Voor Deel 2, lees “Composieten-intensief meesterwerk: 2020 Corvette, Deel 2”.

De veel verwachte achtste generatie Chevrolet Corvette (C8) van General Motors Co. (GM, Detroit, Mich., VS), die sinds de officiële onthulling op 18 juli 2019 lof oogstte, startte eerder dit jaar de commerciële productie. De nieuwe Corvette Stingray cabriolets en coupés zijn niet alleen opvallend om hun schoonheid en het feit dat GM een hoogpresterende, straatlegale, middenmotor raket produceert vanaf minder dan $60.000 USD – een derde van de prijs van vergelijkbare middenmotorauto's – maar ze hebben ook een indrukwekkende reeks nieuwe en echt innovatieve composieteninhoud, die we hier en in Deel 2 volgende maand zullen beschrijven.

Nieuwe motorconfiguratie verandert alles

GM engineering ging in voorlopig ontwerp wetend dat ze aan een middenmotorvoertuig zouden werken – de eerste productie Corvette in acht generaties met die configuratie. “We hebben de voormotorarchitectuur zo ver geëvolueerd als we konden voor prestaties, dus het schakelen naar een middenmotorontwerp was de volgende logische stap om een al geweldige auto te verbeteren en de segmentleider te zijn,” legt GM's Tadge Juechter, uitvoerend hoofdingeneer-Global Corvette, uit. Uitgerust met het Z51 prestatiepakket, kan de 2020 Corvette Stingray versnellen van 0-60 mph (0-97 km/u) in 2,9 seconden en topsnelheden van 194 mph (312 km/u) halen. Het duwen van de motor naar de achterkant van het voertuig beïnvloedde veel dingen, inclusief het zwaartepunt van de auto, de relatieve positie van de inzittenden, transmissielocatie en ontwerp van onderbodpanelen en bagageruimte. Het middenmotorontwerp introduceerde ook hogere bedrijfstemperaturen en geluid in nieuwe gebieden van de auto.

“Vanwege de middenmotor moesten we dingen anders doen,” legt Ed Moss, Corvette body structure engineering group manager, uit. “Vanaf het begin hadden we zoveel discussies over hoe de bodystructuur in te richten. Op een gegeven moment was alles op tafel toen we bespraken de beste manier om elk systeem te ontwerpen en bouwen. Bijvoorbeeld, we debatteerden metaal versus composiet voor wielkasten. Als we de C7's composiet wielkasten behouden hadden, hadden we moeten lijmen aan de scharnierpijler [A-pijler], die onmiddellijk angrenzend is aan het voorwiel in een middenmotorvoertuig, wat zeer weinig pakketruimte laat. We gingen voor metaal daar. We discussieerden zelfs kort metaal versus composiet carrosseriepanelen. Echter, het zou economisch onhaalbaar zijn geweest om de C8's stijllijnen in metalen te creëren.”

“Een echte uitdaging die we tegenkwamen was hoe de luchtinlaag te hanteren,” herinnert Chris Basela, Corvette body structure lead engineer, de noodzaak uitleggend voor een andere methode om koellucht in en over de natuurlijk geaspireerde, 495-pk, 6,2-liter V8-motor te leiden, die 470 lb-ft (637 Nm) koppel levert. “We probeerden allerlei ontwerpen die de lucht deden nemen van echt wreedelijke paden, waardoor ongewilde turbulentiestromen ontstonden. Het kostte veel iteratief werk met het aansturingsteam om het beste pad voor de luchtstroom te ontwikkelen omdat de auto vrij moet ademen zonder restricties. We hadden ook toegang tot de airbox nodig en moesten rekening houden met de achterste bagageruimte. Een ander punt was hitte en motorgeluid in de passagiersruimte, omdat de inzittenden niet meer achter de motor zitten maar direct ervoor gepositioneerd zijn. En we waren zich van de kabineluchtkwaliteit bewust omdat wetten in Europa en elders waren veranderd sinds de C7, dus we hebben heel hard gewerkt om VOC's [vluchtige organische stoffen] te verminderen.”

“Zelfs uitwerken hoe de auto te monteren was een uitdaging,” voegt Moss toe. “Met een voormotorontwerp heb je een lange motorkap en grote motorkamer, wat operators veel ruimte geeft om de auto van binnen de kamer te bouwen, zelfs met de voorste bumperbalk al gegoten. Op de middenmotor Corvette, met zijn zeer korte voordeel, houden we de voorzijde van de auto open terwijl het voertuig wordt uitgebouwd, en schroeven we de voorste bumper eraan.”

