創(chuàng)新輕量化設(shè)計(jì) 之 麥格納和福特開始測試CFRP副車架

2021年及之后嚴(yán)苛的燃料經(jīng)濟(jì)性要求將不斷驅(qū)動新材料應(yīng)用的出現(xiàn)，以下幾家公司的最新活動就是證明！— Lindsay Brooke


通過利用麥格納的高水平工藝和材料開發(fā)技術(shù)，車輛的副車架原型采用了大量結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)技術(shù)。（圖片來源：麥格納）

碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)是汽車輕量化設(shè)計(jì)的主要組成元素。此類材料的強(qiáng)度重量比可以輕松超過鉻鉬鋼、熱處理鋁合金和鎂等常見汽車材料。航空航天工業(yè)一直在翼梁等主體結(jié)構(gòu)中采用這種強(qiáng)勁、堅(jiān)固且輕質(zhì)的復(fù)合材料，并有計(jì)劃進(jìn)一步將這種材料的應(yīng)用范圍擴(kuò)大至航空器的完整主體結(jié)構(gòu)，比如SpaceX的下一代重型運(yùn)載火箭。但CFRP材料緩慢的部件周期律、相對復(fù)雜的處理工藝及獨(dú)特的失效模式均影響了這種材料在汽車結(jié)構(gòu)性部件中的應(yīng)用，目前采用CFPR材料的車輛每年不超過150,000輛。

麥格納國際(Magna International)和福特汽車公司(Ford Motor co.)認(rèn)為，未來，CFRP材料的應(yīng)用有望擴(kuò)大至汽車架構(gòu)中，特別是前后副車架的應(yīng)用。目前，這兩家公司正準(zhǔn)備測試過去2年聯(lián)合開發(fā)的一批采用CFRP材料的前副車架原型。這款CFRP車架原型比乘用車中常用的鋼制車架輕34%，比鋁制車架輕16%，目前已經(jīng)登陸福特的一體式開發(fā)測試平臺。

具體來說，這款車架主要由2個(gè)部分組成，相互粘合鉚接在一起的上下模具，及4個(gè)二次成型襯套，可以替代常見鋼質(zhì)副車架中所需的45個(gè)不同組件，整體材料清單可以縮短87%。

麥格納外飾系統(tǒng)總裁Grahame Burrow表示，“在多材料輕質(zhì)汽車項(xiàng)目(Multi-Materials Lightweight Vehicle)結(jié)束之后，福特又給我們提出的新的挑戰(zhàn)，也就是共同開發(fā)這款CFRP概念副車架。”Burrow的團(tuán)隊(duì)及麥格納的Cosma底盤設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一直在與福特Mike Whitens領(lǐng)導(dǎo)下的一支研發(fā)與高級工程團(tuán)隊(duì)密切合作，共同進(jìn)行副車架的設(shè)計(jì)。麥格納公司有意在2017年法國巴黎復(fù)合材料展（2017 JEC World）上公開發(fā)布這款全球首款CFRP材料副車架。

Burrow預(yù)計(jì)，這款副車架的測試工作將持續(xù)至2017年第四季度，那時(shí)公司才可以獲得來自“真實(shí)汽車的真實(shí)數(shù)據(jù)”。從有限元分析的角度出發(fā)，“到目前為止，目前CFRP車架在所有已完成的測試項(xiàng)目中均表現(xiàn)出優(yōu)于鋼材料副車架的性能。”麥格納外飾系統(tǒng)全球創(chuàng)新總監(jiān)Brian Krull指出，“我們希望真實(shí)實(shí)體測試中也能看到同樣的結(jié)果。”他在介紹CFRP材料的NVH性能時(shí)用的詞是“非常出色”。

除了最初階段的CAE工作，未來的汽車級測試將涉及防腐蝕性、耐石擊性、螺栓載荷保持及碰撞性能等多個(gè)方面。未來，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還將利用公司在原型制造和后續(xù)測試中積累的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)一種行業(yè)推薦最佳設(shè)計(jì)、制造和裝配流程。


麥格納與福特聯(lián)合開發(fā)的CFRP前副車架可以替代傳統(tǒng)鋼質(zhì)副車架所需的45種不同沖壓、連接部件，從而將產(chǎn)品材料清單縮短87%。（圖片來源：麥格納）

“完美”的CFRP材料副車架

多年以來，CFRP材料一直在“挑逗”著希望降低車架結(jié)構(gòu)重量的底盤工程師。上世紀(jì)90年代末，通用汽車（General Motors）雇傭輕量化飛機(jī)研發(fā)先鋒專家Burt Rutan，聯(lián)合開發(fā)了一款適用于全尺寸SUV和Corvette的CFRP材料梯型車架。那時(shí)，通用研發(fā)總裁Larry Burns在接受記者采訪時(shí)曾表示，與鋼制車架相比，項(xiàng)目希望將每減重1磅的成本控制在20美元之內(nèi)。盡管CFRP原型車架可以取得200磅（91公斤）的減重效果，但鋼材仍是行業(yè)首選的底盤和副車架材料。

