采用新材料“柔韧聚合物”设计的全新概念车

新技术 2018年10月11日
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“柔韧聚合物”是通过在碳纤维强化塑料(CFRP)中导入分子结合部会滑动的环状聚合物结构,提高CFRP抗疲劳特性的新型聚合物。利用该材料,实现了拥有图1的形状和表1材料性能的概念车“ItoP”。

下面根据各项要素具体介绍 “ItoP”的特色和开发内容。

(1)造型设计与空气动力

图1和图2所示的外观形状体现了只有以柔软和坚韧为主题使整个车身全部采用树脂才能实现的设计概念。由连续曲面构成的面、大面积的玻璃区域和车门开口、独立的前挡泥板以及被覆盖的后轮等打造了具有未来感的造型,同时实现了有助于节能的出色空气动力性能。

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图1:“ItoP”的外部设计 图2:“ItoP”的外部俯视图

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图3:空气动力解析

(2)承载式车身

从轻量性、高刚性和抗撞击性的角度出发,车架采用带外板的承载式结构,图4所示部分通过一体成型制造。与由碳纤维和热固性树脂构成的复合材料所拥有的优异特性相结合,为设计概念的成立做出巨大贡献。除提高设计自由度、如采用大开口车门等之外,还能最大限度削减零部件数量,实现合理的车身布局,由此明显减轻了车重。与普通的金属制承载式车架相比,重量由300kg减至140kg,减轻50%以上。

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图4:车身

(3)悬挂

以前难以实现树脂化的悬挂部件通过采用此次开发的导入环状聚合物结构的CFRP,也实现了要求的性能和功能,达到实用化水平。主要的悬挂构成部件自不必说,变形较大的弹簧部分也全部采用CFRP。前悬挂采用板簧式,还兼作双横臂悬挂的悬臂(图5),不但为实现独具特色的独立型挡泥板做出了贡献,复合材料结构所拥有的减震性也值得期待。后悬挂采用螺旋弹簧式(图6),均具备能充分承受反复变形的疲劳特性。

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图5:前悬挂 图6:后悬挂

(4)车窗材料

车窗玻璃(图7)采用本项目开发的兼具高刚性和高韧性的透明树脂。这样,在减轻玻璃构件重量的同时,还可以增加受到冲击时的抗破裂性,能提高安全性,比如防止飞来物体击穿玻璃及碎片飞散等。

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图7:后车窗

(5)轮胎和轮毂

“ItoP”安装了为此次项目新开发的创新橡胶材料专用轮胎(图8)。耐摩耗性提高,为轮胎材料的省资源化做出贡献,滚动阻力推算为5%,而且通过窄边化和大直径化降低了空气阻力,这些都有助于实现节能。

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图8:轮胎和轮毂

另外,轮毂与悬挂部件一样,采用导入了环状聚合物结构的CFRP,抗冲击性得到改善,包括轮胎在内的簧下旋转部位的轻量化为提高车辆整体性能做出巨大贡献。

(6)碰撞吸能盒

“ItoP”的侧面和前部配备了由采用环状聚合物结构的聚酰胺和玻璃纤维的复合材料构成的冲击吸收体(图9、10)。以前能量吸收体一般采用金属制造,此次通过采用复合材料实现了轻量化。

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图9:侧面碰撞吸能盒 图10:前部碰撞吸能盒

(7)电池组

收纳EV系统的锂离子二次电池模块的箱体及其基础构件也采用CFRP制造,由此将重量减轻约30%,而且提高了抗冲击性(图11)。

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图11:电池组

(8)内饰

内饰板大部分采用CFRP制造,通过作为承载式车架和车门结构的一部分使用,有助于确保车身刚性和实现轻量化。另外,座椅构件也采用导入环状聚合物结构的CFRP制造,不但减轻了重量,还得以采用韧性出色的薄板壳结构。

(9)其他特点

前排能乘坐1人、后排乘坐2人,前座可以收起,并且采用双转向杆式方向盘,这些均考虑了未来的全自动驾驶,追求后座乘员的舒适性。另外,从车门的开关到驾驶相关的操作和信息监控,全部采用基于智能手机和平板电脑的系统。此外,可以大幅度向前上方打开的电动辅助车门(重量为35千克/单侧)是通过采用与承载式车身相同的材质和结构减轻重量实现的。

(10)温室气体(GHG)削减效果

如上所述,以轻量化为首,“ItoP”采用了各种追求节能性的开发技术。东京大学的平尾教授等人对“ItoP”的解析确认,制造及行驶10万公里后的GHG排放量与传统的发动机车相比有望削减13.7%,与采用钢和玻璃等传统材料制造的“ItoP”相比有望削减11.4%(图12)。排放量减少主要得益于通过轻量化提高燃效、削减所需的蓄电容量及安装低燃耗轮胎的乘积效应。

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图12:GHG削减效果

(11)在其应用

通过此次制造“ItoP”,掌握了相关材料所具备的特质和特征,目前还在探索用于汽车以外用途的可能性。利用材料的优异韧性和疲劳性制造残疾人运动员使用的板簧式假肢后确认,不但像预期那样提高了性能,在损坏状态下也不容易完全断裂成两截(图13(左)),因此即使损坏也不容易造成碎片飞散。

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图13:假肢板簧 ((左)新开发的材料,(右)以前的材料)

除此之外,还开始试着用于反复击球的曲棍球棒(图14),已开始进行台架测试和实地使用评测,评测成果备受期待。

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图14:曲棍球棒

表1:“ItoP”的主要参数

长×宽×高

4,280×1,930×1,350(mm)

最小离地间隙

140(mm)

轴距

3,000(mm)

前/后轮距

1,660/1,670(mm)

前部面积

1.994(㎡)

载客定员

3名

空车重量、重量比

850(kg) 前:43%/后:57%

驱动类型

轮毂电机、后轮2轮驱动

额定输出功率

15(kW)

额定、最大扭矩

150、570(Nm)

电池类型

锂离子二次电池

额定电压、电力容量

DC300(V)

额定、最大输出功率

24、45(kW)

充电方式

单相100/200(V)

轮胎、轮毂

155/70R19、5.0J-19"

文 客观日本编辑部

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