工業運輸系統供應商Hutchinson公司為新款標緻208 FE 開發出了採用玻璃纖維增強複合材料製成的前後橋. 據介紹, 這款混合電動概念車每100 km只消耗1.9L的汽油. 從傳統的金屬軸/懸架系統轉向一個基於複合材料的系統, 降低了20.4 kg的重量, 或者說降低了大約40%的重量. 標緻汽車公司與Hutchinson的母公司Total(法國巴黎)合作, 設計了這款汽車, 以探尋一種可行的方法來滿足歐洲關於 '到2020年, 每公裡CO2的排放量低於90g' 的嚴厲的法規要求. 顯然, 208 FE輕鬆地達到了這一標準, 據介紹, 其每公裡的CO2排放量是49g, 這對於一輛純粹的(非插電式)混合動力汽車而言, 是一項突出的世界紀錄.
Hutchinson的複合材料前軸懸架葉片示意圖
作為材料配方公司以及面向汽車, 軌道交通和航空工業的振動控制技術製造商, Hutchinson利用其經驗設計了208 FE的車軸. Hutchinson將這些軸的結構複合材料核心稱為是一種 '多功能的懸架葉片' , 因為其設計特點是:在一個部件中整合了4種重要功能——懸架, 轉向, 抗振動/雜訊以及防側傾. 在開發過程中, 設計工程師們整合/消除了12個部件, 包括: 彈簧, 彈簧座, 防側傾杆, 防側傾杆配件, 防側傾杆的連接杆以及叉臂(轉向部分)元件等.
標緻208 FE, 一款混合動力概念汽車, 配備了採用大約50%單向環氧/玻璃纖維製成的前, 後軸(圖片來自標緻汽車公司)
相比金屬懸架, 該複合材料的葉片設計降低了20.4 kg(約40%)的重量. 在加工中, 設計工程師們能夠整合或消除12個部件(圖片來自標緻汽車公司)
這一全新的懸架實際上起源於Hutchinson在20年前為另一家歐洲汽車製造商生產的一個部件. Hutchinson複合材料技術中心(簡稱 'CTeC' )的技術總監Bertrand Florentz回憶說, 當時該部件已準備投入生產, 但由於對傳統的鋼懸架的偏好, 這一生產計劃最終被取消. 隨著2020更嚴厲的排放標準即將落實, 未達標的企業將面臨處罰, 從而使今天的汽車製造商們正面臨著市場形勢的巨大變化. 與此同時, Hutchinson早期所積累的懸架應用經驗, 也使其快速地響應了標緻208 FE新的, 設計獨特的發展要求.
在設計汽車懸架時, 首先考慮的是, 這一部件總成需要承受靜載荷(汽車的固定重量)和動載荷(運行時產生), 相當於分布到所有3個空間軸上的拉伸力, 壓縮力和剪切力, 即縱向的, 垂直的和橫向的載荷. 駕駛時, 其承受的動載荷可以達到汽車靜載荷的5倍大, 因此, 在該部件的關鍵結構尺寸和總體設計中, 動載荷是重要的考慮因素.
針對這些多軸向載荷問題, Hutchinson初期的 '宏偉' 設計方案是, 採用一種梁分布均勻的正交異性模型去類比主懸架結構. 這種梁正交異性模型作為一個底線, 允許工程師們針對局部必要的剛性特徵, 來滿足汽車基本的靜載荷要求.
如果材料的力學性能和熱性能在3個相互垂直的方向上是唯一而獨立的, 則屬於正交各向異性材料. 相比之下, 各向同性材料的各種性能在所有的方向上都是相同的. 此外, 一種材料可以擁有同質的(均勻的)或非同質的(不均勻的)微結構. 一種材料, 如軋鋼, 是天然的正交各向異性和同質性(均勻性). 設計一種同質的正交各向異性的複合材料, 關鍵是採用同樣的 '微結構' (即材料, 在此是一種環氧樹脂)和大多數的單向玻璃纖維, 按改變厚度和方向的一種層合構成方式, 構建一種層壓結構. 這樣的一種結構將允許設計工程師們在採用有限元分析(FEA)對部件建模後, 通過增加或減少特定區域的增強材料, 來處理好3個獨立軸中的各種變形和載荷問題.
因此, 設計過程的第二步是在Hutchinson的研究中心對該懸架進行詳細的有限元類比. 在此所做的類比被用於模仿複合材料葉片的剛性, 並提供詳細的層合結構, 包括織物的取向和局部厚度. 結果, 獲得了一種擁有3個層合結構的葉片設計: 層合結構一, 在葉片的每一端, 球接頭在此與柱子(較厚, 同時更加特別的是, 憑藉高度的縱向剛度而確保了輪導向)相接 ;層合結構二,是與安裝在橡膠上的鋼軸支架相連接的兩面的中間部分;層合結構三, 支架(較薄, 而且尤為特別的是, 確保了懸架的垂直剛度)之間的中間部分.
