為捷豹F型開發(fā)新的前車身底板

捷豹F 型，一輛引人注目的跑車（圖片由© 捷豹路虎提供）。

總部設(shè)在奧地利的POLYTEC集團(tuán)是一家全球領(lǐng)先的塑料部件開發(fā)商和生產(chǎn)商，他們在世界各地?fù)碛谐^4200名員工。其設(shè)在荷蘭羅森達(dá)爾的分公司，是集團(tuán)復(fù)合材料業(yè)務(wù)部門的一部分，其為如捷豹路虎這樣的汽車制造商供應(yīng)纖維增強(qiáng)塑料部件。

“2013年， 我們恰好在那里開展了另外一個項(xiàng)目。”POLYTEC公司的項(xiàng)目經(jīng)理Andre Oppeneer說，“當(dāng)捷豹公司的一名工程師為捷豹F 型全輪驅(qū)動設(shè)計(jì)新的輕量型前車身底板時，他詢問我們是否可以幫忙解決他所遇到的問題”。

最初，前車身底板是由一塊厚厚的、相對重的GMT（玻璃纖維增強(qiáng)型熱塑性塑料，將其在烘箱中加熱，然后放入模具中壓成需要的形狀）制成的。但事實(shí)證明，采用標(biāo)準(zhǔn)化的解決方式不可能減輕該部件的重量。POLYTEC公司能否幫助他們，使前車身底板變得更輕呢？

開發(fā)第一階段

“問題是，前車身底板需要相當(dāng)高的側(cè)圍，用于安裝橡皮擋泥板，以保護(hù)一些關(guān)鍵部件免受外屆水的影響。”Oppeneer說，“捷豹工程師的想法是采用一種類地毯式材料，但結(jié)果發(fā)現(xiàn)很不實(shí)用”。


捷豹F 型的俯視圖（圖片由© 捷豹路虎提供）。

這種輕的類地毯式的材料是LWRT（低重量增強(qiáng)熱塑性塑料）。它最開始是一塊薄薄的、平的玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯板。但是在制造零件的時候，由于要在烘箱中對其進(jìn)行加熱，玻璃纖維會趨向于恢復(fù)它原有的纖維取向。結(jié)果導(dǎo)致纖維向上翻轉(zhuǎn)，并且在其中會產(chǎn)生大量的空隙。由此產(chǎn)生的蓬松的類紡織品材料具有吸音的效果，而且是厚厚的，其具有很高的彎曲剛度- 重量比和強(qiáng)度- 重量比。如果給它安裝上足夠多的加固件，它將足夠牢固，以填充空隙。但是如果卸除這些載荷，它就不能再使用了。

“我們提出了一個綜合的解決方案。”Oppeneer說，“這意味著生產(chǎn)的側(cè)圍，需要有GMT 所具有的高強(qiáng)度和剛度的特點(diǎn)，而大的中間部分，需要有LWRT 所具有的重量輕和噪聲吸收的特點(diǎn)”。

這種降噪對于降低發(fā)動機(jī)噪聲來說并不是那么多。擁有一臺像捷豹這樣引人注目的高性能跑車的車主喜歡聽到引擎強(qiáng)勁的轟鳴聲。降噪對于汽車底部來說很重要，比如汽車行駛在礫石路面上的時候，可以降低沙石撞擊汽車底部所發(fā)出的聲音。


捷豹F 型保險杠和車身底板組件俯視圖。所有部件由POLYTEC 公司的不同業(yè)務(wù)部門采用不同的技術(shù)生產(chǎn)（圖片由POLYTEC 集團(tuán)提供）。

GMT側(cè)圍繞過拐角到底部的一點(diǎn)距離，形成堅(jiān)固的邊緣，以連接在LWRT上。由于它們都含有聚丙烯，因此不需要螺栓或配件連接。只要將這兩個部分簡單地放入模具中，采用高溫和高壓將它們黏合在一起，并這在一次過程中形成產(chǎn)品。

開發(fā)第二階段

“我們做了幾個模型，捷豹公司花了兩三個月仔細(xì)地對其進(jìn)行測試。”Oppeneer說，“在測試期間，發(fā)現(xiàn)了一個問題。證明模型太有局限性了：來自發(fā)動機(jī)的余熱沒有足夠快地散去。唯一快速的解決方法是在LWRT部分插入通風(fēng)孔。但是發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部仍然需要防水。所以在LWRT部分的中間插入冷卻狹縫。但是，當(dāng)然這樣的話LWRT會相當(dāng)脆弱：最終只剩下幾個細(xì)條，這樣會使這部分很容易斷裂。測試之一是汽車必須通過高速飛濺的水。那就是當(dāng)前車身底板受到很大沖擊的時候。”

