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        噴涂型水性阻尼在提升汽車NVH性能中的應(yīng)用

        2022-04-07 01:56:32覃鵬飛朱燈宏陳超福勞兵劉強(qiáng)強(qiáng)伍升安
        電鍍與涂飾 2022年4期
        關(guān)鍵詞:成本汽車施工

        覃鵬飛,朱燈宏,陳超福,勞兵,劉強(qiáng)強(qiáng),伍升安

        (上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007)

        隨著汽車市場的發(fā)展,用戶對汽車的乘坐舒適性要求越來越高,解決汽車輕量化、氣味、環(huán)保問題和提高汽車的NVH性能(即噪聲、振動、平順性)已成為全球車企普遍關(guān)注的課題。吸聲、隔聲、減振、阻尼產(chǎn)品在汽車NVH性能開發(fā)過程中被大量研究和廣泛應(yīng)用[1-3],以解決汽車使用過程中的風(fēng)噪、胎噪、路噪、動力噪音等噪聲和振動,汽車NVH問題的原因和解決方法見圖1。阻尼材料能夠?qū)C(jī)械振動的動能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)出去,消耗振動能量,達(dá)到減振降噪的效果。如圖2所示,汽車行業(yè)通常在車身的前圍板、輪罩、地板、備胎艙、頂蓋、側(cè)圍、車門、發(fā)動機(jī)艙蓋、尾門等車身薄板容易被激勵的區(qū)域布置阻尼材料來減振降噪,進(jìn)而提高汽車的NVH性能。

        圖1 汽車NVH問題的原因和解決方法Figure 1 Causes and solutions of NVH problems of automobile

        圖2 阻尼產(chǎn)品在汽車上的常用區(qū)域Figure 2 Areas of an automobile where damping products are commonly applied

        目前常用的阻尼產(chǎn)品是瀝青阻尼[4-6],由人工施工并經(jīng)涂裝烘烤熔融粘貼在車身上,該產(chǎn)品存在生產(chǎn)效率低、占用庫房面積大、污染環(huán)境、氣味重、生產(chǎn)線柔性化低、減振降噪效果差的問題。目前行業(yè)內(nèi)新型阻尼材料有PVC(聚氯乙烯)基材水性阻尼、橡膠基材水性阻尼、丙乙烯水性阻尼3種,由于環(huán)保和氣味的原因,丙乙烯水性阻尼較多地應(yīng)用在汽車行業(yè)內(nèi)。噴涂型丙乙烯水性阻尼對比傳統(tǒng)瀝青阻尼具有減振降噪效率高、質(zhì)量輕、氣味小、環(huán)保性更好、可自動化施工、生產(chǎn)線柔性程度高的優(yōu)勢。本文闡述了水性阻尼(以下簡稱LASD)的產(chǎn)品特性、施工工藝、布置設(shè)計、驗證效果、投資成本和運行成本,為水性阻尼的研究和應(yīng)用提供參考。

        1 LASD的產(chǎn)品特點

        LASD是一種以高分子樹脂聚合物為基質(zhì),以水為分散介質(zhì),輔以云母粉、碳酸鈣等無機(jī)物的阻尼材料,其中隔音材料主要是丙烯酸乳液,添加無機(jī)填料是為了降低成本和提高烘烤性能,分散劑是為了改善黏度,表面活性劑是為了提升貯存性能,殺菌劑是為了防止霉變。LASD的外觀是灰色或者黑色的膏狀物,一般水性丙烯酸乳液含量在80% ~ 85%,水分占15% ~ 20%,保質(zhì)期大概3個月,膨脹率約30%。LASD是通過高分子鏈之間的摩擦、顏填料之間的摩擦、高分子鏈與顏填料的摩擦方式實現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能,達(dá)到減振降噪的目的。LASD與瀝青、樹脂阻尼的對比見表1。另經(jīng)驗證,LASD還達(dá)到如下性能要求:

