很久以前，所有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，其性能要求远远高于内饰和外部车身面板以及各种内饰组件。
另一方面，在现有的金属材料中，底盘组件对传统和电动汽车(EV)的质量和碳足迹做出了重大贡献，因此，底盘组件已成为复合材料和混合动力系统转换的关键目标，这些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)，下面的五个应用将证明这一点。
随着汽车制造商寻求降低传统和电动汽车（EV）的整备质量，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
在每种情况下，从金属到复合材料或混合复合材料组件的转变都达到或超过了基准机械性能，同时降低了质量和模具成本，消除了腐蚀问题，并经常改善噪音/振动/粗糙度(NVH)。所有这些应用程序都是在大批量的车辆平台上使用的，在这些平台上，可负担性是成功的重要因素。
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550KNm/rad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3M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。
最初的设计是两件式的，后来演变成三件式的设计，再进一步完善成团队所说的高级三件式设计。后者是一种三明治结构，芯材由20%短碳纤维增强聚酰胺6 (CF/PA6) - Ultramid B3WC4注塑成型，外皮/外壳由35%短玻璃纤维增强PA6 (GR/PA6) - Ultramid B3GM35 Q642注塑成型。该聚合物系统是专门为满足福特越野沙漠耐久性要求而选择的。一种新配方的甲基丙烯酸酯粘合剂(3M DB8910NS)据说是快速固化，灵活和热稳定的，用于将这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
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。
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。
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。
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。
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之间。第三，这种特殊的复合材料提供了非常高（>20GPa）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）。
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。
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LSUV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）。
混合动力复合材料隧道加固支架首次亮相标准轴距2021
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 KN），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。
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457-610mm/min高两到三倍。
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）
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。
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。
据说最终的混合隧道加固支架比基准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。
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74850PUR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。
全电动福特F-150闪电皮卡采用混合复合材料横梁，
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。
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。
https://www.compositesworld.com/articles/automotive-chassis-components-lighten-up-with-composites
原文始发于微信公众号（艾邦复合材料网）：汽车底盘部件采用复合材料减轻重量
