大量使用复合材料的杰作:2020科尔维特(Ⅱ)

作者:本刊编译 发布时间:2021-04-24
创新的复合材料,降低了高产量的发动机中置跑车的重量、成本和噪声。

图1

2020年早些时候,第一批量产的通用第八代雪佛兰科尔维特跑车(简称C8s)从通用位于美国肯塔基州的鲍灵格林工厂装配线上下线。这款被称作是67年来最快、最强大的入门级科尔维特车型,也是复合材料应用最多的以及第一款采用中置发动机配置的科尔维特车型。2020 科尔维特Stingray不仅美观快速,还配有许多豪华功能。除了美观和速度外,这款车上还有许多复合材料的创新

车身结构:B部分

新款科尔维特的特点是,不是拥有一个而是拥有两个总计可容纳0.36m3货物的后备箱。两个后备箱都由42% 重量百分比的短切玻纤/乙烯基酯-不饱和聚酯(VE-UP)树脂制成,只是根据形状和力学性能的要求不同而采用了不同的工艺。前后备箱(frunk)是由0.95比重的“漂浮”片状模塑料(SMC)模压成型,后后备箱是由专有的PRiME(Prepositioned Reinforcement ensuring Manufacturing Excellence)工艺成型,这是湿法模压(LCM)成型的一种类型。漂浮SMC和PRiME 工艺均由加工商Molded Fiber Glass Co.(简称MFG,美国俄亥俄州Ashtabula)开发,MFG生产所有的结构SMC 和湿法模压成型的汽车部件。

“虽然这两个空间的特点都是浅吃水、长拉伸壁,但前后备箱要比后后备箱小,并能够模压成型。”科尔维特车身结构主任工程师Chris Basela解释说,“后后备箱需要较高的力学性能,而且用SMC很难填充其形状。由于PRiME工艺允许我们改变纤维的长度,使得我们可以在预成型件中使用更长的预定位增强材料,从而让树脂流动而不是让玻纤移动,这证明了这是最好的方法。”

图2

图3

2020 科尔维特是第一款采用车身结构空腔作为进气管道系统(与车身框架一体化)的汽车(上图),它由多个主冷却通道供气(下图)。这款车采用的V8自然吸气发动机需要大量的空气,因此确保良好畅通的气流以保持发动机的冷却至关重要(图片来自通用汽车公司)

巧妙的工程和一种新型材料是冷却C8发动机的关键。多个主冷却通道(每个车门后面的后进气口、前车轮罩通风口和外侧冷却进气口)为高度复杂的进气管道供气,使气体穿过车辆流过发动机,然后通过铝网通风口以及玻璃隔板(用于展示科尔维特的发动机)两侧的SMC appliqués排出。Appliqués由MFG的漂浮(比重0.95)SMC(短切玻纤/ UP-VE树脂)制成。这种材料的VOCs排放低,且不需要在后进气管上安装谐振器,与替代技术相比,还降低了成本和2.4 kg的重量。

这种包围了乘员舱后半部分的巨大的后环绕框架(163cm×175cm×61cm),由1.2比重的增韧SMC模压成型。这种混合增强的材料,由15%体积百分含量(FVF)的碳纤维和30% FVF的玻璃纤维以及低VOC的UP树脂制成,能够承受发动机舱的热量。该框架构成了所有的后部外饰和内饰面板的尺寸基础,灵活的设计还使其可适用于多种车型。基于对重要部件的整合,该部件取消了二次连接操作,增加了内部容纳空间并降低了噪声、振动和不平顺性(NVH),从而提供了更好的车身结构和密封性能,改善了后窗口的可见度,相比外凸框架而降低了重量(15%)和成本。“由于该部件的尺寸大约是183cm×183cm×61cm,因此我们必须使材料在模内向上流动。”Basela回忆道。

