復(fù)合材料尾門設(shè)計應(yīng)用趨勢研究

劉晶，庫才旗，彭丹，張靜

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

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，汽車輕量化是實現(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)會的報告指出，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)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和采用高強(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：

(1)輕量化：通過使用纖維增強(qiáng)材料替代傳統(tǒng)鋼質(zhì)材料，同時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)量降低可帶來良好的用戶體驗：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。

(2)造型新穎：由于纖維增強(qiáng)材料厚度可變，造型自由度高，選用傳統(tǒng)材料可能無法制造出的外觀造型能夠得到實現(xiàn)。塑料尾門復(fù)雜的造型曲線以及時尚靚麗的外觀能夠滿足用戶對汽車造型越來越高的要求[5-6]；

(3)集成化：采用塑料尾門使得尾門的零部件個數(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；涂裝車間無需尾門涂裝，降低涂裝工藝節(jié)拍[7]；同時采用塑料之后，用高強(qiáng)輕質(zhì)可實現(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。

此外，塑料尾門的耐腐蝕性強(qiáng)，對汽車電器件無電磁干擾、彈性好、低速碰撞時可復(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：(1)成本高，盡管復(fù)合材料尾門模具相對于傳統(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；(2)主機(jī)廠缺乏塑料尾門開發(fā)經(jīng)驗，適合復(fù)合材料的分析規(guī)范及評價指標(biāo)還有待完善。

1 塑料尾門應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 國內(nèi)外車企塑料尾門應(yīng)用

塑料尾門近年來隨著汽車輕量化的發(fā)展，應(yīng)用越來越多。通過調(diào)查對比國內(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

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)計自由的優(yōu)勢[10]。同時由于現(xiàn)在電動汽車?yán)m(xù)航里程的要求，導(dǎo)致對汽車輕量化要求越來越高，再加上復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用越來越多，因此許多新能源汽車也開始采用復(fù)合材料尾門來減輕車身質(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)來實現(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)致無法實現(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，對大規(guī)模生產(chǎn)節(jié)拍有一定的制約[11]。再加上近年來日趨嚴(yán)格的 ELV 法規(guī)對回收利用的要求，該項技術(shù)已逐漸被淘汰。

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注塑成型，方便實現(xiàn)自動化生產(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。

由于2014年歐洲開始實施歐六排放標(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，所以揮發(fā)物少，在VOC檢測上有優(yōu)勢;采用注塑成型，自動化程度比模壓要高;并且注塑的生產(chǎn)循環(huán)速度要比模壓快，加之自動化程度提高，所以在生產(chǎn)效率上也有優(yōu)勢[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比

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。綜合對比兩種工藝的優(yōu)缺點，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)場如圖4所示。但在窗框處需增加塑料加強(qiáng)板來彌補(bǔ)工藝缺陷，同時模壓工藝無法開孔，因此工裝時需額外增加開孔步驟。雖然性能較好，但預(yù)計成本、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工藝對比

圖4 塑料復(fù)合材料制造

2 塑料尾門結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

塑料尾門的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了與材料相關(guān)外，還與整車造型設(shè)計、布置以及功能相關(guān)。通過研究對標(biāo)分析現(xiàn)有市場上數(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)計及布置應(yīng)重點關(guān)注。

2.1 尾門分塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)造型不同，塑料尾門可以實現(xiàn)不同的分塊：(1)內(nèi)、外板各為一個整體，外板同時集成擾流板，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

2.2 內(nèi)飾板集成

結(jié)構(gòu)設(shè)計時將內(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)計時需要考慮以下問題：(1)造型時需要考慮出模角度；(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，同時減少裝配和密封問題，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)影響高位制動燈的安裝布置方式；(3)車頂處的膠水在壓合過程中容易擠跑膠水，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

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)過程中可能存在尾門振動的情況。為解決上述問題，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)過程中的振動[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，在減輕振動的同時，對輕量化不會造成較大的影響。

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)板與外板通過黏膠連接，黏膠的寬度和厚度分別取10～30 mm和1.0～3.0 mm?？紤]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)計了現(xiàn)階段各國塑料復(fù)合材料在汽車上的用量，可以看到中國相較于其他汽車工業(yè)強(qiáng)國還存在較大差距。

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

為加快我國汽車工業(yè)的發(fā)展，國家制造強(qiáng)國建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會、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)用作為我國新能源汽車輕量化技術(shù)的遠(yuǎn)期重點發(fā)展目標(biāo)，如圖10所示；路線圖中對輕量化技術(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)見未來汽車車身部件復(fù)合材料占比會越來越大，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

文中重點介紹了復(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。通過分析對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，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)階段需要重點關(guān)注的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，為中國自主品牌汽車大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用復(fù)合材料尾門打下良好的基礎(chǔ)。