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寶馬正在積極推行“多材料”結(jié)構(gòu)，例如純電動(dòng)汽車“i3”和插電式混合動(dòng)力車“i8”采用了CFRP（碳纖維強(qiáng)化樹脂）制駕駛室組合鋁合金制車體下部的車身。2015年6月發(fā)布的新款“7系”，則是新一款實(shí)現(xiàn)了多材料化的車輛。其車體骨架中融合了CFRP、鋁合金和鋼板，采用了新的輕量結(jié)構(gòu)。下面就來看看其中的新技術(shù)。
利用CFRP減輕重量、提高剛性
多材料結(jié)構(gòu)的目的是，通過將各類材料運(yùn)用在適合的部位，實(shí)現(xiàn)車體的輕量化。為了讓以鋼板為主的傳統(tǒng)車體骨架大幅減輕重量，這項(xiàng)技術(shù)從很早以前就被看好。
歐洲的汽車企業(yè)順應(yīng)這個(gè)潮流，在骨架中采用鋼板與鋁合金相結(jié)合的結(jié)構(gòu)的車輛越來越多。而對(duì)于CFRP，除了部分高級(jí)跑車外，并沒有全面推廣。
這一次，寶馬新開發(fā)了車身結(jié)構(gòu)，7系除了鋼板和鋁合金外，還積極采用CFRP作為骨架的加固件。
基本骨架采用鋼材，但A柱的內(nèi)部等部位使用了CFRP部件，通過提高剛性和強(qiáng)度，減輕了車體重量。使用傳統(tǒng)的單體車身，并實(shí)現(xiàn)了CFRP等多材料結(jié)構(gòu)的例子非常少見。
寶馬將這種采用了CFRP的車體設(shè)計(jì)技術(shù)稱作“Carbon Core”。之所以這樣命名，是因?yàn)樵阡摪逯瞥傻姆忾]截面的內(nèi)側(cè)，插入了CFRP制作的芯材，詳細(xì)情況將在后面介紹。
設(shè)置在骨架上的標(biāo)牌
7系在德國(guó)的丁戈?duì)柗遥―ingolfing）工廠生產(chǎn)。這里也為勞斯萊斯（Rolls-Royce）生產(chǎn)鋁車體，負(fù)責(zé)寶馬產(chǎn)品的傳動(dòng)系統(tǒng)及底盤部件的制造。CFRP部件也由該廠生產(chǎn)，在細(xì)致的品質(zhì)管理之下，使用機(jī)器人組裝車體。
寶馬為新款7系提出的技術(shù)主題是“Efficient Light Weight”。7系在充實(shí)了安全裝備等的同時(shí)，整車重量較上一代車型減輕了130kg，車體骨架減輕約40kg。不僅利用CFRP部件實(shí)現(xiàn)了輕量化，還以駕駛室部分為中心，強(qiáng)化了抗彎性和抗扭剛性。
據(jù)寶馬介紹，從原材料的生產(chǎn)到報(bào)廢時(shí)的回收利用，整個(gè)生命周期的二氧化碳排放量比上一代減少了約25％。
下面就以車體骨架為中心，逐一看一看采用CFRP部件的具體部位。在車體骨架上，黑色部分采用的是CFRP，銀色部分是鋁合金，灰色部分是高張力鋼板。在7系上，室內(nèi)與行李艙的隔斷、C柱的加固件采用了CFRP。
采用多材料結(jié)構(gòu)的車身骨架
CFRP在車頂周圍的采用比較突出，這估計(jì)是為了減輕駕駛室頂棚的重量并降低重心。寶馬在車體中次采用CFRP，是2003年推出的“M3 CSL”（E46型）的車頂。
車體采用的CFRP由3種成型方法制成。先是引人注目的車頂縱梁，將CFRP作為了中空封閉截面結(jié)構(gòu)的芯材。CFRP芯材的長(zhǎng)度不到3m，為一體成型，周圍覆蓋著鋼制表皮。通過使該部件貫穿車體上部，為輕量化和剛性強(qiáng)化作出了貢獻(xiàn)。
車頂縱梁使用CFRP加固（沿左右連接車頂前端與車頂梁內(nèi)側(cè)的加固件）
作為加固件使用的是罩在鋼梁之上、橫在車頂前端和車頂后部的CFRP板（頂梁）。連接B柱、橫跨車頂?shù)捻斄海瑒t采用具有封閉截面結(jié)構(gòu)的CFRP部件。這種封閉截面結(jié)構(gòu)的頂梁通過兩端安裝的鋼支架，與車頂縱梁接合。