        表1 LASD與瀝青阻尼的特點對比Table 1 Comparison of LASD and asphalt for damping application

        (1) 垂直面流掛性能:在室溫放置30 min不流掛,140 °C下20 min可固化,固化過程中不流掛,驗證結(jié)果見圖3a。

        (2) 翻轉(zhuǎn)面流掛性能:在翻轉(zhuǎn)面室溫放置30 min無滴落、鼓包、開裂現(xiàn)象,140 °C下20 min可固化,固化過程中無鼓包、開裂現(xiàn)象,驗證結(jié)果見圖3b。

        (3) 過烘烤性能:140 °C × 20 min,烘烤2次,無明顯膨脹、松弛、剝離、龜裂、變色等異?,F(xiàn)象, 驗證結(jié)果見圖3c。

        圖3 LASD性能測試結(jié)果Figure 3 Property test results of LASD

        (4) 耐水性能:浸泡在40 °C的水中24 h,無明顯膨脹、松弛、剝離、龜裂、變色等異?,F(xiàn)象,驗證結(jié)果見圖3d。

        (5) 耐寒性能:-30 °C × 24 h,無明顯膨脹、松弛、剝離、龜裂、變色等異常現(xiàn)象,驗證結(jié)果見圖3e。

        (6) 耐濕熱性能:在50 °C和相對濕度95%的條件下放置240 h,無明顯膨脹、松弛、剝離、龜裂、變色等異?,F(xiàn)象,驗證結(jié)果見圖3f。

        (7) 耐冷熱交變性能:“90 °C × 4 h→(23 ± 2)°C × 0.5 h 以上→-40 °C × 1.5 h→(23 ± 2)°C × 0.5 h 以上→(70 °C,相對濕度 95%)× 3 h→(23 ± 2)°C × 0.5 h→-40 °C × 1.5 h”為一個循環(huán),合計 5 個循環(huán),無明顯膨脹、松弛、剝離、龜裂、變色等異常現(xiàn)象,驗證結(jié)果見圖3g。

        (8) 耐鹽霧性能:中性鹽霧試驗1 000 h,橫截面內(nèi)滲入最大值≤1 mm,且無明顯膨脹、松弛、剝離、龜裂、變色等異?,F(xiàn)象,驗證結(jié)果見圖3h。

        (9) 阻尼性能:如圖 4所示,LASD、樹脂阻尼、瀝青阻尼的阻尼因子均在 20 °C時達(dá)到峰值,分別為0.28、0.235和0.17,在-20 ~ 60 °C的溫度范圍內(nèi)的阻尼性能基本上是LASD最優(yōu)。

        圖4 LASD與瀝青阻尼、樹脂阻尼的阻尼性能對比Figure 4 Damping property comparison between LASD, asphalt, and resin

        上述性能指標(biāo)需在產(chǎn)品驗證階段進(jìn)行測試,確保性能達(dá)到目標(biāo)要求和產(chǎn)品量產(chǎn)后質(zhì)量穩(wěn)定。

        2 LASD的布置設(shè)計和驗證

        LASD的布置設(shè)計需要依靠CAE(計算機(jī)輔助工程)技術(shù)手段,在車身產(chǎn)品開發(fā)階段建立車身有限元模型,通過仿真分析找到70 ~ 300 Hz頻率范圍內(nèi)的高應(yīng)變能區(qū),布置設(shè)計LASD的面積、厚度、位置,通過分析振動傳遞函數(shù)和噪聲傳遞函數(shù),確認(rèn)LASD的布置能滿足NVH性能目標(biāo)要求。圖5為某車型的CAE仿真分析結(jié)果,紅色區(qū)域是高應(yīng)變能區(qū),需要布置阻尼來解決振動和噪音。瀝青阻尼氣味大且不環(huán)保,所以不考慮使用,故只分析采用樹脂阻尼方案和LASD方案的物料成本:(1)樹脂阻尼重6.04 kg,單價8元/kg,成本48.32元;(2)LASD重2.6 kg,以13元/kg計算,成本33.8元。LASD方案比樹脂阻尼方案減重3.44 kg,減幅56.9%,成本降低14.52元,成本降幅30%??梢?,LASD優(yōu)于瀝青阻尼。

