基于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的新能源汽車底盤后縱臂成型

蔚亞 康帆

摘要：基于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，進(jìn)行新能源汽車底盤后縱臂輕量化設(shè)計(jì)。就后縱臂力學(xué)性能相關(guān)要求，基于選材、優(yōu)化設(shè)計(jì)、，仿真模擬等方面，深入碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂后縱臂成型工藝。結(jié)果表明，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂后縱臂質(zhì)量相對(duì)較輕，與金屬件相比減輕約30%;碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂新能源汽車底盤后縱臂成型最佳工藝為熱模壓工藝，制造的零部件外觀優(yōu)美，質(zhì)量突出，符合設(shè)計(jì)應(yīng)用具體要求;熱模壓成型工藝具備較高可行性，可以在很大程度上為高強(qiáng)度、輕質(zhì)量底盤零件研發(fā)生產(chǎn)奠定技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：碳纖維;環(huán)氧樹脂;底盤;后縱臂;成型

中圖分類號(hào)：TQ323.5;U468.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）07-0031-04

新能源汽車由于電池重量過大，為促使底盤重量下降，電池續(xù)航里程延長，急需進(jìn)一步面向底盤后縱臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。而碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂以其自身獨(dú)特優(yōu)勢，即強(qiáng)度高、剛度高、耐疲勞、耐腐蝕、輕量化潛能突出，得以在汽車底盤零件輕量化設(shè)計(jì)中備受青睞"。因此，本文基于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂對(duì)汽車底盤后縱臂成型做了深層研究。

1碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂分析

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料具備強(qiáng)度高、耐磨、抗震、耐腐蝕等多種優(yōu)勢特性，且基于此優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了環(huán)氧樹脂材料在新能源汽車中的廣泛應(yīng)用。于2007年，美國福特企業(yè)進(jìn)行了深層研究，表明碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料在新能源汽車生產(chǎn)研發(fā)中具有良好可行性與合理性，且研究報(bào)告明確指出，此材料成本低，能耗少，粘接成本低，韌性與抗沖擊性突出。此外，就基本特性而言，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂分為兩大類型，即熱塑性與熱固性。當(dāng)前熱固性的應(yīng)用更廣，特別是在新能源汽車零部件生產(chǎn)中，片狀模塑料的實(shí)踐運(yùn)用屢見不鮮。因此，就發(fā)展前景來講，新能源汽車生產(chǎn)制造更期望于節(jié)能環(huán)保、可循環(huán)利用的熱塑性材

料，而碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料恰好符合此標(biāo)準(zhǔn)要求則。

2碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料制備與性能分析

2.1材料

就增強(qiáng)相分為依據(jù)，劃分為3種標(biāo)準(zhǔn)試樣，即T300/12K平紋編織、T300/3K平紋編織、T700單向帶，都屬于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。基體材料都是自制環(huán)氧樹脂，纖維體積比即60%。

2.2方法

根據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn);根據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn);根據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料縱橫剪切試驗(yàn)方法》進(jìn)行縱橫剪切實(shí)驗(yàn)。選用全自動(dòng)拉伸設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.3性能

不同標(biāo)準(zhǔn)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料的性能參數(shù)具體如表1所示。

3新能源汽車底盤后縱臂設(shè)計(jì)

后縱臂是新能源汽車底盤的必需零部件，在汽車運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。汽車行業(yè)在開發(fā)設(shè)計(jì)車型時(shí)，為降低底盤自重，節(jié)約材料費(fèi)用，明確提出了減重要求，即基于既有設(shè)計(jì)，采取科學(xué)有效的輕量化設(shè)計(jì)方案。在減重之前，強(qiáng)度性能參數(shù)會(huì)發(fā)生一定變化，而強(qiáng)度性能是汽車行業(yè)最受關(guān)注的性能，因此需保障輕量化設(shè)計(jì)方案中強(qiáng)度性能符合規(guī)范要求。在汽車開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，零部件性能預(yù)測，需以有限元軟件仿真模擬為載體，通過仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)評(píng)估分析。底盤后縱臂強(qiáng)度性能仿真分析，需通過Adams軟件進(jìn)行車懸架系統(tǒng)建模，確定仿真需要硬點(diǎn)載荷，并通過多項(xiàng)載荷選擇可應(yīng)對(duì)各種仿真項(xiàng)的工況，以進(jìn)行后續(xù)輸入。

