張輝 李賀 劉維棟

摘 要：文章系統(tǒng)分析研究重卡外飾件的輕量化思路，從輕型材料應(yīng)用、新型工藝應(yīng)用、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、集成化設(shè)計等方面對外飾件輕量化思路進行分析和探究。重點介紹了玻璃鋼件替代材料和外飾件新工藝。文章也介紹了在多年從事輕量化工作中遇到的一些問題，提出了解決思路和開發(fā)方向。

關(guān)鍵詞：重卡;外飾件;輕量化;新材料

中圖分類號：U462.1? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-82-05

Study on Lightweight Method of Heavy Truck Exterior Decoration

Zhang Hui， Li He， Liu Weidong

（Automotive Engineering Research Institute， Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.， Ltd， Shaanxi Xi'an 710220）

Abstract： This paper firstly introduces the lightweight methods of heavy truck exterior decoration：lightweight materials， lightweight processes， structural topology optimization， and integrated design. Then introduce the substitute materials and processes of UP+GF. This paper also introduces the problems and the methods of the lightweight works. This paper provides some lightweight solutions for heavy truck designers and decoration suppliers.

Keywords： Heavy truck; Exterior decoration; Lightweight; New materials

CLC NO.： U462.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-82-05

前言

中國經(jīng)濟的發(fā)展已經(jīng)從高速增長轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量增長階段。對于汽車行業(yè)而言，新技術(shù)新材料及 輕量化技術(shù)對于提高汽車的核心技術(shù)和國際競爭力有著重要作用，不僅推動了行業(yè)技術(shù)更新?lián)Q代，而且拉動相關(guān)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展和消費升級。

對主機廠而言，環(huán)境保護的壓力促使國家出臺了相關(guān)的節(jié)能減排政策和標(biāo)準(zhǔn)。GB 20997-2007《輕型商用車輛燃料消耗量限值》 該國家標(biāo)準(zhǔn)是我國第一個控制商用車燃料消耗量的強制性國家標(biāo)準(zhǔn)。汽車的輕量化是節(jié)能減排的重要手段之一，可有效幫助主機廠降低汽車的整備質(zhì)量，進而降低燃油的消耗量和CO2的排放量。對于新能源重卡而言，自重的降低更是直接提高了車輛的續(xù)航里程和續(xù)航時間，提高了車企在市場的競爭力。

隨著新版GB1589-2016的實施，加之國家對于限超治超整治力度的加大，客戶購買重卡時對車輛自重的關(guān)注越來越強烈。數(shù)據(jù)表明，汽車質(zhì)量每降低10%，可降低油耗6%-8%。自重的降低不僅為客戶降低了油耗，針對載貨車輛而言，自重的降低也意味著司機出車可載重更多的貨物，提升單趟出車的經(jīng)濟效益。

1 重卡外飾件輕量化方法簡介

根據(jù)統(tǒng)計，重卡外飾件單車重量約在250-300kg（含底盤件和支架），外飾件輕量化就是在保證使用強度和整車安全性等使用前提下，從多維度進行多目標(biāo)優(yōu)化，實現(xiàn)自重的降低。

根據(jù)筆者多年從事外飾輕量化的經(jīng)驗總結(jié)，對外飾件的輕量化技術(shù)途徑主要可歸納為以下兩點：

（1）非金屬輕型材料和工藝應(yīng)用;

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和集成化設(shè)計。

方法（2）通常用于結(jié)構(gòu)件的輕量化方案，方法（1）通常用于外飾外板件的輕量化方案。綜合應(yīng)用通?？蓪崿F(xiàn)單系統(tǒng)降重15-40%，以某車型為例，經(jīng)過事實以上措施外飾件降重實現(xiàn)了30-40kg降重。

2 非金屬輕型材料和工藝技術(shù)應(yīng)用

傳統(tǒng)上重卡外飾使用玻璃鋼材料較多，而目前主流重卡外飾件以采用SMC模壓工藝的居多。SMC產(chǎn)品以其良好的剛性、強度、可靠性在外飾件中占據(jù)了一席之地。

