Chevrolet Silverado 2019: lichte thermoplastische bumperbeugels verbeteren prestaties

GM's 2019 modeljaar (MY) Chevrolet Silverado pick-ups hebben een nieuwe structurele toepassing voor composieten op een verborgen maar zeer effectieve locatie: aan de linker- en rechtervoorzijde achter de stalen bumper. De hybride thermoplastische composiet/metaal beugel verlaagt de massa, haalt equivalente of betere prestaties in modale, spannings, vermoeidings- en crashtests in beperkte pakketruimte, verlaagt corrosie- en garantierisken en stelt aanzienlijke onderdeelconsolidatie toe.

Het is niet makkelijk om OEM-ontwerpingenieur te zijn die werkt aan full-size pick-up programma's. Aan de ene kant wil je deze voertuigen zo veilig, functierijk en brandstofzuinig mogelijk maken. Aan de andere kant duwen je klanten – met name die in de bouw- en landbouwindustrie – hun voertuigen elke dag zwaar en hebben ze bepaalde ideeën over wat wel en niet een duurzaam materiaal is. Ze kennen en vertrouwen staal. Composieten? Misschien niet zoveel.

toen Chris Heo, lead design release engineer voor full-size pick-ups bij General Motors Co. (GM, Detroit, Mich., VS), en zijn team aan de slag gingen met de nieuwste generatie Chevrolet Silverado pick-ups, bespraken ze welke toepassingen ze van metaal naar composieten konden converteren om voertuigmassa te verlagen.

Voor het 2019 modeljaar was de beslissing al genomen om gestileerde bumper impact bars – gestempelde stalen bumpers met gestileerde A-zijde oppervlakken en afwerkingen (ofwel chroombeplating of carrosseriekleurverf) – aan de voor- en achterkant van het voertuig te behouden. Vanwege de styling-gedreven vorm en de massa van de stalen schillen, vereisen dergelijke bumpers doorgaans één of meer stalen versterkingsbeugels om de bumper met het frame van het voertuig te verbinden en te voldoen aan GM's bumperduurzaamheid, voertuigbeschadigingsgevoeligheid, crashprestaties en verpakkingsvereisten. In dit geval wikkelde een paar beugels om de linker- en rechterhoek van de bumper. Teamleden vroegen zich af of ze deze zware, complexe, multipiece stampingen konden converteren naar iets lichters zonder prestaties of duurzaamheid op te offeren.

"We bespraken manieren om de metalen huid van de bumper te behouden maar verborgen componenten te converteren naar lichte materialen," herinnert Heo zich. "We wisten dat dit een uitdaging zou zijn omdat je robuuste beugels nodig hebt om een zwaar onderdeel als een bumper te houden, en zowel bumpers als beugels moeten presteren gedurende de levensduur van het voertuig. Ook zijn deze beugels cruciaal voor het halen van eisende offset barrier crashtests en – zelfs in metalen – zijn dat uitdagende tests om te halen."

Eerste poging

Ongestoord door de uitdaging, ging het GM-team aan de slag en betrok snel de aangewezen bumperleverancier van het voertuig, Flex-N-Gate Corp. (FNG, Urbana, Ill., VS). Initieel, aangezien het exterieur voertuigstyling nog werd afgerond, besteedde het gezamenlijke team een jaar aan het onderzoeken van opties in de industrie en het bespreken van benaderingen die zouden kunnen werken. "We wachtten op het juiste moment omdat, afhankelijk van de finale styling, dat het ontwerp dat we gebruikten en de benadering die we namen kon veranderen," legt Heo uit.

"We wisten dat een ander bedrijf een heel kleine beugel – een die niet structureel was – naar composiet had geconverteerd op een van hun vrachtwagenbumpers, dus dat gaf ons een startpunt," voegt Steve Perucca, FNG engineering group manager - R&D plastics/metals, toe. FNG had al veel ervaring met het converteren van structurele metalen onderdelen naar thermoplastische composieten op personenauto's, wat het team het vertrouwen gaf om vooruit te gaan.

Ontwerpoverwegingen

Naarmate het exterieurontwerp voor de pick-up vaststond, begon het gecombineerde team zijn eigen ontwerpwerk aan de beugels met een lijst van wensen en behoeften. De benchmarkbeugels waren gestempeld uit high-strength/low-alloy (HSLA) staal, gekozen voor zijn hogere mechanische eigenschappen en verbeterde corrosiebestendigheid ten opzichte van koolstofstaal. De beugels hadden een nominale dikte van 3 millimeter en woogen elk 4,362 kilogram. Ten eerste moesten de composietbeugels passen in ongeveer dezelfde pakketruimte, die beperkt was achter de bumper. Dus een materiaal met voldoende sterkte was nodig zodat de onderdeeldikte niet significant toenem.

