用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

 时间:2020-06-18 00:00:00    浏览次数:49    作者:
塑料这种材质,在汽车上绝不算少见。比如一坐进车内,习惯性就上手敲敲中控台,看看究竟是软塑料还是硬塑料。当然除此以外,车内的各种大小零件,更是随处可见塑料的身影。但如果告诉你,塑料还被用在了汽车的部分结构件,这你敢信吗?就比如一种名为“工程塑料+金属材料”的混合结构,最大的优点当然是轻。特斯拉Model3的前端框架就采用了这种材质的“π”字型结构,重量从钣金材

塑料这种材质,在汽车上绝不算少见。

比如一坐进车内,习惯性就上手敲敲中控台,看看究竟是软塑料还是硬塑料。

当然除此以外,车内的各种大小零件,更是随处可见塑料的身影。

但如果告诉你,塑料还被用在了汽车的部分结构件,这你敢信吗?

就比如一种名为“工程塑料+金属材料”的混合结构,最大的优点当然是轻。特斯拉Model 3的前端框架就采用了这种材质的“π”字型结构,重量从钣金材质的5.2kg直接降到2.3Kg。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

对于Model 3这样的纯电动车型而言,类似“挖空心思”的偷轻减重手法,目的不仅仅在于降低车头的荷载以提升操控,更轻的车重更能有效提升续航里程。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

前端框架的主要作用是固定中冷器、冷凝器等负责散热的零件,当然有时还会用于固定大灯等其他配件。上图便是前端框架与其对手件的装配情况。

那有没有可能更进一步,把工程塑料运用到更需要减重的部件上,比方说悬架呢?

毕竟悬架的轻量化,不仅有利于降低油耗或电耗,减小的簧下质量可以带来大幅的操控性提高。

只是这回轮到消费者犯嘀咕了。因为按照常规认知,塑料这种脆了吧唧的材质,当真能代替金属的活么?

工程塑料在汽车底盘上有哪些创新应用?

汽车结构件运用工程塑料这件事,主机厂其实干的挺低调的。

一是因为消费者对工程塑料替换金属件多少有些排斥,所以这些年厂家也一直在小心摸索,应用到量产车上的规模并不大;其次也是出于相同的原因,就算用了,也极少会大张旗鼓的宣扬。

那暂且把这一做法的利弊放在一边,先来看看都有哪些车型,已经使用了这项新技术。

Model 3的前悬上控制臂

Model 3的前悬上控制臂,采用的便是单层冲压钢板+内部填充树脂,优点是相比于钣金拼焊方案能减重30%。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

这种结构应该是用高强钢外包覆+“PA6+GF50”为主的复合材料,来自韩国日进和巴斯夫联合开发。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

从实物图能明显看出,靠下一侧采用了工程塑料,但在固定轴处还是传统的钢材。

克尔维特C7采用碳纤维下控制臂

在2013北美车展上,雪佛兰发布了超级跑车克尔维特C7 Stingray。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

C7最大的特色就是各种挖空心思的轻量化手段,除了采用全铝车身,车门、翼子板、后护板等部位,还采用了比上一代更轻的碳纤维以及复合材料,成功减重17kg;而单是采用碳纤维材料打造的下控制臂,就减去了多达4kg的簧下质量。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

克尔维特C7 Stingray采用的是双叉臂前后悬挂,因此下控制臂的受力比上控制臂更大。

理想One下控制臂使用工程塑料

接下来就是颇具话题性的理想One。这款车的前下控制臂,采用了高强钢外包覆PA6+GF50为主的尼龙/玻纤复合材料,和特斯拉为同一供应商。其下控制臂重量仅为约3.2kg,和铝合金下控制臂重量相当。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

理想One的前悬因为是传统且常见的麦弗逊结构,因此并没有上控制臂。

沃尔沃XC90与S90用叶片弹簧作为后弹簧

如果说以上的案例只在受到冲击相对较小的上下控制臂做文章,那么沃尔沃的做法更具争议性,因为他们采用了一种横向纤维增强复合材料叶片弹簧,代替传统金属螺旋弹簧。这款叶片弹簧由50%的玻纤增强材料和50%的聚氨酯原料构成,新型叶片弹簧仅重3kg左右,减重接近50%。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

叶片弹簧的形状看起来很像是扁担,也就是连接左右悬架的绿色部分。而这根新奇的零部件,是由本提供玻璃纤维的特勒公司和提供聚氨酯的汉高公司联合开发。

科尔维特C5、C6、C7用板簧作为后弹簧

豪华车用板簧大概已经刷新很多人的认知,但除此以外,其实个别超跑也会使用类似的结构。

在沃尔沃之前,克尔维特就是忠实的板簧爱好者。从C5开始到C7,其减振原件都是这种横向的叶片弹簧式设计,且前后均为板簧。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

我们的担心是什么?

