|
一種混合材料的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)技術(shù)，可以在不過(guò)度增加質(zhì)量的前提下提高車身剛性，改善NVH性能，降低通過(guò)車輛的沖擊能量。隨著其可選范圍的增加，應(yīng)用也日益廣泛。
在汽車白車身結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域，雖然復(fù)合材料已取得了一些進(jìn)展，但長(zhǎng)期以來(lái)，這一汽車應(yīng)用領(lǐng)域卻一直由鋼材主導(dǎo)，近年來(lái)又轉(zhuǎn)向了鋁材，這使汽車制造商們過(guò)度依賴于焊接和機(jī)械緊固件如螺栓和螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的連接。雖然這些焊接接頭和緊固件通常很結(jié)實(shí)，但也可能會(huì)失效，此外，在不過(guò)度增加質(zhì)量的前提下提高剛性、改善NVH性能或降低通過(guò)車輛的沖擊能量方面，它們幾乎不起作用。而應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的一種方法，是通過(guò)整合復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)粘合劑，來(lái)對(duì)白車身的連接接頭和空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)。
CBS加強(qiáng)技術(shù)將金屬車身部分、熱塑性復(fù)合材料載體和可膨脹粘合劑整合在一起，可以選擇性地加固白車身的空腔結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)/接頭，從而以低于全金屬解決方案的重量和成本，提高乘員的舒適性和安全性。它還改善了NVH性能和耐久性，且不會(huì)改變汽車制造的順序（圖片來(lái)自L&L Products Inc.）
這種解決方案的一個(gè)例子是一種名為“composite body solutions（簡(jiǎn)稱CBS）” 的材料/技術(shù)，它包括：用于加強(qiáng)汽車主結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)嵌件，該嵌件整合了白車身元素或其他的車輛子結(jié)構(gòu)；采用連續(xù)或不連續(xù)纖維增強(qiáng)材料注射成型的熱塑性復(fù)合材料的載體；可熱激活的膨脹結(jié)構(gòu)粘合劑。CBS的這些要素，是在車輛制造的早期，在電泳涂裝之前在車身車間中被安裝到位。
CBS部件通常是采用雙組分/二次注射成型工藝被生產(chǎn)出來(lái)，生產(chǎn)中，采用可膨脹粘合劑和可能增加功能性的額外的密封劑（在一種3組分工藝中），有選擇性地對(duì)含有焊接接頭或卡扣（用于暫時(shí)將CBS連接到金屬白車身上）的載體進(jìn)行二次成型。這種未固化的粘合劑（基于訂制的環(huán)氧化學(xué)原料）摸起來(lái)是干的，可以成型出復(fù)雜的形狀，復(fù)合材料的車身加強(qiáng)件。通過(guò)在復(fù)合材料與金屬表面之間保持一定的間隙，這種粘合劑還允許在電泳涂裝之后的加熱爐固化過(guò)程中，在熱激活之前，確保電泳涂裝覆蓋到金屬部分。當(dāng)泡沫膨脹時(shí)，載體與周圍組件之間的縫隙即被密封，從而將它們鎖在一個(gè)像盒子一樣的“宏觀結(jié)構(gòu)”中，這尤其提高了高動(dòng)態(tài)載荷下的力學(xué)性能。
如果在車輛設(shè)計(jì)的早期階段就將CBS模塊整合進(jìn)來(lái)，則為提高白車身的局部或整體剛性、增強(qiáng)乘員的安全性和舒適性提供了一種低成本、輕量化的選擇方案。相對(duì)于較重的全金屬解決方案，它們可以實(shí)現(xiàn)中性的或者較低的成本。雖然CBS最初只用于汽車，但隨著載體與粘合劑材料組合的不斷增加，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。
