碳纤维复合材料控制臂轻量化技术研究
摘要：以锻铝控制臂为原型，采用碳纤维预浸料和CF-SMC（碳纤维片状模塑料）共同使用的混合工艺开发碳纤维复合材料控制臂。从用材方案、结构方案与分析、工艺方案及制造、性能试验等方面详细介绍了碳纤维控制臂的开发过程。在结构设计过程中，以最大制动作为典型工况进行力学性能分析，经过概念方案、过程方案到最终方案的分析与迭代，最终设计及制造的碳纤维控制降低质量21%。最后针对碳纤维控制臂进行性能试验，针对试验结果详细分析了缺陷原因及改善思路。
关键词：碳纤维 控制臂 混合工艺 轻量化
01前言
汽车轻量化是汽车节能减排的重要途径之一，碳纤维复合材料具备轻质高强等诸多性能优势，是汽车深度轻量化的理想材料。碳纤维复合材料成型前的中间材料按纤维状态可分为连续纤维型和非连续纤维型，连续纤维型有碳纤维干织物、碳纤维预浸料等，后续通过树脂传递模塑成型（RTM）或模压成型，成型后的产品具有优异的力学性能；非连续纤维型有碳纤维增强片状模塑材料(Carbon Fiber-Sheet Molding Compound，CF-SMC)，通过模压流动成型，可形成复杂的产品结构。
控制臂作为汽车系统的传力和导向元件，将作用在车轮上的各种力传递给车身，同时保证车轮按一定的轨迹运动[1]。目前市面上的控制臂按用材方式基本分为钢材质和铝材质2种，钢材质一般采用钢板冲压加焊接的方式，铝材质一般采用铸造或锻压的方式。控制臂的轻量化不仅能提升整车轻量化水平，同时明显提升车辆的操控性能，目前锻铝控制臂是较为主流的轻量化方案，普遍应用于中高端车型。
从用材发展趋势的角度，碳纤维复合材料因其优异的综合性能，有望在控制臂等底盘部件上展开应用，以满足进一步轻量化需求。本文以SUV车型的锻铝控制臂为原型（图1），开发碳纤维复合材料控制臂，针对异形实体的结构特点，采用碳纤维预浸料和CF-SMC共用使用的混合工艺，以满足其强度、刚度以及结构特征的需求。
图1 国外开发的碳纤维控制臂
02技术路线分析
1、国外开发情况
目前国外在碳纤维控制臂方面已有相关的研发案例，但并未量产应用。图1a为德国弗劳恩霍夫研究所采用RTM工艺制作的碳纤维控制臂，相比原钢制控制臂质量降低45%[2]，图1b为马瑞利采用CF-SMC模压工艺制作的控制臂，相比原有钢制控制臂质量降低50%，图1c为兰博基尼采用CFSMC模压工艺制作的控制臂，相比原有锻铝控制臂质量降低30%[3]。
2、技术路线
本文选取的控制臂原型件用于SUV车型，面临的载荷要求远高于跑车和一般性能车的同类部件。另外，控制臂原型件为锻铝材质，强度高且集成性好，轻量化效果已经十分优异，在此基础上通过复材化寻求进一步的轻量化空间，面临较大的技术难题。在此情况下，本文放弃了国外的RTM方案和CF-SMC方案，采用连续纤维预浸料加上CF-SMC混合使用的方式，以满足其强度、刚度以及结构特征的需求，同时尽可能保持原有的集成性效果。
通过调研国内外的材料资源情况，筛选确定预浸料和CF-SMC的材料方案；根据控制臂原型件的结构形式和空间装配关系以及载荷要求进行结构设计；按照给定的载荷要求建立混合工艺下产品的有限元模型进行力学性能分析；根据产品结构和控制臂总成的装配方式，同时结合材料特性和混合工艺特点制定成型工艺方案和模具方案，最终进行样件的试制和性能试验。
03用材方案
碳纤维预浸料采用织物类型，CF-SMC纤维质量分数为50%左右，主要材料参数见表1。
