随着私家车日益普及，汽车排放的污染物和温室气体也在成倍增加。同时，人类的生存环境随之日益恶化，如雾霾，因而实施交通低碳化是大势所趋。研究表明：汽车整备质量每减少100 kg，百公里油耗可降低0.3 L~0.6 L，二氧化碳排放可减少约5 g/km。因而汽车零部件设计迫切要求在满足强度和安全性能的前提下，尽可能降低其重量，减少燃料消耗，降低排气污染，而采用轻质材料是实现汽车零部件轻量化设计的主要措施之一。碳纤维复合材料具有轻质、高强度、耐酸碱等优异性能。用碳纤维复合材料制造汽车零部件(如：发动机机体、飞轮、制动缸、刹车片、板弹簧等)的研究已有报道，其中或已应用，或处于刚刚起步阶段。同样，用纤维复合材料制作汽车悬架圆柱螺旋弹簧也有一些探索性研究。Kim 等将纺织技术与树脂传递模塑技术相结合制备出复合材料圆柱螺旋弹簧，并导出了弹性常数解析式。Delft基于有限元方法分析了玻璃纤维复合材料螺旋弹簧簧丝内部应力分布情况。Yildirim 等对碳纤维复合材料圆柱螺旋弹簧的振动问题进行了研究。隋刚等对玻璃纤维增强环氧树脂圆柱螺旋弹簧的弯曲力学性能进行了实验研究。Chiu 等通过实验研究表明：在碳纤维复合材料圆柱螺旋弹簧的簧丝中加入橡胶芯轴或在簧丝的外部紧裹一层编织物薄膜均能提高弹簧的弹性常数与极限载荷等力学性能。李勇圻等探讨了不同种类纤维及含量对复合材料螺旋弹簧的压缩与疲劳性能的影响。邱俊凯等探讨了不同种类纤维及含量对复合材料螺旋弹簧的侧向冲击与阻尼性能的影响。蔡念勋等与林建甫等分别研究了碳纤维编织复合材料螺旋弹簧的结构对弹簧常数的影响、编织角对疲劳性质的影响。Faruk研究了任意形状复合螺旋弹簧的动态行为。Azzam与Oussama分别对复合材料螺旋弹簧的小质量与大刚度进行了优化设计。圆柱螺旋弹簧是各类弹簧中应用为广泛的一类弹簧。复合材料圆柱螺旋弹簧具有普通金属弹簧所不具有的优势，但由于复合材料的各向异性及其复杂性，人们对复合材料螺旋弹簧的了解仍十分有限。这也在一定程度上阻碍了它们的推广应用，因而，工程实际中应用极少。本文将重点探讨一种新型复合材料圆柱螺旋弹簧的刚度及影响刚度的各种因素。以期为复合材料螺旋弹簧的设计提供一定的理论依据，促进汽车零部件轻量化设计。
原材料为0.2 mm 厚碳纤维/环氧单向预浸料，其中增强体型号M40B-3000，直径5.2 μm；基体为环氧648。将按预算尺寸裁剪好的单向预浸料±45°叠合，叠合的预浸料围绕预先备好的纸制芯棒卷成一个致密圆柱体，将该圆柱体嵌入柱形内模侧面的螺旋形凹槽中，合上外模后，用螺栓将外模拧紧到适当位置，在高温高压下固化成型，脱模后，将弹簧浸泡在清水中，软化纸棒，并将纸屑清除。同时，去除毛刺，形成中空的、与簧丝轴线成±45°铺层的复合材料压缩圆柱螺旋弹簧试样，见图1。由于单向纤维复合材料簧丝(即纤维方向与簧丝轴线成0°)的扭转剪切弹性模量较低，接近单向层合板的面内剪切模量，为了提高簧丝抗扭能力，纤维铺层必须采用±45°方向。
表1 是弹簧试样的结构参数及主要力学性能参数。α＜5°时，可近似认为簧丝横截面与弹簧轴线(亦即外载P 方向)在同一平面内。另外，簧丝直径相比于弹簧圈平均直径小很多时(di/D=8% ，do/D=12%，平均为10%，下标“i”与“o”分别是英文“inside”与“outside”的个字母)，可略去簧丝曲率的影响。
室温下，通过CSS-44020 电子万能实验机分别对三个相同的复合材料弹簧试样进行准静态压缩试验，速率均为3 mm/min。图2 为其载荷-位移(P-λ)曲线。由于弹簧受压时，簧丝发生扭转变形，剪应力沿簧丝管壁均匀分布，因此，复合材料簧丝的扭转剪切模量与纤维复合材料平板剪切模量的理论分析是一样的，均与纤维含量、铺层方向有关。如果将各向同性螺旋弹簧刚度表达式中的剪切模量用纤维复合材料平板剪切模量等效替代，便可获得新型复合材料圆柱螺旋弹簧的刚度表达式。
式中，VL、VT 分别是沿两个纤维方向的铺层占总铺层的体积比，这里VL = VT = 0.5。
在图3 中，实线是图2 中三试样实验曲线的平均值，近似为一条直线，依其斜率，测量并计算弹簧的弹性常数实验值约为3.03×104 N/m。将表1 的参数代入式(8)，计算结果为：k=2.70104 N/m，图中虚线是依据理论结果而作出。从图3 可以直观看出，实线与虚线尽管有一定差距，但整体上仍较为靠近。理论结果2.70×104 N/m 比平均实验结果3.03×104 N/m 略小，二者的差值为0.33×104 N/m，差值与试验值相比，结果为10.8 %，可见理论值与实验值较为接近，具有可比性。一般情况下，计算值要稍大于实验值，因为理论计算时通常将材料视为完美无缺的，但实际情况是材料中总是由于各种原因而存在缺陷，有缺陷的材料在外力作用下更容易发生变形。但是，图3 的实验值大于理论值，其有可能的原因是略去了中空簧丝(或±45°正交层合板)的耦合效应，从而导致理论值反而比实验值要小，保持约10%左右的系统误差。
纤维、基体的密度分别为1.84 g/cm3、1.25 g/cm3，65 Mn 弹簧钢的密度与剪切模量分别为7.81 g/cm3、7.86 GPa。若复合材料弹簧与普通65Mn 钢弹簧具有相同质量，且保持两弹簧内径不变，钢弹簧外径经计算为8.972 mm ， 由式(7) 可得钢弹簧刚度为5855 N/m。可见，在同质量条件下，复合材料弹簧刚度(27000 N/m)是普通钢弹簧刚度的4.6 倍。当两弹簧的刚度均为27000 N/m 时，保持两弹簧内径不变，由式(7)可得钢弹簧外径为11.08 mm，经计算，可得复合材料弹簧与普通钢弹簧质量比为7∶25。
