复合材料的车身加强件

作者:CompositesWorld PEGGY MALNATI(本刊编译) 发布时间:2021-09-16
一种混合材料的结构加强技术,可以在不过度增加质量的前提下提高车身刚性,改善NVH性能,降低通过车辆的冲击能量。随着其可选范围的增加,应用也日益广泛。

在汽车白车身结构应用领域,虽然复合材料已取得了一些进展,但长期以来,这一汽车应用领域却一直由钢材主导,近年来又转向了铝材,这使汽车制造商们过度依赖于焊接和机械紧固件如螺栓和螺钉来实现对金属结构的连接。虽然这些焊接接头和紧固件通常很结实,但也可能会失效,此外,在不过度增加质量的前提下提高刚性、改善NVH性能或降低通过车辆的冲击能量方面,它们几乎不起作用。而应对这些挑战的一种方法,是通过整合复合材料和结构粘合剂,来对白车身的连接接头和空腔结构进行增强(如图1所示)。

图1

图1 CBS加强技术将金属车身部分、热塑性复合材料载体和可膨胀粘合剂整合在一起,可以选择性地加固白车身的空腔结构和节点/接头,从而以低于全金属解决方案的重量和成本,提高乘员的舒适性和安全性。它还改善了NVH性能和耐久性,且不会改变汽车制造的顺序(图片来自L&L Products Inc.)

这种解决方案的一个例子是一种名为“composite body solutions(简称CBS)” 的材料/技术,它包括:用于加强汽车主结构的三维结构嵌件,该嵌件整合了白车身元素或其他的车辆子结构;采用连续或不连续纤维增强材料注射成型的热塑性复合材料的载体;可热激活的膨胀结构粘合剂。CBS的这些要素,是在车辆制造的早期,在电泳涂装之前在车身车间中被安装到位。

CBS部件通常是采用双组分/二次注射成型工艺被生产出来,生产中,采用可膨胀粘合剂和可能增加功能性的额外的密封剂(在一种3组分工艺中),有选择性地对含有焊接接头或卡扣(用于暂时将CBS连接到金属白车身上)的载体进行二次成型。这种未固化的粘合剂(基于订制的环氧化学原料)摸起来是干的,可以成型出复杂的形状。通过在复合材料与金属表面之间保持一定的间隙,这种粘合剂还允许在电泳涂装之后的加热炉固化过程中,在热激活之前,确保电泳涂装覆盖到金属部分。当泡沫膨胀时,载体与周围组件之间的缝隙即被密封,从而将它们锁在一个像盒子一样的“宏观结构”中,这尤其提高了高动态载荷下的力学性能。

如果在车辆设计的早期阶段就将CBS模块整合进来,则为提高白车身的局部或整体刚性、增强乘员的安全性和舒适性提供了一种低成本、轻量化的选择方案。相对于较重的全金属解决方案,它们可以实现中性的或者较低的成本。虽然CBS最初只用于汽车,但随着载体与粘合剂材料组合的不断增加,其应用范围也在不断扩大。

工程开发应对性能挑战

CBS技术由位于美国密歇根州Romeo的L&L Products Inc.(以下简称L&L)开发并实现了商业化。作为为提高白车身性能而提供汽车密封剂、隔音材料和增强材料的供应商,L&L历史悠久,其开发的技术能够帮助客户以较低的成本和较轻的质量来提高乘员安全性,满足更加严格的汽车碰撞要求,同时能改善车辆制造过程中的加工和装配流程。

1995~2004年期间,L&L与Gurit Essex公司(瑞士Wattwil)的合资企业CORE Products公司(以下简称CORE)负责早期的应用开发和CBS 的制造,后来,CORE资产完全被L&L拥有,现在以L&L Products Europe为公司名运营。

在早期开发及随后CBS技术的扩展过程中,L&L一直与材料供应商紧密合作,其中的一家是朗盛(德国科隆),该公司一直为L&L提供复合材料的载体以及材料表征和模拟支持。

