環(huán)保型水性可噴涂減振材料在車身上的應(yīng)用

趙常虎 劉輝暉 王鏑 陳麗華

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)汽車舒適性和環(huán)保性的要求也越來越高。傳統(tǒng)車身地板區(qū)域使用的減振材料為瀝青減振片[1]，該材料盡管成本較低，但是在低溫下減振降噪性能欠佳，并且在極端高溫下會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)，因此國際上一直在努力開發(fā)減振降噪性能更優(yōu)并具有環(huán)保性的替代材料。文章自主開發(fā)了環(huán)保型水性可噴涂減振材料（LASD），在通過了實(shí)驗(yàn)室材料級(jí)別和整車級(jí)別開發(fā)和認(rèn)證后，成功應(yīng)用于所開發(fā)項(xiàng)目。

1 環(huán)保型水性可噴涂減振材料LASD介紹

可噴涂減振材料簡稱LASD（Liquid Applied Sound Damper），如圖1所示，是一種環(huán)保型水性高分子樹脂減振材料[2]，其化學(xué)組成，如表1所示。該材料在油漆車間噴涂后固化成膜，可以對(duì)通過鈑金結(jié)構(gòu)傳入乘客艙的車外噪聲起到隔離作用，也可以降低鈑金零件的振幅，從而降低結(jié)構(gòu)的輻射噪聲。

圖1 用于車身的水性可噴涂減振材料（LASD）

表1 水性可噴涂減振材料（LASD）主要成分及功能

2 LASD的施工工藝

LASD通常在油漆車間施工，通過機(jī)器人進(jìn)行在線噴涂。噴涂機(jī)器人按照設(shè)定程序?qū)⒁簯B(tài)LASD噴涂在經(jīng)過電泳烘烤的車身鈑金上，而后利用中涂油漆烘房的烘烤完成固化并粘貼在鈑金上，其工藝順序，如圖2所示。

圖2 LASD工藝順序

完成LASD噴涂的車身在中涂工藝之前需要對(duì)其覆蓋區(qū)域進(jìn)行在線測量。通常可以使用在線白光測量方式，以快速并準(zhǔn)確地和設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)的LASD設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)，在超過預(yù)設(shè)公差時(shí)報(bào)警。

3 LASD的主要技術(shù)優(yōu)勢

LASD相比傳統(tǒng)的瀝青型減振材料在氣味、多環(huán)芳烴、施工性、輕量化及NVH 5個(gè)方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，使得LASD成為近年來車身阻尼材料的重要發(fā)展方向。

3.1 更低的車內(nèi)異味氣體散發(fā)

伴隨著汽車進(jìn)入家庭步伐的加快，社會(huì)公眾的環(huán)境意識(shí)和自我保護(hù)意識(shí)不斷提高，對(duì)直接關(guān)系身體健康的車內(nèi)空氣質(zhì)量日益關(guān)注，其中最容易被客戶感知的就是車內(nèi)異味散發(fā)，而整車廠為提高整車NVH性能，需要不斷提高車廂密閉性，一旦艙內(nèi)零件有氣味散發(fā)，更加容易聚集而引起客戶主觀感受變差[3-4]。

傳統(tǒng)瀝青型減振材料以瀝青為基材，在常溫下便有可以主觀感覺到的令人不悅的氣味；在高溫下，氣味揮發(fā)會(huì)加速，將對(duì)乘員艙內(nèi)的空氣質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。LASD材料以樹脂材料為基材，溶劑為水，對(duì)溫度敏感性低，并且在干態(tài)和濕態(tài)下幾乎沒有令人厭惡的氣味產(chǎn)生，可以有效提升客戶的駕乘感受。采用GMW3205規(guī)范，進(jìn)行LASD的氣味等級(jí)評(píng)估試驗(yàn)，取6次評(píng)估的平均值，如表2所示。從表2可以看出，LASD滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 LASD的氣味散發(fā)性