Ten tweede wikkelen voorbumpers typisch de voorhoeken van het voertuig om de styling cues te bereiken die het designstudio wil. Omdat ze echter door de stijve stalen beugels aan het frame worden vastgehouden, kan de bumper tijdens hoge-snelheid crashgebeurtenen naar binnen geklemd worden in het wiel, wat negatief de wieloriëntatie en sturing beïnvloedt. Om het wiel op de aangedane kant zo lang mogelijk te beschermen, is het wenselijk dat bumperbeugels bij impact losbreken. Aan de andere kant, om garantiekwesties te vermijden, moet de bumper tijdens normaal gebruik gedurende de levensduur van het voertuig bevestigd blijven. Het team moest dus bepalen hoe deze concurrerende behoeften te balanceren.

Nog een kwestie die het team wilde adresseren was dat, vanwege staals vormbaarheidsbeperkingen, benchmarkbeugels niet gevormd konden worden om de mistlampen van het voertuig te houden, wat het gebruik van nog een paar zware metalen beugels noodzakelijk maakte. Als het mogelijk was, wilde het team mistlampondersteuning consolideren in de composietbeugel.

Daarnaast was het belangrijk om een wire harness knelpunt te vermijden tijdens het doorvoeren door de beugel om wire harnesses en draden te beschermen tegen inslijten en breken, wat zou leiden tot kortsluitingen van belangrijke functies zoals koplampen en ventilatoren. Het vermijden daarvan door een gat in de metalen beugels te voorzien waardoor draden konden passeren, leidde tot een extra perforatie-operatie, wat meer hulpmiddelkosten toevoegde vanwege beperkingen in ontwerpvrijheid. Het was dus wenselijk om dit probleem in de composietbeugel op te lossen. Natuurlijk was het ook belangrijk om veranderingen in voertuigmontage te vermijden om composietbeugels te gebruiken. En, zoals vaak het geval is in automotive toepassingen, zouden de composietbeugels ideaal lichter en goedkoper zijn dan de metalen benchmarks. Een laatste zorg was of de momenteel beschikbare CAE-modellen hoog-cyclische vermoeidingsduurzaamheid in een discontinu vezel-versterkte thermoplast precies konden voorspellen.

Hybride benadering

Met hun wensenlijst in handen, ging het team aan de slag. Een vroege beslissing was het selecteren van het te gebruiken materiaal – namelijk een waar FNG al ervaring mee had en dat GM-goedkeuringen had. Ze kozen een zwart 40% vezelgewichtsfracitie (FWF) lang vezelglas polypropyleen (LFT-PP) van Lotte Chemical (Seoul, Zuid-Korea) genaamd Supran PP1340 GMW15890P. Aangezien beugels niet aan zonlicht blootgesteld zijn en voldoende ver van motorwarmte, zou de zachte olefine polymer adequate thermische prestaties bieden. De hoog-vloeibare, injectiegietbare graad had een melt-flow index (MFI) van 40, wat goede vulling van complexe geometrie garandeerde zonder extra gates nodig te hebben; extra gates creëren naadlijnen die zwakker zijn dan omringend materiaal en in een structureel onderdeel, vooral een dat crashtests moet halen, vermeden moeten worden.

Om de concurrerende behoeften van lange-termijn duurzaamheid met hoge crashprestaties te balanceren, koos het team een hybride benadering en verdeelde de beugel. Het deel dat de bumper met het frame verbindt, zou HSLA staal blijven, maar het uiterste deel zou naar composiet geconverteerd worden. Deze benadering zou meer ontwerpvrijheid toestaan om onderdelen te consolideren, massa te verlagen en de integratie van mistlampen mogelijk te maken, maar het composietgedeelte zou ontworpen worden om bij een hoge-snelheid zijcrash los te breken om te garanderen dat de wieloriëntatie zo lang mogelijk longitudinaal bleef om stuurbaarheid te helpen behouden. Om aan al GM's vereisten te voldoen, werden sommige metalen inserts aan de composietzijde van de beugel toegevoegd, samen met drie bushings, die toelating geven voor aanpassing tijdens montage. Ontwerpers vonden dat het materiaal geen problemen had om de been van de beugel (de gebogen eindstukken getoond in het composiet/bruin CAE-ontwerp) te verlengen om de mistlam te omvatten, wat de noodzaak voor een aparte beugel op die locatie elimineerde (Fig. 1).

