汽車(chē)輕量化之內(nèi)飾篇

趙志剛　劉立濤　劉宏萱

摘 要：新能源汽車(chē)的迅猛發(fā)展，受到了人們的廣泛關(guān)注。汽車(chē)內(nèi)飾的輕量化可以降低車(chē)體重量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料的消耗。本文主要對(duì)新能源汽車(chē)的內(nèi)飾進(jìn)行研究，主要從結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，輕量化材料及輕量化加工工藝等方面展開(kāi)了介紹，并總結(jié)了汽車(chē)內(nèi)飾輕量化技術(shù)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：輕量化;內(nèi)飾;汽車(chē)

1 概述

隨著人們對(duì)環(huán)境的越來(lái)越重視，環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)苛，新能源汽車(chē)的發(fā)展受到了廣大科研工作者的關(guān)注。汽車(chē)輕量化的前提是在保證汽車(chē)的強(qiáng)度和安全性能的前提下，最大限度的降低整車(chē)質(zhì)量。研究表明，汽車(chē)質(zhì)量減少100kg，每一百公里可節(jié)省燃油0.3L，可減少CO2排放8～11kg。因此，對(duì)汽車(chē)進(jìn)行輕量化的發(fā)展有著非常重要的意義。目前，汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)中，主要是從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、先進(jìn)的輕量化制造技術(shù)及材料替換三個(gè)方面進(jìn)行研究。結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要分為三個(gè)方面，尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化及拓?fù)鋬?yōu)化。先進(jìn)的輕量化制造技術(shù)是減少材料成型工序。輕量化材料是目前最主要降低車(chē)身重量的方法，采用全鋁車(chē)身，重量可以減輕50%。進(jìn)一步降低車(chē)身重量，最佳的候選材料是纖維增強(qiáng)材料，其具有耐腐蝕性、耐沖擊性、隔音效果好等優(yōu)勢(shì)。

在新能源汽車(chē)的快速發(fā)展下，輕量化的設(shè)計(jì)已經(jīng)在多款車(chē)型上有所展現(xiàn)。汽車(chē)車(chē)身內(nèi)飾件大體可分為儀表板和副儀表板、地板護(hù)面、側(cè)圍護(hù)面、車(chē)門(mén)內(nèi)飾、頂棚、后圍護(hù)面、行李箱護(hù)面、座椅、立柱飾板等幾大部分組成。本文主要介紹車(chē)門(mén)內(nèi)飾板、立柱飾板及頂棚的輕量化技術(shù)，從結(jié)構(gòu)、制造技術(shù)及材料方面來(lái)研究?jī)?nèi)飾件的發(fā)展趨勢(shì)。

2 內(nèi)飾件結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有五類(lèi)構(gòu)造，分別是（1）差動(dòng)構(gòu)造;（2）整體構(gòu)造;（3）集成構(gòu)造;（4）復(fù)合構(gòu)造;（5）實(shí)壁體與殼體。輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)所設(shè)計(jì)的零件及其功能，來(lái)選擇合適的構(gòu)造方式。

2.1 車(chē)門(mén)內(nèi)飾輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

門(mén)護(hù)板總成由結(jié)構(gòu)件、功能件、裝飾件等三大部分組成，設(shè)計(jì)要考慮功能件與結(jié)構(gòu)件的組合——集成構(gòu)造。

2.1.1 緊固件位置的優(yōu)化

優(yōu)化模式是尺寸優(yōu)化，結(jié)構(gòu)元素信息包括了殼厚度，梁橫截面屬性，彈簧剛度，質(zhì)量，通過(guò)Altair有限元軟件優(yōu)化。目標(biāo)函數(shù)是最大一階振動(dòng)頻率（1stmodefrequency），設(shè)計(jì)變量是緊固件位置。約束條件是1階振動(dòng)頻率大于90赫茲，最大熱位移小于5.2毫米。把相關(guān)參數(shù)輸入Altair有限軟件優(yōu)化模擬后，可以得出緊固件的布局及緊固件的尺寸大小。

2.1.2 優(yōu)化凸緣筋的布局

通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的方法，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的形狀與材料分布的合理優(yōu)化，通過(guò)Altair有限元軟件。目標(biāo)函數(shù)是最小凸緣面積的質(zhì)量，設(shè)計(jì)變量是凸緣的厚度。把相關(guān)參數(shù)輸入Altair有限元軟件優(yōu)化模擬后，可以對(duì)凸緣筋進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

