多材料的协作--复合材料和铝担当重要角色

作者：Stuart Birch

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 多年来，减重已经成为汽车行业最流行的关键词，而从整体上看在这方面取得的进步并不大。不过今天，考虑到已经渗透到全球政治动荡中的能源供应问题，再加上环境及立法的压力，有必要进一步推进汽车的轻量化进程——而且要快。 “直到最近几年在兰博基尼公司，当大家谈到车辆性能的时候，依然会一致认为最重要的是最高时速，其次是加速能力，然后是操控性。今天这个顺序完全反了过来，首先是操控性，然后是加速性能，最后才是最高时速。未来，我们会很少关注功率的增加，而会更多地关注轻量化的问题，”兰博基尼汽车有限公司总裁兼CEO Stephan Winkelmann在介绍公司新一代AventadorLP 700-4车型的技术亮点包括先进的碳纤维增强聚合物（CFRP）单体车身时如此说道。 碳纤维是兰博基尼公司系统性轻量化设计解决方案中的关键材料。兰博基尼目前是奥迪公司旗下的全资子公司。这两家公司都非常注重轻量化的车身设计，其中奥迪主要依赖铝及多金属材料的混合式解决方案（17年前奥迪第一辆全铝车身奥迪A8进入市场，随后是同样采用了全铝车身的奥迪A2。不过早在1913年，奥迪的前身NSU公司便制造出了采用全铝车身的Type 8/24车型）。兰博基尼也注重铝的使用，但是会更多地采用CFRP材料，在公司雄厚资金的支持下可以用于打造高端、低产量的产品——虽然短切纤维也有可能实现大批量的生产。 在材料研发和生产方面，奥迪和兰博基尼公司之间进行着大量的技术交流。在这个过程中，兰博基尼可以不断地“验证”其研发的复合材料解决方案，寻求可以投入大批量生产的可能性。兰博基尼在复合材料方面的研究最早可以追溯到30年前（1983年Countach车型上已经采用了预浸料技术），而其对这种材料的应用在2010年推出的Sesto Elemento极端轻量化概念车上发挥到了极致。这款概念车在车身和悬挂件上采用了锻造复合材料短切玻纤技术，车身仅重1000kg，0-100km/h加速时间仅需2.5s。 同样采用了大量CFRP材料的量产型Aventador的百公里加速时间为2.9s，并没有差多少。 “我们在材料技术和制造工艺方面进行了大量的改进工作，”兰博基尼研发总监Maurizio Reggiani说道。在研发方面，兰博基尼与其他公司建立了广泛的合作关系，尤其值得指出的是与波音公司在短切纤维开发和模拟方面的合作。在具体合作中，兰博基尼采用了波音公司的“模块化”方法针对给定的重量进行有效的模型预测，可以确保在产品开发过程中实现安全的减重。与兰博基尼保持紧密合作关系的还有高尔夫球具制造商拉威高尔夫（Callaway Golf）公司，此外还有达索、亨斯迈、IBM、EDAG、伦敦大学学院以及美国联邦航空局（FAA）。 公司内部解决方案 对兰博基尼研发工作来说同样重要的是其位于美国华盛顿大学的先进复合材料实验室（ACSL）。“我们在这个实验室可以研发出新的技术，并以正确的方式应用这些技术，而且都是在内部实现，”Reggiani表示。该实验室是兰博基尼在美国与其合作伙伴的研发中心。 新Aventador LP 700-4车型的单体车身结构及白车身是在兰博基尼位于意大利Sant’Agata的总部制造的。在该厂区新建立的5400m2生产设施内，兰博基尼配备了自动化的设备，作为其传统手工制造工艺的补充。该设施的建立也提升了兰博基尼的自身生产能力，坚定了公司自己完成更多生产的决心。目前，兰博基尼的生产包括从供应商那收到纤维毡卷料开始到喷漆前的车身壳体之间的所有生产环节。 该设施包含五条生产线：第一条负责预浸料部件的生产；第二条生产线通过RTM-Lambo工艺生产零件和组件（兰博基尼享有专利的树脂传递成型技术，树脂在加热室内的模具内固化，可以不采用热压罐），同时将预浸料和环氧泡沫部件整合到单体结构内。 第三条生产线生产环氧泡沫加固件，作为预浸料和TRM工艺的嵌板；第四条生产线对整个单体结构和车顶进行机加工并进行组装，同时对整体精确度进行测量；在第五条生产线上，组装好的单体车身结构安装到铝制前后副车架上。在传统的树脂传递模塑法工艺中，碳纤维毡（预浸料）进行预成型加工，并以精确用量的树脂加以浸渍。然后，碳纤维毡需在高温下固化，部件随即模塑成型。预浸料是供应商采用热固性液态树脂进行预注成型的，之后放到模具内进行层压处理，并在热压罐内进行高温高压固化。通过这种方式可以达到A级表面光洁度。兰博基尼进一步完善了此种方法，可不用预浸料、热压罐，有效地降低设备成本、成型成本。 采用RTM-Lambo专利工艺之后，最终的模制品不再是笨重、复杂的金属件，而是以轻质碳纤维零部件打造而成。这种工艺可以不采用热压罐并省去了繁琐的手工铺层方式，从而使整个制造过程更加快速、灵活、高效。“RTM-Lambo”工艺的另一项优势就是喷注压力较低，因而无需使用昂贵的设备。 碳纤维用量提高三倍 兰博基尼对碳纤维的总用量，包括用于产品、工装模具以及研发方面，到2013年将达到330吨，是2009年的三倍。除了新增加的生产设施，兰博基尼还在意大利Sant’Agata 同时新建了一个全新的复合材料研发中心（ACRC）。