大批量生產的CFRP前副車架：福特與麥格納國際合作，探索出了一條為滿足一款高產量（20萬輛/年）汽車需求而盡可能多地使用碳纖維復合材料大批量生產輕質汽車前副車架的技術路線，并揭示了其中的限制條件、挑戰(zhàn)和采取的技術解決方案（圖片來自麥格納國際）
通過對短切纖維SMC與無卷曲織物SMC進行共模塑，福特與麥格納探索了大批量制造汽車底盤前副車架的生產方式。
前副車架設計圖
幾十年來，碳纖維增強塑料（CFRP）的車身框架/底盤部件一直被用于高端跑車和賽車上。
近年來，CFRP的性能和輕量化特征，使其擴展應用到了更高產量的車型中，包括寶馬的i3、i8 和7 系，以及奧迪的R8和A8豪華轎車。
然而，這其中的大多數(shù)部件，包括車頂軌和橫梁、下側門檻、B柱和后壁，采用的都是連續(xù)纖維。
在一個聯(lián)合研究項目中，福特汽車公司與麥格納國際通過對連續(xù)纖維SMC和短切纖維SMC的組合應用，開發(fā)了一種由SMC制成的碳纖維復合材料副車架。
這項應用極具新意，因為該副車架位于汽車前端，用于支撐發(fā)動機和底盤部件，包括轉向器和用于固定車輪的下控制臂，因而需要承受很高的載荷。
“參與該項目的工程師有幾十名。”麥格納外飾全球創(chuàng)新總監(jiān)Brian Krull介紹說，“我們有結構工程師、制造工程師、測試工程師、產品工程師和計算機輔助工程（CAE）專家，并有來自我們的客戶——福特各個部門的支持，包括車輛建模與仿真。”此外，位于多倫多的麥格納復合材料卓越中心也為此項目提供了支持。“就像我們在Cosma的車身和底盤團隊所做的那樣。”Cosma國際研發(fā)全球總監(jiān)Gabriel Cordoba補充道。
“我們想要探索在高產量的汽車上使用CFRP部件所面臨的挑戰(zhàn)。”福特汽車公司技術主管David Wagner回憶說，“我們的目標是，盡可能多地使用結構CFRP，同時采用能夠適應大批量生產（20萬輛/年）要求的制造方法，看看能減輕多少重量，以及其中的限制條件和挑戰(zhàn)是什么。”
從初步討論到完成設計，該項目歷時一年多。2017年底，原型副車架被交付給福特，并于2018年進入測試階段。
重新定義設計框架
成型的箱形截面上下兩個部分：通過拓撲優(yōu)化的空心箱形截面設計，確保了采用最少的材料提供副車架所需的剛性。上、下兩個部分單獨成型，然后由粘合劑和鉚釘將它們連接起來（圖片來自麥格納國際）
以福特Fusion車型的沖壓鋼副車架作為基準。“福特為該項目提供了設計空間——車輛級的設計輸入，并每周舉行一次設計會議。”Wagner說道。
Cordoba解釋說：“然后，Cosma采用了那個包容空間，并開始探索可以達到的減重效果。我們如何更改設計以適應那個空間，同時還能滿足剛性、強度和耐久性要求呢？”
剛性與對應的包容空間是早期的挑戰(zhàn)。“當由鋼轉向復合材料時，通常會降低模量。”Wagner介紹說，“與基準尺寸相比，我們對新的設計可以改變多少作了定義，并與麥格納分享了初始的拓撲優(yōu)化。”
拓撲優(yōu)化（TO）是一種CAE 分析，可在給定設計空間內優(yōu)化材料的放置，包括載荷、邊界條件和約束條件，并以性能最大化和重量最小化為目標。
“我們從我們自己的拓撲優(yōu)化開始，去理解臨界荷載路徑。”Cordoba介紹說，涉及副車架連接點處的載荷包括：控制臂和發(fā)動機負載、道路負載、發(fā)動機扭矩扭曲和碰撞要求。
“我們必須看看與鋼相比我們的剛度有何不同，以及我們想要的性能。”Krull回憶道。由于復合材料提供了樹脂、纖維和纖維取向的多樣化選擇，因此可以特殊訂制其性能。“但與僅向鋼性能中插入屬性相比，這要復雜得多。”他指出。
“插入屬性（Plugging in properties）”是指將材料數(shù)據輸入到軟件工具中。
“我們使用了所有的標準軟件，包括用于靜態(tài)分析的Nastran（MSC Software，美國加利福尼亞州Newport Beach）、用于非線性靜態(tài)分析的Abaqus （Dassault Systèmes,美國馬薩諸塞州Waltham）、用于疊層覆蓋仿真的Fibersim （Siemens PLC，美國馬薩諸塞州Waltham）和用于拓撲優(yōu)化的HyperWorks（Altair Engineering，美國密歇根州特洛伊），以生成用于分析不同負載情況的有限元模型。”Cordoba說道。
