【行业综述】新一代汽车的七大领域新技术-汽车材料首当其冲

汽车材料网2019-01-10 09:12:26

编者按:在2014年在日本举办的“人与车科技展2014”上,为了在激烈的全球竞争中取胜而开发的最新技术齐聚一堂,获得了汽车行业技术人员的密切关注。此次展会上,[1]低燃耗、[2]小型轻量化、[3]削减成本、[4]自动驾驶、[5]新材料、[6]新接合技术、[7]新开发工具这七个领域都涌现出了值得关注的技术。


低燃耗:丰田的SiC功率半导体,欲将燃效提高10%
在本次展会上,参观者络绎不绝、最受关注的当属丰田展出的碳化硅(SiC)功率半导体。功率半导体是动力控制单元(PCU)的核心部件,PCU的作用是控制混合动力车(HEV)等的驱动马达的电流。采用SiC制作功率半导体可以降低电力损耗,大大缩小PCU的体积并大幅提高燃效。丰田共制作了两种SiC功率半导体,分别是控制电流开关的晶体管和控制电流单向流动(整流)的二极管。

左为晶体管,右为二极管。在丰田汽车自己的生产线上制造。

SiC功率半导体由丰田汽车、电装、丰田中央研究所合作开发。丰田汽车在公司内设置了SiC专用的清洁车间。除了晶圆是从外部彩后而来,其他基本都由丰田完成。

使用SiC功率半导体可保持相同性能,使PCU的体积缩小到1/5左右。

开发的目标是替代目前的Si(硅)功率半导体,使燃效提高10%,并且使PCU的体积缩小到原来的1/5。力争在2020年左右,使配备SiC半导体的PCU投入实用。对于成本问题,丰田的解说员表示,“SiC功率半导体的成本虽高,但我们更重视能降低燃耗的优点,所以采用,希望在其他地方削减成本”。

低燃耗:三菱电机展出业内最小的EV驱动系统,采用SiC功率半导体

三菱电机开发出了采用SiC功率半导体、从而缩小了体积的纯电动汽车(EV)驱动系统“EV Motor Drive System”。逆变器的功率模块采用了SiC功率半导体。与使用Si功率半导体的现有系统相比,体积缩小了一半。

SiC功率半导体除了能降低损失以外,还有助于实现逆变器的小型化,因为与Si功率半导体相比,采用SiC功率半导体能够缩小电路内电容器和线圈的体积。Si晶体管在关闭后无法立即断电,在一段时间内会持续通电(尾电流),但SiC晶体管不存在尾电流。因为没有尾电流,所以与Si相比,SiC晶体管能够实现约10倍的高频驱动(高速开关)。实现高频驱动后就可以减少一个周期的开关存储的电量,也就能减小电容器的大小。

业界最小的EV驱动系统。

逆变器嵌入马达的机壳内部,实现了一体化。这样不仅简化了布线和接线,还使马达与逆变器的冷却器合二为一,从而简化了水冷配管。

使用SiC功率半导体使逆变器小型化,并安装在马达机壳内实现一体化。

三菱电机的目标是2023年使这种驱动系统投入实用。希望通过SiC功率半导体普及产生的量产效应,再加上小型化与一体化,逐步压缩成本。

小型与轻量化:比玻璃轻40%,丰田自动织机实现车顶树脂化

使汽车车顶整体实现树脂化——丰田自动织机展出了由丰田普锐斯的聚碳酸酯(PC)双色成型车顶进化而来的,集成了太阳能电池、摄像头等众多装置的“多功能树脂车顶”。与车顶一体化的装置包括摄像头(前视摄像头与后视摄像头)、天线(鲨鱼鳍天线)、刹车灯(高位刹车灯)、太阳能电池。嵌入太阳能电池时,与使用玻璃覆盖相比,新树脂车顶的重量可减轻40%。而且,树脂的形状自由度高,可以轻而易举地实现玻璃难以制成的形状。因为没有分割线(部件的接合面),树脂还具有外观品质好的优势。

不只是玻璃窗部分,整个车顶都使用树脂材料以实现轻量化

小型与轻量化:使用竹纤维制作后座背板,比使用木板轻10%

与木质板材相比,采用竹纤维板制作的背板强度更高、重量更轻。

日本发条公司(NHK Spring)开发出了用于汽车内饰材料的竹纤维板。使用泰国产竹纤维,制作出了后座背板。与使用木质板材的现行产品相比,重量可减轻10%。

之所以考虑使用竹材,是因为竹子是天然资源,而且生长速度比树木快,有望实现稳定采购。树木从种植到采伐耗时近60年,而竹子只需3年左右。而且,竹子制成材料的成品率高于大麻槿。“大麻槿只使用表皮,而竹子除了枝叶都可以使用”(日本发条的解说员)。
制造方法采用抄造,与制造和纸相同。把青竹粉碎成宽0.2mm、长约50~60mm的纤维状,在120℃的温度下干燥2个小时,得到竹纤维材料。材料经过抄造,也就是与水和作为粘合剂的聚丙烯(粒径约为200μm)混合,浇到金属网上,制成厚5~10mm的板材。然后在130~160℃的温度下将板材加热约1分钟,在板材受热变得柔软时进行冲压。
小型轻量化:大成PLAS展示可漂在水面的结构材料,采用三层复合结构

