福特重新設(shè)計(jì)碳纖維懸架組件

福特(Ford)、華威制造集團(tuán)(WMG)、汽車技術(shù)公司(Autotech)和GRM咨詢公司(GRM Consulting)已經(jīng)開發(fā)出一種用于C級(jí)車輛的復(fù)合式后懸架轉(zhuǎn)向節(jié)。

根據(jù)福特的說法，新的后懸架轉(zhuǎn)向節(jié)采用獨(dú)特的碳纖維配置和定制的制造工藝相結(jié)合，與目前的鋼構(gòu)件相比，重量減少了50%。該項(xiàng)目中引入的加工技術(shù)據(jù)說是同類產(chǎn)品中首創(chuàng)的，整個(gè)周期不到5分鐘。這一零件的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，目前正在進(jìn)行零件的制造試驗(yàn)，以開發(fā)全面的大規(guī)模生產(chǎn)過程。

協(xié)作是至關(guān)重要的

全球汽車行業(yè)都在推動(dòng)更嚴(yán)格的目標(biāo)，以滿足日益增長的排放嚴(yán)格要求，減輕對(duì)化石燃料消耗的擔(dān)憂以及滿足客戶對(duì)行駛里程更長的電動(dòng)汽車的需求。福特的全球研究和先進(jìn)工程集團(tuán)與英國的底盤工程公司合作，重新設(shè)計(jì)了一種系列鋼制懸架部件，使其能夠作為輕質(zhì)復(fù)合材料部件制造。這種非簧載組件的重量節(jié)省提高了彈簧和阻尼器的有效性，從而提高了乘客的舒適性和駕駛員的操控性。新開發(fā)的復(fù)合零件被證明適合于高性能C級(jí)車。

這一為期兩年的項(xiàng)目——復(fù)合輕型汽車懸架系統(tǒng)(CLASS)，由Innovate UK參與資助。

WMG利用其對(duì)材料性能的廣泛知識(shí)和最先進(jìn)的制造單元，使底盤制造商Autotech能夠設(shè)計(jì)出滿足所需功能要求的組件。GRM咨詢公司為賽車行業(yè)的碳纖維結(jié)構(gòu)開發(fā)預(yù)測(cè)工具，通過減少物理測(cè)試的數(shù)量，為項(xiàng)目做出了重大貢獻(xiàn)。

設(shè)計(jì)方法

在項(xiàng)目進(jìn)行的過程中，復(fù)合材料部分的設(shè)計(jì)從單一材料部分發(fā)展到多材料設(shè)計(jì)。初步研究表明，單材料薄板模塑復(fù)合材料(SMC)可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料輕量化轉(zhuǎn)向節(jié)。然而，對(duì)SMC樣品的嚴(yán)格內(nèi)部測(cè)試突出了兩個(gè)缺陷，即較長的固化時(shí)間和缺乏滿足負(fù)載要求的機(jī)械性能。這些問題導(dǎo)致設(shè)計(jì)工程團(tuán)隊(duì)啟用了一個(gè)多材料系統(tǒng)，其中預(yù)制層提供了所需的機(jī)械性能，并且SMC的共同成型能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的幾何輪廓。這種技術(shù)已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和航天工業(yè)中提出，但是對(duì)汽車應(yīng)用的要求是不同的，這個(gè)項(xiàng)目很可能是這種技術(shù)在汽車行業(yè)的第一次實(shí)施。這是有可能的，因?yàn)槿蚍秶鷥?nèi)的預(yù)制生產(chǎn)成本正在降低。將單/雙軸預(yù)浸料與SMC相結(jié)合的方法表明，復(fù)合材料能夠滿足大多數(shù)機(jī)械強(qiáng)度目標(biāo)。經(jīng)過廣泛的模擬和實(shí)驗(yàn)工作，最終完成了設(shè)計(jì)，包括OEM耐久性和NVH目標(biāo)的優(yōu)化。

創(chuàng)新的制造技術(shù)

目前，已經(jīng)開發(fā)了一種能夠大批量生產(chǎn)高強(qiáng)度、剛性和復(fù)雜形狀的懸架轉(zhuǎn)向節(jié)的模壓成型技術(shù)。這將是完全自動(dòng)化的，制造試驗(yàn)生產(chǎn)用于物理測(cè)試評(píng)估的演示部件的一個(gè)周期時(shí)間低于5分鐘。在壓力機(jī)的幫助下，預(yù)切預(yù)浸料在模具中按要求的形狀預(yù)先成形。然后將預(yù)成形件轉(zhuǎn)移到壓型壓力機(jī)中。該壓縮模壓工具是由一家英國的工具制造商制造的，其特點(diǎn)是傳感器可以跟蹤SMC流，監(jiān)測(cè)工藝參數(shù)，并研究預(yù)浸料和SMC樹脂的固化。SMC由53％重量分?jǐn)?shù)和15k長絲數(shù)碳纖維組成，預(yù)浸料是一種織物，其重量分?jǐn)?shù)為60％，絲數(shù)為12k，均由Mitsubishi Rayon提供。在制造該部件之前，一流的候選碳纖維材料是在美國迪爾伯恩的福特研究與創(chuàng)新中心成型的。這有助于優(yōu)化工藝參數(shù)，從而獲得最大的機(jī)械性能和幾何精度。

經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的成本目標(biāo)是最大的挑戰(zhàn)，但所獲得的經(jīng)驗(yàn)幫助工程師了解如何在成本、性能和重量之間取得最佳平衡。該項(xiàng)目一開始的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)100% SMC復(fù)合轉(zhuǎn)向節(jié)。隨著工程的進(jìn)展，工程師了解到低成本復(fù)合材料無法提供所需的機(jī)械剛度特性，因此必須在材料選擇上更具創(chuàng)造性，以確保生產(chǎn)過程可以保持在周期內(nèi)，同時(shí)滿足該項(xiàng)目開始時(shí)制定的目標(biāo)。