汽車底盤碳纖維后縱臂成形實(shí)驗(yàn)與分析*

龔友坤，王 韜，姚 遠(yuǎn)，甘 露，彭雄奇，萬(wàn) 紫

(1. 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200030; 2. 上海匯眾汽車制造有限公司技術(shù)中心，上海 200122)

2016040

汽車底盤碳纖維后縱臂成形實(shí)驗(yàn)與分析*

龔友坤1，王 韜2，姚 遠(yuǎn)1，甘 露2，彭雄奇1，萬(wàn) 紫2

(1. 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200030; 2. 上海匯眾汽車制造有限公司技術(shù)中心，上海 200122)

采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂作為某新能源汽車后縱臂輕量化的材料。針對(duì)后縱臂的力學(xué)性能要求，通過(guò)材料的選擇、鋪層的優(yōu)化、模具設(shè)計(jì)與制造、零件的制造和性能試驗(yàn)等，對(duì)碳纖維后縱臂的制造工藝進(jìn)行研究。 結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的金屬件相比，采用碳纖維可使后縱臂質(zhì)量減輕30%，而熱模壓工藝適合碳纖維后縱臂的成形。

汽車底盤；碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；熱模壓工藝；輕量化

前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，許多先進(jìn)復(fù)合材料因其優(yōu)異的綜合性能在汽車上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，例如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)成功應(yīng)用于一些高端車型的覆蓋件、結(jié)構(gòu)件[1-2]。在一些大眾車型中，雖然已經(jīng)有部分非結(jié)構(gòu)件采用了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，然而在承載件如底盤零部件上，復(fù)合材料的應(yīng)用還非常有限。為解決能源危機(jī)而誕生的新能源汽車因電池質(zhì)量大，進(jìn)行底盤的輕量化設(shè)計(jì)，以延長(zhǎng)續(xù)航里程顯得十分重要[3-4]。相對(duì)于高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金等輕量化材料，碳纖維復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、比剛度、耐疲勞及耐腐蝕特性而具有更高的輕量化潛能。本文中將選擇如圖1所示的汽車底盤典型連桿類零件——后縱臂為研究對(duì)象，從選材、設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化、成形等各方面實(shí)現(xiàn)汽車底盤典型零部件的碳纖維輕量化設(shè)計(jì)。

1 材料選擇與材料性能實(shí)驗(yàn)

為了選擇汽車底盤碳纖維后縱臂材料，并為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供所需的力學(xué)性能參數(shù)，分別對(duì)不同碳纖維編織布和單向帶增強(qiáng)的復(fù)合材料進(jìn)行單向拉伸、三點(diǎn)彎曲和縱橫剪切實(shí)驗(yàn)，獲得相應(yīng)的拉伸、彎曲與剪切性能參數(shù)。

1.1 材料

標(biāo)準(zhǔn)試樣根據(jù)增強(qiáng)相分為3種： T300的3K平紋編織布增強(qiáng)、 T300的12K平紋編織布增強(qiáng)和T700的單向帶增強(qiáng)，均為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂(下簡(jiǎn)稱碳纖維)?；w材料均為自制的環(huán)氧樹脂。纖維體積比為60%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

拉伸實(shí)驗(yàn)參照《GB/T 1447—2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，彎曲實(shí)驗(yàn)參照《GB/T 1449—2005纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，縱橫剪切實(shí)驗(yàn)參照《GB/T 3355—2005纖維增強(qiáng)塑料縱橫剪切試驗(yàn)方法》進(jìn)行。采用Zwick/Roell全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)。

1.3 材料性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2中列出了部分試樣實(shí)驗(yàn)前后的對(duì)比。

表1列出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同材料的主要性能參數(shù)。由表1可以看出，小絲束的T300/3K平紋編織布復(fù)合材料比大絲束的T300/12K的彈性模量要高，這是由于小絲束碳纖維編織布由于編織帶來(lái)的微彎曲較小，但強(qiáng)度主要取決于碳纖維的強(qiáng)度，故二者強(qiáng)度值相近。而與平紋編織布復(fù)材相比，單向帶復(fù)材具有明顯的各向異性，不同纖維方向強(qiáng)度差異很大，0°方向拉伸強(qiáng)度與模量很高，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)平紋編織布復(fù)材。因此，單向帶復(fù)材在鋪層設(shè)計(jì)中具有更優(yōu)異的靈活性，且能達(dá)到更高的力學(xué)性能要求。由于后縱臂在軸線方向須要承受較大的拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷，對(duì)力學(xué)性能要求較高，故綜合分析以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，增強(qiáng)材料選擇T700碳纖維單向帶。

表1 材料性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 碳纖維后縱臂的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3 成形工藝研究及實(shí)驗(yàn)

3.1 成形工藝的確定

后縱臂零件屬于典型的軸套類零件，由復(fù)合材料臂身和3個(gè)金屬套圈構(gòu)成，針對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成形特點(diǎn)，其成形難點(diǎn)在于縱臂臂身與3個(gè)金屬套圈的連接。在改形設(shè)計(jì)中，充分利用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的整體成形性能和沿纖維方向優(yōu)異的拉伸性能，利用碳纖維包覆3個(gè)套圈，并且采用圓弧與斜面過(guò)渡，中間填充碳纖維增強(qiáng)體，再進(jìn)行共固化成形。

