蔚亞 康帆

摘要：基于碳纖維增強環(huán)氧樹脂，進行新能源汽車底盤后縱臂輕量化設(shè)計。就后縱臂力學(xué)性能相關(guān)要求，基于選材、優(yōu)化設(shè)計、，仿真模擬等方面，深入碳纖維增強環(huán)氧樹脂后縱臂成型工藝。結(jié)果表明，碳纖維增強環(huán)氧樹脂后縱臂質(zhì)量相對較輕，與金屬件相比減輕約30%;碳纖維增強環(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：TQ323.5;U468.3

文獻標識碼：A

文章編號：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，急需進一步面向底盤后縱臂進行輕量化設(shè)計。而碳纖維增強環(huán)氧樹脂以其自身獨特優(yōu)勢，即強度高、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)計中備受青睞"。因此，本文基于碳纖維增強環(huán)氧樹脂對汽車底盤后縱臂成型做了深層研究。

1碳纖維增強環(huán)氧樹脂分析

碳纖維增強環(huán)氧樹脂材料具備強度高、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)進行了深層研究，表明碳纖維增強環(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，碳纖維增強環(huán)氧樹脂分為兩大類型，即熱塑性與熱固性。當前熱固性的應(yīng)用更廣，特別是在新能源汽車零部件生產(chǎn)中，片狀模塑料的實踐運用屢見不鮮。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，而碳纖維增強環(huán)氧樹脂材料恰好符合此標準要求則。

2碳纖維增強環(huán)氧樹脂材料制備與性能分析

2.1材料

就增強相分為依據(jù)，劃分為3種標準試樣，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)《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行拉伸實驗;根據(jù)《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》進行彎曲實驗;根據(jù)《纖維增強塑料縱橫剪切試驗方法》進行縱橫剪切實驗。選用全自動拉伸設(shè)備進行實驗。

2.3性能

不同標準碳纖維增強環(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

后縱臂是新能源汽車底盤的必需零部件，在汽車運行中發(fā)揮著重要作用。汽車行業(yè)在開發(fā)設(shè)計車型時，為降低底盤自重，節(jié)約材料費用，明確提出了減重要求，即基于既有設(shè)計，采取科學(xué)有效的輕量化設(shè)計方案。在減重之前，強度性能參數(shù)會發(fā)生一定變化，而強度性能是汽車行業(yè)最受關(guān)注的性能，因此需保障輕量化設(shè)計方案中強度性能符合規(guī)范要求。在汽車開發(fā)設(shè)計時，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)實時評估分析。底盤后縱臂強度性能仿真分析，需通過Adams軟件進行車懸架系統(tǒng)建模，確定仿真需要硬點載荷，并通過多項載荷選擇可應(yīng)對各種仿真項的工況，以進行后續(xù)輸入。

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

碳纖維增強環(huán)氧樹脂以高強度與高剛度，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)驗為輔助給定初步鋪層設(shè)計，并利用有限元軟件明確詳細鋪層設(shè)計。其中，相同比例不同鋪層順序的縱臂變形與強度計算結(jié)果具體如表2所示。

不同0鋪層比例的后縱臂變形與強度計算結(jié)果[6]具體如圖1所示。

通過詳細分析，最終獲得后縱臂鋪層優(yōu)化設(shè)計。

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，可平均成本，且成型時不會過于依賴操作人員，可全面自動化，節(jié)省人力資源，從而整體上降低成本。同時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碳纖維增強環(huán)氧樹脂單向帶進行預(yù)浸料制作，根據(jù)標準尺寸進行剪裁，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)埋模式進行銜接成型，并受加熱作用預(yù)成型，受壓機作用壓制固化，最終進行脫模，清理干凈，從而獲得最終制品。

4.2成型結(jié)果分析

實驗制成的碳纖維增強環(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)期外觀標準要求。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后縱臂性能實驗分析

5.1襯套壓裝

后縱臂使用時需基于金屬套圈配置橡膠襯套，為保證襯套壓裝時，套圈與臂身銜接穩(wěn)定牢固，進行壓裝實驗以考察分析。襯套壓裝就是把襯套與套圈壓人相互配合的位置以實現(xiàn)裝配，后續(xù)再開展壓出實驗，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，利用小套圈端進行固定，大套圈端增加拉伸載荷，直到試樣被破壞，并對預(yù)埋金屬套圈與后縱臂臂身結(jié)合情況進行考察。

5.3結(jié)果分析

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

通過對比分析后縱臂壓裝標準，可知兩類試樣都滿足要求。為充分考察銜接性能，在壓裝前、壓裝后對兩類試樣金屬套圈與后縱臂銜接位置拍照，并詳細記錄相關(guān)尺寸參數(shù)，以比較評估?？芍瑹崮汗に嚦尚秃罂v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驗中，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)生嚴重裂縫，兩端金屬套圈存在嚴重的塑性變形現(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度較高，且套圈與臂身銜接強度較高，穩(wěn)定性與牢固性較好，拉伸強度較高。

基于剛度與強度保持不變，碳纖維增強環(huán)氧樹脂與金屬后縱臂重量對比結(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，碳纖維增強環(huán)氧樹脂后縱臂質(zhì)量相對較輕，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度、輕質(zhì)量底盤零件研發(fā)生產(chǎn)奠定堅實的技術(shù)支持。

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