图4

这种非常大的后环绕框构成了所有的后部外饰和内饰面板的尺寸基础。用于成型部件的模具,每个半模重约15900 kg,由Tooling Tech Group(美国密歇根州Fenton) 的Century Tool部门制造。所使用的模压机拥有2800t的锁模压力和274cm×173cm的模板尺寸。虽然部件尺寸大,但生产节拍只需3min.(图片来自SPE汽车部门)

同样有趣的是隔板(中间窗框),它由MFG订制以应对高热量和噪声带来的挑战,因为座舱的这一部分直接位于V8发动机的上方。采用低VOC的VE-UP树脂浸渍的玻璃纤维增强材料结合铍石墨填料,有效地抑制了噪声传入乘员舱中,从而不再需要采用二次消声策略,进而降低了成本,增加了车内的包容空间和乘客的舒适性,改善了车身的密封性和NVH性能。“凭借2.2的比重,这是第一个需要增加重量而不是减轻重量的复合材料部件。”Basela笑着说道。

外壳与装饰

外饰车身面板均由帝人集团的子公司大陆结构塑料(美国密歇根州奥本山)采用1.2比重的增韧SMC(根据部件的不同,采用22%~28% FVF 玻纤/UP树脂)制成并完成对内、外板的粘接和整个部件的喷涂。通过采用螺栓来连接复合材料的外壳,通用在C8上大胆地实现了对造型、空气动力学和功能性冷却的一体化,从而能够采用相同的部件,低成本、高效率地减轻多个车型的重量。利用鲍灵格林工厂创新的机器人湿磨砂工艺,所有的车身面板均在车辆位置中的skuk 系统上得到在线喷涂。

图5

后检修门由增韧SMC成型,采用了一种耐高温、现场发泡的硅胶密封垫,提供了持久的密封性和出色的压缩永久变形阻力,可长期暴露在发动机舱的高温环境下。另一种复合材料,即耐热耐磨损的铝化芳纶织物被用作车门内部的隔热板,以提供额外的热防护(图片来自SPE汽车部门)

另一项创新是采用了一个一体化的部件,即用在检修门(位于后后备箱中,轿跑车上有一个,敞篷汽车上有两个,以使用户能够接触到空气滤清器系统)背面的触变性硅橡胶泡沫密封垫。由于靠近发动机舱,这种高性能就地发泡(FIP)的弹性体(陶氏的Silastic 3-8186)被指定为能在200℃下连续使用,并提供持久的密封和出色的压缩永久变形阻力,即使在多次开合循环后也同样如此。据通用介绍,持续暴露在这样的温度下,对于大多数的其他模切泡沫和密封垫而言,要么熔化,要么破裂。调好配方后,在75℃下对所应用的密封垫热处理10min使其膨胀发泡,从而消除了模切成本和浪费。车门本身采用的是增韧的SMC(42% FVF玻纤增强VE-UP)。由Gentex Corp.(美国宾夕法尼亚州Carbondale)采用耐热耐磨的Kevlar镀铝芳纶织物制成的隔热板,为车门内部提供了额外的热防护。

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通用2020新款发动机中置的雪佛兰科尔维特 Stingray是这款车型67年来最快最强大的入门级产品,也是复合材料使用最多、采用了大量创新技术的车型(图片来自通用汽车公司) 

通用还在C8上采用了其第二代的全自动精密车轮平衡系统。与3M Co.(美国明尼苏达州圣保罗)和ESYS Automation(美国密歇根州奥本山)一起开发的这种具有订制磁性的高密度(比重5.8)复合材料车轮配重,取代了由喷漆钢、锌或铅制成的具有特定重量且必须由人工将其应用到车轮上的传统的冲压金属配重块。该新的系统使用了带有胶粘背衬的大卷挤出带材,在含氟聚合物基体中拥有67%(按体积计算)工业用后的耐腐蚀、完全可回收的合金钢。该自动化的系统检查每个车轮,然后以更小、更精确的增量切割并应用自定义配重带段,以改善行驶性能,减少轮胎磨损。它还减少了装配的时间和成本,简化了库存,消除了废料和劳动,被赋予了比金属配重更多的色彩。

