摘要：汽車復(fù)合材料尾門的研究已然成為各大汽車制造商車身部件輕量化、模塊化的重要方向。梳理了復(fù)合材料尾門技術(shù)發(fā)展的歷史，詳細(xì)比較了幾種典型復(fù)合材料尾門技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有量產(chǎn)車型復(fù)合材料尾門的調(diào)研分析，總結(jié)出復(fù)合材料尾門的設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),為中國(guó)自主品牌汽車開發(fā)復(fù)合材料尾門提供參考。

 

關(guān)鍵詞：塑料尾門；輕量化;模塊化

 

0 引言

 

節(jié)能、環(huán)保已然成為21世紀(jì)汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的有效途徑，復(fù)合材料在汽車輕量化的進(jìn)程中起到了重要作用。世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告指出，汽車的自身質(zhì)量每減少10%，燃油的消耗可降低8%[1-2]。傳統(tǒng)普通鋼板車身結(jié)構(gòu)通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和采用高強(qiáng)度鋼板一般可以減重10%以上，采用全鋁車身可以實(shí)現(xiàn)25%以上的減重效果，而使用纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料可以達(dá)到50%以上的減重效果。現(xiàn)有汽車尾門大多采用鈑金沖壓焊接成形，零部件數(shù)量多，質(zhì)量大，造型自由度低[3]。塑料復(fù)合材料因其密度低、比剛度、比強(qiáng)度高，廣泛用于汽車輕量化，近年來(lái)出現(xiàn)了眾多輕量化的塑料尾門，與傳統(tǒng)汽車鈑金尾門相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

 

(1)輕量化：通過(guò)使用纖維增強(qiáng)材料替代傳統(tǒng)鋼質(zhì)材料，同時(shí)考慮塑料尾門零部件整體集成優(yōu)化可減輕30%～50%以上質(zhì)量(5～8 kg)[4]。另外，汽車質(zhì)量降低可帶來(lái)良好的用戶體驗(yàn)：油耗降低/續(xù)航里程增加，加速性能提升，開閉尾門的操作力減小等。

 

(3)集成化：采用塑料尾門使得尾門的零部件個(gè)數(shù)減少，尾門接口和縫隙去除，增強(qiáng)尾門部件的一體感；此外，采用塑料尾門可提高制造效率：沖壓車間不再需要沖壓；涂裝車間無(wú)需尾門涂裝，降低涂裝工藝節(jié)拍[7]；同時(shí)采用塑料之后，用高強(qiáng)輕質(zhì)可實(shí)現(xiàn)整體注塑成型，大幅減少零部件數(shù)量，減輕總裝車間零部件裝配壓力，表1列舉了復(fù)合材料尾門相比于傳統(tǒng)汽車尾門集成化之后的制造工藝優(yōu)勢(shì)。

 

表1 復(fù)合材料尾門集成化優(yōu)勢(shì)

 

 

此外，塑料尾門的耐腐蝕性強(qiáng)，對(duì)汽車電器件無(wú)電磁干擾、彈性好、低速碰撞時(shí)可復(fù)原。既降低了維修概率，又節(jié)省了維修成本[8]。

 

塑料尾門主要存在以下缺點(diǎn)：(1)成本高，盡管復(fù)合材料尾門模具相對(duì)于傳統(tǒng)鈑金件尾門的模具成本要低，但是采用復(fù)合材料的成本為傳統(tǒng)鈑金件的3～5倍，導(dǎo)致尾門總成相比于鈑金件尾門成本高[9]，表2為不同材料尾門成本初步估計(jì)；(2)主機(jī)廠缺乏塑料尾門開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，適合復(fù)合材料的分析規(guī)范及評(píng)價(jià)指標(biāo)還有待完善。

 

表2 不同材料尾門成本分析

 

 

1 塑料尾門應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

 

1.1 國(guó)內(nèi)外車企塑料尾門應(yīng)用

 

塑料尾門近年來(lái)隨著汽車輕量化的發(fā)展，應(yīng)用越來(lái)越多。通過(guò)調(diào)查對(duì)比國(guó)內(nèi)外近幾年上市的數(shù)款塑料尾門車型，主要車型和復(fù)合材料尾門的相關(guān)信息見表3。

 

表3 復(fù)合材料尾門應(yīng)用車型統(tǒng)計(jì)

