福特汽車公司與WMG, 華威大學, Gestamp和GRM Consulting公司合作, 開發了一種輕量化的複合材料後懸架轉向節, 用於Innovate UK的C級汽車.
通過對碳纖維的獨特部署, 以及採用優化的技術和訂製的生產工藝, 該複合材料的後懸架轉向節相比目前製造的鋼部件, 最大可減重50%.
通過綜合應用先進的加工技術與GRM Consulting的模擬技術, 該團隊開發出了一種在同類設計中尚屬第一的設計.
該部件的設計是完善的, 目前, 對部件的生產和試驗正在進行之中, 目的是開發出大規模的量產工藝.
複合材料的轉向節-系杆原型
鋼製的轉向節-系杆
引言
為滿足日益嚴格的排放法規及客戶對延長電動車續航裡程的要求, 全球汽車行業正在加緊推進實現減重目標.
通過選出一種量產的鋼懸架部件來對其進行重新設計, 以將其作為一種可製造的複合材料輕量化部件, 福特汽車公司啟動了開發周期.
所選出的部件呈現出了 '最小剛度與最大剛度' , '屈曲指標與強度指標' 等彼此矛盾的要求.
對這一特殊的非彈簧支撐部件的減重, 可提升彈簧和阻尼器的相對有效性, 從而改善乘員的舒適性和駕駛員的操作性.
這一新開發的複合材料部件已證明適用於高性能的C級汽車.
在材料與工藝選擇之間獲得的細膩而完美的平衡, 令總的生產迴圈時間低至5min. .
合作必不可少
這一成功的故事, 是由Innovate UK部分資助的一個為期兩年的項目以及由包括福特汽車公司, Gestamp, WMG, 華威大學和GRM Consulting公司在內的一群組織實施的結果.
該項目的名稱為 '複合材料輕量化汽車懸架系統(簡稱 'CLASS' )' .
複合材料技術已不可阻擋地從學術研究和航空工業進入到了主流汽車工程實踐之中, 以抵消電動汽車和自動駕駛汽車固有重量的增加.
對於主流汽車行業整體而言, 複合材料性能的複雜性仍然是有待克服的挑戰性問題.
雖然大量的研究一直致力於從工業和學術兩個層面上去理解複合材料, 但對複合材料的性能進行預測的藝術尚處於初級階段.
在為賽車的碳纖維結構開發預測工具方面, GRM Consulting公司擁有幾十年的經驗積累. 通過避開傳統的方法, 以及減少所需的力學測試的數量, 該公司對此項目作出了重大貢獻.
利用VR&D Genesis有限元分析和設計優化軟體, GRM Consulting公司採取了一種基於優化的方法來降低成本, 縮短工程時間, 同時又不影響性能.
對於滿足強度, 剛度和屈曲載荷要求的無窮多種纖維取向的組合, 需要了解機構的失效點. 為此, WMG, 華威大學運用他們對材料行為的廣泛理解以及最先進的製造單元, 令汽車底盤製造的全球領先者Gestamp公司在設計部件以滿足必要的功能性要求方面發揮了重要作用.
設計方法
在該項目兩年的開發過程中, 這種複合材料部件的設計, 從單一材料部件發展到了多種材料的設計, 從而給製造和優化團隊帶來了挑戰.
從書中了解的初步資訊表明, 複合材料輕量化轉向節的構思, 可由單一一種材料即片狀模塑料(SMC)實現.
然而, 長期的工程時間表最終導致設計工程團隊轉向採用多種材料系統: 預浸料層賦予了其所在之處所需的平面力學性能, SMC 的包覆成型則允許實現複雜的幾何細節和面外剛度.
這種單軸和雙軸預浸料結合SMC的方法, 意味著這種複合材料部件能夠達到力學強度, 剛度和屈曲目標.
其他的設計挑戰表明, 在不影響製造而保持此設計概要的同時, 必須引入更多的創新.
在做了廣泛的模擬和試驗工作後, 設計即被完成. 這使設計得到了優化和細化, 滿足了OEM的耐久性和NVH目標.
該項目最終實現的減重效果是, 在具有同等功能的情況下, 最低減重達30%, 最高減重達50%.
創新製造技術
一種能夠大批量生產這種高強度, 複雜形狀的懸架轉向節的模壓成型工藝已被開發出來, 2017年第二季度, 已對一個示範部件進行生產和力學測試.
材料由三菱人造絲公司提供.
在開始製造這種複合材料的轉向節系杆之前, 在福特位於美國迪爾伯恩的研發創新中心對用於CLASS的候選碳纖維材料進行成型, 這對優化工藝參數以獲得最大的力學性能和形狀精度提供了幫助.
經驗總結
通過GRM Consulting 及所有參與公司的共同努力, 該項目達到了結構和減重目標.
在此過程中積累的經驗, 幫助工程師們理解了如何採用多種材料設計達到最佳平衡.
隨著項目的推進, 採用VR&D Genesis的優化方法得到了提升, 材料選擇方法得到了改進, 從而為設計和製造工程師滿足嚴格的要求提供了支援.
福特令項目團隊接受了 '交付高度複雜的重載部件' 的挑戰, 預示著如果可行, 那麼交付其他許多汽車部件就相對簡單. 跡象表明, 這已為整輛汽車帶來了顯著的減重機遇.