热塑性复合材料：结构保险杠支架

通用汽车 2019 年款 (MY) 雪佛兰 Silverado 拾音器在一个隐藏但非常有效的位置对复合材料进行了新的结构应用：在钢制保险杠后面的左右前侧。混合热塑性复合材料/金属支架减轻了质量，在有限的封装空间内在模态、应力、疲劳和碰撞测试中实现了等效或更好的性能，降低了腐蚀和保修风险，并允许重要的部件整合。图片来源：通用汽车公司

作为从事全尺寸皮卡项目的 OEM 设计工程师并不容易。一方面，您希望使这些车辆尽可能安全、功能丰富且省油。另一方面，您的客户——尤其是建筑和农业行业的客户——每天都在努力推动他们的车辆，并且对什么是耐用材料和什么不是耐用材料有一定的了解。他们了解并信任钢铁。复合材料？也许没有那么多。

正如通用汽车公司（美国密歇根州底特律通用汽车公司）全尺寸皮卡首席设计发布工程师 Chris Heo 和他的团队开始研发最新一代雪佛兰 Silverado 皮卡，他们讨论了他们可以将哪些应用从金属转换为复合材料以减少车辆质量。

对于 2019 车型年 (MY)，已经决定在车辆的前部和后部保留风格化的保险杠冲击杆——带有风格化 A 侧表面和饰面（镀铬或车身同色漆）的冲压钢保险杠.由于造型驱动的形状和钢壳的质量，此类保险杠通常需要一个或多个钢加强支架将保险杠连接到车辆框架，并满足通用汽车的保险杠耐用性、车辆损坏性、碰撞性能和包装要求。在这种情况下，一对支架缠绕在保险杠的左右角上。团队成员想知道他们是否可以在不牺牲性能或耐用性的情况下将这些沉重、复杂的多件冲压件转换为更轻的东西。

“我们讨论了如何保留保险杠的金属蒙皮，但将隐藏的组件转换为轻质材料，”Heo 回忆道。 “我们知道这将是一个挑战，因为您需要坚固的支架来固定像保险杠这样的重部件，而且保险杠和支架都必须在车辆的使用寿命内发挥作用。此外，这些支架是满足苛刻的偏置障碍碰撞测试的关键，即使在金属中，这些测试也很难通过。”

先试试

面对挑战，通用汽车团队开始工作，并很快引进了车辆的指定保险杠供应商 Flex-N-Gate Corp.（美国伊利诺伊州厄巴纳市 FNG）。最初，由于外部车辆造型仍在最终确定中，联合团队花了一年时间研究行业中的选择并讨论可能有效的方法。 “我们一直在等待合适的时机，因为根据最终的造型，这可能会改变我们使用的设计和我们采用的方法，”Heo 解释道。

“我们知道另一家公司已经将一个非常小的支架——一个非结构性的支架——改造成他们的一个卡车保险杠上的复合材料，所以这给了我们一个起点，”FNG 工程集团经理 - 研发塑料的史蒂夫佩鲁卡补充道/金属。 FNG 已经在将乘用车上的结构金属部件转换为热塑性复合材料方面拥有丰富的经验，这让团队有信心继续前进。

设计注意事项

随着皮卡的外观设计得到巩固，合并后的团队开始了自己的支架设计工作，并列出了一系列需求。基准支架由高强度/低合金 (HSLA) 钢冲压而成，选择它是因为与碳钢相比具有更高的机械性能和更好的耐腐蚀性。支架的标称厚度为 3 毫米，每个支架重 4.362 公斤。首先，复合支架需要安装在大致相同的包装空间中，这在保险杠后面是有限的。因此，需要一种具有足够强度的材料，因此零件厚度不会显着增加。

其次，前保险杠通常环绕车辆的前角，以实现设计工作室想要的造型线索。然而，由于它们由坚硬的钢支架固定在车架上，因此在高速碰撞事件中，保险杠可能会向内挤压到车轮中，对车轮方向和转向锁定产生负面影响。为了尽可能长时间地保护受撞击侧的车轮，最好使保险杠支架在撞击过程中脱离。 另一方面，为了避免保修问题，保险杠需要在车辆的正常使用期间保持连接。因此，团队必须确定如何平衡这些相互竞争的需求。

团队想要解决的另一个问题是，由于钢的可成形性限制，基准支架的形状无法固定车辆的雾灯，这需要使用另一对重金属支架。如果可能，该团队希望将雾灯支架整合到复合支架中。

此外，重要的是要避免线束通过支架时的夹点，以防止线束和电线磨损和断裂，这会导致前灯和风扇等重要功能短路。通过在金属支架上提供一个孔来避免这些问题，电线可以通过该孔导致使用额外的冲压操作，由于设计自由度的限制，这增加了更多的工具成本。因此，最好尝试在复合括号中解决这个问题。当然，避免必须更改车辆装配以使用复合支架也很重要。而且，正如汽车应用中的常见情况一样，理想情况下，复合支架会更轻和 比金属基准便宜。最后一个问题是目前可用的 CAE 模型是否可以准确预测不连续纤维增强热塑性塑料的高周疲劳/耐久性。

