在鋼制保險(xiǎn)杠后部左前和右前這樣一個(gè)隱蔽但極為重要的位置，通用2019 雪佛蘭Silverado皮卡為復(fù)合材料帶來(lái)了新的結(jié)構(gòu)應(yīng)用機(jī)遇。由熱塑性復(fù)合材料/金屬混合材料制成的支架不僅質(zhì)量更輕，還在有限的包容空間中實(shí)現(xiàn)了等效的或更好的模態(tài)、應(yīng)力、疲勞和碰撞測(cè)試性能，減少了腐蝕和保修風(fēng)險(xiǎn)，為整合關(guān)鍵部件提供了更大的自由度（圖片來(lái)自通用汽車公司）

 

    作為一名OEM設(shè)計(jì)工程師，開展全尺寸皮卡項(xiàng)目研究并非一件易事：一方面，要確保車輛盡可能安全、功能豐富且燃油效率高；另一方面，用戶，尤其是建筑和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的用戶，每天的用車頻率非常高，對(duì)什么是耐用材料、什么是非耐用材料有一定的見(jiàn)解，他們了解并信得過(guò)鋼材。但對(duì)復(fù)合材料呢？也許，他們了解和信任的程度并不高。

 

    當(dāng)通用汽車公司全尺寸皮卡的首席設(shè)計(jì)發(fā)布工程師Chris Heo與其團(tuán)隊(duì)開始開發(fā)最新一代的雪佛蘭Silverado皮卡時(shí)，他們討論了哪些部件可以用復(fù)合材料取代金屬?gòu)亩鴾p輕車輛質(zhì)量。

 

    就2019 車型而言，已經(jīng)決定要保留帶有防撞條的保險(xiǎn)杠風(fēng)格，即在車輛的前后采用由沖壓鋼制成的保險(xiǎn)杠，它的A側(cè)表面采用鍍鉻裝飾或者與車身漆色保持一致。基于其形狀造型，再加上鋼制外殼較重的質(zhì)量，該保險(xiǎn)杠通常需要一個(gè)或多個(gè)鋼制加強(qiáng)支架，用于將保險(xiǎn)杠與車架連接起來(lái)，滿足通用汽車公司對(duì)保險(xiǎn)杠的耐久性、車輛的損傷性、碰撞性能和包容空間等方面的要求。在此情況下，保險(xiǎn)杠的左、右角會(huì)含有一對(duì)支架，但該團(tuán)隊(duì)的成員們想要知道的是，可否將這些又重又復(fù)雜的多個(gè)沖壓件改造成更輕質(zhì)的部件，同時(shí)又不影響性能和耐久性呢？

 

    “我們討論了保留保險(xiǎn)杠的金屬外殼、但將隱藏的部件轉(zhuǎn)變成采用輕質(zhì)材料的方法。”Heo回憶說(shuō)，“我們知道這具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樾枰脠?jiān)固的支架來(lái)支撐保險(xiǎn)杠這樣的重物, 而且保險(xiǎn)杠和支架的耐久性必須與車輛的使用壽命保持一致。此外，在滿足嚴(yán)格的、難以通過(guò)的偏置防撞試驗(yàn)要求方面，這些支架起著關(guān)鍵作用。”

 

第一個(gè)嘗試

 

    面對(duì)挑戰(zhàn)，通用團(tuán)隊(duì)開展了研究，并很快讓車輛指定的保險(xiǎn)杠供應(yīng)商——美國(guó)Flex-N-Gate公司（以下簡(jiǎn)稱FNG）參與進(jìn)來(lái)。最初，由于車輛外部造型尚處在最終敲定階段，因此該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)花了一年的時(shí)間，研究了行業(yè)選項(xiàng)并討論了可行的方法。

 

   “我們?cè)诘却线m的時(shí)機(jī)，因?yàn)槿Q于最終的造型，我們的設(shè)計(jì)和方法都有可能發(fā)生變化。”Heo解釋道。

 

   “我們知道，另有一家公司已在其用于貨車的一個(gè)保險(xiǎn)杠上使用了復(fù)合材料制成的非常小的支架，雖然這是一個(gè)非結(jié)構(gòu)性的支架，卻為我們提供了參考。”FNG工程團(tuán)隊(duì)塑料/金屬研發(fā)經(jīng)理Steve Perucca補(bǔ)充道。在將乘用車上的金屬結(jié)構(gòu)部件轉(zhuǎn)變成熱塑性復(fù)合材料部件方面，F(xiàn)NG 已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，這為該團(tuán)隊(duì)樹立了信心。

 

設(shè)計(jì)考慮因素

 

   隨著皮卡外觀設(shè)計(jì)的確定，該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開始了支架的設(shè)計(jì)工作。基準(zhǔn)支架由高強(qiáng)低合金鋼沖壓而成，與碳鋼相比，這種高強(qiáng)低合金鋼擁有更高的機(jī)械性能和更好的耐腐蝕性。這些支架擁有3mm的公稱厚度，每個(gè)重4.362kg。相比之下，如果采用復(fù)合材料的支架，設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮多個(gè)因素：