3.2 不含致癌物質(zhì)多環(huán)芳烴

傳統(tǒng)瀝青基減振材料由于基材原因，會(huì)釋放微量的有毒有害物質(zhì)；同時(shí)由于國內(nèi)缺乏相關(guān)強(qiáng)制性法律法規(guī)約束，瀝青基減振材料存在供應(yīng)鏈污染風(fēng)險(xiǎn)，可能放大污染物質(zhì)含量；而假如用煤焦油瀝青混雜替代石油瀝青，將存在嚴(yán)重健康風(fēng)險(xiǎn)，需要嚴(yán)控供應(yīng)鏈才能盡可能減小瀝青基材帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)[1]。LASD屬于樹脂材料，并且以水為溶劑，從基材上杜絕了瀝青類材料的使用，具有優(yōu)良的環(huán)保性能。表3示出某公司使用的LASD中多環(huán)芳烴的檢測數(shù)據(jù)。

表3 LASD多環(huán)芳烴檢測數(shù)值mg/kg

3.3 良好的施工工藝性

傳統(tǒng)瀝青型減振材料為模切片[5]，在油漆車間需要人工安裝，人機(jī)工程性差，容易引起操作工人的腰肌勞損。并且在安裝過程中往往會(huì)產(chǎn)生粉塵，對(duì)后續(xù)的油漆工藝產(chǎn)生不利影響。此外，傳統(tǒng)瀝青基減振材料對(duì)溫度較敏感，低溫環(huán)境下脆性增大，高溫環(huán)境下黏性增加，在冬季施工過程中容易破碎，而在夏季施工中又容易產(chǎn)生背襯粘連現(xiàn)象，影響施工性能。

而LASD為液態(tài)材料，使用機(jī)械手進(jìn)行噴涂，避免了人工操作，也避免了固態(tài)材料的溫度敏感性，具有更好的施工工藝性能；同時(shí)解放了生產(chǎn)線工人，提高了生產(chǎn)效率，符合汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和機(jī)械化的發(fā)展趨勢。

3.4 輕量化

傳統(tǒng)瀝青型減振材料的厚度一般在2.0～4.0 mm，在整車中質(zhì)量在10～20 kg，質(zhì)量較高。LASD材料由于具有更高的阻尼系數(shù)，在保持相同NVH性能的前提下可以使用更低的厚度，通常在2.5 mm左右，從而顯著降低質(zhì)量。表4示出3款車型使用LASD后的質(zhì)量變化情況，其減重效率在20%～30%。

表4 LASD輕量化效率

3.5 更好的NVH性能

傳統(tǒng)瀝青減振材料在0℃以下的阻尼性能較低，而LASD屬于樹脂材料，在寬廣的溫度范圍內(nèi)具有更高的阻尼減振性能，其和傳統(tǒng)瀝青減振材料的阻尼系數(shù)對(duì)比測試結(jié)果，如圖3所示。

圖3 LASD和瀝青片的阻尼系數(shù)對(duì)比

4 LASD的材料開發(fā)認(rèn)證流程

LASD材料屬于油漆車間使用的散裝材料，其在油漆車間生產(chǎn)線上正式應(yīng)用之前要經(jīng)過材料性能試驗(yàn)、車內(nèi)空氣質(zhì)量（VIAQ）試驗(yàn)及可噴涂性試驗(yàn)的認(rèn)證，各試驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容，如表5所示。

表5 LASD材料開發(fā)認(rèn)證試驗(yàn)項(xiàng)目

5 LASD設(shè)計(jì)過程

LASD材料適用于車身地板以及車身開閉件外板內(nèi)表面，比如：防火墻、前后地板、車頂蓋、前后車門外板、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板及后備箱蓋外板等位置。由于LASD屬于減振零件，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響NVH性能和成本。其設(shè)計(jì)基本分為3個(gè)階段。

5.1 噴涂區(qū)域設(shè)計(jì)

在前期設(shè)計(jì)階段，一般根據(jù)以往項(xiàng)目或者上代車型的振動(dòng)激勵(lì)作為輸入，通過CAE分析得到鈑金上的高應(yīng)變能區(qū)域，該區(qū)域?yàn)檐嚿砩险穹^高的區(qū)域，也是減振材料LASD應(yīng)該布置的區(qū)域，如圖4中的綠色位置所示。

