汽车底盘部件采用复合材料减轻重量复材云集|复合材料

随着汽车制造商寻求降低传统和电动汽车（EV）的整体重量，金属底盘组件已成为转换为复合材料或混合动力系统的重要目标。图片来源：斯特兰提斯

很久以前，简单的汽车应用都从玻璃和金属转变为塑料和复合材料。剩下的主要是底盘上的结构应用，其性能要求比内饰和外车身面板以及各种装饰部件高得多。

另一方面，底盘组件保留在现有的金属材料中，对传统和电动汽车（EV）的质量和碳足迹做出了重大贡献，因此，它已成为向复合材料和混合系统转换的关键目标，这些复合材料和混合系统结合了多种材料 - 通常是金属和复合材料或几种类型的复合材料 - 正如以下五个应用将证明的那样。

在每种情况下，从金属到复合材料或混合复合材料部件的转变都达到或超过了基准机械性能，同时降低了质量和工具成本，消除了腐蚀问题，并经常改善噪音/振动/声振粗糙度（NVH）。所有这些应用都用于大批量车辆平台，在这些平台上，经济性是成功的重要因素。

越野稳定性

为了满足越野客户的需求，尤其是那些在沙漠中驾驶的客户，福特及其供应商开发了一种复合 C 型支撑，用于将左右 D 柱连接到后车顶横梁。与基准铝和钢相比，A 级可见部件提高了后扭转刚度和车辆操控性，同时显着减轻了质量。图片来源：福特汽车公司

对于越野爱好者来说，一个有趣且可见的复合材料应用可以在福特汽车公司（美国密歇根州迪尔伯恩）的 2022 年福特野马猛禽运动型多功能车（SUV）上找到。该组件称为 C 型支撑，是一种功能齐全的结构支撑，可将后货区的左右 D 柱与后车顶横梁连接起来，以增加整个车辆的刚度和扭转刚度。在“越野”时，支架还有助于减少振动传递，从而改善操控性并降低 NVH。

为了满足越野客户的需求，特别是在沙漠中驾驶的客户，福特工程公司设定了将车辆扭转刚度提高40%的目标，以改善车辆操控性和NVH特性。当客户关闭顶部和侧面/门板时，支架在开放式驾驶舱中将非常明显，因此保持 A 级美观性——尤其是在长期高温和紫外线照射下——非常重要。

其他规格是支架需要满足所有后方视野要求并且不妨碍驾驶员的视线，它必须允许前排乘客门安全紧凑地存放在货物区域而不会损坏，并且必须在尽可能轻的包装中实现每弧度 550 千牛顿米的弹簧常数/旋转刚度值，特别是考虑到重量敏感的车顶位置可能会将车辆的重心向上或向下移动。

由福特、北美一级集成商/模塑商Montaplast（美国肯塔基州法兰克福）、材料供应商巴斯夫公司（美国新泽西州弗洛勒姆公园）和1M公司（美国明尼苏达州梅普尔伍德）和工具制造商商业工具集团（美国密歇根州康斯托克公园）组成的团队合作设计了A级全复合材料支架。

在整个开发阶段进行了广泛的非线性结构分析，以优化造型和外观，并验证结构性能是否满足沙漠耐久性、载荷位移和应力要求，在不同温度、屋顶荷载和扭转刚度值下，以及开发粘接方案。

复杂的榫槽状胶水通道被模制到壳体和芯中，以最大限度地提高芯和表皮之间的粘合强度。梦达帕斯还设计并制造了一个机器人、温控的胶粘剂点胶系统，以满足装配要求，包括精确的胶路、珠子轮廓、流速和混合比。为了满足福特对A级外表面的协调颜色要求，外壳被漆成黑色。图片来源：福特汽车公司

最初，开发了两件式设计，后来演变为三件式设计，进一步完善为团队所谓的高级三件式设计。后者是一种三明治，其芯材由 20% 短碳纤维增强聚酰胺 6 （CF/PA6） — Ultramid B3WC4 — 和 35% 短玻璃纤维增强 PA6 （GR/PA6） — Ultramid B3GM35 Q642 注塑成型的表皮/外壳。聚合物系统经过专门挑选，以满足福特的越野沙漠耐久性要求。新配制的甲基丙烯酸酯粘合剂（3M DB8910NS）据说具有快速固化，柔韧性和热稳定性，用于将所有三个部分粘合在一起。

