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福特碳纤维复合材料转向节的设计与开发

2019-9-16 16:47 133 0
简介
【汽车轻量化在线】项目介绍福特汽车(德国Ford Werke GmbH)联合Gestamp、GRM咨询、华威大学共同开发了一款用于紧凑型车后悬架的碳纤维复合材料转向节,相较于钢制部件减重35%。据悉,该项目由Innovate UK赞助,由 ...


【汽车轻量化在线】项目介绍

福特汽车(德国Ford Werke GmbH)联合Gestamp、GRM咨询、华威大学共同开发了一款用于紧凑型车后悬架的碳纤维复合材料转向节,相较于钢制部件减重35%。据悉,该项目由Innovate UK赞助,由福特主导,通过多部门的配合,基于原钢制转向节部件性能要求提出了材料的刚度、强度、耐久性等设计目标。同时经过成本估算、生命周期评估等确定了采用碳纤维复合材料的工艺路线。Gestamp是一家专业从事零部件设计和开发的企业,在本项目中负责转向节部件的设计、CAE仿真、以及批量化生产的工艺实现和成本估算。GRM为该项目开发了新的CAE工具以实现材料的功能优化。华威大学旗下华威制造(WGM)为复合材料的选择、性能测试、模具开发、预制件等过程提供支持。

材料设计及CAE仿真

复合材料的选择方面,研究人员通过强度-重量比、刚度-重量比和临界温度三个主要指标进行衡量和筛选,结果显示:非连续的玻纤增强复合材料刚度不符合要求;玻璃和芳纶纤连续纤维增强复合材料的刚度也难以满足;此外,单向铺层的复合材料强度和刚度均不符合要求,因此需要进行铺层设计,如0°、90°、+ 45°、-45°层叠加铺层。

通过DSC、拉伸测试等进一步检测材料的强度、抗压等特性,并得出了如表1所示的材料选择表。其中选择连续双轴编织和单向碳纤维增强环氧树脂预浸料作为转向节的主体结构,采用乙烯基树脂SMC材料作为增强肋条材料。当然,该材料方案仅针对技术可行性,尚未考虑成本。

福特碳纤维复合材料转向节的设计与开发

随后,对转向节部件进行结构设计和CAE优化,开发流程如图1所示。图1(a)显示了第一次优化的结果,采用SMC材料开发,虽然满足了刚度要求,但强度达不到要求。进一步优化如图1(b),在红色区域采用单向(UD)长纤维复合材料以提升强度,但效果并不理想。第三轮优化结果如图1(c),采用连续纤维编织物作为增强体的复合材料(图中红色区域),其强度和刚度都能满足要求,但整体布局的生产周期和规模化生产受到限制。因此,最终研究人员采用了钢制嵌件的方式,并重新进行了结构设计和有限元分析,优化过程如下:

· SMC的拓扑结构:肋条的位置、形状和结构设计;

· 叶片的形貌:材料厚度、形状,如法兰等;

· 层压板的尺寸:纤维的取向、不同区域的层数;

· 钢插件的设计:形状、蜂窝状切口、壁厚的降低;

· 重量:零件中所有材料的合理分布。

随着长纤维材料的引入,需要通过预成型来避免起皱和翘曲等问题。通过成型模拟将成型过程中的缺陷被最小化。最后确定工艺温度、模具温度、闭合速度、时间等工艺参数。

部件的加工制造

在成型模具的设计时,需要考虑几个因素:模具需要具有较高的质量稳定性、足够的公差,喷射器位置不会干扰结构设计,能够实现完美的型腔填充,循环周期低于5分钟。通过再次的成型模拟来定义传感器、喷射器和注射器位置,加热和冷却通道的布线,密封条件,喷射时间,真空水,固化温度和时间,关闭速度和压力等参数。具体如图2。

福特碳纤维复合材料转向节的设计与开发

在成型过程中,创新的采用了磁铁对钢制嵌件进行定位和固定,如图2左上。成型时将SMC材料放置在钢制嵌件的顶部,将预先形成的连续材料放入嵌件下半部分,以确保从底部到成型过程的完美支撑。

为了连接控制臂及相关衬套,U型接口两侧分别设计了压缩限制器和螺母,通过与成型压力的配合形成与后续部件连接所需的衬套,如图3所示。

福特碳纤维复合材料转向节的设计与开发

图4展示了部件力学性能测试和CAE模拟的对比,结果显示,实际测试和CAE模拟的最大屈服载荷分别为8.1kN和7.7kN,同时其失效范围也基本相当。说明CAE模拟的准确性较高。

福特碳纤维复合材料转向节的设计与开发

全文总结

汽车工业正向着轻量化方向快速发展,碳纤维材料的应用可有效实现减重,但目前市场规模化生产中还较少应用。

福特碳纤维复合材料转向节的设计与开发

如图5所示的复合材料转向节,通过碳纤维复合材料与钢制嵌件的组合,实现了35%的减重,同时可规模化生产。汽车制造中关于复合材料的性能和开发数据较少,CAE模型的建立为部件的成型设计提供了有效支撑,Class项目在车辆底盘上实现了显着的轻量化效果。通过正确的位置使用正确的材料,该项目开发的多材料转向节生产工艺也提供了一种适用于大批量生产的轻量化解决方案。

作者:Dipl.-Ing. Thomas Gerhards ;Dr. Paul Zandbergen ;Alan Banks, M. Sc.

汽车轻量化在线翻译整理

特别声明:本文为汽车轻量化在线原创技术文章,版权归汽车轻量化在线所有,未经作者允许禁止转载和改写。如需转载请联系编辑,微信号:qcqlhzx

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