通用轻量化复合材料护罩可在严重碰撞时保护汽车动力电池

2019-5-8 10:50 488 0
简介
随着常规动力乘用车变得更加电子化并且需要更大的电池来运行车载系统,在严重碰撞期中保护电池变得更加困难。 虽然电池周围的结构已经具有高强度并且为正常碰撞提供了足够的保护,但在严重碰撞时,保护结构本身会变 ...
随着常规动力乘用车变得更加电子化并且需要更大的电池来运行车载系统,在严重碰撞期中保护电池变得更加困难。 虽然电池周围的结构已经具有高强度并且为正常碰撞提供了足够的保护,但在严重碰撞时,保护结构本身会变形并刺穿电池,使其无法工作。在这种情况下,就需要额外的电池保护,但最好不牺牲设计或其他安全功能,不会增加太多的重量或成本,并且在车辆使用寿命期间不会妨碍电池维修或更换。因此,开发了一个新的部件,称为电池防撞击保护罩,以在严重碰撞中保护较大的12伏电池,并且这也是复合材料不断增长的应用方式中的一种。 

  
  严苛的车辆安全标准促使通用研发电池防撞保护罩
  
  已经很严苛的美国联邦机动车辆安全标准(FMVSS)208目前要求汽车制造商在正面屏障测试中以30度偏移量进行测试。测试的撞击器设计为完全错过车架导轨,使得保险杠的一角在被推入发动机舱之前完全击中。这次试验模拟的严重碰撞载荷促使美国密歇根州底特律市的通用汽车公司(General Motors Co.)加强电池托盘并开发电池碰撞防护罩,其目的是将碰撞载荷分散到更大的区域,这样就可以保护电池在汽车前端被压碎时不会被周围的部件刺穿或短路。
  
  这就为机载诊断系统提供了足够的时间来检测事故,并在电池停止工作前向第一反应人员发送“离机(offboarding)”安全电话——这一功能可以在乘客失去知觉或无法打电话时挽救生命。这些防护罩被设计成可以放置在金属电池托盘上,并围绕最靠近发动机舱部件的电池部分进行缠绕,碰撞模拟已经确认,这些部件在严重碰撞时最有可能损坏电池。在使用中,控制模块和连接到电池的其他部件悬挂在防撞护罩上并将其固定在适合的位置,因此没有NVH的问题。在维护或更换电池期间,只需拆下防撞护罩,然后再放回去。
  
  研究2018款别克Enclave运动型汽车(suv)的团队在开发周期的后期发现,用于保护卡车12伏电池的钢制防护罩不能通过要求的碰撞测试。为了避免代价高昂的生产开始(SOP)延迟,通用汽车公司的先进材料和开发团队被引入以快速找到替代技术。
  
  新一代GMT复合材料
  
  新的替代技术需要达到或超过所有联邦安全法规,包括可燃性要求(FMVSS 302),并且还要满足GM的总体系统成本目标。研究人员转向了不同的技术 - 玻璃纤维垫热塑性(GMT)复合材料。
  
  研究团队评估了三种商品级的聚丙烯基质的GMTex玻璃纤维织物增强复合材料,其具有来自Quadrant Plastic Composites AG(QPC,三菱化学,瑞士Lenzburg的集团公司)。最终选择用于电池护罩的材料为性能最高的等级,厚度为4.3毫米,具有多层编织定向玻璃垫(glass mats)(4/1编织,0/90度),其芯为随机取向的50毫米短切玻璃纤维 (choPPed glass)。编织纤维和短切玻璃纤维的整合提供了高冲击、一致和均匀的层压材料,FWF为61%。

    Integrating woven and chopPEd fibers
  
  虽然织物增强型GMT并不是新发明,而且已经在汽车工业中得到了几十年的商业应用,但这是通用汽车公司和Continental Structural Plastics (CSP, 帝人集团旗下的一家公司,美国密歇根州奥本山)首次使用结合了织物和短切玻璃纤维的新一代混合垫GMT复合材料。
  
  电池防撞保护罩设计项目的负责人。通用材料工程师Kestutus `` Stu '' Sonta解释说:“性能较高较厚的材料给了我们一个重要的安全因素,这正是我们想要的。”
  
  接下来,使用全尺寸零件验证小规模测试结果。已经开发出一种非优化的C形设计,通过仿真评估GMT材料。该模型用于快速切割GM的原型铝工具,以模塑4.3毫米厚等级(GMTex X103F61-4 / 1-0 / 90)的初步测试部件。完成了多轮测试,团队记录的负载与之前的整车碰撞测试结果非常相似,这些测试验证了概念和材料/工艺组合。
  
  热压和切割
  
  通用汽车和CSP团队共同努力,进一步优化了c型护罩的设计,随后用于生产用于检查成品零件的生产工具,水射流夹具和检查夹具。
  
  QPC提供的材料为约930×500毫米的预切割坯料。每个模塑周期使用单个坯料以形成C形截面,从该C形截面切割生产部件。该材料首先通过位于俄亥俄州CSP的Conneaut工厂的四级红外线炉,然后转移到邻近的低吨位压缩机上。当加热时,由于称为玻璃回弹的现象,在固结坯料中切碎的玻璃纤维大约是其先前厚度的两倍,在这种情况下,进入工具的坯料几乎是9毫米厚并且在模制成形过程中重新固化。按钮到按钮的循环时间大约是一分钟。无需对零件进行任何修改(通过阻燃剂或箔等方式),即可满足FMVSS 302可燃性要求。
  
  这种GMT材料的一个有趣特征是,由于高玻璃负载和织物层,它具有有限的流动性。因此,它不是在技术上压缩成型,而是在低成型压力下热成型(或热压)。由于成型压力低且材料流动很少,因此工具上不需要剪切边缘。
  
  通过简化零件和工具设计,快速制作了一套工具,使项目如设计技术执行并降低成本。原型和早期预生产零件是在铝制工具上成型的,但考虑到车辆的产量,通用汽车选择P20钢用于生产工具以延长使用寿命。 Laval International(加拿大)生产了该工具。
  
  最终部件设计
  
  最终设计的部件有一个平坦的背部和两个90度角凸缘,尺寸大致为187×142×161毫米,标称壁为4.0毫米。最佳估计是复合材料设计的重量比性能相当的金属护罩要低75%,成本也要低60%。尽管该项目进展的速度很快,但小组一致认为,过程和设计都如预期的那样有效,新的防护罩通过了碰撞测试,为关键的安全系统提供了额外的保护。
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