大量使用复合材料的杰作:2020科尔维特(Ⅰ)

作者:CompositesWorld PEGGY MALNATI 文章来源:PT塑料网 发布时间:2021-02-19
通用汽车公司第八代雪佛兰科尔维特汽车使用了更多的复合材料,所用零部件由独特的材料和工艺制成。

通用汽车公司第八代雪佛兰科尔维特汽车使用了更多的复合材料,所用零部件由独特的材料和工艺制成。

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发动机中置的科尔维特设计效果图 

备受期待的通用汽车公司(以下简称通用)第八代雪佛兰科尔维特(简称C8)汽车自2019年7月18日正式发布以来一直广受赞誉,该车于2020年早期开始进入商业化量产阶段。

新的科尔维特Stingray敞篷车和跑车之所以引人注目,不仅是因为其美观性以及通用制造了一款起价不到6万美元(价格仅为性能相当的发动机中置汽车的1/3)、发动机中置的街道合规高性能轿车,还因为它们大量使用了真正创新的复合材料,这使其令人印象深刻。

新的发动机配置改变了一切

通用工程团队在进入初步设计阶段时就知道,他们要开发一款发动机中置的汽车,这是其8代科尔维特车型中第一款采用这种构造的量产车型。

“为了提高性能,我们已尽可能地改进了前置发动机的构造,因此,转向中置发动机的设计是下一个合理的步骤,目的是对一辆已经很完美的汽车进行改进,以使我们成为细分市场的领导者。”通用全球科尔维特执行总工程师Tadge Juechter解释道。

通过配备Z51高性能技术包,2020科尔维特Stingray只需2.9s就能实现0~97km/h的加速,并能达到312 km/h的最高速度。发动机的后移,会对汽车带来很多影响,包括汽车的重心、乘员的相对位置、变速器的位置、车身底板的设计以及行李箱的储存空间。此外,发动机中置设计还将更高的运行温度和噪声引入到汽车的新区域中。

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从C1到C8,全部8代雪佛兰科尔维特车型都展示于此(图片来自通用汽车公司)

“由于发动机中置,我们必须做不同的事情。”科尔维特车身结构工程团队经理Ed Moss解释说,“从一开始,我们就如何布置车身结构进行了很多讨论。当我们讨论设计和构建每个系统的最佳方法时,一切都摆在桌面上,比如,我们就驾驶室是采用金属还是采用复合材料进行了争论。如果我们保留C7的复合材料驾驶室,我们就得粘接到铰链柱(A柱)上,它紧靠发动机中置汽车的前轮,留下很少的安装空间。我们甚至简单讨论了金属与复合材料车身面板的对比问题,但采用金属创造C8的造型线条在经济上是不可行的。”

“我们面临的真正挑战是,如何处理进气问题。”科尔维特车身结构首席工程师Chris Basela回忆说,并解释了使用不同方法的必要性,以使冷却空气流入并通过自然吸气、495马力的6.2L V8发动机,来产生637Nm的扭矩。“我们试过各种设计来迫使空气通过极为曲折的路径,这形成了我们所不希望的漩涡和气流。为此,我们与动力总成团队开展了大量的迭代研究,以找出最佳的气流路径,因为汽车需要无限制地自由吸气。我们还需要进入气箱,而且必须围绕后行李箱空间开展研究。另一个问题是乘客舱内的热和发动机噪声,这是因为,乘客不再坐在发动机后面,而是直接坐在它的前方。而且自C7以来,随着欧洲和其他地区法规的变化,我们特别重视乘客舱内的空气质量,所以我们要努力降低VOCs。”

“甚至包括如何组装汽车也是一大挑战。”Moss说,“采用前置发动机设计时,发动机盖会较长,发动机舱的空间会较大,从而为操作人员提供了从车厢内组装的足够空间,即使前保险杠横梁已经焊接好。但在发动机中置的科尔维特上,由于前夹很短,所以在制造时我们必须让车的前端保持敞开,然后再固定上前保险杠。”

“要得到合适的形状需要相当平衡的行为,同时确保我们的供应商能够生产出部件,以及确保我们鲍灵格林工厂(通用位于美国肯塔基州的科尔维特装配厂)的团队能够组装它们。”Basela继续说,“最后,只有一种复合材料从C7的车身转到C8上。”这是为2016 科尔维特开发的比重(SG)1.2的增韧级别A级表面片状模塑料(SMC),它被用于新车的各种外封件上。

就C5~C8这4代车型而言,科尔维特采用的是3层、多材料的车身结构:车架通常采用的是铝和钢的混合材料,而这次采用的是碳纤维增强复合材料(CFRP);车身结构主要是粘接的复合材料,以充分利用设计和制造的灵活性;螺栓固定的车身板自1953年6月雪佛兰首次面世以来就一直采用的是复合材料,这种层状的混合结构不仅依靠高产量而提供了低成本的减重优势(尤其是对于这种性能级别的轿车),而且还允许以较低的模具投入生产多种车型。实际上,对于C8来说,通用只使用了20副模具就生产出了所有用在基础的跑车车型和敞篷车型上的A级表面复合材料车身面板(粘接的内层板和外层板)。

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凭借复合材料在2020 科尔维特Stingray汽车上的创新应用,通用及其供应商获得了许多奖项,包括SPE汽车部门第49届年度汽车创新大奖中的车辆工程团队奖,以及许多类别奖(图片来自SPE汽车部门)

