在鋼制保險杠后部左前和右前這樣一個隱蔽但極為重要的位置，通用2019 雪佛蘭Silverado皮卡為復合材料帶來了新的結構應用機遇。由熱塑性復合材料/金屬混合材料制成的支架不僅質量更輕，還在有限的包容空間中實現(xiàn)了等效的或更好的模態(tài)、應力、疲勞和碰撞測試性能，減少了腐蝕和保修風險，為整合關鍵部件提供了更大的自由度（圖片來自通用汽車公司）

 

    作為一名OEM設計工程師，開展全尺寸皮卡項目研究并非一件易事：一方面，要確保車輛盡可能安全、功能豐富且燃油效率高；另一方面，用戶，尤其是建筑和農業(yè)領域的用戶，每天的用車頻率非常高，對什么是耐用材料、什么是非耐用材料有一定的見解，他們了解并信得過鋼材。但對復合材料呢？也許，他們了解和信任的程度并不高。

 

    當通用汽車公司全尺寸皮卡的首席設計發(fā)布工程師Chris Heo與其團隊開始開發(fā)最新一代的雪佛蘭Silverado皮卡時，他們討論了哪些部件可以用復合材料取代金屬從而減輕車輛質量。

 

    就2019 車型而言，已經決定要保留帶有防撞條的保險杠風格，即在車輛的前后采用由沖壓鋼制成的保險杠，它的A側表面采用鍍鉻裝飾或者與車身漆色保持一致?；谄湫螤钤煨停偌由箱撝仆鈿ぽ^重的質量，該保險杠通常需要一個或多個鋼制加強支架，用于將保險杠與車架連接起來，滿足通用汽車公司對保險杠的耐久性、車輛的損傷性、碰撞性能和包容空間等方面的要求。在此情況下，保險杠的左、右角會含有一對支架，但該團隊的成員們想要知道的是，可否將這些又重又復雜的多個沖壓件改造成更輕質的部件，同時又不影響性能和耐久性呢？

 

    “我們討論了保留保險杠的金屬外殼、但將隱藏的部件轉變成采用輕質材料的方法。”Heo回憶說，“我們知道這具有挑戰(zhàn)性，因為需要用堅固的支架來支撐保險杠這樣的重物, 而且保險杠和支架的耐久性必須與車輛的使用壽命保持一致。此外，在滿足嚴格的、難以通過的偏置防撞試驗要求方面，這些支架起著關鍵作用。”

 

第一個嘗試

 

    面對挑戰(zhàn)，通用團隊開展了研究，并很快讓車輛指定的保險杠供應商——美國Flex-N-Gate公司（以下簡稱FNG）參與進來。最初，由于車輛外部造型尚處在最終敲定階段，因此該聯(lián)合團隊花了一年的時間，研究了行業(yè)選項并討論了可行的方法。

 

   “我們在等待合適的時機，因為取決于最終的造型，我們的設計和方法都有可能發(fā)生變化。”Heo解釋道。

 

   “我們知道，另有一家公司已在其用于貨車的一個保險杠上使用了復合材料制成的非常小的支架，雖然這是一個非結構性的支架，卻為我們提供了參考。”FNG工程團隊塑料/金屬研發(fā)經理Steve Perucca補充道。在將乘用車上的金屬結構部件轉變成熱塑性復合材料部件方面，F(xiàn)NG 已積累了豐富的經驗，這為該團隊樹立了信心。

 

設計考慮因素

 

   隨著皮卡外觀設計的確定，該聯(lián)合團隊開始了支架的設計工作。基準支架由高強低合金鋼沖壓而成，與碳鋼相比，這種高強低合金鋼擁有更高的機械性能和更好的耐腐蝕性。這些支架擁有3mm的公稱厚度，每個重4.362kg。相比之下，如果采用復合材料的支架，設計時就要考慮多個因素：

 

   首先，需要將復合材料的支架安裝在大致相同的空間內，且被限制在保險杠的后面，因此，需要一種強度足夠的材料，以確保部件厚度不會增加太多。

 

   其次，為了達到設計所需的造型效果，前保險杠通常要包裹住車輛的前角。但是，由于前保險杠是被堅硬的鋼支架固定在車架上，因此在高速碰撞事故中，可能會被擠壓到車輪中，從而對車輪定位帶來負向影響并鎖定轉向。為了盡可能長時間地保護受碰撞一側的車輪，可取的方法是，使保險杠支架在撞擊過程中脫落。但另一方面，為了避免保修問題，保險杠需要在車輛正常使用期間保持連接狀態(tài)。顯然，該團隊必須考慮如何平衡好這些相互競爭的要求。

 

    該團隊想要解決的另一個問題是，由于鋼的成形性限制，不能將基準支架成形為可以固定車輛霧燈的形狀，這就需要增加一對較重的金屬支架。如果可能，該團隊希望將霧燈支撐架整合到復合材料的支架上。

 

    另外，避開線束夾點也很重要。線束夾點會穿過支架來固定線束，防止可能導致前照燈和風扇等重要部件發(fā)生短路的電線擦傷和斷裂問題。為此，可以在金屬支架上開一個孔，以使電線穿過，但這會帶來額外的沖孔操作步驟，再加上設計自由度的限制，還會增加模具成本。而用復合材料支架來解決這一問題卻是可取的。當然，還有一點也很重要，就是要避免因使用復合材料的車架而不得不改變車輛的裝配工序。而且，就像汽車應用中經常要求的那樣，與金屬的基準支架相比，復合材料的支架最好能夠更輕質、更便宜。最后一個問題是，目前可用的CAE模型是否能準確地預測不連續(xù)纖維增強熱塑性塑料的高周疲勞/耐久性。

 

混合材料方法

 

