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胶粘剂启动汽车装配革命

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: DOUG SMOCK &nbs 点击:
摘要:对于试图减轻车辆重量来增强安全性的工程师们来说,新型配方的胶粘剂是一种主要工具。
关键词:胶粘剂 车身结构 混合粘结

胶粘剂技术的快速发展能让我们设计出车体更轻的汽车,并且也能让我们使用更薄的钢板。一些新平台已经开始采用这种新颖方法,期望很快就能获得更广泛的收益。

福特车身结构技术主管Shawn Morgans说,福特(Ford)公司通过在车身上部使用抗冲撞耐久结构胶把 2008 福特福克斯(Ford Focus)车型的重量减少了3.7 磅。Morgans 介绍说,“我们减少了焊点,接下来的重点是要减少钢材的使用量。”

通用汽车公司(General Motors)的工程师们也正在着眼于增加使用新型强力胶。

通用汽车公司材料与处理实验室主任Mark Verbrugge说:“广泛使用抗冲撞加强型胶粘剂,而不用铆接、热连接、搅拌摩擦焊等其他类似方式会很有好处,这样能减轻重量。如果你最终不得不使用铆钉或什么其他东西来保证车身结构牢固安装在一起的话,在工厂中的紧固安装也会成问题。你真正需要的是一种能马上固定和装配的粘结
结合。”

在欧洲和亚洲分别以Epsilon(http://designnews.com.cn/0807-532.aspx)和Delta (http://designnews.com.cn/0807-533.aspx)为标志开发的美国通用汽车公司新型车辆将会采用新开发的抗冲撞胶粘剂。新型欧宝(Opels)(http://designnews.com.cn/0807-534.aspx)车预计也将使用这种先进的胶粘剂系统。

在欧洲,汽车制造商必须在2012年以前把所有客车的二氧化碳排放减少到120g/km 以下;在车身上使用结构胶粘剂是欧洲非常领先的技术。比如,防撞稳定型胶粘剂就正在被新梅赛德斯(Mercedes)和宝马(BMW)车型所使用。

汽车上的粘结结合,包括把玻璃粘结在法兰模板上,已经具有很久的历史了。车身的重量占整辆汽车的25%,是降低车辆重量的主要目标。直到最近几年,用在和其他应用上的高强度胶粘剂才适用于汽车车身,因为以前的胶粘剂遭遇碰撞时过脆易碎,尤其是在较低的温度下。改变了抗冲击强度的双阶系统的开发为胶粘剂带来了技术突破。在被称作协同增韧增强(http://designnews.com.cn/0807-535.aspx)过程中的化学反应会产生增强颗粒和增韧剂。增强颗粒可以减少碎裂并且能吸收能量。在胶粘剂固化之前,这些只有几纳米大小的柔软颗粒被均匀地分布在整个基质结构中。

防撞稳定型胶粘剂可能会被广泛地使用在亚洲产的一种新车型上。

防撞稳定型胶粘剂之所以能够适用于传统汽车生产系统是因为还出现了一项关键技术。那就是,这种胶一般在356F 左右就能固化,这可以让预处理电涂加工不使用专用养护炉就可以使结构固化。这种材料的最新品类可以在-40~176F 的温度范围内使用。

今天发展最快的技术是使用混合粘结。正如 Verbrugge 所说的那样,需要使用点焊或者其他传统紧固系统来提供初始强度。出现这种现状的另外一个因素是,作为整体车辆测试的一部分,用于预测新型防撞稳定型胶粘剂性能的仿真技术比较有限。

“我们所看到的取得很大使用进展的另一个领域是高强度钢”,汉高公司(Henkel)结构解决方案总监Chris Liddiard 说。“这种钢比较硬,所以如果你不太当心的话就会很快把能量作用到焊点上。”使用新型胶粘剂可以通过提供双能量管理系统来提高连接缝的完整性。

如果能够在汽车规模的应用上可靠地预测粘结性能并且能开发出更快装配的胶粘剂的话,结构型胶粘剂下一代的重大技术突破就会出现。但现在的开发进步也很快,并且与很多种类的机械设计都有关联。

Lotus 公司的斩获

“就全球来说,汽车工业的挑战是在提高安全性、提高性能和让用户能买得起的同时来提高车辆的燃油效率,”Lotus 公司(http://designnews.com.cn/0807-536.aspx)的总机械工程师Jason Rowe 说。Rowe 在最近的一份研究报告中写道:“最近在连接技术方面最大的进展就是结构型胶粘剂的性能。”

