邵萌，王燕文

(上海世科嘉車輛技術(shù)研發(fā)有限公司，上海 200123)

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長玻纖增強(qiáng)材料在汽車塑料尾門中的應(yīng)用

邵萌，王燕文

(上海世科嘉車輛技術(shù)研發(fā)有限公司，上海 200123)

摘要：對(duì)汽車尾門采用的新型長玻纖增強(qiáng)聚丙烯熱塑性復(fù)合材料(PP-LGF材料)的輕量化技術(shù)進(jìn)行介紹和分析。說明PP-LGF材料在滿足塑料尾門性能要求的同時(shí)，降低汽車尾門的質(zhì)量，給造型提供了更多的自由度，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化; 長玻纖增強(qiáng)聚丙烯；塑料尾門；復(fù)合材料

0引言

在當(dāng)前面臨全球氣候變暖以及能源危機(jī)的大形勢下，汽車的排放有著越來越嚴(yán)格的要求。以歐盟為例，2020年，歐盟范圍內(nèi)銷售的95%的新車，其平均單車碳排放需控制在95 g/km之內(nèi)。超出標(biāo)準(zhǔn)的碳排放量中，超出的第1 克罰金為5歐元，第2 克罰金15歐元，第3 克罰金25歐元，從第4 克開始，每克罰金為95歐元。同樣，中國的《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量核算辦法》確定的節(jié)能汽車發(fā)展目標(biāo)是：到2020年，當(dāng)年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/(102km)。

汽車輕量化是降低汽車排放、提高燃油效率的最有效措施之一,是汽車技術(shù)發(fā)展上的一個(gè)關(guān)鍵方向。研究表明: 汽車的自身質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%[1]。對(duì)應(yīng)歐盟的CO2排放指標(biāo)，汽車的自身質(zhì)量每減少100 kg，CO2排放可以降低10 g/km[2]。

在輕量化要求的同時(shí)，汽車的可靠性、安全性、舒適性的要求也在提升。這就要求在汽車設(shè)計(jì)中采用各種新型的結(jié)構(gòu)和材料，在減輕質(zhì)量的同時(shí)保證其強(qiáng)度、剛度等各種性能的平衡。在這方面，一種長玻纖增強(qiáng)聚丙烯熱塑性復(fù)合材料(簡稱PP-LGF材料)是一種重要的技術(shù)。近年來，兼顧了低密度和高強(qiáng)度特性的長玻纖增強(qiáng)聚丙烯熱塑性復(fù)合材料開始用于汽車的各個(gè)部件，越來越多的車型采用該材料生產(chǎn)前端模塊、儀表板骨架等，并且開始探索將該材料用于其他各結(jié)構(gòu)件。其中一個(gè)新型的研究熱點(diǎn)就是塑料尾門。

1塑料尾門技術(shù)發(fā)展及對(duì)比分析

縱觀全球，各個(gè)整車廠陸續(xù)對(duì)塑料尾門進(jìn)行許多嘗試和應(yīng)用。從材料技術(shù)的角度，基本可以分成兩代。

第一代，尾門的內(nèi)外板由SMC或GMT構(gòu)成。該技術(shù)早在20世紀(jì)90年代就已出現(xiàn)，該GMT技術(shù)以玻璃纖維(氈)為增強(qiáng)材料，熱塑性樹脂為基體，通過加溫、加壓制成復(fù)合材料，取代部分金屬材料，獲得一定的減重效果。采用該技術(shù)的主要車型有標(biāo)志的508 SW、雪鐵龍的C4畢加索、切諾基吉普車、日產(chǎn)的Murano以及國內(nèi)的榮威E50等。

但由于該技術(shù)采用的是模壓工藝，工藝上的限制導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，影響了減重效果和復(fù)雜造型的實(shí)現(xiàn)。另外，模壓工藝生產(chǎn)周期長，對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)節(jié)拍有一定的制約。再加上近年來日趨嚴(yán)格的ELV法規(guī)對(duì)回收利用的要求，各個(gè)公司開始嘗試第二代解決方案。

第二代，尾門采用聚丙烯塑料外板，內(nèi)板由長玻纖增強(qiáng)聚丙烯熱塑性復(fù)合材料(PP-LGF材料)構(gòu)成。該P(yáng)P-LGF材料技術(shù)采用注塑成型技術(shù)，將PP-LGF材料注塑直接成型制作尾門內(nèi)板。由于PP-LGF材料有著優(yōu)異的機(jī)械性能，同時(shí)注塑成型技術(shù)賦予其極自由的成形形狀，可局部實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，再加上更小的密度，減重效果優(yōu)異，目前已是塑料尾門主流方向，包括之前采用第一代技術(shù)的公司也紛紛嘗試PP-LGF材料技術(shù)的尾門。目前，采用該技術(shù)的已量產(chǎn)的車型主要有：新一代日產(chǎn)奇駿、寶馬i3、福特Kuga、標(biāo)志雪鐵龍308s、雷諾新Clio以及斯巴魯R1等。