轿跑车车顶有3种装饰级别:喷涂的低密度增韧SMC(大陆结构塑料提供)、透明并涂有耐刮擦涂层的聚碳酸酯(PC),以及带有喷涂边缘、涂有透明清漆从而暴露碳纤维编织纹理的复合材料(美国deBotech Inc.提供)。大陆结构塑料还为敞篷车型的伸缩式车顶系统提供了几种1.2比重的A级表面增韧SMC 面板。

图7

科尔维特漂亮的外观(图片来自通用汽车公司)

其他外饰面板包括喷涂的热塑性聚烯烃(TPO)上、下前饰板。下前饰板集成有管道,可将空气引入到制动器(仅限Z51组件)和舷外热交换器上。外部格栅和制动器冷却通风口采用的是喷涂的ABS。

后部上层饰板是模内着色(MIC)的TPO,但后部下层饰板总成是1.2比重的A级表面喷涂SMC(玻璃纤维/ UP树脂),这是因为该部件靠近热排气口。SMC出色的力学性能使得通用能够设计出一种无支撑的短的后悬架,在附件之间采用更大的间距而不会下垂。与热塑性塑料相比,SMC还可以在低速追尾过程中令载荷能够在更大的面积上得到有效分散。支架和后部停车辅助传感器被粘接到SMC上,据说这是第一次将SMC的保险杠蒙皮用到大批量生产的汽车上。

后舱门饰板采用喷涂的PC/ABS作为上面板,带铝网的SMC被用于侧通风口,而下面板则采用SMC来适应发动机上方的热载荷。这些SMC 面板由利安德巴赛尔旗下的Quantum Composites Inc.(美国密歇根州Bay City)生产。车门把手释放开关采用的是PC/ABS,而后进风口采用的是SMC。基础型的汽车拥有吹塑成型、喷涂的ABS扰流板以及注射成型、喷涂的ABS后出风口格栅。与车外后视镜盖和散热器进口格栅一样,A柱和车顶饰件采用的是喷涂ABS。根据选项包,一种增韧SMC的前车底架,以及一种吹塑成型的TPO前分流器/扩散器或者碳纤维复合材料的前分流器/扩散器(涂有透明清漆,可见碳纤维纹理,由deBotech采用美国Solvay Composite Materials公司的环氧碳纤维预浸料制成),增加了空气动力稳定性。由增韧SMC制成的后扩散器与采用MFG的A级表面喷涂SMC制成的SMC后下蒙皮相匹配。

高级碳纤维装饰组合的特点是,内部和外部拥有各种涂有透明清漆、可见碳纤维纹理的亮点,包括后视镜盖、前格栅嵌件、前分离器、附件翼子板、发动机舱盖、车门内开关板、摇臂饰条、仪表板组合仪表嵌框、车门把手盖、侧围板饰件和行驶控制面板。这些部件由deBotech、SMI Composites LLC (美国佐治亚州Comer)和Plasan Carbon Composites(美国密歇根州Wixom)生产。

图8

科尔维特不仅快速而美观,而且含有很多舒适特征。对于复合材料的爱好者而言,高级碳纤维装饰的升级为内、外表面增添了许多涂有透明清漆的可见碳纤维纹理的复合材料亮点,如此图所示的驾驶控制面板(图片来自通用汽车公司)

先进的技术

2020新款科尔维特已获得了许多著名的行业奖项,包括2020 MotorTrend Car of the Year、2020 Automotive News PACE奖(顶级汽车供应商卓越贡献)Partnership Award,以及由美国塑料工程师学会(SPE)颁发的几个奖项。“虽然新款Stingray的发动机中置架构占据了头条新闻,但无论发动机放在哪儿——驾驶员的前面还是后面,8代科尔维特在汽车材料技术的应用方面始终处于领先地位。”科尔维特全球执行总工程师Tadge Juechter表示,“先进的技术是我们工作的核心。”

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