高質(zhì)量和輕量化一直以來是都是汽車制造者的追求，目前輕量化已成為汽車節(jié)能減排的重要手段。研究表明，汽車減重100kg可降低油耗0.15L。因此，諸如鎂金，鈦合金，碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)材料越來越受歡迎。但新材料的成本普遍較高，限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。盡管如此，偉巴斯特（Webasto）以輕量化為目標(biāo)，在汽車天窗新材料的應(yīng)用方面做了許多嘗試和創(chuàng)新。
全景天窗的輕量化技術(shù)
為了開發(fā)具有前瞻性的解決方案，將輕質(zhì)結(jié)構(gòu)與安全性和舒適性聯(lián)系起來，汽車天窗供應(yīng)商與世界各地的汽車制造商密切合作，嘗試天窗新材料的應(yīng)用。聚碳酸酯（PC）是近年來較受歡迎的天窗材料。此外，蜂窩紙復(fù)合材料（PHC）以及玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料具有較好的機(jī)械性能、熱性能和光學(xué)性能，其在車身覆蓋件上的應(yīng)用也成為一個(gè)較好的參考。
玻璃也是汽車天窗材料中的一個(gè)重要角色，Webasto開發(fā)了用于屋頂區(qū)域的安全玻璃Webasto Glas Protec? 與傳統(tǒng)的復(fù)合安全玻璃相比實(shí)現(xiàn)減重約10%-15%?
本文介紹三種輕量化天窗創(chuàng)新材料和工藝解決方案：
- PU復(fù)合材料車頂蓋
- 聚碳酸酯天窗和面板
- 玻璃-塑料復(fù)合材料天窗：Webasto Glas Protec
高耐久、高經(jīng)濟(jì)性的輕量化PU復(fù)合材料
PU復(fù)合材料以高剛度，低重量，良好的3-D可模塑性和聲學(xué)以及隔熱性能而著稱。一般采用殼-芯的夾層結(jié)構(gòu)，可集成緊固元件。材料的剛度基本上通過嵌入基質(zhì)中的增強(qiáng)纖維和夾層厚度來實(shí)現(xiàn)。增強(qiáng)纖維包括：無機(jī)纖維（例如玻璃纖維），有機(jī)增強(qiáng)纖維（例如碳纖維）或天然纖維（大麻，亞麻等）組成。
為實(shí)現(xiàn)減重，芯層材料一般選擇發(fā)泡材料或蜂窩紙板。發(fā)泡材料具有輕量化和隔熱的優(yōu)勢(shì)，但其溫度穩(wěn)定性和成本方面稍差。而蜂窩紙板性能穩(wěn)定，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)較好的抗壓性能，同時(shí)玻纖增強(qiáng)的PU外殼可達(dá)到較好的防水作用。
更重要的是這種PU復(fù)合材料重量輕、剛度高，適用于大于2m2的車身外覆蓋件，且具有成本優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于中小批量的訂單。
在最新的JeEP Renegade中，Webasto首次推出了一種可以打開的兩件式車頂系統(tǒng)，其元件可以完全拆卸并存放在汽車后備箱中。該車頂就采用了蜂窩紙芯層+玻纖增強(qiáng)PU復(fù)合材料外殼的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其外表面覆蓋熱成型和防風(fēng)雨的薄膜，內(nèi)表面采用植絨處理，以配合內(nèi)飾設(shè)計(jì)。
考慮到這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能造成不同溫度條件下的曲率變化，通過FEM計(jì)算，其在各條件下的密封性能均表現(xiàn)良好，如圖2和圖3所示。該P(yáng)U復(fù)合材料車頂相對(duì)于鋼質(zhì)車頂減重約50%，是紙蜂窩（PHC）首次用于汽車覆蓋件的批量化生產(chǎn)。到目前為止，PHC主要用作天窗頂篷的輕質(zhì)材料。
聚碳酸酯（PC）天窗
聚碳酸酯是一種透明的、高抗擊性塑料，其密度僅為1.2g/cm3，相同部件比玻璃鋼輕%。其極高的抗沖擊性較適合作為天窗材料，在發(fā)生事故時(shí)能夠較好的保護(hù)乘員。表面涂覆清漆涂層可實(shí)現(xiàn)較好的抗刮擦性、耐候性和抗紫外性能。此外，PC材料還可實(shí)現(xiàn)全景天窗、大角度彎曲等天窗造型設(shè)計(jì)。
smart fortwo的第一個(gè)聚碳酸酯天窗系統(tǒng)于2007年在Webasto Schierling工廠下線。最新一代的車型還配備了由聚碳酸酯制成的全景天窗。面積為1.20平方米，厚度為5.25毫米，重9.80千克。但真正的技術(shù)亮點(diǎn)是其將紅外線吸收劑集成在聚碳酸酯中，使得天窗具有吸收太陽輻射的功能，從而防止汽車內(nèi)部升溫。內(nèi)部溫度的控制可減少空調(diào)的使用，進(jìn)一步降低燃料消耗，利于生態(tài)環(huán)境。
