【复材资讯】复合材料/金属混合材料的上控制臂令皮卡运行更平稳

由短玻纤增强PA6与金属嵌件制成的上控制臂，减轻了Ram 1500半吨皮卡的质量，减小了作用在球接头上的运行转矩以及对其带来的磨损。

Stellantis公司的2019款Ram 1500半吨皮卡是行业中第一个采用复合材料/金属混合材料上控制臂的轻型货车，这一创新设计减轻了质量，减小了运行过程中作用在球接头上的运行转矩

汽车行业中采用整体球接头的混合材料（复合材料/金属）的上控制臂，首次出现在2019 款的Ram 1500皮卡车型上，这也是这种混合材料的控制臂在轻型货车上的第一个应用。2019 款的Ram 1500皮卡车型由当时的菲亚特克莱斯勒汽车公司（简称FCA，现在是Stellantis公司，该公司由FCA N.V.和 Grouppsa 于2021年初合并而成）推出。除了提供使用复合材料所带来的普遍性优势——包括与传统的全金属控制臂相比所具有的减重、部件合并、减少二次处理以及更具成本竞争力外，该创新模块还减小了作用在球接头上的运行转矩。现在，让我们一起来了解这种复合材料/金属控制臂的进化过程。

对驾乘平稳至关重要

一个多世纪以来，作为车辆悬架系统的组成部分，控制臂允许车辆悬架上下移动，同时还将车轴、轮毂和转向节彼此连接起来，并与车架相连。本质上，控制臂允许车辆的悬架系统根据路面情况灵活调整，同时对驾驶员的转向操作作出响应，因而对驾乘的舒适性和平稳性起着至关重要的作用。一些车辆的每个车轮上都有一个控制臂，还有一些车辆的每个车轮上有两个控制臂，上、下各一个。

上控制臂通常拥有叉骨形状。早期的上控制臂是通过对钢材进行冲压和焊接而制成的，很容易腐蚀。后来它们由铸铁制成，这种铸铁的控制臂主要被用于重型皮卡和运动型多功能汽车（SUVs）上，虽然比冲压钢的部件更坚固耐用，但却非常重。近些年来，控制臂已由铸铝制成，这使其比黑色金属的部件更轻且不易腐蚀，但也更加昂贵。不管哪种材料的控制臂，在车辆的车轮一侧，都会为它们配备一个球接头，并在车架上装有衬套。

复合材料/金属这种混合材料的上控制臂技术由一级供应商韩国日进集团（Iljin Group，以下简称日进）的底盘和悬架部门开发。该公司表示，它是世界上最大的第三代车轮轴承供应商，大约40%的汽车平台都使用了其产品。除了提供优质的车轮轴承，该公司还为全球的汽车（OEM和后市场）、航空、铁路、非道路运输和工业市场领域的用户制造底盘、悬架和动力总成部件。

用于电动汽车的第一代混合材料控制臂

一个有趣的现象是，由日进开发的这种混合材料的控制臂所带有的球头盖/球头窝是在注射成型过程中一体化成型的。在传统的金属上控制臂中，球头盖/球头窝是一种焊接在控制臂上的金属箱体，其作用是约束球关节的侧向运动，但会导致在轴承/球关节上产生点应力，以及在运行过程中产生较高的转矩，进而可能导致较大的轴向窜动或摆动（在轴承座/轴承箱内的运动），这可能引起较高的磨损和运行噪声，并缩短使用寿命。

为使混合材料的控制臂满足相应的钢部件的性能要求，该团队在成型过程中通过包覆成型的方式将钢筋板加入部件中，并在部件底部采用了多肋结构

相比之下，这种混合材料的系统，是在注射成型前先埋入预先涂有润滑油的球头盖/球头窝和轴承，成型过程中，球头盖/球头窝与轴承之间的空间被复合材料包封起来，因而不再需要一个焊接的楔形体/箱体，因为球关节能够被有效地固定在控制臂中。这样，在运行过程中产生的任何应力都分布得更加均匀，从而降低了球关节的运行转矩，减少了窜动和磨损，使得球接头和控制臂拥有更长的使用寿命，这就是这项技术与传统的全金属系统相比所具有的一大优势，此外还具有减重优势以及成本竞争优势。

当日进的北美团队开始与FCA的工程团队合作开发Ram皮卡的时候，日进的韩国团队已经为两款电动汽车开发出了混合材料的上控制臂，一款电动汽车在当时已经发布，另一款是在开发Ram皮卡的过程中发布的。此后，又有一款电动汽车采用了这种混合材料的控制臂，这款车是在Ram皮卡之后发布的。

