碳纖維復(fù)合材料控制臂輕量化技術(shù)研究

摘要：以鍛鋁控制臂為原型，采用碳纖維預(yù)浸料和CF-SMC（碳纖維片狀模塑料）共同使用的混合工藝開發(fā)碳纖維復(fù)合材料控制臂。從用材方案、結(jié)構(gòu)方案與分析、工藝方案及制造、性能試驗等方面詳細(xì)介紹了碳纖維控制臂的開發(fā)過程。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，以最大制動作為典型工況進(jìn)行力學(xué)性能分析，經(jīng)過概念方案、過程方案到最終方案的分析與迭代，最終設(shè)計及制造的碳纖維控制降低質(zhì)量21%。最后針對碳纖維控制臂進(jìn)行性能試驗，針對試驗結(jié)果詳細(xì)分析了缺陷原因及改善思路。

 

關(guān)鍵詞：碳纖維 控制臂 混合工藝 輕量化

01前言

汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的重要途徑之一，碳纖維復(fù)合材料具備輕質(zhì)高強(qiáng)等諸多性能優(yōu)勢，是汽車深度輕量化的理想材料。碳纖維復(fù)合材料成型前的中間材料按纖維狀態(tài)可分為連續(xù)纖維型和非連續(xù)纖維型，連續(xù)纖維型有碳纖維干織物、碳纖維預(yù)浸料等，后續(xù)通過樹脂傳遞模塑成型（RTM）或模壓成型，成型后的產(chǎn)品具有優(yōu)異的力學(xué)性能；非連續(xù)纖維型有碳纖維增強(qiáng)片狀模塑材料(Carbon Fiber-Sheet Molding Compound，CF-SMC)，通過模壓流動成型，可形成復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

控制臂作為汽車系統(tǒng)的傳力和導(dǎo)向元件，將作用在車輪上的各種力傳遞給車身，同時保證車輪按一定的軌跡運(yùn)動[1]。目前市面上的控制臂按用材方式基本分為鋼材質(zhì)和鋁材質(zhì)2種，鋼材質(zhì)一般采用鋼板沖壓加焊接的方式，鋁材質(zhì)一般采用鑄造或鍛壓的方式。控制臂的輕量化不僅能提升整車輕量化水平，同時明顯提升車輛的操控性能，目前鍛鋁控制臂是較為主流的輕量化方案，普遍應(yīng)用于中高端車型。

從用材發(fā)展趨勢的角度，碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)異的綜合性能，有望在控制臂等底盤部件上展開應(yīng)用，以滿足進(jìn)一步輕量化需求。本文以SUV車型的鍛鋁控制臂為原型（圖1），開發(fā)碳纖維復(fù)合材料控制臂，針對異形實體的結(jié)構(gòu)特點，采用碳纖維預(yù)浸料和CF-SMC共用使用的混合工藝，以滿足其強(qiáng)度、剛度以及結(jié)構(gòu)特征的需求。

 

圖1 國外開發(fā)的碳纖維控制臂

02技術(shù)路線分析

1、國外開發(fā)情況

目前國外在碳纖維控制臂方面已有相關(guān)的研發(fā)案例，但并未量產(chǎn)應(yīng)用。圖1a為德國弗勞恩霍夫研究所采用RTM工藝制作的碳纖維控制臂，相比原鋼制控制臂質(zhì)量降低45%[2]，圖1b為馬瑞利采用CF-SMC模壓工藝制作的控制臂，相比原有鋼制控制臂質(zhì)量降低50%，圖1c為蘭博基尼采用CFSMC模壓工藝制作的控制臂，相比原有鍛鋁控制臂質(zhì)量降低30%[3]。

2、技術(shù)路線

本文選取的控制臂原型件用于SUV車型，面臨的載荷要求遠(yuǎn)高于跑車和一般性能車的同類部件。另外，控制臂原型件為鍛鋁材質(zhì)，強(qiáng)度高且集成性好，輕量化效果已經(jīng)十分優(yōu)異，在此基礎(chǔ)上通過復(fù)材化尋求進(jìn)一步的輕量化空間，面臨較大的技術(shù)難題。在此情況下，本文放棄了國外的RTM方案和CF-SMC方案，采用連續(xù)纖維預(yù)浸料加上CF-SMC混合使用的方式，以滿足其強(qiáng)度、剛度以及結(jié)構(gòu)特征的需求，同時盡可能保持原有的集成性效果。

通過調(diào)研國內(nèi)外的材料資源情況，篩選確定預(yù)浸料和CF-SMC的材料方案；根據(jù)控制臂原型件的結(jié)構(gòu)形式和空間裝配關(guān)系以及載荷要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計；按照給定的載荷要求建立混合工藝下產(chǎn)品的有限元模型進(jìn)行力學(xué)性能分析；根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和控制臂總成的裝配方式，同時結(jié)合材料特性和混合工藝特點制定成型工藝方案和模具方案，最終進(jìn)行樣件的試制和性能試驗。