由铝、聚丙烯(PP)、铝形成三层构造。

大成PLAS利用拥有铝板/聚丙烯(PP)/铝板结构的材料“metalSand”制造了座椅框架,并将其放在水中展示,该框架可漂在水面上,可见其重量之轻。其实,该公司在2013年就展出过这种材料,不过这一次有了明确的用途,该公司对相关技术做了更详细的介绍。
metalSand是在两层厚度为0.25mm的铝板之间,封入了厚度为4.0mm的聚丙烯。聚丙烯使用吹入超临界氮的“MuCell”工艺进行发泡,MuCell是日本制钢所的专利工艺。metalSand具有等同于1.6mm厚钢板(SPCC)的弯曲强度,但重量从108g减轻到31g,减轻了约70%。这要归功于聚丙烯层使两块铝板保持了一定距离,施加到每块铝板上的应力转变成为了拉伸、压缩的轴力,而不会造成弯曲。除座椅框架、地板等的单纯的结构材料,还可以用作结构材料兼隔热材料。

用于铃木“HUSTLER”。壁厚减薄至1.5mm,从而减轻了重量。使用添加了34%玻璃纤维的PA66。

小型与轻量化:德国马勒推出轻型汽车用气缸盖罩,通过使壁厚减至1.5mm减轻重量
德国马勒公司(Mahle)展出了通过使壁厚减薄至1.5mm而减轻了重量的铃木轻型汽车用气缸盖罩。盖罩采用注射成型法,使用的树脂在聚酰胺(PA)66中添加了34%的玻璃纤维。铃木已经在轻型汽车“HUSTLER”(2014年1月上市)的发动机“R06A”上采用了这种盖罩。过去的气缸盖罩的壁厚为2mm,通过减薄厚度,重量减轻了20%。为了避免欠注和强度不足,在侧面从气门到另一侧均设置了加强筋。

分离曲轴箱内产生的发动机油的油雾。体积缩小至1/4。

小型与轻量化:丰田纺织开发新式分离器,体积缩小至1/4

分离器的作用是在回收漏气(漏出到曲轴箱的未燃烧的混合气体)时,起到去除润滑油油滴的作用。丰田纺织采用新方式“惯性冲击”,使分离器的体积缩小到了过去的约1/4。这种方式是在流路的途中设置喷嘴和无纺布,使喷嘴加速喷出的漏气与无纺布接触。油滴渗入无纺布后会向下滴落。而在过去,去除油滴采用的方式是使漏气经过迷宫一般的流路,利用油滴的自重进行分离。

压缩成本:爱德克斯面向HEV开发成本减半的再生协调制动系统

爱德克斯公司(总部:日本爱知县刈谷市)开发出了用于混合动力车(HEV)的再生协调制动系统“ESC再生协调制动系统”。与汽油车配备的现行系统相比,其成本能够降低一半。

左为ESC单元,成本降低一半。右为助推器。

一般来说,ESC单元都会内置电动油压泵(马达与油压泵),用来产生车体侧滑、自适应巡航控制(ACC)进行车距控制等需要的“紧急”制动力。而新的再生协调制动系统则是“实时”利用电动油压泵的控制油压产生制动力,因此可以省去产生“实时”制动力所需的蓄能器(蓄压器)和电动泵。此外还与现行系统的部件实现了通用化。
压缩成本:电装展示体积减半的EGR阀单元,成本压缩40%
电装展出了柴油发动机用小型EGR(废气再循环)阀单元。体积比以往产品缩小了约1/2。通过减少使用的部件数量,成本可降低约40%。

通过使用凸轮连接两个阀门缩小了体积。

在构成柴油发动机的LPL-EGR系统的部件中,进气节流阀与EGR阀连在一起。借助连接两个阀门的凸轮,二者可实现联动,将过去开闭阀门所需的两个马达和检测阀门开关角度的传感器等减少至一个。能够使体积缩小约48%,成本降低约40%。通过改变凸轮的形状,可适用于更多的发动机。欧洲的乘用车企业预定在2015年4月之前采用这种阀单元。
自动驾驶:ZMP展示以HEV为原型的实验车,实现时速60km的自动驾驶

