摘要：采用碳纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂作為某新能源汽車(chē)后縱臂輕量化的材料。針對后縱臂的力學(xué)性能要求，通過(guò)材料的選擇、鋪層的優(yōu)化、模具設計與制造、零件的制造和性能試驗等，對碳纖維后縱臂的制造工藝進(jìn)行研究。結果表明，與傳統的金屬件相比，采用碳纖維可使后縱臂質(zhì)量減輕30%，而熱模壓工藝適合碳纖維后縱臂的成形。

前言

隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，許多先進(jìn)復合材料因其優(yōu)異的綜合性能在汽車(chē)上得到了越來(lái)越廣泛的應用，例如碳纖維增強復合材料已經(jīng)成功應用于一些高端車(chē)型的覆蓋件、結構件。在一些大眾車(chē)型中，雖然已經(jīng)有部分非結構件采用了纖維增強復合材料，然而在承載件如底盤(pán)零部件上，復合材料的應用還非常有限。為解決能源危機而誕生的新能源汽車(chē)因電池質(zhì)量大，進(jìn)行底盤(pán)的輕量化設計，以延長(cháng)續航里程顯得十分重要。相對于高強度鋼、鋁鎂合金等輕量化材料，碳纖維復合材料以其高比強度、比剛度、耐疲勞及耐腐蝕特性而具有更高的輕量化潛能。

本文中將選擇如圖1 所示的汽車(chē)底盤(pán)典型連桿類(lèi)零件——后縱臂為研究對象，從選材、設計、仿真、優(yōu)化、成形等各方面實(shí)現汽車(chē)底盤(pán)典型零部件的碳纖維輕量化設計。

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材料選擇與材料性能實(shí)驗

為了選擇汽車(chē)底盤(pán)碳纖維后縱臂材料，并為后續的設計提供所需的力學(xué)性能參數，分別對不同碳纖維編織布和單向帶增強的復合材料進(jìn)行單向拉伸、三點(diǎn)彎曲和縱橫剪切實(shí)驗，獲得相應的拉伸、彎曲與剪切性能參數。

1. 1 材料

標準試樣根據增強相分為3 種: T300 的3K 平紋編織布增強、T300 的12K 平紋編織布增強和T700 的單向帶增強，均為碳纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂( 下簡(jiǎn)稱(chēng)碳纖維) ?；w材料均為自制的環(huán)氧樹(shù)脂。纖維體積比為60%。

1. 2 實(shí)驗方法與設備

拉伸實(shí)驗參照《GB /T 1447—2005 纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，彎曲實(shí)驗參照《GB /T1449—2005 纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》，縱橫剪切實(shí)驗參照《GB /T 3355—2005 纖維增強塑料縱橫剪切試驗方法》進(jìn)行。采用Zwick /Ｒoell 全自動(dòng)拉伸試驗機。

1. 3 材料性能實(shí)驗結果及分析

圖2 中列出了部分試樣實(shí)驗前后的對比。

表1 列出了實(shí)驗測得不同材料的主要性能參數。由表1 可以看出，小絲束的T300 /3K 平紋編織布復合材料比大絲束的T300 /12K 的彈性模量要高，這是由于小絲束碳纖維編織布由于編織帶來(lái)的微彎曲較小，但強度主要取決于碳纖維的強度，故二者強度值相近。

而與平紋編織布復材相比，單向帶復材具有明顯的各向異性，不同纖維方向強度差異很大，方向拉伸強度與模量很高，都遠遠超過(guò)平紋編織布復材。因此，單向帶復材在鋪層設計中具有更優(yōu)異的靈活性，且能達到更高的力學(xué)性能要求。由于后縱臂在軸線(xiàn)方向須要承受較大的拉伸和扭轉載荷，對力學(xué)性能要求較高，故綜合分析以上實(shí)驗結果，增強材料選擇T700 碳纖維單向帶。

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碳纖維后縱臂的設計與優(yōu)化

原金屬后縱臂由高強鋼沖壓出“幾”字形薄壁梁，再焊接3 個(gè)套圈而成，主要承受拉伸、彎曲與扭轉載荷，整個(gè)縱臂質(zhì)量為1． 86kg。在碳纖維后縱臂設計中，為了保證后縱臂的使用功能，3個(gè)套圈仍采用原金屬套圈，且保持位置不變。