Lotus 正在其VVA(通用车架构造,万能车辆构架)结构上(http://designnews.com.cn/0807-537.aspx)使用机械紧固技术和结构胶粘剂,这种结构是2005年推出的,使用的大多是铝结构型材。在有焊点的地方使用了自冲铆钉连接,在封闭结构的单面连接上使用的是自攻(flow-drill)螺丝。在粘结固化循环中,是这两种连接方法首先把结构固定在一起,并且能在碰撞中避免粘结点剥落。热固化结构型胶粘剂是其中主要的连接介质。据说这种系统能提供超常的扭转强度。

“自冲铆钉(SPR)和胶粘剂的联合使用要比单独使用粘结剂具有强得多的抗剥落性能,其强度至少是单独使用铆接方法的三倍,”Rowe 说。“另外,使用自冲铆钉可以在胶粘剂固化之前对主要结构进行夹具去电镀处理(de-jigging),在电涂过程中无需专家来固定就能保持其几何形状和尺寸。” 之所以需要这种新方法是因为点焊和MIG(Metal Inert Gas,金属惰性气体)焊接会使铝材剥蚀。

Lotus公司正在即将推出的2+2跑车上使用VVA结构。Lotus 曾经是通用汽车公司的一部分,现在隶属于一家马来西亚的制造公司,它现在制造跑车并且开展工程咨询方面的业务。

广泛使用新型抗冲撞耐久胶的第一种美国车型是福特F-150 小型货车,该车型获得了美国高速公路安全保险协会(U.S. Insurance Institute for Highway
Safety)评比的该类车辆中最高的抗冲撞等级。

其他增加使用结构胶粘剂的新车型实例包括:

● 使用Delta 和Epsilon 平台的新车型。一个实例可能会是 2009 年款大宇/ 雪佛兰(Daewoo/Chevrolet)紧凑型轿车,虽然还不能最后确定。

● Betamate 1496 胶粘剂被用在了奥迪(Audi)A5 的结构部件上,像搁梁、尾部结构和前围挡板等。Dow Automotive 公司的官员说,这种新型胶粘剂能提高25% 的车身硬度并能在碰撞中提高15% 的吸能性能。与点焊相比,其持久性能把连接点的断裂转效时间提高1,000倍,而且胶粘剂的密封特性还能提供间隙保护。

● Dow公司开发了一种新等级的BMW X5前纵梁、前围板、减震支座和车身底板。位于密歇根的一家工厂被改造用来生产这些能够在洗车、磷酸盐和电泳涂装中保证车身结构安全的、按特定配方制造的材料。它们所具有的其他特性还包括低粘度、领先的处理特征以及卓越的抗腐蚀性。

● 意大利汽车制造商IRISBUS 出产的新Domino 车六个舱门的外盖板是通过使用Betamate 2096胶粘剂粘结到铝制车身上的。

这种新材料的使用并不局限于高端车型。胶粘剂的开发者们说,他们对亚洲和印度OEM厂商所开发的一种新型廉价的世界年度车型也很感兴趣。与焊接系统相比,胶粘剂具有更高的加工灵活性。

几点告诫

增加使用抗冲撞结构型胶粘剂还要面临几项挑战。其一是设计工程师们根深蒂固的守旧性,他们对传统的连接方法,尤其是点焊非常熟悉并且信任。其二是现在还缺乏能够对这种新型材料的机械性能进行大规模仿真的程序。新胶粘剂中的粘结层需要增加有限元数量的极其精细的配合,即使高性能计算机现在也达不到这个要求。专家们正在与德国弗劳恩霍夫(Fraunhofer)制造工程和应用材料协会合作来研究解决这个问题。

对胶粘剂来说,还有一种更高的热抵抗性需求,有了更高的热抵抗性,胶粘剂就可以使用在组附近。另一种需要就是让胶粘剂能在更低的温度下固化,这可以使OEM厂商不必再使用电泳炉操作。还有一些应用需要具有更短固化时间等级的胶粘剂产品。

据Dow Automotive 公司车身结构解决方案的全球市场经理 Marc Van Den Biggelaar 说,胶粘剂的使用并不会影响欧洲推广的汽车回收利用。破碎的车身结构会被捆扎在一起送进再熔炉,比如钢铁企业中的电弧炉。“对于胶粘剂不需要做什么特殊处理。高温下它们就会被燃烧掉,”Van Den Biggelaar 说。

然而,当钢和铝粘结在一起时,回收再利用可能就会有问题;否则的话,有利于回收利用也会是胶粘剂系统的优势之一。(end)

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