韓 杰

（風度（常州）汽車研發(fā)院有限公司車身工程部，江蘇 常州 213022）

前言

據(jù)國家信息中心統(tǒng)計，截止2016年底，我國汽車保有量已達到1.94億輛，預計2020年這個數(shù)字將達到2.5億。如何解決這個巨大數(shù)字所帶來的能源消耗、排放污染等問題成為一個日益嚴峻的課題。有研究表明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高 6%—8%；汽車整備質(zhì)量每減少 100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升。因此近幾年來，在國家政策引導下，“節(jié)能減排”開始成為每個車企所追求的目標，這使得汽車輕量化成為汽車設計時必須考慮的問題。

汽車輕量化是指在保證汽車的強度、剛度、模態(tài)以及安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性和操控性，減少燃料消耗，降低排氣污染。

對車身輕量化而言，一是對車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，即薄壁化、集成化；二是采用新型材料，如鋁合金、塑料、復合材料等；三是采用先進工藝，如熱成型、激光拼焊等。三種方法中，采用新型材料的減重效果最為明顯，尤其是采用塑料、復合材料替換原來的金屬材料，減重效果普遍在40%以上。但是材料的替換不是隨心所欲的，需要考慮安全、性能、工藝等各個方面的因素。相比于其他零部件而言，翼子板的功能較為單一，結(jié)構(gòu)也相對簡單，材料替換帶來的工藝問題也相對較少，因此塑料翼子板的應用成為了一種趨勢。

本文以某車型翼子板為例，結(jié)合塑料翼子板的材料性能，介紹了塑料翼子板在設計時的一些注意事項，希望能給從事翼子板設計的人員有所啟發(fā)和參考。

1 塑料翼子板的設計

1.1 吸水率對外觀幾何品質(zhì)的影響

與金屬翼子板相比，塑料翼子板除了具有更大的熱膨脹系數(shù)以外，還具有一定的吸水性。通過研究某車型的塑料翼子板發(fā)現(xiàn)，熱膨脹對外觀幾何品質(zhì)的影響，在采用合適的結(jié)構(gòu)設計之后，可以控制在0.3mm以內(nèi)，此時，吸水性所導致的吸水膨脹成為外觀幾何品質(zhì)不合格的主要原因，尤其是翼子板與前門的配合部位。翼子板與前門配合部位的間隙、面差要求如表1所示。

表1 翼子板與前門配合部位的間隙面差要求

塑料翼子板吸水率對該處面差的影響如圖1所示。

圖1 吸水率與面差的關系

從以上可知，當吸水率在 1%以下時，面差可以控制在設計要求以內(nèi)；當吸水率超過1%，達到3%時，此時的面差已經(jīng)超過了2mm，遠遠超出了設計范圍。

測試發(fā)現(xiàn)，該塑料翼子板的吸水率在濕熱條件下，隨著時間的延長，會逐漸增加，在達到200個小時的時候，吸水率已經(jīng)增長到了2%。吸水率隨時間的變化如圖2所示。

圖2 吸水率隨時間的變化

由于不同的塑料配比會得到不同的吸水率，因此設計塑料翼子板時，必須對材料的吸水特性進行充分的研究，以應對存在長時間濕熱環(huán)境的銷售市場，如我國長江中下游地區(qū)等。

1.2 翼子板與引擎蓋配合部位的設計

1.2.1 滑動間隙的設計

圖3 塑料翼子板受熱膨脹

由于塑料翼子板具有較大的熱膨脹系數(shù)，因此，當外界溫度變化時，會產(chǎn)生不同程度的變形，尤其是當采用線上涂裝工藝時，塑料翼子板的變形可以達到15mm左右，如圖3所示。

熱膨脹變形量計算公式如下所示：

式中：D為變形量；T1為高溫，T2為低溫，L為長度，α為熱膨脹系數(shù)。

翼子板的長度一般在1m左右，涂裝烘干最高溫度 190℃，室溫20℃，PA+PPO的熱膨脹系數(shù)為9×10-5，計算得：

D=（190-20）×1×9×10-5= 0.0153m =15.3mm

如此大的變形量必須設計一種滑動結(jié)構(gòu)來確保翼子板不會因為熱膨脹而產(chǎn)生扭曲。圖4所示為某車型采用的一種滑動結(jié)構(gòu)。

圖4 滑動結(jié)構(gòu)

