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[复合材料] 应用CFK材料显著降低车门重量

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发表于 2015-9-5 00:09:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
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在博泽的检测实验室中,工程师们在产品开发的早期就对不同“版本”的结构件试件进行了检测,其结果表明:CFK车门系统满足、甚至超过了世界上所有的现行标准的要求,大批量生产中使用CFK的日子已经不远了。这一技术也是汽车制造领域中出现的一场大变革。
        碳纤维增强材料(以下简称“CFK”)是一种非常轻质、几乎可以塑造成任意形状的高强度材料,其重量只有钢材的一半、比铝合金材料还要轻30%。在保证汽车安全性和舒适性的前提下,在大批量生产中如果采用这种轻质原材料就可以明显地降低汽车的重量。电动汽车领域,在蓄电池重量尽可能小的情况下,使用CFK可以明显增加其行驶里程。
        但业内人士存在一些疑虑:使用CFK加工的零部件制造过程复杂且耗时较长,这可能将会导致OEM厂商一直无法将其实现大批量的生产。全球著名的车门系统供应商博泽以其轻结构设计方案回答了这一问题,就像在过去用合成材料制造的车门系统那样,第一家OEM厂商已经核实其可能性了。
        与铝合金材料相比,由CFK制造的车门重量可以减轻3kg左右,与钢材相比较可以减轻9.5kg。另外,功能集成、结构集成和车门内饰的集成也都是CFK在减轻重量、减少费用和设计集成中的优点。
       

应用CFK材料显著降低车门重量

应用CFK材料显著降低车门重量

        图1 CFK车门系统

        按照湿式/干式分离原理研发的轻质车门系统可分为车门内机构支架和车门外蒙皮两个结构件。在CFK车门系统中集成了汽车车门所必须具有的全部功能,例如车窗玻璃升降器导轨、门内把手、音箱安装槽和电缆固定件等,无需再使用其他的装饰物、附件等,提高了变型和规模化生产能力,这也为OEM厂商的装配留下了很大的自由空间。车门的供货状态中包含了所有经过质量检验的元器件,并按照汽车生产厂家的要求实时的供应到汽车装配线旁。OEM厂商仅仅是在装配线上用高性能的粘结剂把车门外部蒙皮粘接到车门内机构上就可以了。用户可以灵活决定内部构件的材料(钢材、铝合金或CFK等),这也使得车门的喷漆过程变得更加简单。这样,一方面可以减少车门零部件的数量,另一方面也降低了生产制造成本,汽车生产厂家也可以在同一条汽车装配线装配不同的车型时使用相同的车门方案,或者在同一系列的车型中实现不同车重的变型配置。
        在过去的两年时间里,非常适合于制造板壳型零件的层压薄板树脂传递模塑(RTM)工艺技术把制造一个CFK零件的生产时间从大约15min缩短到5min以内,而且还有进一步缩短生产时间的潜力可以挖掘。专家们认为:到2020年时,CFK零件的材料费用和生产成本将会明显地下降。
       

应用CFK材料显著降低车门重量

应用CFK材料显著降低车门重量

        图2 CFK材料的应用提高了车门的集成度

        在车辆的结构设计中,汽车外部蒙皮分界的分界线设置在车门的主密封线上,车门的大部分结构设计都落到了利用CFK来减轻重量上。通过改变CFK纤维的走向和材料的厚度能够满足车门系统的高强度要求,这种设计可以方便地把表示分型面的分界线掩盖起来,同时,CFK省略了常规车门系统防止车门下沉、提高抗风力负载能力和车门内抗振动所必需的加强筋、增强板等加固零件,可以进一步减轻车门的重量。
        在车门承受侧面碰撞的安全防护部位处,有着很高断裂延伸率的芳纶纤维起到了很好的抗碰撞保护。
        所有的这些措施都能不断地降低轻结构设计所带来的费用增加额,CO2超标排放罚款也与CFK的使用形成了鲜明的对比:到2020年时,汽车发动机 CO2排放的惩罚性费用与使用CFK所带来的费用增加额将会持平,而使用CFK的电动汽车还会提前持平。
        据亚琛技术大学的研究表明:每减轻车辆一公斤重量可以节约10欧元的蓄电池费用,轻结构设计使用CFK所增加的费用到2015年时仅剩下每公斤大约6.3欧元。从2015年开始,汽车生产厂家应支付每1g/km CO2超量排放的罚款,罚款额最高95欧元,轻结构设计和材料费用所带来的费用增加使得CFK的应用在长期发展中是非常有利的。
        在材料选择中,什么样的碳纤维材料在哪一种汽车中才能发挥出其最大的功效是一个需要探究的问题。在所有的车辆设计方案中,都必须从长远发展的角度来考虑问题,整体的考虑轻结构设计解决方案。因此,在现有大批量生产的、成本费用适宜的材料轻结构设计和系统轻结构设计解决方案的基础上,必须仔细地考虑其适用性再投放市场。
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