数を測定することが困難です。本論文では、板ばね供試体を車両の後軸に設置し、ローリングダウン法により供試体の減衰特性を試験した。ショックアブソーバーが試験結果に与える影響を避けるため、減衰試験の前に車両のリアサスペンションのショックアブソーバーを取り外しました。減衰テストには、LMS TEST.LAB テストシステムと PCB 3 方向振動加速度センサーが使用されます。センサーは、図 3b に示すように、車両の後車軸の上のフレームに配置されます。フレーム上の振動センサーの加速度信号を収集し、自由振動減衰曲線の振幅減衰率から複合板バネの減衰係数を算出します。

複合板バネの剛性は、各単層プレートの機械的特性によって決まり、ガラス繊維の体積含有量、層の数、敷設角度、使用温度などの要因によって影響されます。複合板バネの剛性に対する寝かせ角の影響を分析するために、試験片 1、2、3 を剛性比較試験用に選択しました。剛性試験結果を図4に示します。

さまざまな寝かせ角度での板バネの剛性曲線。 (a) 試験体 1 の試験データ。 (b) 試験体 2 の試験データ。 (c) 試験体 3 の試験データ。

図 4a ～図 4c は、ガラス繊維の体積含有率が 60% の場合の、さまざまな寝かせ角度での複合板バネの剛性曲線を示しています。曲線は、繊維の敷設角度が複合板バネの剛性に大きな影響を与えることを示しています。ヒステリシスループで囲まれた面積は、加えられた荷重によって行われる仕事であり、敷設角度の増加とともに減少します。同じ変位条件下では、面積が大きいほど複合板バネの剛性は高くなります。試験片 1、2、3 の剛性はそれぞれ 118.3 N/mm、87.8 N/mm、70.3 N/mm です。敷設角度が 0°の場合、剛性は最大となり、敷設角度が 90°の場合、剛性は最小になります。

図 5 は、さまざまな寝かせ角度での板バネのシミュレーションと実験曲線です。敷設角度が 0°の場合、静剛性の試験結果と静剛性のシミュレーション結果の一致率は 98.5%、敷設角度が 45°の場合、一致率は 96.3%、敷設角度が 90°の場合、一致率は 96.3% です。、合意は95.8％です。比較結果は、複合板バネの有限要素モデルが正しいことを示しています。板ばねの動的剛性は静的剛性よりも大きく、プライ角が増加するにつれて 2 つのデータの差は増加します。実験データとシミュレーションデータは、体積含有量と層の数が一定の場合、敷設角度が大きくなるほど剛性が低下し、敷設角度に対して非線形の減少関係があることを示しています。

さまざまな敷設角度での板バネのシミュレーションと実験曲線。

プライ角 0°の複合板バネの場合、ガラス繊維の体積含有量が主に縦方向の引張弾性率に影響します。繊維体積分率が高いほど、縦方向の引張弾性率が高くなり、板バネ剛性が大きくなります。複合板バネの剛性とガラス繊維の体積含有量との関係を定量的に分析するために、剛性比較試験のために試験片1、4、5を選択しました。図 6a ～図 6c は、敷設角度が 0° の場合の、繊維体積含有量が異なる複合板バネの剛性曲線を示しています。試験片 4、1、および 5 の剛性は、それぞれ 95.7 N/mm、118.3 N/mm、および 137.1 N/mm です。繊維体積含有率が 40% の場合、剛性は最小となり、繊維体積含有率が 80% の場合、剛性は最大になります。

繊維体積含有量が異なる複合板バネの剛性曲線。 (a) 試験片 4 の試験データ。 (b) 試験片 1 の試験データ。 (c) 試験片 5 のテストデータ。

図 7 は、異なる体積含有量の板バネのシミュレーションと実験曲線です。体積含有率が40%の場合、静剛性の試験結果と静剛性のシミュレーション結果の一致率は92.5%、体積含有率60%の場合、一致率は98.5%、体積含有率80%の場合、一致率は92.5%です。、合意は93.5％です。板バネの動的剛性は静的剛性よりも大きく、体積含有量が増加するにつれて 2 つのデータの差は小さくなります。実験データとシミュレーションデータは、敷設角度と層の数が一定の場合、体積含有量が大きくなるほど剛性が高くなり、繊維体積含有量と直線的に増加する関係があることを示しています。

異なる体積含有量の板バネのシミュレーションと実験曲線。

試験体１、２、３をリアアクスルとフレームの間に設置し、リアサスペンションのショックアブソーバを取り外し、板バネ減衰試験を行った。図 8a ～図 8c は、複合板バネの自由振動減衰曲線を示しています。隣接するサイクルの振幅はあまり変化せず、これは複合板バネの減衰が小さいことを示しています。試験片 1、2、3 の減衰係数はそれぞれ 0.024、0.031、0.044 です。 0°層の板バネの減衰係数が最も小さく、90°層の板バネの減衰係数が最も大きくなります。

