碳纖維復合材料控制臂輕量化技術研究

摘要：以鍛鋁控制臂為原型，采用碳纖維預浸料和CF-SMC（碳纖維片狀模塑料）共同使用的混合工藝開發碳纖維復合材料控制臂。從用材方案、結構方案與分析、工藝方案及制造、性能試驗等方面詳細介紹了碳纖維控制臂的開發過程。在結構設計過程中，以最大制動作為典型工況進行力學性能分析，經過概念方案、過程方案到最終方案的分析與迭代，最終設計及制造的碳纖維控制降低質量21%。最后針對碳纖維控制臂進行性能試驗，針對試驗結果詳細分析了缺陷原因及改善思路。

 

關鍵詞：碳纖維 控制臂 混合工藝 輕量化

01前言

汽車輕量化是汽車節能減排的重要途徑之一，碳纖維復合材料具備輕質高強等諸多性能優勢，是汽車深度輕量化的理想材料。碳纖維復合材料成型前的中間材料按纖維狀態可分為連續纖維型和非連續纖維型，連續纖維型有碳纖維干織物、碳纖維預浸料等，后續通過樹脂傳遞模塑成型（RTM）或模壓成型，成型后的產品具有優異的力學性能；非連續纖維型有碳纖維增強片狀模塑材料(Carbon Fiber-Sheet Molding Compound，CF-SMC)，通過模壓流動成型，可形成復雜的產品結構。

控制臂作為汽車系統的傳力和導向元件，將作用在車輪上的各種力傳遞給車身，同時保證車輪按一定的軌跡運動[1]。目前市面上的控制臂按用材方式基本分為鋼材質和鋁材質2種，鋼材質一般采用鋼板沖壓加焊接的方式，鋁材質一般采用鑄造或鍛壓的方式?？刂票鄣妮p量化不僅能提升整車輕量化水平，同時明顯提升車輛的操控性能，目前鍛鋁控制臂是較為主流的輕量化方案，普遍應用于中高端車型。

從用材發展趨勢的角度，碳纖維復合材料因其優異的綜合性能，有望在控制臂等底盤部件上展開應用，以滿足進一步輕量化需求。本文以SUV車型的鍛鋁控制臂為原型（圖1），開發碳纖維復合材料控制臂，針對異形實體的結構特點，采用碳纖維預浸料和CF-SMC共用使用的混合工藝，以滿足其強度、剛度以及結構特征的需求。

圖1 國外開發的碳纖維控制臂

02技術路線分析

1、國外開發情況

目前國外在碳纖維控制臂方面已有相關的研發案例，但并未量產應用。圖1a為德國弗勞恩霍夫研究所采用RTM工藝制作的碳纖維控制臂，相比原鋼制控制臂質量降低45%[2]，圖1b為馬瑞利采用CF-SMC模壓工藝制作的控制臂，相比原有鋼制控制臂質量降低50%，圖1c為蘭博基尼采用CFSMC模壓工藝制作的控制臂，相比原有鍛鋁控制臂質量降低30%[3]。

2、技術路線

本文選取的控制臂原型件用于SUV車型，面臨的載荷要求遠高于跑車和一般性能車的同類部件。另外，控制臂原型件為鍛鋁材質，強度高且集成性好，輕量化效果已經十分優異，在此基礎上通過復材化尋求進一步的輕量化空間，面臨較大的技術難題。在此情況下，本文放棄了國外的RTM方案和CF-SMC方案，采用連續纖維預浸料加上CF-SMC混合使用的方式，以滿足其強度、剛度以及結構特征的需求，同時盡可能保持原有的集成性效果。

通過調研國內外的材料資源情況，篩選確定預浸料和CF-SMC的材料方案；根據控制臂原型件的結構形式和空間裝配關系以及載荷要求進行結構設計；按照給定的載荷要求建立混合工藝下產品的有限元模型進行力學性能分析；根據產品結構和控制臂總成的裝配方式，同時結合材料特性和混合工藝特點制定成型工藝方案和模具方案，最終進行樣件的試制和性能試驗。