針對不同的載荷、邊界條件和材料進行的多次迭代分析，改進了副車架模型。Krull表示，他們對許多復合材料進行了評估。“我們開始將模壓成型看作是一種可實現(xiàn)大批量生產的工藝。”他補充道，“SMC很適合做這個部件，而且我們內部已經開發(fā)了碳纖維SMC。”
“拓撲優(yōu)化產生了一種作為最佳解決方案的箱型斷面。” Cordoba回憶說，“當我們研究SMC模壓成型工藝時，出現(xiàn)的設計是采用兩個部件來做到這一點。”因此，該車架包含單獨成型的上半部分和下半部分，它們由聚氨酯結構粘合劑和鉚釘連接在一起。
共模塑成型兩種SMC
為抵抗高載荷區(qū)（如上、下兩個部分鉚接和粘接在一起的地方）的高載荷，對無卷曲織物SMC補片的共模塑成型也至關重要（圖片來自麥格納國際）
麥格納利用其玻璃纖維SMC的開發(fā)經驗及其收購的一條試生產線，研制了碳纖維SMC。
“我們?yōu)樘幚磉@種SMC用碳纖維而開發(fā)了專有技術，而且發(fā)現(xiàn)，我們還能用這條生產線生產無卷曲織物（NCF）。”Krull解釋道。這種材料與預浸料相似，都是在成型前得到浸潤，但獨特之處在于，這是在這條SMC生產線上采用同樣的樹脂生產的，因此而稱之為NCF SMC。“當我們在改進副車架的設計分析時，我們使用了這些材料的性能測試結果。”
采用卓爾泰克（Zoltek）的50K 絲束短切碳纖維和亞什蘭內部改性的乙烯基酯樹脂，麥格納配制了EpicBlend SMC。
這種乙烯基酯樹脂對碳纖維具有很好的粘接力并能很好地潤濕它。
這將被用于局部增強并與按0°/90°鋪放的6層NCF SMC 共模塑成型。
該NCF SMC也由麥格納制成，它采用了同樣的乙烯基酯樹脂和卓爾泰克（Zoltek）提供的NCF織物，成型前被裁切成小的補片。
對短纖維SMC和長纖維SMC的組合使用是設計的關鍵，但也是真正的挑戰(zhàn)。
短纖維SMC可實現(xiàn)復雜形狀的成型以及對鋼嵌件的包覆成型，以用于發(fā)動機和轉向支架，而NCF補片能夠承受發(fā)動機和下控制臂固定處的高負荷。
與沖壓鋼副車架相比，這兩種SMC材料的組合使用減輕了9.3 kg的重量。
“開發(fā)這種用于共模塑的0°/90°SMC 補片花費了不少功夫。”Krull回憶說，并指出了在成型過程中實現(xiàn)這種短切纖維SMC的流動以確保無干點或者無其他質量問題地集成NCF補片所需要注意的問題。
螺栓連接
將不銹鋼套筒包覆成型到SMC副車架中，實現(xiàn)了4個車身安裝連接和兩個轉向支座連接（圖片來自麥格納國際）
螺栓連接也是一個問題。“在用螺栓將控制臂和轉向器固定到副車架上的地方，復合材料承受的點載荷很高，達到80～100kN。”Wagner說。在4個車身安裝連接和兩個轉向支架連接的地方，需要將不銹鋼套筒包覆成型到復合材料部件中。“為了固定，要將每個車身安裝襯套壓入套筒中以實現(xiàn)過盈配合。”Krull解釋道，“應力通過套筒圓周被帶入成型部件中。我們觀察了插入襯套時的力，并將這些輸入計算機設計模型中。我們還在力學試驗中尋找復合材料中產生的裂縫，但什么也沒看到。”
Wagner介紹說，使用的螺栓很大，通常是M12和更大的，而且必須擁有緊的位置公差、直徑公差和角度公差。一旦成型并裝配好副車架，就需要進行必要的后加工。
測試與團隊合作
2018年，原型副車架得到了測試。
福特完成了部件級別和整車級別的一系列腐蝕性測試，以探索各種緩蝕措施。部件和整車級別的耐久性試驗包括石擊試驗、螺栓載荷保持試驗和高溫循環(huán)試驗。對部件的試驗包括高周疲勞試驗、接頭過載試驗、振動和安全試驗。
“我們自己測試了原型副車架。”Krull說，“這是由SMC 制成的非常大而復雜的部件，由共模塑成型工藝制成。為了了解我們還有可能在哪里使用這些材料，我們正在研究如何改變設計、成型中的SMC流動以及纖維排列。”
“我們想要了解這類大量使用CFRP的部件的成本動因是什么。”Wagner說，“二次加工是最重要的成本之一。我們需要更富有創(chuàng)造性的思考，以消除部件成型后的加工。”他還表示，最大的挑戰(zhàn)之一是為設計而開發(fā)成型部件的絕對材料特性。“我們花費大量時間對材料進行表征以用于設計分析。”他解釋說。
Cordoba說，最大的成就是團隊合作。“不僅與我們的客戶福特之間的合作，還包括全球團隊的合作。”
Wagner贊同說：“這是我們如何推動我們的供應商和我們自己去使用先進的輕量化材料的最好例子。”
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