“Het was een flinke balansact om de juiste vorm te krijgen, terwijl we waarborgden dat onze leveranciers de onderdelen konden produceren en ons team in Bowling Green [GM's Kentucky-gebaseerde Corvette assemblagefabriek] ze kon monteren,” vervolgt Basela. “Uiteindelijk was er slechts één composiet dat overgedragen werd van de C7's carrosserie naar de C8.” Dit was zware Klasse A, 1,2 specifiek gewicht (SG) sheet molding compound (SMC) ontwikkeld voor de 2016 Corvette en gebruikt in diverse exterieurafsluitingen op het nieuwe voertuig.

Voertuigarchitectuur

Vier generaties lang (C5-C8) hebben Corvettes een driedelige, multi-materiaal carrosseriestructuur: de frame, meestal een mix van aluminium of staal – dit keer met een koolstofvezel-versterkt composiet (CFRP) onderdeel; de bodystructuur, die grotendeels gelijmd composiet is om te profiteren van ontwerp- en productieflexibiliteit; plus boutbare afsluitingen (carrosseriepanelen), die sinds Corvette's debuut in juni 1953 composiet zijn. Deze gelaagde hybride structuur biedt niet alleen betaalbare gewichtsreductie in hoge productievolumes – met name voor auto's van deze prestatieklasse – maar stelt ook meerdere voertuigvarianten toe te produceren bij lage gereedschapsinvesteringen. In feite, voor de huidige C8, wist GM alle Klasse A composiet carrosseriepanelen (gelijmde innenzijden en uiterzijden) op zowel het basismodel coupé als cabriolet te produceren met slechts 20 gereedschappen.

Daarnaast zijn Corvettes altijd ontworpen met een open-dakarchitectuur, ongeacht of ze eigenlijk cabriolets of coupés zijn met vaste of verwijderbare dakpanelen. Omdat open-dakvoertuigen doorgaans minder stijf zijn dan die met vaste daken, is een belangrijk focus voor elke Corvette's engineering altijd het creëren van de stijfste fundering mogelijk om vering en sturing te verbeteren. Historisch hebben tunnels (behuizing transmissies en aandrijfas op voormotorvoertuigen) de Corvette bodystructuren gedomineerd en zijn sleutel voor het bereiken van hoge torsiestevigheid. In het geval van de nieuwe Corvette, bereikte GM nog hogere stijfheid. Met het dak verwijderd, is de C8 body 53,78% stijfer dan een benchmark hoogpresterende middenmotorconcurrent, 29,27% stijfer dan een tweede hoogpresterende middenmotorconcurrent, en 13,79% stijfer dan de C7. Twee composietonderdelen maakten belangrijke bijdragen aan de voertuigstijfheid – eentje direct bevestigd aan de framestructuur (achterste bumperbalk) en een andere bevestigd aan het onderbod (onderste tunnel afsluiting).

Framestructuur

De C8's frame is grotendeels aluminiumlegering met één CFRP onderdeel ontwikkeld om GM's strenge dollar-per-kilogram doelen te halen. In tegenstelling was de C7 frame volledig aluminium en de C6 grotendeels staal.

Het enige composietonderdeel direct gemonteerd op de frame dat meegaat met de body-in-white (BIW) door het electroforetisch roestcoatproces (dat GM ELPO noemt), is een unieke CFRP achterste bumperbalk. Dit onderdeel helpt de frame verstevigen en bijdraagt aan achterbotsprestaties. De gebogen vorm – mogelijk dankzij een nieuw proces genaamd radius pultrusie ontwikkeld door Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG (TTI, Bremervörde, Duitsland) – stelt het in staat om achterste stijlkenmerken te matchen en in beperkte pakketruimte te passen terwijl dimensionale integriteit dicht bij motorruimte-hitte behouden blijft. Als de auto-industrie's eerste gebogen gepultrudeerd onderdeel (zie ons volledige artikel over dit onderdeel in het CW mei 2020 nummer), werd de holle, tweekamerige balk geproduceerd door Shape Corp. (Grand Haven, Mich., VS) op apparatuur ontwikkeld en gebouwd door TTI. De balk weegt slechts 1,3 kilogram en heeft een gelijmde/geboute tow-hoek oog capabel van 25 kilonewton uittrekkracht.

