全塑車身外觀與C面一體化關鍵技術的研究

秦 柳，丁玉梅，肖 勇，焦志偉，虞華春，楊衛民＊

（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.寧波格林美孚新材料科技有限公司，浙江 慈溪315300；3.汽車塑化裝備制造重點實驗室，北京100029）

0 前言

轎車車身質量約占整車的40%，據統計約60%的汽車能耗產生于汽車車身［1］。通過減輕汽車車身質量，可有效提高汽車的動力利用率，實現汽車節能減排，降低環境污染。目前，使用輕質材料是實現汽車輕量化的主要途徑之一，國際汽車工業領域普遍認為復合材料是下一代汽車的主體材料。與此同時，美國和歐洲汽車工業已成為復合材料最大用戶，約占復合材料總產量的30%［2］。

20世紀80年代末，由復合材料制造的翼子板、保險杠、引擎蓋、車頂棚、車門便得到了大量的應用和推廣，并用復合材料來實現了轎車車身和卡車駕駛室的制造。戴姆勒－克萊斯勒公司通過聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料模壓注塑生產了第一輛真正意義的塑料汽車“復合概念車”（CCV）［3］。近年來，國內一些重型卡車生產廠家也逐步推出復合材料駕駛室。同時上海通用和東風汽車都準備研發復合材料車身轎車。隨著復合材料的發展，預計2015年，復合無骨架車身會成為汽車輕量化的發展趨勢，并且車身通過由多種加工工藝綜合應用來共同實現［4］。

汽車車身復合材料中纖維增強復合材料（FRP）由于其優良性能，應用最為廣泛。FRP 制造工藝有很多種。其中成型方法主要有：手糊工藝、片狀模壓料（SMC）、團狀模壓料（BMC）、層壓成型、拉擠成型、反應注塑、噴射成型、樹脂傳遞模塑成型（RTM）、真空導流成型、樹脂膜浸漬（RFI）成型、纏繞成型等工藝。旋塑成型也應用于復合材料成型各種高品質表面的制件，如游艇、料玩具、塑料玩具、汽車車殼等。道達爾公司采用旋塑成型制造的汽車車身。

隨著旋塑成型技術的研究和發展，通過利用旋塑成型技術制造一體化全塑汽車車身成為了現實。浙江海鷹包裝公司利用旋塑成型技術開發了微型電動汽車覆蓋件［5］，北京化工大學汽車塑化裝備制造重點實驗室通過旋塑成型制造方法已研發了全塑車身整體一次成型的加工方法，根據對汽車類型，進行了有關旋塑成型設備的結構、模具結構、烘箱結構的設計和優化分析，以及對全塑車身的成型工藝進行了長期探索。

1 車身外觀的輕量化設計

本文所設計的全塑汽車車身，其結構需要內部C面與汽車底架、內部零件部分進行有效地連接與配合，同時與所設計的汽車外殼車體有效結合在一起，完成汽車車體的設計，如圖1 所示。通過把汽車的結構部件集成在一起，不僅能保證汽車在整體裝配上的尺寸精度，同時可以簡化汽車零部件的生產流程和研發步驟。目前旋塑制品的壁厚能達到2mm 以上，與傳統的汽車外部覆蓋件的厚度基本一致，并可根據制品需求進行壁厚調整，實現全塑車身的功能、結構的要求，并實現汽車車身的輕量化。

圖1 全塑車身與車體／底架組裝的圖片Fig.1 All－plastic body and assembly of vehicle body／underframe

2 全塑車身關鍵部位的一體化

全塑汽車車身一體化的設計主要包括汽車外表面與汽車內表面的設計，外表面的設計是基于所掃描的汽車點云數據來做逆向設計，汽車的內表面設計是根據所涉及的汽車的零部件和安裝在汽車車體上的零部件進行的設計。下面主要從車身上的燈罩、擋泥板、翼子板一體化的例子做講解說明。

2.1 車身與燈罩

通過汽車的發展史，我們可以發現汽車燈罩的設計已經融入到汽車車身設計當中，并且其設計帶來的造型美感已經逐步成為人們選擇汽車的標準。并且隨著材料發展和技術的突破，汽車的前照燈及其燈罩的形式和造型也越來越時尚，越來越新穎［7］。

通過對所采集的三維數據進行計算機輔助設計（CAD）模型重建是三維逆向工程中最關鍵、最困難的一個環節。首先需對掃描所采集的車燈點云數據進行光順、降噪、濾波等操作，如圖2 所示，根據點云的邊界、曲率、斷面拾取其特征位置，方便構建CAD 模型。

圖2 汽車前大燈燈罩優化后的點云圖Fig.2 Car headlight's point clouds before optimization

再通過Imageware軟件的曲線構建和編輯功能來構建符合需求的曲線。最后通過其曲面構建功能快速構建Class A 曲面，如圖3所示，并且其曲面檢測功能可實時檢測曲面與點云的誤差，保證曲面的品質。

圖3 汽車前大燈燈罩平面建模圖Fig.3 Modeling for the lampshade of the car headlight

汽車前照燈的車燈在車身上的結構設計是根據所采購的汽車透鏡產品的數據直接進行結構設計，同時通過光學軟件ASAP 對模型進行模擬分析，使其能夠滿足汽車的車燈設計的相關法規要求。例如車大燈的燈座結構等，如圖4所示。

