采用玻纤复合材料设计的汽车前轴

Hutchinson的复合材料前轴悬架叶片示意图
 

        作为材料配方公司以及面向汽车、轨道交通和航空工业的振动控制技术制造商，Hutchinson利用其经验设计了208 FE的车轴。Hutchinson将这些轴的结构复合材料核心称为是一种“多功能的悬架叶片”，因为其设计特点是:在一个部件中整合了4种重要功能——悬架、转向、抗振动/噪声以及防侧倾。在开发过程中，设计工程师们整合/消除了12个部件，包括：弹簧、弹簧座、防侧倾杆、防侧倾杆配件、防侧倾杆的连接杆以及叉臂(转向部分)元件等。

       相比金属悬架，该复合材料的叶片设计降低了20.4 kg(约40%)的重量。在加工中，设计工程师们能够整合或消除12个部件(图片来自标致汽车公司)

这一全新的悬架实际上起源于Hutchinson在20年前为另一家欧洲汽车制造商生产的一个部件。Hutchinson复合材料技术中心(简称“CTeC”)的技术总监Bertrand Florentz回忆说，当时该部件已准备投入生产，但由于对传统的钢悬架的偏好，这一生产计划最终被取消。随着2020更严厉的排放标准即将落实，未达标的企业将面临处罚，从而使今天的汽车制造商们正面临着市场形势的巨大变化。与此同时，Hutchinson早期所积累的悬架应用经验，也使其快速地响应了标致208 FE新的、设计独特的发展要求。
 

       在设计汽车悬架时，首先考虑的是，这一部件总成需要承受静载荷(汽车的固定重量)和动载荷(运行时产生)，相当于分布到所有3个空间轴上的拉伸力、压缩力和剪切力，即纵向的、垂直的和横向的载荷。驾驶时，其承受的动载荷可以达到汽车静载荷的5倍大，因此，在该部件的关键结构尺寸和总体设计中，动载荷是重要的考虑因素。
 

       针对这些多轴向载荷问题，Hutchinson初期的“宏伟”设计方案是，采用一种梁分布均匀的正交异性模型去模拟主悬架结构。这种梁正交异性模型作为一个底线，允许工程师们针对局部必要的刚性特征，来满足汽车基本的静载荷要求。
 

        如果材料的力学性能和热性能在3个相互垂直的方向上是唯一而独立的，则属于正交各向异性材料。相比之下，各向同性材料的各种性能在所有的方向上都是相同的。此外，一种材料可以拥有同质的(均匀的)或非同质的(不均匀的)微结构。一种材料，如轧钢，是天然的正交各向异性和同质性(均匀性)。设计一种同质的正交各向异性的复合材料，关键是采用同样的“微结构”(即材料，在此是一种环氧树脂)和大多数的单向玻璃纤维、按改变厚度和方向的一种层合构成方式，构建一种层压结构。这样的一种结构将允许设计工程师们在采用有限元分析(FEA)对部件建模后，通过增加或减少特定区域的增强材料，来处理好3个独立轴中的各种变形和载荷问题。
 

        因此，设计过程的第二步是在Hutchinson的研究中心对该悬架进行详细的有限元模拟。在此所做的模拟被用于模仿复合材料叶片的刚性，并提供详细的层合结构，包括织物的取向和局部厚度。结果，获得了一种拥有3个层合结构的叶片设计：层合结构一，在叶片的每一端，球接头在此与柱子(较厚，同时更加特别的是，凭借高度的纵向刚度而确保了轮导向)相接 ;层合结构二,是与安装在橡胶上的钢轴支架相连接的两面的中间部分;层合结构三，支架(较薄，而且尤为特别的是，确保了悬架的垂直刚度)之间的中间部分。
 

        在有限元仿真中考虑的载荷类型是垂直载荷(对称的和不对称的)、纵向载荷、横向载荷、转角载荷、侧面冲击载荷和疲劳载荷。仿真输出的是所有方向上叶片的刚度、位移和运动学，以及树脂和纤维的局部应力和应变。然后将应力和应变与实验室获得的材料许用值相比较，包括必要的“材料失效”因素。

在一个并行开发过程中，研究人员采用层压试样和纯树脂对材料进行了综合表征。具体到材料和部件生产(如树脂传递模塑成型(RTM))的工艺参数、总的反应热、热膨胀和热收缩(在所有的3个轴方向)以及纤维集中度等，由通过差示扫描量热法(DSC)、接触角测量法和动态力学分析法(DMA)获得的测量值计算而出。这些数据被用于生成一个悬架叶片的黏弹性模型，然后将其导入到ABAQUS 有限元分析软件中(Dassault Systèmes,美国马萨诸塞州沃尔瑟姆)。热力学分析被用于确定成型过程中加热的“热点”，以及计算并预测在固化循环期间由加工引起的变形和残余应力，目的是当部件设计完成后优化加工条件，同时确保部件在正常生产的模具和设备上得到连续成型。
 

        尽管Hutchinson为标致208 FE 设计了复合材料的前、后轴，但由于增加了转向元素而使前轴更为复杂。最终的悬架设计由一个弓形主结构的玻璃纤维增强叶片构成，其厚度范围在12～15 mm之间，纤维的体积含量超过50%。该叶片长约1.2m，名义宽度140mm，弓深大约315mm。在消除上述所有部件的过程中，该复合材料的轴/悬架设计整合了传统金属悬架的所有功能，如：该弓形的悬架叶片在组装过程中按其预压的形状被安装到汽车上，并横跨汽车前端宽度而作为一个单一的弹簧用于吸收路振。该复合材料叶片的每一面都由一对橡胶铰接(一个垂直的，一个纵向的)而与汽车的白车身(BIW)相连。当叶片为应对路振而发生弯曲或压缩时，在两对固定之间的横向轴中被拉长。为适应这种横向延伸，橡胶底座提供了必要的横向位移弹性，同时它们还可对路振和噪声进行额外的过滤。这些铰接被集成到一对包封了叶片每一面的钢底壳中。
 

        每个叶尖与钢球关节相连。这些球关节转而与连接杆(拉杆)相连，这些连接杆通过吸振器而被装到汽车上。在这些连接点上，叶片承受最大的负载力，因此，在叶片设计中，对这一区域做了额外增强。通过取代防倾杆，该叶片本身就兼具了防侧倾的功能，这是由其固有的弯曲刚性和固定的对称性实现的。实际上，基于变形的对称性，当左轮向上移动时，右轮也向上移动，这实际上是一个防倾连接的定义。转向是传统的而且与叶片分离，一个连接车轮的转向架通过左、右连接杆而直接转动。
 

        Florentz说，设计并制造一个复合材料的轴/悬架，在工程上付出的努力至少是设计同样的金属部件的5倍。但就某种意义而言，花费额外的时间是必要的，因为钢作为一种传统材料而拥有大量的测试数据和合格数据，但对于复合材料部件而言，材料的最终表征必须在经历逐层老化、模拟和后处理后而获得。假设在类似的应用中使用复合材料，可以确信的是，由于材料的认证、测试和模拟工作从一个项目传递给了另一个项目，因此大多数额外的工程开发时间可以消除。

       虽然这项技术仍被认为是概念性的，但这项应用却值得关注且具有潜力。长期以来，复合材料一直被认为不适合商业化汽车的结构应用，为此，复合材料行业做了许多艰难的努力，来证明复合材料替代金属的潜力。凭借Hutchinson公司在此方面迈出的重要一步，相信汽车制造商和消费者们可以做出自己的判断。