电动车底盘轻量化新技术--碳纤维复合多材料后桥

多材料复合后桥的性能仿真模拟复合多材料后桥

前言

由于电池系统的加入，轻量化对电动汽车来说显得尤为重要。在过去几年，汽车制造商不断引入新的材料、设计理念和制造工艺。纤维增强复合材料也在车身结构和底盘系统得到大量的应用，取代金属材料。在材料替代的过程中，复合材料的界面性能以及力学结构设计受到重点关注。一般需要针对应用的零部件，综合考虑力学载荷的分布。同时，还可以通过复合材料的各项异性设计，加强重点部位的承载能力，实现进一步减重。

在欧盟针对电动汽车和轻量化设计的研究项目“epsilon”期间，Fraunhofer LBF开发了一种复合材料轻型后桥，获得了显着的减重效果，如图1所示。与传统金属相比，实现减重37%。此外，复合材料的铺层设计也保证了较高的结构刚度，在道路实测中，其力学表现完全可与传统后桥相媲美。

后桥的连接工艺设计

该后桥由两端的金属件和中间的复合材料横梁组成，如图2所示，这种设计适用于混合动力车身连接，且可以更好地处理局部应力集中。采用Heidelberger公司的T-IGEL金属/复合材料的混合连接技术，将连接栓牢牢的与金属体连接在一起，并伸入复合材料部件，从而实现连接。以各种顺序排列的多个连接栓可以传递较大的张力和抗扭力，减少了螺栓周围的复合材料的应力集中。该工艺适用于大载荷服役的轴、撞击结构及各种结构部件。

由于后桥的中间横梁需要承受较大的扭转和弯曲载荷，研究人员对复合材料横梁也进行了结构优化。通过铺层结构的设计，在刚度要求和可制造性之间找到平衡点，通过数字化模拟，最终确定层铺结构。

研究人员通过建立数学模型对后桥的临界承载能力进行模拟分析，从而指导复合材料横梁的铺层设计。图4为在最大加速度和最大扭转情况下的载荷分布。在此基础上，研究人员还通过减小加速度、减小扭转角度设置了多组验证试验，同时也进行了垂直载荷的试验，具体参数见表1和表2。
 

通过以上一系列模拟试验，出于安全性和部件失效性能考虑，排除了全复合材料材质后桥的设计，转而采用金属两端和复合材料横梁的组合设计。

多材料复合轻量化后桥的制造工艺

汽车零部件制造技术的选择主要依赖于成本。其中包括材料成本、时间成本、加工工艺成本等多方面。特别是生产周期，显得尤为重要。因此，研发人员采用普通的金属材料以及径向编织的CFRP复合材料。同时，侧面和和中间的接口部位也选择了金属材料。一方面方便与底盘其他部件进行连接，另一方面这些部件体积较小，减重潜力较低，用复合材料替代不划算。

为了稳定结构并增加强度，后桥还使用了多个T-Igel连接栓将金属部件连接到FRP梁上。每个T-Igel连接栓可以承受大约0.5 kN的剪切力，从而达到较好的刚性效果。此外，各部件的装配公差也是一个较大的挑战。通过合理的装配流程设计以及专门自制的夹具实现了较好的装配连接。

后桥的性能测试

随后，开发者们在实验室中对其静态载荷进行测试，结果显示其刚性甚至超出了模拟预期。目前，该轻型后桥的道路实测已取得成功，其动态性能与传统后桥相差无几。

该轻型后桥的成功开发证明了用CFRP替代金属作为汽车悬架的高承载部件是完全可行的。通过复合材料的替代设计，实现了37%的减重。因此，复合材料具有减重和实现零部件局部加强的优点，也是汽车高承载件用材的理想选择。

汽车材料网编者按：传统的乘用车后桥采用管材弯曲焊接或液压成形工艺，Fraunhofer LBF开发的碳纤维多材料复合后桥，给底盘轻量化又增加了可选择的方案。本设计的核心技术是碳纤维复合材料的性能设计、复合材料与钢的连接，以及复合材料各项异性的性能表征技术。无论短期是否能产业化应用，但在技术方向上有了更进一步的探索。 

（来源：汽车材料网）