Hutchinson的復(fù)合材料前軸懸架葉片示意圖
 

        作為材料配方公司以及面向汽車、軌道交通和航空工業(yè)的振動控制技術(shù)制造商，Hutchinson利用其經(jīng)驗設(shè)計了208 FE的車軸。Hutchinson將這些軸的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料核心稱為是一種“多功能的懸架葉片”，因為其設(shè)計特點是:在一個部件中整合了4種重要功能——懸架、轉(zhuǎn)向、抗振動/噪聲以及防側(cè)傾。在開發(fā)過程中，設(shè)計工程師們整合/消除了12個部件，包括：彈簧、彈簧座、防側(cè)傾桿、防側(cè)傾桿配件、防側(cè)傾桿的連接桿以及叉臂(轉(zhuǎn)向部分)元件等。

       相比金屬懸架，該復(fù)合材料的葉片設(shè)計降低了20.4 kg(約40%)的重量。在加工中，設(shè)計工程師們能夠整合或消除12個部件(圖片來自標(biāo)致汽車公司)

這一全新的懸架實際上起源于Hutchinson在20年前為另一家歐洲汽車制造商生產(chǎn)的一個部件。Hutchinson復(fù)合材料技術(shù)中心(簡稱“CTeC”)的技術(shù)總監(jiān)Bertrand Florentz回憶說，當(dāng)時該部件已準(zhǔn)備投入生產(chǎn)，但由于對傳統(tǒng)的鋼懸架的偏好，這一生產(chǎn)計劃最終被取消。隨著2020更嚴(yán)厲的排放標(biāo)準(zhǔn)即將落實，未達(dá)標(biāo)的企業(yè)將面臨處罰，從而使今天的汽車制造商們正面臨著市場形勢的巨大變化。與此同時，Hutchinson早期所積累的懸架應(yīng)用經(jīng)驗，也使其快速地響應(yīng)了標(biāo)致208 FE新的、設(shè)計獨特的發(fā)展要求。
 

       在設(shè)計汽車懸架時，首先考慮的是，這一部件總成需要承受靜載荷(汽車的固定重量)和動載荷(運行時產(chǎn)生)，相當(dāng)于分布到所有3個空間軸上的拉伸力、壓縮力和剪切力，即縱向的、垂直的和橫向的載荷。駕駛時，其承受的動載荷可以達(dá)到汽車靜載荷的5倍大，因此，在該部件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸和總體設(shè)計中，動載荷是重要的考慮因素。
 

       針對這些多軸向載荷問題，Hutchinson初期的“宏偉”設(shè)計方案是，采用一種梁分布均勻的正交異性模型去模擬主懸架結(jié)構(gòu)。這種梁正交異性模型作為一個底線，允許工程師們針對局部必要的剛性特征，來滿足汽車基本的靜載荷要求。
 

        如果材料的力學(xué)性能和熱性能在3個相互垂直的方向上是唯一而獨立的，則屬于正交各向異性材料。相比之下，各向同性材料的各種性能在所有的方向上都是相同的。此外，一種材料可以擁有同質(zhì)的(均勻的)或非同質(zhì)的(不均勻的)微結(jié)構(gòu)。一種材料，如軋鋼，是天然的正交各向異性和同質(zhì)性(均勻性)。設(shè)計一種同質(zhì)的正交各向異性的復(fù)合材料，關(guān)鍵是采用同樣的“微結(jié)構(gòu)”(即材料，在此是一種環(huán)氧樹脂)和大多數(shù)的單向玻璃纖維、按改變厚度和方向的一種層合構(gòu)成方式，構(gòu)建一種層壓結(jié)構(gòu)。這樣的一種結(jié)構(gòu)將允許設(shè)計工程師們在采用有限元分析(FEA)對部件建模后，通過增加或減少特定區(qū)域的增強材料，來處理好3個獨立軸中的各種變形和載荷問題。
 

        因此，設(shè)計過程的第二步是在Hutchinson的研究中心對該懸架進(jìn)行詳細(xì)的有限元模擬。在此所做的模擬被用于模仿復(fù)合材料葉片的剛性，并提供詳細(xì)的層合結(jié)構(gòu)，包括織物的取向和局部厚度。結(jié)果，獲得了一種擁有3個層合結(jié)構(gòu)的葉片設(shè)計：層合結(jié)構(gòu)一，在葉片的每一端，球接頭在此與柱子(較厚，同時更加特別的是，憑借高度的縱向剛度而確保了輪導(dǎo)向)相接 ;層合結(jié)構(gòu)二,是與安裝在橡膠上的鋼軸支架相連接的兩面的中間部分;層合結(jié)構(gòu)三，支架(較薄，而且尤為特別的是，確保了懸架的垂直剛度)之間的中間部分。
 

