塑料翼子板設計淺談

韓 杰

（風度（常州）汽車研發院有限公司車身工程部，江蘇 常州 213022）

前言

據國家信息中心統計，截止2016年底，我國汽車保有量已達到1.94億輛，預計2020年這個數字將達到2.5億。如何解決這個巨大數字所帶來的能源消耗、排放污染等問題成為一個日益嚴峻的課題。有研究表明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高 6%—8%；汽車整備質量每減少 100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升。因此近幾年來，在國家政策引導下，“節能減排”開始成為每個車企所追求的目標，這使得汽車輕量化成為汽車設計時必須考慮的問題。

汽車輕量化是指在保證汽車的強度、剛度、模態以及安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性和操控性，減少燃料消耗，降低排氣污染。

對車身輕量化而言，一是對車身結構進行優化，即薄壁化、集成化；二是采用新型材料，如鋁合金、塑料、復合材料等；三是采用先進工藝，如熱成型、激光拼焊等。三種方法中，采用新型材料的減重效果最為明顯，尤其是采用塑料、復合材料替換原來的金屬材料，減重效果普遍在40%以上。但是材料的替換不是隨心所欲的，需要考慮安全、性能、工藝等各個方面的因素。相比于其他零部件而言，翼子板的功能較為單一，結構也相對簡單，材料替換帶來的工藝問題也相對較少，因此塑料翼子板的應用成為了一種趨勢。

本文以某車型翼子板為例，結合塑料翼子板的材料性能，介紹了塑料翼子板在設計時的一些注意事項，希望能給從事翼子板設計的人員有所啟發和參考。

1 塑料翼子板的設計

1.1 吸水率對外觀幾何品質的影響

與金屬翼子板相比，塑料翼子板除了具有更大的熱膨脹系數以外，還具有一定的吸水性。通過研究某車型的塑料翼子板發現，熱膨脹對外觀幾何品質的影響，在采用合適的結構設計之后，可以控制在0.3mm以內，此時，吸水性所導致的吸水膨脹成為外觀幾何品質不合格的主要原因，尤其是翼子板與前門的配合部位。翼子板與前門配合部位的間隙、面差要求如表1所示。

表1 翼子板與前門配合部位的間隙面差要求

塑料翼子板吸水率對該處面差的影響如圖1所示。

圖1 吸水率與面差的關系

從以上可知，當吸水率在 1%以下時，面差可以控制在設計要求以內；當吸水率超過1%，達到3%時，此時的面差已經超過了2mm，遠遠超出了設計范圍。

測試發現，該塑料翼子板的吸水率在濕熱條件下，隨著時間的延長，會逐漸增加，在達到200個小時的時候，吸水率已經增長到了2%。吸水率隨時間的變化如圖2所示。

圖2 吸水率隨時間的變化

由于不同的塑料配比會得到不同的吸水率，因此設計塑料翼子板時，必須對材料的吸水特性進行充分的研究，以應對存在長時間濕熱環境的銷售市場，如我國長江中下游地區等。

1.2 翼子板與引擎蓋配合部位的設計

1.2.1 滑動間隙的設計

圖3 塑料翼子板受熱膨脹

由于塑料翼子板具有較大的熱膨脹系數，因此，當外界溫度變化時，會產生不同程度的變形，尤其是當采用線上涂裝工藝時，塑料翼子板的變形可以達到15mm左右，如圖3所示。

熱膨脹變形量計算公式如下所示：

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。

翼子板的長度一般在1m左右，涂裝烘干最高溫度 190℃，室溫20℃，PA+PPO的熱膨脹系數為9×10-5，計算得：

D=（190-20）×1×9×10-5= 0.0153m =15.3mm

如此大的變形量必須設計一種滑動結構來確保翼子板不會因為熱膨脹而產生扭曲。圖4所示為某車型采用的一種滑動結構。

圖4 滑動結構

對于滑動結構而言，設計一個合理的滑動間隙是極為重要的。過大的間隙會導致翼子板安裝不牢，而過小的間隙則無法完全釋放翼子板的變形。滑動間隙的設計主要考慮以下幾個因素（見圖5）：（1）塑料翼子板注塑成型后的收縮量；（2）塑料翼子板受熱后的膨脹變形量，特別是采用線上涂裝時的膨脹變形量；（3）塑料翼子板受冷時的收縮變形量，一般考慮銷售市場的實際情況；（4）極限狀態下的安全間隙，一般預留2～3mm。

