汽车前端模块中的新技术

作者:文/Composites Technology Peggy Malnati 文章来源:AP《汽车塑化》2013年第1期 发布时间:2013-03-18
模块化的前端正在使乘用车的设计和组装发生革命性的变化,而复合材料和复合材料/金属混杂材料的前端模块解决方案则降低了乘用车的成本和重量,并提高了装配效率.

Kia Cerato的前端支架(图片来自SPE汽车部门)

模块化的前端正在使乘用车的设计和组装发生革命性的变化,而复合材料和复合材料/金属混杂材料的前端模块解决方案则降低了乘用车的成本和重量,并提高了装配效率。

汽车的前端模块(以下简称“FEMs”)通常是多个部件的总成,它将众多的组件集于一体,包括:前向照明系统、散热器和冷却风扇、空调冷凝器、格栅口加固 板、吸撞缓冲区、带有装饰面板的保险杠、车前盖锁闭系统、雨刷喷水瓶,以及各种电子组件和线路布置等,当然,OEM和一级供应商可以对一些特殊的组件进行 改变。与在OEM的生产线上逐个组装的传统方法不同,由一级集成商提供的FEMs为组装线上的汽车前端带来了一个已组装好的完整系统。正因如此,它们能够与所谓的“开放式结构”实现最佳配合,而得到加强的开放式结构足以支撑前端模块。

迄今为止,FEMs已被用于紧凑型和中型汽车上,近年来, 很多大型轿车也使用了前端模块,而所有这些采用前端模块的汽车都拥有单体构造的一体式车身结构。此外,一些SUVs和正常大小的皮卡也使用了前端模块,它 们通常为body-on-frame结构。但FEMs可能还不能适用于每一种类型的汽车,在适当条件下,它们能为汽车制造商带来许多好处。

此图描述了通过对垂直锁闭系统进行拉力试验而测得的FEMs在锁闭系统处的刚性增强情况。在过去的10年间,随着设计、虚拟原型制作、材料、工艺和模塑后组装方法的进步,前端支架设计的刚性已得到明显提高(图片来自SABIC创新塑料)

模块化构造的好处

通过外购一个完整的前端,一家OEM制造商不仅可以消除组装生产线上大量的组装操作以及与众多供应商的联系,而且降低了模具成本并因此而增加了其周转资金。 由于FEMs的基础结构在一定程度上实现了标准化,因此允许在销往众多不同地区的多种车型上采用通用设计,从而实现成本的降低,据说有些情况下可以降低 20%~30%的成本。车型之间的差异可通过采用不同的蒙皮以及作不同的美观处理来得以实现,这符合OEMs的总体发展趋势,即更多地依靠全球技术平台开 发面向不同区域的车型。

宝马Mini Cooper的前端支架(图片来自SPE汽车部门)

此外,FEMs能够在组装工序的后期被加装上,因而可允许装配工人站到发动机舱的内部并从防火墙外进行组装,而不是在挡泥板上方弯腰进行操作,由此而改善了 组装生产线的人体工程学环境。此外,它还允许安装工人从前方装入发动机,而不是将发动机由上向下缓慢地放入一个大体完成的发动机舱内,从而省去了昂贵的起 重吊车。当然,FEMs的应用还改善了汽车前端的精确度和完整性,从而可以在一个单一的组装包中,准确地固定前照灯、保险杠、面板和格栅,同时在一定程度上为款式的改变提供了机遇,而这是采用传统结构不可能做到的。最后, 尺寸精确度更易在一个大的、高度集成的复合材料部件而非一个由多个金属冲压件组成的组装件上得到控制。

对于一级集成商而言,提供一个完整的FEM而不是一个个单独的组件,意味着他拥有更多增值和增加销量的机遇。另外,供应商们实现增值的一个重要方法是,可以充分利用各种机会来对部件和功能进行整合,进而降低重量和成本。