最终支架具有多种装配设计功能，包括自定心聚氯乙烯（PVC）泡沫、冲压钢滑动 L 型支架和开槽压铸铝支架，以适应车身公差变化并确保与车身导轨的配合。图片来源：SPE汽车事业部

最终的复合材料 C 形支撑有助于将车辆的扭转刚度提高 40%，同时与铝相比减轻 55% 的质量，与钢选项相比减少 85% 的质量。与传统材料相比，更高的扭转刚度和更轻的车身重量相结合，导致重心更低。

自上而下

悍马电动汽车皮卡在沙滩上行驶。

在可以为GMC悍马EV皮卡订购的众多配件中，有一对前透明或有色Infinity玻璃面板，单个后Infinity面板或前可折叠Sky敞篷车顶。图片来源：通用汽车公司

另一个有趣的车顶安装应用是通用汽车公司（美国密歇根州底特律）的 2023 GMC 悍马 EV 皮卡的 Sky 敞篷车顶选项的框架。这种轻巧的手动折叠软顶在前排座椅上，可帮助客户创造露天体验，而无需离开车辆即可拆卸和存放玻璃 Infinity 面板，这些面板也可用于车辆，或折回并固定其他类型的软顶。

当车辆乘员需要阳光和新鲜空气时，他们可以手动折叠软顶车顶面板并将其存放在中央车顶面板上（左），然后再次关闭（右），以在不离开车辆的情况下形成防风雨覆盖物。图片来源：通用汽车公司

之前用于软顶面板的大部分全铝框架被转换为玻璃/矿物增强PA6和回收聚合物，将车顶线的质量减少了1.8公斤，同时仍然形成防风雨密封。图片来源：通用汽车公司

根据为悍马EV设计的轻质单元混合了金属和复合材料元件，并提供水密封和全天候性能 - 据说乘用车软顶不常见 - 同时保持乘员安全。

通用汽车工程公司与Tier 1 Bestop公司（美国科罗拉多州路易斯维尔）和材料供应商PRET Advanced Materials（美国南卡罗来纳州约翰逊维尔）密切合作，开发了折叠软顶作为皮卡的一个选项。这种设计用铝和复合材料的混合框架取代了全铝框架，包括左右侧门纵梁以及后光环面板 - 全部采用模内颜色（MIC）饰面 - 并减轻了1.8公斤的质量，这有助于改善车辆动力学，包括加速，制动和转弯。

PRET配制了25%的短玻璃/15%的矿物增强PA6牌号（Wellamid MRGF25/15 42H-WBK）。与全玻璃纤维增强等级相比，玻璃/矿物增强材料的组合据说具有更高的耐热性、改进的机械性、减少翘曲和良好的耐候性。该牌号还具有出色的表面光洁度，无需油漆即可满足通用汽车的美学要求。该化合物还含有工业后和消费后回收（PIR，PCR）树脂，有助于减少制造碳足迹。

坚固的结构，适用于要求苛刻的应

第一款配备新型复合发动机稳定器支架的车辆是 2022 年吉普 Grand Wagoneer SUV。复合支架不仅便于发动机插入装配线上，而且还将质量减轻了 30%，提高了 NVH 性能。图片来源：斯特兰提斯

类似的混合复合材料技术的三种有趣和不同的用途 - 可能涉及金属，连续和/或不连续纤维增强复合材料以及发泡（膨胀）结构环氧粘合剂/密封剂的组合 - 正在三辆车的底盘部件中用于以更轻的重量，更低的工具成本和降低NVH取代全金属结构。该技术由Tier 1 L&L Products Inc.（美国密歇根州罗密欧）开发，该公司作为汽车供应商拥有悠久的历史，提供粘合剂/密封剂，声学对策和加固技术，可提高白车身（BIW）碰撞性能以及乘员的舒适性和安全性。

第一个应用是来自 Stellantis（美国密歇根州奥本山）的 2022 年吉普 Grand Wagoneer SUV 上的复合发动机稳定器支架（CESB）。支架位于左侧和右侧发动机支架之间，旨在协助组装和改善 NVH。

现有的支架是压铸铝制成的带肋结构，需要在铸造后去除飞边和二次加工。Stellantis工程部门已经在将其他支架和支架从金属转换为复合材料方面取得了积极的经验，包括对2020年吉普切诺基SUV的后差速器支架进行了运行更改。在这种情况下，压铸铝被转换为50%的短玻璃/ PA6 / 6（巴斯夫的Ultramid A3WG10CR），其强度重量比相似，但质量减少了30%，降低了单件成本并改善了NVH，这要归功于复合材料的减振性比金属高10倍。据报道，在这种情况下，工程团队还看到了巴斯夫专有的Ultrasim各向异性建模软件在设计复合材料部件方面的优势。他们指出，发动机和动力总成支架从金属改为复合材料确实需要采取略有不同的设计方法。分析师不仅要关注基于第一模目标的刚度，不如考虑系统的动态性能。

