未來派輕量化技術（2）——福特碳纖維副車架

開始講福特碳纖維副車架之前，我先羅列一下該產品獲得的一些獎項：

SPE 工藝創新獎

汽車與配件雜誌 創新技術獎

CAMX ACE大獎

毫無疑問，福特和麥格納的工作成就，為我們在汽車輕量化設計方向上提供了更多思路並且也得到了行業的認可。簧下零件輕量化，一直是各大主機廠追逐的目標。如何將笨重的底盤金屬件，變為比強度高的產品，是汽車輕量化設計方向的一項重要課題，今天我們就一起聊聊福特輕量化副車架那些事兒。

那麼，什麼是副車架呢？

副車架是轎車底盤中非常重要的安全及承載件，作為轎車前部的承載基體，支撐著所有簧

上質量，承受和傳遞汽車行駛過程中所產生的各種力和力矩。因此，副車架的剛度、強度、疲勞壽命等對車輛整體的強度、操縱穩定性及安全性起到至關重要的作用。

簡單的說，副車架可以看成是前後車橋的骨架。是前後車橋的組成部分。我們知道，傳統的沒有副車架的承載式車身，其懸掛是直接與車身鋼板相連的。因此前後車橋的懸掛搖臂機構都為散件，並非總成。在副車架誕生以後，前後懸掛可以先組裝在副車架上，構成一個車橋總成，然後再將這個總成一同安裝到車身上。

如圖所示，是一個典型的衝壓焊接成型的副車架總成。

大家都知道，對於一個結構件，滿足剛度強度的前提下，質量越小，對於模態來說，越有利。對於副車架來說，其本身是動力總成與車身連接的橋樑，一方面，其需要具備足夠的強度和剛度，為動力總成及其他底盤零部件提供足夠的強度支撐；另外一方面，又需要在模態上，將動力總成的激勵和車身進行隔斷，所以，對於副車架的設計，要求是非常高的。

我搜集了一些車型的鋼製副車架的基礎信息，列表如下：

從上表可以看出，鋼製副車架重量基本在14-17kg這個區間左右，比亞迪E6超出太多，暫時不做討論。而且已經有類似寶馬和阿爾法羅密歐這種對汽車操控運動性能要求比較高的車型，在嘗試使用鋁合金材料進行輕量化設計。從結果來看，減重效果還是比較明顯的，阿爾法羅密歐與比亞迪E6尺寸差不多重量降低了約一半。

福特在開始研發碳纖維復車架之前，已經與美瑞丁一起對鎂合金副車架進行了嘗試。從設計上來說，鎂合金副車間能完美滿足剛度、強度和耐久要求。除此之外，重量下降了4.8kg，降幅達30%，輕量化效果比較好。福特已經制定了後續的驗證計劃，針對整車碰撞，零件疲勞耐久，耐螺栓剪切力等項目進行測試，待測試通過後，該技術將會被在福特不同平台的車型上進行推廣。

福特與麥格納合作開發的碳纖維復車架項目，早在2014年就立項了，到去年JEC上進行發布，研發大概進行兩年，正式的量產計劃是在今年年底。

複合材料產品開發的難點在於，材料往往是低模量、低屈服強度、低延伸率或沒有延展性、CAE分析的置信水平比較低。在材料物理性能和前期設計方法的限制下，又要滿足產品的剛度要求、強度要求、耐久要求。

福特在設計過程中，使用ICME設計策略，從基礎的原材料研究開始，一步一步建立了一整套針對碳纖維複合材料產品的研發流程，確保開發過程的可靠性，材料性能的準確性，CAE分析與實際產品性能的一致性。

前副車架作為汽車前端眾多重要零部件的主要承力部件，其產品剛度要求非常高，福特與麥格納的開發團隊在產品開發之初，以剛度為優化目標，提出了多種方案，最終採用了上下分體式結構粘接成總成的形式，滿足了產品性能要求。

另外一點，耐久性能也是主機廠關注的重點，開發過程中，基於材料S-N曲線的片疲勞耐久分析必不可少。福特和麥格納對所有駕駛工況載荷下碳纖維副車架疲勞耐久性能進行了分析，所有結果滿足現有量產產品要求。

最終，福特與麥格納聯合開發的碳纖維副車架，重量降低了9.3kg，降幅34%，零件數量減少了37個，降幅87%。從輕量化和集成設計的角度來說，收益明顯。

前幾天我們也看到麥格納開始向福特交付碳纖維副車架樣品的新聞，樣品將會被搭載到福特Fusion試驗車上，對其疲勞耐久性能進行試車路試，如果試驗通過，那麼今年年底量產的計劃將按預期完成，這將會是碳纖維複合材料應用史上具有里程碑意義的事件。隨著各大主機廠連同Tier1，還有其他科研機構在低成本碳纖維材料方面的不懈努力，相信在不遠的將來，普通車型上，也將會搭載這一黑科技。