Analisi della rigidità e delle prestazioni di smorzamento della molla a balestra composita

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 6842 (2022) Citare questo articolo

3203 accessi

4 citazioni

Dettagli sulle metriche

Il design leggero delle molle a balestra contribuisce a ridurre il consumo di carburante e a migliorare il comfort del veicolo. Il peso della balestra può essere ovviamente ridotto utilizzando materiale composito. Rigidità e smorzamento sono i fattori chiave che influenzano le proprietà della molla a balestra. L'influenza dell'angolo di posa della fibra di vetro e del contenuto di volume sulla rigidità e sullo smorzamento della molla a balestra composita è stata analizzata attraverso esperimenti e simulazioni. I risultati mostrano che la rigidità e le proprietà di smorzamento delle molle a balestra sono correlate all'angolo di posa delle fibre e al contenuto di volume delle fibre. Quando il contenuto di volume e il numero di strati sono costanti, la rigidezza mostra una relazione decrescente non lineare con l'angolo di posa, e il coefficiente di smorzamento aumenta linearmente con l'angolo di posa. Quando l'angolo di stesura ed il numero degli strati sono costanti, la rigidezza aumenta linearmente con il contenuto in volume delle fibre; il coefficiente di smorzamento ha una relazione decrescente non lineare con il contenuto in volume delle fibre. Il tipo di ricerca può fornire basi teoriche e riferimenti per la progettazione, l'analisi e l'ottimizzazione di molle a balestra composite.

A causa delle esigenze di protezione ambientale, risparmio energetico e riduzione delle emissioni, la leggerezza è diventata l'attuale tendenza nello sviluppo automobilistico. Inoltre, i veicoli leggeri possono anche migliorare la potenza, il comfort, risparmiare materiali e ridurre i costi1. La tecnologia della leggerezza automobilistica è l'applicazione integrata della tecnologia di progettazione, dei materiali e di produzione. I due modi principali per ottenere leggerezza sono la progettazione di ottimizzazione strutturale e l’applicazione di nuovi materiali. Rispetto all'acciaio della stessa struttura, l'utilizzo di materiali compositi può ridurre notevolmente il peso, in particolare lo sviluppo di materiali compositi a bassa densità offre maggiori potenzialità per la leggerezza delle automobili2. Tra molti materiali compositi, i compositi a matrice di resina di fibra di vetro hanno le caratteristiche di densità inferiore, maggiore resistenza e rigidità, buona elasticità e resistenza alla corrosione, ecc. E i materiali compositi sono stati ampiamente utilizzati nell'industria aerospaziale, automobilistica, nella produzione di macchinari e in altri campi3, 4. La maggior parte degli elementi elastici del sistema di sospensione dei veicoli commerciali sono molle a balestra. Tuttavia, il peso della molla a balestra è elevato e le prestazioni di smorzamento sono scarse, il che non favorisce la leggerezza e il comfort del veicolo. Al fine di ridurre il peso della sospensione e migliorare le prestazioni di smorzamento della sospensione, le molle a balestra in composito sono diventate il principale oggetto di ricerca5,6.

Essendo uno dei metodi efficaci per ridurre le vibrazioni e il rumore del telaio delle automobili, le molle a balestra in materiale composito rinforzato con fibra di vetro hanno ricevuto ampia attenzione negli ultimi anni. Ke et al.7 hanno introdotto il metodo di progettazione della molla a balestra, calcolo della rigidezza e ottimizzazione. Guduru et al.8 hanno sviluppato una sorta di molla a balestra composita monolitica in resina epossidica in fibra di vetro, che ha ridotto il peso del 69,4% rispetto alla molla a balestra. Attraverso lo studio delle proprietà meccaniche di diversi materiali compositi è stato ottenuto il materiale più adatto per la preparazione della molla a foglia singola. Al-Obaidi et al.9 hanno studiato le proprietà meccaniche dei materiali compositi per realizzare molle a balestra. I risultati mostrano che la capacità portante delle molle a balestra composite è correlata all’angolo di posa e al contenuto di volume della fibra, e il tipo di matrice ha un effetto significativo sulla rigidità. Nishant Varma et al.10 hanno dimostrato che la frequenza naturale della molla a balestra composita è superiore del 93% rispetto a quella della molla a balestra. Chavhan et al.11 hanno preparato una molla a balestra composita in resina epossidica con fibra di vetro E e ne hanno studiato le proprietà meccaniche. I risultati hanno mostrato che la resistenza della molla a balestra composita era vicina a quella della molla a balestra in acciaio, ma il peso della molla a balestra composita era ridotto del 79,13%. Gli autori introducono nell'articolo che la molla a balestra composita è semplice da produrre, ma penso che questa conclusione non sia rigorosa. La produzione di molle a balestra composite dovrebbe considerare vari fattori come leggerezza, rigidità, resistenza, fatica, deformazione, ecc. E anche il processo di produzione è piuttosto complicato, altrimenti il ​​campione di molla a balestra non può essere utilizzato nel veicolo reale. Umanath et al.12 hanno introdotto il metodo di produzione della molla a balestra con fibra di carbonio e fibra di ananas come materiale composito. Nell'articolo sono state confrontate la resistenza e la rigidità delle due molle a balestra composite. Prima di confrontare la resistenza e la durezza di diversi tipi di molle a balestra in composito, è necessario controllare allo stesso modo l'angolo di disposizione delle fibre, il contenuto di volume e la rigidità della molla a balestra. Allo stesso tempo, anche la prestazione a fatica è una prestazione importante della molla a balestra e in questo articolo non è presente alcuna analisi comparativa. Rajendran et al.13 hanno introdotto che, con gli stessi parametri di progettazione e condizioni di ottimizzazione, è possibile ridurre il peso del 75,6% utilizzando una molla a balestra singola anziché a sette balestre. La deformazione della balestra ha una grande influenza sul comfort di marcia e sulle prestazioni di manovrabilità del veicolo. Quando gli autori hanno ottimizzato la molla a balestra composita, gli obiettivi di ottimizzazione selezionati erano il peso, la rigidità e la resistenza della molla a balestra, e allo stesso tempo si doveva considerare il fattore di deformazione della molla a balestra. Hajime Kishi et al.14 hanno introdotto la preparazione dei laminati compositi mediante processo di stampaggio a colata sotto vuoto e hanno confrontato le proprietà meccaniche dei laminati in fibra di vetro con angoli di posa di ± 60° e ± 45°. I laminati compositi sono strutture leggere e con pareti sottili e le loro caratteristiche di smorzamento sono facilmente influenzate dalla massa del sensore e dallo smorzamento dell'aria. Gli autori dovrebbero considerare i fattori di cui sopra nel processo di ricerca. Gli effetti dei diversi metodi di stratificazione e dei trattamenti chimici sulle proprietà meccaniche e sulle proprietà di vibrazione libera dei compositi sono stati discussi in letteratura15. Margherita Basso et al.16 hanno descritto il comportamento non lineare dei compositi polimerici rinforzati con fibra di vetro corta attraverso prove di creep a trazione e prove di degrado della rigidità.