為了防止在高速水飛濺時，前車身底板失效，LWRT通風(fēng)狹縫必須局部加固，這是在一次過程中意識到的挑戰(zhàn)。

幸運(yùn)的是，目前在工業(yè)中使用有機(jī)板是一種趨勢：使用玻璃纖維織物薄層或碳纖維增強(qiáng)片材旨在增加局部的強(qiáng)度和剛度。選擇的材料是TenCate Cetex®，一種高剛性和重量輕的玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯，能夠精確地增強(qiáng)背襯材料。

“它的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通材料。”Oppeneer說，“這是因?yàn)槭褂昧颂厥獾牟ＡЮw維織物。與GMT 不同，它不是采用玻璃纖維針刺材料制成。這些有機(jī)板用于冷卻狹縫和通風(fēng)孔周圍。這樣可以將三種不同的材料組合在一起，放入模具中并壓在一起，所有步驟一次完成。”


使用“VICS”系統(tǒng)（可變模內(nèi)復(fù)合材料夾層） 與Cetex有機(jī)板來增強(qiáng)通風(fēng)狹縫的周圍區(qū)域（圖片由POLYTEC集團(tuán)提供）。

“我們熱塑性復(fù)合材料的目標(biāo)應(yīng)用體現(xiàn)了在汽車行業(yè)應(yīng)用熱塑性塑料的創(chuàng)新方法。”TenCate公司新業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Robert Lenferink說：“除了材料的性能之外，復(fù)合材料的智能加工是這個解決方案的核心所在。”

以這種方式將三種不同的復(fù)合材料組合在一起的想法在兩周內(nèi)構(gòu)想出。而構(gòu)思、交付和測試這種新的前車身底板總共只花了15周時間。這部分成功地通過了捷豹公司的所有測試。前車身底板成品的重量為1.2kg，比原來只使用GMT部分重量減輕了約33%。其聲學(xué)性能也更好。

自2015年10月以來，每月已經(jīng)有約500個這樣的車底護(hù)板，在位于羅森達(dá)爾的POLYTEC工廠的自動化生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)。這個產(chǎn)量很快就會增至三倍。因?yàn)榻荼緦鉀Q方案非常滿意，他們依照相同的概念重新設(shè)計(jì)了捷豹F型后輪驅(qū)動車的前車身底板，并委托POLYTEC公司進(jìn)行生產(chǎn)。后輪驅(qū)動器車具有不同的形狀，因?yàn)樗仨毟采w其它部件。并且這種后輪驅(qū)動車使用的是具有這種材料性能的有限元仿真模型設(shè)計(jì)的。

開發(fā)合作伙伴

現(xiàn)如今，一個非常有趣現(xiàn)象的是，在一個看似簡單的部件上應(yīng)用如此多的技術(shù)。除了高機(jī)械性能和低成本外，重量輕和良好的聲學(xué)效果也已成為非常重要的要求。“而且特別是在二氧化碳減排方面。”Oppeneer說，“重量輕是減少二氧化碳排放的一個方面，良好的空氣動力學(xué)性能是另外一個方面。在很長一段時間內(nèi)，汽車底部的空氣動力學(xué)對于跑車來說很重要：它們通常覆蓋整個汽車底部。而這也越來越多的應(yīng)用于普通車。”


捷豹F 型前保險杠和車身底板組件基本上由三部分組成：（橙色）保險杠，（黑色）保險杠下側(cè)（由直接注射成型滑石粉增強(qiáng)聚丙烯制成）和（也是黑色）新前車身底板，這是汽車最低的部分，因此承受的負(fù)載最大，如果汽車打到礫石或者濺到水花的話（圖片由POLYTEC 集團(tuán)提供）。

供應(yīng)商經(jīng)常被要求幫忙找到最佳的解決方案。“你必須為某些部件提出量身定制的解決方案。”Oppeneer說，“在很多情況下，客戶要求一個部件須具有一系列功能或者具備某些性能，并且依靠具備相應(yīng)知識、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的制造商應(yīng)用某些材料來進(jìn)行生產(chǎn)。如果你享有專家的聲譽(yù)，一些客戶會非常依賴該制造商。如果客戶遇到什么問題，而你能經(jīng)常想出解決方案，那么你會成為第一個他們要找的人。這和推廣你自己的技術(shù)無關(guān)。有時我們會推薦一種我們自己不具備的技術(shù)。但如果你每次都能幫助你的客戶找到解決方案，那么他就會一直找你”。

