當前汽車制造中，為了實現(xiàn)更高的輕量化設(shè)計、優(yōu)異的NVH性能、出色的操控性能以及降低生產(chǎn)成本等目標，使用塑料和復(fù)合材料的占比越來越高。本期內(nèi)容為您介紹福特、悍馬和Jeep全球最新越野車型上創(chuàng)新的熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用及其所帶來的優(yōu)勢。
福特猛禽(2022)
——復(fù)合材料C型支架
圖1 2022款福特Bronco Raptor SUV復(fù)合材料C型支架安裝位置
福特汽車公司推出的2022款福特Bronco Raptor SUV車型上可以找到越野愛好者感興趣的熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用。該應(yīng)用為C型支架(C-brace)，是一種結(jié)構(gòu)支架，作用是將后貨物區(qū)域的D柱與后車頂橫梁連接起來，以提高整個車輛的剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。在駕駛時支架還有助于減少振動傳遞，從而改善操控性并降低NVH。在整個開發(fā)階段進行了廣泛的非線性結(jié)構(gòu)分析，以優(yōu)化造型和外觀，并驗證結(jié)構(gòu)性能是否滿足沙漠耐久性、不同溫度、車頂載荷和扭轉(zhuǎn)剛度值下的應(yīng)力和形變要求。
圖2 復(fù)合材料C型支架材料使用情況
最終設(shè)計為一種夾層結(jié)構(gòu)，其芯層由20wt%短碳纖維增強聚酰胺6(PA6牌號Ultramid B3WC4)注塑成型，上下表層由35%短玻璃纖維增強PA6 (PA6牌號Ultramid B3GM35 Q642) 注塑成型。同時新配方的甲基丙烯酸酯粘合劑(3M DB8910NS) 具有快速固化、柔韌且熱穩(wěn)定的特點，可以使芯層與表皮緊密結(jié)合在一起。
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圖3 復(fù)合材料C型支架
這款復(fù)合材料C形支架使車輛的扭轉(zhuǎn)剛度增加了40%，同時與鋁制材料相比，質(zhì)量減少了55%，與鋼制材料相比，質(zhì)量減少了85%。實現(xiàn)了更高的扭轉(zhuǎn)剛度和更輕的車身重量相結(jié)合，讓整車重心更低。
悍馬電動皮卡(2023)
——復(fù)合材料車頂框架
圖4 2023款悍馬電動皮卡
另一個有趣的熱塑性復(fù)合材料車頂應(yīng)用來自美國通用汽車公司2023款悍馬電動皮卡，是該汽車的Sky Convertible Top的選裝軟頂。這款輕質(zhì)、可手動折疊的前排軟頂可幫助客戶打造舒適的露天體驗，提供水密封和全天候性能，同時具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)強度以保障乘員的安全。
圖5 Sky Convertible Top的選裝敞篷軟頂
最新設(shè)計用鋁/復(fù)合材料的混合框架取代了之前的全鋁框架，包括左右側(cè)門軌以及后光環(huán)面板，與全鋁合金框架相比減重1.8kg，這有助于改善車輛動力學，包括加速、制動和轉(zhuǎn)彎等。
圖6 鋁/復(fù)合材料的混合框架結(jié)構(gòu)
該部件的復(fù)合材料部分原材料為25wt%短玻纖/15wt%礦物增強PA6(Wellamid MRGF25/15 42H-WBK)。與純玻纖填料相比，礦物的添加可提供更高的耐熱性、機械性能、尺寸穩(wěn)定性和良好的耐候性。該材料還具有出色的表面光潔度，無需表面處理即可滿足通用汽車的外觀要求，同時該材料還添加了工業(yè)后和消費后回收(PIR、PCR)樹脂，有助于減少碳排放。
JEEP大瓦格尼(2022)
——復(fù)合材料發(fā)動機穩(wěn)定器支架
圖7 2022款Jeep Grand Wagoneer SUV
美國Stellantis的2022款Jeep Grand Wagoneer SUV上采用了復(fù)合材料發(fā)動機穩(wěn)定器支架(CESB)。該支架位于發(fā)動機左右支架之間，作用是協(xié)助組裝并改善NVH。
現(xiàn)有支架是由壓鑄鋁制成，需要在鑄造后去除飛邊和二次加工。Stellantis 工程部將壓鑄鋁替換為50wt%短玻纖增強PA66(BASF Ultramid A3WG10CR)，該復(fù)合材料部件提供了與金屬近似的結(jié)構(gòu)強度，但質(zhì)量減少了30%，降低了生產(chǎn)成本并大幅度改善了NVH性能。
圖8 鋁合金和復(fù)合材料發(fā)動機穩(wěn)定器支架NVH性能對比
在Stellantis最新的CESB項目中，由于項目開展時己二腈 (ADN)的短缺(ADN是生產(chǎn)己二胺的關(guān)鍵原材料，而己二胺是生產(chǎn)PA66所用的單體之一)，設(shè)計團隊將纖維增強復(fù)合材料基體材料由PA66替換為熱塑性聚酯共混物。該聚酯共混物由聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET) 組成，同時具有PBT和PET兩種材料特性，即具有多個玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，這擴大了峰值損耗因數(shù)(NVH阻尼的一種衡量標準)出現(xiàn)的溫度范圍。
根據(jù)纖維取向、化學性質(zhì)和溫度的不同，聚酰胺和聚酯等熱塑性塑料的損耗系數(shù)通常比鋁高10-20倍。使用PET/PBT混合物可改善車輛整個工作溫度范圍內(nèi)的NVH，峰值阻尼在55至80°C之間。同時由于高玻纖含量以及對環(huán)境濕度不敏感的尺寸穩(wěn)定性(PBT和PET的吸水性遠低于PA)，這種特殊熱塑性復(fù)合材料可提供非常高的模量(>20GPa)。
圖9 復(fù)合材料發(fā)動機穩(wěn)定器支架
最終設(shè)計采用55wt%短玻璃/PBT-PET(BASF Ultradur B4040 G11)注塑成型。由于注塑成型比壓鑄成型具有更大的設(shè)計自由度，因此基于各向異性材料的CAE模擬開發(fā)了一種新的肋結(jié)構(gòu)。與壓鑄鋁相比，復(fù)合材料支架提供與鋁相當?shù)臋C械性能，同時減重30%，生產(chǎn)成本降低7.5%以及更出色的NVH性能。
