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行业技术|福特全球首款量产碳纤维轮毂:推轻量化材料应用

   更新日期:2017-03-23     来源:建材之家    作者:博一建材    浏览:71    评论:0    
核心提示:刚刚在美国发售的全新Shelby GT350R被认为是有史以来赛道竞速实力最出色的量产Mustang车型,为了确保车型卓越的性能及操控,福特首次为其配备了全碳纤维材质轮毂,这也是全球首款大规模量产的碳纤维轮毂。此前,一些汽车改装品牌以及超跑制造商针对少量的超跑客户提供碳纤维轮毂,但这次福特需要和澳大利亚供应商Carbon Revolution应对新的挑战——

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博一建材讯:刚刚在美国发售的全新Shelby GT350R被认为是有史以来赛道竞速实力最出色的量产Mustang车型,为了确保车型卓越的性能及操控,福特首次为其配备了全碳纤维材质轮毂,这也是全球首款大规模量产的碳纤维轮毂。

此前,一些汽车改装品牌以及超跑制造商针对少量的超跑客户提供碳纤维轮毂,但这次福特需要和澳大利亚供应商Carbon Revolution应对新的挑战——制造出首款最具赛道能力的量产碳纤维轮毂,作为Shelby GT350R的标配。

为此,福特在该碳纤维轮毂的设计、研发和测试阶段都采用最高质量标准,最终带来前所未有的底盘性能提升、大幅度的减重和更上层楼的驾驶动态。

在原型车早期测试阶段,这一碳纤维轮毂表现出显著的潜力——可以提升悬挂响应速度、底盘动态性能、转向质感和驾乘品质。最终福特决定将它应用于量产车上,这意味着工程团队开发出的轮毂必须满足福特严苛的耐久性、质量、工艺和更高级的质感标准。

为何选择碳纤维?

在跑车发烧友的“梦想性能组件清单”中,碳纤维轮毂占有重要席位。即使在选择屈指可数的超级跑车世界里,目前也只有柯尼塞克(Koenigsegg)提供了碳纤维轮毂选装件。

通常来说,降低整备质量有利于提升车辆的动力性能,而降低簧下重量(未被悬挂支撑的那些车辆部件,如轮毂)则能显著提升车辆的操控性能。较低的簧下重量有助于减少车轮转动惯量,显著缩短车辆对驾驶员动作的反应时间,使车辆拥有更快的启动、停止以及转向速度。在颠簸起伏路况下,悬挂对保持车辆贴地性有着至关重要的作用,较低的簧下重量将大大减轻复杂路况下悬挂部件的运作出力幅度,使车身姿态更加从容。
“GT350R的碳纤维轮毂和定制轮胎是我们生产的拥有最出色的赛道竞速实力的部件,”福特全球性能车业务底盘主管Adam Wirth说道。“与铝合金轮毂相比,碳纤维轮毂将使车重减少近28千克,同时拥有更好的刚性,带来更灵敏的转向响应。”

设立新基准

福特的合作伙伴,来自澳大利亚的Carbon Revolution是一家领先的碳纤维轮毂制造商,在这一项目上,福特和供应商都非常清楚,只有采取显著创新才能满足Shelby GT350R的性能要求。该项目将为量产碳纤维轮毂设立行业标准。

福特为轮毂设立了极高的测试要求。轮毂必须经受路缘撞击、紫外线照射和化学品接触、极端高温耐久性测试等一系列测试。GT350R轮毂需要满足所有这些要求才能进行量产。

人们对碳纤维的一个常见误解是,碳纤维强度虽高,但属于脆性材料。事实上,某些碳纤维配方可能具有这种硬但脆的特性,但碳纤维树脂所具有的高耐久性正是轮毂部件所追求的。Shelby GT350R的碳纤维轮毂设计标准为具有高刚性、轻量化和高弹性。

在福特的研发过程中,车轮面临的最严峻的测试之一是以高速撞击路缘。如果没有合理的设计,这会对轮毂和轮胎造成严重的损坏。凭借较轻的重量、先进的结构和轮毂中的树脂成分,以及极其先进的MagneRide电磁减振器,Shelby GT350R悬架能够对撞击进行快速反应,碳纤维轮毂使得车辆簧下重量得以大幅度降低,从而进一步提升悬挂反应速度,可以大大减少冲击的损害程度。

在赛道测试过程中,制动系统在极端条件下会产生大量热量,这对碳纤维复合树脂材料来说是一大挑战,需要采用最先进的热障技术加以应对。制动温度测试结果表明,Shelby GT350R的超强制动系统产生的制动盘温度超过900摄氏度,这要求轮毂设计标准从公路行驶规格提升到更适合赛车的热标准。

几十年来,为了提升在极端受热条件下的耐久性,航空航天业内采用陶瓷涂层方法处理涡轮叶片材料。该技术也用于顶级开轮式赛车中(如F1)。福特与Carbon Revolution针对碳纤维轮毂研发的热障涂层系统采用了相同的技术。