 

 

調(diào)查發(fā)現(xiàn)SUV車型中采用塑料尾門的較多，其中多為緊湊型和中型SUV，主要原因是SUV車型更容易發(fā)揮塑料尾門輕量化、集成化、造型設(shè)計(jì)自由的優(yōu)勢(shì)[10]。同時(shí)由于現(xiàn)在電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的要求，導(dǎo)致對(duì)汽車輕量化要求越來(lái)越高，再加上復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用越來(lái)越多，因此許多新能源汽車也開始采用復(fù)合材料尾門來(lái)減輕車身質(zhì)量。

 

1.2 塑料尾門選材

 

塑料尾門的用材大致經(jīng)歷了3個(gè)階段，如圖1所示。

 

第一代塑料尾門內(nèi)外板均采用SMC材料，雪鐵龍BX在20世紀(jì)90年代首次應(yīng)用該技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)尾門輕量化從而提升整車加速性能的目的。但這種材料密度較高，降重效果一般，而且制造工藝采用模壓成型，工藝上的限制導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)尾門的立體結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響到尾門減重效果以及外飾外觀等。另外模壓工藝的生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)節(jié)拍有一定的制約[11]。再加上近年來(lái)日趨嚴(yán)格的 ELV 法規(guī)對(duì)回收利用的要求，該項(xiàng)技術(shù)已逐漸被淘汰。

 

 

圖1 不同階段塑料尾門

 

由于上述種種原因，導(dǎo)致各大主機(jī)廠開始開發(fā)內(nèi)板使用復(fù)合材料，外板擾流板使用塑性材料的第二代尾門，即通常所說(shuō)的“Higate”塑料尾門。內(nèi)板使用SMC材料，模壓工藝成型，外板使用PP或者TPO等熱塑性塑料，注塑工藝成型。內(nèi)板采用彈性模量高，剛度和強(qiáng)度都比較好的復(fù)合材料，提供力學(xué)支撐;外板使用熱塑性塑料，提供更加自由的外形設(shè)計(jì)空間，良好的彈性，輕微碰撞可復(fù)原，降低維修成本。而且熱塑性塑料通過(guò)注塑成型，方便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，有利于降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率[12-14]。該技術(shù)第一次被應(yīng)用是在2004年雷諾的Modus車型，采用的正是SMC內(nèi)板、TPO外板的形式，兩者通過(guò)涂膠工藝進(jìn)行裝配。其他代表車型有2007年馬自達(dá)5、2012款路虎極光、2013年標(biāo)致C4畢加索等。

 

本文的研究材料包括新鮮未加工、新鮮帶殼水煮和曬干后帶殼水煮處理的花生，通過(guò)凱式定氮法比較花生總蛋白含量，利用質(zhì)譜法檢測(cè)各主要過(guò)敏原蛋白的含量和花生過(guò)敏原肽段在熱加工前后的變化，以期為研究熱加工對(duì)花生蛋白結(jié)構(gòu)和致敏性的影響提供理論依據(jù)。

 

由于2014年歐洲開始實(shí)施歐六排放標(biāo)準(zhǔn)，以及2020年的碳排放目標(biāo)乃至2050年的碳排放目標(biāo)的提出，主機(jī)廠不得不在整車各個(gè)系統(tǒng)上想辦法，以力求最大化減少排放物和燃油消耗[15]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，各主機(jī)廠及其供應(yīng)商不斷探索，研發(fā)了第三代尾門：全TP塑料尾門，內(nèi)板使用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)的PP(LGF+PP)，外板和擾流板使用PP或者TPO，全部使用注塑工藝成型，然后使用涂膠工藝進(jìn)行裝配。尾門常用的長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PP材料與SMC材料相比(見表4)，彎曲模量可以達(dá)到8 000 MPa以上，密度為1.2 kg/m3左右，僅為SMC的1/4，鋼材的1/6，降重效果比較明顯，另外由于PP+LGF

 

材料使用的添加劑要少一點(diǎn)，所以揮發(fā)物少，在VOC檢測(cè)上有優(yōu)勢(shì);采用注塑成型，自動(dòng)化程度比模壓要高;并且注塑的生產(chǎn)循環(huán)速度要比模壓快，加之自動(dòng)化程度提高，所以在生產(chǎn)效率上也有優(yōu)勢(shì)[16-18]。因此塑料尾門正朝著全TP尾門方向發(fā)展。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、標(biāo)致雪鐵龍308s、福特Kuga、雷諾新Clio以及斯巴魯R1等。