Naarmate het project vorderde en fysieke onderdelen werden geproduceerd en getest, was het team blij te leren dat hun CAE-modellen redelijk accuraat waren. "Initieel vroegen we ons af of we het onderdeel goed zouden kunnen simuleren, gegeven dat we probeerden hoog-cyclische vermoeidingsduurzaamheid te voorspellen, en hoge G-belasting in crashmodellering," merkt Heo op. "Verrassend genoeg was de correlatie tussen voorspelde en gemeten resultaten van shaker-testen dichtbij, zelfs bij crash." Het finale beugelontwerp werd in minder dan zes maanden voltooid. Het is ongeveer 41 x 46 centimeter, heeft een nominale wand van 3 millimeter en kenmerkt ribben voor hogere mechanische eigenschappen.

Hulpmiddelen werden geproduceerd door Integrity Tool & Mold Inc. (Oldcastle, Ontario, Canada) en bestonden uit een goed geventileerde, 2+2 stack mold met twee cavities/plate en twee directe drops (koude runners) met sequentiële valve gating die vier onderdelen/cyclus produceert vanwege de hoge bouwvolume van het Silverado platform. FNG's Ventra Evart divisie is de molder. Knop-tot-knop cyclus tijd is 60 seconden.

Significante prestaties

Bij de eerste commerciële toepassing bracht GM's hybride benadering op de structurele bumperbeugel (Fig. 2) tal van voordelen. Ten eerste haalde het equivalente of superieure prestaties in modale, spannings, vermoeidings- en crashtests (zie tabel hieronder).

Ontwerp

10 Gx

20 Gx

1^e Modus Frequentie (Hz)

Maximale Uplaatsing (mm)

Maximale Spanning (MPa)

Maximale Uplaatsing (mm)

Maximale Spanning (MPa)

Hybride staal/composiet beugel

2,00

213

3,97

381

31,7

Benchmark volledig-stalen beugel

2,36

259

4,45

480

30,1

Niet alleen verminderde de hybride composietbeugel met metalen inserts de massa, maar de afgestemmde geometrie verbeterde zowel spanning als modale prestaties.

Ten tweede stelde composieten's ontwerpvrijheid agressievere styling in een relatief kleine pakketruimte toe. Derde, de massa van het paar hybride beugels werd met 2,5 kilogram/voertuig verlaagd ten opzichte van de benchmark. En dankzij massa decompounding effecten, lichtere bumperhoeken maatwerkvermindering op de bumper montagebeugel alsook andere componenten mogelijk, zodat de totale massa voor het voorbumpersysteem met 7,3 kilogram werd verlaagd ten opzichte van het uitgaande 2016 model.

Bovendien werden corrosierisico en garantiekosten verlaagd aangezien de composietbeugel niet roest. Massareductie baat consumenten door bij te dragen aan verbeterde brandstofzuinigheid of het mogelijk maken een zwaardere payload te vervoeren zonder wettelijke wegbelastinglimieten te overschrijden.

Op stukprijsbasis was de hybride beugel een wash, vanwege de toegevoegde kosten van de injectiegietvorm. Op systeemkostenbasis waren er besparingen door de mogelijkheid om additionele componenten te downgaugen, hoewel daadwerkelijke besparingen moeilijk te kwantificeren zijn. De beugel is al meer dan drie jaar in productie zonder problemen.

Voor de volgende generatie Silverado, plannet Heo's team door te gaan met hybride beugels op de voorbumper, maar hij heeft teamleden al uitgedaagd om te beginnen nadenken over hoe een hybride benadering op achterbumperbeugels toe te passen. Dat is gecompliceerd door het feit dat achterbumpers stap-ondersteuningsfuncties op de hoeken bevatten om mensen in/uit de laadbak van de pick-up te laten klimmen veiliger en gemakkelijker. Bovendien zijn meer componenten (zoals achterwaarschuwingsensoren) achter de metalen huid verpakt, wat de pakketruimte vermindert.

"We zullen blijven een slimme ingenieursbenadering gebruiken om naar problemen te kijken, uit te zoeken hoe producten worden gebruikt en wat hun functionele vereisten zijn en dan de envelop te pushen," concludeert Heo.