關于塑料翼子板的設計探討

于忠娟（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

關于塑料翼子板的設計探討

于忠娟
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先著重論述了汽車輕量化在汽車工業中的重要性，尤其是翼子板的設計現已引入塑料翼子板的設計理念。對塑料翼子板的具體產品特性，又分別從重量、工藝、材料、結構和CAE 模擬分析等方面進行探討。通過某一車型翼子板為例，講述了塑料翼子板設計上應該注意的事項及其實際運用效果，總結出其在汽車輕量化方面的可實施性及突出優勢。

輕量化；塑料翼子板；CAE分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.013

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-32-03

引言

對于汽車輕量化受到國際國內汽車行業的越來越重視，各國專家紛紛研究，歐洲鋁協數據表明，汽車重量每降低100公斤，每百公里可節約0.6升燃油。大量使用輕量化材料制造的汽車，平均每輛可降低重量300公斤（從 1400公斤到1100公斤），壽命期內排放可降低20%。由此可見，伴隨輕量化而來的突出優點就是油耗顯著降低，汽車車身約占汽車總質量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身質量上，必須要堅強自重以提高整車燃料經濟性為目的。

對車身的輕量化而言，一是可以對車身結構形式進行優化設計，即改進結構、減少零部件數量、使部件薄壁化、小型化、復合化等方式來使車身零部件結構改進；二是采用輕質的金屬和非金屬材料來達到減重的目的，主要采用高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、工程塑料、復合材料等。其中塑料的應用范圍除了普通的外觀覆蓋件外， 已經廣泛應用于汽車上的功能零部件， 如塑料翼子板、門內模塊、前端模塊、背胎盒以及背門系統等。塑料翼子板已經在越來越多的汽車產品上得到應用，如 RSA ClioII /Clio III/ Megane II/Laguna II/PSA 307/807/C4、 VWTouareg / Phaeton/New beetle、BMW 6系列/3系列/ New X5 等等。本文將以塑料翼子板為題材， 從設計角度進行詳細講解。

1、塑料翼子板的設計探討

1.1塑料翼子板的優勢

塑料翼子板與傳統的鈑金翼子板的對比優勢主要體現在以下幾個方面：

（1）相對于金屬件有很大的造型自由度提升；

（2）相對于金屬高達40%的減重；

（3）低速碰撞可回彈復原，減免維修費用；

（4）耐侵蝕；

（5）更高的集成程度；

（6）一次成型，降低了模具費用；

（7）強度低，發生碰撞時對行人的傷害性小，提高了車輛的行人保護性能。

1.2現有翼子板的涂裝工藝流程

1.2.1常見的白車身涂裝工藝流程

白車身→電泳及烘干→底漆噴涂及烘干→色漆噴涂→清漆噴涂及烘干（見圖 1）。電泳、底漆和清漆的烘干溫度基本設定在140 ℃以上。

圖1　金屬白車身的生產工藝流程

1.2.2塑料翼子板的涂裝工藝流程

根據上述白車身的工藝要求，現有的塑料翼子板噴涂工藝有Online、Inline以及Offline等3種，通過圖2所示，說明了塑料翼子板的三種工藝流程。

圖2　塑料翼子板的3種工藝流程

（1）Online工藝是在焊裝車間，便把塑料翼子板裝配到車身上，工藝順序同鈑金翼子板，其對塑料原材料的耐高溫要求更高（起碼要能夠滿足金屬白車身的電泳烘烤溫度要求）。 Online工藝的塑料翼子板需要與金屬白車身一起進行在線電泳和噴涂，所以塑料原材所需具備電泳所需的導電功能。同時在油漆完成后需要再次安裝、調整，以確保塑料翼子板與車身匹配到位，因此需要OEM在生產流水線上設置裝配、調試塑料翼子板的2道工序空間。

（2）Inline工藝是塑料翼子板在電泳烘烤之后，底涂之前裝配，其需要在涂裝車間增加安裝工位及相關的清洗裝備，對塑料原材料的耐高溫性能要求非常高（起碼能夠達到白車身的油漆烘烤溫度要求）。

（3）Offline 由于是離線噴涂，其實在總裝車間裝配，OEM完全可以忽略上述在線電泳、油漆、增加工序、預裝配及最終裝配等因素造成的質量（包括表面質量及匹配尺寸質量）風險，但色差問題為其存在最大的問題。

1.3塑料翼子板的材料及性能

現有的塑料翼子板原材料有PA+PPO、PA+ABS+GF9、TPO+M30。不同工藝的各種塑料翼子板的材料性能對比見表1和圖4。從表1和圖4可以看出，Online工藝以及Inline工藝所用的塑料原材料的剛性比 Offline 工藝的材料要好，但在強度以及工藝性方面，Offline 的材料比其他兩種工藝的材料要好。這主要是由于Online工藝以及Inline工藝所用的材料中存在PA成分，而PA材料的工藝控制性以及尺寸穩定性是比較差的。

