為捷豹F型開(kāi)發(fā)新的前車(chē)身底板

捷豹F 型，一輛引人注目的跑車(chē)（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(kāi)發(fā)商和生產(chǎn)商，他們?cè)谑澜绺鞯負(fù)碛谐^(guò)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(mén)的一部分，其為如捷豹路虎這樣的汽車(chē)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(kāi)展了另外一個(gè)項(xiàng)目。”POLYTEC公司的項(xiàng)目經(jīng)理Andre Oppeneer說(shuō)，“當(dāng)捷豹公司的一名工程師為捷豹F 型全輪驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)新的輕量型前車(chē)身底板時(shí)，他詢(xún)問(wèn)我們是否可以幫忙解決他所遇到的問(wèn)題”。

最初，前車(chē)身底板是由一塊厚厚的、相對(duì)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(chē)身底板變得更輕呢？

開(kāi)發(fā)第一階段

“問(wèn)題是，前車(chē)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(shuō)，“捷豹工程師的想法是采用一種類(lèi)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(lèi)地毯式的材料是LWRT（低重量增強(qiáng)熱塑性塑料）。它最開(kāi)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(shí)候，由于要在烘箱中對(duì)其進(jìn)行加熱，玻璃纖維會(huì)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(huì)產(chǎn)生大量的空隙。由此產(chǎn)生的蓬松的類(lèi)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(gè)綜合的解決方案。”Oppeneer說(shuō)，“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(duì)于降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲來(lái)說(shuō)并不是那么多。擁有一臺(tái)像捷豹這樣引人注目的高性能跑車(chē)的車(chē)主喜歡聽(tīng)到引擎強(qiáng)勁的轟鳴聲。降噪對(duì)于汽車(chē)底部來(lái)說(shuō)很重要，比如汽車(chē)行駛在礫石路面上的時(shí)候，可以降低沙石撞擊汽車(chē)底部所發(fā)出的聲音。


捷豹F 型保險(xiǎn)杠和車(chē)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(mén)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(guò)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(gè)部分簡(jiǎn)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(guò)程中形成產(chǎn)品。

開(kāi)發(fā)第二階段

“我們做了幾個(gè)模型，捷豹公司花了兩三個(gè)月仔細(xì)地對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。”Oppeneer說(shuō)，“在測(cè)試期間，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題。證明模型太有局限性了：來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱沒(méi)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(dòng)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(huì)相當(dāng)脆弱：最終只剩下幾個(gè)細(xì)條，這樣會(huì)使這部分很容易斷裂。測(cè)試之一是汽車(chē)必須通過(guò)高速飛濺的水。那就是當(dāng)前車(chē)身底板受到很大沖擊的時(shí)候。”

為了防止在高速水飛濺時(shí)，前車(chē)身底板失效，LWRT通風(fēng)狹縫必須局部加固，這是在一次過(guò)程中意識(shí)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(shì)：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(shuō)，“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?chē)＿@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(lái)增強(qiáng)通風(fēng)狹縫的周?chē)鷧^(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(chē)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(kāi)發(fā)總監(jiān)Robert Lenferink說(shuō)：“除了材料的性能之外，復(fù)合材料的智能加工是這個(gè)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(cè)試這種新的前車(chē)身底板總共只花了15周時(shí)間。這部分成功地通過(guò)了捷豹公司的所有測(cè)試。前車(chē)身底板成品的重量為1.2kg，比原來(lái)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(lái)，每月已經(jīng)有約500個(gè)這樣的車(chē)底護(hù)板，在位于羅森達(dá)爾的POLYTEC工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)。這個(gè)產(chǎn)量很快就會(huì)增至三倍。因?yàn)榻荼緦?duì)解決方案非常滿(mǎn)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(dòng)車(chē)的前車(chē)身底板，并委托POLYTEC公司進(jìn)行生產(chǎn)。后輪驅(qū)動(dòng)器車(chē)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(dòng)車(chē)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(kāi)發(fā)合作伙伴