圖5 滑動間隙的考慮因素

綜上可知：

安裝點后部配合間隙=安全間隙+受熱膨脹變形量+成型收縮量；

安裝點前部配合間隙=安全間隙+受冷收縮變形量+成型收縮量；

1.2.2 剛度設計

由于塑料翼子板在受熱時會向車外方向膨脹，導致翼子板與引擎蓋配合部位的間隙面差超出設計范圍，因此需要對該部位進行一定的剛度設計。如圖6所示，翻邊高度a最好在20mm以內，最大不能超過40mm；翻邊角度θ要設計的盡量大，越大剛度越好；設計一定的加強筋，建議使用三角筋，利于涂裝，加強筋的間隔建議在 500mm左右。此外，在翼子板前部端頭區域，考慮模具的結構，一般需要設計出一個缺口，如圖7所示，導致此處剛度較差，因此需考慮在此處增加一個支架，以阻止翼子板在該位置的變形。

圖6 翼子板與引擎蓋配合部位斷面圖

圖7 翼子板前部缺口示意圖

1.2.3 運動間隙的設計

在設計金屬翼子板時，翼子板后部與引擎蓋的運動間隙一般要求在2.5mm以上即可，極限甚至可以做到1.5mm，但對于塑料翼子板而言，由于熱膨脹系數較大，此處的運動間隙需要重新定義。計算公式如下；

塑料翼子板運動間隙=2.5+a×(高溫-低溫)×熱膨脹系數（見圖8）

圖8 塑料翼子板運動間隙示意圖

1.3 翼子板后部安裝點的剛度設計

翼子板后部安裝點是翼子板重要的安裝基準，控制著翼子板與前門的間隙面差，因此其安裝點需要具有一定的剛度。通常情況下，會采用設計加強筋的方式增加剛度，但測試發現，對于塑料翼子板而言，加強筋會引起該位置的應力集中，在低溫的時候容易出現裂紋，因此建議采用增加料厚的方式來增加安裝點的剛度。

1.4 翼子板下部安裝點的設計

對于金屬翼子板，下部安裝點設計一個或兩個都可以，但對于塑料翼子板而言，考慮到塑料翼子板的變形，下部安裝點建議設計為兩個，并且中心距盡可能大，以應對溫度變化時翼子板出現的扭曲，如圖9所示。

圖9 翼子板下部安裝點

1.5 應對行人頭部保護的設計

在造型時，應盡量避免使翼子板處于行人頭部保護區域之內。如果無法避免，通過實驗分析可知，只要塑料翼子板與機艙硬質表面的距離達到60mm以上，就能夠降低HIC值，達到行人保護法規的要求。

2 結束語

在節能環保的大環境下，輕量化將是未來汽車發展的方向，“以塑帶鋼”憑借其明顯的減重效果會越來越受到各大汽車企業的重視，但塑料與金屬在性能上有很大不同，如更大的熱膨脹系數、一定的吸水性等。本文通過研究某車型的翼子板，介紹了塑料特有性能對塑料翼子板外觀設計、結構設計以及安裝點設計的影響，并提出了改善的建議。隨著汽車工業的發展，相信在不久的將來，塑料翼子板的應用會越來越成熟。

[1] 劉祖委.塑料翼子板的發展與應用[J].汽車工藝與材料, 2008(9):61-65.

[2] 史榮波.塑料在翼子板上的應用研究[J].汽車工藝與材料, 2016(1):62-64.

[3] Su Jianbo, 蘇建波, Wang Xiao,等. 塑料翼子板設計探討[C]// 2009中國汽車工程學會年會. 2009.

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

[5] 李光耀.塑料在汽車工業上的應用及發展前景[J].塑料,2004, 33(6):5-7.

[6] 聶永,陳昌明,吳憲,等.汽車翼子板輕量化結構設計塑料翼子板[J].汽車與配件, 2012(28):44-45.