在有限元模擬中考慮的載荷類型是垂直載荷(對稱的和不對稱的), 縱向載荷, 橫向載荷, 轉角載荷, 側面衝擊載荷和疲勞載荷. 模擬輸出的是所有方向上葉片的剛度, 位移和運動學, 以及樹脂和纖維的局部應力和應變. 然後將應力和應變與實驗室獲得的材料許用值相比較, 包括必要的 '材料失效' 因素.
在一個並行開發過程中, 研究人員採用層壓試樣和純樹脂對材料進行了綜合表徵. 具體到材料和部件生產(如樹脂傳遞模塑成型(RTM))的工藝參數, 總的反應熱, 熱膨脹和熱收縮(在所有的3個軸方向)以及纖維集中度等, 由通過差示掃描量熱法(DSC), 接觸角測量法和動態力學分析法(DMA)獲得的測量值計算而出. 這些數據被用於生成一個懸架葉片的黏彈性模型, 然後將其導入到ABAQUS 有限元分析軟體中(Dassault Systèmes,美國麻薩諸塞州沃爾瑟姆). 熱力學分析被用於確定成型過程中加熱的 '熱點' , 以及計算並預測在固化迴圈期間由加工引起的變形和殘餘應力, 目的是當部件設計完成後優化加工條件, 同時確保部件在正常生產的模具和設備上得到連續成型.
儘管Hutchinson為標緻208 FE 設計了複合材料的前, 後軸, 但由於增加了轉向元素而使前軸更為複雜. 最終的懸架設計由一個弓形主結構的玻璃纖維增強葉片構成, 其厚度範圍在12~ 15 mm之間, 纖維的體積含量超過50%. 該葉片長約1.2m, 名義寬度140mm, 弓深大約315mm. 在消除上述所有部件的過程中, 該複合材料的軸/懸架設計整合了傳統金屬懸架的所有功能, 如: 該弓形的懸架葉片在組裝過程中按其預壓的形狀被安裝到汽車上, 並橫跨汽車前端寬度而作為一個單一的彈簧用於吸收路振. 該複合材料葉片的每一面都由一對橡膠鉸接(一個垂直的, 一個縱向的)而與汽車的白車身(BIW)相連. 當葉片為應對路振而發生彎曲或壓縮時, 在兩對固定之間的橫向軸中被拉長. 為適應這種橫向延伸, 橡膠底座提供了必要的橫向位移彈性, 同時它們還可對路振和雜訊進行額外的過濾. 這些鉸接被整合到一對包封了葉片每一面的鋼底殼中.
每個葉尖與鋼球關節相連. 這些球關節轉而與連接杆(拉杆)相連, 這些連接杆通過吸振器而被裝到汽車上. 在這些連接點上, 葉片承受最大的負載力, 因此, 在葉片設計中, 對這一區域做了額外增強. 通過取代防傾杆, 該葉片本身就兼具了防側傾的功能, 這是由其固有的彎曲剛性和固定的對稱性實現的. 實際上, 基於變形的對稱性, 當左輪向上移動時, 右輪也向上移動, 這實際上是一個防傾連接的定義. 轉向是傳統的而且與葉片分離, 一個連接車輪的轉向架通過左, 右連接杆而直接轉動.
Florentz說, 設計並製造一個複合材料的軸/懸架, 在工程上付出的努力至少是設計同樣的金屬部件的5倍. 但就某種意義而言, 花費額外的時間是必要的, 因為鋼作為一種傳統材料而擁有大量的測試數據和合格數據, 但對於複合材料部件而言, 材料的最終表徵必須在經曆逐層老化, 類比和後處理後而獲得. 假設在類似的應用中使用複合材料, 可以確信的是, 由於材料的認證, 測試和類比工作從一個項目傳遞給了另一個項目, 因此大多數額外的工程開發時間可以消除.
在於法國巴黎舉行的JEC 2015展會中, 該懸架葉片是Hutchinson公司展位的亮點
JEC 2015展會中, 參觀者們能夠在展出的懸架系統上清晰地看到該懸架設計是如何將彈簧葉片結構從前懸架的轉向功能中分離出來
雖然這項技術仍被認為是概念性的, 但這項應用卻值得關注且具有潛力. 長期以來, 複合材料一直被認為不適合商業化汽車的結構應用, 為此, 複合材料行業做了許多艱難的努力, 來證明複合材料替代金屬的潛力. 憑藉Hutchinson公司在此方面邁出的重要一步, 相信汽車製造商和消費者們可以做出自己的判斷.