圖4 LASD在車身上的噴涂區(qū)域示意圖

5.2 基于工藝要求的設(shè)計(jì)更改

在中期優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，LASD的噴涂區(qū)域需要根據(jù)油漆車間具體噴槍的尺寸規(guī)格對(duì)覆蓋面積進(jìn)行可制造性調(diào)整，同時(shí)需要考慮LASD與周邊零件的關(guān)系。圖5示出在考慮噴涂公差情況下LASD與周邊零件的建議設(shè)計(jì)距離要求。

圖5 LASD與周邊零件的設(shè)計(jì)距離要求

另外，LASD的設(shè)計(jì)還需要考慮4種情況，如圖6所示。1）有總裝零件安裝點(diǎn)的區(qū)域不能有LASD，因?yàn)長ASD噴涂到螺栓上可能會(huì)導(dǎo)致扭矩的衰減，如圖6a所示；2）有堵蓋零件安裝點(diǎn)的區(qū)域需要考慮堵蓋材料和LASD之間的粘結(jié)強(qiáng)度，如圖6b所示；3）附近有油漆車間密封膠的區(qū)域需要避讓，避免2種材料由于收縮系數(shù)不同而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致LASD或者油漆密封膠開裂，如圖6c所示；4）排氣管附近區(qū)域溫度超過LASD耐溫要求時(shí)，需要加裝排氣管隔熱罩，如圖6d所示。

圖6 LASD設(shè)計(jì)需注意區(qū)域

5.3 噴涂厚度優(yōu)化

在樣車制造階段，需要根據(jù)路試中得到的整車實(shí)際振動(dòng)頻率信息對(duì)厚度進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于高頻振動(dòng)區(qū)域，需要增加厚度以增強(qiáng)隔聲性能，如圖7中藍(lán)色區(qū)域所示，此處LASD厚度由初始設(shè)計(jì)的2.5 mm提高到3.0 mm。在低頻振動(dòng)區(qū)域可以適度降低厚度，以達(dá)到成本和性能的最佳平衡，如圖7中黃色區(qū)域所示，此處LASD厚度由初始設(shè)計(jì)的2.5 mm降低到2.0 mm。

圖7 LASD厚度優(yōu)化區(qū)域示意圖

6 LASD整車認(rèn)證

LASD按照設(shè)計(jì)噴涂區(qū)域進(jìn)行在線機(jī)器人噴涂，經(jīng)過中涂烘烤的烘烤固化并完成整車裝配后，還需要搭載在樣車上進(jìn)行整車級(jí)別的認(rèn)證，主要包含：

1）整車NVH驗(yàn)證。整車NVH試驗(yàn)主要考核材料的隔聲和減振性能，要求材料在高低溫環(huán)境以及寬頻率段內(nèi)均具有滿足要求的NVH性能。

2）整車耐久驗(yàn)證。整車耐久試驗(yàn)考核材料在高低溫環(huán)境以及交變和沖擊載荷下的性能，在路試中不應(yīng)產(chǎn)生開裂，剝離以及其他破壞性失效模式。

7 結(jié)論

文章介紹了自主開發(fā)的環(huán)保型水性可噴涂減振材料（LASD）開發(fā)和應(yīng)用的全過程，從相關(guān)材料試驗(yàn)可以看出，LASD與傳統(tǒng)預(yù)成型瀝青減振片相比較，其技術(shù)優(yōu)勢為：1）更低的氣味散發(fā)，提升客戶的駕乘感受；2）不含多環(huán)芳烴，降低了乘員的健康風(fēng)險(xiǎn)；3）更好的施工工藝性，提高了生產(chǎn)線效率；4）使用高阻尼特性的樹脂，獲得更高的NVH性能；5）在相同NVH性能條件下具有輕量化的優(yōu)勢。相關(guān)整車級(jí)別試驗(yàn)也驗(yàn)證了該材料的實(shí)際減振降噪性能以及耐久性能，為企業(yè)踐行“綠色制造”的戰(zhàn)略提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。