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轻装上阵!

塑料零部件帮助汽车瘦身

面向节能汽车的塑料

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纽约、雅典、北京 —秋天,是全球各大马拉松赛事拉开战幕的季节。以柏林马拉松为例,每年参赛人数都会达到 4 万余名,而所有参赛选手都深知最佳体重对于比赛成绩的重要性。根据经验,选手体重每减轻一公斤,比赛成绩可以提高一到两分钟。

这一耐力型运动法则同样适用于速度型运动——全球的汽车“选手”们也在努力“轻装上阵”。朗盛半结晶树脂产品 (SCP) 业务部应用研发部门负责人 Ralf Zimnol 解释道:“大家都知道重量增大会导致油耗上升,所以后备箱里面应该尽可能少放东西。” 在工程界也存在类似的经验法则:一部中型汽车,重量每增加 100 公斤,百公里油耗将增加 0.5 升。因此,与马拉松选手一样,汽车制造商面临的首要问题是如何将重量控制到最低。

车身减重,塑料零部件自然不可或缺。要知道,聚合物材料的重量仅为钢铁的六分之一到七分之一。即使是铝合金也远比塑料重得多。此外,相对于镁合金等极其昂贵的轻质材料,塑料还具有无可替代的技术优势:各种钩、环、螺纹、掣、扣等可以作为零件的一部分直接成型——工程师将其称之为“功能集成”。Ralf Zimnol 表示,厂商常可以通过这样的方式以“集成”的塑料零部件替代多种金属零部件。这样不但可以缩短组装时间,还可以减轻车身重量。毕竟,2 颗螺丝肯定比 15 颗要轻!

过去几十年里,汽车工程师不断致力于以塑料代替金属。塑料零部件的应用,已经不仅仅局限于内饰,甚至已经走进了灼热的发动机室,比如涡轮歧管、进气歧管、节气门系统和发动机轴承等等,都可以使用塑料制造。如今的高端材料——如超高强度、纤维增强聚合物——其性能指标已接近钢铁, 但重量仅为后者的一半不到。

然而,因此减轻的重量仍然有限。这是因为安全气囊、空调、电动车窗和其它新技术会不断增加车身的重量。换句话说,我们需要进一步考虑:塑料零部件能够做得更轻吗? 能否通过加入超轻型高抗拉强度碳纤维来减轻塑料重量? 这当然是一种方案,但对于大众市场而言,无疑价格过于昂贵。而在朗盛,早在 20 年前,我们就已经提出了更好的方案: Zimnol 解释道:“讽刺的是,我们的解决方案需要使用金属。” 虽然塑料零部件要比金属的轻,但通常需要做得更厚才能达到相同的强度。自然这就抵消了塑料在减重上的优势。他补充道:“于是,我们就开始思考,如果在塑料部件的关键部位用金属薄板加固会怎么样?”

实验证明,塑料/金属混合技术走对了方向,其结果完全达到了工程师的设想。今天,“集二者之长”的先进方案——即融合钢铁和聚酰胺优点的功能性零部件——已经成为空调系统的标准配置。Zimnol 介绍说:“过去十年间,采用朗盛混合技术制造的耐用型车身结构部件已逾 4000 万件。”

朗盛高科技混合解决方案在汽车设计的其它领域同样大获成功。车顶架、踏板底座和制动踏板等零部件也开始采用塑料与金属混合制造。其中,制动踏板的重量比来全部使用金属制造时减轻了 40%,成本降低了 20%,而且回弹性更出色。与此同时,汽车设计师们还开始在 CAD 技术的帮助下使用塑料/金属复合材料来制造车门、尾门、发动机罩甚至油底壳。Zimnol 表示:“目前我们已经深入参与到很多新产品的开发中,这应当归功于朗盛在混合动力技术领域独一无二的专业知识。”

双方的合作为朗盛工程师进一步改进混合材料提供了绝佳的机会。其中的一个方案是,在使用塑料包覆钢片前,先在钢片上涂敷一层特殊的粘合剂。“在混合部件中,”Zimnol 解释道:“聚合物和增强件通过金属上的小孔和凹槽相结合。塑料从这些孔、槽流入,凝固后就会将整个结构紧紧地连成一体。而是用粘合剂混合黏结时,不光是孔、槽,整个表面都被紧紧地结合到一起,强度大大提高。”打个比方,用钉子钉起来的木板,在一定外力下可以被拆开。但是如果木板同时使用胶水粘接,那么要拆开木板就会费力得多。

 

塑料片
开辟轻量级设计新天地

II_1_Leichtbau 使用塑料片代替金属片进行加固的研究也取得了激动人心的成绩。所谓的有机塑料片是指用纤维增强的塑料薄片,它们可以像金属薄片一样被压成各种形状。当这种有机塑料片与聚酰胺肋状构架和支杆相结合时,得到的材料可用于生产各种零部件,其强度接近于金属与塑料混合材料制成的部件,但重量更轻。这种技术是谁发明的? 还是朗盛。

“采用有机塑料片制造混合部件的优点在于,它们之间的粘接方式是物质到物质,”Zimnol 解释道: “聚酰胺与有机塑料片之间的粘合要比与金属的粘合稳固得多。”这就意味着,使用这种材料生产的部件内部结合紧密,在撞击等测试中优势明显。全新奥迪 A8 已率先开始采用这种混合材料, 其车头结构部件的下半部分即使用有机塑料片进行增强。这种材料还具有另外一个显而易见的优势——有机塑料不会生锈。

近年来,特殊化学品集团朗盛已经开始重新审视用于生产金属或有机塑料板的聚合物材料, 它们对最终产品的外观和功能有着非常重要的影响。Zimno 说:“朗盛的一些聚酰胺新产品,如 Durethan EF(易流动)和 Durethan XF (极易流动),在注塑成型模具中的流动性甚至超过了原来的一些产品。” 这就意味着,轻量级零部件的厚度可以进一步降低,因为塑料可以从更狭窄的通道中挤出。与此同时,由于材料无需加热到高温状态即可流动,还能帮助制造商节约成本。此外,零部件越薄,冷却速度越快,生产周期也就越短。最后还有很重要的一点,制造商可以在这些流动性更强的聚酰胺中加入更多增强纤维,使零部件的强度更出色,质量更轻。

汽车工程师们刚刚踏上降低油耗的漫漫征程时,可能很难想象会有如此广阔的技术天地。但长跑运动员都知道,在比赛过程中很多情况会发生变化。Zimnol 是否认为已经胜利在望? “这只不过是一个开始!”他回答道: “在减轻车身重量方面,塑料还大有可为。”

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