采用該P(yáng)P-LGF材料技術(shù)的尾門，實(shí)現(xiàn)了顯著的減重效果、更好的生產(chǎn)效率以及表面質(zhì)量提升到可直接外露的水平(無需內(nèi)飾板裝飾)，目前已成為塑料尾門的設(shè)計(jì)趨勢。文中也將針對(duì)該材料方案展開分析和介紹。

2PP-LGF材料塑料尾門性能分析

2.1PP-LGF材料優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

由于PP材料本身有著熱塑性材料的特點(diǎn)，再添加長玻纖材料在其中，使其產(chǎn)生了優(yōu)異的機(jī)械性能和耐高低溫性能。其特點(diǎn)如下：

(1)密度小、強(qiáng)度高。尾門常用的PP-LGF材料密度在1.2 kg/m3左右，僅為SMC的1/4，鋼材的1/6，而彎曲模量可以達(dá)到8 000 MPa以上。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由。PP-LGF材料采用注塑工藝，可以成型出復(fù)雜結(jié)構(gòu)和曲面，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的剛度質(zhì)量比，達(dá)到很好的減重。

(3)生產(chǎn)效率高。PP-LGF材料采用注塑工藝，已經(jīng)在汽車零部件上大量應(yīng)用，生產(chǎn)效率完全可以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的節(jié)拍要求。

(4)耐熱穩(wěn)定性好。PP-LGF材料在常規(guī)聚丙烯內(nèi)添加了長波纖組分，大大提高了其耐熱性能，長期使用溫度提高到100 ℃以上，甚至已可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)艙的環(huán)境應(yīng)用要求。

(5)表面質(zhì)量較高。PP-LGF材料流動(dòng)性好，成品表面質(zhì)量可以達(dá)到內(nèi)飾板的標(biāo)準(zhǔn)，作為結(jié)構(gòu)件可以直接外露而無需內(nèi)飾件遮蓋。

(6)材料利用率高達(dá)95%，生產(chǎn)損耗小。

正因?yàn)橛兄缟蟽?yōu)點(diǎn)，PP-LGF材料在汽車上的應(yīng)用也越來越廣。幾乎所有的主機(jī)廠均有采用PP-LGF材料的成功案例，其主要應(yīng)用涵蓋了前端模塊、保險(xiǎn)杠梁、儀表板、車門模塊、底護(hù)板、電池托架等各個(gè)部位。

2.2PP-LGF材料塑料尾門與金屬尾門對(duì)比

就材料本身屬性來說，塑料的強(qiáng)度沒有金屬高，但是通過改變厚度或優(yōu)化結(jié)構(gòu)完全可以達(dá)到與金屬相同的強(qiáng)度，并且質(zhì)量還更輕。因此，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，PP-LGF材料完全可以達(dá)到金屬尾門的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。同時(shí)，PP-LGF材料可以針對(duì)局部做不等厚度、局部加強(qiáng)的設(shè)計(jì)，使得材料的力學(xué)利用效率提高。另外，相比之下，金屬尾門則只能做成統(tǒng)一的厚度，這樣會(huì)造成某些部分設(shè)計(jì)過度(指某些部位強(qiáng)度遠(yuǎn)大于安全標(biāo)準(zhǔn)，額外增加成本)。

另外，在實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能的基礎(chǔ)上，PP-LGF材料的塑料尾門相比于傳統(tǒng)的金屬尾門有著更多的優(yōu)勢：

(1)減重，降低整車油耗和CO2排放。降低整車質(zhì)量是目前各個(gè)主機(jī)廠追求的目標(biāo)。PP-LGF材料的密度大約只有鐵的1/7，相同機(jī)械性能最高可以達(dá)到50%的減重，但考慮到高溫、疲勞等復(fù)雜工況的要求，采用PP-LGF材料的尾門整體基本可以實(shí)現(xiàn)約30%的減重。

一個(gè)典型的例子是日產(chǎn)的某車型，其尾門采用PP-LGF材料的內(nèi)板和TPO(Thermoplastics Polyolefin)的外板，實(shí)現(xiàn)了相比金屬30%的減重，并且提高了10%的燃油經(jīng)濟(jì)性[3]。另一個(gè)在中國的例子，最新上市的標(biāo)致雪鐵龍的某車型尾門(如圖1所示)，塑料尾門的質(zhì)量只有12 kg，相比于原金屬的尾門減重了25%[4]。

