Table of Contents

Автомобильная промышленность претерпевает глубокую трансформацию по мере того, как электромобили (EV) переходят из нишевого статуса в основное принятие. Центральной инженерной проблемой в этом переходе является масса автомобиля: более тяжелые электромобили требуют больших батарей для достижения приемлемого диапазона, увеличения стоимости и воздействия на окружающую среду. Легкий вес шасси - структурный костяк транспортного средства - предлагает один из самых эффективных путей для разрыва этой весовой спирали. Композитные материалы, долгое время используемые в аэрокосмической и автоспортивной промышленности, появились в качестве ведущего кандидата на конструкцию шасси EV. В этой статье рассматриваются технические обоснования, варианты материалов, методы проектирования, методы производства и перспективы развития легкого шасси электромобиля с использованием композитных материалов.

Почему композиционные шасси важны для электромобилей

Сокращение массы имеет решающее значение для электромобилей, поскольку оно напрямую влияет на дальность, размер батареи и общую эффективность транспортного средства. Каждый килограмм, сохраненный в шасси, позволяет либо меньше, легче аккумулятор для того же диапазона, либо расширенный диапазон с тем же аккумуляторным блоком. Композитные материалы предлагают снижение веса по сравнению с обычной сталью или даже передовыми алюминиевыми сплавами. Например, структура полимера с углеродным волокном (CFRP) может быть на 40-60% легче, чем эквивалентное стальное шасси, сохраняя высокую жесткость и прочность.

Помимо экономии веса, композиты обеспечивают другие преимущества, которые хорошо согласуются с требованиями EV. Их присущая коррозионная стойкость устраняет необходимость в тяжелых защитных покрытиях, используемых на металлическом шасси. Гибкость конструкции композитных накладок позволяет интегрировать такие функции, как отсеки корпуса батареи, каналы охлаждения и точки крепления непосредственно в структуру шасси, уменьшая количество деталей и сложность сборки. Кроме того, высокие характеристики демпфирования вибраций композитов способствуют более тихой кабине, важному атрибуту для EV, которым не хватает шума двигателя.

Основные преимущества композитов в EV Chassis

Массовое сокращение и расширение диапазона

Связь между массой автомобиля и потреблением энергии почти линейна в городских циклах вождения. За счет снижения веса шасси на 100 кг, EV может потенциально увеличить свой диапазон на 3-5%, в зависимости от цикла привода и эффективности батареи. Композитные монококовые конструкции, используемые в премиальных EV, таких как BMW i3, продемонстрировали снижение веса более чем на 150 кг по сравнению с сопоставимым стальным кузовом в белом цвете.

Высокая специфичность жесткости и силы

Композиты предлагают специфическую жесткость (жесткость на единицу веса), которая может быть в несколько раз выше, чем сталь или алюминий. Это позволяет инженерам проектировать конструкции шасси, которые сопротивляются изгибу и кручению без добавления материала. Способность адаптировать ориентацию волокна позволяет оптимизировать жесткость в направлениях, где нагрузки самые высокие, что невозможно с изотропными металлами.

Коррозия и сопротивление усталости

В отличие от металлов, композиционные материалы не корродируют при наличии влаги или дорожной соли. Это особенно ценно для аккумуляторных электромобилей, где под днищем могут быть суровые условия. Кроме того, композиты демонстрируют отличную усталостную стойкость: углеродное волокно в частности не показывает предела усталости при многих условиях загрузки, то есть шасси может выдерживать миллионы циклов нагрузки без деградации свойств.

Интеграция дизайна и модульность

Форматируемость композитов позволяет создавать большие, цельные секции шасси, которые заменяют десятки штампованных металлических деталей. Это снижает затраты на оснастку и допуски сборки. Инженеры могут интегрировать структурные узлы для подвесных пикапов, креплений аккумуляторов и аварийных конструкций непосредственно в композитную укладку. Некоторые конструкции используют композитную платформу «скейтборд», в которой размещается аккумулятор и двигатели, с отдельным композиционным корпусом, упрощающим производство и позволяющим использовать несколько вариантов транспортных средств с одной платформы.

Общие композитные материалы для EV Chassis

Углеродные волокна, армированные полимерами (CFRP)

CFRP является предпочтительным материалом для высокопроизводительных электромобилей, где экономия веса оправдывает стоимость. Он предлагает самую высокую удельную прочность и жесткость любого широко доступного композита. Однако его высокие затраты на сырье и обработку ограничили его использование для роскошных моделей, таких как Rimac Nevera, Pininfarina Battista и пассажирская сотовая батарея BMW i3. Достижения в автоматизированном размещении волокон и литье смолы большого объема постепенно снижают премию за стоимость.

