盤點:減重至上!三大實用汽車輕量化技術(shù)
現(xiàn)有輕量化技術(shù)中最引人注目的是樹脂減重與異種材料接合減重以及通過加工方法減重
汽車行業(yè)激烈競爭的低燃耗實力與動力傳動系統(tǒng)的電動化相比汽車的輕量化更受期待減輕重量不僅可以減少燃料的消耗量還能提高行駛性能和操控穩(wěn)定性而且材料用量減少也可以降低成本因此現(xiàn)在有很多部件廠商材料廠商都在加大力度開發(fā)輕量化技術(shù)出現(xiàn)了不少馬上就能投入應(yīng)用的技術(shù)現(xiàn)在最引人注目的是使用樹脂減重通過異種材料接合減重以及通過加工方法減重這三項技術(shù)
使用樹脂減重
SIENTA的外裝減輕35%
豐田的MPVSIENTA汽車的外飾件推拉門導(dǎo)軌罩通過樹脂化大幅減輕了重量（圖1）這種樹脂材料為KANEKA開發(fā)的聚合物合金JP-F系列是由聚碳酸酯（PC）與聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）組成的聚合物合金（PC/PET合金）適合作為汽車的外飾件
△通過樹脂化減輕了重量的汽車外飾件豐田MPVSIENTA的推拉門導(dǎo)軌罩是使用PC/PET合金注塑成型（左）（右）從后方看到的外觀設(shè)計的特點側(cè)面后方呈弧形上端面彎折形狀非常復(fù)雜
新型PC/PET合金含有重量比為21%的無機填料并且加入了配合劑由此提高了性能這種合金首先是剛性高彎曲彈性模量從過去的6000MPa提高到6300MPa實現(xiàn)了能夠作為汽車外飾件的強度和剛性
接下來該材料的特點是線膨脹系數(shù)比過去小接近鋼（鐵）因為溫度變化引起的曲翹和收縮少所以外觀設(shè)計性優(yōu)良而且通過提高熔融時的流動性還適用于大型成型品和薄壁成型品
SIENTA的推拉門導(dǎo)軌罩形狀復(fù)雜側(cè)面后方呈弧形上端面彎折很難使用沖壓加工鋼板的方法成型為此豐田采用了成型性好的新型PC/PET合金
壁厚為3.0mm強度和剛性與以往使用鋼板制作厚度為0.8mm的導(dǎo)軌罩相當通過改換新型PC/PET合金實現(xiàn)了約35%的輕量化
減重4成的耐熱導(dǎo)風(fēng)管
汽車的耐熱導(dǎo)風(fēng)管使用樹脂也減輕了重量由經(jīng)營吹塑成型品的愛克賽爾（EXCELL總部東京）使用東洋紡供應(yīng)的樹脂生產(chǎn)與以往的耐熱導(dǎo)風(fēng)管相比重量大約減輕了40%已經(jīng)在富士重工業(yè)汽車中投入實用
△耐熱導(dǎo)風(fēng)管（近）實現(xiàn)了約4成的輕量化將以往的耐熱導(dǎo)風(fēng)管（遠）的鋼管與橡膠管分別換成了PBT和TPEE
耐熱導(dǎo)風(fēng)管是在汽車發(fā)動機艙內(nèi)用來連接帶增壓器的發(fā)動機的排氣歧管與中冷器的部件以往的耐熱導(dǎo)風(fēng)管使用鋼管制作管體在兩端的結(jié)合部使用橡膠管來吸收振動鋼管與橡膠管之間通過金屬緊固件連接
而新型耐熱導(dǎo)風(fēng)管在管體的鋼管部分采用玻璃纖維增強聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）兩端的橡膠管部分則改用聚酯彈性體（TPEE）PELPRENE玻璃纖維增強PBT添加的玻璃纖維占重量的20%耐熱性（使用環(huán)境溫度）方面管體的玻璃纖維增強PBT部分和兩端的TPEE部分均為170℃
通過更換樹脂材料新型耐熱導(dǎo)風(fēng)管的重量約為0.8kg比過去的約1.3kg減輕了0.5kg左右