2.2 立柱飾板輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立柱飾板輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般采用整體構(gòu)造，整體（一體化）原理是將單一結(jié)構(gòu)件的數(shù)量減少到最低，這通常以一件式的方式實(shí)現(xiàn)。如今，整體構(gòu)造原理得到了進(jìn)一步的發(fā)展，即通過(guò)造型實(shí)現(xiàn)多種功能（孔，軸頸等）的一體化。從實(shí)現(xiàn)最小重量來(lái)說(shuō)，整體構(gòu)造是合適的方法。整體構(gòu)造是采用同樣的材料，zhang研究了苧麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通過(guò)整體成型技術(shù)（integral molding technology）制備了B立柱飾板，降低了重量，且試驗(yàn)測(cè)試其最大承載重量為24.1N/g。

2.3 頂棚輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頂棚輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常常采用復(fù)合構(gòu)造，及三明治式結(jié)構(gòu)。Borazjani[12]采用三明治式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了頂棚系統(tǒng)，碳/環(huán)氧復(fù)合面板材料和高密度發(fā)泡聚丙烯泡沫層心，面板厚度可到0.6mm，泡沫芯層密度為70Kg/m3，相比鋼制部件，其重量?jī)H為其的68%。

3 輕量化加工工藝

3.1 塑料加工

3.1.1 注塑壓縮成型

注塑壓縮成型是將注塑成型和壓縮成型兩種形式結(jié)合在一起的一種先進(jìn)的注塑成型技術(shù)。當(dāng)模具未完全閉合時(shí)，將其注入熔體中，然后將熔體在均勻的壓縮力或均勻的壓力保護(hù)下擠壓到模具腔中。注塑壓縮成型技術(shù)比注射成型技術(shù)具有更小的夾緊力和注塑壓力，以減少塑件的內(nèi)應(yīng)力。

壓制工藝主要用于生產(chǎn)纖維增強(qiáng)塑料部件。生產(chǎn)部件時(shí)可以使用機(jī)械壓力或液壓壓力，以及兩件或者多件組成的模具。為了縮短周期，通常在模具之外對(duì)材料進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱方式有高頻預(yù)熱，微波預(yù)熱，紅外預(yù)熱，爐具加熱或摩擦生熱。在螺桿機(jī)組中，模塑材料與注塑成型時(shí)的相同，并在旋轉(zhuǎn)螺桿的作用下被塑化，然后由作為活塞用的螺桿送入壓模。

3.1.2 微發(fā)泡工藝

門(mén)飾板微發(fā)泡工藝包括物理發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡。相比其他減重方案，微發(fā)泡減重效果最為明顯，筋壁厚比可達(dá)1：1，不易發(fā)生翹曲縮痕，產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好。

物理發(fā)泡為將氮?dú)饣蛘叨趸迹c熔融狀態(tài)的塑料均勻混合后，注入模具成型的過(guò)程，其減重約8-12%。物理發(fā)泡過(guò)程需額外投入發(fā)泡設(shè)備，且產(chǎn)品不能作為外觀件。化學(xué)發(fā)泡是以化學(xué)發(fā)泡劑為氣源，得到產(chǎn)品內(nèi)部呈氣孔結(jié)構(gòu)、表面呈韌結(jié)皮狀的塑料制件，其減重約20-30%，但是產(chǎn)品模具成本高。

3.1.3 擠壓注塑成型

擠出主要用于聚合物熔體的輸出和混合，以及著色和脫氣，主要利用旋轉(zhuǎn)螺桿的作用，根據(jù)數(shù)量，只帶一個(gè)螺桿的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的機(jī)器占主導(dǎo)地位。將聚合物熔體加工成型為半成品（如板、薄膜、型材、外殼或涂層），是利用一個(gè)法蘭安裝在擠出機(jī)上的模具經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮罄m(xù)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。擠出生產(chǎn)線的核心部件是擠出機(jī)。最常見(jiàn)的類(lèi)型是單螺桿擠出機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)。單螺桿擠出機(jī)的特征是結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，幾乎是唯一作為塑化擠出機(jī)使用的擠出機(jī)。雙螺桿擠出機(jī)有兩個(gè)同向或反向旋轉(zhuǎn)的螺桿，主要用于混合，即用于摻入添加劑、著色劑、填料或增強(qiáng)材料。