異なる敷設角度による複合板バネの振動減衰の変化曲線。 (a) 試験片 1 の試験データ。 (b) 試験片 2 の試験データ。 (c) 試験片 3 のテストデータ。

繊維の敷設角度は、ラミネートの全体的な剛性、層間摩擦、およびせん断特性に影響します。複合板バネの剛性が大きすぎると、ポリウレタンの変形能力に影響を及ぼし、補強材と母材との相対的な滑りが阻害され、複合板バネの減衰特性が低下する23,24。試験体 1 は 0°で置かれ、繊維層が主な支持の役割を果たし、板バネの剛性が最大になります。同じ外部荷重の下では、複合板バネは振動エネルギーの消費が少なく、減衰係数が最も小さくなります。試験片 5 は 90° で置かれ、ポリウレタン層が主な支持の役割を果たし、板バネの剛性が最も低くなります。同じ外部荷重の下では、複合板バネはより多くの振動エネルギーを消費し、最大の減衰係数を持ちます。

図 9 は、さまざまな寝かせ角度での板バネの減衰コントラスト曲線です。敷設角度が0°の場合、試験結果とシミュレーション結果の一致率は93.8%、敷設角度が45°の場合、一致率は96.6%、敷設角度が90°の場合、一致率は95.0%です。。実験データとシミュレーションデータは、繊維の体積含有量と層の数が一定の場合、敷設角度が大きくなるほど複合板バネの減衰係数が大きくなり、敷設角度とほぼ線形の成長関係があることを示しています。

さまざまな寝かせ角度を持つ板バネの減衰コントラスト曲線。

試験片 1、4、5 が減衰試験用に選択されました。図 10a ～図 10c は、複合板バネ試験片の自由振動減衰曲線を示しています。試験片 4、1、および 5 の減衰係数は、それぞれ 0.032、0.024、および 0.0197 です。繊維体積含有率40%の場合。板バネの減衰係数が最も大きい。繊維体積含有率が80%の場合、板バネの減衰係数は最も小さくなります。

体積含有量が異なる複合板バネの振動減衰曲線。 (a) 試験片 4 の試験データ。 (b) 試験片 1 の試験データ。 (c) 試験片 5 のテストデータ。

複合板バネの減衰の主な寄与は、ポリウレタンマトリックスによるものです。ポリウレタンは粘弾性があります。板バネに力を加えると、ポリウレタンマトリックスが引張変形、曲げ変形、せん断変形を起こし、振動エネルギーを消費して振動低減効果を発揮します。ガラス繊維の体積含有率が高くなるほど、ポリウレタンの含有率が低くなり、複合板バネの粘弾性は悪化し、減衰係数は低くなります。

図 11 は、さまざまな体積含有量の板バネの減衰コントラスト曲線です。体積含有率が 40% の場合、テスト結果とシミュレーション結果の一致率は 95.5%、体積含有率 60% の場合、一致率は 94.1%、体積含有率 80% の場合、一致率は 93.4% です。。実験データとシミュレーションデータは、敷設角度と層の数が一定の場合、繊維の体積含有率が高くなるほど、減衰係数が小さくなることを示しています。しかしながら、繊維体積含有率がある程度増加すると、複合板バネの減衰係数に対する繊維体積含有率の影響は無視できなくなる。

異なる体積含有量の板バネの減衰コントラスト曲線。

複合板バネの繊維体積含有量と層数が変わらない場合、寝かせ角が大きくなるほど剛性は小さくなり、減衰係数は大きくなります。

複合板バネの繊維の敷設角度と層の数が変わらない場合、繊維の体積含有量が多くなるほど剛性は大きくなり、減衰係数は小さくなります。

複合板バネの有限要素モデルを論文で確立し,剛性と減衰をシミュレーションして解析した。シミュレーションデータは実験データとよく一致しています。有限要素シミュレーション法は、板バネの機械的特性を研究するのに役立ちます。

複合板バネの剛性と減衰に関する研究結果は、板バネの性能設計に理論的基礎と参考資料を提供します。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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著者らは、実験作業を実行するための材料と装置を提供した Naveco Automobile Co., Ltd (助成金番号 HTSP20210302) の支援に感謝したいと思います。

東南大学サイバー科学技術学部、南京、211189、中国

ゾウ・シャオジュン＆イン・グオドン

Naveco Automobile Co., Ltd、南京、211806、中国

ゾウ・シャオジュン＆ジャン・バオ

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XZ は複合板バネの設計と主要原稿の執筆を担当します。BZ は剛性と減衰試験の解析を担当します。GY は複合板バネスキームの実現可能性分析とサンプルの準備を担当します。

ゾウ・シャオジュンへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Zou, X.、Zhang, B.、および ying, G. 複合板バネの剛性と減衰性能の解析。 Sci Rep 12、6842 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-11055-5

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受信日: 2022 年 3 月 11 日

受理日: 2022 年 4 月 15 日

公開日: 2022 年 4 月 27 日

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

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