拆解宝马7系,碳纤维CFRP与铝合金的轻量化之旅

  • 岩尾信哉
  • 发表于: 2016/01/28 09:35:09 来源:日经技术在线

在i3与i8之后,宝马正在逐步将碳纤维与铝合金更多的应用到新车型之上。

宝马正在积极推行“多材料”结构,例如纯电动汽车“i3”和插电式混合动力车“i8”采用了CFRP(碳纤维强化树脂)制驾驶室组合铝合金制车体下部的车身。2015年6月发布的新款“7系”,则是新一款实现了多材料化的车辆。其车体骨架中融合了CFRP、铝合金和钢板,采用了新的轻量结构。下面就来看看其中的最新技术。

利用CFRP减轻重量、提高刚性

多材料结构的目的是,通过将各类材料运用在最适合的部位,实现车体的轻量化。为了让以钢板为主的传统车体骨架大幅减轻重量,这项技术从很早以前就被看好。

欧洲的汽车企业顺应这个潮流,在骨架中采用钢板与铝合金相结合的结构的车辆越来越多。而对于CFRP,除了部分高级跑车外,并没有全面推广。

这一次,宝马新开发了车身结构,7系除了钢板和铝合金外,还积极采用CFRP作为骨架的加固件。

基本骨架采用钢材,但A柱的内部等部位使用了CFRP部件,通过提高刚性和强度,减轻了车体重量。使用传统的单体车身,并实现了CFRP等多材料结构的例子非常少见。

宝马将这种采用了CFRP的车体设计技术称作“Carbon Core”。之所以这样命名,是因为在钢板制成的封闭截面的内侧,插入了CFRP制作的芯材,详细情况将在后面介绍。

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设置在骨架上的标牌    

7系在德国的丁戈尔芬(Dingolfing)工厂生产。这里也为劳斯莱斯(Rolls-Royce)生产铝车体,负责宝马产品的传动系统及底盘部件的制造。CFRP部件也由该厂生产,在细致的品质管理之下,使用机器人组装车体。

宝马为新款7系提出的技术主题是“Efficient Light Weight”。7系在充实了安全装备等的同时,整车重量较上一代车型减轻了130kg,车体骨架减轻约40kg。不仅利用CFRP部件实现了轻量化,还以驾驶室部分为中心,强化了抗弯性和抗扭刚性。

据宝马介绍,从原材料的生产到报废时的回收利用,整个生命周期的二氧化碳排放量比上一代减少了约25%。

下面就以车体骨架为中心,逐一看一看采用CFRP部件的具体部位。在车体骨架上,黑色部分采用的是CFRP,银色部分是铝合金,灰色部分是高张力钢板。在7系上,室内与行李舱的隔断、C柱的加固件采用了CFRP。

采用多材料结构的车身骨架

CFRP在车顶周围的采用比较突出,这估计是为了减轻驾驶室顶棚的重量并降低重心。宝马在车体中首次采用CFRP,是2003年推出的“M3 CSL”(E46型)的车顶。

车体采用的CFRP由3种成型方法制成。首先是引人注目的车顶纵梁,将CFRP作为了中空封闭截面结构的芯材。CFRP芯材的长度不到3m,为一体成型,周围覆盖着钢制表皮。通过使该部件贯穿车体上部,为轻量化和刚性强化作出了贡献。

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车顶纵梁使用CFRP加固(沿左右连接车顶前端与车顶梁内侧的加固件)   

作为加固件使用的是罩在钢梁之上、横在车顶前端和车顶后部的CFRP板(顶梁)。连接B柱、横跨车顶中央的顶梁,则采用具有封闭截面结构的CFRP部件。这种封闭截面结构的顶梁通过两端安装的钢支架,与车顶纵梁接合。

扩大铝合金部件的采用

不只是车顶周边,CFRP部件在其他地方也很多。作为车体骨架的加固件,CFRP板被用在B柱、C柱、侧梁(4处)。这也可以说是这种车体结构的一个特点。

CFRP板被铆接在B柱上起加固作用,C柱则与SMC(Sheet Molding Compound)板铆接在了一起。SMC是热固性树脂含浸于碳纤维中制成片材后,使用冲压机进行加压和热固化制作的预浸材。

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C柱的加固件   

C柱上的SMC可以回收利用,车内和行李舱的隔断也使用了这种材料。门槛梁通过内置方形的CFRP部件,在强化刚性的同时还有助于减轻重量。

地板方面,为了强化刚性并减少变速箱传来的振动等,在中央通道配置了CFRP加固件。该加固件为コ形,罩在中央通道上。

中央通道的加固件   

板材估计是采用RTM(树脂传递模塑)方式成型的。RTM是在模具内事先叠层碳纤维片材,然后注射热固性树脂的工艺。这时要同时注射硬化剂,通过使浸入碳纤维缝隙中的树脂凝固,便可制作出想要的形状。这种工艺的特点是成型只需要几十分钟时间,速度比较快,i3车体的绝大部分都采用了这种方法。

在其他部位,前轮罩内的支架也通过与铝合金制前侧梁接合的形式,使用螺丝固定CFRP板进行了加固。

图8:前轮罩内侧的支架 

采用铝合金部件是比较常用的轻量化技术,新款7系从车体前端的碰撞吸能盒,到发动机罩、车门饰板和行李舱盖,车体的主要构件都采用了铝合金。

主要的应用部位包括发动机固定件、后门槛梁、门锁扣板、保险杠支撑梁的支架等。在正面冲撞时用来吸收冲击的结构件更是大量采用铝合金。

再利用性方面,7系使用的铸铝制品的50%是二次使用材料。在采用CFRP的同时,使用可回收利用的铝制部件,可见是为了减少生产中的能耗。顺便一提,7系的车门内饰和行李舱盖的内衬在宝马品牌车型中,首次采用了可回收利用的天然材料大麻槿。

悬挂部件也大量使用铝合金部件。前后的弹簧支持部采用的是铝合金铸件。除此之外,轮毂架、制动钳、制动盘、横臂等也使用了铝合金部件,左右着乘坐舒适性等动态性能的簧下重量,比上一代减轻了约15%。

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悬挂上方的安装部分为铝合金铸件

 

铝合金部件(从左至右:轮毂架、制动钳、制动盘、轮毂轴承、横臂)    

上代7系的制动钳由铝合金和钢制的2种部件构成,夹住刹车片的部分为钢制。而新7系的制动钳全部采用铝合金,实现了轻量化。而且,钢制的轮毂轴承也改进了形状,通过去掉功能上多余的部分减轻了重量。

制动钳的比较:左侧的以往产品在铝合金的基础上,局部使用钢材;右侧的新开发品全部采用铝合金材料

   轮毂轴承的比较:钢制部件也实现了轻量化,与以往产品(左)相比,新开发品(右)去掉了螺母周围多余的部分。    

宝马强调,悬挂的轻量化不仅能实际减轻重量,帮助提高燃效,还能发挥出提高乘坐舒适性的效果。可以说,7系采用的轻量化技术指明了该公司未来开发的方向,估计还会用于今后推出的其他车型。


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