材料选择

FEMs 的结构支架是通过机械固定方式被固定到底盘上,并在其上安装车灯、保险杠、车前盖锁闭系统和其他的附属组件。这些部件可以按全金属、金属/复合材料的混杂 材料或者全复合材料的设计被生产而出。系统材料的选择受多种因素的影响,包括:车型大小、使用中可预见的负载量、周围结构的强度、将被安装到支架上的部件 重量,以及OEM的尺寸偏差要求。因此,目前得到应用的FEM设计多种多样。

SmartLok连接的细节(图片来自SABIC创新塑料)

模块化的前端概念是由大众汽车公司最先开发出来的。该公司早于1990年代就开发出了全金属的前端支架,并成为第一家在大众VW和奥迪车型上广泛应用 FEMs的OEM制造商。支架设计随后采用了混杂的金属/复合材料,以及再后来的全复合材料系统。在此过程中,FEMs被全欧洲的汽车制造商以及亚洲的许 多汽车制造商广泛采纳,同时也在北美漫漫流行起来。虽然克莱斯勒汽车公司在其产品线上使用了FEMs,同时福特汽车公司、日产汽车公司和现代汽车公司也越 来越多地使用它们,但据说通用汽车公司和丰田汽车公司还没有按此观念进行销售。

在谈到早先北美不愿意采纳FEMs时,Zumhagen公司总经理 Conrad Zumhagen说:“从历史上看,欧洲的OEMs在将塑料用于功能部件方面,更多地成为创新先驱。一个原因是,由于欧洲历来较高的燃油价格,使得欧洲的 汽车制造商要比北美的汽车制造商更多地获得了减重带来的益处。此外,许多汽车制造商都难以对实际的总体装配成本进行量化,因此不可能提早预见到在部件集成 和提高组装效率上由FEMs所带来的间接好处。”

在前端支架上安装有保险杠、前照灯、散热器、前格栅和许多其他的附属部件,而前端支架是通过机械固定方式被固定到底盘上(图片来自Decoma International公司)

随着OEMs对FEM概念更加充满信心,以及复合材料系统得到了验证,早期以钢支架为特色的设计已进化为组合了复合材料和金属的混杂材料系统。第一种混杂系 统由特殊的粘合剂进行粘接,之后开发的产品则是通过嵌入成型钢增强件而被生产出来。近年来,许多FEMs的结构支架已完全采用了复合材料。热塑性树脂是最 通用的基体材料,最常用的是聚丙烯(PP)和尼龙(PA)。最初,全复合材料的设计主要集中在可模压成型的含短切玻璃纤维的玻璃纤维毡热塑性复合材料 (GMT)上。出于成本原因,GMT被注射成型的粒状长纤维热塑性塑料(LFT)所取代,首先是长纤维增强PA,之后是长纤维增强PP。最近,LFT又遇 到了来自直接在线混配的注射或模压成型的“直接LFT(D-LFT)”技术的挑战。然而,在一些更新的支架上,特别是需要承受更高载荷的较重型汽车上使用 的前端支架,又重新采用了混杂的金属/复合材料设计,或者OEM又转向采用了GMT技术(只是选择性地铺放了设计好的织物以增强刚度和强度)。这些更结实 的系统是否将广泛应用于较重型汽车或较小型轿车上,它们是否将被LFT和D-LFT所取代,这些还有待于观察。

由SABIC创新塑料(简称 “SABIC”)提供的曲线图,描述了在前盖锁闭系统部位对实际的车前盖锁闭系统部件进行拉力试验所测得的混杂的以及全复合材料的FEM模块设计的刚性增 强情况。由混杂材料系统向全复合材料设计的转变,以及由尼龙向聚丙烯基体的转变,尽管取消了金属且应用在较大型汽车上,但刚性一般都得到了增强。一项开发 中的全复合材料设计,尽管仍处在对有限元分析结果的计算而不是对实际部件的检测之中,但SABIC的目标是,提供一个显著提高的刚性。