工程開(kāi)發(fā)應(yīng)對(duì)性能挑戰(zhàn)
CBS技術(shù)由位于美國(guó)密歇根州Romeo的L&L Products Inc.（以下簡(jiǎn)稱L&L）開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。作為為提高白車身性能而提供汽車密封劑、隔音材料和增強(qiáng)材料的供應(yīng)商，L&L歷史悠久，其開(kāi)發(fā)的技術(shù)能夠幫助客戶以較低的成本和較輕的質(zhì)量來(lái)提高乘員安全性，滿足更加嚴(yán)格的汽車碰撞要求，同時(shí)能改善車輛制造過(guò)程中的加工和裝配流程。
1995～2004年期間，L&L與Gurit Essex公司（瑞士Wattwil）的合資企業(yè)CORE Products公司（以下簡(jiǎn)稱CORE）負(fù)責(zé)早期的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和CBS 的制造，后來(lái)，CORE資產(chǎn)完全被L&L擁有，現(xiàn)在以L&L Products Europe為公司名運(yùn)營(yíng)。
在早期開(kāi)發(fā)及隨后CBS技術(shù)的擴(kuò)展過(guò)程中，L&L一直與材料供應(yīng)商緊密合作，其中的一家是朗盛（德國(guó)科隆），該公司一直為L(zhǎng)&L提供復(fù)合材料的載體以及材料表征和模擬支持。
CBS的應(yīng)用
除上述提及的優(yōu)勢(shì)外，CBS技術(shù)還提供了更好的載荷轉(zhuǎn)移路徑、多軸載荷管理和能量吸收性能，更大的截面穩(wěn)定性（抗塌陷或撞擊能的侵入），更低的NVH，同時(shí)還提高了較高載荷下的駕駛動(dòng)力和碰撞性能。此外，它為車輛的設(shè)計(jì)/再設(shè)計(jì)過(guò)程提供了更快的執(zhí)行時(shí)間，不需要改變車身車間的裝配順序。由于CBS技術(shù)可以通過(guò)車身結(jié)構(gòu)而更容易地控制能量轉(zhuǎn)移，同時(shí)最大程度地減小了變形和（或）撞擊能量的侵入，因此非常適合的應(yīng)用包括：抵御來(lái)自正面、側(cè)面和后方的碰撞或來(lái)自車頂?shù)臄D壓，從而為乘客、乘員艙和電池提供更好的保護(hù)。對(duì)于那些必須滿足挑戰(zhàn)性要求如美國(guó)高速公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（簡(jiǎn)稱IIHS）的小偏置碰撞測(cè)試要求的結(jié)構(gòu)而言，它也非常有用。
CBS之所以引人注目，是因?yàn)樗堑谝粋€(gè)模塊化的混合材料方法之一，易于安裝，并提供了電泳涂裝必需的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)無(wú)需改變車輛裝配順序即可以較輕的質(zhì)量和中等或較低的成本來(lái)提高性能。
“CBS技術(shù)的多樣性設(shè)計(jì)有助于在復(fù)雜的或難進(jìn)入的區(qū)域簡(jiǎn)化組裝。”L&L Products EMEA公司（法國(guó)Altorf）L&L Products Reinforce業(yè)務(wù)部門的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品工程經(jīng)理Núria Ignés解釋道，“比如，在車門和其他關(guān)閉裝置上采用CBS技術(shù)不僅可以減輕重量，提高剛性，而且，如果在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段就將它集成進(jìn)去，還能簡(jiǎn)化車門的制造過(guò)程。憑借CAE工具和幾十年的經(jīng)驗(yàn)積累，再加上載體與泡沫的組合（一旦固化，就與白車身牢固地連接在一起），我們可以在正確的地方使用正確數(shù)量的材料，從而平衡好剛性與質(zhì)量和成本之間的關(guān)系，或者平衡好能量吸收與噪聲和成本之間的關(guān)系。”