CBS的应用

除上述提及的优势外,CBS技术还提供了更好的载荷转移路径、多轴载荷管理和能量吸收性能,更大的截面稳定性(抗塌陷或撞击能的侵入),更低的NVH,同时还提高了较高载荷下的驾驶动力和碰撞性能。此外,它为车辆的设计/再设计过程提供了更快的执行时间,不需要改变车身车间的装配顺序。由于CBS技术可以通过车身结构而更容易地控制能量转移,同时最大程度地减小了变形和(或)撞击能量的侵入,因此非常适合的应用包括:抵御来自正面、侧面和后方的碰撞或来自车顶的挤压,从而为乘客、乘员舱和电池提供更好的保护。对于那些必须满足挑战性要求如美国高速公路安全保险协会(简称IIHS)的小偏置碰撞测试要求的结构而言,它也非常有用。

CBS之所以引人注目,是因为它是第一个模块化的混合材料方法之一,易于安装,并提供了电泳涂装必需的热稳定性和化学稳定性,同时无需改变车辆装配顺序即可以较轻的质量和中等或较低的成本来提高性能。

“CBS技术的多样性设计有助于在复杂的或难进入的区域简化组装。”L&L Products EMEA公司(法国Altorf)L&L Products Reinforce业务部门的结构产品工程经理Núria Ignés解释道,“比如,在车门和其他关闭装置上采用CBS技术不仅可以减轻重量,提高刚性,而且,如果在设计过程的早期阶段就将它集成进去,还能简化车门的制造过程。凭借CAE工具和几十年的经验积累,再加上载体与泡沫的组合(一旦固化,就与白车身牢固地连接在一起),我们可以在正确的地方使用正确数量的材料,从而平衡好刚性与质量和成本之间的关系,或者平衡好能量吸收与噪声和成本之间的关系。”

“CBS技术真正有趣的一面是它的仿生特性。”L&L全球战略市场经理Peter Cate补充道,“就像骨骼中心的细胞增强支柱是在空心结构中用于增强刚度并管理好荷载的自然界中最有效的方法一样,一旦粘合剂膨胀,CBS就会以同样的方式来加固车体空腔,帮助工程师以最轻的质量来优化结构刚性。”

“通过增加局部和整体的刚性,可以更有效地将载荷分配到结构上。CBS加强件为解决局部刚性和金属疲劳问题提供了量身订制的解决方案,而且不会增加质量。”朗盛公司Tepex Automotive部门业务开发经理Pal Swaminathan继续说道,“在将CBS 技术集成到车身结构中时,NVH性能也会得到改善。而且,认真细致的工程分析,还有助于开发出局部优化的解决方案,以平衡好驾乘体验和操作性能。”

早期的应用

CBS技术的首个商业化汽车应用始于1998年,到2002年,这项技术逐渐被市场接受。如图2所示,一个比较好的早期应用案例是PSA集团(法国巴黎,现在是位于荷兰阿姆斯特丹的Stellantis N.V.)的2006 Citroën C4 Picasso轿车:9个CBS 部件分别位于A柱的下部、B 柱的下部和上部以及后轴上方的横梁上,与金属方案相比,令汽车质量减轻了12kg。一些CBS嵌件有选择地增加了负载能力,最大程度地减少了碰撞能量对乘员舱的侵入,提高了乘客安全性。其他的CBS嵌件还改善了白车身的NVH性能。所有的载体均采用35wt-%的短玻纤PA6注射成型。类似的CBS 还被用在2012 福特Transit货车上。

图2

图2 CBS技术早期的汽车应用是2006 Citroën C4 Picasso轿车:9个CBS部件被用于加强A柱、B柱和后横梁。这些加强件减轻了12kg的汽车质量,提高了乘员安全性。图中,黑色是朗盛提供的复合材料,红色是L&L的环氧泡沫塑料,银色是CBS加强件连接到其上的金属车身结构(图片来自L&L Products Inc.)

新的载体和泡沫选项

多年来,L&L及其供应商们采用新的泡沫配方、更广泛的载体树脂和增强材料扩展了CBS技术,并将此概念应用到不同的结构中(如图3所示)。

图3


  

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图3 CBS在乘用车上的其他应用包括车尾部的上D环(左图),用于提高气动弹簧板的整体刚性和局部刚性,以及B柱加强件(右图),用于防止弯曲和金属失效(图片来自L&L Products Inc.)