自1990年代第一次被推出以来,前端模块(FEMs)已使乘用车的前端制造方式发生了彻底变革,而FEMs的关键在于前端支架(图片来自Decoma International公司)

OEMs 选择的技术通常要求加工成本能够确保总体系统成本最低。对于较小型的拥有结实的白车身结构的A、B型汽车平台,很少需要额外的金属加强件以满足汽车的结构 要求,所以它们通常是全复合材料FEM支架的最佳应用目标。而对于较大的C、D型汽车平台,可能有必要添加额外的横梁结构,因此混杂的钢/复合材料 FEMs可能是需要的。

趋势驱动变革

SABIC的市场开发经理Tom Goral表示:“对前端模块销售价值主张的不断挑战,正在因整个系统所带来的成本优势而赢得信用。成本是首要的,重量也同样重要。但是,让OEMs为每 降低1kg重量而节省的成本承担信用却非常困难。”他解释说,需要对整个系统成本进行计算,因为模块化部件的单价要比由每个单独的前端组件构成的总体成本 要高。“多年来,很难完全捕获供应链因成本节省所带来的价值,包括直接和间接的装配时间,以及保单费用的节省。”Goral说:“所幸的是,在欧洲,系统 采购决定、汽车大小和汽车结构等都已证明了完整的FEMs的价值。”

作为麦格纳集团旗下的一个业务部门,一级供应商Decoma International公司外部模块系统业务开发部门的负责人Norm Guschewski说:“汽车制造商对开放式前端结构的不断推动会对一个FEM解决方案有所要求。基于他们为所处的市场环境而采取正确的业务模式对所做 的正确产品抱有的信心,一体化的水平及组成内容将由OEM作出变化和调整。我们所有的客户都关注成本压力,而且这始终是最强有力的整体驱动力。”他指出, 一些客户更多地关注系统及其装配的整体成本与部件成本的对比,结果,他们对业务案例进行分析的方法有很大的差异。“FEMs能够将装配效率的提高迅速转化 为对成本的节省。”Guschewski说,“这是使我们自己的生产灵活性变为关键之处。Decoma International公司已采用市场可提供的几乎所有材料和工艺技术,提供了超过2百万的FEMs。” Jeep Wrangler的前端支架(图片来自SPE汽车部门)

泰科纳的应用开发工程师Craig Dlugos补充说:“根据设计要求,我想你们在FEMs中总会采用不同类型的材料。”安装散热器和车前盖锁闭系统的面内安装点设计,可以利用采用了更多 复合材料的设计优势。他解释说,但是,如果安装点对散热器和车前盖锁闭系统有较大的抵消,那么钢的强度和刚性就能够更好地适合于承受这些载荷。 Dlugos对于目前成本仍将是驱动力表示赞同。“随着新的CAFé规范的生效,重量将得到更多的关注。但目前的FEMs要比传统方法更轻,因此它们的市 场环境良好。”

替代金属

重要的是,对FEM支架用金属混杂复合材料技术的持续研究,已在材料、工艺和分析工具方面有了许多突破,并不仅仅是对长纤维增强热塑性粒料、长纤维在线混配料以及用于连接混杂系统中金属和复合材料的新方法的开发。由陶氏汽车部门开发的特殊粘合剂,对于一些早期的作为粘接系统的混杂FEMs而言,是一项有用的技术。此后,嵌入成型作为特殊开发的技术被用于确保金属与复合 材料之间更强的粘接效果,以防止在碰撞中出现分离。由朗盛和Venture Plastics公司开发的“塑料/金属混杂(简称‘PMH’)”专利技术,可将玻纤增强聚酰胺与深拉伸的带孔片状金属嵌件组合在一起。该技术被奥迪、宝 马、克莱斯勒、福特、日产以及梅塞德斯-奔驰和大众等汽车公司用于生产汽车上的FEM支架。

