新能源汽車EPP輕量化座椅的開發和應用

張曦

東風延鋒汽車座椅有限公司 湖北武漢 430058

2018年4月，中國汽車行業正式開始施行雙積分政策，節能、環保成為汽車行業最重要的發展趨勢之一，特斯拉、比亞迪等新能源車型成為市場的新寵兒。為滿足新能源汽車輕量化需求，汽車座椅通過采用高分子聚合物材料代替傳統金屬骨架，可以在大大降低座椅重量的同時呈現良好的耐腐蝕性和絕緣性，在減振、耐磨和隔音方面也表現良好[2]。

EPP材料

發泡聚丙烯材料（EPP，Expanded Poly Propylene）是一種高結晶型聚合物和氣體復合材料。隨著材料、制造技術的進步，按用途和工藝方法開發出不同密度及孔徑的EPP材料。EPP一般為閉孔發泡材料，具有優異的抗振、吸能和隔熱性，形變后恢復率高，耐化學腐蝕和耐油性及可降解性也很突出，被稱為“綠色”泡沫材料，成為繼傳統的聚苯乙烯泡沫（EPS）、聚氨酯泡沫（EPU）及聚苯乙烯泡沫（EPE）材料之后的新一代環保泡沫材料，具有廣泛的應用前景[3-7]。EPP近年來在汽車行業作為內、外飾材料的應用日趨擴大。其中EPP片材主要應用于汽車頂棚、發動機艙的內襯隔音材料及備胎艙蓋等，另一類則是由EPP珠粒料模壓而成的部件，包括遮陽板、頭枕、內門板、保險杠吸能塊及備胎座等。

PMH技術

聚合物-金屬組合成型（PMH，Polymer Metal Hybrid）技術是通過加熱、成型等方法將熱塑性高分子聚合物與與金屬基體緊密結合，形成不可分離的聚合物——金屬復合物成型工藝[8]。目前，聚合物-金屬組合成型技術得到了越來越廣泛的應用，高強度、低重量的聚合物金屬組件正在逐步取代全金屬部件，特別是在汽車、航空、醫療和電子器件等領域。如汽車行業中的前端模塊、座椅、儀表板、前后車門總成及保險杠橫梁等。奧迪公司在1996年最先將PMH技術成功應用到前端模塊中，使用聚酰胺彈性體（PA6+30%GF）與金屬結構通過一體注塑成型，該PMH前端模塊提供了優于兩種材料中任意一種的結構性能，該技術的使用降低了前端模塊30%的重量和25%的成本，同時與以前的系統相比，減少了20個部件，與傳統鋼支架相比，其NVH性能也得到改善[9]。

EPP輕量化座椅

PMH組件在冷卻收縮過程中，由于不同材料的熱膨脹系數有差別，引起殘余應力分布不均勻，進而影響制件的最終精度和性能。傳統注塑成型工藝中殘余應力來源于產品冷卻不均勻，注塑件壁厚差異較大，材料冷卻收縮時受到模具表面的約束等。PMH組件在直接組合成型過程中，由于聚合物始終粘附在金屬沖壓件上，兩者在冷卻收縮時不會發生分離，這將加劇殘余應力的產生和發展[10-14]。殘余應力是影響產品外觀和性能的重要因素，它可以引起產品翹曲變形、開裂等，對結構的靜強度、疲勞強度、穩定性、剛度及應力腐蝕開裂等均存在較大影響。

1.鋼絲骨架內嵌后坐墊EPP成型尺寸控制現狀

鋼絲骨架內嵌后坐墊EPP結構，即將坐墊鋼絲骨架放置于EPP模具型腔內，與EPP一起成型，如圖1所示。EPP本體在成型的過程中，可以根據產品尺寸調整EPP收縮率，從而得到尺寸控制在公差范圍內的產品，實現正常裝車。

圖1 鋼絲骨架內嵌后坐墊EPP示意

但是將坐墊鋼絲骨架總成放置于EPP模具型腔內成型時，由于EPP與鋼絲骨架的熱膨脹系數差別引起殘余應力分布不均勻，會導致產品翹曲變形（見圖2），嚴重影響后坐墊與車身地板的正常裝配。