PC面板
除了A級(jí)外觀的玻璃組件外，偉巴斯特德國工廠還提供PC輕質(zhì)面板，為包括大眾在內(nèi)的14款車型供貨。面板在前部和側(cè)面與傾斜/滑動(dòng)天窗相鄰，創(chuàng)造了與車輛頂部的無縫過渡。這使整個(gè)屋頂表面具有高品質(zhì)的實(shí)心玻璃外觀。這種三維形狀的面板使用玻璃材料是無法實(shí)現(xiàn)的。
目前，用于汽車制造的聚碳酸酯的比例約為15%。專家們認(rèn)為，在未來五年內(nèi)，這一份額將增加到約20%。聚碳酸酯還有更多應(yīng)用潛力有待挖掘，例如，集成尾燈設(shè)計(jì)、可通過鉸鏈移動(dòng)的側(cè)窗、集成加熱線的PC部件等。Webasto正在積極研究聚碳酸酯的更多應(yīng)用可能。
玻璃-塑料復(fù)合材料天窗：Webasto Glas Protec
玻璃一直以來都是汽車工業(yè)必不可少的材料，透明的玻璃車頂可營造車內(nèi)豐富的光線和亮度，增加駕乘舒適感。調(diào)查顯示，汽車玻璃的平均使用面積在不斷增加，從1985年的3.50m2增加到了現(xiàn)在的4.60m2。但玻璃重量較大，不利于輕量化。因此，Webasto開發(fā)了一款輕量化玻璃替代品Webasto Glas Protec。這是一種玻璃-塑料復(fù)合材料，與傳統(tǒng)安全玻璃相比，可實(shí)現(xiàn)減重10-15%。其表面覆蓋一層抗撕裂的PET膜，即使在玻璃破碎時(shí)也能將其固定在一起，從而保護(hù)乘客免受飛行玻璃碎片的傷害。出于薄膜的保護(hù)作用，天窗可使用更薄的玻璃板（＜3mm），從而降低重量。同時(shí)，專利穿孔錨固技術(shù)可實(shí)現(xiàn)有效連接。由Webasto Glas Protec制成的天窗可以達(dá)到1.60米的長(zhǎng)度。
然而，汽車天窗技術(shù)在關(guān)注重量的同時(shí)，功能化和生態(tài)化方面也同樣備受關(guān)注。例如，在Webasto Glas Protec材料的薄膜中添加特殊涂層吸收紅外輻射以降低車內(nèi)溫度，減少空調(diào)的能量消耗。此外，開發(fā)人員還在進(jìn)行機(jī)光伏技術(shù)與Webasto Glas Protec結(jié)合使用等方面的研究。
這種新型玻璃自2005年以來實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用，如路虎攬勝，梅賽德斯R級(jí)和福特林肯等車型。Jaguar XJ轎車的Webasto Glas Protec制成的全景天窗已成為標(biāo)配。
多元化車頂模塊解決方案（MOR）
Webasto打造的多元化車頂模塊解決方案（MOR）可實(shí)現(xiàn)一輛車型適配多個(gè)車頂。統(tǒng)一安裝界面設(shè)計(jì)，不同的車頂模塊隨時(shí)在裝配線上實(shí)現(xiàn)安裝。這給整車設(shè)計(jì)靈活性帶來了較大的提升，使其在整個(gè)產(chǎn)品生命周期過程中可以對(duì)不斷變化的市場(chǎng)趨勢(shì)和客戶需求做出快速響應(yīng)，從而顯著增強(qiáng)單一款車型的吸引力。
Webasto在MOR中整合了所有輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)。此外，車頂元件的表面還可以配備太陽能電池，產(chǎn)生的太陽能可以直接供應(yīng)給電池，從而降低燃料消耗。這種太陽能車頂被歐盟列為生態(tài)創(chuàng)新技術(shù)。太陽能車頂?shù)亩趸脊?jié)省潛力相當(dāng)可觀：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)平均減少2.3克/公里二氧化碳，柴油減少約1.6克/公里。小結(jié)
在未來一段時(shí)間內(nèi)，節(jié)省燃料和減少二氧化碳排放仍將是汽車行業(yè)面臨的主要問題之一。因此，輕量化技術(shù)將發(fā)揮著重要作用。作為一家創(chuàng)新型供應(yīng)商，Webasto將可持續(xù)解決方案的開發(fā)和實(shí)施作為使命，成功開發(fā)了聚碳酸酯、PU復(fù)合材料以及Webasto Glas Protec輕質(zhì)材料。同時(shí)，隨著新能源汽車的發(fā)展，對(duì)汽車輕量化提出了更高的要求，Webasto將在輕質(zhì)材料應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展方面繼續(xù)迎接新的挑戰(zhàn)！
