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碳纤维复合材料底盘控制臂的开发与验证
文章来源:springer 2018-06-14 阅读:148

德国弗劳恩霍夫系统可靠性与结构耐久性研究所开发了一种由碳纤维增强聚合物制成的轻量化悬架臂,并具有多种集成功能。该控制臂的设计和样件制造已在完成。与传统金属设计的控制臂相比重量降低了35%。同时,保证使用安全的结构健康监测(SHM)系统,半主动减振系统也被集成到控制臂的结构中。

纤维增强聚合物基复合材料(FRPs,fiber-reinforced polymer-matrix composites)在高负载悬挂组件中具有巨大的轻量化潜力。FRPs因其出色的机械性能被用于工业应用。工程师面临的主要挑战是如何保证纤维复合结构的设计符合纤维特性并且确保构件在使用时安全可靠,这也大大增加了这些部件的设计难度。

然而,耐用的轻量化设计和集成附加功能呈现出巨大的潜力。当通过功能集成增加了单个部件的复杂性时,整个系统的综合成本和重量通常也可以降低。此外主动和被动传感器可以集成在零件中。集成在控制臂上的结构健康监测(SHM)系统可用来监测使用中的FRP结构的状态,它可以量化运行负荷,以提高车辆安全性并根据实际使用情况定义维护周期。此外,半主动系统允许在减缓振动的同时对结构进行局部监控。

控制臂上的承载载荷分析

对于可靠且重量轻的结构部件安全设计,掌握零件服役环境的载荷情况至关重要。在服役中,控制臂承受到的载荷主要在纵向和横向方向上,其相对严重程度随时间变化。关键使用工况包括减速,转弯,恶劣的道路和超越路缘。这些操作条件导致控制臂内复杂的多轴应力 - 时间历程,需要在其设计中考虑。

控制臂的设计

采用拓扑优化用于识别主要载荷方向和最大负载区域。随后,复合材料的纤维取向可以沿着这些负载路径局部布置,复合材料控制臂通过预制孔连接到配件的螺栓上,如图1所示。为防止结构弯曲,几何形状通过局部加强筋进一步加强。如图2所示,用于连接轮毂并将控制臂连接到框架的配件由铝制成。

Figure 1 Strains at locations S3 and S6 measured by means of fiber-optic sensors (? Fraunhofer LBF)

Figure 2

FRP-suspension arm with integrated functions (? Fraunhofer LBF) 

碳纤维控制臂的性能测试 

在常规道路使用中,控制臂在几个方向上受到随机载荷。为了在单轴试验中获得相同的损伤,设计了一种与损伤等效的加载方式。施加的减速度为4.4 kN,加速度为-3.3 kN,施加100,000次循环。 一旦达到该循环次数而没有可见或可测量的部件损坏,则在增加的负载下应用另外100,000次循环。这在表1中描述。

Table 1 Summary of the test program (? Fraunhofer LBF)

测试是在恒定幅度的单轴负载下进行的,并考虑车辆的加速和减速。使用控制臂的配件将其夹在试验台上(图3),同时通过液压伺服方式施加负载。总共测试了两个样件,控制臂1未没有集成任何附加功能,而控制臂2配备有SHM(结构健康监测)系统。

在循环测试期间,持续监测控制臂的刚度。图4显示了两个悬臂的每个测试块的初始刚度归一化的刚度趋势。在100%载荷水平下,前100,000次循环,两个控制臂都没有刚度损失,保持不变。 图4中的轻微刚度损失(在载荷水平114%,128%和142%)是由于铝部件的塑性变形以及纤维间断裂和层压板中开始的局部分层。


Figure 4

Stiffness-trends of the tested suspension-arms; left: suspension-arm 1, right: suspension-arm 2 (? Fraunhofer LBF) 

在达到200%载载水平时,铝部件出现断裂。 

结构健康监测系统介绍 

结构健康监测系统允许通过确定局部应变来连续实时监测复合结构。 如果发生过载或损坏,可以通知用户。

采用光纤布拉格光栅传感器(FBG-sensors)测量高负荷区域的应变。他们通过光学玻璃纤维在特定位置测量应变,该玻璃光纤具有预定格子间距的内切光栅。 使用单根玻璃纤维可以实现和评估多个测量点。玻璃纤维在制造期间被嵌入复合层压板的层之间并配备有连接器。

为了测量,询问器将宽带光信号发送到玻璃纤维中。在测量位置,其频率与局部晶格间距相对应的部分被反射回询问器,在那里记录其频率。由于不同测量位置之间的晶格间距不同,因此不同频率的光会被独立反射。如果应变发生在某个测量位置,则局部布拉格光栅的晶格间距以及反射光的频率会改变。反射频率的变化与局部应变相关。

数值拓扑优化

数值拓扑优化用于识别主要负载路径和最严重负载区域。总共有六个测量位置被定义在悬挂臂图1(右侧)上,位于预制孔和单向纤维附近。在加载开始时,在1,000次循环之后,以及在达到100,000次循环之前,对每个负载水平进行局部应变测量。 图1显示了控制臂载荷情况下加速度和减速度的测量应变和测量位置S3和S6的示例。

图1中的蓝色曲线表明,增加负载会导致测量位置的应变相应增加。 将负载加倍,导致应变加倍。 另一方面,在100%负载下测量位置S6在少量循环后呈现出应变信号的突然变化。 这可能首先暗示纤维间裂或者在测量位置附近开始分层,这可能是由外部载荷或层压板中的残余应力引起的。

对于剩余的测试持续时间,压缩状态下的应变保持不变,仅在200%的负载水平显示出进一步的突然变化。 这暗示了层压板局部损坏的进展。 在200%负载结束时测得的应变为0.45%,仍然明显低于碳纤维的允许应变。 

为了估计可用于警告驾驶员控制臂即将发生故障的临界应变值,必须执行额外的测试,实验结果表明,SHM系统运行可靠,适合监测FRP结构。 

结论 

Fraunhofer LBF公司使用由纤维增强聚合物制成的轻量化的控制臂,证明传统上由金属制成的高负载悬架部件可以被复合部件替代。FRP控制臂比传统的同类产品轻35%,质量仅为2.1千克。

集成SHM系统可以监测高负荷下纤维增强聚合物结构的状态。因此,可以根据使用情况安排维护,同时增加车辆和乘客安全。

FRP控制臂的循环测试表明,该部件能承受较高载荷下较高载荷循环次数。 这表明该控制臂还有进一步轻量化的潜力。

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