Усиленные полимеры из стекловолокна (GFRP)

GFRP обеспечивает более экономичную альтернативу CFRP, все еще обеспечивая снижение веса на 30-40% по сравнению со сталью. Он обычно используется в платформах с меньшим объемом или чувствительными к затратам EV для компонентов шасси, таких как поддоны, крестовики и корпуса батарей. Непрерывные композиты из стекловолокна обеспечивают лучшее поглощение энергии удара, чем углеродное волокно, что делает их привлекательными для зон аварии.

Натуральные и био-основы композитных волокон

Давление устойчивости вызывает интерес к натуральным волокнам, таким как конопля, лен и кенаф. Эти материалы имеют более низкую воплощенную энергию, чем синтетические волокна, и могут быть получены возобновляемым способом. Хотя их механические свойства уступают углероду или стеклу, они подходят для внутренних конструктивных частей или не несущих панелей. Например, композиты из льняного волокна используются некоторыми автопроизводителями для внутренних панелей двери и напольных компонентов.

Гибридные композитные системы

Для уравновешивания производительности, стоимости и веса дизайнеры часто используют гибридные накладки, которые сочетают углеродное волокно для районов с высоким напряжением со стеклом или натуральными волокнами, где нагрузки ниже. Пассажирская ячейка BMW i3 использует ядро из углеродного волокна со стеклянными волокнами в определенных секциях для управления затратами без ущерба для общей жесткости. Такие гибридные стратегии становятся все более распространенными, поскольку автопроизводители стремятся к жизнеспособности массового рынка.

Дизайн-соображения для композитных шасси

Оптимизация пути нагрузки и ориентация волокна

В отличие от однородных металлов, композиты являются анизотропными: их механические свойства зависят от направления волокна. Инженеры должны тщательно отображать пути нагрузки от подвески, батареи и точек крепления корпуса и выравнивать волокна соответственно. Анализ конечных элементов (FEA) с помощью моделирования на основе пли имеет важное значение для прогнозирования распределения напряжения и режимов отказа. Обычно используются программные инструменты, такие как Digimat, Helius PFA или Abaqus с композитными плагинами.

Крашвортность и поглощение энергии

Металлические шасси пластически деформируются во время аварии, поглощая энергию. Композиты ведут себя по-разному: они могут потерпеть неудачу хрупким способом (углерод) или в более прогрессивном режиме дробления (стекло). Проектирование для ударопрочности требует энергопоглощающих структур, таких как срабатывающие дробильные конусы, арматуры металлических вставок в точках удара и гибридные металлокомпозитные соединения. В документе SAE International по композитным аварийным структурам содержится подробное понимание методологий испытаний и правил проектирования.

Термическое управление и интеграция батарей

Аккумуляторы генерируют значительное тепло во время быстрой зарядки и движения с высокой нагрузкой. Шасси должно облегчать передачу тепла от ячеек при сохранении структурной целостности. Композитные конструкции могут включать тепловые пути через встроенные металлические вставки или теплопроводящие слои волокна. Некоторые конструкции используют шасси в качестве теплоотвода, связывая алюминиевые соты с композитными шкурами. Тесное сотрудничество между проектными и тепловыми командами имеет решающее значение.

Присоединиться и собрать

Подключение составных элементов шасси друг к другу и к металлическим компонентам (подвеска, трансмиссия, батарея) требует специализированных методов соединения. Клейкое склеивание с использованием эпоксидных или полиуретановых конструкционных клеев является распространенным явлением, часто дополняется механическими крепежами (болтами, заклепками) в критических точках. Выбор клея должен учитывать различия в коэффициенте теплового расширения между композитом и металлом, чтобы избежать нарастания напряжения. Руководство CompositesWorld по методам соединения предлагает тщательный обзор лучших практик.

Экологическое тестирование и тестирование на долговечность

Композитное шасси должно выдерживать экстремальные температуры, поглощение влаги, воздействие дорожной решетки и УФ-излучение. Для подтверждения долгосрочных характеристик используются ускоренные испытания на старение по таким стандартам, как ISO 4892 (ксенон-арк) и тепловой цикл. Влага, поступающая в интерфейс волоконно-матричного волокна, может ухудшать свойства, поэтому необходим тщательный выбор систем смолы и нанесение гелевых покрытий или краски.

Технологии изготовления композиционных шасси

Рука и автоматический слой

Самый простой способ изготовления включает в себя ручное размещение слоев предварительно пропитанных волокон (препрег) в форму, за которым следует вакуумная упаковка и отверждение в автоклаве. Хотя этот процесс подходит для малообъемного, высокопроизводительного шасси (например, суперкары), этот процесс является трудоемким и медленным. Автоматизированная укладка ленты (ATL) и автоматическое размещение волокна (AFP) роботизированно размещают препрег буксировку, уменьшая время цикла и улучшая повторяемость. ScienceDirect запись на ATL подробно объясняет технологию.