 

   首先，需要將復(fù)合材料的支架安裝在大致相同的空間內(nèi)，且被限制在保險(xiǎn)杠的后面，因此，需要一種強(qiáng)度足夠的材料，以確保部件厚度不會(huì)增加太多。

 

   其次，為了達(dá)到設(shè)計(jì)所需的造型效果，前保險(xiǎn)杠通常要包裹住車輛的前角。但是，由于前保險(xiǎn)杠是被堅(jiān)硬的鋼支架固定在車架上，因此在高速碰撞事故中，可能會(huì)被擠壓到車輪中，從而對(duì)車輪定位帶來(lái)負(fù)向影響并鎖定轉(zhuǎn)向。為了盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保護(hù)受碰撞一側(cè)的車輪，可取的方法是，使保險(xiǎn)杠支架在撞擊過(guò)程中脫落。但另一方面，為了避免保修問(wèn)題，保險(xiǎn)杠需要在車輛正常使用期間保持連接狀態(tài)。顯然，該團(tuán)隊(duì)必須考慮如何平衡好這些相互競(jìng)爭(zhēng)的要求。

 

    該團(tuán)隊(duì)想要解決的另一個(gè)問(wèn)題是，由于鋼的成形性限制，不能將基準(zhǔn)支架成形為可以固定車輛霧燈的形狀，這就需要增加一對(duì)較重的金屬支架。如果可能，該團(tuán)隊(duì)希望將霧燈支撐架整合到復(fù)合材料的支架上。

 

    另外，避開線束夾點(diǎn)也很重要。線束夾點(diǎn)會(huì)穿過(guò)支架來(lái)固定線束，防止可能導(dǎo)致前照燈和風(fēng)扇等重要部件發(fā)生短路的電線擦傷和斷裂問(wèn)題。為此，可以在金屬支架上開一個(gè)孔，以使電線穿過(guò)，但這會(huì)帶來(lái)額外的沖孔操作步驟，再加上設(shè)計(jì)自由度的限制，還會(huì)增加模具成本。而用復(fù)合材料支架來(lái)解決這一問(wèn)題卻是可取的。當(dāng)然，還有一點(diǎn)也很重要，就是要避免因使用復(fù)合材料的車架而不得不改變車輛的裝配工序。而且，就像汽車應(yīng)用中經(jīng)常要求的那樣，與金屬的基準(zhǔn)支架相比，復(fù)合材料的支架最好能夠更輕質(zhì)、更便宜。最后一個(gè)問(wèn)題是，目前可用的CAE模型是否能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的高周疲勞/耐久性。

 

混合材料方法

 

    該團(tuán)隊(duì)首先要決定選用什么材料，也就是說(shuō)，要使用FNG已經(jīng)用過(guò)的并已得到通用汽車公司許可的材料。為此，他們選用了韓國(guó)樂(lè)天化學(xué)公司的一種黑色長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯（LFT-PP），名為Supran PP1340 GMW15890P，其纖維重量百分比為40%。由于支架不會(huì)暴露在陽(yáng)光下，且距離發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量足夠遠(yuǎn)，因此，這種強(qiáng)韌的烯烴聚合物能提供足夠的耐熱性。由于熔體流動(dòng)指數(shù)為40，因此，這種高流動(dòng)注射級(jí)別的材料還確保了在不增加額外澆口的情況下，完美地填充復(fù)雜的形狀。如果增加額外的澆口，會(huì)形成比周圍材料弱的熔接線，這在結(jié)構(gòu)部件中是絕對(duì)不允許的，特別是那些必須通過(guò)碰撞測(cè)試的部件。

 

    為了平衡好長(zhǎng)期耐久性與高碰撞性能這兩個(gè)彼此競(jìng)爭(zhēng)的要求，該團(tuán)隊(duì)采用了一種混合材料的方法。他們將支架分為兩部分：連接保險(xiǎn)杠與車架的部分仍然采用高強(qiáng)低合金鋼，但外面的部分轉(zhuǎn)變成采用復(fù)合材料。這種方法為部件整合提供了較大的設(shè)計(jì)自由度，減輕了部件質(zhì)量并能夠?qū)㈧F燈整合進(jìn)來(lái)。但是，針對(duì)復(fù)合材料部分的設(shè)計(jì)，應(yīng)確保其在高速側(cè)面碰撞中能夠脫落，以使車輪的定向盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保持縱向，這對(duì)于保持轉(zhuǎn)向力極為有利。

 

    為了滿足通用汽車公司的所有要求，該團(tuán)隊(duì)在支架的復(fù)合材料部分添加了一些金屬嵌件，再加上3個(gè)軸套，則為在裝配過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整提供了便利。設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)，這種材料可以毫無(wú)問(wèn)題地允許支架的腿（CAE設(shè)計(jì)中棕色的彎曲端部）伸展開來(lái)以包裹住霧燈，這樣，就無(wú)需在此處使用額外的支架。

 