比如,满足碰撞应用需求的大多数CBS载体都是采用热稳定性好的30 wt-%玻纤增强PA6开发的,因为在复杂的三维形状中,需要平衡好刚性和延展性。据说,将两个这样的载体用于一个主流电动汽车平台的前纵向构件上,不仅简化了组装(因为减少了组件数量),还降低了20%的撞击能量对防火墙的侵入。

现在,混合材料的载体还可以满足更高的碰撞应用要求,如在铝车身的2019 保时捷911 Carrera Cabriolet跑车上用于加强A柱(如图4所示)。作为一辆敞篷车,对无顶框架进行加固,对于保护乘客以防翻车至关重要。为保持车辆轻便灵活,保时捷公司用CBS嵌件取代了A柱中的重型管状钢卷轴。柱壳由高强钢制成,它通过每个柱子内部的CBS嵌件而得到稳固和加强。主要载体是压缩成型的有机片材(47vol-%的斜纹玻纤织物/PA6),片材经预热、预成型后,再由30wt-%的短玻纤/PA66二次注射成型出肋,片材的一面带有L&L的L-5235膨胀粘合剂。这项混合技术不仅满足了所有的性能要求,达到了减重目标,还减轻了5.4kg的汽车质量,方便了组装并降低了汽车重心,从而提高了驾驶的动力性能。

图5

图4一种新型的CBS满足了更高的碰撞应用要求,它被用在2019保时捷911 Carrera Cabriolet跑车上作为车柱加强件。该系统组合了一种由两个斜纹玻纤织物有机片材(采用PA6基体树脂)制成的混合载体(左边黑色)和短玻纤PA66二次注射成型的肋,以及L&L的膨胀结构粘合剂(中间红色),用于加强高强钢制成的柱壳(右边银色)。这种CBS加强件将车柱质量减轻了2.7 kg,同时提高了乘员安全性(图片来自L&L Products Inc.)

针对加热炉工艺不能激活膨胀粘合剂或者需要为涂装车间提供额外支持的应用, L&L表示,其正在研究其他的环境固化解决方案。

一些基于CBS的相关技术也已被开发出来,很快,L&L的连续复合材料系统(简称CCS)结合玻璃纤维或碳纤维增强的拉挤载体,如采用或未采用织物以及粗纱的聚氨酯(PUR)——应用了特殊配方的密封剂或结构粘合剂,就会实现第一个商业化的应用。CCS元素也可以结合CBS部件和金属部件,以较轻的质量(通常比钢轻75%,比铝轻30%)来提高等截面结构的刚度和强度。它们耐腐蚀、不导电或电绝缘,提供低线性热膨胀系数(CLTE),并可实现高度可预测的能量管理,因而非常适合对单体车身车辆上的结构件、非承载式车身汽车的框架型材以及电动汽车的电池架进行增强。

复合材料板材加强件包括与玻璃纤维增强材料共挤出的自粘膨胀结构粘合剂,它被车身车间用到成形好的金属板材表面上。该系统不仅提高了大型的没有相应支撑的面板的刚性,减少了波纹和弯曲,还因转动惯量的增加而改善了NVH性能。其商业化的应用包括:用于车门、车顶和地板的面板,发动机罩盖、挡泥板、后尾门和举升门。潜在应用包括电池壳。

蜂窝板加强件采用的是轻质环氧树脂——人工操作使用的是糊状材料,自动化的泵送使用的是低粘度的液态树脂。一旦材料固化,就可以进行机械加工或打磨。它们被用来稳固蜂窝芯材,主要用在飞机内部有特殊考虑的部位,如不增加额外的质量。其他的应用包括边缘加强(密封型/加强型复合材料板边缘)、将金属铰链/嵌件安装到复合材料板上的嵌件粘接和局部加固。

展望未来

自1999年获得首个专利以来,L&L已经为CBS技术申请了众多的发明专利。由于该产品系列中已经拥有广泛的载体和粘合剂选项可供选择,因此其应用范围已超越汽车进入货车和航空应用领域。

“多年来,CBS产品已经进化到能够满足多种新的应用需求并整合各种功能。”Ignés补充道,“比如,最初只是用于结构加固,现在已经进化到不仅能提高刚性,还能改善声学性能或增强能量吸收。由于CBS 技术能够提供一系列非常理想的性能,因此我们不仅希望看到其在汽车行业用量的增长,还包括在其他行业用量的增长。”

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