“CBS技術(shù)真正有趣的一面是它的仿生特性。”L&L全球戰(zhàn)略市場(chǎng)經(jīng)理Peter Cate補(bǔ)充道，“就像骨骼中心的細(xì)胞增強(qiáng)支柱是在空心結(jié)構(gòu)中用于增強(qiáng)剛度并管理好荷載的自然界中最有效的方法一樣，一旦粘合劑膨脹，CBS就會(huì)以同樣的方式來(lái)加固車體空腔，幫助工程師以最輕的質(zhì)量來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛性。”
“通過(guò)增加局部和整體的剛性，可以更有效地將載荷分配到結(jié)構(gòu)上。CBS加強(qiáng)件為解決局部剛性和金屬疲勞問(wèn)題提供了量身訂制的解決方案，而且不會(huì)增加質(zhì)量。”朗盛公司Tepex Automotive部門業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Pal Swaminathan繼續(xù)說(shuō)道,“在將CBS 技術(shù)集成到車身結(jié)構(gòu)中時(shí)，NVH性能也會(huì)得到改善。而且，認(rèn)真細(xì)致的工程分析，還有助于開(kāi)發(fā)出局部?jī)?yōu)化的解決方案，以平衡好駕乘體驗(yàn)和操作性能。”
早期的應(yīng)用
CBS技術(shù)的首個(gè)商業(yè)化汽車應(yīng)用始于1998年，到2002年，這項(xiàng)技術(shù)逐漸被市場(chǎng)接受。一個(gè)比較好的早期應(yīng)用案例是PSA集團(tuán)（法國(guó)巴黎，現(xiàn)在是位于荷蘭阿姆斯特丹的Stellantis N.V.）的2006 Citro?n C4 Picasso轎車：9個(gè)CBS 部件分別位于A柱的下部、B 柱的下部和上部以及后軸上方的橫梁上，與金屬方案相比，令汽車質(zhì)量減輕了12kg。一些CBS嵌件有選擇地增加了負(fù)載能力，最大程度地減少了碰撞能量對(duì)乘員艙的侵入，提高了乘客安全性。其他的CBS嵌件還改善了白車身的NVH性能。所有的載體均采用35wt-%的短玻纖PA6注射成型。類似的CBS 還被用在2012 福特Transit貨車上。
新的載體和泡沫選項(xiàng)
多年來(lái)，L&L及其供應(yīng)商們采用新的泡沫配方、更廣泛的載體樹(shù)脂和增強(qiáng)材料擴(kuò)展了CBS技術(shù)，并將此概念應(yīng)用到不同的結(jié)構(gòu)中。
比如，滿足碰撞應(yīng)用需求的大多數(shù)CBS載體都是采用熱穩(wěn)定性好的30 wt-%玻纖增強(qiáng)PA6開(kāi)發(fā)的，因?yàn)樵趶?fù)雜的三維形狀中，需要平衡好剛性和延展性。據(jù)說(shuō)，將兩個(gè)這樣的載體用于一個(gè)主流電動(dòng)汽車平臺(tái)的前縱向構(gòu)件上，不僅簡(jiǎn)化了組裝（因?yàn)闇p少了組件數(shù)量），還降低了20%的撞擊能量對(duì)防火墻的侵入。
現(xiàn)在，混合材料的載體還可以滿足更高的碰撞應(yīng)用要求，如在鋁車身的2019 保時(shí)捷911 Carrera Cabriolet跑車上用于加強(qiáng)A柱。作為一輛敞篷車，對(duì)無(wú)頂框架進(jìn)行加固，對(duì)于保護(hù)乘客以防翻車至關(guān)重要。為保持車輛輕便靈活，保時(shí)捷公司用CBS嵌件取代了A柱中的重型管狀鋼卷軸。柱殼由高強(qiáng)鋼制成，它通過(guò)每個(gè)柱子內(nèi)部的CBS嵌件而得到穩(wěn)固和加強(qiáng)。主要載體是壓縮成型的有機(jī)片材（47vol-%的斜紋玻纖織物/PA6），片材經(jīng)預(yù)熱、預(yù)成型后，再由30wt-%的短玻纖/PA66二次注射成型出肋，片材的一面帶有L&L的L-5235膨脹粘合劑。這項(xiàng)混合技術(shù)不僅滿足了所有的性能要求，達(dá)到了減重目標(biāo)，還減輕了5.4kg的汽車質(zhì)量，方便了組裝并降低了汽車重心，從而提高了駕駛的動(dòng)力性能。
