摘 要
隨著汽車制造商尋求降低傳統(tǒng)和電動(dòng)汽車（EV）的整車重量，金屬底盤部件已成為轉(zhuǎn)換為復(fù)合材料或混合動(dòng)力系統(tǒng)的重要目標(biāo)。復(fù)合材料和混合動(dòng)力部件能有效減輕電動(dòng)和傳統(tǒng)乘用車的重量，并增加其功能。
下面的應(yīng)用案例將證明這一點(diǎn)。在每種情況下，從金屬到復(fù)合材料或混合復(fù)合材料部件的轉(zhuǎn)變都達(dá)到或超過了基準(zhǔn)機(jī)械性能，同時(shí)降低了重量和工具成本，消除了腐蝕問題，并且改善了噪音/振動(dòng)/聲振粗糙度（NVH）。
提高越野車穩(wěn)定性
福特汽車公司的2022 Ford Bronco Raptor運(yùn)動(dòng)型多用途車（SUV）上可以找到一個(gè)可視的復(fù)合材料應(yīng)用程序。該部件稱為C型支撐，是一種功能齊全的結(jié)構(gòu)支撐，可將后部貨物區(qū)域的左右D柱與后車頂橫梁連接起來，以提高整個(gè)車輛的剛度和抗扭剛度。在“越野”時(shí)，支架還有助于減少振動(dòng)傳遞，這反過來又可以改善操控性并降低NVH。
福特開發(fā)的復(fù)合C形支架，用于將左右D柱連接到后車頂橫梁
為了滿足越野客戶的需求，福特工程部設(shè)定將車輛扭轉(zhuǎn)剛度增加40%的目標(biāo)，以改善車輛操縱性和NVH特性。當(dāng)客戶將頂蓋和側(cè)板/車門面板取下時(shí)，支架在開放式駕駛艙中會(huì)非常顯眼，因此保持A級(jí)美觀很重要，尤其是在長期高溫和紫外線照射下。
在整個(gè)開發(fā)階段，開發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了廣泛的非線性結(jié)構(gòu)分析，以優(yōu)化造型和外觀，并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)性能是否滿足沙漠耐久性、不同溫度下的荷載位移和應(yīng)力要求、屋頂荷載和扭轉(zhuǎn)剛度值，以及開發(fā)粘結(jié)選項(xiàng)。
復(fù)雜的榫槽狀膠水通道被模制到外殼和核心中，以最大限度地提高核心和皮膚之間的粘合強(qiáng)度。Montaplast還設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)機(jī)器人、溫度控制的粘合劑分配系統(tǒng)，以滿足裝配要求，包括精確的膠水路徑、膠珠輪廓、流速和混合比。
開發(fā)團(tuán)隊(duì)將其設(shè)計(jì)成先進(jìn)的三件式設(shè)計(jì)，這是一種夾心結(jié)構(gòu)，其芯部由20%短碳纖維增強(qiáng)聚酰胺6（CF/PA6）-Ultramid B3WC4-注塑成型，表皮/外殼由35%短玻璃纖維增強(qiáng)PA6（GR/PA6）-Ultramid B3GM35 Q642注塑成型。聚合物系統(tǒng)是專門為滿足福特越野沙漠耐久性要求而選擇的。使用一種新配方的甲基丙烯酸酯粘合劑（3M DB8910NS）將三部分粘合在一起，該粘合劑具有快速固化、柔性和熱穩(wěn)定性。
最終的復(fù)合C形支架有助于提高車輛40%的抗扭剛度，同時(shí)與鋁材相比，重量減輕了55%，與鋼材相比，重量減少了85%。與傳統(tǒng)材料相比，更高的扭轉(zhuǎn)剛度和車身重量更輕的組合將使重心更低。
自動(dòng)折疊軟頂
另一個(gè)有趣的車頂安裝應(yīng)用是通用汽車公司2023款GMC悍馬電動(dòng)皮卡的Sky敞篷車頂選項(xiàng)的框架。這款輕便的手動(dòng)折疊軟頂可幫助客戶在前排座椅上創(chuàng)造露天體驗(yàn)，無需下車拆卸和收起。
軟頂打開和關(guān)閉
用于軟頂面板的大部分全鋁框架被轉(zhuǎn)換為玻璃/礦物增強(qiáng)PA6
通用汽車工程部與美國Tier 1 Bestop和材料供應(yīng)商PRET密切合作，開發(fā)可折疊軟頂，作為皮卡的一種選擇。設(shè)計(jì)用于悍馬電動(dòng)汽車，該輕質(zhì)單元混合了金屬和復(fù)合材料元件，提供水密封和全天候性能。這一設(shè)計(jì)將全鋁框架替換為鋁和復(fù)合材料混合框架，包括左右側(cè)車門縱梁以及后光環(huán)面板，這些都采用模壓彩色（MIC）飾面，減重1.8公斤，有助于提高車輛加速、制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎性能。
PRET復(fù)合25%短玻璃/15%礦物增強(qiáng)PA6級(jí)（Wellamid MRGF25/15 42H-WBK）。與全玻璃纖維增強(qiáng)等級(jí)相比，玻璃/礦物增強(qiáng)組合據(jù)說具有更高的耐熱性、改進(jìn)的機(jī)械性能、減少翹曲和良好的耐候性。該等級(jí)還提供了出色的表面光潔度，能夠滿足通用汽車的美學(xué)要求，無需涂漆。該化合物還含有工業(yè)后和消費(fèi)后回收（PIR，PCR）樹脂，有助于減少制造業(yè)的碳足跡。