 

表4 尾門不同材料屬性對(duì)

 

 

1.3 塑料尾門制造工藝

 

復(fù)合材料尾門工藝方案主要有LFT-G與LFT-D兩種，具體工藝步驟分別如圖2和圖3所示。綜合對(duì)比兩種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果見表5。其中，LFT-G工藝方案采用熱塑性塑料熔體和玻璃纖維無(wú)捻粗紗在特制的模頭內(nèi)進(jìn)行包覆、浸漬，然后進(jìn)行牽伸、切粒的生產(chǎn)工藝。短切后的粒子可以采用注塑或模壓的工藝制成各種產(chǎn)品，較為簡(jiǎn)單，工裝的數(shù)量也較少，且制造周期短，但成型的尾門性能不如LFT-D。LFT-D采用一套復(fù)雜的模壓工藝流程：在雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)將玻璃纖維無(wú)捻粗紗和熱塑性塑料進(jìn)行混合浸漬，然后將混合料直接采用注塑或模壓的工藝制成各種產(chǎn)品，復(fù)合材料制造現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。但在窗框處需增加塑料加強(qiáng)板來(lái)彌補(bǔ)工藝缺陷，同時(shí)模壓工藝無(wú)法開孔，因此工裝時(shí)需額外增加開孔步驟。雖然性能較好，但預(yù)計(jì)成本、制造周期等各方面都不如LFT-G[19-21]，推薦使用LFT-G工藝方案。

 

 

圖2 塑料尾門LFT-G工藝

 

 

圖3 塑料尾門LFT-D工藝

 

表5 LFT-D工藝和LFT-G工藝對(duì)比

 

 

圖4 塑料復(fù)合材料制造

 

2 塑料尾門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

 

塑料尾門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了與材料相關(guān)外，還與整車造型設(shè)計(jì)、布置以及功能相關(guān)。通過(guò)研究對(duì)標(biāo)分析現(xiàn)有市場(chǎng)上數(shù)款量產(chǎn)車型的塑料尾門結(jié)構(gòu)，以下一些尾門結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及布置應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

 

2.1 尾門分塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 

根據(jù)造型不同，塑料尾門可以實(shí)現(xiàn)不同的分塊：(1)內(nèi)、外板各為一個(gè)整體，外板同時(shí)集成擾流板，如圖5(a)所示，代表車型為日產(chǎn)新奇駿；(2)外板分上下兩塊，內(nèi)板為整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)在上外板集成擾流板[22]，如圖5(b)所示，代表車型為標(biāo)志308S;(3)外板分為兩塊，內(nèi)板為整體結(jié)構(gòu)，外板不集成擾流板如圖5(c)所示，代表車型為路虎極光。

 

 

圖5 塑料尾門內(nèi)外板分塊設(shè)計(jì)

 

2.2 內(nèi)飾板集成

 

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將內(nèi)板與左/右飾板和上飾板做成一體，這樣既不失美觀，同時(shí)又可以達(dá)到減輕質(zhì)量和降低成本的目的。但集成內(nèi)飾板后，尾門設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下問(wèn)題：(1)造型時(shí)需要考慮出模角度；(2)在內(nèi)外板之間需預(yù)埋線束；(3)需要預(yù)留空間來(lái)安裝維修雨刮、鎖、尾燈等。

 

2.3 擾流板集成

 

將擾流板與尾門外板集成，做成一體式結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步降低質(zhì)量和成本，同時(shí)減少裝配和密封問(wèn)題，如圖6所示。但需要考慮集成擾流板后的影響：(1)尾門裝配順序發(fā)生變化，后風(fēng)擋玻璃安裝粘貼在外板上面；(2)影響高位制動(dòng)燈的安裝布置方式；(3)車頂處的膠水在壓合過(guò)程中容易擠跑膠水，形成虛粘的情況造成漏水。

 

 

圖6 擾流板與尾門外板集成

 

2.4 尾門配重塊設(shè)計(jì)

 