表1　不同工藝的各種塑料翼子板的材料性能對比

圖3　線性膨脹系數對照圖

1.4固定形式

1.4.1定位設計

定位點的選擇是塑料翼子板正常安裝和使用的基本條件， 它對整個塑料翼子板的結構和公差設置起著決定性的作用。考慮到翼子板與A 立柱和前門間隙的重要性，結合塑料材料線性膨脹系數較大的特性， 通常將塑料翼子板的定位點選擇在A 立柱附近，塑料翼子板的結構和安裝孔的公差都將以此定位點為基準進行設計。如圖4所示：

圖4　塑料翼子板定位圖

1.4.2 滑塊緊固方式設計

由于塑料翼子板在online inline 的工藝方案下，需通過涂裝車間，在冷熱巨大的溫差下，塑料翼子板的熱膨脹變形量較大，需要設計特殊的滑動結構來釋放由于熱膨脹所帶來的零部件尺寸變大和冷卻后的尺寸收縮，從而有效防止塑料翼子板在線噴涂時的變形。熱膨脹變形量計算公式如下：

D =(T1 -T2 )×L ×α

式中，D為變形量，T1為高溫，T2為低溫，L為長度，α為熱膨脹系數。

以1m尺寸，進入涂裝烘房為例，變形數值為：

D=［180-（-30）］×1×9.6×10-5=0.020m。

180℃為烘房一般設定溫度，-30℃為外部環境的極限低溫。

對此需要設計滑動機構來應對經過涂裝車間較高的溫度變化。現設計基本有兩種滑塊方式，一為塑料滑扣式（見圖5）；二為金屬滑片式（見圖6）。

圖5　塑料滑扣式　

　圖6　金屬滑片式

兩種方式允許在噴涂烘烤的過程中，膨脹變形引起的滑動，當溫度常溫時，恢復到原尺寸。并且塑料滑扣式利用可斷裂的緊固件，在發生15 km/hr前撞的情況下保護翼子板，同樣其塑料滑扣式比金屬滑片式在成本費用上較高。

1.5塑料翼子板行人保護的結構設計

根據行人保護頭部區域要求，兒童碰撞區可以有不超過1/2的面積HIC小于1700g，其余面積HIC不大于1000g，而整個碰撞區要滿足：不超過1/3 面積的HIC小于1700g，其余面積HIC不大于1000g。 如圖7所示：

圖7　行人保護頭部碰撞區劃分

圖8　頭部碰撞試驗對比分析

為了對行人起到保護的作用，對塑料翼子板設計相關的吸能區域，以達到保護行人目的。從圖8所示可以看出，塑料翼子板能夠利用自身良好的抗沖擊性來減少行人保護的HIC 值，提高行人頭部碰撞保護的能力。對于涉及到法規要求的翼子板，通過實驗對比分析可知，塑料翼子板的翻邊設計達到60mm 以上，就能夠輕易地降低HIC 值，達到行人保護法規的要求。

1.6塑料翼子板實物變形量

要實現塑料翼子板的運用可行性，關鍵在于其裝配可靠性，尤其是 online/inline方案，溫度的影響尤為重要。針對此其熱漲變形量的影響，便是考察的重點。其通過CAE分析，其高溫過后理論變形量，見圖 9。再通過實物過涂裝線測量前實驗前后 XY三方向的變形量。具體可參見圖 10，圖11表明CAE分析結果與實際實驗結果的數據對比狀況。

圖9　模擬分析變形量（常溫）

圖10　實際過涂裝線后變形量　

圖11　CAE分析結果與實際實驗結果的數據對比

根據上述結果對比，能夠看出塑料翼子板的變化量是較為穩定，并且是前期設計時，可預設與周邊部件的間隙面差，以達到變形后與周圍部件配合良好的目的。

2、結論

隨著現在汽車工業的發展，對汽車輕量化的要求也越來來越高。塑料翼子板現已成為輕量化的可實施部件，其在減重、防腐性、行人保護等方面具有金屬翼子板無法比擬的優點，其在國外車型上有較為廣泛的運用，現在國內也有初步的發展，相信輕量化的思想將運用的汽車上其他更多的部件上。為社會環保做出更大的貢獻。

[1] 汽車工程手冊編委會.汽車工程手冊—設計篇[M].北京:人民交通出版社,2001(01).

[2] 黃世霖,張金換.汽車碰撞與安全[M].北京:清華大學出版社,2000.

[3] 周達飛.汽車用塑料——塑料在汽車中的應用[M].北京:化學工業出版社,2003.

[4] 戈曉嵐.材料工程學[M].北京:機械工業出版社,2002.

Discussion on Plastic Fender Design

Yu Zhongjuan
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper focuses on the automotive lightweight importance in the automotive industry. In particular fender design has been introduced plastic fender design. Plastic fender for specific product characteristics, and separately from the weight, processes, materials, structures and other aspects of CAE simulation analysis to explore. Through a car fender, for example, tells the plastic fender design should pay attention to its practical application results. Summed up in the car weight reduction can be implemented and outstanding advantages.

light weight; plastic fender; CAE analysis

U463.8

A

1671-7988（2015）12-32-03

于忠娟，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心車身電子院。