【汽车轻量化】宝马:利用CFRP骨架增强高张力钢板

2016-09-070阅读0

  “不运用革新技术,产品策划就通不过”——对于高级轿车“7”系的设计思路,德国宝马(BWM)这样描述。该公司为新款车的车身运用了最尖端的技术,通过实施“多材料”设计,组合不同的材料,实现了前所未有的轻盈车身(图1)。并且降低了重心,提高了行驶性能。

  

图1:“7”系的车身

  量产车首次配备使用CFRP的多材料车身。黑色部分是CFRP。通过将CFRP作为骨架镶嵌在2张钢板形成的中空部分来提高强度。

  该公司将这种车身结构称作“Carbon Core”,充分运用了碳纤维强化树脂(CFRP)。CFRP的强度是钢铁的10倍,而重量只有1/4。虽然现在的成本还是钢铁的10倍,但就性能而言,是非常理想的轻量化材料。该公司通过大量采用CFRP,使车身重量减轻40kg。开创了将使用CFRP的多材料车身应用于量产车的先河。今后还希望将使用CFRP的车身打造成轻量化车身的核心。

  在钢板上粘接CFRP部件

  

图2:新车身的结构

  在通常钢板的基础上,因地制宜地采用了4种轻量化材料。

  图2是新车身的结构。从图中可以看出,车身在使用普通钢板的基础上,大量采用了拉伸强度超过900MPa的超高张力钢板、拉伸强度为300MPa以上的多相钢板*、铝合金,以及CFRP等轻量化材料。

  *多相钢板

  具有高强度、高延展性,成型性良好的钢板。

  其最大特点是在2张钢板形成的中空部分,镶嵌了CFRP成型部件作为骨架。新车身加大了高强度的超高张力钢板和多相钢板的比例,通过减薄钢板厚度减轻了重量。这是很多汽车企业都在采用的方法。而宝马的不同之处,是在钢板变薄、强度和刚性有所降低的部位,通过镶嵌CFRP成型部件,提高了强度和刚性。这些CFRP部件包括车顶纵梁加强件、B柱加强件、C柱加强件和侧边梁加强件(图3)。

  

图3:CFRP部件与装载位置

  在需要强化的部位使用。钢板与CFRP部件的接合采用粘合剂和机械紧固两种方式。

  将CFRP部件应用于车身时的课题在于接合。树脂不能焊接,需要使用粘合剂和铆钉。使用粘合剂也是为了吸收钢板与CFRP的线性热膨胀系数的差异。

  新的车身首先是按照传统方式,将钢板内板焊接(点焊等)成车身(内车身)。然后在内车身上必要的地方涂抹粘合剂,将前面所说的CFRP加强件牢牢粘在上面(图4)。其中包括车顶纵梁加强件、B柱加强件和侧边梁加强件。在对接合力要求更高的地方,还要使用铆钉,通过机械方式紧固钢板内板和CFRP加强件。C柱加强件就属于这种情况。

  

图4:使用CFRP制造的车顶纵梁加强件的接合工序

  先在钢板焊接而成的内车身上涂抹粘合剂,然后粘贴CFRP车顶纵梁。

  在通过上述方式,使CFRP加强件与车身紧密接合后,还要再次进行焊接,使钢板外板与内车身接合制成白车身。方式是先在B柱上焊接超高张力钢板B柱加强板,在侧边梁上焊接超高张力钢板侧边梁加强板,然后再焊接外板(深冲钢板外侧框架)。目的是要通过结合使用CFRP与超高张力钢板,提高强度和刚性。

  除上述加强件外,车身上还安装了其他CFRP部件。例如车顶横梁、传动轴中央通道加强件和后行李架。这些部件虽然没有嵌入内板与外板形成的中空部分,但一样发挥着加强件的功能。与内车身接合采用粘合剂、铆固和夹固的方式。

  (全文完)