Analysis of composite leaf spring’s elastic properties for truck suspension system

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: Currently, the issue of reasonable use of energy resources, dictated by the increase in environmental standards and production capacity, as well as the reduction of consumer costs, often arises. This issue is especially acute in the automotive industry. The fundamental factor in the issue of increasing the energy efficiency of a vehicle is its weight, reduction of which causes many design and layout contradictions. One of the possible solutions to this problem is the use of composite materials in the vehicles design. Currently, composite materials are widely used in aircraft manufacturing and the aerospace sector, where their use is a generally accepted approach. In the conditions of constant competition in the automotive industry, products made of polymer composite materials have also recently begun to be widely used. The main areas of application of composite materials are large-sized body structures (cabins, hoods, bumpers, doors), components of transmission, chassis and brake systems (friction linings of clutch discs, elastic elements of the suspension system, friction elements of brakes). The paper presents the main approaches and intermediate results of calculating fiberglass springs for the rear suspension system of a vehicle with a gross weight of 3500 kg.

AIM: Reducing the weight of the truck’s rear suspension with a gross vehicle weight of 3500 kg.

METHODS: To reduce weight and to determine the required mechanical characteristics of the suspension system, a search for reasonable parameters of a leaf spring made of fiberglass, taking into account the manufacturing features, is carried out using the finite element analysis method.

RESULTS: A reasonable design of a composite leaf spring with minimum mass has been obtained. The optimal distribution of composite layers and angles of its reinforcement along the thickness of the leaf spring has been determined. The load characteristic of the obtained spring, made using a polymer composite, has been built.

CONCLUSION: The optimization of the composite leaf spring made of fiberglass was carried out. The obtained leaf spring has a nonlinear stiffness characteristic. When subjected to dynamic force, the spring failure criterion does not exceed 1, which indicates its operability.

About the authors

Kirill B. Evseev

Bauman Moscow State Technical University

Email: kb_evseev@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-7193-487X
SPIN-code: 7753-2047

Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Wheeled Vehicles Department

Russian Federation, Moscow

Dordzhi V. Lidzheev

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: lidzheevdv@bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0008-6317-8689
SPIN-code: 1289-7121

Student of the Wheeled Vehicles Department

Russian Federation, Moscow

References

  1. Afanas’ev BA, Belousov BN, Zheglov LF, et al. (Eds. Polun’yan AA). (2008) Design of All-Wheel Drive Vehicles: Textbook for Universities: In 3 Vols. Vol. 3*. Moscow: BMSTU Publishing House. 432 pp., ill. (In Russ.) EDN: VCQGMR
  2. Staroverov OA. (2020) Deformation and Fracture of Polymer Composites under Complex Mechanical Loading Conditions [Dissertation of Cand. Sci. (Eng.): 01.02.04]. Perm. 140 pp. (In Russ.) EDN: WADOAJ
  3. Zou X, Zhang B, Yin G. Analysis of stiffness and damping performance of the composite leaf spring. Sci Rep 12, 6842 (2022). doi: 10.1038/s41598-022-11055-5
  4. Evseev KB, Kartashov AB, Dashtiev IZ, Pozdeev AV. Analysis viscoelastic properties of fiber-reinforced composite spring for the all-terrain vehicle. MATEC Web of Conferences 224, 02039 (2018) ICMTMTE 2018. https://www.matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2018/83/matecconf_icmtmte2018_02039/matecconf_icmtmte2018_02039.html
  5. Belyaeva AA, Evseev KB. Analysis viscoelastic properties of the composite leaf spring. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 709 (2020) 033011 doi: 10.1088/1757-899X/709/3/033011
  6. Evseev KB, Kartashov AB. Relevance of Using Helical Springs Made of Polymer Composite Materials in Suspension Systems of Modern Vehicles. Journal of Automotive Engineers. 2016(4(99)):6–11. (In Russ.) EDN: XFWAVX
  7. Lidzheev DV. Formation of the Technical Concept for a Composite Leaf Spring in the Rear Suspension System of a Truck with a Gross Weight of 3500 kg. In All-Russian Student Conference «Student Scientific Spring», Dedicated to the 110th Anniversary of Academician V.N. Chelomey (Moscow, April 01-30, 2024): Collection of Abstracts* (p. [Specific Page Numbers Missing – Provide if Known]). Moscow: Scientific Library Publishing House LLC. 2024. 676 pp. (In Russ.)
  8. Gaylo R, Farahani S, Schmueser D. et al. Optimization of a mono-composite leaf spring using a hybrid fiber-layup approach. Int J Interact Des Manuf. 2020(14):407–421. doi: 10.1007/s12008-019-00636-w
  9. Talib ARA, Ali A, Goudah G, et al. Developing a composite based elliptic spring for automotive applications. Materials & Design. 2010;31(1):475–484. doi: 10.1016/j.matdes.2009.06.041
  10. Fahem AF, Alshamma OFA. An optimum design of a leaf spring from composite material. Al-Qadisiyah Journal for Engineering Sciences. 2009. №2(1):1–14. doi: 10.30772/qjes.2009.181683
  11. Kostenko A, Zuzov V. Application of optimization methods to reduce the mass of body parts of minibuses made of layered composite materials. 2020 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020;963:012018.
  12. Kun LM, Zheng W, Wang SB, et al. Effect of Stacking Sequence and Misalignment Angle on the Mechanical Properties of Fiber-Reinforced Glass Plastics. Mechanics of Composite Materials. 2021;57(4):783–796. doi: 10.22364/mkm.57.4.12 (In Russ.) EDN: YTPKLW
  13. Muizemnek AY, Kartashova ED. Mechanics of Deformation and Fracture of Polymeric Laminated Composite Materials: Study Guide. Penza: Penza State University Publishing House. 2017. 77 pp. (In Russ.)
  14. Afanas’ev BA, Dashtiev IZ. (Eds. Afanas’ev BA). Design of Vehicle Components Made of Polymeric Composite Materials: Study Guide. Moscow: BMSTU Publishing House. 2006. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Sketch of the leaf spring made of polymer composite.

Download (51KB)
3. Fig. 2. Main view of the finite element model of the leaf spring.

Download (29KB)
4. Fig. 3. Finite element model of the leaf spring (the eye part): 1, two-dimensional surface finite elements; 2, three-dimensional HEXA finite elements; 3, three-dimensional HEXA and TETRA finite elements.

Download (70KB)
5. Fig. 4. Finite element model of the leaf spring: a, the RBE2 element; b, boundary conditions of the left eye; c, boundary conditions of the left eye with a shackle; d, attachment of dynamic load using the RBE3 element.

Download (272KB)
6. Fig. 5. Distribution of layers’ thickness after the first stage of optimization.

Download (96KB)
7. Fig. 6. Distribution of layers in the central part of the leaf spring (after the first stage of optimization).

Download (155KB)
8. Fig. 7. Stress acting in an elementary layer of the leaf spring.

Download (43KB)
9. Fig. 8. Layers’ thickness after the second stage of optimization.

Download (96KB)
10. Fig. 9. Average values of orientation angles after the third stage of optimization.

Download (97KB)
11. Fig. 10. Design of the leaf spring after optimization: a, frontal view; b, general view.

Download (237KB)
12. Fig. 11. Leaf spring displacement, mm (displacement scale 1:1): a, at static load; b, at dynamic load.

Download (188KB)
13. Fig. 12. Criteria of leaf spring failure: a, at static load; b, at dynamic load.

Download (235KB)
14. Fig. 13. Stiffness characteristic of the leaf spring.

Download (98KB)

Copyright (c) 2025 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».