Ford Edge的前端支架(图片来自SPE汽车部门)

至于推动FEM技术得到扩展应用的其他方面的进步,行业专家们的回答是:推动FEMs发展的主要驱动力首先来自行业,更重要的是受OEMs想要改善汽车精确 度和完整度的愿望所驱动。Decoma International公司的Guschewski指出, 钢支架不能够提供一体化所要求的一些特性,即目前混杂材料和复合材料系统所允许的在车灯、装饰面板和格栅系统之间的细小间隙。部件集成和外观部件的离线组 装确保了紧间隙并提高了产率,因为公差累积已不再是一个问题。

“今天,FEMs的组装方法在供应商之间是不相同的。”他说,“这些方法中的许多是专有的并提供了成本优势。因此我们认为,在进一步推动FEMs的市场化发展方面,组装技术将不断地发挥重要作用。”

Zumhagen 补充说:“从材料和加工的角度来看,推动FEM应用的重大进步包括:对长玻纤增强热塑性塑料的日益广泛的认可,以及几家重要供应商最近在D-LFT工艺和 设备方面所取得的成就。”他肯定了首次被用于粘接金属/塑料支架的粘合剂技术(特别是陶氏的LESA粘合剂)的进步。“然而,最重要的因素或许是一级供应 商和OEMs设计塑料/复合材料FEM支架的能力得到了提高,这要归功于更大的驾乘体验和舒适水平以及更好的CAE工具为他们带来的信心。”

SABIC STAMAX产品市场开发经理Matthew Marks承认分析软件在此发挥的作用。“FEA/CAE工具对于汽车结构的开发非常重要。OEMs不断加快汽车开发平台的时间进度,缩短产品开发时间, 这就意味着更大的着眼点被放到了预测性的建模分析工具上,而不是传统的原型和测试(制造和破坏)方法。”值得注意的是,在过去的10年间,虽然用于热塑性 塑料的建模技术已得到了显著进步,但在行业领域内,对材料的表征技术以及对长玻纤增强复合材料行为特征加以了解的技术目前尚处于初级阶段。他说,“精确而 可靠的材料性能表征,对于设计工程师完成预测分析、缩短产品交付时间以及加速开发和生产启动的时间进度至关重要。”Audi A2的前端支架(图片来自SPE汽车部门)

新型模块

近10年来,FEMs的演变轨迹看起来就像是一个直线式的发展进程——脱离金属而向混杂材料支架发展,然后是全复合材料的支架。克莱斯勒的2009款 Dodge Ram皮卡就采用了由Decoma International公司提供的FEM,它带有一种液压成型的钢管。采用一种具有结实钢管的混杂结构支架,并不意味着克莱斯勒或Decoma International公司对复合材料解决方案失去了信心。当然,这种FEM正被用在可承受极高载荷的全尺寸皮卡上,因为它拥有一个“body- on-frame”结构。

Guschewski解释说:“这种设计类似于我们之前发布的Wrangler吉普车上的设计,它是另一款 ‘body-on-frame ’类型的车。我们的单体车身FEMs没有被设计为拥有管件,因为它们不需要承受这些较高的结构载荷。我们在着重提高精确度和完整性的同时,注重开发最轻的 且最具成本竞争优势的支架,以满足指定汽车的结构要求。注塑成型的支架不断地为我们的FEM设计提供了最高水平的集成性,同时能以最轻的质量和最低的成本被生产出来。”

2008款Jeep Liberty的前端支架采用了混杂结构设计(图片来自Decoma International公司)

出现在福特汽车公司为澳大利亚生产的全尺寸限量版Falcon轿车上的另一款混杂材料的前端支架,第一次将一种液压成型的闭截面钢管与一种30%玻璃纤维增 强PPE/PA混配料组合在一起。在注塑成型过程中,利用液压成型钢管上的一个可允许塑料从管外流入管内的几何特征,使得金属和复合材料被连接在一起,从 而创建了一个牢固的三维连接,SABIC称其为“SmartLoc”。这项技术消除了对机械锁扣或粘合剂的需求,并在一个有限的安装环境下提供了较高的断 面刚度。该系统为这款车达到五星级的碰撞等级提供了支持。该混杂材料的前端支架还帮助提供了较大的车型设计自由度,它降低了30%的重量并减少了70%的部件数量。