03用材方案

碳纖維預(yù)浸料采用織物類型，CF-SMC纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%左右，主要材料參數(shù)見表1。

表1 材料性能參數(shù)

 

注：“—”為CF-SMC無對應(yīng)參數(shù)。

04結(jié)構(gòu)方案與分析

1、載荷工況

通過對前懸架系統(tǒng)的典型極限工況進(jìn)行仿真計算，獲取控制臂各點的載荷情況，具體載荷值見表2。

表2 控制臂典型工況載荷值

 

通過對比發(fā)現(xiàn)，最大制動工況的載荷強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他工況，因此后續(xù)以最大制動工況作為結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析評估的典型工況。

2、概念方案

概念方案如圖2所示，采用上板和下板整體粘接的方式，其中上下板分別由預(yù)浸料和CF-SMC共同成型，同時利用CF-SMC的流動性鑲嵌球頭、前襯套、后螺柱等金屬附件。

 

圖2 碳纖維控制臂概念方案

概念方案中，整體的思路是最大可能地采用連續(xù)纖維預(yù)浸料，以滿足控制臂高載荷的要求。

3、過程方案

按照概念方案的思路開展過程方案的設(shè)計，如圖3所示。考慮到概念方案中，前襯套和球頭的鑲嵌方式工藝實現(xiàn)難度較高，因此將其改為螺栓連接的方式，同時也能夠加強(qiáng)上下板之間的連接強(qiáng)度，彌補(bǔ)單純膠接的不足。另外，考慮到CFSMC的運(yùn)用主要是進(jìn)行后螺柱的鑲嵌，同時提升控制臂整體剛度，因此將CF-SMC實體部分完全布置于上板，下板僅為預(yù)浸料模壓結(jié)構(gòu)，使工藝簡化，同時CF-SMC實體部分在Z向得到連續(xù)，更好地提供剛度支撐。

 

圖3 碳纖維控制臂過程方案

過程方案經(jīng)過多輪結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析優(yōu)化，均不滿足要求，如圖4所示，主要表現(xiàn)在預(yù)浸料織物部分Tsai-Wu失效，CF-SMC部分和結(jié)構(gòu)膠部分應(yīng)力過大。

 

圖4 過程方案分析結(jié)果

通過分析，出現(xiàn)以上失效的原因如下。

a.雖然碳纖維預(yù)浸料織物強(qiáng)度高，但是為滿足控制臂的結(jié)構(gòu)特征，織物變形量大，在受載情況下易發(fā)生層間的剪切破壞，造成Tsai-Wu失效；

b.雖然碳纖維織物強(qiáng)度高，但CF-SMC和結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度相對于碳纖維織物顯得薄弱，在復(fù)合使用時，無法通過結(jié)構(gòu)設(shè)計將應(yīng)力大幅度分散于碳纖維織物，造成CF-SMC和結(jié)構(gòu)膠部分失效；

c.在進(jìn)行控制臂碳纖化的過程中，其原有的連接部分需要保留金屬結(jié)構(gòu)，同時需要鋼制螺栓進(jìn)行機(jī)械連接，造成輕量化效果不明顯。

4、最終方案

總結(jié)過程方案的失效形式，同時對鍛鋁控制臂進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)受載情況下控制臂主要承載部位為3條輪廓邊。因此改變思路，制定以CFSMC為主體，以碳纖維預(yù)浸料織物為局部補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)方案，方案如圖5所示，質(zhì)量降低效果達(dá)21%。

 

圖5 碳纖維控制臂最終方案

方案思路：以CF-SMC為主體，避免其因結(jié)構(gòu)單薄和受載嚴(yán)苛而失效。以碳纖維預(yù)浸料織物補(bǔ)強(qiáng)3條輪廓邊，可以將碳纖維織物預(yù)浸料的高強(qiáng)度性能發(fā)揮在真正需要承載的區(qū)域，同時大幅降低碳纖維織物的成型變形量，有效避免Tsai-Wu失效。另外此方案無需結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行粘接，也避免了結(jié)構(gòu)膠失效的風(fēng)險。同時，此方案的金屬附件全部采用一體鑲嵌成型的方式，無需機(jī)械連接和因連接額外增加的金屬結(jié)構(gòu)部分，能夠有效地提升輕量化效果。

碳纖維織物預(yù)浸料的鋪層方式及參考方向如圖6所示。預(yù)浸料單層厚度0.22 mm，鋪層為[(0/45)3/0]s，總共14層，總厚度為3.08 mm。

 

圖6 鋪層方式

5、CAE分析

以最大制動工況對碳纖維控制臂進(jìn)行強(qiáng)度分析。有限元模型中，CF-SMC本體采用實體單元，碳纖維預(yù)浸料采用二維單元賦以復(fù)合材料層合板屬性，CF-SMC單元和預(yù)浸料單元之間采用共節(jié)點處理，金屬附件均采用實體單元，與CF-SMC單元之間采用共節(jié)點處理。以最大制動工況的載荷分解作為加載，約束方式采用慣性釋放，有限元模型如圖7所示。