使用工程塑料最直观的优势,悬架变轻了。

以沃尔沃S90为例,因为板簧比螺旋弹簧轻,相当于降低了簧下质量,悬挂系统得以具备更好的动态响应。另外板簧还有效降低了汽车振动,改善了NVH性能,同时还让后备箱空间变得更大。

只是这些优势并不足以打消消费者的疑虑,毕竟“塑料”这个词多少会让人有些发怵:它的强度会不会减弱、抗疲劳能力和抗撞击能力又能否达标?

再拿控制臂举个例子,众所周知,这类零件是要做疲劳寿命耐久测试。

比方最常见的测试方法:载荷力F2=6.82KN,试验频率f=2Hz。疲劳寿命限值次数不得小于30万次,试验后不允许出现大于10mm裂纹,样件能正常加载且不失效。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

而以实际的测试结果来看,塑料+铸铁的抗疲劳能力的确会减弱。其实连特斯拉之前都没敢这么用,Model S和Model X的上控制臂是双层冲压钢板。Model 3作为新车型,新车状态下普通消费者或许不太能直观感受到差别,但五六年之后的确是个潜在问题。

相比于上控制臂,下控制臂的受力会更大。比如理想ONE,前麦弗逊悬架只有下控制臂;加之这台车的重量高达2270kg,所以抗疲劳能力如何很值得关注。

在下控制臂的控制标准中,有一项静强度测试,测试方法和要求如下所示。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

测试过程中,需要在上图的F1~F4四个方向,对摆臂施加力。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

就笔者接触到的,铝合金的下摆臂普遍能做到要求的100%~150%水平;但由于未能接触到实际案例,工程塑料打造的下摆臂有何表现不得而知。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

不过理想ONE的官方宣传里倒是提到过,“这种复合材料打造的下控制臂其强度甚至要稍高于铝合金。”

沃尔沃也曾宣称,“疲劳寿命,叶片弹簧是螺旋弹簧的1.5倍。”

只是略显可惜的是,厂家没有公布或者宣传更多的技术细节,释放更多测试细节,也难怪消费者会对这种新型材料有所疑虑。

到底是技术先进还是厂家的借口?

由于没有数据支撑,下面的讨论仅是抛砖引玉,欢迎大家爆料更多的资料,丰富今天讨论的话题。

就发展趋势看,汽车底盘用料确实在朝着轻量化方向发展,比如早期的控制臂多采用铸铁、铸钢或钢板冲压焊接制成。

随着计算机辅助设计与制造技术的提高,铝合金在强度上的劣势可以被经过优化的造型和制造技术弥补,在中高端车型市场,锻造和铸造铝合金控制臂正在逐步替代钢和铸铁控制臂。

用工程塑料造汽车悬架,这事到底靠不靠谱?

  

“工程塑料+金属材料”的混合结构则是更进一步,确实是很有创造力的展现。

不过对这些材料的应用,笔者持开放、但稍不乐观的态度。

首先这种产品对工艺和结构设计水平要求很高。

比如上文提到的PA6和GF50混合结构,“PA6”是尼龙的一种,介绍是说它有着比较好的机械强度、刚度、韧性和耐磨性,常常用于机械结构零部件;“GF50”代表了玻纤含量为50%,加入它的目的是增强机械性能,不过玻纤百分比越大强度也越大,但材料的韧性就会变差。

至于结构设计更是不用说,工程塑料与钢板的配合如何达到最佳状态要反复的仿真和实际测试。就笔者接触到的塑料前端框架产品,行业内的结构设计水平就层次不齐。此类非安全件表现尚且如此,悬架件的表现多少让人担忧。

而锻造和铸造铝合金工艺技术已经成熟,整体质量表现更稳定。加之悬架结构的重点,在大部分人看来,舒适性、驾控感还是得排在稳定性和耐久性之后。

AL频道小结

现在看来,工程塑料作为悬架结构使用还有很大阻碍,这来自于消费者的不信赖,也和新技术的不透明、市场不够成熟有关。

值得肯定的是,汽车发展到现在,底盘悬架结构基本定型,想要大刀阔斧减重已经很难,只有在细节处找办法;但用脚投票的话,笔者还是站传统模式这一边,至少在现阶段,还没必要去冒险越过危险线

  

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