以“普锐斯”为原型的实验车“RoboCar HV”。

日本ZMP公司公开了在时速为60km的自动驾驶技术实验(2014年5月实施)中使用的车辆和记录实验过程的视频。实验车是以丰田的HEV(混合动力车)“普锐斯”为原型的自动驾驶汽车“RoboCar HV”。该车根据其两侧安装的红外线激光雷达的信息,通过推测自身位置进行行驶(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM技术)。使用车头的红外线激光雷达和车内的立体摄像头检测车辆前方的危险物体。


车身两侧安装的红外线激光雷达。
用来检测前方危险物体的立体摄像头。

自动驾驶:TTDC公开按照设置踩放踏板的驾驶操作机器人

丰田技术开发公司(TTDC,总部:爱知县丰田市)展出了代替驾驶员操作油门和刹车的机器人。这种机器人可以根据设定的数值踩下油门和刹车的踏板,实现精确定量的驾驶试验。还可以用来检测改变踩踏力和时间时车辆的行为数据。

替代驾驶员操作油门和刹车。

致动器配置在驾驶员脚下。致动器的冲程为130mm,额定推力为200N,重18kg。控制单元重12kg。机器人目前仍在开发阶段,TTDC今后还计划开发可操作方向盘的机器人。设想的需求是汽车企业的车辆实验等。

新材料:日本聚丙烯公司开发出用于汽车外板的聚丙烯,尺寸变化堪比铝合金

日本聚丙烯株式会社(总部:东京)展出了新开发的线性膨胀系数与铝合金相当的聚丙烯(PP)材料“WELNEX/GF”,主要面向翼子板等汽车外板用途。

新材料制作的前翼子板。

WELNEX是以茂金属为催化剂制造的新型聚丙烯。其特点是具备弹性材料那样的柔软性。过去主要面向汽车内饰开拓用途,已有采用先例。使用茂金属催化剂制造的聚丙烯还具有线性膨胀系数低的特点,该公司利用这一特点,开发出了适合外板用途的WELNEX/GF。
除了线性膨胀系数低之外,WELNEX/GF还具有涂装外观精美、几乎看不到焊接线等特点。为了提高机械特性,在其内部填充了20%的玻璃纤维,但与填充滑石粉一样不易翘曲,成型时的尺寸精度也非常出色。不过,因为耐热性差,目前还无法支持线上喷涂。

新材料:汉高日本发布FRP用新基体树脂,展示采用新材料制成的成型品
德国汉高(Henkel)的日本法人汉高日本公司展出了使用新型聚氨酯类基体树脂“Loctite MAX3”制作的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的成型品(汽车的车顶材料)。与目前常用的环氧树脂相比,成型时间更短。

利用高压RTM成型的汽车车顶材料(汉高日本)。

新型树脂的耐热性指标——玻璃化温度达到了与环氧树脂相同的125℃。机械特性中,延展率和韧性超过环氧树脂,拉伸弹性模量和拉伸强度与环氧树脂相同。而且,这种材料在高温下的粘度低,在RTM(Resin TransferMolding)工艺的注塑工序中更容易渗入强化纤维。树脂本身的硬化时间也比较短,从注入成型模具到脱模的时间(脱模时间)可以缩短到环氧树脂的1/5左右。使用高压RTM工艺制作此次展示的CFRP车顶材料所需的脱模时间为5.5分钟。

新材料:东海橡胶工业开发出具有行人保护功能的聚氨酯发动机罩

东海橡胶工业开发出了具有行人保护功能的发动机罩。这种发动机罩使用柔软且具有缓冲性的聚氨酯一体成型,能够减弱发生事故时对头部的冲击。现行的发动机罩使用聚酰胺类树脂成型,背面(下侧)贴有用来隔音的聚氨酯构件。

能够在发生事故时降低头部所受冲击的发动机罩。使用聚氨酯成型。

当汽车正面撞击行人时,在保险杠的撞击下,行人会双腿离地,头部撞在汽车的前发动机罩上。此时,前发动机罩会发生变形,使行人的头部撞到其下方的发动机。而新发动机罩提高了冲击吸收性,在这种情况下,行人头部受到的冲击可较现行发动机罩降低35%。该发动机罩对车辆外观等设计没有限制,效果等同于在发动机罩与发动机之间设置较大间隙的方法。