03用材方案

碳纖維預浸料采用織物類型，CF-SMC纖維質量分數為50%左右，主要材料參數見表1。

表1 材料性能參數

注：“—”為CF-SMC無對應參數。

04結構方案與分析

1、載荷工況

通過對前懸架系統的典型極限工況進行仿真計算，獲取控制臂各點的載荷情況，具體載荷值見表2。

表2 控制臂典型工況載荷值

通過對比發現，最大制動工況的載荷強度遠遠高出其他工況，因此后續以最大制動工況作為結構設計和分析評估的典型工況。

2、概念方案

概念方案如圖2所示，采用上板和下板整體粘接的方式，其中上下板分別由預浸料和CF-SMC共同成型，同時利用CF-SMC的流動性鑲嵌球頭、前襯套、后螺柱等金屬附件。

圖2 碳纖維控制臂概念方案

概念方案中，整體的思路是最大可能地采用連續纖維預浸料，以滿足控制臂高載荷的要求。

3、過程方案

按照概念方案的思路開展過程方案的設計，如圖3所示?？紤]到概念方案中，前襯套和球頭的鑲嵌方式工藝實現難度較高，因此將其改為螺栓連接的方式，同時也能夠加強上下板之間的連接強度，彌補單純膠接的不足。另外，考慮到CFSMC的運用主要是進行后螺柱的鑲嵌，同時提升控制臂整體剛度，因此將CF-SMC實體部分完全布置于上板，下板僅為預浸料模壓結構，使工藝簡化，同時CF-SMC實體部分在Z向得到連續，更好地提供剛度支撐。

圖3 碳纖維控制臂過程方案

過程方案經過多輪結構設計和分析優化，均不滿足要求，如圖4所示，主要表現在預浸料織物部分Tsai-Wu失效，CF-SMC部分和結構膠部分應力過大。

圖4 過程方案分析結果

通過分析，出現以上失效的原因如下。

a.雖然碳纖維預浸料織物強度高，但是為滿足控制臂的結構特征，織物變形量大，在受載情況下易發生層間的剪切破壞，造成Tsai-Wu失效；

b.雖然碳纖維織物強度高，但CF-SMC和結構膠強度相對于碳纖維織物顯得薄弱，在復合使用時，無法通過結構設計將應力大幅度分散于碳纖維織物，造成CF-SMC和結構膠部分失效；

c.在進行控制臂碳纖化的過程中，其原有的連接部分需要保留金屬結構，同時需要鋼制螺栓進行機械連接，造成輕量化效果不明顯。

4、最終方案

總結過程方案的失效形式，同時對鍛鋁控制臂進行分析，發現受載情況下控制臂主要承載部位為3條輪廓邊。因此改變思路，制定以CFSMC為主體，以碳纖維預浸料織物為局部補強的結構方案，方案如圖5所示，質量降低效果達21%。

圖5 碳纖維控制臂最終方案

方案思路：以CF-SMC為主體，避免其因結構單薄和受載嚴苛而失效。以碳纖維預浸料織物補強3條輪廓邊，可以將碳纖維織物預浸料的高強度性能發揮在真正需要承載的區域，同時大幅降低碳纖維織物的成型變形量，有效避免Tsai-Wu失效。另外此方案無需結構膠進行粘接，也避免了結構膠失效的風險。同時，此方案的金屬附件全部采用一體鑲嵌成型的方式，無需機械連接和因連接額外增加的金屬結構部分，能夠有效地提升輕量化效果。

碳纖維織物預浸料的鋪層方式及參考方向如圖6所示。預浸料單層厚度0.22 mm，鋪層為[(0/45)3/0]s，總共14層，總厚度為3.08 mm。

圖6 鋪層方式

5、CAE分析

以最大制動工況對碳纖維控制臂進行強度分析。有限元模型中，CF-SMC本體采用實體單元，碳纖維預浸料采用二維單元賦以復合材料層合板屬性，CF-SMC單元和預浸料單元之間采用共節點處理，金屬附件均采用實體單元，與CF-SMC單元之間采用共節點處理。以最大制動工況的載荷分解作為加載，約束方式采用慣性釋放，有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型

最終分析結果如圖8所示。根據分析結果同時對比材料強度，碳纖維控制臂的各部分均滿足強度要求。從分析云圖中可以看出，3條預浸料發揮了有效承載的作用，同時在減小了織物變形量的情況下，Tsai-Wu失效程度得到了控制。另外以CF-SMC為主體，使得CF-SMC部分的最大應力控制在＜150 MPa。CAE分析的整體結果與結構方案的思路完全吻合。

