新能源汽车轻量化快速迭代下复合材料的多样化应用分析

发布时间：2023-12-27 浏览人数：人

随着汽车制造商寻求降低传统和电动汽车（EV）的整车重量，金属底盘部件已成为转换为复合材料或混合动力系统的重要目标。复合材料和混合动力部件能有效减轻电动和传统乘用车的重量，并增加其功能。

下面的应用案例将证明这一点。在每种情况下，从金属到复合材料或混合复合材料部件的转变都达到或超过了基准机械性能，同时降低了重量和工具成本，消除了腐蚀问题，并且改善了噪音/振动/声振粗糙度（NVH）。

提高越野车稳定性

福特汽车公司的2022 Ford Bronco Raptor运动型多用途车（SUV）上可以找到一个可视的复合材料应用程序。该部件称为C型支撑，是一种功能齐全的结构支撑，可将后部货物区域的左右D柱与后车顶横梁连接起来，以提高整个车辆的刚度和抗扭刚度。在“越野”时，支架还有助于减少振动传递，这反过来又可以改善操控性并降低NVH。

福特开发的复合C形支架，用于将左右D柱连接到后车顶横梁

为了满足越野客户的需求，福特工程部设定将车辆扭转刚度增加40%的目标，以改善车辆操纵性和NVH特性。当客户将顶盖和侧板/车门面板取下时，支架在开放式驾驶舱中会非常显眼，因此保持A级美观很重要，尤其是在长期高温和紫外线照射下。

在整个开发阶段，开发团队进行了广泛的非线性结构分析，以优化造型和外观，并验证结构性能是否满足沙漠耐久性、不同温度下的荷载位移和应力要求、屋顶荷载和扭转刚度值，以及开发粘结选项。

复杂的榫槽状胶水通道被模制到外壳和核心中，以最大限度地提高核心和皮肤之间的粘合强度。Montaplast还设计并建造了一个机器人、温度控制的粘合剂分配系统，以满足装配要求，包括精确的胶水路径、胶珠轮廓、流速和混合比。

开发团队将其设计成先进的三件式设计，这是一种夹心结构，其芯部由20%短碳纤维增强聚酰胺6（CF/PA6）-Ultramid B3WC4-注塑成型，表皮/外壳由35%短玻璃纤维增强PA6（GR/PA6）-Ultramid B3GM35 Q642注塑成型。聚合物系统是专门为满足福特越野沙漠耐久性要求而选择的。使用一种新配方的甲基丙烯酸酯粘合剂（3M DB8910NS）将三部分粘合在一起，该粘合剂具有快速固化、柔性和热稳定性。

最终的复合C形支架有助于提高车辆40%的抗扭刚度，同时与铝材相比，重量减轻了55%，与钢材相比，重量减少了85%。与传统材料相比，更高的扭转刚度和车身重量更轻的组合将使重心更低。

自动折叠软顶

另一个有趣的车顶安装应用是通用汽车公司2023款GMC悍马电动皮卡的Sky敞篷车顶选项的框架。这款轻便的手动折叠软顶可帮助客户在前排座椅上创造露天体验，无需下车拆卸和收起。

软顶打开和关闭

用于软顶面板的大部分全铝框架被转换为玻璃/矿物增强PA6

通用汽车工程部与美国Tier 1 Bestop和材料供应商PRET密切合作，开发可折叠软顶，作为皮卡的一种选择。设计用于悍马电动汽车，该轻质单元混合了金属和复合材料元件，提供水密封和全天候性能。这一设计将全铝框架替换为铝和复合材料混合框架，包括左右侧车门纵梁以及后光环面板，这些都采用模压彩色（MIC）饰面，减重1.8公斤，有助于提高车辆加速、制动和转弯性能。

PRET复合25%短玻璃/15%矿物增强PA6级（Wellamid MRGF25/15 42H-WBK）。与全玻璃纤维增强等级相比，玻璃/矿物增强组合据说具有更高的耐热性、改进的机械性能、减少翘曲和良好的耐候性。该等级还提供了出色的表面光洁度，能够满足通用汽车的美学要求，无需涂漆。该化合物还含有工业后和消费后回收（PIR，PCR）树脂，有助于减少制造业的碳足迹。

严苛应用下的坚固结构

类似混合复合材料技术有三种不同用途，包括金属、连续和/或不连续纤维增强复合材料的组合，以及发泡（膨胀）结构环氧粘合剂/密封剂。该技术正在三辆车的底盘部件中使用，以替换全金属结构，降低模具成本，减少NVH。该技术由Tier 1 L&L开发，该公司作为粘合剂/密封剂、声学对策和增强技术的汽车供应商有着悠久的历史，可提高白车身（BIW）碰撞性能和乘员舒适性和安全性。

第一个应用是美国Stellantis的2022款吉普Grand Wagoneer SUV上的复合发动机稳定器支架（CESB）。该支架位于左侧和右侧发动机支架之间，旨在帮助组装和提高NVH。

Stellantis曾将支架的压铸铝转换为50%的短玻璃/PA6/6，可提供类似的强度重量比，但质量减少了30%，降低了单件成本，并且由于复合材料的振动阻尼比金属高10倍，NVH得到了改善。

复合发动机稳定器支架的设计有助于提高发动机悬置稳定性

对于新的CESB项目，Stellantis再次与巴斯夫以及L&L Products合作开发应用程序，使用了不同的聚合物系统。出于几个原因，研究小组转而使用玻璃纤维增强的热塑性聚酯混合物，取代了GR/PA6/6。

最终设计的特点是采用55%短玻璃/PBT-PET（巴斯夫公司的Ultradur B4040 G11）和插入式模塑金属压缩限制器构成的密肋注塑结构。由于注射成型与压铸相比具有更大的设计自由度，基于各向异性材料的CAE模拟，开发了一种新的图案。与早期的金属支架不同，复合材料零件可以直接从模具中使用，无需二次加工或其他操作。

最终CESB注塑支架

复合支架的质量比铝低30%，成本比铝低7.5%，NVH更好，工具寿命平均延长四倍，性能与铝相当或更好。最后，通过将两个发动机支架与CESB连接起来，并通过CESB将总成运送到装配线，可以在发动机安装之前将整个总成安装到车架上，从而使生产线工人更容易操作。

另一个案例的复合材料底盘应用——这是位于2021吉普大切诺基和大切诺基L SUV排气系统上方的复合材料隧道加强件——具有拉挤80%纤维重量分数（FWF）连续玻璃纤维增强聚氨酯（PUR）结构（BASF的Elastocoat 74850），随后被机器人切割成一定尺寸，然后用冲击改性的纯（未增强）PA6（BASF的Ultramid 8350 HS）进行注塑包覆成型。