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塑料拓展在汽车上的应用

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: Stuart Birch &n 点击:
塑料在汽车上得到了大量的应用,目前这种应用随着轻量化需求的进一步提升,其范围已经延伸到驾驶舱之外的其他系统和部件上。

目前汽车工程师和设计人员降低车重的方式来看,汽车上似乎没有一个地方是安全的了。各种不同种类的材料都等待着应用到汽车上,它们要么用于一些成熟的部件上,要么寻求一些新的应用领域。钢铁行业声称将推出新的先进高强度钢,可以减少材料的使用量,而且其他一些金属如铝和锰一直以来也打着轻量化的旗号。

塑料和同样因其在轻量化方面的性能而得到广泛的认可,此外它们还可以带来设计方面的自由度。不过这些材料的缺点也很明显,比如制造方面的挑战就会限制大批量生产成本效益的提高。不过,供应商在这方面也取得了巨大的进步,通过优化设计并提高制造流程效率来克服塑料在这方面的缺点。

虽然塑料在汽车内部的应用已经相当普遍了,而且在外部车身方面也越来越普遍,比如车顶模块和挡泥板上,不过它们依然在拓展到新的应用领域。本文接下来将详细介绍这些新的应用,包括底盘部件、太阳能模块、以及后挡风玻璃。

纤维增强塑料用于底盘部件上

采埃孚公司在底盘设计方面正在寻求新的应用材料。在去年9月份的法兰克福车展上,该公司展示了他们在采用碳纤维复合材料降低底盘后桥和减震器重量方面的研究成果。

今天车辆的底盘不仅要保证驾驶的安全性还要提供一种驾驶感觉,同时还要保证乘坐舒适性。这些要求导致底盘变得越来越复杂,也越来越重,因为底盘的部件数量在不断增加,一些主动系统也越来越多。

采埃孚开发了一种新的后桥概念,采用新的材料并进行功能的整合缓解了这种矛盾。这种紧凑型后桥采用了车轮导向横置板弹簧,材质为玻璃纤维增强塑料(GRP)。


采埃孚公司设计的车轮导向横置板簧轴采用玻璃纤维增强材料。
这种方式与后扭力梁设计结构相比在减重和功能性方面都具有优势。

“这种技术可以大大提高车辆的竞争力,”该项目位于德国Friedrichshafen市的工程小组成员Gerhard Gumpoltsberger表示。“我们通过功能整合、替代材料以及生产和装配流程周期的降低提高了整个产品的经济性。该后桥设计结构件数量很少,在重量方面即使与后扭力粱设计相比也具有一定的优势。”

“除此之外,这种后桥的特性与多连杆后桥很接近,”Gumpoltsberger接着说。板簧采用的玻璃纤维增强材料在纵向上刚性很高,但是在垂直方向上弹性很高。弹簧采用两个铰点固定,车轮动能可以得到很好的减震,而且弹簧也没有扭力出现。车轮位置通过两个金属杆来确定。

“ 这项研究的主要目标之一就是从量产方面对设计进行优化,”Gumpoltsberger说,毕竟这才是将纤维增强复合材料应用到悬挂系统中面临的真正挑战。

在法兰克福车展上,采埃孚还展出了一款超轻底盘部件原型,即倒置的单管麦弗逊式减震器,整合了采用碳纤维增强聚酯(CFRP)材料的车轮轴架。该减震器有两个好处:减震器倒置的设计方式在减震管提供测力支持有利于轻质的减震杆工作。将减震器与采用CFRP材料的车轮轴架整合在一起,总的减震器模块重量可以得到大幅降低,大约只是当前轻质铝材料模块的一半左右。

采埃孚公司这种CFRP结构是的结果。从车轮轴架的负荷路径开始,承载负荷的支架与推力矢量完全匹配起来。


“目前,我们设计的CRFP原型结构负荷只加载到30%。我们的目标是最终可以采用一种材料,使负荷达到70%,”采埃孚萨克斯开发小组Hendrik Marquar说。“除了减重方面的好处,这种设计结构还包含一个塑料波纹管弹簧,在减震的时候可以提高车辆NVH性能,比钢弹簧效果好,”Marquar说。“为了便于进行碰撞分析,车轮轴架采用的纤维中编入一根信号传递光纤。这根光纤在轴架超载时可以发出电子信号,就好像应变仪一样。主动安全系统也可以采用该信号数据,因为信号传递光纤可以即时探测出负荷的大小和方向。”Jörg Christoffel

塑料太阳能电池模块

采用太阳能为系统或辅助系统如空调等提供电能,甚至为电瓶充电,引起了越来越多的关注。去年法兰克福车展上一家名为REVA Electric Car的公司展出了相关的研究成果。这家印度汽车制造商推出了一款名为REVA NXR三门掀背轿车。作为这款车的选配件,车顶太阳能电池板可以为车载电瓶提供连续性补充充电。

