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        科技資訊
        助力寶馬MCV量產化的碳纖維預成型設備
        時間:2016年2月19日  來源:汽車輕量化CFRP
        作為寶馬首款量產的電動車,Megacity Vehicle擁有全新開發的動力傳動系統和創新的汽車結構,它將嚴謹的輕量化設計與極佳的空間利用率和極大的撞擊安全性集于一體。在寶馬集團的蘭茨胡特創新技術中心,一套康隆(Cannon)的預成型設備被用于該創新車型的所有復合材料車頂的生產中。

        2010年7月1日,寶馬集團在位于德國慕尼黑總部舉辦的“2010寶馬集團創新日”活動期間,發布了其全電動汽車Megacity Vehicle(以下簡稱“MCV”)的詳情,這是寶馬集團的首款由電驅動的量產車型?;贛CV,寶馬將為可持續的城市交通提供創新的解決方案。
         
         
        MCV將于2013年上市,并將以寶馬旗下的一個品牌進行銷售。2001年,寶馬集團為其蘭茨胡特創新技術中心指定購買了一套康隆(Cannon)的預成型設備,并將其用于該創新車型的所有復合材料車頂的生產中。
         
         
        在一篇長達40頁的、以“未來的交通工具”為主題的報告中,寶馬集團突出了驅使其開發這款全電動車的理念。該公司聲稱,MCV是“世界首輛全新的電驅動的汽車”。出于對由氣候變化和全球變暖,以及資源的日益匱乏和對可持續性的需要而導致的對環境問題的關注,該報告的作者指出,針對交通工具的新的解決方案正為以城市化為特征的大城市所需求。
         
         
        寶馬集團對此的響應可以用一個詞來表達:Electromobility或E-mobility。寶馬集團認為,E-mobility可作為一種可行的方案,來滿足未來對個人交通工具的需求,其一大優勢在于零局部排放。由于E-mobility所涉及的是電流而非需要被轉變成牽引力的燃油,因此在運行中不會產生有損氣候的尾氣。
         
         
        E-mobility是寶馬集團“高效動力(EfficientDynamics)”戰略的一個組成部分?;谶@一戰略,寶馬集團通過采用新一代的高效率發動機、空氣動力改進措施、輕量化的結構以及智能化的能源管理方式等,目前已在降低消耗和排放方面取得了巨大成功,同時還實現了更好的駕駛性能。這使得該集團能夠在1995~2009年期間,將所有寶馬車的CO2排放量降低了1/3。直至今天,通過高效動力(EfficientDynamics)戰略,寶馬集團正在通過對動力傳統系統直至混合動力系統做進一步的電氣化改進,來實現更大的消費收益。作為一項長期戰略,高效動力(EfficientDynamics)意味著該集團將通過使用電池動力以及可再生氫能源技術,逐步轉向制造無排放的汽車。
         
         
        一項全新的設計
         
         
        對MINI E和寶馬ActiveE概念車的開發工作表明,任何一種只是簡單地將現有的內燃機汽車轉變成依靠電驅動的汽車(轉化車)的方法都不能夠寄希望于充分利用電驅動的潛力。與一輛在現有技術平臺基礎上開發出的“轉化電動車”不同,MCV是完全圍繞著E-mobility的特定需求而毫無折中地、專門設計的車型。MCV擁有全新開發的動力傳動系統和創新的汽車結構,它將嚴謹的輕量化設計與最佳的空間利用率和最大的撞擊安全性集于一體。
         
         
        通常,一輛電動汽車(EV)的動力傳統系統的重量要遠高于一輛內燃機汽車的動力傳統系統(還包括整個燃油箱)的重量,一套電驅動系統(包括電池)的重量大約超過100kg,其中電池是主要的重量源。為了消減動力傳動系統帶給汽車的額外重量,寶馬集團正在加緊展開采用輕量化設計原則以及使用創新材料的研發工作。根據零部件的使用部位和要求,通過為每個部件選用最適合的材料,可以說,目前寶馬集團的工程師們已經成功地確保了較重的電池只給汽車增加少量的重量。在對這一4座位的汽車減重的過程中,基本的原則是用模塑成型的碳纖維復合材料部件或鋁合金部件取代所有的鋼制部件。
         
         
        用途設計——LifeDrive概念
         
         
        在這一面向現代車身結構的開發工作中,盡管輕量化設計是一件非常重要的工作,但它卻只是其中的一個方面。汽車的整個電氣配置使得寶馬集團的工程師們必須重新思考汽車的結構設計,以使它能夠適應未來交通工具的要求和實際使用情況?;贚ifeDrive概念,他們采用了“用途設計”的原則,目的是為了創建出一種革新的車身概念,以使其與未來汽車的用途和使用范圍直接相關,并為材料的創新應用創造條件。與圍繞車身框架構建汽車相類似,LifeDrive概念包含了兩組平行而獨立的模塊:驅動模塊(Drive module),即鋁合金的底盤構成了汽車的穩固基礎,它將電池、驅動系統、車體結構和基本的撞擊功能件集成在一個單一的結構中。與其配合的生命模塊(Life module)主要由高強度且相當輕的乘員單元組成,它由碳纖維增強塑料(簡稱“CFRP”)制成。利用這一創新概念,寶馬集團為輕量化設計、汽車結構和碰撞安全性等補充了全新的標準。
         
