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宝马:利用CFRP骨架增强高张力钢板

——是什么战略?

对此,APS
Research的若林一民向日本企业敲响了警钟:“如果这样下去,日本汽车企业有可能落在德国汽车企业后面。”此次,他从轻量化车体必需的结构胶出发,介绍了德国汽车企业的战略等。

新的车身首先是按照传统方式,将钢板内板焊接成车身。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。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。

首先,开发材料比开发电子部件等费时。而且,车体的强度和耐久性直接关系到乘员的生命。车体一旦出现破损,人可能会被甩出车外。而且,开发车体使用的结构材料基本上只能靠材料技术人员,很难外包出去。也就是说,公司内外的开发资源有限。

——构成CFRP车体的部件使用什么粘合剂进行接合?

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在车体轻量化方面,现在可以采取的方法有在局部减薄钢板、使用轻合金也就是铝合金和镁合金等。但综合考虑各种材料,轻量、强度等性能最为均衡的材料是碳纤维增强树脂基复合材料。

——区别是是要先发展动力传动系统,还是要先发展车体。但无论先发展哪一项,好像都不会有太大的优势。

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。

——看来CFRP用聚氨酯粘合剂已经开发成功了。也就是说,不只是汽车车体,在使用CFRP制造其他部件的时候,也可以使用聚氨酯粘合剂吧?

聚氨酯粘合剂的问题是从两种组分混合到可以接合的时间,即操作时限(pot
life)只有2~3分钟。两种组分混合后,很难在这么短的时间内完成点胶、贴合部件、压接这一系列操作。

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。

——构成CFRP车体的部件使用什么粘合剂进行接合?

然而事实并非如此。通过组合技术可以发现可能性。比如说,在环氧树脂硬化的时候,通过使用电磁感应加热和超声波加热,有可能大幅缩短硬化时间。

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。
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前面聊的都是使用CFRP减轻汽车车体的话题,其实我还有关于钢板轻量化的点子。我们可以使钢板发泡、制造蜂窝状的轻量钢板。用3层结构的钢板替代现有的1张钢板,使用粘合剂进行接合。具体来说就是,制造2张极薄的钢板,夹住含有空洞的蜂窝结构钢板或发泡钢板。

若林:这里说的是“结构胶”。结构胶是用来接合要求高强度和耐久性的部件时使用的粘合剂。这句话的主要意思是,欧洲汽车企业正积极地在汽车车体中使用结构胶,而日本汽车企业比较消极。我这里虽然统称为欧洲,但起到带头作用的是德国。

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总之,为了打赢新一代的低燃耗竞争,德国汽车企业首先挑战的是难度更高的车体的开发。而日本汽车企业必须在今后向开发高难度车体发起挑战。出于这样的理由,我认为在今后,德国汽车企业很可能会占据优势。

——如果是为了减少二氧化碳排放量,也就是实现低燃耗,开发混合动力车(HEV)也是一种方法。实际上,日本汽车企业在HEV的开发方面已经把德国汽车企业甩在了后面。

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。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。

德国汽车企业想的是先减轻车体。构成混合动力系统等电动化系统的机电和电子部件进化速度快,而且在今后进化的余地大。只要认真进行开发或是外包,就能比较快地追上领先的厂商。所以要先开发耗时久的CFRP车体。

amjs11.com,前面聊的都是使用CFRP减轻汽车车体的话题,其实我还有关于钢板轻量化的点子。我们可以使钢板发泡、制造蜂窝状的轻量钢板。用3层结构的钢板替代现有的1张钢板,使用粘合剂进行接合。具体来说就是,制造2张极薄的钢板,夹住含有空洞的蜂窝结构钢板(蜂窝钢板)或发泡钢板。

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。
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。
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德国汽车企业在大力推进采用碳纤维增强树脂基复合材料实现车体轻量化,日本汽车企业则在着重发展混合动力车。过去,二者的动态一直对照鲜明,今后,低燃耗竞争将会演变成轻量化车体与动力传动系统电动化相结合的竞争。

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“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。并且降低了重心,提高了行驶性能。

不只是粘合剂厂商,海外厂商已经形成了通过营销探索需求,然后进行开发的营销导向型制造的体制。而日本厂商依然在向客户谋求研发主题。总而言之,汽车企业只管思考技术,按照要求进行开发。如果不赶快下定决心,改换成新技术提案型营销方式,说不定会被全世界抛在身后。

德国汽车企业在大力推进采用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)实现车体轻量化,日本汽车企业则在着重发展混合动力车(HEV)。过去,二者的动态一直对照鲜明,今后,低燃耗竞争将会演变成轻量化车体与动力传动系统电动化相结合的竞争。

若林:当然,谁占优势要看条件,我觉得德国汽车企业在不久的将来可能会占据优势。因为按照常理推测,与开发HEV相比,开发结构材料在耐久性评价等方面花费的时间更多。

——在就汽车技术进行采访的时候,我曾经听说日本厂商在粘合剂的运用方面落后于欧洲厂商。这是怎么回事儿?

当然,汽车是组装产品,车体也需要通过组装各个零部件来制造。但CFRP是树脂,与金属不同,不能进行焊接,只能使用螺栓等机械接合方式或是粘合剂。

一家汽车企业的高管曾经向我抱怨说,“社会舆论都批评我们强迫合作厂商压低成本,但实际情况不是这样的。大多都是合作厂商主动提出降价,而提出的新技术方案少得可怜”。虽然这不能代表所有的厂商,但粘合剂厂商应该把此话铭记在心,在开发新产品技术和应用技术方面投入更大的力度。

因此,剩下的选择只有车体。也就是说,在德国的汽车企业看来,如何减轻车体重量是今后汽车制造的关键。

在车体轻量化方面,现在可以采取的方法有在局部减薄钢板、使用轻合金也就是铝合金和镁合金等。但综合考虑各种材料,轻量、强度等性能最为均衡的材料是碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)。