基于碳纖維增強環氧樹脂的新能源汽車底盤后縱臂成型

蔚亞 康帆

摘要：基于碳纖維增強環氧樹脂，進行新能源汽車底盤后縱臂輕量化設計。就后縱臂力學性能相關要求，基于選材、優化設計、，仿真模擬等方面，深入碳纖維增強環氧樹脂后縱臂成型工藝。結果表明，碳纖維增強環氧樹脂后縱臂質量相對較輕，與金屬件相比減輕約30%;碳纖維增強環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美，質量突出，符合設計應用具體要求;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、輕質量底盤零件研發生產奠定技術支持。

關鍵詞：碳纖維;環氧樹脂;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，電池續航里程延長，急需進一步面向底盤后縱臂進行輕量化設計。而碳纖維增強環氧樹脂以其自身獨特優勢，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計中備受青睞"。因此，本文基于碳纖維增強環氧樹脂對汽車底盤后縱臂成型做了深層研究。

1碳纖維增強環氧樹脂分析

碳纖維增強環氧樹脂材料具備強度高、耐磨、抗震、耐腐蝕等多種優勢特性，且基于此優勢，實現了環氧樹脂材料在新能源汽車中的廣泛應用。于2007年，美國福特企業進行了深層研究，表明碳纖維增強環氧樹脂材料在新能源汽車生產研發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，碳纖維增強環氧樹脂分為兩大類型，即熱塑性與熱固性。當前熱固性的應用更廣，特別是在新能源汽車零部件生產中，片狀模塑料的實踐運用屢見不鮮。因此，就發展前景來講，新能源汽車生產制造更期望于節能環保、可循環利用的熱塑性材

料，而碳纖維增強環氧樹脂材料恰好符合此標準要求則。

2碳纖維增強環氧樹脂材料制備與性能分析

2.1材料

就增強相分為依據，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氧樹脂。基體材料都是自制環氧樹脂，纖維體積比即60%。

2.2方法

根據《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行拉伸實驗;根據《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》進行彎曲實驗;根據《纖維增強塑料縱橫剪切試驗方法》進行縱橫剪切實驗。選用全自動拉伸設備進行實驗。

2.3性能

不同標準碳纖維增強環氧樹脂材料的性能參數具體如表1所示。

3新能源汽車底盤后縱臂設計

后縱臂是新能源汽車底盤的必需零部件，在汽車運行中發揮著重要作用。汽車行業在開發設計車型時，為降低底盤自重，節約材料費用，明確提出了減重要求，即基于既有設計，采取科學有效的輕量化設計方案。在減重之前，強度性能參數會發生一定變化，而強度性能是汽車行業最受關注的性能，因此需保障輕量化設計方案中強度性能符合規范要求。在汽車開發設計時，零部件性能預測，需以有限元軟件仿真模擬為載體，通過仿真數據實時評估分析。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建模，確定仿真需要硬點載荷，并通過多項載荷選擇可應對各種仿真項的工況，以進行后續輸入。

就既有建模標準要求，為切實呈現結構整體特性，確保建模精確度，以及后續計算結果準確性，后縱臂基于5mm網格建模。后縱臂尺寸優化設計，需基于縱臂厚度為變量，質量分數與應變能為響應，應變能最小為目標。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，從而作為優化力進行輸人叫。

碳纖維增強環氧樹脂以高強度與高剛度，耐疲勞與耐腐蝕等力學特性，得以應用于主承力件。以專家經驗為輔助給定初步鋪層設計，并利用有限元軟件明確詳細鋪層設計。其中，相同比例不同鋪層順序的縱臂變形與強度計算結果具體如表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化設計。

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，發展前景較好。

4.1零部件生產

熱模壓工藝選擇預浸料作為成型坯材，以T700碳纖維增強環氧樹脂單向帶進行預浸料制作，根據標準尺寸進行剪裁，以預設的鋪設層數與角度，基于成型模具鋪層，金屬套圈則選擇包覆預埋模式進行銜接成型，并受加熱作用預成型，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成型結果分析

實驗制成的碳纖維增強環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裝配，后續再開展壓出實驗，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，并對預埋金屬套圈與后縱臂臂身結合情況進行考察。

5.3結果分析

后縱臂壓裝實驗過程中，金屬與碳纖維增強環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，并詳細記錄相關尺寸參數，以比較評估。可知，熱模壓工藝成型后縱臂套管銜接位置并未出現明顯改變，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了分層脫粘，包裹套圈存在塑性變形現象;金屬后縱臂的加載端焊縫位置發生嚴重裂縫，兩端金屬套圈存在嚴重的塑性變形現象。

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，碳纖維增強環氧樹脂與金屬后縱臂重量對比結果！叫具體如表4所示，其中，熱模壓成型工藝碳纖維增強環氧樹脂后縱臂的重量比金屬后縱臂減輕了大約30%。

6結語

綜上所述，通過基于碳纖維增強環氧樹脂的新能源汽車底盤后縱臂成型研究，得出結果，碳纖維增強環氧樹脂后縱臂質量相對較輕，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美，質量突出，符合設計應用具體要求;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、輕質量底盤零件研發生產奠定堅實的技術支持。

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