(2)集成度高、設(shè)計(jì)性強(qiáng)、降低造車成本?，F(xiàn)在，無論是汽車的動(dòng)力總成還是電子系統(tǒng)，對(duì)于集成度的要求越來越高，以此來減少部件的數(shù)量，達(dá)到降本、減重的效果，在尾門上同樣有這樣的需求。PP-LGF材料的塑料尾門相比金屬尾門能夠在集成度上做得更出色，金屬部件需要用10個(gè)的話，塑料部件只需要3個(gè)甚至2個(gè)即可，這也就意味著在組裝車身時(shí)可以節(jié)省大量時(shí)間。一個(gè)典型例子：車尾門上方都有一塊擾流板，若是金屬尾門，那么這塊擾流板需要采用額外的工序加裝上去；而采用PP-LGF材料的塑料尾門方案，則尾門和擾流板可實(shí)現(xiàn)一體化，節(jié)省了多余的工序。另外，金屬尾門在外形設(shè)計(jì)上局限性較大，設(shè)計(jì)時(shí)很難達(dá)到理想的空氣動(dòng)力學(xué)造型。而且，金屬尾門的邊緣需要采用許多密封件來保證車門的密封性，塑料尾門則無需這些密封件，因?yàn)樗膹?qiáng)可塑性讓車門邊緣非常平整和光滑，不存在密封性問題。同時(shí)，可塑性強(qiáng)也使得塑料尾門能夠設(shè)計(jì)成更多變的造型。

(3)復(fù)原性好，用車成本少。 在城市中，90%的車輛碰撞都是低速碰撞。金屬材料由于沒有彈性，一旦發(fā)生形變則無法還原，重新塑形、噴漆昂貴。熱塑性材料的低模量使得此類塑料尾門在低速碰撞之后有自動(dòng)復(fù)原的功能：即在受到較低速度的沖擊時(shí)，塑料會(huì)彈性變形，吸收大量的沖擊能量，然后恢復(fù)原形。另外，塑料的耐腐蝕性也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬，即便表層漆面受損，也不會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，從而節(jié)省一部分保養(yǎng)開支。

3PP-LGF材料塑料尾門的開發(fā)及設(shè)計(jì)

3.1塑料尾門的整體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)上，傳統(tǒng)尾門原金屬部分通常由兩部分構(gòu)成：尾門內(nèi)板和尾門外板。而高度集成的塑料尾門同樣由尾門內(nèi)板和尾門外板構(gòu)成，其中尾門外板根據(jù)造型分塊的不同，可以拆分成上外板和下外板；尾門內(nèi)板為PP-LGF材料，尾門外板為低線性膨脹系數(shù)的聚丙烯材料。塑料尾門主要部件爆炸圖如圖2所示。

尾門內(nèi)板主要作用是承載和提供強(qiáng)度剛度支持，選用PP-LGF材料，在實(shí)現(xiàn)可塑性的同時(shí)，提供高強(qiáng)度的性能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，需要布置大量的空間加強(qiáng)筋以提高效率。如圖2中結(jié)構(gòu)，尾門內(nèi)板的上部和尾門內(nèi)板的D柱區(qū)域是重點(diǎn)加強(qiáng)區(qū)域，加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)、深度、走向都需要經(jīng)過CAE拓?fù)浞抡鎭韮?yōu)化。

對(duì)于尾門外板，主要用以實(shí)現(xiàn)外觀造型。由于聚丙烯材料的高流動(dòng)性，可以實(shí)現(xiàn)很多鈑金所不能實(shí)現(xiàn)的形狀和結(jié)構(gòu)，可以給造型增加極大的自由度。對(duì)于塑料尾門外板的材料，需要

特別注意的是塑料會(huì)存在比鈑金明顯的熱脹冷縮，塑料尾門外板應(yīng)選用和內(nèi)板線性膨脹系數(shù)接近的材料，從而避免不同的變形引起外觀質(zhì)量上的缺陷。

3.2塑料尾門工藝

塑料尾門的內(nèi)外板均采用注塑工藝。尾門內(nèi)外板之間采用膠粘合工藝?？紤]到PP-LGF材料各向異性的特點(diǎn)，一般需用專用的模流分析軟件來進(jìn)行仿真，指導(dǎo)模具的開發(fā)和設(shè)計(jì)，控制零件的尺寸和性能。尤其尾門組裝后系統(tǒng)的翹曲尺寸分析，應(yīng)當(dāng)納入整個(gè)仿真以獲得最佳控制效果[5]。