現(xiàn)如今，一個(gè)非常有趣現(xiàn)象的是，在一個(gè)看似簡(jiǎn)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(shuō)，“重量輕是減少二氧化碳排放的一個(gè)方面，良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能是另外一個(gè)方面。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，汽車(chē)底部的空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)于跑車(chē)來(lái)說(shuō)很重要：它們通常覆蓋整個(gè)汽車(chē)底部。而這也越來(lái)越多的應(yīng)用于普通車(chē)。”


捷豹F 型前保險(xiǎn)杠和車(chē)身底板組件基本上由三部分組成：（橙色）保險(xiǎn)杠，（黑色）保險(xiǎn)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(chē)身底板，這是汽車(chē)最低的部分，因此承受的負(fù)載最大，如果汽車(chē)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(shuō)，“在很多情況下，客戶(hù)要求一個(gè)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(shí)、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的制造商應(yīng)用某些材料來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。如果你享有專(zhuān)家的聲譽(yù)，一些客戶(hù)會(huì)非常依賴(lài)該制造商。如果客戶(hù)遇到什么問(wèn)題，而你能經(jīng)常想出解決方案，那么你會(huì)成為第一個(gè)他們要找的人。這和推廣你自己的技術(shù)無(wú)關(guān)。有時(shí)我們會(huì)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(hù)找到解決方案，那么他就會(huì)一直找你”。

“我們不是作為一個(gè)生產(chǎn)工廠而著稱(chēng)，而是作為一個(gè)可以同時(shí)生產(chǎn)零件的開(kāi)發(fā)合作伙伴。” Walter van Gilst補(bǔ)充道，其為捷豹路虎客戶(hù)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(kāi)始的趨勢(shì)是，將更多的技術(shù)投入到汽車(chē)底部保護(hù)。”

未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

減輕重量的需求意味著越來(lái)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(chē)工業(yè)現(xiàn)在正在加快步伐，同樣替換構(gòu)成汽車(chē)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(shuō)，“對(duì)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(chē)身的梁。”


位于英國(guó)布羅姆亞德的POLYTEC 公司的捷豹F 型前保險(xiǎn)杠的智能裝配站。保險(xiǎn)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(gè)趨勢(shì)是由電動(dòng)汽車(chē)和充電式混合動(dòng)力汽車(chē)的出現(xiàn)帶來(lái)的挑戰(zhàn)所引發(fā)的。“由于幾個(gè)客戶(hù)的緣故，我們正在致力于研究使用感應(yīng)充電的汽車(chē)底盤(pán)。”Van Gilst說(shuō)，“在這些汽車(chē)底部，有一個(gè)很容易損壞的無(wú)線充電單元。這個(gè)單元必須在汽車(chē)底部受到保護(hù)，而金屬板會(huì)屏蔽建在道路上的充電站發(fā)射的磁場(chǎng)。”


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(kāi)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(chē)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(guó)家”的大眾高爾夫VII 底部發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)罩（圖片由POLYTEC 集團(tuán)提供）。

無(wú)線充電器保護(hù)裝置的概念可以與專(zhuān)門(mén)用于“道路不好的國(guó)家”的發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)罩的概念相媲美。例如，大眾汽車(chē)公司過(guò)去一直使用一塊厚厚的，重量約為17.6 kg的鋼板，來(lái)保護(hù)了在這些國(guó)家道路行駛的舊款的高爾夫和帕薩特汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部。“我們通過(guò)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(shuō)，“如果汽車(chē)底部撞到了路上的大石塊，它必須保護(hù)汽車(chē)內(nèi)部不受影響。而且之后，它會(huì)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(cè)試是車(chē)身底部保護(hù)必須能夠承受住整個(gè)汽車(chē)的重量，壓在高達(dá)150mm的大石塊時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部沒(méi)有受到任何損壞。

這種車(chē)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(shí)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。