PP類材料在汽車輕量化方案中的應(yīng)用研究

徐偉，潘杰花，蔣艷云

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007)

PP類材料在汽車輕量化方案中的應(yīng)用研究

徐偉，潘杰花，蔣艷云

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007)

針對目前國內(nèi)汽車行業(yè)輕量化發(fā)展現(xiàn)狀，對低密度PP材料的應(yīng)用前景進(jìn)行了評述，詳細(xì)介紹了門板、立柱、門檻壓條、保險杠、輪罩襯墊等零件用低密度PP實現(xiàn)輕量化的技術(shù)概況。闡述了通過選用合適的低密度PP材料可以減輕零部件質(zhì)量，以及通過減薄設(shè)計可以降低零部件成本。

輕量化；低密度PP材料；減薄設(shè)計

Abstract:The present development status of domestic automobile industry lightweighting was researched，and the application prospect of low density PP material was reviewed.Then the lightweighting conditions of door trim，pillar，threshold layering，bumper and wheel cover with low density PP material were illustrated.Reducing components weight by choosing suitable low density PP materials and reducing component cost through thinning design were elaborated.

Keywords:Lightweighting；Low density PP material；Thinning design

0 引言

近十年來，我國的汽車工業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。進(jìn)入“十二·五”以來，汽車年產(chǎn)銷總量已超2 000萬輛，超過美國而躍居世界第一的位置，而社會保有量也增至近1.4億輛，十年間增加了近5倍。

隨著汽車年產(chǎn)銷總量和社會保有量的不斷增加，全國汽車消耗的汽油和因此對環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)重。據(jù)有關(guān)機構(gòu)研究證實：目前大氣中PM2.5的含量約1/4來自于燃油汽車。因此，降低汽車百公里油耗，成為各個主機廠競相努力的目標(biāo)。此前早有專家研究得出結(jié)論：汽車自重降低10%，百公里油耗可降低6%～8%[1]。因此，通過降低汽車自重，即通過輕量化的手段來降低油耗，成為汽車行業(yè)最為熱門的研究課題。在金屬制件中，可以通過采取以高強度鋼取代普通鋼、以鋁鎂合金

取代鋼、以塑代鋼等手段來減輕零部件質(zhì)量[2-3]。文中則以塑料零部件為研究對象，通過對低密度PP類材料在內(nèi)、外飾塑料零部件上的應(yīng)用進(jìn)行研究，以降低PP類材料密度的方法，降低汽車內(nèi)、外飾塑料零部件的質(zhì)量，達(dá)到輕量化的目的。

1 目前PP類內(nèi)、外飾件使用材料的類型

PP類材料是目前汽車內(nèi)、外飾零部件使用最多的材料，其中內(nèi)飾有儀表板、門內(nèi)護(hù)板、副儀表板、立柱、門檻壓條等，外飾有保險杠、側(cè)裙護(hù)板、外防擦條、輪罩襯墊等。根據(jù)它們所處部位和承擔(dān)功能的不同，需要選用不同類型的材料來制造，因而也有不同的材料標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)、外飾零部件的使用環(huán)境及要求見表1。

表1 內(nèi)、外飾零部件的使用環(huán)境及要求

同時，對于同一零部件，不同車系也有不同的材料標(biāo)準(zhǔn)(見表2)。

表2 同一零部件不同車系材料標(biāo)準(zhǔn)對比

從表1、表2可以看出：大部分內(nèi)外飾零部件采用的材料類型均為PP+E/P+T20,材料密度為1.05 g/cm3左右。

隨著消費者對汽車零部件感知質(zhì)量要求的提高，主機廠對零部件的要求也做出了相應(yīng)調(diào)整，如：對內(nèi)飾件提高了抗劃傷性和抗發(fā)黏性等要求。然而，PP+E/P+T20類材料由于礦物含量達(dá)到20%，表面抗劃傷性成為它的硬傷，往往需要在材料配方里另外添加抗刮擦劑等助劑才能滿足主機廠的要求。但是，抗刮擦劑等助劑屬于小分子化合物，它們通常會在生產(chǎn)制造過程中逐漸析出，進(jìn)而產(chǎn)生光照發(fā)黏以及氣味超標(biāo)等不利影響，難以滿足車內(nèi)空氣質(zhì)量要求。

下面將通過對部分內(nèi)外飾零部件進(jìn)行選材分析，來進(jìn)行輕量化的初步研究，確定哪些零部件可以通過選材來降低質(zhì)量，以及使用何種方案來達(dá)到減重降本和提高品質(zhì)的目的。

2 各部件的輕量化材料使用選擇

2.1 PP/PE類材料在門板、立柱、門檻壓條等零件上的應(yīng)用

通過比較分析幾家主機廠內(nèi)飾件的相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)可以看到：日系車比較多選用PP/PE類材料，歐美系車比較多選用PP+E/P+T20類材料。