擴(kuò)大鋁合金部件的采用
不只是車頂周邊，CFRP部件在其他地方也很多。作為車體骨架的加固件，CFRP板被用在B柱、C柱、側(cè)梁（4處）。這也可以說是這種車體結(jié)構(gòu)的一個(gè)特點(diǎn)。
CFRP板被鉚接在B柱上起加固作用，C柱則與SMC（Sheet Molding Compound）板鉚接在了一起。SMC是熱固性樹脂含浸于碳纖維中制成片材后，使用沖壓機(jī)進(jìn)行加壓和熱固化制作的預(yù)浸材。
C柱的加固件
C柱上的SMC可以回收利用，車內(nèi)和行李艙的隔斷也使用了這種材料。門檻梁通過內(nèi)置方形的CFRP部件，在強(qiáng)化剛性的同時(shí)還有助于減輕重量。
地板方面，為了強(qiáng)化剛性并減少變速箱傳來的振動(dòng)等，在通道配置了CFRP加固件。該加固件巍〕形，罩在通道上。
通道的加固件
板材估計(jì)是采用RTM（樹脂傳遞模塑）方式成型的。RTM是在模具內(nèi)事先疊層碳纖維片材，然后注射熱固性樹脂的工藝。這時(shí)要同時(shí)注射硬化劑，通過使浸入碳纖維縫隙中的樹脂凝固，便可制作出想要的形狀。這種工藝的特點(diǎn)是成型只需要幾十分鐘時(shí)間，速度比較快，i3車體的絕大部分都采用了這種方法。
在其他部位，前輪罩內(nèi)的支架也通過與鋁合金制前側(cè)梁接合的形式，使用螺絲固定CFRP板進(jìn)行了加固。
圖8：前輪罩內(nèi)側(cè)的支架
采用鋁合金部件是比較常用的輕量化技術(shù)，新款7系從車體前端的碰撞吸能盒，到發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車門飾板和行李艙蓋，車體的主要構(gòu)件都采用了鋁合金。
主要的應(yīng)用部位包括發(fā)動(dòng)機(jī)固定件、后門檻梁、門鎖扣板、保險(xiǎn)杠支撐梁的支架等。在正面沖撞時(shí)用來吸收沖擊的結(jié)構(gòu)件更是大量采用鋁合金。
再利用性方面，7系使用的鑄鋁制品的50％是二次使用材料。在采用CFRP的同時(shí)，使用可回收利用的鋁制部件，可見是為了減少生產(chǎn)中的能耗。順便一提，7系的車門內(nèi)飾和行李艙蓋的內(nèi)襯在寶馬品牌車型中，次采用了可回收利用的天然材料大麻槿。
懸掛部件也大量使用鋁合金部件。前后的彈簧支持部采用的是鋁合金鑄件。除此之外，輪轂架、制動(dòng)鉗、制動(dòng)盤、橫臂等也使用了鋁合金部件，左右著乘坐舒適性等動(dòng)態(tài)性能的簧下重量，比上一代減輕了約15％。
懸掛上方的安裝部分為鋁合金鑄件
鋁合金部件（從左至右：輪轂架、制動(dòng)鉗、制動(dòng)盤、輪轂軸承、橫臂）
上代7系的制動(dòng)鉗由鋁合金和鋼制的2種部件構(gòu)成，夾住剎車片的部分為鋼制。而新7系的制動(dòng)鉗全部采用鋁合金，實(shí)現(xiàn)了輕量化。而且，鋼制的輪轂軸承也改進(jìn)了形狀，通過去掉功能上多余的部分減輕了重量。
制動(dòng)鉗的比較：左側(cè)的以往產(chǎn)品在鋁合金的基礎(chǔ)上，局部使用鋼材；右側(cè)的新開發(fā)品全部采用鋁合金材料
輪轂軸承的比較：鋼制部件也實(shí)現(xiàn)了輕量化，與以往產(chǎn)品（左）相比，新開發(fā)品（右）去掉了螺母周圍多余的部分。
寶馬強(qiáng)調(diào)，懸掛的輕量化不僅能實(shí)際減輕重量，幫助提高燃效，還能發(fā)揮出提高乘坐舒適性的效果。可以說，7系采用的輕量化技術(shù)指明了該公司未來開發(fā)的方向，估計(jì)還會(huì)用于今后推出的其他車型。
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