基于碳纤维增强环氧树脂的新能源汽车底盘后纵臂成型
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作者:蔚亚 康帆
摘要：基于碳纤维增强环氧树脂，进行新能源汽车底盘后纵臂轻量化设计。就后纵臂力学性能相关要求，基于选材、优化设计、，仿真模拟等方面，深入碳纤维增强环氧树脂后纵臂成型工艺。结果表明，碳纤维增强环氧树脂后纵臂质量相对较轻，与金属件相比减轻约30%;碳纤维增强环氧树脂新能源汽车底盘后纵臂成型最佳工艺为热模压工艺，制造的零部件外观优美，质量突出，符合设计应用具体要求;热模压成型工艺具备较高可行性，可以在很大程度上为高强度、轻质量底盘零件研发生产奠定技术支持。
关键词：碳纤维;环氧树脂;底盘;后纵臂;成型
中图分类号：TQ323.5;U468.3
文献标识码：A
文章编号：1001-5922（2020）07-0031-04
新能源汽车由于电池重量过大，为促使底盘重量下降，电池续航里程延长，急需进一步面向底盘后纵臂进行轻量化设计。而碳纤维增强环氧树脂以其自身独特优势，即强度高、刚度高、耐疲劳、耐腐蚀、轻量化潜能突出，得以在汽车底盘零件轻量化设计中备受青睐"。因此，本文基于碳纤维增强环氧树脂对汽车底盘后纵臂成型做了深层研究。
1碳纤维增强环氧树脂分析
碳纤维增强环氧树脂材料具备强度高、耐磨、抗震、耐腐蚀等多种优势特性，且基于此优势，实现了环氧树脂材料在新能源汽车中的广泛应用。于2007年，美国福特企业进行了深层研究，表明碳纤维增强环氧树脂材料在新能源汽车生产研发中具有良好可行性与合理性，且研究报告明确指出，此材料成本低，能耗少，粘接成本低，韧性与抗冲击性突出。此外，就基本特性而言，碳纤维增强环氧树脂分为两大类型，即热塑性与热固性。当前热固性的应用更广，特别是在新能源汽车零部件生产中，片状模塑料的实践运用屡见不鲜。因此，就发展前景来讲，新能源汽车生产制造更期望于节能环保、可循环利用的热塑性材
料，而碳纤维增强环氧树脂材料恰好符合此标准要求则。
2碳纤维增强环氧树脂材料制备与性能分析
2.1材料
就增强相分为依据，划分为3种标准试样，即T300/12K平纹编织、T300/3K平纹编织、T700单向带，都属于碳纤维增强环氧树脂。基体材料都是自制环氧树脂，纤维体积比即60%。
2.2方法
根据《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》进行拉伸实验;根据《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》进行弯曲实验;根据《纤维增强塑料纵横剪切试验方法》进行纵横剪切实验。选用全自动拉伸设备进行实验。
2.3性能
不同标准碳纤维增强环氧树脂材料的性能参数具体如表1所示。
3新能源汽车底盘后纵臂设计
后纵臂是新能源汽车底盘的必需零部件，在汽车运行中发挥着重要作用。汽车行业在开发设计车型时，为降低底盘自重，节约材料费用，明确提出了减重要求，即基于既有设计，采取科学有效的轻量化设计方案。在减重之前，强度性能参数会发生一定变化，而强度性能是汽车行业最受关注的性能，因此需保障轻量化设计方案中强度性能符合规范要求。在汽车开发设计时，零部件性能预测，需以有限元软件仿真模拟为载体，通过仿真数据实时评估分析。底盘后纵臂强度性能仿真分析，需通过Adams软件进行车悬架系统建模，确定仿真需要硬点载荷，并通过多项载荷选择可应对各种仿真项的工况，以进行后续输入。
就既有建模标准要求，为切实呈现结构整体特性，确保建模精确度，以及后续计算结果准确性，后纵臂基于5mm网格建模。后纵臂尺寸优化设计，需基于纵臂厚度为变量，质量分数与应变能为响应，应变能最小为目标。通过悬架模型提载工况实时评估分析，以明确过坑工况载荷，从而作为优化力进行输人叫。