 

圖7 有限元模型

最終分析結(jié)果如圖8所示。根據(jù)分析結(jié)果同時對比材料強(qiáng)度，碳纖維控制臂的各部分均滿足強(qiáng)度要求。從分析云圖中可以看出，3條預(yù)浸料發(fā)揮了有效承載的作用，同時在減小了織物變形量的情況下，Tsai-Wu失效程度得到了控制。另外以CF-SMC為主體，使得CF-SMC部分的最大應(yīng)力控制在＜150 MPa。CAE分析的整體結(jié)果與結(jié)構(gòu)方案的思路完全吻合。

 

圖8 最終方案分析結(jié)果

05工藝方案及制造

碳纖維控制臂本體的采用混合成型方式，工藝方案見圖9。

 

圖9 混合成型工藝[4]

具體制造過程：首先將預(yù)浸料進(jìn)行預(yù)成型形成預(yù)制件，然后將預(yù)制件隨同CF-SMC一同鋪放于模具中，然后預(yù)浸料、CF-SMC以及金屬附件一體模壓成型，形成控制臂本體，后續(xù)進(jìn)行球頭及襯套安裝得到碳纖維控制臂，具體的工藝過程見圖10。

 

圖10 碳纖維控制臂制造過程

06性能試驗

1、無損檢測

用CT（電子計算機(jī)斷層掃描）設(shè)備對樣件進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖11所示。

 

圖11 碳纖維控制臂CT照片

通過無損檢測，可以看出局部存在空隙缺陷，首要原因是產(chǎn)品厚度過大，但產(chǎn)品厚度是根據(jù)性能需求進(jìn)行的設(shè)計，優(yōu)化空間不大。出現(xiàn)缺陷的其他原因：排氣不暢；纖維含量高，流動性不佳；成型壓力不足。總結(jié)以上原因，針對后續(xù)的工藝改善制定以下方向：模具增設(shè)抽真空裝置；在性能滿足要求的前提下，稍微降低纖維含量；試探性提高成型壓力。

2、靜強(qiáng)度試驗

對碳纖維控制臂進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗，固定控制臂前點和后點，對控制臂外點分別進(jìn)行X+、Y-和Y+3個方向的加載試驗，試驗結(jié)果如表3所示，破壞狀態(tài)如圖12所示。

表3 靜強(qiáng)度試驗結(jié)果

 

注：“——”為未破壞，故無破壞力的值。

 

圖12 碳纖維控制臂破壞狀態(tài)

碳纖維控制臂沒有屈服過程，均出現(xiàn)脆性斷裂。其中X+和Y-向的加載斷裂強(qiáng)度在10 kN左右，且均在球頭處斷裂，與理想狀態(tài)稍有差距。通過觀察CF-SMC的斷面，發(fā)現(xiàn)斷裂處的纖維存在較大部分剝離現(xiàn)象，沒有發(fā)揮有效承載作用。CF-SMC的纖維取向與鋪料方式、材料流動性以及結(jié)構(gòu)形式相關(guān)，很大程度上依靠材料的流動性進(jìn)行填充和熔接，由于球頭處屬于大附件薄壁鑲嵌的方式，鋪料方式受局限，在CF-SMC流動性不佳的情況下，熔接處的纖維無法交錯，造成強(qiáng)度低。后續(xù)將從改善材料流動性、改進(jìn)鋪料方式和預(yù)浸料局部補(bǔ)強(qiáng)的方向進(jìn)行改善。

07總結(jié)

a.本文以鍛鋁控制臂為原型，采用碳纖維預(yù)浸料和CF-SMC共同使用的混合工藝開發(fā)碳纖維復(fù)合材料控制臂，以最大制動作為典型工況進(jìn)行力學(xué)性能分析，詳細(xì)闡述了從概念方案到過程方案到最終方案的迭代思路和分析過程，最終制得的碳纖維控制臂質(zhì)量降低21%。

b.本文詳細(xì)闡述了碳纖維控制臂的制造過程，并針對后續(xù)的性能試驗結(jié)果詳細(xì)分析了缺陷原因及改善思路。

c.本文開發(fā)的碳纖維控制臂，是針對底盤部件進(jìn)行碳纖維復(fù)材化的前瞻探索，其所用工藝及相關(guān)技術(shù)對其他底盤部件具有指導(dǎo)意義。

08參考文獻(xiàn)

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[4]MARC F,MARTIN H.New Methods for Computing and Developing Hybrid Sheet MoldingCompound Structures for Aviation Industry[J].Procedia CIRP,2017(66):45-50.

文章來源：期刊（汽車工藝與材料）

作者 方程1、王昌斌1、成龍2、李繼川2（1.中國第一汽車股份有限公司 材料與輕量化研究院，長春 130011；2.中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長春 130011）