碳纤维增强复合材料扭转梁横梁轻量化技术探究.docx

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碳纤维增强复合材料扭转梁横梁轻量化技术探究

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摘要：碳纤维增强复合材料具备优异的力学性能以及良好的可设计性，有效降低汽车非簧载质量，提升燃油的经济效益，有效改善汽车的行驶性能。本文阐述碳纤维增强复合材料扭转梁衡量轻量化技术流程，以某轿车为研究对象，探究碳纤维增强复合材料扭转梁衡量轻量化技术的实际应用。

关键词：碳纤维增强复合材料；扭转梁衡量；轻量化

引言

全球能源危机以及环境污染问题促使各国开始注重节能减排问题，汽车轻量化具备技能减排效果，新技术的研究促使各类新型材料被推向市场。考虑到碳纤维复合材料具备优异的性能，能够大幅度提高制造工艺的轻量化水平，成为行业内最具有潜力的新型技术。

1碳纤维增强复合材料扭转梁横梁轻量化技术

碳纤维增强复合材料作为一种高强度、高模量且具备耐化学腐蚀性等诸多优势的轻质材料，在我国各领域中得到广泛应用。碳纤维增强复合材料扭转梁衡量轻量化技术需要经过以下流程：第一，选取良好的复合材料，使粘合后的整体综合性能能够更为完善。碳纤维复合材料能够按照基体种类的不同，分为多种复合材料，其中碳纤维增强树脂基符合材料性能较为出众，轻质性能较高且抗疲劳性较好；第二，通过真空辅助成型法制作纤维复合材料层合板，按照预定的排列方式制成相应的初始结构件，注入混合调配好的树脂，树脂经过固化后形成碳纤维复合材料结构件；第三，碳纤维复合材料需要经过力学性能试验，得到碳纤维复合材料力学性能参数，为后续碳纤维复合材料衡量提供材料参数基础[1]。

2碳纤维增强复合材料扭转梁横梁轻量化技术的应用实例

前后悬架系统作为轿车底牌关键总成，对轿车悬架零部件进行轻量化设计，能够有效改变悬架系统性能。轿车悬架系统性能的优劣程度从某种程度上来说会影响轿车行驶的平顺性以及操作稳定性等性能。本文以轿车悬架扭转梁作为研究对象，结合轿车扭转梁的结构性能以及汽车的整体性能对比，实现整车性能的优化匹配。

2.1轿车结构性能对比

（1）轻量化前后低频固有振动特性对比分析

本文采用自由模态对轻量化后的轿车下控制臂以及扭转梁进行分析，将非刚体模态与轻量化前下控制臂与扭转梁模式分析结果，在通过对比后，轻量化之后的下控制臂与扭转梁模态频率存在不同成分的提高，这也能够说明下控制臂和扭转梁低频固有振动特性得到有效改善。

（2）轻量化前后刚度性能对比

下控制臂纵向刚度和侧向刚度、扭转梁扭转刚度对行驶平顺性和操纵稳定性等因素，对轿车的整体性能起到重要影响。本文对轿车轻量化前后下控制臂和扭转梁的刚度特性进行对比分析，确保其设计能够满足轿车性能要求。在通过比较后能够看出，轻量化后的下控制臂纵向刚度和侧向刚度有所降低，扭转梁的扭转刚度略有增强，但是其变化幅度不大，说明轻量化后的下控制臂和扭转梁的刚独特性能够满足轿车结构性能要求。

（3）轻量化后前后结构强度对比

在汽车处于加速、制动、稳态回转以及最高车速直线行驶这4类工况时，轻量化之后下控制臂和扭转梁在4类工况下的最高VonMises应力有增有减，却都小于材料的许用应力，从而满足设计要求。

2.2轿车整体性能对比

（1）轻量化前后整车性能对比分析

我们对B级路面上对下控制臂和扭转梁轻量化后的整车模型进行车速为20、40、60、80、100km/h的行驶平顺性进行分析，最终能够获取到驾驶员座椅地板总加权加速度均方根值。在下控制臂以及扭转梁轻量化之后，驾驶员座椅地板总加权加速度均方根值在车速小于50km/h时略大，最大相对变化量为4.49%，从总体情况来看，下控制臂和扭转梁轻量化之后的整车行驶平顺性变化并不大。

（2）轻量化前后操纵稳定性对比

通过对整车稳态回转以及双移线工况的分析，对下控制臂和扭转梁轻量化之后的整车操纵稳定性进行分析。我们将其与整车性能进行比较分析，能够看出下控制臂和扭转梁轻量化之后，中性转向点侧向加速度略有减小，不足转向度增大，汽车的不足转向性能较好，车身本身的侧倾斜度和最大侧倾角均有所较小，说明轻量化之后整车操纵稳定性有所改善[2]。

2.3下控制臂和扭转梁轻量化评价方法研究

我们考虑轿车前悬架下控制臂的质量、与转向节和副车架三个连接硬点围成三角形的面积、结构刚度和承载能力，定义前悬架下控制臂的轻量化系数为：

上述公式：LLCA是轿车前悬架下控制臂轻量化系数，M1是下控制臂的质量；KX和KY分别为悬架下控制臂的纵向刚度和侧向刚度，A为下控制臂与转向节和副车架硬点围成三角形的面积；G1是汽车前轴载荷。

我们综合轿车后悬架扭转梁的质量、扭转梁横梁长度、扭转刚度和承载能力，提出评价扭转梁轻量化水平的扭转梁轻量化系数LTB，其计算表达算式为：

上述公式中，M2是扭转梁的质量；KT是扭转梁的扭转刚度；L为扭转梁横梁长度；G

2为汽车后轴载荷。下控