宝马i3 CFRP驾乘座舱模块车身结构

RTM成型工艺CFRP承载式车身结构,相比钢结构减重一半

2017/04/17

概要

 宝马的纯电动车i3车厢部分的车身结构采取的是CFRP承载式车身结构。相对于用于F1等赛车的高压罐成型,RTM成型工艺大幅缩短了CFRP成型工序。RTM成型的承载式车身曾用于高级跑车和限量版车型,宝马i3是首款采用该车身的量产车。本报告将介绍宝马i3的CFRP驾乘座舱模块的结构及特征。

 MarkLines在总部位于底特律的车辆标杆工程公司Munro的协助下制作本报告。Munro公司对宝马i3等各种车辆进行拆解调研,并将分析结果制作成报告。Munro公司提供的报告对所有零部件的重量、尺寸等详细参数和成本进行分析,需要了解详细情况的用户请点击下方垂询。



宝马i3的特征性骨架结构

BMW i3のライフモジュールとドライブモジュール ライフモジュールのCFRP製車体骨格
宝马i3的驾乘座舱模块与驱动模块       资料:宝马 驾乘座舱模块的CFRP车身骨架         资料:宝马

 宝马i3的车身结构由2个特征性的结构体构成。一个是乘员乘坐的车厢部分的骨架—CFRP驾乘座舱模块,另一个是搭载动力总成、电池、悬架等零部件的铝骨架结构的驱动模块。在驱动模块之上连接驾乘座舱模块,形成整体结构。

 之所以采用CFRP车身骨架,是为了提高车身刚性和乘员保护性能,确保高强度刚性的同时,还实现比钢结构减轻50%、比铝结构减轻30%。发生碰撞时,车辆前后部分的驱动模块会吸收碰撞,车辆中央部分的CFRP车厢能使变形控制在最小范围。CFRP驾乘座舱模块由约150个CFRP零部件构成,与钢结构相比,零部件个数减少至约1/3。



RTM (Resin Transfer Molding) 成型工艺的简介

RTM成形プロセス 資料:GSIクレオス HP-RTMの成形プロセス  資料:Krauss Maffei
RTM成型工序
资料:GSI科立思

HP-RTM成型工序
资料:Krauss Maffei

 RTM (Resin Transfer Molding) 成型是指将预成型的CFRP碳纤维材料注入模具中,高压注塑,在模具内使其热硬化。不需要像用于赛车等的CFRP那样需要花若干个小时利用压力罐使之热硬化,只需几分钟至十分钟,所以能应用于量产车。作为普通RTM成型工艺的延伸,HP-RTM (High Pressure RTM) 将预成型树脂注入模具后,使模具内形成真空,利用高压注塑成型,i3有13个零部件采用这一成型工艺。



通过粘合剂接合CFRP面板,形成承载式车身

ボディサイドパネル 資料:BMW モノコックボディからボディサイドパネルを切り離した状態
车身侧面板
资料:宝马
从承载式车身上拆卸下来的侧面板

 成型后的CFRP零部件利用最新的接合技术,在100%自动化的生产线上接合,形成承载式车身。该工艺为了实现精准的粘合剂厚度,准确测量零部件之间的间隙并进行管理。粘合剂只有1种,具备强度和弹性。如左上图,若干个CFRP零部件接合后形成的车身侧面板与构成车辆内侧的前围板、车顶纵梁等进行粘合。右上图是为了进行车辆拆解调研,将车身侧面板从承载式车身的接合面上拆卸后的状态。



在需要的部位利用铝面板加固,同时利用粘合和螺栓进行固定

ダッシュパネル(車室内側) ダッシュパネル上部(車室内側)
前围板 (车厢内侧) 前围板上部 (车厢内侧)

 前围板是一块巨大的CFRP面板,下方与地板面板粘合。前围板上端与上前围板以及铝加固件相结合进行加固。前围板的转向结构件和转向柱的连接处采用铝加固面板。铝面板与CFRP的连接同时采用粘合剂以及双头螺栓。此外,用于固定转向结构件和内饰件的双头螺栓及嵌入螺母固定在CFRP面板和铝加固面板上。



フロアパネルとフロントシート取り付け部のアルミ製補強パネル サイドシル後端部とBピラーの接合部
连接地板面板与前排座椅的铝加固面板 侧梁后端与B柱的接合处

 地板面板在连接前排座椅的部分以连接左右侧梁的形式,采取铝加固面板。在地板面板下方也采用铝面板,形成CFRP的地板夹在两面铝加固面板中间的三明治结构。前排座椅的连接处在发生碰撞时需要能应对安全带承受的巨大拉力,此外,发生侧面碰撞时,为了将车厢部分的变形控制在最小范围内,需要进行加固。

 右上图是侧梁后端与B柱下端的连接处。多个CFRP零部件重叠粘合,接合面只能看到一点点粘合材料。



ルーフレイルとルーフボウ(ルーフパネルを外した状態) ルーフ、ルーフボウとルーフレイル(車両下側から)
车顶纵梁与车顶横梁 (拆下车顶面板后的状态) 车顶、车顶横梁与车顶纵梁 (从车辆下方俯视)

 车顶纵梁和车顶横梁与一般的钢面板结构形状基本相同,仅仅是材料换成CFRP。中央车顶横梁与车顶侧面纵梁的接合除了粘合剂以外,还同时采用螺栓。



外饰件安装于CFRP骨架的外侧

ライフモジュールのボディーサイド リヤサイドインナーパネル
驾乘座舱模块的车身侧面 后排内侧板

 左图的后排外侧板和安装在侧梁上的金属螺母、以及夹具固定五金件,用于固定连接于外侧的后翼子板以及侧梁罩等外饰件。右图的后排内侧板同样采用固定内饰件的金属螺母等。



驾乘座舱模块与驱动模块通过铝压铸件接合,同时采用粘合剂和螺栓

ダッシュパネル(車両前方から) ダッシュパネル部がドライブモジュール(シャシーフレーム)と結合した状態
前围板 (从车辆前方观察) 前围板部分与驱动模块 (底盘骨架) 连接后的状态

 CFRP驾乘座舱模块与驱动模块 (铝底盘骨架) 同时使用螺栓和粘合剂连接。左上图是只有驾乘座舱模块的状态,右上图是连接驱动模块后的状态。铝压铸三角形加固件与前围板侧板大面积粘合,形成的结构能很好地承受支撑驾乘座舱模块悬架弹簧上部的受力。

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