大批量生產(chǎn)的CFRP前副車架：福特與麥格納國際合作，探索出了一條為滿足一款高產(chǎn)量（20萬輛/年）汽車需求而盡可能多地使用碳纖維復(fù)合材料大批量生產(chǎn)輕質(zhì)汽車前副車架的技術(shù)路線，并揭示了其中的限制條件、挑戰(zhàn)和采取的技術(shù)解決方案（圖片來自麥格納國際）
通過對短切纖維SMC與無卷曲織物SMC進(jìn)行共模塑，福特與麥格納探索了大批量制造汽車底盤前副車架的生產(chǎn)方式。
前副車架設(shè)計(jì)圖
幾十年來，碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）的車身框架/底盤部件一直被用于高端跑車和賽車上。
近年來，CFRP的性能和輕量化特征，使其擴(kuò)展應(yīng)用到了更高產(chǎn)量的車型中，包括寶馬的i3、i8 和7 系，以及奧迪的R8和A8豪華轎車。
然而，這其中的大多數(shù)部件，包括車頂軌和橫梁、下側(cè)門檻、B柱和后壁，采用的都是連續(xù)纖維。
在一個聯(lián)合研究項(xiàng)目中，福特汽車公司與麥格納國際通過對連續(xù)纖維SMC和短切纖維SMC的組合應(yīng)用，開發(fā)了一種由SMC制成的碳纖維復(fù)合材料副車架。
這項(xiàng)應(yīng)用極具新意，因?yàn)樵摳避嚰芪挥谄嚽岸耍糜谥伟l(fā)動機(jī)和底盤部件，包括轉(zhuǎn)向器和用于固定車輪的下控制臂，因而需要承受很高的載荷。
“參與該項(xiàng)目的工程師有幾十名。”麥格納外飾全球創(chuàng)新總監(jiān)Brian Krull介紹說，“我們有結(jié)構(gòu)工程師、制造工程師、測試工程師、產(chǎn)品工程師和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）專家，并有來自我們的客戶——福特各個部門的支持，包括車輛建模與仿真。”此外，位于多倫多的麥格納復(fù)合材料卓越中心也為此項(xiàng)目提供了支持。“就像我們在Cosma的車身和底盤團(tuán)隊(duì)所做的那樣。”Cosma國際研發(fā)全球總監(jiān)Gabriel Cordoba補(bǔ)充道。
“我們想要探索在高產(chǎn)量的汽車上使用CFRP部件所面臨的挑戰(zhàn)。”福特汽車公司技術(shù)主管David Wagner回憶說，“我們的目標(biāo)是，盡可能多地使用結(jié)構(gòu)CFRP，同時采用能夠適應(yīng)大批量生產(chǎn)（20萬輛/年）要求的制造方法，看看能減輕多少重量，以及其中的限制條件和挑戰(zhàn)是什么。”
從初步討論到完成設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目歷時一年多。2017年底，原型副車架被交付給福特，并于2018年進(jìn)入測試階段。
重新定義設(shè)計(jì)框架
成型的箱形截面上下兩個部分：通過拓?fù)鋬?yōu)化的空心箱形截面設(shè)計(jì)，確保了采用最少的材料提供副車架所需的剛性。上、下兩個部分單獨(dú)成型，然后由粘合劑和鉚釘將它們連接起來（圖片來自麥格納國際）
以福特Fusion車型的沖壓鋼副車架作為基準(zhǔn)。“福特為該項(xiàng)目提供了設(shè)計(jì)空間——車輛級的設(shè)計(jì)輸入，并每周舉行一次設(shè)計(jì)會議。”Wagner說道。
Cordoba解釋說：“然后，Cosma采用了那個包容空間，并開始探索可以達(dá)到的減重效果。我們?nèi)绾胃脑O(shè)計(jì)以適應(yīng)那個空間，同時還能滿足剛性、強(qiáng)度和耐久性要求呢？”