就既有建模標(biāo)準(zhǔn)要求，為切實(shí)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體特性，確保建模精確度，以及后續(xù)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，后縱臂基于5mm網(wǎng)格建模。后縱臂尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，需基于縱臂厚度為變量，質(zhì)量分?jǐn)?shù)與應(yīng)變能為響應(yīng)，應(yīng)變能最小為目標(biāo)。通過懸架模型提載工況實(shí)時(shí)評(píng)估分析，以明確過坑工況載荷，從而作為優(yōu)化力進(jìn)行輸人叫。

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂以高強(qiáng)度與高剛度，耐疲勞與耐腐蝕等力學(xué)特性，得以應(yīng)用于主承力件。以專家經(jīng)驗(yàn)為輔助給定初步鋪層設(shè)計(jì)，并利用有限元軟件明確詳細(xì)鋪層設(shè)計(jì)。其中，相同比例不同鋪層順序的縱臂變形與強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果具體如表2所示。

不同0鋪層比例的后縱臂變形與強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果[6]具體如圖1所示。

通過詳細(xì)分析，最終獲得后縱臂鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4后縱臂成型工藝

熱模壓工藝的模具成本較高，但是在批量生產(chǎn)時(shí)，可平均成本，且成型時(shí)不會(huì)過于依賴操作人員，可全面自動(dòng)化，節(jié)省人力資源，從而整體上降低成本。同時(shí)與后縱臂成型特性與力學(xué)性能要求明確相符，工藝整體性良好，尺寸精確度高，成型周期比較短，發(fā)展前景較好。

4.1零部件生產(chǎn)

熱模壓工藝選擇預(yù)浸料作為成型坯材，以T700碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂單向帶進(jìn)行預(yù)浸料制作，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行剪裁，以預(yù)設(shè)的鋪設(shè)層數(shù)與角度，基于成型模具鋪層，金屬套圈則選擇包覆預(yù)埋模式進(jìn)行銜接成型，并受加熱作用預(yù)成型，受壓機(jī)作用壓制固化，最終進(jìn)行脫模，清理干凈，從而獲得最終制品。

4.2成型結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)制成的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂后縱臂表層光滑整潔，沒有富膠、貧膠，沒有裂縫，均衡整齊，符合預(yù)期外觀標(biāo)準(zhǔn)要求。成型過程中，熱模壓工藝成型周期較短，成品的表層質(zhì)量較好，可促使繁雜的后縱臂快速成型，不需其他一次性耗材。

5后縱臂性能實(shí)驗(yàn)分析

5.1襯套壓裝

后縱臂使用時(shí)需基于金屬套圈配置橡膠襯套，為保證襯套壓裝時(shí)，套圈與臂身銜接穩(wěn)定牢固，進(jìn)行壓裝實(shí)驗(yàn)以考察分析。襯套壓裝就是把襯套與套圈壓人相互配合的位置以實(shí)現(xiàn)裝配，后續(xù)再開展壓出實(shí)驗(yàn)，從而明確襯套最大壓人力與壓出力。

5.2靜載單向拉伸

為考察碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂后縱臂剛度是否符合要求，將其放置在專用電子拉伸工作臺(tái)，利用小套圈端進(jìn)行固定，大套圈端增加拉伸載荷，直到試樣被破壞，并對(duì)預(yù)埋金屬套圈與后縱臂臂身結(jié)合情況進(jìn)行考察。

5.3結(jié)果分析

后縱臂壓裝實(shí)驗(yàn)過程中，金屬與碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂試樣壓人壓出力具體如表3所示。