設(shè)計(jì)混合材料的結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠支架之前（上圖）和之后（下圖）。采用一種獨(dú)特方法，即三螺栓/雙面的機(jī)械緊固系統(tǒng)（黃色輪廓線），即將混合材料支架的復(fù)合材料部分（棕色）與鋼部分（綠色）連接起來(lái)，同時(shí)還減小了應(yīng)力。沿支架的前表面使用了兩個(gè)螺栓，第三個(gè)螺栓則用在其上方。軸套上的限制器可防止組裝過(guò)緊。相比之下，如果采用結(jié)構(gòu)粘合劑進(jìn)行粘接，會(huì)增加時(shí)間、機(jī)器人、固化架和車輛的裝配成本（圖片來(lái)自通用汽車公司）

 

    隨著項(xiàng)目的向前推進(jìn)，該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)并測(cè)試了實(shí)體部件。他們高興地發(fā)現(xiàn)，他們的CAE模型相當(dāng)準(zhǔn)確。“就耐久性和高重力負(fù)載而言，我們?cè)噲D預(yù)測(cè)高周疲勞，因此一開始我們就想知道，我們能否在碰撞模擬中正確模擬這個(gè)部件。”Heo介紹說(shuō)，“令人驚訝的是，在振動(dòng)試驗(yàn)甚至在碰撞試驗(yàn)中，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果高度一致。”

 

    最終，該團(tuán)隊(duì)在不到6個(gè)月的時(shí)間里完成了支架設(shè)計(jì)。它的尺寸大約是41cm×46cm，公稱壁厚3mm，帶有肋，因而提供了較高的力學(xué)性能。

 

    模具由加拿大Integrity Tool & Mold公司制造，這是一副排氣良好、擁有兩個(gè)型腔的2+2疊模，兩個(gè)直接注射點(diǎn)（冷流道）采用順序閥澆口，每次循環(huán)可以生產(chǎn)出4個(gè)部件，循環(huán)周期60s，因而滿足了Silverado 平臺(tái)的高產(chǎn)量需求。該部件的成型商是FNG的Ventra Evart 部門。

 

 

 

重大成果

最終經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化的復(fù)合材料支架設(shè)計(jì)整合了眾多的部件，包括之前單獨(dú)的霧燈支架，以及用于提高力學(xué)性能同時(shí)確保公稱壁厚不超過(guò)3mm的結(jié)構(gòu)肋。在容易出現(xiàn)明顯疲勞或者承載路徑上必須得到加強(qiáng)以確保擁有適當(dāng)碰撞性能的區(qū)域，使用了幾個(gè)金屬嵌件，以幫助提高性能（圖片來(lái)自通用汽車公司）

 

由混合材料方法制成的結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠支架令通用汽車公司在首次商業(yè)化應(yīng)用中就獲得了很多好處：

 

    首先，該支架在模態(tài)、應(yīng)力、疲勞和碰撞測(cè)試方面都達(dá)到了等效或更優(yōu)的性能。

 

    第二，復(fù)合材料的設(shè)計(jì)自由度允許在一個(gè)相對(duì)較小的包容空間里實(shí)現(xiàn)更有沖擊力的造型。

 

    第三，與基準(zhǔn)支架相比，一對(duì)混合材料的支架使每輛車減輕了2.5kg的質(zhì)量。同時(shí)，歸功于質(zhì)量分解效應(yīng)，更輕的保險(xiǎn)杠轉(zhuǎn)角還使得保險(xiǎn)杠安裝支架和其他部件的尺寸更小，從而使前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的總質(zhì)量要比2016車型的減輕了7.3 kg。

 

    此外，由于復(fù)合材料的支架不會(huì)生銹，還降低了腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和保修成本。質(zhì)量的減輕有助于提高燃油經(jīng)濟(jì)性，或者可以在不超過(guò)法定道路載荷限制的情況下運(yùn)載更重的載荷。

 

    如果按部件計(jì)價(jià)，由于增加了注射模具的成本，這種混合材料的支架似乎并不劃算。但如果按系統(tǒng)成本計(jì)算，由于能夠精簡(jiǎn)額外的組件，因而更具成本效益，雖然實(shí)際節(jié)省的成本很難量化。

 

    目前，該支架實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)已有3年多的時(shí)間，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)任何問(wèn)題。針對(duì)下一代的Silverado車型，Heo的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)在前保險(xiǎn)杠上采用混合材料的支架，但他已要求團(tuán)隊(duì)開始考慮如何將這種混合材料的方法用在后保險(xiǎn)杠支架上。這很復(fù)雜，因?yàn)楹蟊ｋU(xiǎn)杠的轉(zhuǎn)彎處有助步功能，以使人們能夠更輕松、更安全地爬進(jìn)/爬出皮卡車廂。此外，在鋼制外殼的后面還容納了較多的部件（如后備警報(bào)傳感器），因而包容空間更小。

 

   “我們將繼續(xù)使用智能工程方法來(lái)研究問(wèn)題，弄清楚產(chǎn)品如何得到應(yīng)用，它們的功能需求是什么，然后挑戰(zhàn)極限。”Heo最后總結(jié)道。