目前應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合材料成形工藝主要是在航空航天領(lǐng)域較為成熟的熱壓罐工藝和各種罐內(nèi)成形工藝。但首先考慮到縱臂零件的體積較小，且汽車領(lǐng)域的低附加值使其對(duì)成本控制的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于航空航天領(lǐng)域，故不選用高成本的熱壓罐工藝和各種罐內(nèi)成形工藝。碳纖維后縱臂可以采用以下較為成熟的低成本成形工藝：熱模壓工藝、樹脂傳遞模塑工藝和真空導(dǎo)入工藝。這3種工藝均可用于連續(xù)纖維增強(qiáng)零件的成形。此外，考慮到后期汽車量產(chǎn)階段對(duì)成形效率要求較高，須要選擇3種工藝中成形周期最短的工藝。最后由于碳纖維后縱臂為承載結(jié)構(gòu)件，對(duì)力學(xué)性能要求較高，對(duì)各類成形缺陷都較敏感，要求成形工藝能夠盡可能減少氣泡、干斑等類缺陷。通過(guò)綜合分析上述3類成形工藝，最終確定采用熱模壓工藝，雖然熱模壓模具成本相對(duì)昂貴，但在大批量生產(chǎn)中可均分模具成本，同時(shí)成形過(guò)程對(duì)操作人員依賴性小，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化，降低人力成本，使綜合成本大大降低，且符合縱臂成形特點(diǎn)和力學(xué)性能要求，工藝整體性較好，尺寸精度較高，成形周期較短，具有良好的發(fā)展前景。

3.2 零件制造

熱模壓工藝以預(yù)浸料為成形坯材，故采用T700碳纖維單向帶制作單向預(yù)浸料，按照要求尺寸裁剪，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的鋪設(shè)層數(shù)和角度在成形模具(圖4)中進(jìn)行合理鋪層，金屬套圈采用包覆預(yù)埋的方式連接成形，然后在加熱條件下預(yù)成形，在壓機(jī)條件下進(jìn)行壓制固化(圖4)，最后脫模清理，得到最終制品(圖5)。

3.3 成形實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

試制的碳纖維后縱臂表面光潔，無(wú)富膠和貧膠，無(wú)裂紋，均勻平整，達(dá)到了預(yù)計(jì)的外觀要求。分析其成形過(guò)程，熱模壓工藝雖然模具開發(fā)成本相對(duì)較高，且由于成形壓力較大而對(duì)成形設(shè)備要求也更高，初期研發(fā)投入相對(duì)較多，但熱模壓工藝成形周期短，制品表面質(zhì)量更好，能夠使形狀復(fù)雜的后縱臂順利成形，不需要其他一次性耗材，在大批量生產(chǎn)的情況下能夠大幅度降低成本。

4 零件性能實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及方法

4.1.1 碳纖維后縱臂襯套壓裝實(shí)驗(yàn)

由于縱臂在使用過(guò)程中，須在金屬套圈中裝配橡膠襯套，為了保證襯套壓入壓出過(guò)程中金屬套圈與碳纖維臂身的連接可靠，進(jìn)行縱臂套圈壓裝實(shí)驗(yàn)，考察包裹金屬套圈的碳纖維臂身與金屬套圈之間的連接強(qiáng)度。襯套壓裝即將具有過(guò)盈配合的襯套與套圈壓到配合位置的裝配過(guò)程，然后再進(jìn)行襯套壓出實(shí)驗(yàn)，確定襯套最大壓入力和壓出力(要求：EP11后縱臂壓入力≥20kN；最大壓出力≥10kN)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖6所示。

4.1.2 碳纖維后縱臂靜載單向拉伸實(shí)驗(yàn)

為了考察碳纖維后縱臂的剛度是否滿足要求，將碳纖維后縱臂置于專用電子拉伸機(jī)工作臺(tái)上，小套圈端固定，大套圈端施加拉伸載荷至樣件破壞，同時(shí)考核了預(yù)埋金屬套圈與碳纖維臂身的結(jié)合情況。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖7所示。

4.2 零件實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在后縱臂壓裝實(shí)驗(yàn)中，金屬和碳纖維兩種樣件的壓入壓出力見表2，對(duì)比后縱臂壓裝實(shí)驗(yàn)要求，可知上述樣件均滿足壓裝要求。

表2 兩種樣件各套圈最大壓入壓出力

為了更好地考察連接性能，分別在壓裝前后對(duì)兩種樣件的金屬套圈與縱臂連接處進(jìn)行拍照和尺寸記錄，并進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)?？梢钥闯鰺崮汗に嚦尚翁祭w維后縱臂套管連接處沒(méi)有發(fā)生變化，仍然保持緊密連接，這是由于熱模壓工藝為雙模成形，成形壓力大，使金屬套圈與碳纖維復(fù)合材料貼合緊密，保證了粘結(jié)強(qiáng)度，故從金屬套圈與碳纖維臂身共固化連接性能方面驗(yàn)證了熱模壓成形工藝適合于碳纖維后縱臂成形。