    該團隊首先要決定選用什么材料，也就是說，要使用FNG已經用過的并已得到通用汽車公司許可的材料。為此，他們選用了韓國樂天化學公司的一種黑色長玻纖增強聚丙烯（LFT-PP），名為Supran PP1340 GMW15890P，其纖維重量百分比為40%。由于支架不會暴露在陽光下，且距離發(fā)動機的熱量足夠遠，因此，這種強韌的烯烴聚合物能提供足夠的耐熱性。由于熔體流動指數(shù)為40，因此，這種高流動注射級別的材料還確保了在不增加額外澆口的情況下，完美地填充復雜的形狀。如果增加額外的澆口，會形成比周圍材料弱的熔接線，這在結構部件中是絕對不允許的，特別是那些必須通過碰撞測試的部件。

 

    為了平衡好長期耐久性與高碰撞性能這兩個彼此競爭的要求，該團隊采用了一種混合材料的方法。他們將支架分為兩部分：連接保險杠與車架的部分仍然采用高強低合金鋼，但外面的部分轉變成采用復合材料。這種方法為部件整合提供了較大的設計自由度，減輕了部件質量并能夠將霧燈整合進來。但是，針對復合材料部分的設計，應確保其在高速側面碰撞中能夠脫落，以使車輪的定向盡可能長時間地保持縱向，這對于保持轉向力極為有利。

 

    為了滿足通用汽車公司的所有要求，該團隊在支架的復合材料部分添加了一些金屬嵌件，再加上3個軸套，則為在裝配過程中進行調整提供了便利。設計師發(fā)現(xiàn)，這種材料可以毫無問題地允許支架的腿（CAE設計中棕色的彎曲端部）伸展開來以包裹住霧燈，這樣，就無需在此處使用額外的支架。

 

設計混合材料的結構保險杠支架之前（上圖）和之后（下圖）。采用一種獨特方法，即三螺栓/雙面的機械緊固系統(tǒng)（黃色輪廓線），即將混合材料支架的復合材料部分（棕色）與鋼部分（綠色）連接起來，同時還減小了應力。沿支架的前表面使用了兩個螺栓，第三個螺栓則用在其上方。軸套上的限制器可防止組裝過緊。相比之下，如果采用結構粘合劑進行粘接，會增加時間、機器人、固化架和車輛的裝配成本（圖片來自通用汽車公司）

 

    隨著項目的向前推進，該團隊生產并測試了實體部件。他們高興地發(fā)現(xiàn)，他們的CAE模型相當準確。“就耐久性和高重力負載而言，我們試圖預測高周疲勞，因此一開始我們就想知道，我們能否在碰撞模擬中正確模擬這個部件。”Heo介紹說，“令人驚訝的是，在振動試驗甚至在碰撞試驗中，預測結果與實測結果高度一致。”

 

    最終，該團隊在不到6個月的時間里完成了支架設計。它的尺寸大約是41cm×46cm，公稱壁厚3mm，帶有肋，因而提供了較高的力學性能。

 

    模具由加拿大Integrity Tool & Mold公司制造，這是一副排氣良好、擁有兩個型腔的2+2疊模，兩個直接注射點（冷流道）采用順序閥澆口，每次循環(huán)可以生產出4個部件，循環(huán)周期60s，因而滿足了Silverado 平臺的高產量需求。該部件的成型商是FNG的Ventra Evart 部門。

 

 

 

重大成果

最終經拓撲優(yōu)化的復合材料支架設計整合了眾多的部件，包括之前單獨的霧燈支架，以及用于提高力學性能同時確保公稱壁厚不超過3mm的結構肋。在容易出現(xiàn)明顯疲勞或者承載路徑上必須得到加強以確保擁有適當碰撞性能的區(qū)域，使用了幾個金屬嵌件，以幫助提高性能（圖片來自通用汽車公司）

 

由混合材料方法制成的結構保險杠支架令通用汽車公司在首次商業(yè)化應用中就獲得了很多好處：

 

    首先，該支架在模態(tài)、應力、疲勞和碰撞測試方面都達到了等效或更優(yōu)的性能。

 

    第二，復合材料的設計自由度允許在一個相對較小的包容空間里實現(xiàn)更有沖擊力的造型。

 

    第三，與基準支架相比，一對混合材料的支架使每輛車減輕了2.5kg的質量。同時，歸功于質量分解效應，更輕的保險杠轉角還使得保險杠安裝支架和其他部件的尺寸更小，從而使前保險杠系統(tǒng)的總質量要比2016車型的減輕了7.3 kg。

 

    此外，由于復合材料的支架不會生銹，還降低了腐蝕風險和保修成本。質量的減輕有助于提高燃油經濟性，或者可以在不超過法定道路載荷限制的情況下運載更重的載荷。

 

    如果按部件計價，由于增加了注射模具的成本，這種混合材料的支架似乎并不劃算。但如果按系統(tǒng)成本計算，由于能夠精簡額外的組件，因而更具成本效益，雖然實際節(jié)省的成本很難量化。

 

    目前，該支架實現(xiàn)量產已有3年多的時間，沒有出現(xiàn)過任何問題。針對下一代的Silverado車型，Heo的團隊計劃繼續(xù)在前保險杠上采用混合材料的支架，但他已要求團隊開始考慮如何將這種混合材料的方法用在后保險杠支架上。這很復雜，因為后保險杠的轉彎處有助步功能，以使人們能夠更輕松、更安全地爬進/爬出皮卡車廂。此外，在鋼制外殼的后面還容納了較多的部件（如后備警報傳感器），因而包容空間更小。

 

   “我們將繼續(xù)使用智能工程方法來研究問題，弄清楚產品如何得到應用，它們的功能需求是什么，然后挑戰(zhàn)極限。”Heo最后總結道。