“我們不是作為一個生產(chǎn)工廠而著稱，而是作為一個可以同時生產(chǎn)零件的開發(fā)合作伙伴。” Walter van Gilst補(bǔ)充道，其為捷豹路虎客戶團(tuán)隊(duì)就新技術(shù)在業(yè)務(wù)發(fā)展方面提供支持。“隨著LWRT的發(fā)展，十年前就開始的趨勢是，將更多的技術(shù)投入到汽車底部保護(hù)。”

未來的發(fā)展趨勢

減輕重量的需求意味著越來越多的塑料或混合部件將取代金屬部件。由于已經(jīng)生產(chǎn)出重量減輕最顯著的部分，汽車工業(yè)現(xiàn)在正在加快步伐，同樣替換構(gòu)成汽車剛度和強(qiáng)度的金屬部件。甚至碳纖維也應(yīng)用于結(jié)構(gòu)零件里。“乍一看，這是一種相當(dāng)昂貴的材料選擇，但是使用回收的碳纖維，也找到了實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的途徑。”Van Gilst說，“對于寶馬7系列，我們生產(chǎn)了局部碳纖維SMC（片狀模塑料）加強(qiáng)C柱：一根連接到車身的梁。”


位于英國布羅姆亞德的POLYTEC 公司的捷豹F 型前保險杠的智能裝配站。保險杠由增強(qiáng)反應(yīng)注射成型聚氨酯制成（圖片由POLYTEC集團(tuán)提供）。

另一個趨勢是由電動汽車和充電式混合動力汽車的出現(xiàn)帶來的挑戰(zhàn)所引發(fā)的。“由于幾個客戶的緣故，我們正在致力于研究使用感應(yīng)充電的汽車底盤。”Van Gilst說，“在這些汽車底部，有一個很容易損壞的無線充電單元。這個單元必須在汽車底部受到保護(hù)，而金屬板會屏蔽建在道路上的充電站發(fā)射的磁場。”


寶馬7 系列的碳纖維片狀模塑料增強(qiáng)C 柱（圖片由寶馬公司提供）。

這些保護(hù)罩的開發(fā)仍處于早期階段，但通常它們具有成型的外形和在內(nèi)部的肋，以使它們足夠堅(jiān)固。同樣，就像捷豹F型的前車身底板一樣，選擇合適的材料和設(shè)計(jì)是必須的，如GMT、LWRT和有機(jī)板。


用于在“道路不好的國家”的大眾高爾夫VII 底部發(fā)動機(jī)保護(hù)罩（圖片由POLYTEC 集團(tuán)提供）。

無線充電器保護(hù)裝置的概念可以與專門用于“道路不好的國家”的發(fā)動機(jī)保護(hù)罩的概念相媲美。例如，大眾汽車公司過去一直使用一塊厚厚的，重量約為17.6 kg的鋼板，來保護(hù)了在這些國家道路行駛的舊款的高爾夫和帕薩特汽車的發(fā)動機(jī)艙底部。“我們通過改用合適的設(shè)計(jì)和材料的復(fù)合材料，將其重量減少到4.6kg。”Van Gilst說，“如果汽車底部撞到了路上的大石塊，它必須保護(hù)汽車內(nèi)部不受影響。而且之后，它會恢復(fù)到其原有的形狀。這是復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)之一：鋼板形變后不能恢復(fù)，而生產(chǎn)的復(fù)合材料可以更富有彈性。”


重型保護(hù)罩通常具有成型的外形和碰撞側(cè)的肋，以使它們足夠堅(jiān)固（圖片由POLYTEC 集團(tuán)提供）。

關(guān)鍵的測試是車身底部保護(hù)必須能夠承受住整個汽車的重量，壓在高達(dá)150mm的大石塊時，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部沒有受到任何損壞。

這種車身底部保護(hù)由GMT和局部纖維增強(qiáng)（可以使用有機(jī)板）制成。除了撞擊巖石后可以恢復(fù)到原有的形狀外，塑料材質(zhì)具有防腐蝕性，并且（由于其重量較輕）易于安裝在生產(chǎn)線上。當(dāng)然，小石頭撞擊時產(chǎn)生的聲音也要比金屬材質(zhì)低很多。而且集成部件可能可以節(jié)省成本。