通過對(duì)比分析后縱臂壓裝標(biāo)準(zhǔn)，可知兩類試樣都滿足要求。為充分考察銜接性能，在壓裝前、壓裝后對(duì)兩類試樣金屬套圈與后縱臂銜接位置拍照，并詳細(xì)記錄相關(guān)尺寸參數(shù)，以比較評(píng)估?？芍?，熱模壓工藝成型后縱臂套管銜接位置并未出現(xiàn)明顯改變，依舊銜接緊密，所以，熱模壓成型工藝適用于后縱臂成型。

后縱臂靜載單向拉伸實(shí)驗(yàn)中，兩類試樣破壞情況即，熱模壓成型碳纖維后縱臂的右端套圈銜接位置上碳纖維出現(xiàn)了分層脫粘，包裹套圈存在塑性變形現(xiàn)象;金屬后縱臂的加載端焊縫位置發(fā)生嚴(yán)重裂縫，兩端金屬套圈存在嚴(yán)重的塑性變形現(xiàn)象。

兩類試樣單向拉伸力一位移變化曲線具體如圖2所示。

由圖2可知，熱模壓工藝碳纖維后縱臂剛度與金屬后縱臂不相上下，而極限抗拉強(qiáng)度只有后者1/2。就破壞模式而言，金屬后縱臂焊縫開裂前，套圈出現(xiàn)了嚴(yán)重塑性變形，甚至失效，而熱模壓工藝碳纖維后縱臂的加載端套圈發(fā)生塑性變形，因此，熱模壓工藝碳纖維后縱臂套圈銜接強(qiáng)度較高，且套圈與臂身銜接強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性與牢固性較好，拉伸強(qiáng)度較高。

基于剛度與強(qiáng)度保持不變，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂與金屬后縱臂重量對(duì)比結(jié)果！叫具體如表4所示，其中，熱模壓成型工藝碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂后縱臂的重量比金屬后縱臂減輕了大約30%。

6結(jié)語

綜上所述，通過基于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的新能源汽車底盤后縱臂成型研究，得出結(jié)果，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂后縱臂質(zhì)量相對(duì)較輕，輕量化成效顯著，與金屬件相比減輕大約30%;碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂新能源汽車底盤后縱臂成型最佳工藝為熱模壓工藝，制造的零部件外觀優(yōu)美，質(zhì)量突出，符合設(shè)計(jì)應(yīng)用具體要求;熱模壓成型工藝具備較高可行性，可以在很大程度上為高強(qiáng)度、輕質(zhì)量底盤零件研發(fā)生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]劉忠利汽車扭力梁縱臂多工步成形數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2016.

[2]胡偉，喻川，張建武.新能源汽車底盤縱臂的輕量化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010（03）：117-119.

[3]廣州慶達(dá)汽車零部件有限公司.一種汽車底盤后縱臂的總成零部件：CN201720295507.3[P].2017-12-19.

[4]姚遠(yuǎn)，彭雄奇，龔友坤.汽車底盤碳纖維后縱臂設(shè)計(jì)與分析[C].//中國力學(xué)學(xué)會(huì)固體力學(xué)專業(yè)委員會(huì).2014年全國固體力學(xué)學(xué)術(shù)大會(huì)論文集.2014：1-1.

[5]孫延.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在新能源汽車上的應(yīng)用形式及進(jìn)展[J].粘接，2019，40（9）：71-73.

[6]黃河交通學(xué)院.一種柔性減震汽車底盤結(jié)構(gòu)：CN201910343383.5[P].2019-07-09.

[7]段國晨，趙景麗，趙偉超.E51環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能研究[J].粘接，2018，（8）：42-44.

[8]黃頂社，劉迪祥，曹龍兵.縱臂內(nèi)高壓成形工藝設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].金屬加工：熱加工，2016（17）：32-35.[9]朱迪，姚遠(yuǎn)，彭雄奇.碳纖維汽車底盤后縱臂CAE設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2018，39（8）：925-934.

[10]龔友坤，王韜，姚遠(yuǎn)，等.汽車底盤碳纖維后縱臂成形實(shí)驗(yàn)與分析J].汽車工程，2016（02）：248-251+241.