成本也有所下降這主要得益于減少了部件數(shù)量以往的耐熱導(dǎo)風(fēng)管使用1個鋼管部件2個橡膠管部件和2個金屬緊固件部件數(shù)量共計5個而新型耐熱導(dǎo)風(fēng)管通過采用一體成型的制造方式部件數(shù)量僅為1個
實現(xiàn)一體成型依靠的是吹塑成型法交換吹塑（ExchangeBlow）這是愛克賽爾開發(fā)的加工技術(shù)能夠通過吹塑成型使特性不同的兩種樹脂融為一體新型耐熱導(dǎo)風(fēng)管是使用具備硬質(zhì)特性的PBT和軟質(zhì)特性的TPEE通過一體成型的方式制成的
新型耐熱導(dǎo)風(fēng)管為PBT和TPEE雙層結(jié)構(gòu)兩端基本以TPEE層為主PBT是極薄的一層相反管體則是以PBT層為主而TPEE層是極薄的一層由此可見交換吹塑的優(yōu)點在于通過改變兩種樹脂的比例可以加工出各部位具有不同功能的成型品（部件）
車門飾板使用發(fā)泡樹脂減重3成
積水技術(shù)成型公司（SEKISUITECHNOMOLDING總部東京）開發(fā)出了重量減輕3成的車門飾板通過采用自主技術(shù)使PP（聚丙烯）材料發(fā)泡厚度達到發(fā)泡前的2倍并且具備了剛性和強度該公司將盡快將其投入實用
（減重3成的車門飾板使PP發(fā)泡厚度達到發(fā)泡前的兩倍借此提高了剛性和強度）
車門飾板從發(fā)泡前的890g降至580g減輕了35%同時獲得了內(nèi)飾品需要的外觀和強度
而以往技術(shù)最多只能比非發(fā)泡品減輕2成如果繼續(xù)提高發(fā)泡率就會出現(xiàn)強度下降殘留的發(fā)泡痕跡影響外觀等課題
該公司利用適用于基體樹脂PP和添加劑等材料的配比技術(shù)以及向模具內(nèi)填充高壓氣體進行發(fā)泡的模具技術(shù)等成功解決了這些課題
耐熱性耐化學(xué)藥物的CFRP
大賽璐-贏創(chuàng)（Daicel-Evonik總部東京）開發(fā)出了使用PEEK（聚醚醚酮）的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）材料分為兩種一種是母材（基體材料）使用PEEK一種是使用其他母材在CFRP的表面覆蓋PEEK薄膜進行改性兩種材料均具有良好的耐熱性和耐化學(xué)性而且強度出色PEEK的熔點為365℃比熔點約為250℃以耐熱性著稱的PA還要耐高溫
△使用PEEK的CFRP耐熱性和耐化學(xué)性強強度優(yōu)良使用PEEK的CFRP預(yù)浸材以及在表面覆蓋PEEK薄膜對表面進行了改性的CFRP
使用PEEK作為母材的CFRP在母材含有率約為34%時拉伸強度達2480MPa（試驗方法為EN2561）壓縮強度達1370MPa（試驗方法為EN2850）
從預(yù)浸材（碳纖維樹脂含浸片材）的狀態(tài)開始經(jīng)預(yù)加熱后通過熱壓工序成型預(yù)加熱需要70～85秒搬運至沖壓機需要2～3秒熱壓本身和冷卻需要2～5秒左右共計74～93秒即可成型預(yù)加熱的溫度為160℃以上熱壓要求溫度為60～260℃壓力為5個大氣壓
表面覆蓋PEEK薄膜改性的CFRP除了以提高耐熱性為目的外還有望起到耐受含油燃料的化學(xué)藥品增加表面光滑度防止因吸濕而降低降低的效果薄膜的疊加與成型可同時進行｜
與異種材料接合
減輕52%的制動踏板
F-TECH通過更換材料組合中空形狀開發(fā)出了輕量化的制動踏板使用聚苯硫醚（PPS）制作截面中空的框架部件兩側(cè)包裹鋁合金板沖壓成型品PPS與鋁合金接合使用大成PLAS（總部東京）的異種材料接合技術(shù)NanoMoldingTechnology（NMT）將經(jīng)過了化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的鋁合金板沖壓成型品放入模具中然后通過注射PPS進行嵌件成型
