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[复合材料] 第六元素:令兰博基尼车实现加速的CFRP

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发表于 2015-7-11 14:26:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
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第六元素:令兰博基尼车实现加速的CFRP

第六元素:令兰博基尼车实现加速的CFRP

        图1 兰博基尼Sesto Elemento车的CFRP底盘

        受航空设计理念的启发,位于意大利和美国的兰博基尼汽车研发中心显著提高了对碳纤维增强复合材料的应用,并从中获益匪浅。
        虽然自1990年以来,兰博基尼汽车公司就已将碳纤维增强复合材料(简称“CFRP”)用于其所有运动跑车的生产中,但在过去5年中,该汽车制造商已彻底改变了其设计和生产模式——实现了从热压罐固化成型预浸料部件(与一个金属车架相连接),向非热压罐成型一个CFRP单体结构(集成了底盘/车身结构)的改变。
        驱使兰博基尼采用新方法的主要原因,是有关针对与最高速度相关的加速和操作性的新的强化重视。按照传统方法,要想达到最高速度,就必须增加动力,但这同时也会增加排放且不一定能够提高加速度,因为加速度取决于动力/重量比。同时,兰博基尼已经认识到,该公司在提高安全性和舒适性,以及减少排放方面所作的改进,已使兰博基尼车的平均重量增加了500 kg。因此,该公司将研究重点放在了CFRP材料上。正如兰博基尼CEO Stephan Winkelman所解释的那样:“每一款新的兰博基尼车都将充分利用碳纤维的优势,以实现减重。”但如何才能实现对CFRP的“最佳利用”呢?
        为此,兰博基尼于2007年在华盛顿大学创建了“先进复合材料结构实验室(简称‘ACSL’)”,该实验室与坐落于意大利圣亚加塔·波隆尼的兰博基尼“先进复合材料研究中心(简称‘ACRC’)”紧密合作,并得到了美国联邦航空管理局以及ACSL的负责人Paolo Feraboli博士曾经工作过的美国波音公司的部分资助。“航空与汽车行业之间,可以在CFRP的这些应用方面有很多交流的机会。” Feraboli解释道。所以,当兰博基尼的高级副总裁兼首席技术官向ACSL和ACRC下达了挑战任务,要求他们在确保新车型性能和安全性的前提下,显著降低重量和成本时,Feraboli及其带领的团队凭借从波音787飞机上学到的经验,建议从传统的预浸料技术中走出来,采用源于航空的整套设计方法,以实现无需热压罐的极高性能的CFRP结构。
       

第六元素:令兰博基尼车实现加速的CFRP

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        图2 兰博基尼Sesto Elemento概念车中80%的材料均为CFRP,包括其单体结构、前下车架、传动轴、排气系统、悬架部件和冲撞盒等均使用了CFRP

        下一代设计
        第一个开发成果是发布于2011年3月的Aventador车。当2007年10月开始这项开发时,兰博基尼的目标是,吸取成功的V-12 Murciélago经验,开发一辆更轻且性能更好的汽车,且能够以更大的产量进行生产——与每年500辆的Murciélago相比,至少每年能生产1000辆Aventador。“如果采用传统的预浸料方法,要想实现这样的产量是根本不可能的。”Feraboli解释说。
        受一级方程式赛车设计的启发,ACSL和ACRC首先证明了一种CFRP单体结构的合理性,它整合了汽车的承载结构和乘员舱,其作用就像是一个滚柱防护罩,而且其重量也因部件数量的减少而降低。当目前已获得专利的树脂传递模塑成型工艺,即兰博基尼的RTM工艺被开发出来时,该单体结构即被精制而出。依靠RTM Lite技术,使得该工艺的注射压力较低,从而可以使用更便宜的设备,以及用复合材料模具取代昂贵的金属模具。采用干性缝编织物对亨斯迈先进材料公司的RTM树脂系统ARALDITE环氧树脂进行增强。编织的织物增强了管状部件如结构顶柱和门槛的抗扭刚度。位于CFRP层压板之间的环氧树脂泡沫增加了关键点处的刚性并降低了这些部位的噪声和振动。铝嵌件被设计到了位于前、后铝制下车架附件点处的层压结构中。
        “因为我们使用了更高性能的材料,因此我们无需肋骨去增强这种盆式结构,从而是其生产变得简单化。”Feraboli指出。“我们实现了几小时的RTM循环周期,从而可以在10~20h内完成整个单体结构。” ACRC 的材料及制造工艺负责人Attilio Masini介绍说,这种OOA工艺已使单体结构的产量从每周2个增加到了每天超过5个。
        Aventador的单体结构重量只有147.5kg,这有助于其达到350km/h的最高时速。该车可在2.9s内从0km/h加速到100km/h(相比之下,Murciélago的最高时速为330km/h,从0km/h加速到100km/h需要3.6s),同时其燃油消耗和CO2排放均降低了大约20%。此外,这款车还创造了一个新纪录:在发布后第一个月即卖出了1400辆。
        第六元素
        兰博基尼下一个新车型是Sesto Elemento(意大利语是“第六元素”的意思,表示碳在化学元素周期表中的位置)。早于Aventador被发布于2010年10月的Sesto Elemento虽然是一个后期项目,但它需要的开发时间较少,因为它是一项技术的证明者。Feraboli回忆说:“Reggiani先生针对Sesto Elemento的想法是,采用与Gallardo Superleggera一样的动力传动系统,并将其总重量从1340kg降低到999kg,仅V-10发动机的重量就要降低到650kg。” 作为兰博基尼曾经制造的最轻汽车,Superleggera能够在3.4s内从0km/h提速到100km/h。因此,如何才能在此基础上加以提高呢?“Sesto Elemento中80%的材料是碳纤维。” Feraboli对此回答说。相比之下,Murciélago中CFRP的重量百分比是30%,而Aventador中CFRP的重量百分比是50%。因此,兰博基尼预计,其每年的CFRP用量将增加3倍,到2013年将达到300t。
       