麥格納輕量化復(fù)合材料全球產(chǎn)品線總監(jiān)Andrew Swikoski表示，福特CFRP項(xiàng)目采用的片狀模塑料(SMC)是麥格納集團(tuán)專為結(jié)構(gòu)性應(yīng)用開發(fā)的新型材料。

“前副車架就是一個(gè)非常好的應(yīng)用，” 他告訴《國際汽車工程》，公司已經(jīng)專門為副車架開發(fā)了2種材料：其中一種是短碳纖維片狀模塑料SMC，另一種是連續(xù)纖維材料，可用于需要增強(qiáng)屬性的部件。Swikoski說，“目前，這兩種材料都仍在開發(fā)之中，這點(diǎn)福特是知道的，這也正是他們邀請我們加入項(xiàng)目的原因之一。”

麥格納的碳纖維原材料購自目前已被東麗集團(tuán)(Toray Group)收購的美國碳纖維企業(yè)Zoltek，而后再在公司內(nèi)部進(jìn)行材料的復(fù)合過程。Swikoski指出，碳纖維增強(qiáng)塑料具有異向性強(qiáng)度的屬性，具體主要取決于碳纖維的排列方向及材料中各成分的比例。通常來說，短切碳纖維由于經(jīng)過了切割處理，因此強(qiáng)度相對有限；連續(xù)碳纖維材料則是成千上萬條長長的碳纖維緊密捆綁在一起，因此強(qiáng)度更大。


麥格納外飾系統(tǒng)老板Grahame Burrow非常期待將于今年晚些時(shí)候進(jìn)行的CFRP副車架真實(shí)工況測試。

擴(kuò)大產(chǎn)量

Burrow和Krull的表示，這件2件式車架原型有潛力在未來研發(fā)中，進(jìn)一步發(fā)展為一款一件式成型部件。

Burrow表示，“在全新的研發(fā)思路下，如果我們可以從一開始就參與項(xiàng)目，就有機(jī)會讓一件式車架成為可能。”

“車輛面板下面存在大量支撐性結(jié)構(gòu)，用來處理負(fù)載路徑，這是你看不到的。這也是本項(xiàng)目的偉大成就之一，大量肋材結(jié)構(gòu)全都被整合進(jìn)一件式部件了。”Krull指出，“在基于結(jié)構(gòu)性肋材的情況下，我認(rèn)為一件式設(shè)計(jì)非常具有可行性。”

麥格納工程師承認(rèn)，考慮到日益嚴(yán)苛的全球汽車排放要求，控制CFRP部件成本的任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫。目前，麥格納的制造技術(shù)團(tuán)隊(duì)正在協(xié)助副車架開發(fā)團(tuán)隊(duì)從工廠的角度，開發(fā)設(shè)計(jì)解決方案。

“我們之前是按照現(xiàn)有復(fù)合材料輕量化概念車(MMLV)的要求來工作的，副車架必須能夠適應(yīng)車型的需要，”Krull解釋道，“如果我們可以采用全新的設(shè)計(jì)方法，則有機(jī)會使用一些全新的創(chuàng)意，進(jìn)一步讓簡易裝配成為可能。”

多位材料專家均指出，壓縮成型工藝有助于加速CFRP部件的制造。通過一對兩件式（公模/母模）模具的相互擠壓，模具之間的碳纖維和樹脂材料即可成型。BMW宣稱，公司i3和i8系列大量使用了CFRP材料，這兩個(gè)系列的汽車采用了先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，每個(gè)部件的生產(chǎn)只需80秒。然而，由于需要高精度的CNC加工模具，這種工藝的整體成本非常高昂。

“我們對該技術(shù)在此類產(chǎn)品應(yīng)用上的目標(biāo)周期時(shí)間為3分鐘左右，”Krull斷言，“具體主要取決于部件的復(fù)雜程度和體積大小，固化時(shí)間則取決于部件的厚度。整個(gè)生產(chǎn)過程中的加載和卸載環(huán)節(jié)則可以應(yīng)用很多自動化設(shè)備，這也是麥格納最擅長的部分。”

“我們完全可以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，每年為100,000至200,000輛汽車配套根本不在話下，”Krull表示，“CFRP材料的應(yīng)用可以擴(kuò)展到少數(shù)尖端應(yīng)用之外更廣闊的市場中，這讓我們感到非常興奮。”

作者：Lindsay Brooke
來源：SAE 《國際汽車工程（AEI）》雜志