混合方法

有了他们的愿望清单，团队开始忙碌起来。一个早期的决定是选择要使用的材料——即 FNG 已经拥有经验并获得 GM 批准的材料。他们选择了乐天化学（韩国首尔）的黑色 40% 纤维重量分数 (FWF) 长玻璃纤维聚丙烯 (LFT-PP)，称为 Supran PP1340 GMW15890P。由于支架不会暴露在阳光下并且与发动机热量足够远，因此坚韧的烯烃聚合物将提供足够的热性能。高流动性、可注射成型等级的熔体流动指数 (MFI) 为 40，确保对复杂几何形状的良好填充，无需添加额外的浇口；额外的浇口会产生比周围材料更弱的编织线，应避免在结构部件中使用，尤其是必须通过碰撞测试的部件。

为了平衡长期耐用性和高碰撞性能的竞争需求，该团队采用了混合方法并拆分了支架。将保险杠连接到车架的部分将保留 HSLA 钢，但外部将转换为复合材料。这种方法将允许更大的设计自由度来合并零件、减少质量并能够结合雾灯，但复合材料部分将被设计为在高速侧面碰撞中分离，以确保车轮方向尽可能长时间保持纵向帮助保持转向能力。为了满足通用汽车的所有要求，支架的复合材料侧添加了一些金属插件，以及三个衬套，以便在组装过程中进行调整。设计师发现该材料没有问题，允许支架的腿（复合/棕色 CAE 设计中显示的弯曲端件）延伸到包含雾灯，无需在该位置使用单独的支架（图 1）。

随着项目的进行以及物理部件的生产和测试，团队很高兴得知他们的 CAE 模型相当准确。 “最初，我们想知道是否能够正确模拟零件，因为我们试图在碰撞建模中预测高周疲劳，包括耐久性和高 G 载荷，”Heo 指出。 “令人惊讶的是，振动器测试的预测结果和测量结果之间的相关性非常接近，即使在碰撞中也是如此。”最终的支架设计在不到六个月的时间内完成。它大约为 41 x 46 厘米，标称壁厚为 3 毫米，并具有用于更高机械性能的肋条。

模具由 Integrity Tool &Mold Inc.（加拿大安大略省奥尔德卡斯尔）生产，具有通风良好的 2+2 叠层模具，带有两个型腔/板和两个直接下落（冷流道），带有顺序阀浇口，可生产四个零件/cycle 由于 Silverado 的高构建量 平台。 FNG 的 Ventra Evart 部门是模具制造商。按钮到按钮的循环时间为 60 秒。

重大成就

在首次商业使用时，通用汽车在结构保险杠支架上的混合方法（图 2）带来了许多好处。首先，它在模态、应力、疲劳和碰撞测试中取得了同等或更好的性能（见下表）。

设计

10 Gx

20 Gx

1 ^st 模式频率（Hz）

最大位移（mm）

最大应力（MPa）

最大位移（mm）

最大应力（MPa）

混合钢/复合支架

2.00

213

3.97

381

31.7

标杆全钢支架

2.36

259

4.45

480

30.1

带有金属嵌件的混合复合材料支架不仅减轻了质量，而且其定制的几何形状还提高了应力和模态性能。

其次，复合材料的设计自由允许在相对较小的包装空间中进行更具侵略性的造型。第三，与基准相比，这对混合支架的质量减少了 2.5 公斤/车。并且由于质量分解效应，更轻的保险杠角使保险杠安装支架和其他部件的规格减少，因此前保险杠系统的总质量与即将推出的 2016 款车型相比减少了 7.3 公斤。

此外，由于复合支架不会生锈，因此降低了腐蚀风险和保修成本。减重有助于提高燃油经济性或在不超过法定道路负载限制的情况下承载更重的有效载荷，从而使消费者受益。

由于增加了注塑模具的成本，按单价计算，混合支架是一种洗礼。在系统成本的基础上，由于能够减少额外组件的规格，因此节省了成本，但实际节省的成本难以量化。支架已经生产三年多没有问题。

对于下一代Silverado , Heo 的团队计划继续在前保险杠上使用混合支架，但他已经挑战团队成员开始思考如何在后保险杠支架上采用混合方法。由于后保险杠在拐角处包含步进辅助功能，使人们能够更轻松、更安全地爬进/爬出皮卡箱，这一事实使情况变得复杂。此外，更多的组件（如后备警告传感器）封装在钢皮后面，减少了封装空间。

Heo 总结道：“我们将继续使用智能工程方法来查看问题，弄清楚产品的使用方式及其功能要求，然后不断挑战极限。”