由法国Valeo发布的一款新奇且有些异样的前端模块概念,据说可将行人受伤的严重程度降低20%~40%。被称为 “Safe4U”的FEM拥有两个被动和主动保护系统。通过对诸如韧性钢之类的吸能材料的使用,为优化对汽车乘员和行人的被动保护提供了帮助,并使得汽车 制造商满足了于2010年生效的新的欧洲行人碰撞第二阶段标准要求。其主动行人保护系统组合了放置在上横梁上方的雷达系统和两个分别被安装在保险杠两边的 照相机,据说能够识别出来自其他危险之处的行人。一旦该系统已经识别出了发生碰撞的风险,两个促动器就会在不到100ms的时间内,将上层横梁从其支架上 放开,引起前端上部向后摆动。该系统是可逆的:如果没有碰撞发生,促动器就会移回原位并重新组成前端。

大众Polo的前端支架(图片来自SPE汽车部门)

虽然在最早的复合材料FEM支架中所使用的GMT已被LFT和D-LFT所取代,但新的梅塞德斯S级豪华轿车却为人们带来了有趣的例外。它拥有一个由 Innomotive Systems欧洲公司采用织物增强GMT生产的重3.4kg的支架,瑞士Quadrant Plastic Composites公司为此提供了材料。该GMT支架的碰撞性能得到了提高,并提供了较高的热稳定性,降低了重量,同时实现了采用钢材不可能实现的功能 集成。

已有许多汽车展示了全复合材料的FEM支架,如梅塞德斯的Vito和Viano小型轿车,以及现代汽车的Getz车。这两家汽车制造 商均采用了一种轻量化的前端构造,它允许在组件中集成额外的功能,因而缩短了组装时间,降低了成本并减轻了重量。这3款车上的FEM支架均采用注塑成型粒 状LFT-PP材料被生产而出。

泰科纳的Dlugos解释说:“在这些应用中,选用长纤维增强热塑性塑料的原因主要有两个。首先,这种材料 具有非常高的吸能性,这一优势使其真实价值能在碰撞中显示出来:当前端发生变形后,该材料会吸收冲击能,从而减弱撞击力,否则该撞击力就会作用到车内乘员 身上。其次,LFT为该应用提供了必要的刚性。”该3款车型中的每一个FEM支架还为照明系统、散热器和挡泥板提供了安装载体。同样重要的是,FEM为夜 间行驶的安全性所发挥的积极作用。“高尺寸稳定性对于集成照明元素,从而保持前照灯的适度聚焦显得尤为重要。”他解释说。

更多的市场渗透

在 谈及未来可能会保留什么时,Zumhagen说:“随着OEMs和他们的供应链懂得利用好FEM支架所能提供的部件和模具一体化、重量和成本降低这些综合 优势,复合材料的FEM支架将不断向市场渗透并在北美得到发展。”他认为,发展趋势将更多地支持对长玻纤增强热塑性塑料的应用,特别是PP混配料,几乎没 有主要的金属加固件。他说,这些可通过采用由机器制造商(如迪芬巴赫和克劳斯玛菲)提供的完整成型系统,或者那些能够被添加到现有设备中的技术,如 Plasticomp公司的Pushtrusion工艺,而越来越多地利用D-LFT方法被生产出来。关于Pushtrusion工艺,Zumhagen 解释说:“该技术为那些不想购买更昂贵的交钥匙系统而更愿意采用现有机器进行生产的成型商提供了具有成本效益的替代方案。”

