为捷豹F型开发新的前车身底板

捷豹F 型，一辆引人注目的跑车（图片由© 捷豹路虎提供）。

总部设在奥地利的POLYTEC集团是一家全球领先的塑料部件开发商和生产商，他们在世界各地拥有超过4200名员工。其设在荷兰罗森达尔的分公司，是集团复合材料业务部门的一部分，其为如捷豹路虎这样的汽车制造商供应纤维增强塑料部件。

“2013年， 我们恰好在那里开展了另外一个项目。”POLYTEC公司的项目经理Andre Oppeneer说，“当捷豹公司的一名工程师为捷豹F 型全轮驱动设计新的轻量型前车身底板时，他询问我们是否可以帮忙解决他所遇到的问题”。

最初，前车身底板是由一块厚厚的、相对重的GMT（玻璃纤维增强型热塑性塑料，将其在烘箱中加热，然后放入模具中压成需要的形状）制成的。但事实证明，采用标准化的解决方式不可能减轻该部件的重量。POLYTEC公司能否帮助他们，使前车身底板变得更轻呢？

开发第一阶段

“问题是，前车身底板需要相当高的侧围，用于安装橡皮挡泥板，以保护一些关键部件免受外届水的影响。”Oppeneer说，“捷豹工程师的想法是采用一种类地毯式材料，但结果发现很不实用”。


捷豹F 型的俯视图（图片由© 捷豹路虎提供）。

这种轻的类地毯式的材料是LWRT（低重量增强热塑性塑料）。它最开始是一块薄薄的、平的玻璃纤维增强聚丙烯板。但是在制造零件的时候，由于要在烘箱中对其进行加热，玻璃纤维会趋向于恢复它原有的纤维取向。结果导致纤维向上翻转，并且在其中会产生大量的空隙。由此产生的蓬松的类纺织品材料具有吸音的效果，而且是厚厚的，其具有很高的弯曲刚度- 重量比和强度- 重量比。如果给它安装上足够多的加固件，它将足够牢固，以填充空隙。但是如果卸除这些载荷，它就不能再使用了。

“我们提出了一个综合的解决方案。”Oppeneer说，“这意味着生产的侧围，需要有GMT 所具有的高强度和刚度的特点，而大的中间部分，需要有LWRT 所具有的重量轻和噪声吸收的特点”。

这种降噪对于降低发动机噪声来说并不是那么多。拥有一台像捷豹这样引人注目的高性能跑车的车主喜欢听到引擎强劲的轰鸣声。降噪对于汽车底部来说很重要，比如汽车行驶在砾石路面上的时候，可以降低沙石撞击汽车底部所发出的声音。


捷豹F 型保险杠和车身底板组件俯视图。所有部件由POLYTEC 公司的不同业务部门采用不同的技术生产（图片由POLYTEC 集团提供）。

GMT侧围绕过拐角到底部的一点距离，形成坚固的边缘，以连接在LWRT上。由于它们都含有聚丙烯，因此不需要螺栓或配件连接。只要将这两个部分简单地放入模具中，采用高温和高压将它们黏合在一起，并这在一次过程中形成产品。

开发第二阶段

“我们做了几个模型，捷豹公司花了两三个月仔细地对其进行测试。”Oppeneer说，“在测试期间，发现了一个问题。证明模型太有局限性了：来自发动机的余热没有足够快地散去。唯一快速的解决方法是在LWRT部分插入通风孔。但是发动机舱内部仍然需要防水。所以在LWRT部分的中间插入冷却狭缝。但是，当然这样的话LWRT会相当脆弱：最终只剩下几个细条，这样会使这部分很容易断裂。测试之一是汽车必须通过高速飞溅的水。那就是当前车身底板受到很大冲击的时候。”

为了防止在高速水飞溅时，前车身底板失效，LWRT通风狭缝必须局部加固，这是在一次过程中意识到的挑战。

幸运的是，目前在工业中使用有机板是一种趋势：使用玻璃纤维织物薄层或碳纤维增强片材旨在增加局部的强度和刚度。选择的材料是TenCate Cetex®，一种高刚性和重量轻的玻璃纤维增强聚丙烯，能够精确地增强背衬材料。

“它的抗拉强度远高于普通材料。”Oppeneer说，“这是因为使用了特殊的玻璃纤维织物。与GMT 不同，它不是采用玻璃纤维针刺材料制成。这些有机板用于冷却狭缝和通风孔周围。这样可以将三种不同的材料组合在一起，放入模具中并压在一起，所有步骤一次完成。”


使用“VICS”系统（可变模内复合材料夹层） 与Cetex有机板来增强通风狭缝的周围区域（图片由POLYTEC集团提供）。

“我们热塑性复合材料的目标应用体现了在汽车行业应用热塑性塑料的创新方法。”TenCate公司新业务开发总监Robert Lenferink说：“除了材料的性能之外，复合材料的智能加工是这个解决方案的核心所在。”

以这种方式将三种不同的复合材料组合在一起的想法在两周内构想出。而构思、交付和测试这种新的前车身底板总共只花了15周时间。这部分成功地通过了捷豹公司的所有测试。前车身底板成品的重量为1.2kg，比原来只使用GMT部分重量减轻了约33%。其声学性能也更好。