Литье смолы (RTM) и вариации

RTM включает в себя размещение сухой формы волокна в закрытую форму, а затем инъекцию смолы под давлением. Высокое давление RTM (HP-RTM) использует давление инъекций до 100 бар, достигая времени цикла менее 10 минут для таких деталей, как аварийные структуры и перекрестные элементы. HP-RTM все чаще используется для производства автомобилей с большим объемом, поскольку он сокращает время цикла при доставке фракций с высоким объемом волокна (55-60%). Процесс может быть дополнительно усилен с помощью быстро отверждающихся эпоксидных или полиуретановых смол.

Компрессионное формование листового формовочного соединения (SMC)

SMC представляет собой готовый к формированию стекловолоконный композит, доступный в листовой форме. Листы разрезаются, сложены и помещены в нагретую компрессионную форму. Этот процесс используется для полуструктурных частей, таких как панели пола, запасные шинные колодцы и крышки аккумуляторов. SMC предлагает высокие темпы производства (время цикла менее 2 минут) и хорошую отделку поверхности, но его механические свойства ниже, чем у непрерывных волоконных композитов.

Виндзорная волокита

Обмотка нити накала идеально подходит для трубчатых компонентов, таких как рамы шасси для легких электромобилей, таких как трехколесные транспортные средства или небольшие городские стручки. Непрерывные буксиры из волокна наматываются вокруг вращающейся нити под контролируемым напряжением. Полученные детали имеют отличную прочность обруча и могут быть изготовлены быстро. Обычно используются углеродные или стеклянные волокна, пропитанные эпоксидной или полиэфирной смолой.

Новые процессы: непрерывное формование сжатия и 3D-печать

Непрерывное формование сжатия (CCM) представляет собой полуавтоматизированный процесс, который сочетает в себе скорость формования с непрерывным усилением волокна, типичным для пультрузии. Он исследуется для структурных балок и рельсов разбиения. Кроме того, аддитивное производство непрерывных армированных волокон композитов (например, технология Markforged) набирает тягу для прототипирования и производства малообъемных скобок шасси и локализованных арматуры.

Проблемы в принятии композиционных шасси

Высокие затраты на материалы и обработку

Цены на углеродное волокно могут быть в 10-20 раз выше, чем на сталь за килограмм, и медленное отверждение автоклава добавляет дополнительные расходы. Даже обработка композитного стекла из стекловолокна более дорогостоящая, чем штамповка стали из-за затрат на прессование и времени цикла. Для электромобилей массового рынка экономия на килограмме должна оправдывать инвестиции - обычно около 5-15 долларов за кг. Инновации в недорогих прекурсорах углеродного волокна (например, из лигнина или текстильного PAN) и внеавтоклавные процессы постепенно снижают этот барьер.

Переработка и соображения о конце жизни

Композитные материалы, как известно, трудно перерабатывать. Термопластичные композиты могут быть переплавлены и переработаны, но термореактивные композиты (доминантный тип) требуют энергоемкого механического измельчения, пиролиза или сольволиза для восстановления волокон. Переработанные волокна часто имеют сниженные свойства. Автопроизводители находятся под растущим давлением для проектирования для вторичной переработки, что приводит к исследованиям термопластичных матриц и методов обратимого связывания. В статье PMC о переработке композитов PMC рассматриваются современные методы и их эффективность.

Ремонтная сложность

В то время как мягкие стальные шасси могут быть забиты или сварены, поврежденная композитная конструкция требует специализированных методов заплатки. Крахи могут быть косметическими, но трещины или расслоение в несущих областях часто требуют замены всего компонента. Сети обслуживания для обучения выполнять композиционный ремонт и разработку стандартизированных процедур ремонта являются постоянными проблемами для OEM-производителей.

Обеспечение качества и неразрушающее тестирование (NDT)

Композитное производство чувствительно к изменениям процесса - сбои, несоответствие волокон и неправильное лечение могут поставить под угрозу прочность. Надежные методы NDT, такие как ультразвуковое сканирование, термография или рентгеновская компьютерная томография, необходимы для 100% проверки критически важных для безопасности деталей. Автоматизация NDT на производственных линиях все еще развивается, увеличивая затраты для приложений большого объема.

Будущее и тенденции

Стремление к более легким и эффективным электромобилям будет продолжать стимулировать разработку композитных шасси. Несколько тенденций указывают на светлое будущее:

Таким образом, разработка легкого шасси для электромобилей с использованием композитных материалов представляет собой сближение материаловедения, производственных инноваций и инженерного проектирования. В то время как проблемы остаются в стоимости, перерабатываемости и скорости производства, текущие достижения неуклонно приводят к тому, что композиционное шасси становится основным направлением. Для инженеров и OEM-производителей, стремящихся расширить диапазон электромобилей, уменьшить вес батареи и достичь целей устойчивого развития, композиты предлагают один из самых перспективных путей вперед. По мере того, как отрасль получает опыт и масштаб, композито-интенсивный шасси для электромобилей, вероятно, станет определяющей особенностью следующего поколения электромобилей.