SABIC的Marks说:“经济形式正在推动行业向小型汽车和轻量化系统方向发展。随着设计工程师对长玻纤增强材料和技术的进一步熟悉,全复合材料的FEMs将得到日益广泛的应用。”

Decoma International公司的Guschewski补充道:“那些对精确性和完整性,以及对部件集成和改善机遇备加关注的客户,还有那些在此方面已经 做得很好的客户,他们都告诉我们说,他们将持续采取这一战略。”他声称,那些对自身战略表示质疑的OEMs已经承认,他们完全将其FEMs集中到了冷却系 统部件上,同时忽略了同样重要的A级表面部件。“不幸的是,那些FEMs不能为OEM带来他们所期望的结果,因为它们不能做到最大程度地减小公差累积。”

随着更严格的CAFé标准在美国的执行,以及更高的行人保护标准在欧洲和亚洲部分地区的执行,有望看到材料、工艺和设计在FEMs上的更多创新应用,因为供应商们希望削减成本和重量。

FEM支架设计的变化

过去10年间,前端模块的支架设计已发生了许多变化,这涉及到了材料、工艺、二次加工以及部件集成技术的应用水平。以下列举了一些值得关注的前端支架应用。

2000 款奥迪A2:作为由钢和短玻纤增强尼龙6注塑成型的混杂系统,该支架将“保险杠到保险杠”的钢的结构完整性与复合材料可实现部件集成的优势集于一体,从而 降低了30%的重量和5%的直接成本,同时还实现了20%的成本避免。通过在钢上穿孔以使树脂流入,而在钢和复合材料之间形成了强大的机械粘接力。

2002 款宝马Mini Cooper:由粒状长纤维增强聚丙烯注塑成型的全复合材料设计不含钢嵌件。该应用据说是第一次采用LFT-PP材料(含30%玻璃纤维)生产的前端模块 支架,它降低了30%的重量和25%的成本,同时与以前的系统相比,减少了20个部件。与钢支架相比,其NVH性能也得到了改善。

2004 款Kia Cerato:这是一种由钢和30%玻纤增强尼龙6注塑成型的混杂结构,据说它是第一次用模内组装(即嵌入成型)技术生产出的一种结合紧密的塑料/金属前 端支架,该支架的刚性/重量比在当时生产的所有FEM支架中是最好的。它降低了40%的重量和30%的成本,同时还为汽车带来了3美元的成本避免。为最大 程度地减少模塑后的二次操作工序,18个螺纹嵌件在模塑前即被放入模具中。这种100%可回收利用的设计还改善了NVH性能。

2005款 Volkswagen Polo:作为钢与长玻纤增强PP粘接的混杂系统,该支架是世界上第一个粘接的混杂支架设计。它采用了一种结构粘合剂,最大程度地实现了金属与LFT- PP的强力粘接,从而不仅降低了应力集中,而且载荷在整个结构上的分布也更好,同时还提高了刚性并增大了承载能力。一种特殊的双组分丙烯酸粘合剂被特别开 发出来,用于粘接到PP上而无需表面预处理。

2007款Jeep Wrangler:该钢管与长玻纤增强PP的粘接系统,是第一个被用于“body-on-frame”汽车上的混杂结构支架。它由LFT-PP粒料注塑成 型而出,然后采用一种可免去对复合材料表面进行预处理的低能量粘合剂,将其粘接到钢加强结构上,从而在连接部位实现了出色的刚性并提高了耐久性,这对于越 野车是非常重要的。与所替代的焊接钢支架相比,它降低了15%的重量和25%的成本,并实现了25万美元的成本避免。

2007款Ford Edge:这种被用在一个大型复合材料FEM上的全复合材料长玻纤增强PP支架设计,与钢或混杂材料的支架系统相比,其重量和成本均得以降低。同时,它还 使得福特汽车公司能够在Edge SUV的制造中,实现一个开放式的结构,从而改善了组装生产线的安装便利性。

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