對于滑動結(jié)構(gòu)而言，設計一個合理的滑動間隙是極為重要的。過大的間隙會導致翼子板安裝不牢，而過小的間隙則無法完全釋放翼子板的變形?；瑒娱g隙的設計主要考慮以下幾個因素（見圖5）：（1）塑料翼子板注塑成型后的收縮量；（2）塑料翼子板受熱后的膨脹變形量，特別是采用線上涂裝時的膨脹變形量；（3）塑料翼子板受冷時的收縮變形量，一般考慮銷售市場的實際情況；（4）極限狀態(tài)下的安全間隙，一般預留2～3mm。

圖5 滑動間隙的考慮因素

綜上可知：

安裝點后部配合間隙=安全間隙+受熱膨脹變形量+成型收縮量；

安裝點前部配合間隙=安全間隙+受冷收縮變形量+成型收縮量；

1.2.2 剛度設計

由于塑料翼子板在受熱時會向車外方向膨脹，導致翼子板與引擎蓋配合部位的間隙面差超出設計范圍，因此需要對該部位進行一定的剛度設計。如圖6所示，翻邊高度a最好在20mm以內(nèi)，最大不能超過40mm；翻邊角度θ要設計的盡量大，越大剛度越好；設計一定的加強筋，建議使用三角筋，利于涂裝，加強筋的間隔建議在 500mm左右。此外，在翼子板前部端頭區(qū)域，考慮模具的結(jié)構(gòu)，一般需要設計出一個缺口，如圖7所示，導致此處剛度較差，因此需考慮在此處增加一個支架，以阻止翼子板在該位置的變形。

圖6 翼子板與引擎蓋配合部位斷面圖

圖7 翼子板前部缺口示意圖

1.2.3 運動間隙的設計

在設計金屬翼子板時，翼子板后部與引擎蓋的運動間隙一般要求在2.5mm以上即可，極限甚至可以做到1.5mm，但對于塑料翼子板而言，由于熱膨脹系數(shù)較大，此處的運動間隙需要重新定義。計算公式如下；

塑料翼子板運動間隙=2.5+a×(高溫-低溫)×熱膨脹系數(shù)（見圖8）

圖8 塑料翼子板運動間隙示意圖

1.3 翼子板后部安裝點的剛度設計

翼子板后部安裝點是翼子板重要的安裝基準，控制著翼子板與前門的間隙面差，因此其安裝點需要具有一定的剛度。通常情況下，會采用設計加強筋的方式增加剛度，但測試發(fā)現(xiàn)，對于塑料翼子板而言，加強筋會引起該位置的應力集中，在低溫的時候容易出現(xiàn)裂紋，因此建議采用增加料厚的方式來增加安裝點的剛度。

1.4 翼子板下部安裝點的設計

對于金屬翼子板，下部安裝點設計一個或兩個都可以，但對于塑料翼子板而言，考慮到塑料翼子板的變形，下部安裝點建議設計為兩個，并且中心距盡可能大，以應對溫度變化時翼子板出現(xiàn)的扭曲，如圖9所示。

圖9 翼子板下部安裝點

1.5 應對行人頭部保護的設計

在造型時，應盡量避免使翼子板處于行人頭部保護區(qū)域之內(nèi)。如果無法避免，通過實驗分析可知，只要塑料翼子板與機艙硬質(zhì)表面的距離達到60mm以上，就能夠降低HIC值，達到行人保護法規(guī)的要求。

2 結(jié)束語

在節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，輕量化將是未來汽車發(fā)展的方向，“以塑帶鋼”憑借其明顯的減重效果會越來越受到各大汽車企業(yè)的重視，但塑料與金屬在性能上有很大不同，如更大的熱膨脹系數(shù)、一定的吸水性等。本文通過研究某車型的翼子板，介紹了塑料特有性能對塑料翼子板外觀設計、結(jié)構(gòu)設計以及安裝點設計的影響，并提出了改善的建議。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，相信在不久的將來，塑料翼子板的應用會越來越成熟。

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