         
        正確的位置擁有正確的強度
         
         
        這種高強度材料的奧秘在于碳纖維。與具有各向同性(在所有的方向上具有同等的強度)的金屬如鋁合金或鋼相比,CFRP材料是各向異性的,這賦予了該材料相當高的強度,就像是一根棒子,沿著一個方向,或者說沿著拉伸/壓縮的軸向而具有很高的強度。這是CFRP的關鍵優勢所在:CFRP賦予部件的這種抗應力性能,使得部件能夠很好地與實際遭受的載荷相匹配,就像自然界中的骨骼結構或植物枝干一樣,只在真正需要的部位使用較強的結構。因此,寶馬集團的工程師們同樣地訂制了CFRP部件的厚度和纖維排列,包括在將來制品需要承重或受力的方位,變化變纖維的使用量及其軸向排列,從而使CFRP部件滿足實際的使用要求。這些經過精確計算的部件參數還有助于實現重量的最小化。正如鋁合金對鋼的取代一樣,采用CFRP不只是一種簡單的直接替代,利用其特有的性能,這種高科技材料還為采用全新的設計概念和生產方法打開了可行之門。電動車正是使用CFRP的一個恰當例子。作為一種適用于車身部件的材料,CFRP的輕量化特性為實現更高的動力/重量比提供了巨大的潛力,從而可確保更長的運行距離。如果對該材料的理解正確,還能夠有策略地將其用于廣泛的輕量化汽車中,以實現對汽車的重大改進。
         
         
        寶馬集團的技術專知
         
         
        早在2003年,寶馬集團就引入了與高質量的CFRP部件的批量化生產直接相關的下一代的生產系統。這一當前非常先進的生產工藝具有非常短的循環時間,而且其產能也在逐漸提高。目前,寶馬集團位于德國的蘭茨胡特工廠甚至能夠大批量地生產CFRP的車頂(用于寶馬M3和M6車型中)和保險杠支架(用于寶馬M6車型中)。寶馬集團的CFRP專家們已不斷地完善了蘭茨胡特工廠的CFRP生產工藝,并使該生產線的自動化水平得到了持續改進,由此,使得第一次低成本地實現CFRP車身部件的大批量生產并達到高質量標準成為可能。蘭茨胡特創新技術中心(簡稱“LITZ”)的工藝工程師們因此而排解了增加碳纖維部件在車身制造中應用的一個主要障礙。
         
        預成型和預制件的連接——一個部件的成型
         

         
         
        在所謂的“預成型”階段,首先需要對平織物進行裁切以獲得一定的形狀。在此過程中,一個熱源被用于為一個織物疊層提供穩定的三維輪廓的加熱。此時,該部件的最終形狀已清晰可見。隨后,在這些預成型的疊層套料中,將其中的幾個連接在一起,以形成一個較大的部件。按此方法,可以用CFRP生產部件,例如,可以生產出高度集成的大表面積的部件,而用鋁合金或鋼板制造的類似部件將極為笨重,這為車身的設計和制造帶來了重要的優勢,例如,可將要組裝的零部件或其他的特裝直接集成到該部件中。此外,只需一副成型模具,即可生產出復雜的結構部件以及具有不同壁厚的整個車身模塊。在預成型和預制件的連接這兩個工藝過程中,一大挑戰在于要確保柔韌的織物具有良好的生產加工性,以使預制件能夠維持穩定的形狀,并能夠以最大的精確性將它們連接在一起。在此方面,寶馬集團在過去的幾年里同樣獲得了寶貴的經驗積累,他們可根據最終成型部件想要的力學性能,用選取的碳纖維織物,精確而細致地組合成具有不同織物層次的夾層結構。
         
         
        采用RTM工藝的高壓樹脂注射
         
         
        這些連接好的預制件現在準備著進入下一工藝制程中,即樹脂注射。作為復合材料結構中的第二大重要的組成部分,樹脂可確保這些預成型的疊層能夠永久地保持預先設定的形狀。樹脂傳遞模塑成型(簡稱“RTM”)工藝涉及將樹脂高壓注射到預制件中。纖維與樹脂之間的牢固結合,以及隨后的固化過程都為材料帶來了剛性,這對于產品的出色品質起著關鍵的作用。
         
         
        最后的加工——用水刀切割對部件進行修飾精整
         
         
        在樹脂注射并固化后,生產過程基本上就結束了,剩下的則是精整工作,例如,對輪廓做精細的裁切,以及為嵌件的置入加工更多的開孔(它們可能仍然是必要的)。在寶馬集團的工廠中,這種精整工作是由一臺水刀切割設備完成的。經過注射樹脂,CFRP部件已經完成。由此制備好的部件非常僵硬且堅固,若使用一般的銑切工具加工,銑床刀頭很快就會出現磨損問題,從而需要頻繁更換。如果使用水刀切割和鉆孔就不存在這些問題了。
         
         
        大批量生產總是一個目標
         

         
         
        隨著產量的穩步提高,以及創新工藝的不斷開發,寶馬集團目前已在其內部積累了大量的經驗知識。這種技術專知遍布于寶馬集團的員工、生產設備和生產工藝中。歸功于堅定不移的專注于一個高于一切的目標,即實現CFRP部件的大批量生產,從而為寶馬集團獲得如此高水平的專知提供了可能。
        2001年,一套Cannon Tecnos預成型設備被提供給寶馬蘭茨胡特創新技術中心,用于該項目的開發工作。目前這套設備已進入全面生產狀態,為寶馬M3和M6車型生產所有的車頂預制件。
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