3.3塑料尾門的結(jié)構(gòu)分析

塑料尾門作為一個(gè)活動(dòng)的功能件，其邊界條件和工況遠(yuǎn)比一般的結(jié)構(gòu)件復(fù)雜。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)參考金屬尾門的工況進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但在具體設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)考慮力的傳遞路徑，同時(shí)需考慮到塑料在不同溫度下的機(jī)械性能差異，以較安全的系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的模擬和計(jì)算，一般有兩種方法相互校核：一種是基于變形量的剛度分析，即采用有限元分析工具計(jì)算尾門在施加特定載荷的工況下所產(chǎn)生的變形量，進(jìn)而計(jì)算出產(chǎn)品相應(yīng)的剛度；另一種是基于應(yīng)力的破壞分析，即采用有限元分析工具計(jì)算尾門在施加特定載荷的工況下所產(chǎn)生的應(yīng)力，并和材料的特性進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而分析產(chǎn)品的強(qiáng)度[6]。

尾門的結(jié)構(gòu)分析工況眾多，文中不一一列舉。為突出塑料尾門的特點(diǎn)，以關(guān)鍵指標(biāo)扭轉(zhuǎn)剛度分析為例，該工況如圖3所示，分析該工況下某車型尾門的極限變形量：根據(jù)該工況，分別展開基于變形量的剛度分析和基于應(yīng)力的破壞分析。基于變形量的剛度分析，考慮到塑料的特性，分別對(duì)23、60及80 ℃溫度下的情形進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示，尤其是最惡劣的80 ℃工況，最大變形量仍小于設(shè)計(jì)指標(biāo)，剛度滿足設(shè)計(jì)要求。另外其內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的破壞應(yīng)力，強(qiáng)度也滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上，塑料尾門的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分發(fā)揮塑料材料的特點(diǎn)，集成各種周邊零件，同時(shí)優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化布置，以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和成本的最優(yōu)。

4PP-LGF材料塑料尾門前景展望

利用以塑代鋼技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，是當(dāng)前汽車新材料應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。而PP-LGF材料憑借著優(yōu)異的材料特性、卓越

的減重效果、良好的加工性以及日益優(yōu)化的系統(tǒng)成本，已成為以塑代鋼的焦點(diǎn)。

在歐美國家，PP-LGF的塑料尾門已經(jīng)開始部分量產(chǎn)應(yīng)用，而當(dāng)前國內(nèi)的塑料尾門開發(fā)剛剛起步。隨著國家日益嚴(yán)格的節(jié)能減排要求、國內(nèi)對(duì)PP-LGF材料尾門技術(shù)的認(rèn)知度不斷提高,以及PP-LGF塑料尾門產(chǎn)業(yè)環(huán)境日漸成熟，PP-LGF材料塑料尾門必將憑借著可靠、高效、輕量化、美觀的特點(diǎn)，獲得廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

【1】馮美斌.汽車輕量化技術(shù)中新材料的發(fā)展及應(yīng)用[J].汽車工程,2006,28(3):213-220.

【2】American Chemistry Council.Chemistry and Light Vehicle[R].USA,2012.

【3】TENORIO A C,LIPKA DD.Nissan Liftgate Points to Bright Future for Olefin Plastics[R].SAE International Technical Paper,2014-01-1059.

【4】HAUTE M.All-thermoplastic Tailgate Brings Peugeot a 20% Weight Saving[N].PlasticEurope,2013-11-09.

【5】BRANDS D.Assessment of Warpage Severity in Assembled Lightweight Products Using Long Glass Fiber-filled PP[C]//AWPP,2013.

【6】高秀琴.有限單元法原理及應(yīng)用簡明教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

PP-LGF Application in Automotive Plastic Tailgate

SHAO Meng, WANG Yanwen

(Shanghai SICAR Automotive Research Co.,Ltd., Shanghai 200123,China)

Keywords:Light weight; PP-LGF; Plastic tailgate; Composite material

Abstract:A new light weight solution with PP-LGF material for automotive tailgate was introduced. PP-LGF material can not only meet the performance requirement of tailgate, but also reduce the part weight and increase the styling freedom, which will be widely used in future.

收稿日期：2016-03-03

作者簡介：邵萌(1980—)，男，碩士， 研究方向?yàn)槠囋O(shè)計(jì)、新型材料、輕量化。E-mail：asimon@126.com。

中圖分類號(hào):U465.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-1986(2016)05-086-04