EPP材質重型載貨汽車臥鋪的設計研究

摘要：為提高重型載貨汽車輕量化效果，實現節能減排，依據發泡聚丙烯（EPP）制品設計基本準則，對不同發泡倍率EPP（10倍、9倍、8倍）的承重狀態如位移變化、彎曲情況、掃描電子顯微鏡（SEM）圖、表面外觀進行分析研究，通過UG NX 11.0高級仿真分析軟件，利用有限元法對不同厚度（30 mm、40 mm、50 mm）EPP的結構強度進行分析，結合材料性能和外觀表面效果確定了EPP材質重型載貨汽車臥鋪最佳發泡倍率及厚度。

關鍵詞：發泡聚丙烯（EPP） 重型載貨汽車臥鋪 發泡倍率 有限元分析

中圖分類號：U465.4+1 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230429

Design Research on Expanded Polypropylene （EPP） Heavy Truck Sleeper

Zheng Guangtong1， Ye Ming1， Ni Zhongbin2， Shi Dongjian2， Zeng Jia1

（1. WuXi Hi-Tec Environmental Material Co.， Ltd.， Wuxi 214021; 2. School of Chemical and Material Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122）

Abstract： To achieve lightweight and energy saving and emission reduction of heavy trucks， load bearing condition （displacement change， bending， pictures of Scanning Electron Microscope （SEM） and surface appearance） of Expanded Polypropylene （EPP） with different foaming ratios （10 times， 9 times and 8 times） is analyzed and studied based on the basic design criterion of EPP products. Through UG NX 11.0 simulation analysis software， the structural strength of different thicknesses （30 mm， 40 mm， 50 mm） is analyzed by finite element method， and combined with material properties and appearance surface effects， the optimal foaming ratio and thickness of EPP heavy truck sleeper are defined.

Key words： Expanded Polypropylene （EPP）， Heavy truck sleeper， Foaming ratio， Finite element analysis

1 前言

研究表明，汽車整車質量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。汽車車身約占汽車總質量的30%，空載工況下，約70%的油耗用于車身質量。減輕車身質量，發動機輸出的動力更大，加速度更高，車輛操控性和起步加速性能更好，制動距離也會縮短。重型載貨汽車輕量化是提高整車燃油經濟性、降低汽車CO2排放的有效措施之一，也是目前重型載貨汽車節能減排最現實且最有效的技術措施[1-2]。

近年來，國家出臺系列交通運輸政策，各主機廠從追求基礎參數優勢逐步轉移至追求輕量化和舒適性[3-6]，貨物裝載量和駕乘體驗舒適性也成為主機廠的設計目標。

目前，重型載貨汽車的臥鋪工具箱多采用鈑金件沖壓成形或工程塑料注塑成形的箱體，箱蓋由木板加工而成，零件多、組裝復雜、質量大、裝配效率低下。同時，其材質成形工藝復雜，模具成本高。

發泡聚丙烯（Expanded Polypropylene，EPP）作為一種高強度的輕質發泡材料，可以同時滿足高強度和輕量化的需求，在乘用車保險杠、工具箱、座椅、遮陽板上已有應用，具有輕量化、安全、降噪的優勢。本文研究低能耗、高剛性發泡聚丙烯在重型載貨汽車臥鋪工具箱上的應用，在滿足臥鋪基本功能的前提下，實現輕量化目標。

2 EPP材質重型載貨汽車臥鋪制備

制備EPP重型載貨汽車臥鋪所用設備如表1所示。

2.1 載貨汽車臥鋪工具箱模具制備

根據本文研究的低能耗發泡聚丙烯制備方法，確定材料的各項參數，結合臥鋪工具箱的車身環境、使用要求和法規政策，設計臥鋪工具箱結構。通過材料密度確定模具收縮率，根據相關參數設計模具3D圖，通過鑄造、線切割、數控加工（Computer Numerical Control，CNC）、組裝、精加工、添加氣塞、皮紋處理、表面涂覆等生產工序制造出模具。模具選用鋁材質，質量輕、導熱率高、成本低、制作周期短。

2.2 發泡聚丙烯泡沫制品制備

將檢驗合格的模具安裝在發泡聚丙烯生產設備上，設備參數需要滿足：飽和蒸汽主管道壓力高于0.7 MPa，壓縮空氣壓力高于0.6 MPa，冷卻水壓力高于0.5 MPa。

成形前首先需要經過預壓階段，將發泡聚丙烯珠粒通過管道吸入預壓罐罐體內，根據設定的預壓程序加壓（6 h內由標準大氣壓勻速升至0.03 MPa，后降至0.02 MPa，穩定2 h）。預壓完成后，進入模壓成形階段，將預壓好的發泡聚丙烯珠粒通過管道輸送至臨時儲料罐，模具啟動后，再通過料管輸送入模具中，通過調節成形機的各項工藝參數進行制件成形，成形后的制件置于溫度為80 ℃的鼓風烘箱內保溫6 h后，自然降至室溫，即為發泡聚丙烯成形制件，用于后續表征[7-8]。