新款丰田Prius也提供了一种可选的滑动玻璃天窗,整合了Kyocera公司开发的太阳能电池板。在汽车停在太阳下的时候可以为汽车通风系统提供电能。

不过应用于汽车上的太阳能电池模块目前来看依然是一个市场份额很小的产品。其中的原因据Proof Design andInnovation Management公司称主要是因为采用玻璃的电池模块制造方式在尺寸和重量方面限制了光伏电池的应用。这家德国公司在法兰克福车展上展出了一款采用塑料的光伏模块解决方案,称为复合太阳能电池模块(CSM)。

“采用Proof CSM太阳能电池模块,你可以在引擎盖、仪表板甚至后窗台板上进行太阳能发电,这在以前是做不到的,”该公司工程负责人Denis le Maire说。而与传统的玻璃模块相比,这种新的设计可以使模块重量减少50%。

在CSM模块生产过程中,太阳能电池嵌入到透明度非常高的热塑性塑料板中间,通过该公司专利工艺Sunovation进行生产。采用的高性能材料有赢创公司的Plexiglas和拜耳材料科技的Makrolon产品。

Proof Design公司产品开发工程师Bettina Weiss说,Sunovation工艺包含了目前所有的太阳能电池技术。他透露公司还与一些电池制造商如Sunways、Uni-Solar和SolarWorld等公司针对电池模块展开合作。

在太阳能电池模块中采用塑料的地方是面板和电池之间的硅基凝胶层,当然电池板采用的也是硅基材料。“硅的膨胀率低,而塑料受热会膨胀很多,”Weiss解释道。“因此如果将电池片直接粘结到塑料板上的话,肯定会破裂。基于这个原因,我们在它们之间增加了一个中间层,可以吸收材料之间的张力,同时还可以提供很好的绝缘效果。”

Weiss指出,CSM面板可以很好地抵消机械张力,与玻璃模块相比不仅质量更轻韧性更好,抗断裂性也更高。这些特性使这种技术不仅适用于乘用车还可以用于重型卡车,甚至是轮船上。

Proof Design公司在太阳能电池模块方面的另一个创新体现在设计方面,尤其是太阳电池片定制化激光切割方面。

“我们是一家设计公司,因此我们想让太阳能行业知道他们需要改变产品的设计,”Weiss说。“任何一家汽车制造商都想拥有独特的电池设计,而不是统一的设计。我们有专门的激光加工工艺,可以将电池片切割成不同的几何形状,这样可以让每一个客户的产品都具有独特性。”

到2010年底,Proof Design公司的塑料太阳能电池模块将投入批量生产,用于建筑领域。“不过还不会应用于汽车领域,”Weiss说。“我们目前正在与几家汽车制造商进行合作,不过尚处于原型开发阶段。对于一些试产车型,我们已经开发了功能性模块。”

Weiss还指出,要想让这种模块获得广泛应用,首先要让汽车制造商接受采用塑料的电池模块。“如果你想要玻璃模块的质量,那我们只能在塑料方面进行努力。不过像拜耳这样的公司正在进行原材料的研究,这样我们就可以提供像玻璃一样的质量。如果可以接受塑料的光泽,那么这种模块的发展机会就出现了。”Ryan Gehm

导电塑料用于电池模块

“虽然不能改变电池的工作原理,但是你可以改变电池采用的材料,”IntegralTechnologies公司CEO Bill Robinson说。这也是这家总部位于华盛顿州贝灵汉市公司所从事的工作;他们开发了一种称为ElectriPlast的可注塑成型的导电塑料,这是一种可以导电的共聚混合物。

ElectriPlast由细小的粒子组成,粒子中混入了金属纤维。这些粒子注入到注塑机成型,其中的金属纤维可以帮助简化电池和电子元件的生产流程。Robinson表示,ElectriPlast的独特之处在于注塑过程中材料混合的方式。

“其他类似材料就好像椒盐混合物,在注塑成型产品内产生温度不均的区域。ElectriPlast就没有这种问题,因为所有材料都是混合到粒子中,”他解释道。“这种粒子是整个流程的关键所在,而我们的客户收到我们的产品后只需要做一件事:通过机器注塑或挤出成型。”

如果用ElectriPlast替代铅或不锈钢用于电池生产中,该公司表示电池的重量可以比目前使用的传统电池轻9~14kg。Robinson相信这种材料会广泛用于当前汽车和未来混合动力车中。

“ElectriPlast材料已经开发了五年,目前已经成熟。我们现在可以为任何一家客户提供定制化服务,”他说。该公司生产合作伙伴是总部位于印第安纳州Jasper市的Jasper Rubber Products公司。Robinson表示,目前已经有几家二级供应商在展开对ElectriPlast材料的分析工作。