在汽車內(nèi)飾件中，儀表板由于其所處的特殊部位和承擔(dān)的特殊功能，決定了它必須使用高模量、中高沖擊的材料。因此關(guān)于儀表板的選材，如果以PP為基材的話，必然要選用高礦物質(zhì)進(jìn)行填充。但對于門板、立柱、門檻壓條等零件而言，使用PP/PE類材料則是安全可行。表3是兩種材料的物性對比。

表3 兩種材料的物性對比

從目前市場在售車型來看，選擇PP/PE類材料用于門板制造的車型不在少數(shù)：豐田的花冠、卡羅拉、RAV4、皇冠，東風(fēng)標(biāo)致的308、神龍愛麗舍，東風(fēng)本田的CR-V、思域等。根據(jù)表3所列技術(shù)數(shù)據(jù)，PP/PE類材料除了彎曲模量比較低之外，其他技術(shù)參數(shù)均優(yōu)于PP+E/P+T20類材料。

采用PP/PE類材料用于制作汽車零部件，有以下幾大優(yōu)點：

(1)產(chǎn)品質(zhì)量減輕15%以上。兩種材料分別試制圖1所示門板，質(zhì)量見表4。

PP+E/P+T20PP/PE質(zhì)量/g13901155

對于此款門板，采用PP/PE類材料取代原用的PP+E/P+T20類材料，質(zhì)量減輕達(dá)16.9%，這是所希望達(dá)到的最重要的目的之一。

(2)表面刮擦性能明顯提高。在不添加抗刮擦劑的情況下，PP/PE類材料的抗刮擦效果要比PP+E/P+T20材料高很多。根據(jù)GMW14688，在10 N載荷下，測試十字劃格法的ΔL,

前者數(shù)值只有后者的約1/5。兩種材料的刮擦效果圖分別見圖2、圖3。

(3)氣味性降低，TVOC值也降低。PP/PE類材料由于不需要添加抗刮擦劑等助劑，因而材料的氣味性和TVOC都較低，可以滿足車內(nèi)空氣質(zhì)量要求，且抗發(fā)黏性較好。表5為樣件尺寸為10 cm×10 cm的某PP/PE類材料的8種有機物含量的檢測結(jié)果。其中，ND表示已達(dá)檢測儀器下限，導(dǎo)致無法檢出具體數(shù)值。

表5 某PP/PE類材料8種有機物含量

(4)成型周期可以縮短20%以上。對于PP/PE類材料，由于沒有填充物的阻礙，且材料本身的流動性比較高，因此可以大大縮短產(chǎn)品成型時間，提高生產(chǎn)效率。用兩種材料分別試制圖1所示門板，成型周期見表6。

表6 成型周期

(5)側(cè)撞安全性能極佳。PP/PE類材料有較好的沖擊韌性和較大的拉伸延伸率，在發(fā)生側(cè)碰時，零部件不會破裂產(chǎn)生碎片或尖銳角，從而避免傷及乘客。

2.2 PP+E/P+T5類材料在保險杠上的應(yīng)用

在我國汽車工業(yè)發(fā)展初期，乘用車保險杠材料使用的是PP/EPDM類型。這種材料的特點是：抗沖擊性能特別優(yōu)異，用它制成的保險杠具有極好的回彈性，在發(fā)生碰撞時保險杠因發(fā)生形變而凹陷，但外力撤除后又能逐漸回彈，并恢復(fù)到原狀。

然而，該材料卻有比較大的兩個缺陷：

(1)熱變形溫度較低，導(dǎo)致受熱發(fā)生變形，且不能滿足噴涂要求。我國地域廣闊，四季溫差極大，在盛夏季節(jié)，某些地方的地表溫度甚至超過了75 ℃，在熱輻射的作用下，保險杠會發(fā)生變形，甚至與車身結(jié)合部位會形成波浪一樣的狀態(tài)。另外，隨著噴涂工藝的普及，消費者對噴漆保險杠的呼聲越來越高，此時需要提高材料的熱變形溫度以滿足噴涂工藝中的烘烤要求。

(2)線性熱膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性較差。我國四季溫度變化高達(dá)40～50 ℃，在這種情況下，零部件的尺寸變化較大，導(dǎo)致零部件裝配變得非常困難。

因此，為了提高耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，材料方面需要考慮通過填充礦粉的方法進(jìn)行改善。目前大多數(shù)車型都采用PP+E/P+T20類材料，礦粉的填充量高達(dá)20%，此時又面臨著保險杠質(zhì)量增加的問題。如果既可以保持較低礦物填充含量即保持較低密度，又可以改善保險杠的耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，那么就有實現(xiàn)輕量化的可能性。