△利用異種材料接合減重52%的制動踏板新型制動踏板通過更換材料組合中空形狀成功減輕了重量（左）鋁合金板沖壓成型品夾在PPS制成的框架部件的兩側(cè)（右）
而現(xiàn)行制動踏板由實心的鋼制部件焊接而成如果為減輕重量而采用中空形狀在焊接時很難維持加工精度
新型制動踏板的重量為400g比現(xiàn)行制動踏板的892g輕52%但部件有6個比現(xiàn)行制動踏板多3個因此成本估計高于現(xiàn)行制動踏板據(jù)稱已經(jīng)有日本的汽車企業(yè)決定采用
傳動軸通過摩擦壓接減重3成
泉美工業(yè)（IZUMIMACHINEMFG總部愛知縣大府市）開發(fā)出了通過摩擦壓接將鋼與鋁合金接合在一起的技術(shù)接合的材料為A6061S45C（碳素結(jié)構(gòu)鋼）等目前正針對傳動軸等軸件的輕量化用途向客戶等提交解決方案接合部的拉伸強度可確保達到鋁合金拉伸強度的80%以上
△通過摩擦壓接減輕了重量的傳動軸樣品鋁合金A6061與碳素結(jié)構(gòu)鋼S45C直接接合
摩擦壓接是用于軸件連接等用途的技術(shù)該技術(shù)通過旋轉(zhuǎn)一方的構(gòu)件并按壓在另一方構(gòu)件上利用摩擦來發(fā)熱然后加壓接合因為接合時的溫度低于熔點而且加工時間短所以屬于材料不熔融的固態(tài)接合但在摩擦熱和壓力的作用下接合界面會產(chǎn)生鐵與鋁的金屬間化合物
鐵與鋁的金屬間化合物雖然是接合所需的物質(zhì)但物理性質(zhì)脆硬如果大量生成并形成厚層接合處容易斷裂摩擦壓接與焊接相比溫度低加工時間短金屬間化合物層很薄只有數(shù)μm有望取得良好的接合效果
已知可接合的鋼與鋁合金的配對如下鋼為碳鋼鉻鉬鋼鉻鋼碳素工具鋼合金工具鋼不銹鋼等鋁合金為A1000系A5000系A6000系等（A6000系與碳素工具鋼合金工具鋼的組合除外）
與金屬粘合的玻璃纖維強化PA
東洋紡開發(fā)出了適合與金屬實施異種材料接合強度和剛性出色的玻璃纖維增強聚酰胺（PA）GLAMIDEJF-30G這種樹脂高密度填充了玻璃纖維可與鋁合金等金屬直接強力接合該公司將充分利用其樹脂部分具有高強度高剛性的特點力爭在汽車車體骨架和轉(zhuǎn)向構(gòu)件等領(lǐng)域投入實用通過替換部分鋼制部件實現(xiàn)輕量化
△與金屬強力接合的玻璃纖維增強PA玻璃纖維增強PA（貼有JF-30G字樣）與金屬直接接合的試片因為玻璃纖維的填充率高所以強度和剛性良好
新型玻璃纖維增強PA在PA6或PA66中添加了重量比例為70%的玻璃纖維使玻璃纖維的填充率達到業(yè)內(nèi)最高水平（該公司）并在樹脂中均勻分散通過這一舉措提高強度和剛性得到了曲翹少外觀品質(zhì)良好的成型品彎曲強度為480MPa彎曲彈性為28GPa
而以往的通用玻璃纖維增強PA也就是玻璃纖維重量比例為30%的PA6其彎曲強度只有240MPa彎曲彈性只有8.5GPa也就是說新型玻璃纖維增強PA與以往的通用玻璃纖維增強PA相比彎曲強度是后者的2倍彎曲彈性提高到了后者的3倍多
金屬與新型玻璃纖維增強PA通過錨固效應(yīng)接合具體使用的是大成PLAS（總部東京）的異種材料接合技術(shù)NMT（NanoMoldingTechnology）先將金屬工件浸泡在藥液中進行表面處理再在金屬工件的表面大量形成nm尺寸的微孔然后將金屬工件放入模具注射新型玻璃纖維增強PA進行嵌件成型這樣一來熔融樹脂會進入微孔并凝固起到楔子的作用將金屬與玻璃纖維增強PA牢牢接合在一起
