汽車頂棚設計

孫成武，劉婷婷，陳林萍，曹維福

(江淮汽車技術中心，安徽合肥 230601)

0 引言

隨著汽車工業的迅速發展，消費者對汽車的要求越來越高，包括汽車發動機的動力性、汽車整車的輕量化、汽車外飾造型的美觀性、汽車整車NVH性能、汽車內飾的美觀性和人機工程等等。

而汽車內飾是駕駛員及乘員使用汽車時需要長時間接觸的部件，因此汽車內飾設計非常重要，頂棚內飾作為汽車內飾重要的組成部分，消費者對頂棚內飾的感受尤為重要，其中頂棚的外觀、頂把手的使用舒適性、天窗使用方便性等等都會對消費者在選擇購買整車時產生很大的影響。

除了頂棚內飾的外觀及操作對消費者選擇購買車輛時有較大影響外，消費者在長期使用車輛時更會對頂棚內飾的其他性能提出更加苛刻的要求，其中感官舒適的要求有頂棚內飾吸隔音性、隔熱性，另外身體健康的要求有頂棚內飾的VOC、有毒有害物質含量。

1 頂棚結構及工藝

1.1 結構

汽車頂棚一般由面料層、基材層和背面無紡布層組成，其中面料層面向乘客，體現頂棚的外觀效果，一般采用無紡布、針織面料、TPO和PVC膜。基材層是頂棚除外觀性能以外其他性能的主要決定者，一般采用PU玻纖板、PP玻纖板、瓦楞紙板、麻纖維板等[1]。頂棚的結構如圖1所示。

面料材料中的TPO和PVC由于氣味性較差且受熱易融化變軟、受冷易開裂等缺點，逐漸被淘汰；基材材料中的瓦楞紙板和麻纖維板由于克重較大、潮濕易霉變且吸隔音性能較差等缺點的影響，在汽車頂棚設計中的使用越來越少。因此，目前的汽車頂棚在設計時面料層一般選用無紡布或者針織面料，基材層一般選用PU玻纖板或者PP玻纖板。

1.2 工藝

頂棚成型工藝有干法成型[2]和濕法成型。

1.2.1 干法工藝

具體方法如下：

(1)先將PU/PP、膠粉、玻纖、膠片、無紡布(面料)復合成多層板材。

(2)再將多層復合板加熱至軟化溫度，其中軟化溫度因材料而不同。此時膠粉、膠片等低熔點材料熔化成液態并均勻附在基材表面，加熱后的材料進入冷態模具壓制成型(壓制過程中材料快速冷卻并固化)。

干法工藝的材料結構和工藝如圖2—3所示。

1.2.2 濕法成型

濕法成型分為一步法和兩步法。

一步法濕法工藝具體方法如下：將膠滾涂至PU板表面并噴灑固化劑和水，使之與玻氈、無紡布、膠片及面料等材料疊合后送入高溫模具壓制成型(此時膠水與水及催化劑快速反應并固化)。模具溫度取決于膠水固化溫度。

此工藝的材料結構和工藝如圖4—5所示。

兩步法濕法工藝具體方法如下：(1)先將膠滾涂至PU板表面并噴灑固化劑和水，使之與玻氈、無紡布、膠片等材料疊合后送入高溫模具壓制成頂棚基材(同一步法)。(2)再在頂棚基材表面噴灑膠，將基材與面料送入高溫模具壓制頂棚。

此工藝的材料結構和工藝如圖6—7所示。

上述干法工藝和濕法(一步/兩步)工藝是目前汽車頂棚制造采用最頻繁的工藝，不僅工藝流程簡單，而且較高水平的機械自動化有效地節省了人工成本，提高了制造精度。工藝優缺點對比見表1。

表1 干法、濕法工藝特點對比

2 頂棚與周邊件的配合設計

2.1 頂棚與周邊件配合的搭接量設計

設計頂棚與周邊件配合的搭接量時，應考慮頂棚和周邊件的制造精度、車身的制造精度及安裝精度，定義合適的搭接量，保證實物裝配時搭接配合合理及裝配后的外觀良好。相關配合搭接量建議值見表2，搭接配合示意如圖8所示。

表2 頂棚與部分相關件配合搭接量建議值

2.2 頂棚與周邊件的間隙配合

設計頂棚與周邊件配合的間隙時，除了需要考慮裝配和外觀以外，還需要考慮操作舒適性等人機工程方面的要求。如開啟遮陽板時，遮陽板與頂棚凸起間隙如果較小則影響手部操作舒適性，間隙較大則影響外觀效果；同樣，頂把手使用狀態時，握手部分與頂棚間隙如果較小則影響乘員操作舒適性。間隙配合示意如圖9所示，涉及的相關配合搭接量建議值見表3。