隨著原材料工業(yè)的發(fā)展和共混改性技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前已經(jīng)可以開發(fā)出一種材料，它在添加5%礦粉的情況下，可以達(dá)到高抗沖、高流動、中耐熱和低收縮、低線性膨脹系數(shù)的目的。材料標(biāo)記為PP+E/P+T5。3種材料基本物性對比見表7。

表7 3種材料基本物性對比

從表7可以看出：PP+E/P+T5類型的材料，兼具了低密度、高抗沖、中耐熱和低收縮、低線性膨脹系數(shù)的優(yōu)點，而且由于具有較高的流動性能，產(chǎn)品的厚度可以減薄和注塑成型周期大大縮短，在保證質(zhì)量的前提下，有效地降低了零部件的成本。表8為使用兩種材料生產(chǎn)的某自主品牌汽車保險杠效果對比。

表8 兩種材料生產(chǎn)的效果對比

由表8可以看出：用新材料生產(chǎn)的保險杠比原保險杠輕300g，減重幅度約10%；新材料生產(chǎn)周期從105s縮短到75s，生產(chǎn)效率提高了約30%，這對于單月生產(chǎn)產(chǎn)量大的零部件來說，具有十分重要的意義：既可以減少設(shè)備、模具和現(xiàn)場工作人員數(shù)量，同時可以大幅度降低產(chǎn)品的制造成本。

2.3 高流動PP/EPDM材料在薄壁輪罩襯墊上的應(yīng)用

輪罩襯墊的主要作用是：在汽車行駛過程中，保護(hù)汽車車身不受碎石和泥漿的沖擊破壞，同時降低噪聲。汽車輪罩襯墊目前常用的成型工藝有：毛氈模壓成型、PP注塑成型和PE片材吸塑成型等。

對于PP注塑成型，使用的材料又分為PP/PE和PP/EPDM。其中，上海大眾的TL52649標(biāo)準(zhǔn)中輪罩襯墊材料定義為PP/PE，而上海通用的STMA014標(biāo)準(zhǔn)中輪罩襯墊材料定義為PP/EPDM。PP/EPDM的抗碎石沖擊性能明顯要優(yōu)于PP/PE類材料，但是原材料的單價則要比PP/PE類材料貴5%左右。基于此，作者開發(fā)出了MI在50 g/(10 min)以上的超高流動PP/EPDM材料，分別試制圖4所示輪罩襯墊，兩種輪罩襯墊的對比見表9。

項目輪罩襯墊原有材料超高流動材料多軸沖擊性(-15℃)韌性韌性單品質(zhì)量/g750410成型周期/s5545壁厚/mm1.81.0單件材料消耗金額/元10.12(13.5×0.75)6.56(16×0.41)

由表9可以看出:這種材料可使輪罩襯墊的壁厚從1.8 mm降至1.0 mm，在保證抗沖擊性能的前提下，產(chǎn)品的質(zhì)量大大減輕，成型周期縮短約20%，同時，單品原料成本也大大降低。真正做到了既能保持輪罩襯墊在高低溫狀態(tài)下的抗沖擊性能，又能滿足產(chǎn)品的價格要求。

3 結(jié)束語

汽車輕量化是目前一個十分熱門的研究領(lǐng)域。通常來說，以塑代鋼是其中的主要方向之一。但是相對來說，以塑代鋼的投入比較大。而以低密度改性PP材料替代傳統(tǒng)的礦粉填充改性PP類材料用于內(nèi)外飾零部件的制造，則已比較成熟：既有完善的材料標(biāo)準(zhǔn)，又有批量生產(chǎn)的成熟案例。綜合各方使用效果，結(jié)合國內(nèi)自主開發(fā)車型的實際情況，使用該類材料對于降低零件質(zhì)量、提高零件品質(zhì)有著極為重要的意義，同時也為降低成本開辟了一條新的途徑。

【1】 馬鳴圖,路洪洲,李志剛.論轎車白車身輕量化的表征參量和評價方法[J].汽車工程,2009，31(5):403-406,439.

【2】 Bertram R,Kay A.Using new lightweight materials in automotive construction[J].Galvanotechnik,2011(7):1460-1467.

【3】 馮美斌.汽車輕量化技術(shù)中新材料的發(fā)展及應(yīng)用[J].汽車工程,2006,28(3):213-220.

ApplicationofPPMaterialinAutomotiveLightweightingScheme

XU Wei，PAN Jiehua，JIANG Yanyun

(SAIC GM Wuling Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi 545007,China)

2014-07-14

徐偉(1985—)，女，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，從事非金屬材料研究工作。E-mail：wei2.xu@sgmw.com.cn。