自2015年10月以来，每月已经有约500个这样的车底护板，在位于罗森达尔的POLYTEC工厂的自动化生产线上进行生产。这个产量很快就会增至三倍。因为捷豹公司对解决方案非常满意，他们依照相同的概念重新设计了捷豹F型后轮驱动车的前车身底板，并委托POLYTEC公司进行生产。后轮驱动器车具有不同的形状，因为它必须覆盖其它部件。并且这种后轮驱动车使用的是具有这种材料性能的有限元仿真模型设计的。

开发合作伙伴

现如今，一个非常有趣现象的是，在一个看似简单的部件上应用如此多的技术。除了高机械性能和低成本外，重量轻和良好的声学效果也已成为非常重要的要求。“而且特别是在二氧化碳减排方面。”Oppeneer说，“重量轻是减少二氧化碳排放的一个方面，良好的空气动力学性能是另外一个方面。在很长一段时间内，汽车底部的空气动力学对于跑车来说很重要：它们通常覆盖整个汽车底部。而这也越来越多的应用于普通车。”


捷豹F 型前保险杠和车身底板组件基本上由三部分组成：（橙色）保险杠，（黑色）保险杠下侧（由直接注射成型滑石粉增强聚丙烯制成）和（也是黑色）新前车身底板，这是汽车最低的部分，因此承受的负载最大，如果汽车打到砾石或者溅到水花的话（图片由POLYTEC 集团提供）。

供应商经常被要求帮忙找到最佳的解决方案。“你必须为某些部件提出量身定制的解决方案。”Oppeneer说，“在很多情况下，客户要求一个部件须具有一系列功能或者具备某些性能，并且依靠具备相应知识、技术和经验的制造商应用某些材料来进行生产。如果你享有专家的声誉，一些客户会非常依赖该制造商。如果客户遇到什么问题，而你能经常想出解决方案，那么你会成为第一个他们要找的人。这和推广你自己的技术无关。有时我们会推荐一种我们自己不具备的技术。但如果你每次都能帮助你的客户找到解决方案，那么他就会一直找你”。

“我们不是作为一个生产工厂而著称，而是作为一个可以同时生产零件的开发合作伙伴。” Walter van Gilst补充道，其为捷豹路虎客户团队就新技术在业务发展方面提供支持。“随着LWRT的发展，十年前就开始的趋势是，将更多的技术投入到汽车底部保护。”

未来的发展趋势

减轻重量的需求意味着越来越多的塑料或混合部件将取代金属部件。由于已经生产出重量减轻最显著的部分，汽车工业现在正在加快步伐，同样替换构成汽车刚度和强度的金属部件。甚至碳纤维也应用于结构零件里。“乍一看，这是一种相当昂贵的材料选择，但是使用回收的碳纤维，也找到了实现批量化生产的途径。”Van Gilst说，“对于宝马7系列，我们生产了局部碳纤维SMC（片状模塑料）加强C柱：一根连接到车身的梁。”


位于英国布罗姆亚德的POLYTEC 公司的捷豹F 型前保险杠的智能装配站。保险杠由增强反应注射成型聚氨酯制成（图片由POLYTEC集团提供）。

另一个趋势是由电动汽车和充电式混合动力汽车的出现带来的挑战所引发的。“由于几个客户的缘故，我们正在致力于研究使用感应充电的汽车底盘。”Van Gilst说，“在这些汽车底部，有一个很容易损坏的无线充电单元。这个单元必须在汽车底部受到保护，而金属板会屏蔽建在道路上的充电站发射的磁场。”


宝马7 系列的碳纤维片状模塑料增强C 柱（图片由宝马公司提供）。

这些保护罩的开发仍处于早期阶段，但通常它们具有成型的外形和在内部的肋，以使它们足够坚固。同样，就像捷豹F型的前车身底板一样，选择合适的材料和设计是必须的，如GMT、LWRT和有机板。


用于在“道路不好的国家”的大众高尔夫VII 底部发动机保护罩（图片由POLYTEC 集团提供）。

无线充电器保护装置的概念可以与专门用于“道路不好的国家”的发动机保护罩的概念相媲美。例如，大众汽车公司过去一直使用一块厚厚的，重量约为17.6 kg的钢板，来保护了在这些国家道路行驶的旧款的高尔夫和帕萨特汽车的发动机舱底部。“我们通过改用合适的设计和材料的复合材料，将其重量减少到4.6kg。”Van Gilst说，“如果汽车底部撞到了路上的大石块，它必须保护汽车内部不受影响。而且之后，它会恢复到其原有的形状。这是复合材料的优点之一：钢板形变后不能恢复，而生产的复合材料可以更富有弹性。”


重型保护罩通常具有成型的外形和碰撞侧的肋，以使它们足够坚固（图片由POLYTEC 集团提供）。

关键的测试是车身底部保护必须能够承受住整个汽车的重量，压在高达150mm的大石块时，发动机舱内部没有受到任何损坏。

这种车身底部保护由GMT和局部纤维增强（可以使用有机板）制成。除了撞击岩石后可以恢复到原有的形状外，塑料材质具有防腐蚀性，并且（由于其重量较轻）易于安装在生产线上。当然，小石头撞击时产生的声音也要比金属材质低很多。而且集成部件可能可以节省成本。