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。
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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