Carbon Revolution的热障涂层系统专为赛车和航空航天应用而设计,这些应用领域都会遇到极端温度条件。该系统采用多级多材质涂层配方,可以提供优异的热障效果。使用等离子电弧喷枪将陶瓷材料液化,并将其涂布在轮毂内圈的关键部位以及辐条背面。形成厚度极薄、硬度堪比金刚石的涂层,能够可靠地使用树脂隔热,降低车轮温度,使车辆能够承受住最富攻击性车手在赛道的激烈驾驶。

测试并未到此结束。当轮毂暴露在极端恶劣的强紫外线环境、腐蚀性盐类和道路化学物质中时,为了实现福特标准要求的耐久性,需要研发特殊涂层,保护这种树脂免受环境影响。

福特要求所有汽车部件都拥有完美光滑的表面,这对碳纤维部件极具挑战性。福特为此研发出一套新工艺,可以实现高强度、高光泽的黑色漆面,不仅美观,更能确保轮毂具有较长的寿命。

高标准测试和生产

制造碳纤维轮毂的第一步是制造预成型内部碳素结构,其由精确制造的、排列入机织织物的碳链组成。随后这些结构将被置入采用先进制造技术的模具中。

具有唯一跟踪号码的RFID芯片被嵌入该结构中,每只轮毂数据都被单独输入到质保系统中。该结构一旦组装完毕,就会被注入树脂,并在高温下完成固化。

这一生产流程确保碳纤维轮毂的一次成型,减少了辐条与轮缘的粘接,从而确保轮毂拥有最高强度。

轮毂完成固化并从机床上取下之前,会记录61项单项检查结果和246,000多个数据点。为了保证零件的质量,采用三维电脑断层扫描(CT)成像过程对轮毂进行分析,拍摄18,000多张X射线图像。通过检查后的轮毂会进行阀杆机械加工、钻孔,然后进行喷漆、上涂料、组装、尺寸检查,最后运至Flat Rock组装厂,安装到新款Shelby GT350R Mustang上。

优越性能

毫无疑问,福特Shelby GT350R Mustang拥有令人惊艳的极速,但通过将每个轮毂的重量降至铝合金轮毂的将近一半(铝合金轮毂为15千克,碳纤维轮毂为8千克),操控和加速性能会得到极大的改善。轮毂的大幅减重还使得转动惯量降低40%以上,从而进一步改进加速和制动性能。降低的簧下重量同样使得车辆悬挂系统能以更快速度响应路况变化。

“我们相信这一业内首款量产碳纤维轮毂将给行业带来新变化,” Adam Wirth补充道。“这是福特在性能创新上的又一完美范例。”

福特轻量化策略里程碑

轻量化是福特可持续发展蓝图上非常关键的一部分,对此,福特的原则是:“在对的时间,针对对的车型,采用对的材料”。对于提升车辆效率和降低二氧化碳排放来说,现在需要的是更先进的材料,诸如碳纤维和其他种类的复合材料。

• 2015年:1月揭开面纱的新福特GT,其设计语言正是基于对新材料的使用,达成了之前采用金属板所不能塑造的外形,高强度粘合材料让碳纤维和铝合金紧密结合,因此新GT的空气动力学性能才能在“非传统”的解决方案下达成(如“飞檐斗拱”设计)。

• 2015年:4 月,福特和DowAksa公司就大规模生产“汽车级别”的碳纤维材料达成共识,此举将让整个行业在轻量化方面受益。

• 2014 年:福特全新F-150 提升了铝合金材料在量产车上应用的标准。不仅如此,下一代Super Duty系列也将采用同样的铝合金方案。高强度钢与铝合金的使用让新 F-150具备更强的拖拽能力、更迅猛的加速、更短的刹车距离,同时还拥有更长的续航里程。

• 福特混合材料轻量化车(MMLV,Mixed-Materials Lightweight Vehicle)所秉持的轻量化概念让一部蒙迪欧级别的中型车的重量仅与一辆福特嘉年华级别的小型车相当,减重将近25%,同时探索了将先进材料应用到未来的量产车生产中的种种可能性。

• 轻量化概念采用了被称为“再混合”的整体性方案以达到减重目的——将包括超高强度钢、下一代混合抛光和化学强化玻璃等先进材料融入到车辆的整体设计之中,包括动力总成、底盘、蓄电池以及诸如座椅等汽车内饰。

• 挡风玻璃是轻量化概念中极为重要的一部分——每一块挡风玻璃都采用了化学强化玻璃,类似于智能手机屏幕所用的材质。

• 轻量化概念下的 1.0 升 EcoBoost 发动机也进行了减重处理,包括复合模块化结构、碳纤维强化油底壳以及铝合金连杆。

• 2005 年:福特 GT 是首款采用全铝合金材料的福特汽车,其采用了当时最大的碳纤维汽车单一部件——车后内侧盖板。

• 1992 年:福特开始广泛研究以先进材料进行减重。全铝车型 (AIV) 项目设计了 40 款 AIV 样车,展现了满足耐用性、抗碰撞性和静肃性 (NVH) 要求的铝合金车身结构,及相应的冲压、焊接和粘合能力。


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