拉挤的CFRP 底盘使专用商用车的有效载荷增加36%

这些行业面临的一个关键限制是严格的3.5吨重量阈值。在大多数欧洲国家和全球许多市场，都有一项将轻型商用车（LCVs）与重型货车（HGVs）区分开来的重要法规。跨越这一法规通常会付出额外的成本（如通行费），需要专门的驾驶执照，并使运营商受到更严格的监管。对于努力优化物流同时最大程度减少费用的公司来说，使用3.5吨以内的车辆至关重要。

2023年，专业的零售汽车销售商Borco Höhns（德国罗滕堡）通过最大程度地降低车辆的基础重量来提高其最大重量3.5吨车辆的商用效率。为此，Borco Höhns与专业从事结构复合材料的开发和自动化生产的Carbon Truck & Trailer GmbH（以下简称CarbonTT，德国Buxtehude）合作，为其菲亚特Ducato零售车开发碳纤维增强聚合物（CFRP）的底盘，用以取代钢制底盘。

设计结果

1.在严格的3.5吨车辆级别中显著减轻了重量，提高了有效载荷。

2.CFRP 底盘设计能够承受实际的载荷条件，耐用性等同或超越传统的钢制底盘。

3.开发的拉挤成型工艺可确保纤维的精确取向和高效率的生产，从而实现经济高效的大批量制造。

经过18个月的开发，最终的CFRP底盘使3.5吨以内的Borco Höhns 菲亚特Ducato 车辆减轻了185公斤的质量，同时保持了专用零售车所需的耐用性。这意味着采用钢制底盘车辆的有效载荷增加了510公斤，承载量提高了36%。

“通过减轻车重，我们为客户提供了更大的灵活性——无论是携带额外的货物、添加设备还是遵守影响许可和道路通行的重量限制。”CarbonTT的CEO Gerret Kalkoffen 解释说，“这可能会改变行业的游戏规则。”

设计挑战和材料选择

CarbonTT设计了CFRP底盘，其中包括优化纤维铺层、树脂的化学成分以及开发新的拉挤成型工艺。“拉挤制造需要均匀的型材厚度。”Kalkoffen 解释说，“当负载分布不均匀时（如位于中心的界面与车辆悬置部分），很难在负载、重量和成本之间找到最佳平衡。从整体负载、纤维成本和生产速度来看，我们不希望超过3毫米。这只有通过我们的专利界面才能实现，该界面可以将载荷从钢材传递到复合材料。” 底盘设计采用了对称的四轴无卷曲织物（NCF）结构，该无卷曲织物（NCF）结构由Zoltek（美国密苏里州圣路易斯）的50K丝束PX35 碳纤维制成，展示出 0°、+45°、-45°和 90°的纤维取向。“缝编特征对于确定织物的定型性至关重要。”Kalkoffen说道，“我们仔细定义了针脚强度和纱线类型，以平衡拉挤加工的刚性与织物适应复杂轮廓的能力。这种方法意味着在制造过程中可以对纤维进行精确控制，同时确保材料具有处理纵向和扭转载荷的能力。”

CarbonTT解决方案的核心是订制的拉挤成型制造技术。该系统以 Pultrex/KraussMaffei（英国曼宁特里）的拉挤生产线为基础，拥有订制设计的纤维架、成型装置、夹具、自动张力控制系统、锯子和注射箱。基于科思创（德国勒沃库森）的聚氨酯系统，CarbonTT 配制了一种专用树脂，其中加入了各种功能性添加剂，以便实现拉挤工艺的顺利加工。这些添加剂可以调节粘度和固化动力学，以在注射阶段实现对纤维的完全浸透。此外，树脂中还含有紫外稳定剂和耐热化合物，这为底盘提供了长期使用的耐久性。 “我们的纤维导向系统代表了拉挤成型技术的重大进步。”Kalkoffen 说道，“传统的拉挤成型技术难以处理复杂的纤维结构。几年来，经过无数次的努力，我们开发了一种独特的控制系统，它使用多个传感器来确保相对于模具的纤维进料能精确定位。这些传感器持续监测纤维位置和取向，将数据提供给自动张力控制系统，该系统实时调整，以防止纤维错位、起皱或形成可能损害结构完整性的孔隙。”这项技术使CarbonTT能够高效率地生产无褶皱的形状复杂的型材，这对于实现良好的材料性能以及最大程度地降低每次应用的纤维成本至关重要。

CarbonTT 还开发了用于生成和控制注射区内压力梯度的专有技术。“在注射系统中产生足够的压力需要精确控制多个变量。”Kalkoffen说道，“由于拉挤成型的连续性，注射箱的两侧都是敞开的，因此，如果需要一定的压力以使树脂到达中心纤维，就不能只增加计量机的压力。我们必须开发树脂，以便在这种具有挑战性的情况下实现浸透和固化。”

