德國弗勞恩霍夫系統可靠性與結構耐久性研究所的研究人員針對中級車開發出一款輕量化橫拉杆. 該構件採用碳纖維材料, 與鋼質的同類構件相比重量降低了35%. 此外, 研究人員還計劃在橫拉杆中整合多種功能, 使之能實現更高的故障允許誤差和使用舒適度. 為此研究人員在構件中採用了結構健康監控系統(SHM)和用於減少固體聲傳播的半主動系統.
對於設計人員來說,如何保證纖維複合結構的設計符合纖維特性並且確保構件在使用時安全可靠是一個巨大的挑戰.
與金屬相比, 纖維複合材料在載荷情況下的行為更複雜, 所以不能簡單地用纖維複合結構替代金屬結構. 考慮到加工工藝以及纖維複合材料各向異性的原因, 在設計時針對不同的材料需要採取不同的途徑. 設計纖維複合材料時必須符合纖維的特性, 所以這些強化纖維必須在載荷方向排列整齊.
橫拉杆在負載情況 '左轉刹車' 時所受的張力
達姆斯達特的研究者們面對的一個挑戰是如何使纖維複合材料構件的製造適合批量化生產. 研究結果表明, 採用熱塑性材料矩陣的有機板坯特別適合大型與面型構件製造. 材料在模具中按照構件的形狀注塑成型. 基於材料的熱固性塑料矩陣體系, 可以考慮採用樹脂傳遞模塑方法加工構件.
LBF的研究人員強調, 要設計出穩定可靠的汽車底盤零件, 需要考慮到所有與零件運行有關的影響因素. 構件的載荷設計以在一個行駛周期中測量輪獲取的載荷集為基礎. 這些數值組被換算成各個構件所受的外力. 臨界駕駛行為由駕駛行為導出, 這些臨界值則作為假設載荷. 按照研究人員的進一步解釋, 不同的駕駛行為在載荷最高的區域引起了錯綜複雜的多軸向負荷狀態, 考慮到行駛安全, 需要對這些狀態進行評估.
優化的敷層結構
研究人員對所採用的材料進行了試驗研究, 根據研究成果構建了材料模型基礎, 並據此對壽命進行評估. 藉助於數字模擬方法, 研究人員對各種載荷區域加以識別, 結構中的纖維增強材料需要根據載荷方向變化. 研究表明, 為了支援局域纖維增強, 編織層需要採用敷層結構. 為了使編織層最佳適應應力載荷, 對敷層構造根據局域纖維方向加以數字優化.
光線揭示損傷
高負載情形會使構件結構受損並縮短構件的壽命, 例如發生交通事故或者在路況很差的路面超載等. 藉助於由纖維光學感測器和光電纜組成的結構健康監控系統, 研究人員可以線上監控這些受損區域. 當構件被監控區域產生了一條裂縫並且損傷加重時, 該區域的變形則加劇, 而纖維光學感測器會捕獲這些變化. 在超出所設定的最低值時, 司機會得到相應的警報顯示.
在纖維複合材料中的阻尼振動
承受動態載荷的輕量化結構易產生振動, 通常情況下會採用減振器之類的裝置減少振動. 採用此種方法的缺點是需要額外的重量和空間. 為此, 弗勞恩霍夫LBF研究所的研究人員通過採用被動元件布線的壓電轉換器整合了減振器. 其原理是採用感應線路和轉換器一起作為諧振線路, 從而取代了機械減振器. 為了實現高效, LBF研究者們在纖維複合材料構件的研發過程中採用了這個半主動系統, 這樣就可以加工出同時具有重量低, 阻尼性能良好的構件.