碳纤维增强环氧树脂以高强度与高刚度，耐疲劳与耐腐蚀等力学特性，得以应用于主承力件。以专家经验为辅助给定初步铺层设计，并利用有限元软件明确详细铺层设计。其中，相同比例不同铺层顺序的纵臂变形与强度计算结果具体如表2所示。
不同0铺层比例的后纵臂变形与强度计算结果[6]具体如图1所示。
通过详细分析，最终获得后纵臂铺层优化设计。
4后纵臂成型工艺
热模压工艺的模具成本较高，但是在批量生产时，可平均成本，且成型时不会过于依赖操作人员，可全面自动化，节省人力资源，从而整体上降低成本。同时与后纵臂成型特性与力学性能要求明确相符，工艺整体性良好，尺寸精确度高，成型周期比较短，发展前景较好。
4.1零部件生产
热模压工艺选择预浸料作为成型坯材，以T700碳纤维增强环氧树脂单向带进行预浸料制作，根据标准尺寸进行剪裁，以预设的铺设层数与角度，基于成型模具铺层，金属套圈则选择包覆预埋模式进行衔接成型，并受加热作用预成型，受压机作用压制固化，最终进行脱模，清理干净，从而获得最终制品。
4.2成型结果分析
实验制成的碳纤维增强环氧树脂后纵臂表层光滑整洁，没有富胶、贫胶，没有裂缝，均衡整齐，符合预期外观标准要求。成型过程中，热模压工艺成型周期较短，成品的表层质量较好，可促使繁杂的后纵臂快速成型，不需其他一次性耗材。
5后纵臂性能实验分析
5.1衬套压装
后纵臂使用时需基于金属套圈配置橡胶衬套，为保证衬套压装时，套圈与臂身衔接稳定牢固，进行压装实验以考察分析。衬套压装就是把衬套与套圈压人相互配合的位置以实现装配，后续再开展压出实验，从而明确衬套最大压人力与压出力。
5.2静载单向拉伸
为考察碳纤维增强环氧树脂后纵臂刚度是否符合要求，將其放置在专用电子拉伸工作台，利用小套圈端进行固定，大套圈端增加拉伸载荷，直到试样被破坏，并对预埋金属套圈与后纵臂臂身结合情况进行考察。
5.3结果分析 后纵臂压装实验过程中，金属与碳纤维增强环氧树脂试样压人压出力具体如表3所示。
通过对比分析后纵臂压装标准，可知两类试样都满足要求。为充分考察衔接性能，在压装前、压装后对两类试样金属套圈与后纵臂衔接位置拍照，并详细记录相关尺寸参数，以比较评估。可知，热模压工艺成型后纵臂套管衔接位置并未出现明显改变，依旧衔接紧密，所以，热模压成型工艺适用于后纵臂成型。
后纵臂静载单向拉伸实验中，两类试样破坏情况即，热模压成型碳纤维后纵臂的右端套圈衔接位置上碳纤维出现了分层脱粘，包裹套圈存在塑性变形现象;金属后纵臂的加载端焊缝位置发生严重裂缝，两端金属套圈存在严重的塑性变形现象。
两类试样单向拉伸力一位移变化曲线具体如图2所示。
由图2可知，热模压工艺碳纤维后纵臂刚度与金属后纵臂不相上下，而极限抗拉强度只有后者1/2。就破坏模式而言，金属后纵臂焊缝开裂前，套圈出现了严重塑性变形，甚至失效，而热模压工艺碳纤维后纵臂的加载端套圈发生塑性变形，因此，热模压工艺碳纤维后纵臂套圈衔接强度较高，且套圈与臂身衔接强度较高，稳定性与牢固性较好，拉伸强度较高。
基于刚度与强度保持不变，碳纤维增强环氧树脂与金属后纵臂重量对比结果！叫具体如表4所示，其中，热模压成型工艺碳纤维增强环氧树脂后纵臂的重量比金属后纵臂减轻了大约30%。
6结语
综上所述，通过基于碳纤维增强环氧树脂的新能源汽车底盘后纵臂成型研究，得出结果，碳纤维增强环氧树脂后纵臂质量相对较轻，轻量化成效显著，与金属件相比减轻大约30%;碳纤维增强环氧树脂新能源汽车底盘后纵臂成型最佳工艺为热模压工艺，制造的零部件外观优美，质量突出，符合设计应用具体要求;热模压成型工艺具备较高可行性，可以在很大程度上为高强度、轻质量底盘零件研发生产奠定坚实的技术支持。
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