嚴(yán)苛應(yīng)用下的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)
類似混合復(fù)合材料技術(shù)有三種不同用途，包括金屬、連續(xù)和/或不連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的組合，以及發(fā)泡（膨脹）結(jié)構(gòu)環(huán)氧粘合劑/密封劑。該技術(shù)正在三輛車的底盤部件中使用，以替換全金屬結(jié)構(gòu)，降低模具成本，減少NVH。該技術(shù)由Tier 1 L&L開發(fā)，該公司作為粘合劑/密封劑、聲學(xué)對(duì)策和增強(qiáng)技術(shù)的汽車供應(yīng)商有著悠久的歷史，可提高白車身（BIW）碰撞性能和乘員舒適性和安全性。
第一個(gè)應(yīng)用是美國Stellantis的2022款吉普Grand Wagoneer SUV上的復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定器支架（CESB）。該支架位于左側(cè)和右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)支架之間，旨在幫助組裝和提高NVH。
Stellantis曾將支架的壓鑄鋁轉(zhuǎn)換為50%的短玻璃/PA6/6，可提供類似的強(qiáng)度重量比，但質(zhì)量減少了30%，降低了單件成本，并且由于復(fù)合材料的振動(dòng)阻尼比金屬高10倍，NVH得到了改善。
復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定器支架的設(shè)計(jì)有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)懸置穩(wěn)定性
對(duì)于新的CESB項(xiàng)目，Stellantis再次與巴斯夫以及L&L Products合作開發(fā)應(yīng)用程序，使用了不同的聚合物系統(tǒng)。出于幾個(gè)原因，研究小組轉(zhuǎn)而使用玻璃纖維增強(qiáng)的熱塑性聚酯混合物，取代了GR/PA6/6。
最終設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是采用55%短玻璃/PBT-PET（巴斯夫公司的Ultradur B4040 G11）和插入式模塑金屬壓縮限制器構(gòu)成的密肋注塑結(jié)構(gòu)。由于注射成型與壓鑄相比具有更大的設(shè)計(jì)自由度，基于各向異性材料的CAE模擬，開發(fā)了一種新的圖案。與早期的金屬支架不同，復(fù)合材料零件可以直接從模具中使用，無需二次加工或其他操作。
最終CESB注塑支架
復(fù)合支架的質(zhì)量比鋁低30%，成本比鋁低7.5%，NVH更好，工具壽命平均延長四倍，性能與鋁相當(dāng)或更好。最后，通過將兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)支架與CESB連接起來，并通過CESB將總成運(yùn)送到裝配線，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝之前將整個(gè)總成安裝到車架上，從而使生產(chǎn)線工人更容易操作。
另一個(gè)案例的復(fù)合材料底盤應(yīng)用——這是位于2021吉普大切諾基和大切諾基L SUV排氣系統(tǒng)上方的復(fù)合材料隧道加強(qiáng)件——具有拉擠80%纖維重量分?jǐn)?shù)（FWF）連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯（PUR）結(jié)構(gòu)（BASF的Elastocoat 74850），隨后被機(jī)器人切割成一定尺寸，然后用沖擊改性的純（未增強(qiáng)）PA6（BASF的Ultramid 8350 HS）進(jìn)行注塑包覆成型。
這些材料在一臺(tái)配備三個(gè)機(jī)器人、多個(gè)掃描站和一個(gè)激光雕刻站的旋轉(zhuǎn)注塑機(jī)中匯集在一起。該工藝創(chuàng)造了一種輕質(zhì)、耐腐蝕、多材料3D部件，可以承受非常高的軸向載荷（>70千牛頓），但更易于組裝，并且在單價(jià)和工具投資方面比鋼基準(zhǔn)更低。
L&L Products使用BASF的新型樹脂系統(tǒng)開發(fā)了拉擠嵌件，當(dāng)與連續(xù)玻璃纖維結(jié)合使用時(shí)，其強(qiáng)度重量比是鋼或鋁的三到四倍。據(jù)報(bào)道，L&L的工藝/設(shè)備改進(jìn)和BASF的新樹脂系統(tǒng)增強(qiáng)了拉擠成型工藝，其吞吐量比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)拉擠成型速率457～610毫米/分鐘高出兩到三倍。
隨著汽車行業(yè)向電氣化轉(zhuǎn)型，所有類型乘用車的減重壓力越來越大，預(yù)計(jì)未來復(fù)合材料將在汽車和輕型卡車上出現(xiàn)更加多樣化的應(yīng)用。