具體成形階段流程如下：

a. 充填階段：啟動模壓成形機，將預壓好的泡沫珠粒輸送至臨時儲料罐中，此時模具為合模狀態，通過料管、料槍將臨時儲料罐中的泡沫珠粒輸送到模具中。

b. 穿透加熱階段：該階段分為固模單面穿透加熱和移模單面穿透加熱，影響產品內部熔接熟化度，調節的工藝參數有加熱壓力和加熱時間，單面加熱蒸汽壓力為0.06～0.12 MPa，加熱時間為8～10 s。

c. 雙面加熱階段：固模和移模同時加熱，該階段影響產品表面外觀和熔接熟化度，調節的工藝參數有蒸汽壓力和加熱時間，雙面加熱蒸汽壓力為0.28～0.32 MPa，加熱時間為15～20 s。

d. 冷卻階段：通過模具內部的水管水路冷卻模具和產品，調節的工藝參數為冷卻時間，冷卻結束后完成脫模。

e. 烘干階段：脫模后的制品進入烘干房進行尺寸定型，主要目的是消除發泡聚丙烯制品的內應力，調節的工藝參數有烘干溫度和烘干時間，烘干溫度設置為80 ℃，烘干時間為12 h。

3 結果與討論

3.1 承重分析

根據重型載貨汽車試驗要求大綱驗證臥鋪工具箱強度。一般采用以下試驗：將制作完成的各模塊工具箱置于工裝上安裝固定，放置于抗壓機平臺，在每個區域選取中間位置，壓頭的接觸面尺寸為400 mm×400 mm，靜態加載力至2 000 N，記錄加載力F和位移變化X，如圖1所示。本章中研究的臥鋪工具箱分為左、中、右3個區域，根據以上試驗方法分別進行承重強度研究，獲取加載力F和位移變化X[9-10]。

將制備好的尺寸（長×寬×高）為700 mm×960 mm×25 mm的3種發泡倍率的聚丙烯泡沫制品（10倍、9倍、8倍）以及原方案木板放置于工裝上，按照主機廠提供的承重標準測試要求，靜態加載力至2 000 N，觀察彎曲變形情況并記錄位移變化，具體數值如表2所示。

由表2可知，厚度為25 mm的10倍、9倍和8倍的發泡聚丙烯泡沫制品均未出現彎曲斷裂，而位移變化均大于30 mm，因此，可作為蓋板選材，但厚度必須大于25 mm。

3.2 不同發泡倍率EPP的微觀形態

圖2所示為不同發泡倍率EPP的掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）圖，由圖2可知，不同發泡倍率的EPP的SEM圖均呈現蜂窩狀結構，隨著發泡倍率的提高，泡孔尺寸增大，當發泡倍率達到10倍時，泡孔尺寸分布呈現不均勻趨勢，泡孔尺寸過大會導致材料力學性能下降，施加相同外力時位移也會變大。若發泡聚丙烯珠粒內部泡孔過大，單個聚丙烯珠粒的承載力將受到一定影響；若發泡聚丙烯珠粒內部泡孔過小，成形能耗將增大。結合成本及性能限制，重型載貨汽車臥鋪用EPP的發泡倍率選擇10倍為宜。

3.3 不同厚度EPP結構強度分析

根據車身邊界數據，設計了3種厚度的EPP臥鋪工具箱結構三維數據，利用仿真軟件UG NX 11.0，通過有限元法對結構強度進行分析。

a. 厚度為30 mm：產品質量為10.8 kg，利用模擬仿真分析軟件，選擇四面體建立有限元模型，對邊界條件進行約束，特別是固定位置，在固定孔完全固定的情況下，根據該主機廠承重要求，利用加載位置將靜態載荷加載至2 000 N，計算出Z向的位移變化，如圖3所示。

厚度為30 mm的EPP臥鋪工具箱與原方案的質量（25.6 kg）相比降低57.8%，輕量化滿足主機廠要求的大于50%。但通過分析圖3計算的Z向位移變化數值，當加載力達到2 000 N時，左箱體、中箱體、右箱體的位移變化分別為40 mm、38 mm、36 mm，產生了較大變形彎曲，不符合主機廠位移變化不超過30 mm的要求，無法滿足臥鋪工具箱承重要求。

b. 厚度為40 mm：產品質量為12.6 kg，采用相同建模和加載方式，可以計算出Z向的位移變化，結果圖4所示。

厚度為40 mm的EPP臥鋪工具箱與原方案質量（25.6 kg）相比降低50.7%，滿足主機廠要求。通過分析圖4計算的Z向位移變化數值，加載力為2 000 N時，左箱體、中箱體、右箱體的位移變化分別為28 mm、26 mm、25.8 mm，變形位移符合主機廠要求，滿足臥鋪工具箱承重要求。

c. 厚度為50 mm：產品質量為15.2 kg，采用相同建模和加載方式，計算出Z向的位移變化，結果如圖5所示。

由圖5可知，加載力為2 000 N時，左箱體、中箱體、右箱體的位移變化分別為20 mm、18 mm、16 mm，變形位移符合主機廠要求，滿足臥鋪工具箱承重要求。但厚度為50 mm的EPP臥鋪工具箱與原方案質量（25.6 kg）比降低40.6%，不滿足主機廠減重大于50%的要求。