此外,科尔维特一直被设计成一种敞开的车顶结构,而无论是敞篷车还是拥有固定或可拆卸车顶的跑车。由于采用开式车顶的汽车通常比采用固定车顶的汽车刚性要弱,因此对于每一款科尔维特的工程而言,一个重要的关键点是,总要创造出最刚性的基础来改善悬架和转向。从历史上看,通道(发动机前置汽车上的变速器和传动轴的外壳)控制着科尔维特的车体结构,而且是实现高扭转刚度的关键因素。就新款科尔维特而言,通用甚至实现了更高的刚性。拆下车顶,C8车身的刚度比标杆的高性能发动机中置竞争车型提高了53.78%,比第二款高性能发动机中置竞争车型提高了29.27%,比C7提高了13.79%。两个复合材料的部件为该车辆的刚性作出了重要贡献:一个是直接连接到车架结构上的部件,即后保险杠横梁;另一个是连接到车身底板的部件,即下通道。

车架结构

C8的车架主要是铝合金与一种CFRP部件,它满足了通用严格的成本目标。相比之下,C7的车架是全铝的,而C6几乎是钢的。

直接安装到车架上随白车身一起通过电泳防锈涂装工艺(通用将其称作ELPO)的唯一的复合材料部件,是一种独特的CFRP后保险杠梁,该部件有助于加强车架,提高后碰撞性能。归功于德国Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG开发的一种名为弧线拉挤的新工艺,赋予了该部件完美的曲线形状,使其能与后部造型相匹配,并能装进有限的空间中,同时还能使其尺寸在接近发动机舱热量的情况下保持不变。作为汽车行业中第一个弧线拉挤成型的部件,这种空心两室的梁由Shape公司(美国密歇根州Grand Haven)在TTI开发和制造的设备上生产,仅重1.3kg,拥有一个粘接的或螺栓连接的能承受25 kN拉力的牵引钩眼。

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用在2020 科尔维特上的曲线形状的后保险杠梁,是汽车行业中第一个拉挤成型的碳纤维复合材料部件,该复合材料由聚氨酯丙烯酸酯浸渍的87根单独的碳纤维丝束和8个碳纤维无卷曲织物(NCFs)制成。这种空心的两室横梁比其取代的铝梁轻66%,满足了通用严格的成本目标(图片来自Shape公司)

车身结构:A部分

几乎所有的C8车身结构部件都是复合材料的,它们在通过电泳防锈涂装后,被粘接或者用螺栓连接到车架上。这种级别的重要的复合材料部件包括车身底部结构封装件和地板,以及前后行李箱、进气管、后围和隔板。

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与铝部件相比,采用湿法模压成型的混合复合材料的下通道封盖取消了次级附件,减轻了3 kg的重量,降低了人力、模具和投资成本(图片来自SPE汽车部门)

C8上可拆卸的下通道结构封盖可充当检修门,它为车辆贡献了10%以上的扭转刚度,并在碰撞过程中充当主承载路径。这种混合复合材料的面板由3层玻璃纤维预成型件构成。这些预成型件由38%纤维体积含量(FVF)的连续/编织纤维和短切/随机纤维构成。为提高表面质量,在每个叠层的上下表面还添加了面纱。玻璃纤维的预成型件被夹在两层采用21%纤维体积含量的无卷曲双轴织物和乙烯基酯树脂(VE)基体制成的预成型件之间,该无卷曲双轴织物采用的是东丽12K丝束的T700标准模量碳纤维。该封盖由Molded Fiber Glass Co.(简称MFG,美国俄亥俄州Ashtabula)采用其专利的PRiME(Prepositioned Reinforcement ensuring Manufacturing Excellence)工艺制成,这是湿法模压(LCM)的一种类型。

除了作为发动机支架的一部分而靠近后轮的铝制封盖外,其余的车身底板要么由模压成型的SMC构成,要么由注射成型的热塑性塑料构成。除其他优势外,这些面板还减少了车底湍流和阻力,提高了燃油效率,能阻止湿气、灰尘和石块进入发动机和传动系统中。不仅如此,它们还为多个内部与外部界面提供了尺寸基础。

这种低密度的结构SMC面板采用了MFG开发的新配方,在此应用中采用了40%纤维体积含量的短切玻璃纤维和不饱和聚酯树脂(UP)。该材料名为“漂浮”SMC,这是因为每一块板的密度不到1.0(平均比重为0.97),能漂浮在水中。MFG生产用于这款车上的所有结构SMC和LCM工艺成型的部件。

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对“漂浮”SMC的大量应用,为C8的减重作出了重要贡献。凭借不到1.0的比重,由MFG开发的低密度结构SMC被用于各种非A级表面部件,包括车身底板、仪表板、进气管道系统和前行李箱(图片来自Molded Fiber Glass Co.)

这款车还采用了为扭转弯曲和侧柱碰撞保护而得到优化的一种混合地板(接合门槛板和与其连接的通道)。地板由面向客舱的冲压铝板与面向地面的1.5比重的复合材料板粘接而成,该复合材料板由60%重量百分比的连续及编织玻璃纤维与乙烯基酯树脂通过PRiME工艺制成。MFG对材料进行清洁和制备后,采用亚什兰全球控股公司(美国特拉华州威尔明顿)的Pliogrip 9100聚氨酯结构粘合剂将两层板热粘接在一起。

所有直接粘接到C8车架上的复合材料部件首先要经受激光烧蚀,这是由通用、MFG和Adapt Laser Systems LLC(美国密苏里州堪萨斯城)为2016 科尔维特开发的工艺,起源于复合材料行业的模具清洁方法。激光烧蚀取代了手工打磨,减少了人工劳动、时间和成本,消除了灰尘,提高了可重复性。激光路径、攻角和能量水平可针对每一种部件的材料和形状而自定义。为了最大程度地提高生产的灵活性,整个车底,包括地板,都是利用粘合剂和螺栓来与车身进行连接的。

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