除了为一家电池制造商提供几种不同用于标准12V电池注塑生产的混配物外,该公司还向几家大型天线制造商提供了一些特殊的混配物。其中一家制造商已经生产出了原型产品,而且正在进行商业化测试工作。

Integral表示,这种材料还可以应用在一种新型军用防护物上的注塑件中,此外还可以以一种“革命性的方式”应用在电线生产中。目前已经有一些电线制造商对此表现出了兴趣。

当问道这种材料与传统铅和不锈钢相比在成本方面会怎样时,该公司CEO回答道,“成本目前不是主要的因素,毕竟尽可能地降低各种部件的重量是制造商追求的目标——车辆重量减轻可以提高燃油经济型。”Ryan Gehm

拜耳拓展聚碳酸酯应用领域

拜耳材料科技认为聚碳酸酯在汽车工业中的应用将获得快速的增长,应用领域包括全景和层叠式天窗以及侧窗,而且还将延伸到其他地方,比如后挡风玻璃。聚碳酸酯不仅比玻璃轻很多,还可以提供较高的设计自由度,而且抗碎裂性能好。拜耳模克隆即为这样一种聚碳酸酯产品。为了研发新玻璃技术和提高客户服务能力,拜耳还在制造设施方面进行了投资。在其抗刮擦涂层实验室中,拜耳还有一套用于测试挡风玻璃雨刮器对材料刮擦效果的设备。这是拜耳BayVision服务的一个部分。

拜耳材料科技在位于德国莱沃库森市的工厂中现在又增加了一台恩格尔公司制造的2300t双色注塑机,带有旋转圆盘和注塑压缩成型功能。该机器可以生产3D车顶模块,尺寸最大可以达到1.2m2,此外还可以生产其他一些复杂的玻璃部件。整个生产环境需要保持洁净,因此机器的生产过程都是全自动的。

拜耳莱沃库森市工厂的新设备可以在预制薄膜的背部注射成型,即众所周知的薄膜嵌入成型(film inser tmolding,FIM)。这种工艺可以将其他功能性部件整合到一起,包括车顶模块中的加热天线和车窗上的红外线反射镜。

拜耳材料科技汽车玻璃小组负责人Volkhard Krause说,“新的设备可以让我们很精确地复制我们客户的整个生产过程,从而帮助他们改进模具并解决生产方面的问题。”

在最近一次客户研讨会上,戴姆勒公司汽车玻璃和雨刮器系统部门负责人UweRenz称与聚碳酸酯领域的专家进行交流可以帮助这种材料在未来更广泛地应用到汽车领域中。

拜耳还扩展了其在Uerdingen市的涂层工厂。该工厂主要致力于聚硅氧烷涂层的生产。在拜耳位于莱沃库森市工厂的洁净室设施中,工作人员对3D聚碳酸酯注塑件进行淋涂,尺寸达到1.4m2。

不过,抗磨损和抗刮擦性能对聚碳酸酯部件来说非常重要,尤其在未来应用到后挡风玻璃方面这种性能显得更为重要。注塑压缩成型方式在连续生产中效率很高,因为如果降低注射压力,注射成型的应力和扭力就会减小,产品的表面质量就可以达到湿涂层的要求。

当谈到雨刮器测试项目时,拜耳材料科技聚碳酸酯汽车玻璃表面改进领域专家FrankBuckel博士解释说,“相对于规定中所要求的Taber耐磨测试,该测试可以使我们更真实、更精确地模拟和再现现实中挡风玻璃刮水器在车窗上施加的压力。”

Taber试验是将两个装满金刚砂粒的滚筒以规定的作用力压于旋转的试验对象上。在拜耳的新测试系统中,涂有需测试的实验薄板固定好,使装有商用刮水片的刮水器以20g/cm2的作用力在薄板上前后移动,移动速度为14cm/s。

Buckel表示,“最初的测试显示,当涂有聚硅氧烷涂层的车窗在受污后,使用刮水器进行湿擦,即使经刮水器的两片刮水片反复摩擦3万次后,也不会产生肉眼可视的雾状变化。”

而对于那些没有摩擦的部件(全景天窗和侧窗)的测试,主要将涂有涂层的实验薄板固定在车顶上,并在三年的时间内,每周进行一次冲洗——在测试过程中不会采用任何保护性物质。拜耳表示,试验显示,与等离子表面涂层湿涂工艺相比,迈图高新材料股份有限公司(Momentive Performance Materials)的AS4000聚硅氧烷系统,具备更出色的耐磨性。即使经过150多次洗车,涂有AS4000的模克隆车窗也未出现可见雾状变化。

该测试还证实,涂有纯聚硅氧烷涂层的批量生产的聚碳酸酯车窗,有效使用六年多并达到125,000公里的行驶里程后,依然具备良好耐磨性。

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