材料测试、底盘验证

材料验证遵循严格的协议，以满足性能和长期耐用性要求。最初的测试从将试样放置在为模拟极端使用条件而专门配置的环境室中开始。试样暴露在盐雾环境中，经历-40℃至+80℃的温度循环。需要特别注意的是材料界面和粘接接头。每一次循环包括受控的湿度变化，以评估耐湿性和潜在的降解机制。

全尺寸底盘测试采用复杂的hydropulse设备来模拟真实的负载条件。在此阶段，复合材料-金属界面受到了特别关注，测试程序用于评估粘合剂粘接和机械紧固方法。“我们通过500000次负载循环来模拟有效载荷，进行疲劳测试，然后在20% 过载下进行200000次的负载循环，这相当于大约160000公里的服务。”Kalkoffen 详细介绍说，“通过这些加速寿命测试，复合材料底盘没有显示出可测量的疲劳或退化。然后，我们施加了hydropulse的最大力，但没有破坏底盘。” 随后进行了车辆级别的动力学验证，这包括带有全套仪表的车辆在测试跑道上进行专业测试，以收集有关稳定性的性能数据，包括紧急机动场景以验证复合材料底盘的抗冲击性能。每个阶段都要通过德国车辆认证机构TÜV Rhineland（德国科隆）的认证流程，以确保符合行业标准。

设计和市场影响

轻量化的复合材料底盘还为运营带来了显著优势。“更轻的质量意味着有效载荷更高且车重更轻。”Kalkoffen 说道，“这对节省能耗非常有利——无论是使用传统燃料还是电力——从而可以减少每一次交付货物的碳排放。更低的能耗还意味着更长的续航里程，使运营商能够优化路线。对于运输车队的所有者来说，有效载荷每增加10%-20%，可能就意味着车队规模和所需驾驶员数量的同等减少，这会对总体拥有成本带来重大影响。”

CarbonTT 的底盘设计与众不同。传统的底盘由一个梯形框架组成，该框架具有两个长梁和多个横梁，用以提高扭转刚度，而 CFRP 底盘仅采用长的碳纤维梁，它只需加固任何标准地板即可承受扭转载荷。“横梁的缺失，为安装额外的设备创造了可用空间而不会影响结构的完整性。”Kalkoffen 解释说，“这个空间可用于安全地将大型牵引电池或水箱集成到休闲车中。”

CarbonTT还考虑了复合材料底盘在损坏情况下的维修方法，以确保菲亚特 Ducatos不会过早地达到使用寿命（EOL）。“我们的方案包括评估损坏、指定维修机制以及确保当地汽车修理厂可以进行任何必要的维修的方法。”Kalkoffen 解释说，“虽然这些维修不会带来A级表面的品质，但我们相信，我们的解决方案（包括应用于结构后部的补片）将提供可接受的美观性、安全性和功能性，同时确保维修过程低成本、高效率，这一点对于运营这些车辆的企业而言至关重要。”

Kalkoffen 承认，与传统的钢制造相比，虽然复合材料的生产最初具有更高的碳足迹，但CarbonTT的生命周期分析表明，Borco Höhns的菲亚特Ducato在正常使用后的1-2年内，即可收回其对环境带来的影响。这种快速回报主要源于运营质量的减轻，由此而降低了燃料消耗并减少了车辆整个使用寿命期间的运行排放。

未来潜力

至于复合材料底盘在专用轻型商用车上应用的潜力，Kalkoffen表示：“拉挤成型工艺本身具有可扩展性，但我们并不满足于仅扩大生产规模。我们正在积极探索提高整个制造链可持续性的方法，目前的举措侧重于进一步开发树脂系统，比如探索生物基替代品，以确保用当前配方实现关键的加工和性能特征。”

“我们与树脂制造商合作开发热塑性替代品，以便在产品报废后可以更方便地分离树脂和纤维，同时确保开放式拉挤成型系统所需的精确加工控制。”他继续说道，“虽然可持续发展推动了我们的大部分开发工作，但我们必须在环境改善与商用车应用的苛刻性能要求之间取得平衡。” 该公司的研究计划还包括探索可回收性选项，在可能的情况下优先考虑再利用而不是回收。成本优化仍然是未来开发的核心任务，其重点是最大程度地减少材料浪费，尤其是在处理浸渍纤维方面。目前的生产系统表现出的效率令人印象深刻，一条生产线每年能够为多达 70000 辆汽车生产部件。Kalkoffen 强调说：“公司致力于降低这种大批量生产的浪费，结合更复杂的质量控制系统，将有助于抵消与该商用车应用的CFRP底盘部件相关的较高材料、环境和财务成本。”

随着城市配送和移动零售的不断发展，减少排放的压力越来越大，轻量化的解决方案有望在3.5吨的汽车中发挥关键作用，这表明复合材料底盘技术在未来的商用车应用中可能会越来越普遍。