新型PA提高了流動性容易穿過玻璃纖維的縫隙流入金屬工件表面的微孔而且優(yōu)化了結(jié)晶化速度樹脂會在進入微孔后凝固而以往的PA流動性低不僅不易流過玻璃纖維的縫隙而且有時在進入微孔前就會凝固因此金屬與玻璃纖維增強PA的接合強度較低
CFRP與橡膠一體成型的復(fù)合部件
藤倉橡膠工業(yè)試制出了CFRP管表面覆蓋橡膠的CFRP-橡膠復(fù)合管這是使作為CFRP母材的環(huán)氧樹脂與橡膠同時硬化制成的一體部件與無橡膠的CFRP管相比能夠獲得可快速衰減振動的特性耐磨性防滑效果和絕緣性等
△CFRP與橡膠一體成型的復(fù)合部件通過使CFRP的母材環(huán)氧樹脂與橡膠同時硬化制成一體部件
通過在環(huán)氧樹脂中加入特定成分環(huán)氧樹脂與橡膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成了交聯(lián)結(jié)構(gòu)再加上錨固效應(yīng)橡膠不會從CFRP上脫落下來無需使用粘合劑橡膠除包裹管件表面外還可以按照CFRP-橡膠-CFRP的結(jié)構(gòu)在層間注入藤倉橡膠工業(yè)表示如果是只使用CFRP的管件其他公司也能制造我們希望使產(chǎn)品具備功能性借此實現(xiàn)差異化
加工法減重
車柱和骨架部件減重30%
住友重機械工業(yè)開發(fā)出了可以減輕汽車車身車架等車體部件的制造系統(tǒng)STAF（SteelTubeAirForming）將鋼管放入沖壓機的模具后通過通電加熱注入高壓空氣成型淬火的順序進行加工通過使用這次開發(fā)的控制系統(tǒng)可以高精度加工出帶凸緣的連續(xù)異形封閉截面
△高強度帶凸緣的封閉截面構(gòu)件通過熱空氣吹塑和模內(nèi)冷卻形成拉伸強度為1500MPa級的異形封閉截面可以減輕汽車車體和框架等車體部件的重量
該系統(tǒng)設(shè)想用來制造A柱和B柱前后左右前方的車頂縱梁前端車架側(cè)底框梁等車體構(gòu)件發(fā)揮其有別于液壓成型能夠形成凸緣的特點因為凸緣可以作為與其他部件焊接時的接合處所以該系統(tǒng)適合用來制造需要與周圍的多個部件進行接合的車體構(gòu)件
該系統(tǒng)具有液壓成型的特點可以制作封閉截面的部件而且融合了熱沖壓的特點可以在加熱鋼板沖壓成型的同時進行淬火實現(xiàn)1500MPa級的拉伸強度可以制造輕巧堅韌剛性良好的封閉截面構(gòu)件另外通過使用凸緣同時成型技術(shù)在封閉截面結(jié)構(gòu)上增加凸緣還可以解決液壓成型一直以來的課題取消為接合其他構(gòu)件而另行焊接凸緣的工序等提供容易應(yīng)用于車體部件的方案
首先將管件放入模具夾緊電極通電約10秒進行加熱使溫度達到900℃左右管件在通電加熱時電極的接觸面積左右相同而且與板材相比能夠保持更穩(wěn)定的接觸因此可以實現(xiàn)均勻加熱與過去使用加熱爐進行加熱的方法相比還可以大幅減少耗電量
接下來調(diào)整鎖模位置（半開狀態(tài)）向這里供應(yīng)高壓空氣在半開部分略微膨脹的狀態(tài)下進行鎖模使凸緣部分成型然后為使管體部分更貼合模具內(nèi)面的形狀繼續(xù)增加高壓空氣進行吹塑成型材料在緊貼模具后會快速冷卻淬火形成1500MPa級構(gòu)件
在強度相同的條件下將汽車車體部件更換為STAF構(gòu)件與過去的結(jié)構(gòu)相比重量可以減輕約30%而且無需鈑金沖壓加工所需的沖切和修邊只需要在成型后切斷端部即可成品率可提高至90%左右通過凸緣的一體成型可以減少部件數(shù)量大幅降低成本成本可以比液壓成型減少5%比熱壓減少30%