该中心与西雅图的实验室保持紧密合作，在Sant’Agata研发中心开发的材料性能会在西雅图的实验室进行测试（包括碰撞性能）并获得进一步开发。 目前，Sant’Agata研发中心正在为未来可能的汽车应用针对锻造复合材料展开应用研究。该中心配备了一台1100吨高温压力机，此外还有许多其他各种类型的设备。在研究中，兰博基尼采用20-50cm的短切纤维来替代传统上的交织长纤维。据ACRC主任Luciano De Oto介绍道，以编织法制成的材料在每平方英寸上有5000条纤维丝，密度只有钛金属的三分之一，但是强度非常高。 得益于具有创新性的锻造技术，采用这种工艺制成的复合材料成型效率及精度都非常高。兰博基尼合作伙伴之一的拉威高尔夫公司便采用这种技术来生产高尔夫球杆头。 De Oto还表示，碳纤维增强聚合物中的合金嵌板在生产过程中也考虑到了在以后使用过程中被侵蚀的可能性。 超级跑车的超级刚度 对兰博基尼的工程师来说，在Aventador车型上最终取得具有实用价值的扭曲刚度才是他们在设计方面的推动力。事实上，相对上一代Murcielago车型，Aventador在扭曲刚度方面提高了150%以上。整个单体车身结构的重量为147.5kg，加上前后铝制车架总重量为229.5kg，扭曲刚度达到了35,000N·m/°。 以上这些改进帮助提高了车辆的碰撞性能，尤其在侧向碰撞方面，有助于达到美国严格的车辆安全法规标准。车体地板不仅要承载座椅以及齿轮箱支架，还要负责吸收碰撞能量。所有的编织部件均采用RTM工艺制造而成。这种碳纤维编织技术来源于纺织业，用于制造车顶结构性支柱以及车门槛板等特殊用途的空心部件。编织部件是将纤维按对角方向分若干层交错编织而成。 此外，环氧泡沫部件也运用到了硬壳式车体中。此类部件均位于关键位置，能够在各层复合材料之间发挥间隔作用，以增强硬壳式车体的刚度。此外，其前后表面均为铝质嵌板层压而成，以便连接前、后副车架铝质元件。 兰博基尼与奥迪的协作 兰博基尼与奥迪之间在技术上的交联关系非常紧密，这给两家公司都创造了价值。Winkelmann表示，与碳纤维材料一同使用的最重要基料是铝，而在这方面兰博基尼完全获益于奥迪公司掌握的轻量化工程技术。通过新一代奥迪A6车型，奥迪公司向人们展示了为了达到其轻量化目标所需要的铝的用量及必须覆盖的应用领域。根据发动机配置的不同，相对其上一代车型，新奥迪A6最高可以节省约21%的燃油损耗，同时操控性也得到了提升。奥迪的研究数据表明，一般来说，车辆重量每降低100kg便可以节省0.003-0.005L/km的油耗。 对奥迪来说，铝的减重效果虽然突出，但只是车辆瘦身的一个起点。随着重量的减轻，车辆便可以采用更加紧凑的制动系统，排量更小的发动机以及更轻的排气系统；同时随着油耗的降低，油箱也可以变得更小更轻，尤其在加满油的情况下。轻量化的空气弹簧便可以承载更轻的行李箱盖或引擎盖。此外，车身更轻意味着动能更低，有利于提高车型变形碰撞性能。 奥迪公司目前正在开发新的铝合金技术，强度上据称比目前应用于量产车型上的合金高70%。碳纤维增强复合材料夹层技术有望取得更广泛的应用；在奥迪FRP技术中心大约有50位专家正在致力于纤维增强塑料的研究， 当然，对兰博基尼和奥迪来说，轻量化不仅可以降低油耗和排放，它还可以提高车辆的整体性能和驾驶操控性。为了证明这一点，奥迪公司邀请AEI杂志编辑试驾了采用铝合金及碳纤维增强复合材料（车门、引擎盖及行李箱盖）的A5技术演示车——为奥迪Quattro车型专门制作的一次性概念车。这款奥迪Quattro车型曾出现在去年的巴黎车展上，很可能成为1984年奥迪Sport Quattro轿车的后继车型。这款A 5技术演示车的铝制车身完全手工打造，采用了奥迪的ASF（全铝车身框架）技术。该车配备了一台五缸2.5L TFSI涡轮增压发动机，功率为300kW，重量为1400kg。如果这概念车真的投入量产的话，还可以进一步减轻100kg，目前来看还是有可能量产的。这款A 5技术演示车的引擎盖采用CFRP材料制作而成，重量仅为8.2kg（具有出色的行人安全保护性能），以及同样采用CFRP材料制作的座椅（两个座椅共减重32kg），这两个部件加上其他CFRP部件共节省了80kg的重量，再次提升了车辆的动力性能，同时提高了燃油效率，降低了尾气排放。 奥迪研究人员将纤维增强塑料（芳纶纤维或碳纤维）看作是一个创造奇迹的“秘密武器”，但是也不会完全依赖碳纤维。他们认为，虽然最终可以利用碳纤维将车重降低40%之多，但成本效益比依然将是一个严峻的挑战，除非最终有一天可以达到一定的规模经济水平。部件连接问题也是奥迪内部整个减重研究的一部分。虽然研究人员开发了摩擦焊接技术，但是目前还没有正式投入使用。为此，奥迪采用了特制的轻质自攻螺钉和铆钉来解决FRP和铝等多材料的连接问题，而且不会导致部件脱胶分层的现象出现。 奥迪和兰博基尼公司都在轻量化解决方案研究方面投入了大量的研发力量，开展了许多研究项目，而这些解决方案最终将改变汽车的设计及制造方式。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/11/2013)