為滿足日益嚴格的排放法規(guī)及客戶對延長電動車續(xù)航里程的要求,全球汽車行業(yè)正在加緊推進實現(xiàn)減重目標。
通過選出一種量產(chǎn)的鋼懸架部件來對其進行重新設(shè)計,以將其作為一種可制造的復合材料輕量化部件,福特汽車公司啟動了開發(fā)周期。
所選出的部件呈現(xiàn)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(fā)的復合材料部件已證明適用于高性能的C級汽車。
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(nèi)的一群組織實施的結(jié)果。
該項目的名稱為“復合材料輕量化汽車懸架系統(tǒng)(簡稱‘CLASS’)”。
復合材料技術(shù)已不可阻擋地從學術(shù)研究和航空工業(yè)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。
對于主流汽車行業(yè)整體而言,復合材料性能的復雜性仍然是有待克服的挑戰(zhàn)性問題。
雖然大量的研究一直致力于從工業(yè)和學術(shù)兩個層面上去理解復合材料,但對復合材料的性能進行預測的藝術(shù)尚處于初級階段。
在為賽車的碳纖維結(jié)構(gòu)開發(fā)預測工具方面,GRM Consulting公司擁有幾十年的經(jīng)驗積累。通過避開傳統(tǒng)的方法,以及減少所需的力學測試的數(shù)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(shè)計優(yōu)化軟件,GRM Consulting公司采取了一種基于優(yōu)化的方法來降低成本,縮短工程時間,同時又不影響性能。
對于滿足強度、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(gòu)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制造單元,令汽車底盤制造的全球領(lǐng)先者Gestamp公司在設(shè)計部件以滿足必要的功能性要求方面發(fā)揮了重要作用。
在該項目兩年的開發(fā)過程中,這種復合材料部件的設(shè)計,從單一材料部件發(fā)展到了多種材料的設(shè)計,從而給制造和優(yōu)化團隊帶來了挑戰(zhàn)。
從書中了解的初步信息表明,復合材料輕量化轉(zhuǎn)向節(jié)的構(gòu)思,可由單一一種材料即片狀模塑料(SMC)實現(xiàn)。
然而,長期的工程時間表最終導致設(shè)計工程團隊轉(zhuǎn)向采用多種材料系統(tǒng):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(xiàn)復雜的幾何細節(jié)和面外剛度。
這種單軸和雙軸預浸料結(jié)合SMC的方法,意味著這種復合材料部件能夠達到力學強度、剛度和屈曲目標。
其他的設(shè)計挑戰(zhàn)表明,在不影響制造而保持此設(shè)計概要的同時,必須引入更多的創(chuàng)新。
在做了廣泛的仿真和試驗工作后,設(shè)計即被完成。這使設(shè)計得到了優(yōu)化和細化,滿足了OEM的耐久性和NVH目標。
該項目最終實現(xiàn)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%。
