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为皮卡减重的混合材料上控制臂

来源:国际复材技术商情 发布时间:2022-04-06 641
化工增强塑料 技术前沿
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无论上控制臂本身使用何种材料,它们都在车辆车轮侧配备球头,在车架上配备衬套。

短玻纤增强PA6和金属嵌件的结合降低了RAM 1500半吨皮卡的质量、运行扭矩和接头磨损。


汽车行业的第三代带有一体式球窝接头的混合材料(复合材料/金属)上控制臂——也是轻型卡车上的第一款——在菲亚特克莱斯勒汽车公司的 2019 款(MY)Ram 1500 皮卡上首次亮相。除了提供使用复合材料带来的常见好处,包括减少质量、零件整合、减少二次精加工和与传统全金属控制臂相比具有竞争力的成本外,该创新模块还降低了球窝接头的运行扭矩。



对平稳行驶至关重要

一个多世纪以来,作为车辆悬架系统的一部分,控制臂允许车辆悬架上下运动,同时将车轴、轮毂和转向节相互连接,并连接到车辆本身。从本质上讲,控制臂允许车辆的悬架系统根据道路状况进行弯曲,同时还可以响应驾驶员的转向输入。它们被认为是舒适、平稳驾驶的关键。有些车辆每轮使用一个控制臂,有些则使用两个:一个上、一个下。


上控制臂通常具有叉骨(A形框架/A形臂)形状。最初它们是由冲压和焊接钢制成的,容易腐蚀。后来,是用铸铁制造的——特别是用于重型皮卡车和运动型多用途车(SUV)。虽然比冲压钢更坚固耐用,但它们相当重。近来,控制臂已经采用铸铝制造,铸铝比黑色金属轻,不易腐蚀,但也更昂贵。无论上控制臂本身使用何种材料,它们都在车辆车轮侧配备球头,在车架上配备衬套。



最新一代混合上控制臂技术由 Tier 1 Iljin Group的底盘和悬架部门开发。该公司表示,作为第三代车轮轴承供应商,它为大约40%的汽车平台提供零部件。除了提供优质车轮轴承外,该公司还为全球汽车(OEM和售后市场)、航空、铁路、非公路和工业细分市场的客户生产底盘、悬架和动力总成部件。


第一代混合材料控制臂:电动汽车

Iljin公司开发的混合控制臂的一个有趣之处在于,它集成了一个在注射成型过程中形成的一体式球形接头帽/杯。在传统的金属上端控制臂中,球形接头帽/杯是焊接在控制臂上的金属盒。它的目的是约束球关节的左右运动。然而,这可能会导致轴承/球接头上的点应力和运行中更高的扭矩。这反过来又会导致更多的轴向“端隙”或“冲击”(轴承壳/轴承座内的运动),从而导致更高的磨损和运行噪音,并会降低使用寿命。


相比之下,在混合材料系统中,预润滑的球窝接头帽/杯和轴承(均在注塑成型之前插入)之间的空间在成型期间用复合材料封装,消除了对焊接楔/盒的需要,因为球窝接头有效地固定在控制臂中。操作期间产生的任何应力分布更均匀,从而减少了球窝接头上的操作扭矩并降低了端隙和磨损,这有望延长接头和控制臂的使用寿命。除了有机会减轻重量和实现与传统全金属系统相比具有成本竞争力的地位之外,这也是该技术的一个重要优势。


当Iljin的北美团队开始与FCA的工程团队合作开发Ram皮卡时,Iljin在韩国的团队已经为两款电动汽车(EV)开发了混合上控制臂——一款已经推出,另一款将在Ram皮卡的开发过程中推出。


混合控制臂技术在使用传统内燃机(ICE)的轻型卡车之前出现在电动汽车上有几个原因。首先,乘用车重量较轻,设计用于承载相当轻的负载,不适用于越野、牵引或其他类似皮卡车的恶劣负载使用,这意味着更容易满足负载、耐用性和刚度要求。


其次,电动汽车对重量更敏感,所以汽车制造商更愿意为减重支付额外费用,因为汽车重量越轻,电池充电一次行驶的距离就越远。这有助于减少里程焦虑,这是消费者不从传统汽车转向电动汽车的首要原因。


第三,与同等尺寸的内燃机车相比,电动汽车的体积更小,但成本更高,这使得尝试新技术的经济风险更小,尤其是在以具有竞争力的成本节省重量时。

第二代混合动力控制臂:轻型卡车

“虽然我们的计划是提供与即将推出的车型类似的动力传动系统选项,但新的Ram 1500半吨皮卡旨在提供更高的有效载荷和牵引能力,这两者都会影响底盘的整体耐久性,”Stellantis设计负责人Phil Cataldo解释道,“这意味着我们开始这项计划时必须解决一个技术矛盾:提高性能/耐用性,但降低质量,这不是一项容易的任务。这使得Ram工程团队推动混合动力控制臂等创新,以达到或超过系统和车辆重量目标至关重要。”



混合叉形控制臂

Iljin北美底盘部门销售总监Adam Herbolsheimer补充道:“轻型卡车的车辆质量显著提高,同时负载和刚度要求也更高,这意味着我们必须满足比之前电动汽车项目更具挑战性的规格。因为这是该技术首次在轻型卡车上进行试验——当时是一款旗舰车型——我们必须满足与上一代控制臂相同的性能要求,该控制臂是一个箱形截面的钢加固部件。除此之外,我们的Iljin团队有自己的目标,即把基准控制臂的质量减少15%。”



用于电动车项目的材料是Ultramid B3WG10 GF50,这是巴斯夫公司生产的一种50%玻璃纤维增强(按重量)的可注塑短玻璃纤维/聚酰胺6(PA6)复合材料。巴斯夫应用开发工程师Tushar Patel指出:"选择这种牌号是因为它的韧性/冲击强度、广泛的耐化学性,特别是对汽车液体的耐受性,以及它的热膨胀系数(CTE)接近于钢。"这种材料在其他塑料/金属混合结构中也有很长的使用历史。


然而,为了满足新 Ram 皮卡的钢性能要求,该团队进行了两项更改,这些更改在早期的电动汽车设计中没有体现。 首先,添加了大约与控制臂大小相同的钢筋加强板。 其次,在控制臂的下侧设计了一个格子(重肋)结构。 幸运的是,尽管玻璃含量高且厚度变化多,但这种材料很好地填充了复杂的设计特征。单腔工具的特点是有两个截止阀和一个热流道,尽管注塑机没有按顺序注射。在压力机关闭和注射过塑之前,该工具被手动装入加固板和球状接头帽/柱子。周期时间大约为50秒,每年生产近100万个零件。


在通过Ram工程团队要求的所有测试(包括额外的温度循环以确保在真实驾驶条件下的耐久性)后,新型混合动力控制臂于2018年初投入生产,用于新型2019型Ram皮卡,与全金属控制臂相比,质量降低了13%。从那时起,该团队继续致力于通过增加肋骨深度来提高混合控制臂的效率,从而消除钢筋板,将质量额外减少4%。目前,混合材料上控制臂技术也已应用到Jeep Grand Wagoneer SUV 上。


来源:荣格-《国际复材技术商情》


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