        在有限元仿真中考慮的載荷類型是垂直載荷(對稱的和不對稱的)、縱向載荷、橫向載荷、轉(zhuǎn)角載荷、側(cè)面沖擊載荷和疲勞載荷。仿真輸出的是所有方向上葉片的剛度、位移和運動學(xué)，以及樹脂和纖維的局部應(yīng)力和應(yīng)變。然后將應(yīng)力和應(yīng)變與實驗室獲得的材料許用值相比較，包括必要的“材料失效”因素。

在一個并行開發(fā)過程中，研究人員采用層壓試樣和純樹脂對材料進(jìn)行了綜合表征。具體到材料和部件生產(chǎn)(如樹脂傳遞模塑成型(RTM))的工藝參數(shù)、總的反應(yīng)熱、熱膨脹和熱收縮(在所有的3個軸方向)以及纖維集中度等，由通過差示掃描量熱法(DSC)、接觸角測量法和動態(tài)力學(xué)分析法(DMA)獲得的測量值計算而出。這些數(shù)據(jù)被用于生成一個懸架葉片的黏彈性模型，然后將其導(dǎo)入到ABAQUS 有限元分析軟件中(Dassault Systèmes,美國馬薩諸塞州沃爾瑟姆)。熱力學(xué)分析被用于確定成型過程中加熱的“熱點”，以及計算并預(yù)測在固化循環(huán)期間由加工引起的變形和殘余應(yīng)力，目的是當(dāng)部件設(shè)計完成后優(yōu)化加工條件，同時確保部件在正常生產(chǎn)的模具和設(shè)備上得到連續(xù)成型。
 

        盡管Hutchinson為標(biāo)致208 FE 設(shè)計了復(fù)合材料的前、后軸，但由于增加了轉(zhuǎn)向元素而使前軸更為復(fù)雜。最終的懸架設(shè)計由一個弓形主結(jié)構(gòu)的玻璃纖維增強葉片構(gòu)成，其厚度范圍在12～15 mm之間，纖維的體積含量超過50%。該葉片長約1.2m，名義寬度140mm，弓深大約315mm。在消除上述所有部件的過程中，該復(fù)合材料的軸/懸架設(shè)計整合了傳統(tǒng)金屬懸架的所有功能，如：該弓形的懸架葉片在組裝過程中按其預(yù)壓的形狀被安裝到汽車上，并橫跨汽車前端寬度而作為一個單一的彈簧用于吸收路振。該復(fù)合材料葉片的每一面都由一對橡膠鉸接(一個垂直的，一個縱向的)而與汽車的白車身(BIW)相連。當(dāng)葉片為應(yīng)對路振而發(fā)生彎曲或壓縮時，在兩對固定之間的橫向軸中被拉長。為適應(yīng)這種橫向延伸，橡膠底座提供了必要的橫向位移彈性，同時它們還可對路振和噪聲進(jìn)行額外的過濾。這些鉸接被集成到一對包封了葉片每一面的鋼底殼中。
 

        每個葉尖與鋼球關(guān)節(jié)相連。這些球關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)而與連接桿(拉桿)相連，這些連接桿通過吸振器而被裝到汽車上。在這些連接點上，葉片承受最大的負(fù)載力，因此，在葉片設(shè)計中，對這一區(qū)域做了額外增強。通過取代防傾桿，該葉片本身就兼具了防側(cè)傾的功能，這是由其固有的彎曲剛性和固定的對稱性實現(xiàn)的。實際上，基于變形的對稱性，當(dāng)左輪向上移動時，右輪也向上移動，這實際上是一個防傾連接的定義。轉(zhuǎn)向是傳統(tǒng)的而且與葉片分離，一個連接車輪的轉(zhuǎn)向架通過左、右連接桿而直接轉(zhuǎn)動。
 

        Florentz說，設(shè)計并制造一個復(fù)合材料的軸/懸架，在工程上付出的努力至少是設(shè)計同樣的金屬部件的5倍。但就某種意義而言，花費額外的時間是必要的，因為鋼作為一種傳統(tǒng)材料而擁有大量的測試數(shù)據(jù)和合格數(shù)據(jù)，但對于復(fù)合材料部件而言，材料的最終表征必須在經(jīng)歷逐層老化、模擬和后處理后而獲得。假設(shè)在類似的應(yīng)用中使用復(fù)合材料，可以確信的是，由于材料的認(rèn)證、測試和模擬工作從一個項目傳遞給了另一個項目，因此大多數(shù)額外的工程開發(fā)時間可以消除。

       雖然這項技術(shù)仍被認(rèn)為是概念性的，但這項應(yīng)用卻值得關(guān)注且具有潛力。長期以來，復(fù)合材料一直被認(rèn)為不適合商業(yè)化汽車的結(jié)構(gòu)應(yīng)用，為此，復(fù)合材料行業(yè)做了許多艱難的努力，來證明復(fù)合材料替代金屬的潛力。憑借Hutchinson公司在此方面邁出的重要一步，相信汽車制造商和消費者們可以做出自己的判斷。