3.4 不同倍率EPP制品外觀分析

本文研究了10倍、9倍和8倍的發泡聚丙烯泡沫珠粒在尺寸為450 mm×350 mm×60 mm的模具中的成形效果，泡沫制品表面情況如圖6所示。

圖6a為10倍EPP泡沫制品的成形表面，同一區域出現凹坑現象；圖10b為9倍EPP泡沫制品的表面，同一區域出現少量凹坑；圖10c為8倍EPP泡沫制品的成形表面，平整度高，無凹坑現象。密度越高，粒徑越小，單位體積填充珠粒越多，在模壓成形的填料階段，單位面積輸送粒子數量越多，珠粒充填進入模具腔體后，針對大尺寸、大面積、高度較高的泡沫制品，容易產生進料不足，導致缺料。考慮到成本，宜選用10倍EPP材料作為臥鋪工具箱材料。

4 結束語

發泡聚丙烯泡沫制品因其材質特性，可為重型載貨汽車臥鋪工具箱提供輕量化、降成本等解決方案，結合超臨界二氧化碳釜式發泡工藝，整個發泡過程未發生化學變化，無化學發泡劑添加，可有效降低駕駛室VOC排放量，提高駕駛室舒適性。

通過對不同發泡倍率的發泡聚丙烯EPP（10倍、9倍、8倍）進行承重（位移變化、彎曲情況，SEM、外觀）分析，對于重型載貨汽車臥鋪，EPP在發泡倍率為10倍及以下可以滿足承重及外觀使用要求，結合輕量化及成本因素，選定10倍為宜。通過仿真分析結果可知，在設計EPP臥鋪工具箱三維數據結構時，各方向厚度應選取40 mm為主要尺寸，局部薄壁部分的EPP厚度不低于10 mm為宜。

參考文獻：

[1] 楊洋， 趙陽， 郝卓， 等. 智能網聯汽車全生命周期節能減排績效評價研究[J]. 中國公路學報， 2022， 35（5）： 266-274.

[2] PARK C B， CHEUNG L K. A Study of Cell Nucleation in the Extrusion of Polypropylene Foams[J]. Polymer Engineering amp; Science， 2010， 37（1）： 1-10.

[3] 董學鋒. 商用車的質量特征及輕量化評價[J]. 汽車技術， 2018（5）： 10-14.

[4] 吳志強， 劉青霞， 張歡唱， 等. 輕量化背景下改性塑料在汽車上的應用[J]. 工程塑料應用， 2023， 51（3）： 152-156.

[5] 李光霽， 劉新玲. 汽車輕量化技術的研究現狀綜述[J]. 材料科學與工藝， 2020， 28（5）： 47-61.

[6] 范子杰， 桂良進， 蘇瑞意. 汽車輕量化技術的研究與進展[J]. 汽車安全與節能學報， 2014， 5（1）： 1-16.

[7] 吳加俊， 曾佳， 劉緩緩， 等. 釜式發泡制備氫化苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯/聚丙烯發泡珠粒及其性能研究[J]. 中國塑料， 2023， 37（6）： 43-49.

[8] 何牧真， 徐成成， 張榮， 等. 聚丙烯-超臨界CO2擠出發泡研究進展[J]. 高分子材料科學與工程， 2020， 36（6）： 177-183.

[9] 蘇新宇， 蔡長春， 余歡， 等. 三維編織Cf/Al復合材料T型件振動疲勞性能[J]. 航空材料學報， 2023， 43（2）： 90-97.

[10] 楊萬均， 施榮明. 振動疲勞試驗壽命確定方法研究[J]. 機械設計與研究， 2012， 28（2）： 71-72+79.

作者簡介：鄭廣通（1987—），男，工程師，碩士學位，研究方向為發泡聚丙烯應用。

參考文獻引用格式：

鄭廣通， 葉明， 倪忠斌， 等. EPP材質重型載貨汽車臥鋪的設計研究[J]. 汽車工藝與材料， 2024（8）： 45-49.

ZHENG G T， YE M， NI Z B， et al. Design Research on Expanded Polypropylene （EPP） Heavy Truck Sleeper[J]. Automobile Technology amp; Material， 2024（8）： 45-49.