圖8 最終方案分析結果

05工藝方案及制造

碳纖維控制臂本體的采用混合成型方式，工藝方案見圖9。

圖9 混合成型工藝[4]

具體制造過程：首先將預浸料進行預成型形成預制件，然后將預制件隨同CF-SMC一同鋪放于模具中，然后預浸料、CF-SMC以及金屬附件一體模壓成型，形成控制臂本體，后續進行球頭及襯套安裝得到碳纖維控制臂，具體的工藝過程見圖10。

圖10 碳纖維控制臂制造過程

06性能試驗

1、無損檢測

用CT（電子計算機斷層掃描）設備對樣件進行檢測，結果如圖11所示。

圖11 碳纖維控制臂CT照片

通過無損檢測，可以看出局部存在空隙缺陷，首要原因是產品厚度過大，但產品厚度是根據性能需求進行的設計，優化空間不大。出現缺陷的其他原因：排氣不暢；纖維含量高，流動性不佳；成型壓力不足?？偨Y以上原因，針對后續的工藝改善制定以下方向：模具增設抽真空裝置；在性能滿足要求的前提下，稍微降低纖維含量；試探性提高成型壓力。

2、靜強度試驗

對碳纖維控制臂進行靜強度試驗，固定控制臂前點和后點，對控制臂外點分別進行X+、Y-和Y+3個方向的加載試驗，試驗結果如表3所示，破壞狀態如圖12所示。

表3 靜強度試驗結果

注：“——”為未破壞，故無破壞力的值。

圖12 碳纖維控制臂破壞狀態

碳纖維控制臂沒有屈服過程，均出現脆性斷裂。其中X+和Y-向的加載斷裂強度在10 kN左右，且均在球頭處斷裂，與理想狀態稍有差距。通過觀察CF-SMC的斷面，發現斷裂處的纖維存在較大部分剝離現象，沒有發揮有效承載作用。CF-SMC的纖維取向與鋪料方式、材料流動性以及結構形式相關，很大程度上依靠材料的流動性進行填充和熔接，由于球頭處屬于大附件薄壁鑲嵌的方式，鋪料方式受局限，在CF-SMC流動性不佳的情況下，熔接處的纖維無法交錯，造成強度低。后續將從改善材料流動性、改進鋪料方式和預浸料局部補強的方向進行改善。

07總結

a.本文以鍛鋁控制臂為原型，采用碳纖維預浸料和CF-SMC共同使用的混合工藝開發碳纖維復合材料控制臂，以最大制動作為典型工況進行力學性能分析，詳細闡述了從概念方案到過程方案到最終方案的迭代思路和分析過程，最終制得的碳纖維控制臂質量降低21%。

b.本文詳細闡述了碳纖維控制臂的制造過程，并針對后續的性能試驗結果詳細分析了缺陷原因及改善思路。

c.本文開發的碳纖維控制臂，是針對底盤部件進行碳纖維復材化的前瞻探索，其所用工藝及相關技術對其他底盤部件具有指導意義。

08參考文獻

[1]王道勇,張文燦,劉軍.汽車懸架鋁合金控制臂的成形分析及工藝研究[J].鍛壓技術,2018,43(12):10-15.

[2]SPANCKEN D,BüTER A,TÖWS P,et al.Testing and evaluation of a Suspension Arm with Integrated Functions[J].Lightweight des worldw,2017(10):24-27.

[3]FERABOLI P，GASCO F，WADE B,et al.LAMBORGHI?NI"FORGED COMPOSITE®"TECHNOLOGY FOR THE SUSPENSION ARMS OF THE SESTO ELEMENTO[J].Materials Science,2011.

[4]MARC F,MARTIN H.New Methods for Computing and Developing Hybrid Sheet MoldingCompound Structures for Aviation Industry[J].Procedia CIRP,2017(66):45-50.

文章來源：期刊（汽車工藝與材料）

作者 方程1、王昌斌1、成龍2、李繼川2（1.中國第一汽車股份有限公司 材料與輕量化研究院，長春 130011；2.中國第一汽車股份有限公司 研發總院，長春 130011）