綜合考慮纖維復合材料力學(xué)性能與成形特點(diǎn)，結合專(zhuān)家經(jīng)驗給出了碳纖維后縱臂外形與初步鋪層設計，再使用材料性能實(shí)驗獲取T700 碳纖維單向帶增強復合材料的材料參數，經(jīng)過(guò)有限元分析校核與鋪層優(yōu)化，最終得到滿(mǎn)足力學(xué)性能要求的碳纖維復合材料后縱臂設計。其結構示意圖見(jiàn)圖3，鋪層順為( 45 / － 45 /0 /0 /0 /0 /0 /0 /0 /0 /0) S。

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成形工藝研究及實(shí)驗

3. 1 成形工藝的確定

后縱臂零件屬于典型的軸套類(lèi)零件，由復合材料臂身和3 個(gè)金屬套圈構成，針對纖維增強復合材料的成形特點(diǎn)，其成形難點(diǎn)在于縱臂臂身與3 個(gè)金屬套圈的連接。

在改形設計中，充分利用碳纖維增強樹(shù)脂基復合材料的整體成形性能和沿纖維方向優(yōu)異的拉伸性能，利用碳纖維包覆3 個(gè)套圈，并且采用圓弧與斜面過(guò)渡，中間填充碳纖維增強體，再進(jìn)行共固化成形。

目前應用最為廣泛的復合材料成形工藝主要是在航空航天領(lǐng)域較為成熟的熱壓罐工藝和各種罐內成形工藝。但首先考慮到縱臂零件的體積較小，且汽車(chē)領(lǐng)域的低附加值使其對成本控制的要求遠遠高于航空航天領(lǐng)域，故不選用高成本的熱壓罐工藝和各種罐內成形工藝。

碳纖維后縱臂可以采用以下較為成熟的低成本成形工藝: 熱模壓工藝、樹(shù)脂傳遞模塑工藝和真空導入工藝。這3 種工藝均可用于連續纖維增強零件的成形。

此外，考慮到后期汽車(chē)量產(chǎn)階段對成形效率要求較高，須要選擇3 種工藝中成形周期最短的工藝。最后由于碳纖維后縱臂為承載結構件，對力學(xué)性能要求較高，對各類(lèi)成形缺陷都較敏感，要求成形工藝能夠盡可能減少氣泡、干斑等類(lèi)缺陷。

通過(guò)綜合分析上述3 類(lèi)成形工藝，最終確定采用熱模壓工藝，雖然熱模壓模具成本相對昂貴，但在大批量生產(chǎn)中可均分模具成本，同時(shí)成形過(guò)程對操作人員依賴(lài)性小，可實(shí)現機械自動(dòng)化，降低人力成本，使綜合成本大大降低，且符合縱臂成形特點(diǎn)和力學(xué)性能要求，工藝整體性較好，尺寸精度較高，成形周期較短，具有良好的發(fā)展前景。

3. 2 零件制造

熱模壓工藝以預浸料為成形坯材，故采用T700碳纖維單向帶制作單向預浸料，按照要求尺寸裁剪，根據預先設計好的鋪設層數和角度在成形模具( 圖4) 中進(jìn)行合理鋪層，金屬套圈采用包覆預埋的方式連接成形，然后在加熱條件下預成形，在壓機條件下進(jìn)行壓制固化( 圖4) ，最后脫模清理，得到最終制品( 圖5) 。

3. 3 成形實(shí)驗結果與討論

試制的碳纖維后縱臂表面光潔，無(wú)富膠和貧膠，無(wú)裂紋，均勻平整，達到了預計的外觀(guān)要求。分析其成形過(guò)程，熱模壓工藝雖然模具開(kāi)發(fā)成本相對較高，且由于成形壓力較大而對成形設備要求也更高，初期研發(fā)投入相對較多，但熱模壓工藝成形周期短，制品表面質(zhì)量更好，能夠使形狀復雜的后縱臂順利成形，不需要其他一次性耗材，在大批量生產(chǎn)的情況下能夠大幅度降低成本。

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零件性能實(shí)驗

4. 1 實(shí)驗項目及方法

4. 1. 1 碳纖維后縱臂襯套壓裝實(shí)驗

由于縱臂在使用過(guò)程中，須在金屬套圈中裝配橡膠襯套，為了保證襯套壓入壓出過(guò)程中金屬套圈與碳纖維臂身的連接可靠，進(jìn)行縱臂套圈壓裝實(shí)驗，考察包裹金屬套圈的碳纖維臂身與金屬套圈之間的連接強度。