剛性與對應(yīng)的包容空間是早期的挑戰(zhàn)。“當(dāng)由鋼轉(zhuǎn)向復(fù)合材料時，通常會降低模量。”Wagner介紹說，“與基準(zhǔn)尺寸相比，我們對新的設(shè)計(jì)可以改變多少作了定義，并與麥格納分享了初始的拓?fù)鋬?yōu)化。”
拓?fù)鋬?yōu)化（TO）是一種CAE 分析，可在給定設(shè)計(jì)空間內(nèi)優(yōu)化材料的放置，包括載荷、邊界條件和約束條件，并以性能最大化和重量最小化為目標(biāo)。
“我們從我們自己的拓?fù)鋬?yōu)化開始，去理解臨界荷載路徑。”Cordoba介紹說，涉及副車架連接點(diǎn)處的載荷包括：控制臂和發(fā)動機(jī)負(fù)載、道路負(fù)載、發(fā)動機(jī)扭矩扭曲和碰撞要求。
“我們必須看看與鋼相比我們的剛度有何不同，以及我們想要的性能。”Krull回憶道。由于復(fù)合材料提供了樹脂、纖維和纖維取向的多樣化選擇，因此可以特殊訂制其性能。“但與僅向鋼性能中插入屬性相比，這要復(fù)雜得多。”他指出。
“插入屬性（Plugging in properties）”是指將材料數(shù)據(jù)輸入到軟件工具中。
“我們使用了所有的標(biāo)準(zhǔn)軟件，包括用于靜態(tài)分析的Nastran（MSC Software，美國加利福尼亞州Newport Beach）、用于非線性靜態(tài)分析的Abaqus （Dassault Systèmes,美國馬薩諸塞州Waltham）、用于疊層覆蓋仿真的Fibersim （Siemens PLC，美國馬薩諸塞州Waltham）和用于拓?fù)鋬?yōu)化的HyperWorks（Altair Engineering，美國密歇根州特洛伊），以生成用于分析不同負(fù)載情況的有限元模型。”Cordoba說道。
針對不同的載荷、邊界條件和材料進(jìn)行的多次迭代分析，改進(jìn)了副車架模型。Krull表示，他們對許多復(fù)合材料進(jìn)行了評估。“我們開始將模壓成型看作是一種可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的工藝。”他補(bǔ)充道，“SMC很適合做這個部件，而且我們內(nèi)部已經(jīng)開發(fā)了碳纖維SMC。”
“拓?fù)鋬?yōu)化產(chǎn)生了一種作為最佳解決方案的箱型斷面。” Cordoba回憶說，“當(dāng)我們研究SMC模壓成型工藝時，出現(xiàn)的設(shè)計(jì)是采用兩個部件來做到這一點(diǎn)。”因此，該車架包含單獨(dú)成型的上半部分和下半部分，它們由聚氨酯結(jié)構(gòu)粘合劑和鉚釘連接在一起。
共模塑成型兩種SMC
為抵抗高載荷區(qū)（如上、下兩個部分鉚接和粘接在一起的地方）的高載荷，對無卷曲織物SMC補(bǔ)片的共模塑成型也至關(guān)重要（圖片來自麥格納國際）
麥格納利用其玻璃纖維SMC的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)及其收購的一條試生產(chǎn)線，研制了碳纖維SMC。
“我們?yōu)樘幚磉@種SMC用碳纖維而開發(fā)了專有技術(shù)，而且發(fā)現(xiàn)，我們還能用這條生產(chǎn)線生產(chǎn)無卷曲織物（NCF）。”Krull解釋道。這種材料與預(yù)浸料相似，都是在成型前得到浸潤，但獨(dú)特之處在于，這是在這條SMC生產(chǎn)線上采用同樣的樹脂生產(chǎn)的，因此而稱之為NCF SMC。“當(dāng)我們在改進(jìn)副車架的設(shè)計(jì)分析時，我們使用了這些材料的性能測試結(jié)果。”
采用卓爾泰克（Zoltek）的50K 絲束短切碳纖維和亞什蘭內(nèi)部改性的乙烯基酯樹脂，麥格納配制了EpicBlend SMC。
這種乙烯基酯樹脂對碳纖維具有很好的粘接力并能很好地潤濕它。