第六元素:令兰博基尼车实现加速的CFRP

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        图3 ACSL的负责人Paolo Feraboli博士站在兰博基尼最新一代超级跑车Aventador旁。借助波音787的经验,该跑车的CFRP单体结构使汽车重量减轻了40%

        不仅该车的单体结构使用了CFRP,而且其悬架(控制臂比铝制部件轻30%)、传动轴(中央连接被取消)、前下车架和冲撞盒也使用了CFRP。此外,其整个排气系统均由耐高温CFRP和陶瓷材料制成。其中,Sesto Elemento的CFRP悬架及其全CFRP的前冲撞盒均为CFRP在此方面的首次应用,Feraboli对此介绍说:“此前CFRP从未被用在运动跑车的悬架上,而且制造商们通常是采用铝以及(或者)钢来生产冲撞盒,尽管他们的确已使用了一些CFRP。”
        采用厚度只有以前CFRP运动跑车车身板1/3的表面蒙皮,Sesto Elemento的单体结构达到了所要求的刚度,而这一刚度要求是受波音787一体化刚性体的启发而设立的。它还采用了一次注射的FORGED COMPOSITES(锻造的复合材料)技术,该技术是兰博基尼与Callaway Golf公司合作开发的,并得到了ACSL的验证。FORGED COMPOSITES技术通过采用25~50mm长的切断纤维取代连续的编织纤维,实现了非热压罐的快速成型。兰博基尼为此技术贡献了其RADICARBON专利。该公司声称,利用RADICARBON专利技术,可以在每平方英寸的面积上分布超过5万根缠结在一起的纤维,因而拥有比铝更大的强度/重量比和刚性/重量比。Feraboli介绍说,该技术所采用的金属模具,在加热受压后,可以在大于1000psi(6890kPa)的压力下,一个一个地模制出复合材料部件。而采用传统的单向带来成型如此复杂的结构是不可能的。
        Quantum Composites公司的AMC 8500产品系列得到了应用,它由乙烯基酯树脂和短切12K碳纤维构成。“因为它比UD带材的性能低,因此必须重新设计结构以获得为取代铝而必要的刚性/重量比和强度/重量比。这可通过形状上的些许改变来改变截面模量,但也可通过选择性地利用UD带材而与不连续纤维结合使用。”
        Feraboli的目标不仅是要完全取消热压罐(Aventador车的生产仍要求有一次热压罐循环周期,以成型预浸料的外层表皮),而且要降低压制循环时间:对于以乙烯基酯树脂为基体的复合材料而言,循环时间要降低到4min;对于以环氧树脂为基体的复合材料而言,循环时间要降低到10min。这对于在未来生产模式下取代Gallardo现有的生产模式是非常必要的,2008年该公司采用现有生产模式生产出了近2000辆Gallardo车。Feraboli自信地认为,采用FORGED COMPOSITES技术,每年可以生产出1万个部件。
        Sesto Elemento已达到了其设计师的目标。“我们降低了40%的重量和排放,同时,汽车由0km/h提速到100km/h的加速时间缩短到了2.5s,且无需新增动力。” ACRC的负责人Luciano DeOto介绍说。而相比之下,Bugatti Veyron车要达到同样的效果,则需要增加1000hp的动力。
        “我们已提高了动力/重量比,并显著改善了用户的操作和性能体验。”Feraboli补充说。虽然兰博基尼表示,不准备将RADICARBON专利用于批量生产,但Feraboli指出:“我们已与波音公司合作了6年,来开发适合的分析方法,以对这种材料在结构中的行为表现进行建模分析,而要想从传统的复合材料获得这样的表现却很困难。通过结合ACRC的工作,我们几乎达到了目前的生产能力。”
        趋向未来
        兰博基尼声称,该公司实际上是唯一的一家精通于从CFRP设计到生产全过程的汽车制造商。基于航空方面的最佳实践经验,使其单体结构的制造公差只有±0.1mm。波音公司用于测试和设计许可开发项目的“building-block”方法,据说使Aventador车在其第一次试验中就通过了碰撞测试认证。“每一次碰撞试验都要花费超过100万美元,因此第一次就能通过测试是一件非常好的事情。”Feraboli说。
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