为什么这种混合材料的控制臂技术最先是被用于电动乘用车，然后才被用于采用传统内燃机（ICE）的轻型货车上呢？这里有几个原因。

首先，乘用车相对较轻，它是为承载相对较轻的载荷而设计的，不像皮卡那样适合越野、拖曳或其他粗糙用途，因而要满足其对荷载、耐久性和刚性的要求也相对更加容易。

第二，电动汽车对重量更为敏感，因此，汽车制造商们更愿意为汽车减重而付费，因为汽车越轻，其一次充电的续航里程就越长，从而有助于降低消费者的里程焦虑，这是消费者不愿意从传统汽车转向使用电动汽车的首要原因。

第三，与大小相当的内燃机汽车相比，电动汽车通常产量低且成本高，意味着尝试使用新技术的经济风险更小，尤其是在以具有竞争力的成本来减重的情况下。

用于轻型货车的第二代混合材料控制臂

“虽然我们的计划是提供与在上一代车型上使用的类似的传动系统选项, 但新的Ram 1500半吨皮卡设计却具有更高的有效载荷和拖曳能力，这就对整个底盘的耐久性提出了更高的要求。”Stellantis 公司负责车架悬架上车身设计的Phil Cataldo解释道，“这要求我们在启动该项目时必须解决好一个矛盾的技术问题：设法提高能力/耐久性，但还要减轻质量，这绝对不是件容易的事。正因如此，才推动Ram工程团队采用像混合材料控制臂这样的创新技术来达到或超越系统和车辆的减重目标。”

最终用在左右前轮上的叉骨形控制臂的尺寸大约是285mm×389mm

“明显更重的汽车质量，以及轻型货车对更高承载力和刚性的要求，意味着与以前在电动汽车项目上的应用相比，我们必须满足更多的挑战性要求。”日进北美公司底盘部门销售总监补充道，“因为这是这项技术在轻型货车上的第一次试验，而且这是一款旗舰车型，因此，我们必须确保其性能要与之前的金属控制臂的性能相同，这是一种箱型截面的钢增强部件。除此之外，我们的日进团队还有自己的目标，即在基准的钢控制臂的基础上，将质量减轻15%。”

在电动汽车项目上使用的控制臂所采用的复合材料是Ultramid B3WG10 GF50，这是德国巴斯夫公司提供的一种玻纤重量比（FWF）达50%的注射级别的短玻纤/聚酰胺6（PA6）。“这种级别的材料以其良好的韧性/冲击强度、广泛的耐化学性（特别是对汽车上各种液体的耐受性）及其与钢相近的热膨胀系数（CTE）而被选中。”巴斯夫应用开发工程师介绍说，“而且这种材料还具有在其他塑料/金属混合结构中长期使用的历史。”

控制臂允许汽车悬架上下移动，对驾乘的舒适性至关重要。它们还将车轴、轮毂和转向节彼此连接起来，并与车架相连。与之前的全金属控制臂相比，用于Ram 1500皮卡上的新的混合材料上控制臂减轻了13%的质量，同时还减小了作用在球接头上的运行转矩

但是，针对新的Ram皮卡应用，为使混合材料的上控制臂达到钢制控制臂的性能，该团队在早期为电动汽车而设计的混合上控制臂基础上作了两项改动：第一，增加了一个大小大约与控制臂的大小一样的钢筋板；第二，在控制臂的底部设计了一种网格结构（拥有很多的肋）。幸运的是，虽然玻纤含量高，以及存在众多的厚度变化，但这种材料依然令这种设计复杂的结构特征得到了很好的填充。尽管该成型商没有采用顺序注射，但所使用的单型腔模具却拥有两个闭阀和一个热流道。由人工将钢筋板和球头盖/螺栓放入模具中后，机器闭合进行包覆注射成型，循环时间大约50s，这样，每年就能生产出近100万个部件。

在通过了Ram工程团队所要求的所有测试（包括额外的温度循环测试，以确保在实际驾驶条件下的耐久性）之后，该新的混合材料控制臂于2018年初投入量产，准备用于新的2019款Ram皮卡，它比之前的全金属控制臂减轻了13%的质量。此后，该团队继续开展研究，通过增加肋的深度来提高这种混合材料控制臂的效率，这样就可以取消钢筋板，并将质量进一步减轻4%。这种混合材料的上控制臂技术还被转用到吉普Grand Wagoneer SUV上。 

文章来源：CompositesWorld

免责声明：中国复合材料学会微信公众号发布的文章，仅用于复合材料专业知识和市场资讯的交流与分享，不用于任何商业目的。任何个人或组织若对文章版权或其内容的真实性、准确性存有疑义，请第一时间联系我们。我们将及时进行处理。