這將被用于局部增強(qiáng)并與按0°/90°鋪放的6層NCF SMC 共模塑成型。
該NCF SMC也由麥格納制成，它采用了同樣的乙烯基酯樹脂和卓爾泰克（Zoltek）提供的NCF織物，成型前被裁切成小的補(bǔ)片。
對短纖維SMC和長纖維SMC的組合使用是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，但也是真正的挑戰(zhàn)。
短纖維SMC可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的成型以及對鋼嵌件的包覆成型，以用于發(fā)動機(jī)和轉(zhuǎn)向支架，而NCF補(bǔ)片能夠承受發(fā)動機(jī)和下控制臂固定處的高負(fù)荷。
與沖壓鋼副車架相比，這兩種SMC材料的組合使用減輕了9.3 kg的重量。
“開發(fā)這種用于共模塑的0°/90°SMC 補(bǔ)片花費(fèi)了不少功夫。”Krull回憶說，并指出了在成型過程中實(shí)現(xiàn)這種短切纖維SMC的流動以確保無干點(diǎn)或者無其他質(zhì)量問題地集成NCF補(bǔ)片所需要注意的問題。
螺栓連接
將不銹鋼套筒包覆成型到SMC副車架中，實(shí)現(xiàn)了4個車身安裝連接和兩個轉(zhuǎn)向支座連接（圖片來自麥格納國際）
螺栓連接也是一個問題。“在用螺栓將控制臂和轉(zhuǎn)向器固定到副車架上的地方，復(fù)合材料承受的點(diǎn)載荷很高，達(dá)到80～100kN。”Wagner說。在4個車身安裝連接和兩個轉(zhuǎn)向支架連接的地方，需要將不銹鋼套筒包覆成型到復(fù)合材料部件中。“為了固定，要將每個車身安裝襯套壓入套筒中以實(shí)現(xiàn)過盈配合。”Krull解釋道，“應(yīng)力通過套筒圓周被帶入成型部件中。我們觀察了插入襯套時的力，并將這些輸入計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)模型中。我們還在力學(xué)試驗(yàn)中尋找復(fù)合材料中產(chǎn)生的裂縫，但什么也沒看到。”
Wagner介紹說，使用的螺栓很大，通常是M12和更大的，而且必須擁有緊的位置公差、直徑公差和角度公差。一旦成型并裝配好副車架，就需要進(jìn)行必要的后加工。
測試與團(tuán)隊(duì)合作
2018年，原型副車架得到了測試。
福特完成了部件級別和整車級別的一系列腐蝕性測試，以探索各種緩蝕措施。部件和整車級別的耐久性試驗(yàn)包括石擊試驗(yàn)、螺栓載荷保持試驗(yàn)和高溫循環(huán)試驗(yàn)。對部件的試驗(yàn)包括高周疲勞試驗(yàn)、接頭過載試驗(yàn)、振動和安全試驗(yàn)。
“我們自己測試了原型副車架。”Krull說，“這是由SMC 制成的非常大而復(fù)雜的部件，由共模塑成型工藝制成。為了了解我們還有可能在哪里使用這些材料，我們正在研究如何改變設(shè)計(jì)、成型中的SMC流動以及纖維排列。”
“我們想要了解這類大量使用CFRP的部件的成本動因是什么。”Wagner說，“二次加工是最重要的成本之一。我們需要更富有創(chuàng)造性的思考，以消除部件成型后的加工。”他還表示，最大的挑戰(zhàn)之一是為設(shè)計(jì)而開發(fā)成型部件的絕對材料特性。“我們花費(fèi)大量時間對材料進(jìn)行表征以用于設(shè)計(jì)分析。”他解釋說。
Cordoba說，最大的成就是團(tuán)隊(duì)合作。“不僅與我們的客戶福特之間的合作，還包括全球團(tuán)隊(duì)的合作。”
Wagner贊同說：“這是我們?nèi)绾瓮苿游覀兊墓?yīng)商和我們自己去使用先進(jìn)的輕量化材料的最好例子。”
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