        圖5 某車型高應(yīng)變能區(qū)的仿真分析Figure 5 Simulation analysis of high strain energy region of a vehicle

        該車型實車噴涂LASD的效果見圖6,驗證結(jié)果(見表2)顯示LASD的阻尼因子高于瀝青阻尼,在振動傳函、噪聲傳函、路噪、勻速語言清晰度、加速噪聲等方面優(yōu)于瀝青阻尼,這進(jìn)一步確認(rèn)了LASD方案的NVH性能優(yōu)于樹脂阻尼方案。

        圖6 某車型的LASD實車噴涂Figure 6 A real vehicle sprayed with LASD

        表2 瀝青阻尼和LASD在某車型實車上的NVH性能驗證Table 2 Validation of asphalt damping and LASD NVH performance for a vehicle

        經(jīng)驗證,LASD滿足耐久可靠性要求,在耐久路試過程中不存在開裂、剝離車身鈑金和其他破壞失效問題,確認(rèn)了LASD的質(zhì)量和功能在汽車產(chǎn)品周期內(nèi)均可滿足要求。

        3 水性阻尼的實施工藝

        LASD目前普遍采取管線集中供給,通過機(jī)器人在涂裝車間施工的生產(chǎn)方式,如圖7所示。液態(tài)的LASD通過機(jī)器人噴涂在車身鈑金上,經(jīng)涂裝烘烤工序完成固化和粘貼于車身。LASD和瀝青、樹脂阻尼的施工差異見表3。為了保證施工質(zhì)量的穩(wěn)定,通常需滿足以下條件:

        表3 LASD與瀝青、樹脂阻尼的施工對比Table 3 Comparison in application process between LASD, asphalt, and resin

        圖7 LASD施工現(xiàn)場Figure 7 Field for application of LASD

        (1) 施工設(shè)備(管路、泵組等)的濕潤部件須選用耐腐蝕的不銹鋼。

        (2) 管路設(shè)計應(yīng)采用圓弧過渡,避免使用90°或T型接頭。

        (3) 不建議設(shè)置循環(huán)管路。如管路超過40 m,建議增加泵站。

        (4) 零件運輸過程中需注意防凍。

        (5) 施工參數(shù):溫度25 ~ 45 °C,壓力5 ~ 30 MPa,流量30 ~ 120 cm3/s,移動速率200 ~ 1 000 mm/s,槍嘴到電泳板的距離20 ~ 50 mm,立面施工4 mm無流掛,貯存3個月內(nèi)黏度變化小于30%。

        4 LASD的投資成本和運行成本

        對某車型某生產(chǎn)線實施LASD工藝方案的生產(chǎn)設(shè)備投資和運行成本進(jìn)行了估算,結(jié)果見表4和表5。工裝和工藝設(shè)備投資預(yù)計1 300萬元/線,1條生產(chǎn)線的運行成本比傳統(tǒng)樹脂/瀝青阻尼工藝的運行成本節(jié)省了約55萬元/年。從長遠(yuǎn)效益來看,LASD的投資更有經(jīng)濟(jì)收益優(yōu)勢,是汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢。

        表4 LASD的投資成本Table 4 Investment cost of LASD

        表5 LASD的運行成本Table 5 Operating cost of LASD

        5 結(jié)語

        LASD的很多性能都比傳統(tǒng)的樹脂阻尼、瀝青阻尼更優(yōu),是提升汽車NVH性能的發(fā)展趨勢。雖然LASD需要的機(jī)器人設(shè)備投資成本高,但是LASD的運行成本比傳統(tǒng)樹脂阻尼和瀝青阻尼要低。隨著汽車工業(yè)發(fā)展的環(huán)保高要求和汽車NVH性能的高要求,LASD將會被更多地研究和得到廣泛應(yīng)用。

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