在縱臂的靜載單拉實(shí)驗(yàn)中，兩種樣件實(shí)驗(yàn)后的破壞情況如圖8所示，1#件為熱模壓成形碳纖維后縱臂，3#件為金屬后縱臂。由圖可見，1#件右端套圈連接處碳纖維有分層脫粘的現(xiàn)象，且包裹的金屬套圈有塑性變形；3#件加載端焊縫連接處也完全開裂且兩端金屬套圈均已發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形。

圖9給出了兩種試樣的拉伸力-位移曲線。由圖可見，1#碳纖維件的整體剛度和3#金屬后縱臂的剛度相當(dāng)，滿足初步設(shè)計(jì)要求；而1#碳纖維件的極限抗拉強(qiáng)度只有3#金屬件的一半。但從破壞方式可以發(fā)現(xiàn)，金屬縱臂在焊縫破裂之前，兩端套圈均已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形且已失效，而1#件只有加載端套圈塑性變形并失效，故可認(rèn)為1#件的套圈處連接強(qiáng)度已達(dá)到3#金屬件水平；熱模壓工藝成形碳纖維縱臂金屬套圈與臂身的連接有較高的連接強(qiáng)度，具有較高可靠性，套圈外碳纖維包覆層力學(xué)性能較好，較好地發(fā)揮了其高拉伸強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，因此可以確定在此次碳纖維后縱臂開發(fā)中采用熱模壓工藝。

碳纖維后縱臂在固定端處金屬套圈未發(fā)生塑性變形，說(shuō)明傳力路徑不通暢，有局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致碳纖維縱臂整體有效承載能力不足。在下一步的研發(fā)過(guò)程中，將進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料后縱臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使碳纖維后縱臂結(jié)構(gòu)更加合理，整體變形均勻，有效承載能力提高。

碳纖維縱臂與金屬縱臂質(zhì)量對(duì)比結(jié)果見表3，

表3 碳纖維后縱臂與金屬后縱臂質(zhì)量對(duì)比結(jié)果 kg

復(fù)合材料縱臂盡管預(yù)埋了金屬套圈，但與原金屬零件相比，質(zhì)量減輕30%，輕量化效果仍然達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

(1) 從研究結(jié)果可見，預(yù)先確定的熱模壓成形工藝試制的零件外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良，達(dá)到了設(shè)計(jì)使用要求，熱模壓工藝適合于碳纖維后縱臂的成形。

(2) T700碳纖維單向帶增強(qiáng)材料制造的碳纖維后縱臂，力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)與原金屬零件相比，輕量化效果明顯，為30%，達(dá)到了課題的預(yù)期目標(biāo)。

(3) 摸索出的熱模壓成形碳纖維復(fù)合材料后縱臂的制造方法基本可行，可為高強(qiáng)輕質(zhì)汽車底盤零部件的研制提供一定的技術(shù)支持與參考。

[1] Paolo Feraboli, Attilio Masini, Andrea Bonfatti. Advanced Composites for the Body and Chassis of a Production High Performance Car[J]. International Journal of Vehicle Design, 2007, 44(3/4): 233-246.

[2] Paolo Feraboli, Attilio Masini, Luigi Taraborrelli, et al. Integrated Development of CFRP Structures for a Topless High Performance Vehicle[J]. Composite Structures, 2007, 78(4): 495-506.

[3] 馮美斌.汽車輕量化技術(shù)中新材料的發(fā)展及應(yīng)用[J].汽車工程, 2006, 28(3)：213-220.

[4] Das Sujit. Lightweight Opportunities for Fuel Cell Vehicles[C]. SAE Paper 2005-01-0007.

Forming Experiment and Analysis of Vehicle Rear Longitudinal Arm of Carbon Fiber Reinforced Composite

Gong Youkun1, Wang Tao2, Yao Yuan1, Gan Lu2, Peng Xiongqi1& Wan Zi2

1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030; 2.R&DCenter，ShanghaiHuizhongAutomotiveManufacturingCo.,Ltd.,Shanghai200122

Carbon fiber reinforced epoxy resin is used as the material of rear longitudinal arm in a new energy vehicle for lightweighting. Aiming at the requirements of mechanical performance of rear longitudinal arm, the manufacturing process of carbon fiber rear longitudinal arm is investigated through material selection, paving layer optimization, die design and manufacturing, part manufacturing and performance tests etc. The results show that the mass of carbon fiber rear longitudinal arm is 30% less than traditional metal counterpart, and the hot moulding process is suitable for the forming of carbon fiber rear longitudinal arm.

vehicle chassis; carbon fiber reinforced composite; hot moulding; lightweighting

*國(guó)家自然科學(xué)基金(11172171)和博士點(diǎn)基金(20130073110054)資助。

原稿收到日期為2014年7月18日，修改稿收到日期為2014年9月25日。