2.1 玻璃鋼材料及工藝

UP+GF：UP為不飽和聚酯的國際通用縮寫，GF為玻璃纖維的國際通用所寫。

SMC：Sheet molding compound，片狀模塑料，主要原料為GF（玻璃纖維）、UP（不飽和聚酯）、MD（填料）及各種助劑組成。

2.1.1 SMC模壓成型工藝介紹

將一副陰陽模安裝在壓力機上，將SMC片材在模腔中經(jīng)過加熱加壓，使之固化定型。模壓法可分為熱壓法、冷壓法。

2.1.2 玻璃鋼優(yōu)缺點和應(yīng)用介紹

（1）材料優(yōu)點

相比普通塑料材質(zhì)具有強度高、剛性高、收縮率小、連接點結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單等特點。

（2）材料缺點

生產(chǎn)過程粉塵污染大，后續(xù)需切邊打磨，且材料難以回收，難降解，只能打成粉末填埋。密度較大自重大，模壓產(chǎn)品通常密度在1.8-1.95g/cm3，相比金屬件具有優(yōu)勢，相比熱塑性塑料自重?zé)o優(yōu)勢。

（3）產(chǎn)品應(yīng)用

材料在重卡外飾上主要應(yīng)用在前面罩、上車踏步、保險杠、導(dǎo)流罩等外板件上，優(yōu)勢在于布置結(jié)構(gòu)簡單，通常不需要完整的骨架+蒙皮結(jié)構(gòu)，自身剛度較好。

但隨著材料技術(shù)和工藝的不斷日新越益更新?lián)Q代，其自重較大、材料難以回收、噴涂性能不佳等問題逐漸顯現(xiàn)。逐漸出現(xiàn)了以熱塑性材料為主的輕量化材料代替玻璃鋼材料外飾件的趨勢，并且新材料在外飾件中的占比逐年提高。

2.2 纖維增強熱塑性塑料

2.2.1 纖維增強熱塑性塑料

以PP、PA、ABS等熱塑性塑料作為機體，通過填充增強纖維等改性方法獲得機械性能更高的新增強塑料。

目前在外飾產(chǎn)品上應(yīng)用最多的是以PP、PA為基材，填充短玻纖或長玻纖進行增強，常用的有LFT-PP-GF30，PA6-GF30。

以長玻纖增強聚丙烯（以下簡稱LFT-PP-GF30）材料為例，其參數(shù)如下表：

2.2.2 LFT-PP特性

產(chǎn)品由于玻纖保留長度長，在沖擊強度、剛度、強度方面性能優(yōu)異，力學(xué)曲線見圖3：

相比普通短玻纖增強PP，其制件在變形控制方面較為優(yōu)良，產(chǎn)品注塑后的變形較小，尺寸穩(wěn)定，裝配后間隙面差表現(xiàn)好。

2.2.3 產(chǎn)品應(yīng)用

相比SMC產(chǎn)品，采用LFT-PP材料的產(chǎn)品密度可由1.8- 1.95g/cm3降至1.2-1.4 g/cm3，降重比例可達20-35%，同時此材料在剛強度方面性能較好。

在下圖所示保險杠產(chǎn)品進行應(yīng)用，外板由原來的金屬+玻璃鋼結(jié)構(gòu)改為LFT-PP外板結(jié)構(gòu)，同時骨架進行輕量化拓?fù)鋬?yōu)化，實現(xiàn)總成降重10kg，外板降重貢獻度80%。

鑒于以上優(yōu)良的降重性能，目前已在保險杠、翼子板、導(dǎo)流罩、前面罩?jǐn)_流板和上車踏步等外飾系統(tǒng)上得到了廣泛應(yīng)用。

2.2.4 設(shè)計難點及解決思路

長玻纖增強聚丙烯在外飾件應(yīng)用上目前較為成熟，但在應(yīng)用過程中應(yīng)注意其易變形和外表面縮印等特點。

在設(shè)計過程中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)避免過于狹長，同時截面應(yīng)具備翻邊結(jié)構(gòu)，減少平面結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。同時在結(jié)構(gòu)上噴漆件應(yīng)減少加強筋的布置，如必須時需嚴(yán)格控制加強筋的厚度和拔模角等工藝參數(shù)，連接點結(jié)構(gòu)根部應(yīng)具有減瘦結(jié)構(gòu)。

2.3 PHC蜂窩夾層材料

2.3.1 蜂窩夾層技術(shù)