由于塑料尾門相較于傳統(tǒng)鈑金件尾門質(zhì)量大幅度減輕，因此在開關(guān)過(guò)程中可能存在尾門振動(dòng)的情況。為解決上述問(wèn)題，目前主要采取的措施就是尾門內(nèi)板上安裝配重塊，吸收尾門在開關(guān)過(guò)程中的振動(dòng)[23]。如圖7所示為日產(chǎn)新奇駿安裝在尾門內(nèi)板底部的配重塊，質(zhì)量大約為0.2 kg，在減輕振動(dòng)的同時(shí)，對(duì)輕量化不會(huì)造成較大的影響。

 

 

圖7 日產(chǎn)新奇駿尾門配重塊

 

2.5 包邊結(jié)構(gòu)變化

 

塑料尾門內(nèi)板與外板通過(guò)黏膠連接，黏膠的寬度和厚度分別取10～30 mm和1.0～3.0 mm。考慮材料特性，外板不可能形成像鈑金件外板那樣的包邊結(jié)構(gòu)。因此為了減少黏接外露和溢膠，以防影響美觀,日產(chǎn)新奇駿、英菲尼迪QX50等車型的尾門外板都采用增加翻邊，用來(lái)遮擋內(nèi)外板涂膠間隙、內(nèi)板邊界結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

 

 

圖8 尾門翻邊

 

2.6 塑料尾門新結(jié)構(gòu)

 

塑料尾門相較于傳統(tǒng)鈑金尾門，除了上述新型設(shè)計(jì)及布置方式外，發(fā)現(xiàn)少數(shù)車型塑料尾門還有以下兩點(diǎn)結(jié)構(gòu)：(1)尾門外板貼片：日產(chǎn)新奇駿、英菲尼迪QX50均在擾流板處增加厚度約0.1 mm的鋁箔貼片，可以起到隔熱作用，如圖9(a)所示；(2)T型墊圈：奇瑞小螞蟻、英菲尼迪QX50在尾門內(nèi)板上鉸鏈、氣彈簧、門鎖安裝孔增加T型墊圈(厚度分別為1.0 mm和1.5 mm)，用以提升局部安裝強(qiáng)度，如圖9(b)所示。

 

 

圖9 塑料尾門新結(jié)構(gòu)

 

3 復(fù)合材料尾門應(yīng)用前景

 

隨著汽車制造技術(shù)向模塊化、集成化、輕量化的發(fā)展，汽車復(fù)合材料的應(yīng)用已然成為各大汽車制造商車身部件模塊化的重要方向,表6統(tǒng)計(jì)了現(xiàn)階段各國(guó)塑料復(fù)合材料在汽車上的用量，可以看到中國(guó)相較于其他汽車工業(yè)強(qiáng)國(guó)還存在較大差距。

 

表6 塑料復(fù)合材料用量統(tǒng)計(jì)(以玻纖增強(qiáng)塑料為主)

 

 

為加快我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)、工業(yè)和信息化部于2017年12月聯(lián)合發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，將發(fā)展復(fù)合材料技術(shù)、實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料混合車身及碳纖維零部件的大范圍應(yīng)用作為我國(guó)新能源汽車輕量化技術(shù)的遠(yuǎn)期重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)，如圖10所示；路線圖中對(duì)輕量化技術(shù)的總體規(guī)劃，要求新能源汽車企業(yè)需要在以纖維增強(qiáng)復(fù)材為主的超輕復(fù)材方面開展相應(yīng)的技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)布局,并進(jìn)行相應(yīng)的產(chǎn)線適應(yīng)性規(guī)劃。可以預(yù)見未來(lái)汽車車身部件復(fù)合材料占比會(huì)越來(lái)越大，汽車全TP塑料尾門將成為主流。

 

 

圖10 輕量化技術(shù)總路線

 

4 結(jié)束語(yǔ)

 

文中重點(diǎn)介紹了復(fù)合材料尾門的發(fā)展歷史，應(yīng)用現(xiàn)狀及其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)分析對(duì)比目前市面上存在的量產(chǎn)復(fù)合材料尾門的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，歸納總結(jié)了復(fù)合材料尾門現(xiàn)階段主要適用的汽車車型以及復(fù)合材料尾門開發(fā)階段需要重點(diǎn)關(guān)注的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為中國(guó)自主品牌汽車大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用復(fù)合材料尾門打下良好的基礎(chǔ)。

 

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