為滿足日益嚴格的排放法規及客戶對延長電動車續航里程的要求,全球汽車行業正在加緊推進實現減重目標。
通過選出一種量產的鋼懸架部件來對其進行重新設計,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周期。
所選出的部件呈現出了“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公司在內的一群組織實施的結果。
該項目的名稱為“復合材料輕量化汽車懸架系統(簡稱‘CLASS’)”。
復合材料技術已不可阻擋地從學術研究和航空工業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。
對于主流汽車行業整體而言,復合材料性能的復雜性仍然是有待克服的挑戰性問題。
雖然大量的研究一直致力于從工業和學術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尚處于初級階段。
在為賽車的碳纖維結構開發預測工具方面,GRM Consulting公司擁有幾十年的經驗積累。通過避開傳統的方法,以及減少所需的力學測試的數量,該公司對此項目作出了重大貢獻。
利用VR&D Genesis有限元分析和設計優化軟件,GRM Consulting公司采取了一種基于優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先者Gestamp公司在設計部件以滿足必要的功能性要求方面發揮了重要作用。
在該項目兩年的開發過程中,這種復合材料部件的設計,從單一材料部件發展到了多種材料的設計,從而給制造和優化團隊帶來了挑戰。
從書中了解的初步信息表明,復合材料輕量化轉向節的構思,可由單一一種材料即片狀模塑料(SMC)實現。
然而,長期的工程時間表最終導致設計工程團隊轉向采用多種材料系統: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復雜的幾何細節和面外剛度。
這種單軸和雙軸預浸料結合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。
其他的設計挑戰表明,在不影響制造而保持此設計概要的同時,必須引入更多的創新。
在做了廣泛的仿真和試驗工作后,設計即被完成。這使設計得到了優化和細化,滿足了OEM的耐久性和NVH目標。
該項目最終實現的減重效果是,在具有同等功能的情況下,最低減重達30%,最高減重達50%。