蜂窩夾層技術(shù)是將傳統(tǒng)工業(yè)的蜂窩狀或瓦楞狀的芯材（紙質(zhì)、鋁、PP或泡沫），在芯材的上下兩面各覆蓋一層玻璃纖維氈，然后由聚氨酯噴涂系統(tǒng)浸潤，并將此夾層結(jié)構(gòu)放入模具中，在130-140攝氏度下直接模壓成型的材料和工藝技術(shù)。（見下圖6）

蜂窩紙板結(jié)構(gòu)內(nèi)部為空心孔結(jié)構(gòu)，自重較低，且等重下截面剛度較強，同時具備模具費用低，制造周期短等特點，以下以重卡車門裝飾板示例，分析其優(yōu)缺點。

2.3.2 設(shè)計難點及解決思路

綜合上述分析，蜂窩夾層板材料在自重和整體截面剛度上具有優(yōu)勢，但在價格上較貴，故在產(chǎn)品應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品定位和產(chǎn)品年量綱進行綜合選擇。

2.4 PDCPD聚雙環(huán)戊二烯材料

PDCPD為雙環(huán)戊二烯（DCPD）之均聚物或共聚物。為一種交聯(lián)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)工程塑料。

PDCPD制品在生產(chǎn)中一般采用RIM工藝，基于高純度的DCPD（≥98%）經(jīng)過開環(huán)移位聚合反應(yīng)（ROMP）制得，原料多為雙組分體系（A、B液），其工藝過程為：

PDCPD是一種機械物理綜合性能很好的新型工程材料，同時擁有高抗沖擊強度、高熱變形溫度和很好的抗老化性能。制件工藝靈活、簡單，特別適宜制成高強度、大面積的超薄制件。

2.4.1 PDCPD材料應(yīng)用

在汽車工業(yè)，工程機械制造業(yè)、醫(yī)療和體育器材、石化管道及民用設(shè)施等領(lǐng)域展現(xiàn)了極為廣闊的應(yīng)用前景。尤其在美國卡特彼勒、特雷克斯、德國利勃海爾、瑞典沃爾沃、山特維克和日本建機、小松等著名公司對PDCPD工程塑料的研發(fā)與應(yīng)用已有很多年。

2.4.2 設(shè)計難點及解決思路

PDCPD材料整體彈性模量較低，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用時多采用內(nèi)外板結(jié)構(gòu)或加強筋結(jié)構(gòu)，同時進行充分的CAE強度、剛度論證。見下圖：

PDCPD材料性能較為優(yōu)良，在降自重和表面噴涂性能方面具有一定優(yōu)勢。但目前由于原材料依賴進口，整體成本高于SMC產(chǎn)品和PP+GF產(chǎn)品。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和集成化設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

車身輕量化系數(shù)，該參數(shù)最早由寶馬公司提出，是指車身輕量化系數(shù)用來評價車身輕量化的技術(shù)水平。車身輕量化系數(shù)：

（1）

M是不包含翼子板的車體重量（kg），CT是車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度（N·m/（?）），A是車身投影面積。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計就是在給定的邊界和約束條件下，按照多目標(biāo)（重量最輕、成本最低、剛度最大）任務(wù)進行設(shè)計。

具體到外飾件結(jié)構(gòu)，可分為以下兩類：

3.1.1 塑料外板件的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計

塑料外板件的結(jié)構(gòu)設(shè)計一般是在給定造型面、DTS定義、周邊環(huán)境的輸入后，按照選定工藝和材料、確定零件料厚、安裝點布置、加強筋布置的順序進行方案和細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計，見圖14。

合理的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計主要關(guān)注的是料厚做到最薄、重量做到最輕、安裝點布置到最合理、產(chǎn)品的強度和剛度滿足設(shè)計和使用要求。

3.1.2 固定支架類的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計

固定支架類的輕量化設(shè)計主要從零件的材料適應(yīng)性設(shè)計、拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化四方面設(shè)計。

（1）材料適應(yīng)性設(shè)計

通常外飾件固定支架以鈑金支架、管類支架和鑄鋼件為主，隨著輕量化需求的不斷深入，以鋁代鋼、以塑代鐵的趨勢越來越普及。

材料的變更必然帶來結(jié)構(gòu)的變化，鋁和塑料的強度相應(yīng)的弱于鋼和鐵，結(jié)構(gòu)需要進行增強，同時不同材料的工藝也具備差異性。