襯套壓裝即將具有過(guò)盈配合的襯套與套圈壓到配合位置的裝配過(guò)程，然后再進(jìn)行襯套壓出實(shí)驗，確定襯套最大壓入力和壓出力( 要求: EP11 后縱臂壓入力≥20kN; 最大壓出力≥10kN) ，實(shí)驗設置如圖6 所示。

4. 1. 2 碳纖維后縱臂靜載單向拉伸實(shí)驗

為了考察碳纖維后縱臂的剛度是否滿(mǎn)足要求，將碳纖維后縱臂置于專(zhuān)用電子拉伸機工作臺上，小套圈端固定，大套圈端施加拉伸載荷至樣件破壞，同時(shí)考核了預埋金屬套圈與碳纖維臂身的結合情況。實(shí)驗設置如圖7 所示。

4. 2 零件實(shí)驗結果及分析

在后縱臂壓裝實(shí)驗中，金屬和碳纖維兩種樣件的壓入壓出力見(jiàn)表2，對比后縱臂壓裝實(shí)驗要求，可知上述樣件均滿(mǎn)足壓裝要求。

為了更好地考察連接性能，分別在壓裝前后對兩種樣件的金屬套圈與縱臂連接處進(jìn)行拍照和尺寸記錄，并進(jìn)行對比評價(jià)?？梢钥闯鰺崮汗に嚦尚翁祭w維后縱臂套管連接處沒(méi)有發(fā)生變化，仍然保持緊密連接，這是由于熱模壓工藝為雙模成形，成形壓力大，使金屬套圈與碳纖維復合材料貼合緊密，保證了粘結強度，故從金屬套圈與碳纖維臂身共固化連接性能方面驗證了熱模壓成形工藝適合于碳纖維后縱臂成形。

在縱臂的靜載單拉實(shí)驗中，兩種樣件實(shí)驗后的破壞情況如圖8 所示，1#件為熱模壓成形碳纖維后縱臂，3#件為金屬后縱臂。由圖可見(jiàn)，1#件右端套圈連接處碳纖維有分層脫粘的現象，且包裹的金屬套圈有塑性變形; 3#件加載端焊縫連接處也完全開(kāi)裂且兩端金屬套圈均已發(fā)生了嚴重的塑性變形。

圖9 給出了兩種試樣的拉伸力-位移曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，1#碳纖維件的整體剛度和3#金屬后縱臂的剛度相當，滿(mǎn)足初步設計要求; 而1#碳纖維件的極限抗拉強度只有3 #金屬件的一半。

但從破壞方式可以發(fā)現，金屬縱臂在焊縫破裂之前，兩端套圈均已經(jīng)發(fā)生了嚴重的塑性變形且已失效，而1#件只有加載端套圈塑性變形并失效，故可認為1#件的套圈處連接強度已達到3#金屬件水平; 熱模壓工藝成形碳纖維縱臂金屬套圈與臂身的連接有較高的連接強度，具有較高可靠性，套圈外碳纖維包覆層力學(xué)性能較好，較好地發(fā)揮了其高拉伸強度的優(yōu)勢，因此可以確定在此次碳纖維后縱臂開(kāi)發(fā)中采用熱模壓工藝。

碳纖維后縱臂在固定端處金屬套圈未發(fā)生塑性變形，說(shuō)明傳力路徑不通暢，有局部應力集中，導致碳纖維縱臂整體有效承載能力不足。在下一步的研發(fā)過(guò)程中，將進(jìn)一步優(yōu)化復合材料后縱臂結構設計，使碳纖維后縱臂結構更加合理，整體變形均勻，有效承載能力提高。碳纖維縱臂與金屬縱臂質(zhì)量對比結果見(jiàn)表3。

重型貨車(chē)車(chē)型駕駛室的聲壓級預測模型，著(zhù)重解決了子系統的科學(xué)劃分、模型參數( 特別是內損耗因子和耦合損耗因子) 的確定、多種激勵的施加等問(wèn)題，實(shí)現了低頻、中頻和高頻段的車(chē)內聲壓級預測。對比結果表明，所建立的聲壓級預測模型的計算精度和速度能夠滿(mǎn)足工程需要，可用于下一步車(chē)內聲場(chǎng)的分析、比較和改進(jìn)。