表1 材料性能参数
注：“—”为CF-SMC无对应参数。
04
结构方案与分析
1、载荷工况
通过对前悬架系统的典型极限工况进行仿真计算，获取控制臂各点的载荷情况，具体载荷值见表2。
表2 控制臂典型工况载荷值
通过对比发现，最大制动工况的载荷强度远远高出其他工况，因此后续以最大制动工况作为结构设计和分析评估的典型工况。
2、概念方案
概念方案如图2所示，采用上板和下板整体粘接的方式，其中上下板分别由预浸料和CF-SMC共同成型，同时利用CF-SMC的流动性镶嵌球头、前衬套、后螺柱等金属附件。
图2 碳纤维控制臂概念方案
概念方案中，整体的思路是最大可能地采用连续纤维预浸料，以满足控制臂高载荷的要求。
3、过程方案
按照概念方案的思路开展过程方案的设计，如图3所示。考虑到概念方案中，前衬套和球头的镶嵌方式工艺实现难度较高，因此将其改为螺栓连接的方式，同时也能够加强上下板之间的连接强度，弥补单纯胶接的不足。另外，考虑到CFSMC的运用主要是进行后螺柱的镶嵌，同时提升控制臂整体刚度，因此将CF-SMC实体部分完全布置于上板，下板仅为预浸料模压结构，使工艺简化，同时CF-SMC实体部分在Z向得到连续，更好地提供刚度支撑。
图3 碳纤维控制臂过程方案
过程方案经过多轮结构设计和分析优化，均不满足要求，如图4所示，主要表现在预浸料织物部分Tsai-Wu失效，CF-SMC部分和结构胶部分应力过大。
图4 过程方案分析结果
通过分析，出现以上失效的原因如下。
a.虽然碳纤维预浸料织物强度高，但是为满足控制臂的结构特征，织物变形量大，在受载情况下易发生层间的剪切破坏，造成Tsai-Wu失效；
b.虽然碳纤维织物强度高，但CF-SMC和结构胶强度相对于碳纤维织物显得薄弱，在复合使用时，无法通过结构设计将应力大幅度分散于碳纤维织物，造成CF-SMC和结构胶部分失效；
c.在进行控制臂碳纤化的过程中，其原有的连接部分需要保留金属结构，同时需要钢制螺栓进行机械连接，造成轻量化效果不明显。
4、最终方案
总结过程方案的失效形式，同时对锻铝控制臂进行分析，发现受载情况下控制臂主要承载部位为3条轮廓边。因此改变思路，制定以CFSMC为主体，以碳纤维预浸料织物为局部补强的结构方案，方案如图5所示，质量降低效果达21%。
图5 碳纤维控制臂最终方案
方案思路：以CF-SMC为主体，避免其因结构单薄和受载严苛而失效。以碳纤维预浸料织物补强3条轮廓边，可以将碳纤维织物预浸料的高强度性能发挥在真正需要承载的区域，同时大幅降低碳纤维织物的成型变形量，有效避免Tsai-Wu失效。另外此方案无需结构胶进行粘接，也避免了结构胶失效的风险。同时，此方案的金属附件全部采用一体镶嵌成型的方式，无需机械连接和因连接额外增加的金属结构部分，能够有效地提升轻量化效果。
碳纤维织物预浸料的铺层方式及参考方向如图6所示。预浸料单层厚度0.22 mm，铺层为[(0/45)3/0]s，总共14层，总厚度为3.08 mm。
图6 铺层方式
5、CAE分析
以最大制动工况对碳纤维控制臂进行强度分析。有限元模型中，CF-SMC本体采用实体单元，碳纤维预浸料采用二维单元赋以复合材料层合板属性，CF-SMC单元和预浸料单元之间采用共节点处理，金属附件均采用实体单元，与CF-SMC单元之间采用共节点处理。以最大制动工况的载荷分解作为加载，约束方式采用惯性释放，有限元模型如图7所示。