圖2 鋼絲骨架內嵌后坐墊EPP翹曲變形

2.鋼絲骨架內嵌后坐墊EPP在Y方向變形的影響因素

鋼絲骨架內嵌后坐墊EPP產品在Y方向翹曲變形嚴重，通過改變零件環境狀態、預壓時間、預壓工裝方式幾項因素予以改善。其中，零件出模蒸汽溫度135℃，使用檢具如圖3所示，檢測1、2、8、9控制點Z向尺寸。具體方案見表1。

表1 幾種方案對產品尺寸控制對比

圖3 鋼絲骨架內嵌后坐墊EPP產品檢具

對比圖3檢具中1、2、8、9控制點在Z方向的變形量，測量結果見表2。

表2 幾種方案對產品尺寸控制測量結果（單位：mm）

從表2的測量結果分析，對比1、2、3-2方案可以發現，在熱狀態（蒸汽溫度135℃）下，使用工裝或者重物在產品成型過程中預壓，可以有效改善產品控制點在Z方向的變形量。對比3-1、4、5方案，在均使用重物預壓的條件下，熱狀態比冷卻后的狀態對產品的尺寸控制效果更佳。而通過對比3-1、3-2兩個方案，結果顯示鋼絲截斷與否對于最終產品的尺寸變形影響不大。為了保證后坐墊EPP總成的剛性連接，在尺寸控制相差不大的情況下，鋼絲采取不截斷的方式更有利于產品的力學性能的實現。

3.預壓時間對鋼絲骨架內嵌后坐墊EPP成型的影響

從前面的檢測結果分析，零件在剛生產出來的熱狀態（蒸汽溫度135℃）下使用工裝預壓，對最終EPP產品的尺寸控制效果最佳。本小節主要研究了不同預壓時間0.5h、1h、8h對產品尺寸控制的影響，具體方案見表3。

表3 預壓時間0.5h、1h、8h對產品尺寸控制方案對比

方案6、7、8中，檢測1、2、8、9控制點在Z向變形量測試結果見表4。

表4 預壓時間0.5h、1h、8h對產品尺寸控制測量結果（單位：mm）

從表4中的檢測結果可以發現，在其他控制條件相同的情況下，預壓時間對最終產品的尺寸控制有較大影響。在預壓時間由0.5h增加到1h過程中，隨著預壓時間的增加，尺寸控制效果有明顯的改善趨勢，而當預壓時間從1h到8h時，產品的尺寸控制反而有所減弱。對比上述三個預壓時間的改善效果，當預壓時間為1h時最有利于產品的尺寸控制。

綜上所述，方案7可行性最高，1、2、8、9四處的尺寸偏差從10mm控制到3mm左右，最終的EPP產品尺寸控制效果最優，經過實際裝車驗證，可以達到預期效果。后續定型采用：零件成型后熱狀態（蒸汽溫度135℃）下采用定型工裝定位，定型時間1h以上，鋼絲不截斷，定型工裝下支撐面為負公差不大于10mm。

由于新能源汽車的車身新增電池包結構，所以在座椅后排需要留出更大的空間，為了同時滿足座椅輕量化且后坐墊下端空間足夠的要求，采用EPP+發泡結構取代傳統的金屬骨架+發泡結構能夠有效的滿足上述需求。經過驗證，在后坐墊前端加長31mm的情況下，坐墊總成重量減輕28.5%，見表5。與此同時，由于全EPP結構均勻布置于坐墊前端，使座椅具有更好的放下潛效果。

表5 EPP代替金屬骨架前后的后坐墊重量對比（單位/kg）

結語

本文通過改變零件環境狀態、預壓時間及預壓工裝方式等方面控制因素，研究了鋼絲骨架內嵌后坐墊EPP產品的翹曲變形量，在鋼絲剛生產出來的熱狀態（蒸汽溫度135℃）下，使用工裝預壓，定型時間控制在1h以上，可以有效控制產品尺寸在設計定義的公差范圍內，不影響座椅的正常裝車需求。但是目前對于PMH關鍵技術的研究大多是一些定性的分析，仍然需要量化和更多試驗數據的分析與研究。與此同時，PMH組件使用的持久性、生命周期后期材料分解、回收利用等問題都有待于更加深入的研究。