圖4 汽車前大燈燈座構建Fig.4 Design of the auto front lamp holder

2.2 車身與擋泥板

擋泥板作為汽車不可缺少的外購零部件，要求其具有耐老化、抗腐蝕、耐油污、較高的力學性能，尤其是需要較高的拉伸彈性模量，以及較好的撓曲性等特點。過去通常采用薄鐵板制作，隨著汽車輕量化的要求，現在通常采用橡膠板來作為擋泥板。張華［8］等對旋塑成型的汽車擋泥板進行試驗研究，得出通過共混料可以實現擋泥板的功能的結論。

對于擋泥板的結構設計首先需要確定車輪上跳到極限位置所需要占用的空間，從而確定車輪與輪罩之間的運動間隙是否足夠，由此決定前后輪罩的邊界尺寸，指導擋泥板的結構的進一步設計。為了更好地獲得直觀、全面的輪胎幾何信息。通過UG 軟件建立其虛擬樣機模型，帶轉向系統的懸架虛擬樣機模型包括：前輪、電池底架、轉向器總成、轉向節、轉向橫拉桿、減震器總成等。所采用的汽車輪胎的型號為155／65 R13。按照國家標準的尺寸，即輪胎外徑為531.7mm，輪胎的斷面寬度為155 mm。在UG 軟件車輛設計自動化模塊中通過輪胎包絡體命令創建包含輪胎運動全程的特征包絡體。通過添加合適的運動副，輸入相關的參數。得到輪胎的跳動的變化的包絡體。如圖5所示，不僅可以校核底架的空間布置情況，同時對輪罩和擋泥板的設計提供了依據。

由于對旋塑成型工藝和汽車結構的要求，對于汽車車身與擋泥板的一體化采用分開成型的方法，把擋泥板與汽車的地板一起旋塑成型，最終與汽車車身連接配合，如圖6所示。這樣不僅降低了汽車車身的制造難度，生產過程的生產難度，與此同時也方便了汽車模具的設計，便于汽車內模的開模。

2.3 車身與翼子板

目前，汽車塑料件的應用已經逐漸從起汽車內飾件向外飾件拓展，現在已經逐漸應用在保險杠、后備箱蓋、車門模塊、頂蓋等。塑料翼子板也已經被奔馳、寶馬、雷諾、大眾等公司實際應用了，并逐漸被廣大消費者認同［9］。翼子板塑化的可以實現汽車的輕量化，降低汽車的自身質量；提高與保險杠的裝配精度；可以比傳統鐵質翼子板有更復雜的造型；并且由于塑料自身具有較好的緩沖性能，可以更好地起到保護作用。隨著材料和成型技術的發展，車身外覆蓋件的一體化也逐步實現，一體化后的翼子板通過車身與翼子板結合為一體，具有如下的優勢：

圖5 麥弗遜獨立懸架模型與輪胎包絡體Fig.5 Macpherson independent suspension model and tire envelope

圖6 獨立旋塑底板結構示意圖Fig.6 Pictures of the independent plastic body floor

（1）節約成本，通過把翼子板與汽車車身一體化后，消除了對于翼子板的單獨模具的研發，裝備的投資等，提高其市場的適應性和競爭力；

（2）集成化，翼子板與汽車車身一體化后，可使得翼子板與前后保險杠、側圍總成等合為一體，大大減少了汽車車身覆蓋件的數量，同時避免了由于裝配零件帶來的裝配誤差，使得汽車車身整體與汽車底盤、保險杠進行裝配，可提高了其安裝精度；

（3）自由造型，塑料可以比金屬材料有更好的外觀造型，當把翼子板與汽車的車身一體化后，比傳統的汽車的設計有更多設計自由度，能讓汽車造型更加優美復雜。

翼子板在汽車車身的主要作用是防止在汽車行駛過程中，泥漿、砂石飛濺到車廂底部，翼子板通常是由具有一定彈性塑性材料制成，例如：聚氨酯彈性體。旋塑成型可實現多種層壁結構，如圖7所示。

圖7 旋塑成型產品內部結構示意圖Fig.7 Internal structure of rotational molding product

通過汽車外殼和汽車行業內C面的一體化，可實現翼子板由多層不同特性的結構疊加而成，通過不同材料的特性實現汽車車身隔離熱量、降低噪音、保障汽車行駛安全。

3 結論

（1）復合材料全塑車身具有耐沖擊、耐腐蝕、可設計性強、輕質、高效、集成度高等優點，因此全塑車身無論是從外形設計、功能性能，還是對汽車車身減重都有明顯的作用；

（2）全塑車身外觀與C 面一體化，是把汽車車身的外觀特征和相關零部件集成在全塑車身上，在滿足車身結構與功能前提下，結合旋塑成型工藝的特點、旋塑模具的設計及加工要求，合理地調整車身的結構，簡化集成有關零部件的設計安裝，使其易于全塑車身的工藝成型，并通過采用旋塑成型工藝的特有的多層結構可實現全塑車身耐沖擊、耐腐蝕等性能。

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