图7 有限元模型
最终分析结果如图8所示。根据分析结果同时对比材料强度，碳纤维控制臂的各部分均满足强度要求。从分析云图中可以看出，3条预浸料发挥了有效承载的作用，同时在减小了织物变形量的情况下，Tsai-Wu失效程度得到了控制。另外以CF-SMC为主体，使得CF-SMC部分的最大应力控制在＜150 MPa。CAE分析的整体结果与结构方案的思路完全吻合。
图8 最终方案分析结果
05工艺方案及制造
碳纤维控制臂本体的采用混合成型方式，工艺方案见图9。
图9 混合成型工艺[4]
具体制造过程：首先将预浸料进行预成型形成预制件，然后将预制件随同CF-SMC一同铺放于模具中，然后预浸料、CF-SMC以及金属附件一体模压成型，形成控制臂本体，后续进行球头及衬套安装得到碳纤维控制臂，具体的工艺过程见图10。
图10 碳纤维控制臂制造过程
06性能试验
1、无损检测
用CT（电子计算机断层扫描）设备对样件进行检测，结果如图11所示。
图11 碳纤维控制臂CT照片
通过无损检测，可以看出局部存在空隙缺陷，首要原因是产品厚度过大，但产品厚度是根据性能需求进行的设计，优化空间不大。出现缺陷的其他原因：排气不畅；纤维含量高，流动性不佳；成型压力不足。总结以上原因，针对后续的工艺改善制定以下方向：模具增设抽真空装置；在性能满足要求的前提下，稍微降低纤维含量；试探性提高成型压力。
2、静强度试验
对碳纤维控制臂进行静强度试验，固定控制臂前点和后点，对控制臂外点分别进行X+、Y-和Y+3个方向的加载试验，试验结果如表3所示，破坏状态如图12所示。
表3 静强度试验结果
注：“——”为未破坏，故无破坏力的值。
图12 碳纤维控制臂破坏状态
碳纤维控制臂没有屈服过程，均出现脆性断裂。其中X+和Y-向的加载断裂强度在10 kN左右，且均在球头处断裂，与理想状态稍有差距。通过观察CF-SMC的断面，发现断裂处的纤维存在较大部分剥离现象，没有发挥有效承载作用。CF-SMC的纤维取向与铺料方式、材料流动性以及结构形式相关，很大程度上依靠材料的流动性进行填充和熔接，由于球头处属于大附件薄壁镶嵌的方式，铺料方式受局限，在CF-SMC流动性不佳的情况下，熔接处的纤维无法交错，造成强度低。后续将从改善材料流动性、改进铺料方式和预浸料局部补强的方向进行改善。
07总结
a.本文以锻铝控制臂为原型，采用碳纤维预浸料和CF-SMC共同使用的混合工艺开发碳纤维复合材料控制臂，以最大制动作为典型工况进行力学性能分析，详细阐述了从概念方案到过程方案到最终方案的迭代思路和分析过程，最终制得的碳纤维控制臂质量降低21%。
b.本文详细阐述了碳纤维控制臂的制造过程，并针对后续的性能试验结果详细分析了缺陷原因及改善思路。
c.本文开发的碳纤维控制臂，是针对底盘部件进行碳纤维复材化的前瞻探索，其所用工艺及相关技术对其他底盘部件具有指导意义。
08参考文献
[1]王道勇,张文灿,刘军.汽车悬架铝合金控制臂的成形分析及工艺研究[J].锻压技术,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.
文章来源：期刊（汽车工艺与材料）
作者 方程1、王昌斌1、成龙2、李继川2（1.中国第一汽车股份有限公司 材料与轻量化研究院，长春 130011；2.中国第一汽车股份有限公司 研发总院，长春 130011）