新材料:几分钟即可成型的CFRP,可形成毂和肋


用“Polymarl MAT CZ”制成的试制品,Polymarl MAT CZ中使用了碳纤维材料
毂部放大。在成型时材料流动顺畅。

三井化学与日本触媒的合资公司Japan Composite(总部:东京)在三井化学的展位,展出了一项开发完成的技术——可在几分钟内成型的CFRP材料“Polymarl MAT CZ”。这种材料的比强度大于铝合金,与镁合金相当。采用SMC(Sheet Molding Compound)成型法,首先让切割成几十mm~100mm左右的碳纤维浸泡热固性树脂,然后在使用模具进行加热的同时压缩成型。碳纤维不进行编织。成型时间约为4分钟,而过去的RTM成型法,也就是在封闭模具后浸泡树脂的方法需要160分钟,新方法大大缩短了成型时间。而且,新材料成型时的流动性非常好,能够流入模具的细节部分,形成毂(boss)和肋(rib)。
新连接技术:大成PLAS试制仪表板加固部件,宣传金属树脂接合技术

大成PLAS(总部:东京)利用对金属实施自主表面处理,使之与树脂牢固接合的“NMT”技术,试制了仪表板加固用部件并进行了展示。该部件是在铝合金管(横管)上接合了树脂支架。今后,该公司将请汽车厂商对接合品质进行评估。

金属管与树脂支架接合。

该部件的主要作用是让金属管承受仪表板左右受到的压力,与用来安装气囊的树脂部件实现了一体化。接合强度优异,在向树脂部件施力时,即使树脂受损,接合部分也不会发生损坏。
如果能够实现金属与树脂的牢固接合,就可以用树脂替换部分金属部件,从而减轻车重。但是,由于目前尚无确保强度的方法,所以汽车企业难以决定采用。该公司将向汽车企业提供基本可以应用于实车的试制品,让汽车企业实际进行测评,以促进这项技术的应用。

新接合技术:三井化学开发密封垫圈用液态烯烃橡胶,可与金属一体成型









液态烯烃橡胶与金属的一体成型品(试片)。下为拉伸试验中烯烃橡胶断裂,但接合部分依然未剥离的状态。

三井化学展示了正在面向电气电子零部件密封材料和燃料电池密封垫圈等用途开发的液态烯烃橡胶(三元乙丙橡胶)。与现行的液体硅胶相比,这种橡胶的透湿性仅为其1/30,而且耐酸碱性强。另外,与通常的乙丙橡胶相比,成型(交联)时间更短。
这种橡胶在液态下涂布,通过加热至高温发生交联反应来固化。可与金属一体成型,使用通过“NMT”(大成PLAS)处理的金属进行试验时,试片的接合部分实现了高达1MPa的剪切强度,足以满足需要,在拉伸试验中,直至烯烃橡胶断裂,接合部分仍未剥离。这可能是因为橡胶在成型前的流动性高,充分进入了NMT处理在金属面上形成的细微凹凸中。
与金属一体成型时,需要另外准备交联剂和催化剂,在成型之前进行混合,注入保持170℃高温的模具。交联反应只需约15秒即可完成。

应用于汽车车门和外板等的隔音性能评价实验。

新开发工具:日东纺音响工程开发出麦克风紧贴车门表面的检测装


日东纺音响工程公司(总部:东京)开发出了扫描汽车车门饰板和外板表面附近,检测并收录声音的“声响强度自动3D扫描仪”。该装置的作用是让麦克风沿车门和外板等表面移动,找出漏音大的部位。决定麦克风移动方式的方法有两种方式,一是根据车门饰板的3D模型计算麦克风的轨道,二是沿麦克风的行进方向,在数cm之外配置激光距离传感器,根据传感器的检测结果,决定探出或缩回麦克风。后者无需制作3D模型。

对有凹陷的板材进行检测的演示

新开发工具:丸文开发出非接触检查外板凹凸的仪器,向汽车投射检测结果以便确认

丸文公司参考展出了以非接触方式检测曲面形状表面上的凹凸等、用颜色和数字将检测结果投射到被检测物体的设备“dentCHECK”(美国8-Tree公司生产)。这种非接触式3D检测仪主要用于检测汽车车体的外板表面和车门周围的缝隙等。能够通过图形和数字,把检测结果投射到检测对象上,使检测者当场定量掌握凹凸的形状。

在用户看来,计算结果仿佛浮在空中。

新开发工具:日本CDH利用实物大小的立体影像展示CAE的计算结果

CDH日本公司(总部:横滨市)展示了由应用于有限元分析的后处理器“Animator4”(德国CDH公司)与佳能的MR(Mixed Reality)系统“MREAL”组合而成的系统。表现分析计算结果的立体图形可以在实际空间中以原始大小呈现,仿佛真实存在一般。只要客户有需求,该系统随时可以销售。其原理是MREAL提取Animator4的图片信息,与实际的场景组合在一起。

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