复合发动机稳定器支架旨在帮助提高发动机支架稳定性（横向旋转刚度）并减少通过阻尼传递振动。图片来源：斯特兰提斯

对于新的CESB项目，Stellantis再次与巴斯夫以及L&L产品公司合作开发应用。在这种情况下，使用了不同的聚合物系统。出于多种原因，该团队改用玻璃纤维增强的热塑性聚酯混合物，而不是GR / PA6 / 6。

首先，在设计支架时，由于己二腈（ADN）短缺，全球PA6/6短缺，己二腈是用于生产六亚甲基二胺的关键原料，六亚甲基二胺是生产PA6/6的两种单体之一。（在同一时期，由于对进口金属征收贸易关税，铝的原材料成本也飙升。其次，改用涉及聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的共聚物体系意味着所得聚合物共混物具有两个玻璃化转变温度（Tg）值，而不仅仅是一个值，这扩大了峰值损耗因子（NVH阻尼的度量）发生的温度范围。根据纤维取向、化学性质和温度的不同，聚酰胺和聚酯等热塑性塑料的损耗系数通常比铝高 10-20 倍。使用 PET/PBT 混合物可改善车辆整个工作温度范围内的 NVH，峰值阻尼在 55 至 80°C 之间。第三，这种特殊的复合材料提供了非常高（>20吉帕斯卡）的模量，这要归功于高玻璃负载量以及无论湿度水平如何都出色的尺寸稳定性（因为PBT和PET的吸湿性远低于PA等级）。

Stellantis报告说，CESB是第一个用于将发动机支架甲板到车身上并加固它们的注塑支架。据说这也是热塑性聚酯的新用途。图片来源：SPE汽车事业部
最终设计采用 55% 短玻璃/PBT-PET（巴斯夫 Ultradur B4040 G11）和嵌件模制金属限压套的重带肋注塑结构。由于注塑成型比压铸具有更大的设计自由度，因此基于各向异性材料的CAE模拟开发了一种新的肋条图案。这与减少工具上的牵伸相结合，与压铸铝基准相比，允许更紧密的肋条密度，同时减少材料使用。Wallstock 在连接点处取芯，无需模后钻孔。事实上，与早期的金属支架不同，复合材料零件可以直接从模具中取出使用，无需二次加工或其他操作。

复合材料支架还提供与铝相当或更好的性能，质量降低 30%，成本降低 7.5%，NVH 更好，刀具寿命平均延长四倍（注塑模具与铸造模具）。最后但并非最不重要的一点是，通过将两个发动机支架与CESB连接并通过CESB将组件带入装配线，整个组件可以在发动机安装之前安装到车架上，从而使生产线工人更容易操作。

创新的混合动力复合材料加固支架首次亮相标准轴距 2021 吉普大切诺基以及轴距更宽的吉普大切诺基 L SUV。支架对于将负载从外轨传递到变速箱支架非常重要，以改善碰撞保护，经公路安全保险协会（IIHS）正面小重叠测试和美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）的新车评估计划（NCAP）侧面碰撞刚性杆测试验证。图片来源：斯特兰提斯

另一个有趣的复合材料底盘应用——这次是位于 2021 年吉普大切诺基和大切诺基 L SUV 排气系统上方的复合隧道加固——采用拉挤 80% 纤维重量分数（FWF）连续玻璃纤维增强聚氨酯（PUR）结构（巴斯夫的 Elastocoat 74850），随后被机器人切割成尺寸，然后注塑包覆成型（以及六个铝制限压器和两个钢螺柱）抗冲击改性纯（非增强）PA6（巴斯夫 Ultramid 8350 HS）。

这些材料在一台带有三个机器人、多个扫描站和一个激光雕刻站的旋转式注塑机中汇集在一起。该工艺创造了一个轻质、耐腐蚀、多材料 3D 零件，可以承受非常高的轴向载荷（>70 千牛顿），但更容易组装，并且在单件价格和工具投资方面比钢基准成本更低。