Body Structuur: Deel A

Virtueel alle C8 bodystructuurcomponenten zijn composiet en worden gelijmd en/of gebout aan de frame na afloop van ELPO. Opvallende composietonderdelen op dit niveau omvatten structurele onderbodafsluitingen en de vloer – die we in dit nummer behandelen – en voor- en achterbagageruimte, inductiekanalen en de achterste omgeving en scheidingswand – die we volgende maand zullen behandelen, samen met carrosseriepanelen en trim.

De verwijderbare onder-tunnel structurele afsluiting op de C8, die fungeert als een toegangspoort, bijdraagt meer dan 10% aan de torsiestevigheid van het voertuig en fungeert als primaire belastingspad tijdens een botsing. Dit hybride-composietpaneel bestaat uit drie lagen glasvezel preform. Deze bestaan uit continue/geweven en gehakte/willekeurige vezels bij 38% vezelvolume fractie (FVF), met voiles toegevoegd aan boven- en onderlaag op elke stapel voor verbeterde oppervlakteafwerking. Glaspreforms zijn geïntercaleerd met twee lagen preforms gemaakt met Toray (Tokyo, Japan) T700 12K standaard-modulus koolstofvezel in de vorm van NCF biaxiaal weefsel bij 21% FVF en een vinylester (VE) matrix. De afsluiting wordt geproduceerd door Molded Fiber Glass Co. (MFG, Ashtabula, Ohio, VS) met hun eigen PRiME (Prepositioned Reinforcement ensuring Manufacturing Excellence) proces, een type vloeibare compressievorming (LCM).

Behalve een enkele aluminium afsluiting bij de achterwielen die deel uitmaakt van de motorframe, bestaan de overige onderbodpanelen uit ofwel compressie gevormd SMC of injectiegevormde thermoplasten. Onder andere voordelen verminderen deze panelen onderbodturbulentie en weerstand, verbeteren brandstofefficiëntie en houden vocht, stof en stenen uit de motor en aandrijving van het voertuig. Verder bieden ze de dimensionale fundering voor meerdere exterieur- en interieurinterfaces.

De lage-dichtheid maar structurele SMC panelen hebben nieuwe formuleringen (in dit geval, 40% FVF gehakte glasvezel/onverzadigde polyester (UP) hars) ontwikkeld door MFG. Het materiaal heet “float” SMC omdat elke paneels dichtheid minder dan 1,0 is (gemiddelde SG=0,97) en dus in water kan drijven. MFG produceerde alle structurele SMC en LCM'de onderdelen op de auto.

Het voertuig heeft ook een hybride vloer geoptimaliseerd voor torsiebuiging en zijpaal botsbescherming (betrokken de rokpanelen en tunnel, waaraan het verbonden is). Vloerpanelen hebben cabin-kant gestempeld aluminium gelijmd aan bladen van weg-kant 1,5-SG composiet (60 wt-% continue en geweven glasvezel/VE) geproduceerd via het PRiME-proces. Voor het warmte-lijmen van beide lagen met Pliogrip 9100 polyurethaan structurele lijm van Ashland Global Holdings Inc. (Wilmington, Del., VS), reinigt en prepareert MFG de materialen.

Alle composietonderdelen direct gelijmd aan de C8 frame worden eerst onderworpen aan laserablatie, een proces ontwikkeld door GM, MFG en Adapt Laser Systems LLC (Kansas City, Mo., VS) voor de 2016 Corvette, en aangepast van een composietenindustrie methode voor vormreiniging. Laserablatie vervangt handschuren en vermindert arbeid, tijd en kosten, elimineert stof en verbetert herhaalbaarheid. Laserpad, aanvalshoek en energieniveau zijn aanpasbaar voor elk onderdeel zijn materiaal en geometrie. Om productieflexibiliteit te maximaliseren, is het gehele onderbod, inclusief de vloer, verbonden met de frame en zichzelf via lijmen en schroeven.

In het augustusnummer van CW zullen we doorgaan met het bespreken van composietinnovatie op de nieuwe Corvette, hervattend met additionele componenten op het body structure niveau en afrondend met exterieurafsluitingen (carrosseriepanelen), plus extra trim en upgrades. Zie Deel 2.