此外，還有許多特殊結(jié)構(gòu)類(lèi)型，如環(huán)形擠出機(jī)，行星輥擠出機(jī)，柱塞式擠出機(jī)，捏合機(jī)，銷(xiāo)釘式擠出機(jī)等。

3.2 纖維增強(qiáng)塑料的加工

短纖維增強(qiáng)、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)和連續(xù)纖維增強(qiáng)這些概念的方式往往各不相同。除了生產(chǎn)和加工之外，基于所用的基質(zhì)，纖維的類(lèi)型以及在部件中所能達(dá)到的纖維長(zhǎng)度，所涉及的纖維復(fù)合材料還有技術(shù)上的區(qū)別。然而，在使用長(zhǎng)纖維增強(qiáng)材料時(shí)，部件中的纖維長(zhǎng)度分布取決于工藝參數(shù)和幾何邊緣條件。沖擊擠壓工藝的目標(biāo)是生產(chǎn)準(zhǔn)各向同性的部件。在此類(lèi)部件中，根據(jù)纖維長(zhǎng)度分布和模具填充過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)引起的各向異性。

采用天然麻纖維添加輔材，通過(guò)熱壓和模內(nèi)注塑一次成型門(mén)飾板，具有質(zhì)量輕，韌性強(qiáng)及環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。麻纖維注塑門(mén)飾板材料選用麻纖維+PP，采用模壓或模壓注塑混合成型。主要優(yōu)點(diǎn)為NVH性能好、安全、舒適、環(huán)保。但是麻纖維材料成本高，且麻纖維成型后表面必須增加包覆PVC表皮，導(dǎo)致產(chǎn)品成本較普通PP材料上升170-200%。BMW集團(tuán)已經(jīng)使用10000公噸的自然纖維生產(chǎn)汽車(chē)零件，漢麻纖維含量的增加，可以提高零件的拉伸性和抗彎曲性。寶馬7系-S車(chē)上使用了24Kg的自然纖維材料，F(xiàn)ord使用紅麻纖維材料在Mondeo車(chē)的門(mén)護(hù)板上。劍麻纖維材料擁有很好的拉伸性能，且具備良好的耐酸、耐堿、耐鹽水等特性，BMW集團(tuán)已在多款車(chē)型上使用了劍麻纖維材料。Mercedes Benz內(nèi)飾門(mén)板采用了亞麻/劍麻增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，重量減輕了20%。

納米纖維素（CNCs）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于是各行各業(yè)，一般通過(guò)酸水解法制備，原材料來(lái)源于木材、棉花等。該材料具有許多優(yōu)異的性能，如表面積大、抗拉強(qiáng)度高、剛度大、優(yōu)異的膠體穩(wěn)定性等。汽車(chē)行業(yè)，納米纖維素增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料能顯著降低車(chē)身重量，Daimler，F(xiàn)iat，General Motors，BMW，Toyota和Volkswagen都使用了CNCs增強(qiáng)復(fù)合材料。

4 總結(jié)

綜上所述，汽車(chē)內(nèi)飾輕量化設(shè)計(jì)旨在通過(guò)減輕汽車(chē)的整體質(zhì)量，來(lái)達(dá)到降低能耗的效果，滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的理念和社會(huì)要求。內(nèi)飾件的發(fā)展有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，車(chē)門(mén)內(nèi)飾件通過(guò)合理布置緊固件的位置和凸緣筋的位置及尺寸，可以增強(qiáng)其剛度，提高耐撞性。立柱飾板采用整體成型技術(shù)，可以減少加工工序。頂棚采用復(fù)合構(gòu)造，既能減輕重量，又不會(huì)降低剛度;

2.天然纖維復(fù)合材料在內(nèi)飾領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，且也能滿(mǎn)足安全性能要求。特別是麻纖維在汽車(chē)內(nèi)飾上的應(yīng)用，抗拉強(qiáng)度、抗彎性能及拉伸強(qiáng)度都有提高;

3.輕量化加工工藝目的是減少成型工序。針對(duì)材料的特性，選擇合適的加工方法至關(guān)重要。

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