隧道加固支架的位置显示在左上角和中间。右上图显示了一个机器人在连接拉挤结构之前将组件装载到旋转压力机上，以及使用包覆成型的冲击改性 PA6（右中）的限压套和螺柱。在底部，显示了基准冲压和 MIG 焊接的 UHSS 基准（左下），以及拉挤嵌件（中下）和最终的混合复合材料部件（右下）。图片来源：斯特兰提斯
L&L Products使用巴斯夫的新型树脂系统开发了拉挤嵌件，当与连续玻璃纤维结合使用时，其强度重量比比钢或铝高三到四倍。据报道，L&L的工艺/设备改进和巴斯夫的新树脂系统增强了拉挤成型工艺，其产量比行业标准拉挤成型速率457-610毫米/分钟高两到三倍。

设计了许多装配功能，以方便生产线工人的装配，包括用于双向定位的脚跟-脚趾;用于四向定位的捕捉功能;用于螺栓连接扭矩保持的压缩限制器;以及用于隔热罩连接的塑料切割螺纹螺柱。此外，与原来的超高强度钢（UHSS）多件式冲压和 MIG 焊接翻盖支架相比，组件质量减少了 40%，子系统质量又减少了 20%（总重量减轻了 2.09 kg）。它在满足或超过所有功能要求的同时做到了所有这些。据说由此产生的混合复合材料结构代表了复合材料隧道加固的全新设计，并提供了从轨道到传动支撑支架的改进负载路径。
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据说最终的复合加固支架比基准UHSS部分的轴向承载性能高出20%。该应用还使用了一种新的PUR热固性材料以及一种将热固性和热塑性材料与整体硬件粘合的新方法。此外，由于注塑成型的设计自由度，装配辅助工具被整合到包覆成型结构中，使操作员更容易组装车辆。图片来源：SPE汽车事业部
另一个创新的复合材料底盘应用是结构横梁。在传统的福特 F-150 皮卡上，铝制横梁——横向安装在乘客座椅下方，跨越驾驶员侧门和乘客侧门之间的距离——在发生侧面碰撞时通过抵抗车辆在撞击区域弯曲的趋势，为乘员提供保护。对于全电动F-150闪电型号，电池外壳和电池组的位置侵入了铝横梁通常包装的空间。

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全电动福特F-150闪电皮卡（上图）采用混合复合材料横梁，可保护乘员和电池组，比UHSS钢或铝横梁轻。图片来源：福特汽车公司

混合复合材料横梁由L&L产品公司使用巴斯夫材料和自己的发泡粘合剂/密封剂开发，具有拉挤连续玻璃纤维增强PUR梁（金色），端盖注塑有短玻璃/ PA6和结构发泡环氧粘合剂/密封剂（粉红色）。反过来，这种混合结构又滑入铝冲压件（底部，银色）中，并在电泳前组装到白车身上。图片来源：巴斯夫公司

为了保护乘员和电池组，福特工程部门与L&L产品和巴斯夫合作开发了一种混合复合材料系统。首先是L&L在巴斯夫67%FVF/80%FWF连续玻璃纤维增强弹性涂层74850 PUR中生产的空心拉挤梁。梁被切割成一定尺寸，L&L的复合材料车身解决方案（CBS）组件 - 由35%GR / PA6注塑载体（巴斯夫Ultramid B3WG7）组成，并用L&L的热活化结构粘合剂（L-5905）包覆成型 - 插入拉挤梁的每一端作为端盖。然后将该混合动力组件放置在铝冲压件内，随后将其安装在白车身的底部。电泳漆干燥/固化过程产生的热量使发泡粘合剂/密封剂膨胀，将复合端盖粘合到复合梁上，将复合结构粘合到金属横梁上，并将整个结构锁定在车辆的地板上。

虽然这种结构目前仅用于F-150闪电模型，但与传统的F-150相比，拉挤梁的设计适合EV铝横梁的较小横截面。因此，复合材料解决方案使F-150 Lightning车身结构能够从柴油模型皮卡地板上承载铝制横梁堆叠的相同配合部件，从而使福特不必在装配过程中进行额外的资本投资或更改。由于其高刚度/重量比，混合动力结构比原始铝横梁更轻、更坚固，并在严重碰撞时保护乘员和电池组，与其他 UHSS 或铝解决方案相比具有竞争力的价值主张。

正如这些以及越来越多的其他应用所表明的那样，复合材料 - 单独或与其他材料结合使用 - 不仅为汽车制造商及其零件供应商提供了一系列好处，也为消费者和地球提供了一系列好处。在行业向电气化迈进期间，所有类别乘用车的减重压力越来越大，预计复合材料将出现在汽车和轻型卡车上更多样化的应用中。

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