針對(duì)加熱爐工藝不能激活膨脹粘合劑或者需要為涂裝車間提供額外支持的應(yīng)用， L&L表示，其正在研究其他的環(huán)境固化解決方案。
一些基于CBS的相關(guān)技術(shù)也已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，很快，L&L的連續(xù)復(fù)合材料系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CCS）結(jié)合玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)的拉擠載體，如采用或未采用織物以及粗紗的聚氨酯（PUR）——應(yīng)用了特殊配方的密封劑或結(jié)構(gòu)粘合劑，就會(huì)實(shí)現(xiàn)第一個(gè)商業(yè)化的應(yīng)用。CCS元素也可以結(jié)合CBS部件和金屬部件，以較輕的質(zhì)量（通常比鋼輕75%，比鋁輕30%）來(lái)提高等截面結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。它們耐腐蝕、不導(dǎo)電或電絕緣，提供低線性熱膨脹系數(shù)（CLTE），并可實(shí)現(xiàn)高度可預(yù)測(cè)的能量管理，因而非常適合對(duì)單體車身車輛上的結(jié)構(gòu)件、非承載式車身汽車的框架型材以及電動(dòng)汽車的電池架進(jìn)行增強(qiáng)。
復(fù)合材料板材加強(qiáng)件包括與玻璃纖維增強(qiáng)材料共擠出的自粘膨脹結(jié)構(gòu)粘合劑，它被車身車間用到成形好的金屬板材表面上。該系統(tǒng)不僅提高了大型的沒(méi)有相應(yīng)支撐的面板的剛性，減少了波紋和彎曲，還因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加而改善了NVH性能。其商業(yè)化的應(yīng)用包括：用于車門、車頂和地板的面板，發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、擋泥板、后尾門和舉升門。潛在應(yīng)用包括電池殼。
蜂窩板加強(qiáng)件采用的是輕質(zhì)環(huán)氧樹(shù)脂——人工操作使用的是糊狀材料，自動(dòng)化的泵送使用的是低粘度的液態(tài)樹(shù)脂。一旦材料固化，就可以進(jìn)行機(jī)械加工或打磨。它們被用來(lái)穩(wěn)固蜂窩芯材，主要用在飛機(jī)內(nèi)部有特殊考慮的部位，如不增加額外的質(zhì)量。其他的應(yīng)用包括邊緣加強(qiáng)（密封型/加強(qiáng)型復(fù)合材料板邊緣）、將金屬鉸鏈/嵌件安裝到復(fù)合材料板上的嵌件粘接和局部加固。
展望未來(lái)
自1999年獲得首個(gè)專利以來(lái)，L&L已經(jīng)為CBS技術(shù)申請(qǐng)了眾多的發(fā)明專利。由于該產(chǎn)品系列中已經(jīng)擁有廣泛的載體和粘合劑選項(xiàng)可供選擇，因此其應(yīng)用范圍已超越汽車進(jìn)入貨車和航空應(yīng)用領(lǐng)域。
“多年來(lái)，CBS產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)化到能夠滿足多種新的應(yīng)用需求并整合各種功能。”Ignés補(bǔ)充道，“比如，最初只是用于結(jié)構(gòu)加固，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)化到不僅能提高剛性，還能改善聲學(xué)性能或增強(qiáng)能量吸收。由于CBS 技術(shù)能夠提供一系列非常理想的性能，因此我們不僅希望看到其在汽車行業(yè)用量的增長(zhǎng)，還包括在其他行業(yè)用量的增長(zhǎng)。”
封面圖來(lái)源圖蟲(chóng)創(chuàng)意
|
