Análise da rigidez e desempenho de amortecimento da mola de lâmina composta

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 6842 (2022) Citar este artigo

3203 Acessos

4 Citações

Detalhes das métricas

O design leve das molas de lâmina é propício para reduzir o consumo de combustível e melhorar o conforto do veículo. O peso da mola de lâmina pode ser reduzido obviamente usando material composto. Rigidez e amortecimento são os principais fatores que afetam as propriedades da mola de lâmina. A influência do ângulo de assentamento da fibra de vidro e do teor de volume na rigidez e no amortecimento da mola de lâmina composta foi analisada por meio de experimentos e simulações. Os resultados mostram que as propriedades de rigidez e amortecimento das molas de lâmina estão relacionadas com o ângulo de assentamento das fibras e o teor de volume das fibras. Quando o conteúdo volumétrico e o número de camadas são constantes, a rigidez mostra uma relação não linear decrescente com o ângulo de lançamento, e o coeficiente de amortecimento aumenta linearmente com o ângulo de lançamento. Quando o ângulo de assentamento e o número de camadas são constantes, a rigidez aumenta linearmente com o teor de volume de fibra; o coeficiente de amortecimento tem uma relação decrescente não linear com o teor de volume de fibra. O tipo de pesquisa pode fornecer base teórica e referência para o projeto, análise e otimização da mola de lâmina composta.

Devido às necessidades de proteção ambiental, economia de energia e redução de emissões, o peso leve tornou-se a tendência atual do desenvolvimento automotivo. Além disso, os veículos leves também podem melhorar a potência, o conforto, economizar materiais e reduzir custos1. A tecnologia leve automotiva é a aplicação integrada de design, material e tecnologia de fabricação. As duas principais formas de obter leveza são o projeto de otimização estrutural e a aplicação de novos materiais. Comparado com o aço da mesma estrutura, o uso de materiais compósitos pode reduzir bastante o peso, especialmente o desenvolvimento de materiais compósitos de baixa densidade oferece mais potencial para automóveis leves2. Entre muitos materiais compósitos, os compósitos de matriz de resina de fibra de vidro têm as características de menor densidade, maior resistência e rigidez, boa elasticidade e resistência à corrosão, etc. E os materiais compósitos têm sido amplamente utilizados na indústria aeroespacial, automotiva, fabricação de máquinas e outros campos3, 4. A maioria dos elementos elásticos no sistema de suspensão de veículos comerciais são molas de lâmina. No entanto, o peso da mola de lâmina é grande e o desempenho do amortecimento é ruim, o que não favorece o peso leve e o conforto do veículo. A fim de reduzir o peso da suspensão e melhorar o desempenho de amortecimento da suspensão, a mola de lâmina composta tornou-se o principal objeto de pesquisa5,6.

Como um dos métodos eficazes para reduzir a vibração e o ruído do chassi do automóvel, a mola de lâmina composta reforçada com fibra de vidro tem recebido grande atenção nos últimos anos. Ke et al.7 introduziram o método de projeto de molas de lâmina, cálculo de rigidez e otimização. Guduru et al.8 desenvolveram uma espécie de mola de lâmina composta monolítica de resina epóxi de fibra de vidro, que reduziu o peso em 69,4% em comparação com a mola de lâmina. Através do estudo das propriedades mecânicas de diferentes materiais compósitos, obteve-se o material mais adequado para a preparação de molas monofásicas. Al-Obaidi et al.9 estudaram as propriedades mecânicas de materiais compósitos para a fabricação de molas de lâmina. Os resultados mostram que a capacidade de carga das molas laminadas compostas está relacionada com o ângulo de lançamento e o conteúdo volumétrico da fibra, e o tipo de matriz tem um efeito significativo na rigidez. Nishant Varma et al.10 mostraram que a frequência natural da mola foliar composta é 93% maior do que a da mola foliar. Chavhan et al.11 prepararam uma mola de lâmina composta de resina epóxi de fibra de vidro tipo E e estudaram suas propriedades mecânicas. Os resultados mostraram que a resistência da mola de lâmina composta estava próxima da mola de lâmina de aço, mas o peso da mola de lâmina composta foi reduzido em 79,13%. Os autores apresentam que a mola de lâmina composta é simples de fabricar no papel, mas acho que essa conclusão não é rigorosa. A fabricação da mola de lâmina composta deve considerar vários fatores, como peso leve, rigidez, resistência, fadiga, deformação, etc. E o processo de fabricação também é bastante complicado, caso contrário, a amostra da mola de lâmina não pode ser usada no veículo real. Umanath et al.12 introduziram o método de fabricação da mola de lâmina com fibra de carbono e fibra de abacaxi como material compósito. A resistência e a rigidez das duas molas de lâmina compostas foram comparadas no artigo. Antes de comparar a resistência e a dureza de diferentes tipos de molas de lâminas compostas, o ângulo de disposição da fibra, o conteúdo do volume e a rigidez da mola de lâminas devem ser controlados da mesma forma. Ao mesmo tempo, o desempenho à fadiga também é um desempenho importante da mola de lâmina, e não há análise comparativa neste artigo. Rajendran et al.13 introduziram que, sob os mesmos parâmetros de projeto e condições de otimização, 75,6% do peso pode ser reduzido usando uma mola de lâmina única em vez de mola de sete lâminas. A deformação da mola de lâmina tem uma grande influência no conforto de condução e no comportamento de condução do veículo. Quando os autores otimizaram a mola de lâmina composta, os alvos de otimização selecionados foram o peso, a rigidez e a resistência da mola de lâmina, e o fator de deformação da mola de lâmina deve ser considerado ao mesmo tempo. Hajime Kishi et al.14 introduziram a preparação de laminados compósitos pelo processo de moldagem por vazamento a vácuo e compararam as propriedades mecânicas de laminados de fibra de vidro com ângulos de assentamento de ± 60° e ± 45°. Os laminados compostos são estruturas leves e de paredes finas, e suas características de amortecimento são facilmente afetadas pela massa do sensor e pelo amortecimento do ar. Os autores devem considerar os fatores acima no processo de pesquisa. Os efeitos de diferentes métodos de estratificação e tratamentos químicos nas propriedades mecânicas e propriedades de vibração livre de compósitos foram discutidos na literatura15. Margherita Basso et al.16 descreveram o comportamento não linear de compósitos poliméricos reforçados com fibra de vidro curta por meio de teste de fluência de tração e teste de degradação de rigidez.