搭接量建議值/mm備注E1≥3考慮一般的頂棚制造精度和裝配公差E2≥2.5同上F≥10考慮開啟遮陽板手部舒適性G≥35考慮使用扶手時,舒適間隙

2.3 頂棚的安裝

一般的PP/PU玻纖板基材的頂棚安裝采用卡接固定和黏接固定兩種方式。卡接固定是利用明卡扣或者暗卡扣將頂棚固定在車身鈑金上，黏接固定是利用黏膠或者氈扣將頂棚固定在車身鈑金上。固定方式特點對比見表4。

表4 頂棚固定方式的比較

明卡扣卡接固定是大多數汽車所采用的頂棚固定方式，雖然明卡扣影響外觀，但是可以通過頂棚型面設計來優化外觀，優化方案如圖10所示。

如圖10所示，優化前，頂棚與卡扣存在面差，影響外觀，且此結構會造成乘客頭發被卡扣夾住，影響乘員對整車的主觀評價；優化后，頂棚與卡扣的面差消失，且卡扣夾乘客頭發的風險被避免掉。

3 頂棚的性能

頂棚是對乘客在車內的視覺感受影響很大的外觀件，而除了良好的外觀，頂棚的其他性能同樣對乘客有著直接或間接的影響。

3.1 外觀

頂棚作為汽車內飾中重要的外觀件，在一定程度上影響著消費者購買意愿，所以頂棚表面應勻整、清潔、無凹陷、凸起、折痕、起皺、疵點、色斑、污斑等缺陷，切割邊、孔整潔、無毛刺,飾材與基材黏結完好；頂棚表面的顏色和花紋應與經規定程序批準的色板或樣品一致。

3.2 揮發及氣味

隨著人們使用汽車的頻率越來越高，人們停留在車內的時間越來越長，車內空氣質量也越來越受到消費者的關注和重視。車內低劣的空氣質量嚴重威脅著人們的健康。車內空氣的氣味性直接引起乘客的抱怨，而車內零部件揮發出來的有毒氣體更是影響著乘客的身體健康。

國家也相繼頒布了標準，如2004年7月14日，國家環保總局正式啟動國家環保標準《車內空氣污染物濃度限值和測量方法》的制定工作，2007年12月發布，2008年3月1日實施HJ/400-2007《車內揮發性有機物和醛酮類物質采樣測定方法》，2011年10月27日國家環保部和國家質檢總局聯合發布了GB/T 27630《乘用車內空氣質量評價指南》，對苯、甲苯、甲醛等8種車內常見的揮發性有機物濃度設定了限值[3]。各大主機廠也專門針對車內空氣質量制定并試運行了相關零部件的標準。

頂棚作為艙內覆蓋面積較大的內飾件，是車內空氣質量提升的重點關注件，設計階段就應該從選材和工藝等方面對其進行要求。

3.3 其他性能

主要指頂棚材料的阻燃、強度、色牢度、抗靜電及耐老化等等。

頂棚材料的阻燃性非常重要，直接關系乘員的生命安全，國家標準GB 8410中對內飾材料的燃燒性能進行了明確規定[4]。

頂棚的強度要求包括材料層之間的剝離強度。頂棚本身的彎曲強度、壓痕恢復率和耐磨損強度。頂棚強度不僅影響著頂棚及頂棚周邊件的安裝，還對車輛使用中頂內飾的外觀、性能有著很大影響。

色牢度是指頂棚面料層顏色保持的能力，包括摩擦色牢和光照色牢，頂棚面料需進行相應的色牢試驗，并用相關標準進行灰度等級評定。

頂棚老化是指頂棚經過多次氣候交變可能產生的分層、鼓包、異味、變色等外觀缺陷。頂棚在使用過程中要保證在一定數量周期的氣候交變后仍不會老化,就必須進行防靜電處理，把靜電減少到最低標準。在使用過程中，要求不得產生靜電作用，不允許產生起毛、起球、吸灰等現象。

4 結語

未來汽車的發展趨勢是輕量化和環保，汽車頂棚在追求外觀性和吸隔音的同時，頂棚材料更需要向高強度、低導熱系數、低克重、低揮發性、高回收利用率的環保型材料方向發展。PP材料具有較高的強度、可回收性、低VOC含量及環保性，是PU材料所欠缺的[5]，因此，PP材料得到更多汽車企業的青睞，PP玻纖板基材的頂棚應用得越來越多。汽車未來的發展部不僅僅是電子電器的發展，同樣也是材料的發展。

【1】 劉靜波.汽車頂棚內飾設計[J].汽車工藝與材料,2004(4): 15-17.

【2】 鄧琦嵐,龍祥愿.輕質GMT在汽車頂棚中的應用[J].北京汽車,2011(1): 33,34,38.

【3】 環境保護部科技標準司.GB/T 27630 乘用車內空氣質量評價指南[S].北京：中國標準出版社，2011.

【4】 全國汽車標準化技術委員會.GB 8410-2006汽車內飾材料的燃燒特性[S].北京：中國標準出版社,2006.

【5】 陶駿,楊丹,馬華躍,等.淺析輕質GMT板在汽車內飾板上的應用[J].汽車工藝與材料,2009(9) :65,67.