汽車塑料后尾門的輕量化研究

周超群 楊劍飛 李飛 王建彬

摘? 要：汽車后尾門是車身外觀造型的重要組成部分，傳統后尾門多為鈑金件，成型困難且重量較大，不利于汽車的輕量化設計。采用重量較輕的高強度塑料，通過改善成型工藝、進行集成化方案設計以及機構優化，滿足結構強度的條件下實現以塑代鋼，可有效降低汽車后尾門重量。汽車后尾門輕量化研究對新時期節能減排和緩解能源危機具有重要意義。

關鍵詞：汽車后尾門? 塑料? 輕量化? 集成化

中圖分類號：U465? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0074-03

Abstract： The rear door of the automobile is an important part of the appearance of the body. The traditional rear door is mostly made of sheet metal， which is difficult to form and has a large weight， which is not conducive to the lightweight design of the automobile. The use of light weight high-strength plastics， through improvement of the molding process， integrated scheme design and mechanism optimization， to achieve the replacement of steel under the conditions of structural strength， can effectively reduce the weight of the car's rear door. The lightweight research of automobile rear door is of great significance for energy saving， emission reduction and mitigation of energy crisis in the new period.

Key Words： The rear door of automobile; Plastic; Light weight; Integration

近年來，隨著社會的發展和人們生活品質的提升，汽車作為耐用消費品逐漸走近了千家萬戶，我國的汽車生產和保有量處于世界前列。大量的汽車能耗和尾氣排放對環境保護造成了新的挑戰，汽車的重量是影響汽車能耗的關鍵指標。因此，在安全條件下，適當降低車身重量，實現汽車輕量化設計是有效解決汽車能耗及排放，提高汽車燃油經濟性的重要途經[1-2]。

汽車的后尾門部分涉及零部件較多，是汽車尾部外觀造型的重要組成，使用時頻繁開啟，故對汽車尾門部分的設計要注重美觀和實用并重。傳統的汽車尾門材料多為鈑金制作，成型困難，且不利于汽車的輕量化設計。因此，采用重量較輕的高強度塑料，實現“以塑代鋼”是后尾門輕量化研究的主要方向。

1? 汽車后尾門的結構

汽車后尾門部分集成了后擋風玻璃、尾門鎖、尾燈、倒車燈、倒車影像攝像頭、雷達傳感器、后雨刮器及電機、尾門線束組件、天線、擾流板、氣彈簧、緩沖塊、其他裝飾亮條等零部件。傳統汽車尾門由數十個鈑金沖壓件，通過夾具裝夾、點焊或激光焊接而成，結構復雜且重量較大。由高強度塑料代替鈑金制作汽車后尾門既可實現輕量化，又有效降低尾門焊接誤差及沖壓和累計誤差，還可適應尾門造型的變化，提高設計自由度，提升汽車尾部的外觀質量。目前，塑料后尾門已在多款車型中應用。

2? 塑料后尾門的輕量化研究

隨著個性化需求的增加，對汽車后尾門結構造型和安全環保需求提出了更高的要求。塑料后尾門材料從全熱固性塑料到全熱塑性塑料，經歷了多次產品迭代，生產工藝不斷改進。塑料尾門的成型工藝、集成化、結構輕量化設計和新型材料應用等方面的技術將是塑料尾門重要的研究方向。

2.1 塑料后尾門成型工藝研究

塑料后尾門成型工藝是指產品的制造工藝，塑料成型工藝主要包括熱壓和注塑，塑料后尾門的成型工藝按時間發展經歷了3個不同的階段，第一代產品為全熱固性的熱壓塑料尾門，第二代產品為熱固性的熱壓塑料內板+熱塑性注塑塑料外板/擾流板塑料尾門，第三代產品為全熱塑性注塑塑料尾門[3-5]。經過三代成型工藝的不斷完善，塑料后尾門成型工藝基本成熟，產品性能指標與整車匹配性較好，且輕量化水平得到顯著提高[6-7]。圖1所示為第三代塑料后尾門主要結構，包括內板、外板、擾流板三個主要的注塑塑料部件。

2.2 塑料后尾門的集成化研究

塑料后尾門集成化是指將塑料后尾門模塊進行集成，各部件通過直接安裝在塑料后尾門上，形成一個整體部件。圖2所示即為集成化的塑料后尾門，其根據功能需求不同包括后擋風玻璃、后雨刮、上外板、剎車燈、門把手、牌照燈、下外板、氣彈簧、尾燈、密封條、門鎖及其支架、線束管路、防碎線、門鉸鏈、雨刮電機、后背門內護板組件等部件。通過把塑料后尾門模塊進行集成化，有效利用汽車尾部空間，實現后尾門輕量化。

2.3 塑料后尾門結構輕量化設計

塑料后尾門結構輕量化設計就是通過計算機CAE分析軟件對產品結構和形狀進行優化，實現塑料尾門結構的輕量化。目前，結構優化技術主要包括拓撲優化、形貌優化和尺寸優化。拓撲優化是在需要優化的設計空間下，達到不同的性能要求，滿足材料分布的最優化的一種計算方法;形貌優化是指對產品內部幾何結構形狀以及其邊界的形狀分析優化方法;尺寸優化是指通過調整板件厚度以及梁結構的截面尺寸等參數來改進性能的優化方法，此優化過程并不改變結構的拓撲之間關系和拓撲本身的形狀。采用有限元技術對結構進行優化分析，使產品的各性能指數在設計階段進行有效的定量分析，可以大幅度縮減開發周期、降低開發成本，在汽車輕量化設計領域應用普遍[8-10]。

2.4 新型材料的應用

塑料后尾門的材質與其成型工藝密切相關，隨著成型工藝的不斷發展，其材質也從早期的熱固性塑料，到熱固性塑料與熱塑性塑料相結合，再到全熱塑性塑料，構成塑料尾門的發展進程。其中，第一代產品熱固性塑料，采用SMC復合材料（玻璃鋼），優點是外觀效果良好、剛度高、產品收縮率低，但由于密度太高，減重效果不明顯，而且回收難度高，脆性大易碎、耐沖擊性差。第二代產品對第一代產品進行材質改進，使用復合材料，外板擾流板使用塑性材料，輕量化效果得到明顯改善。第三代塑料尾門內板采用PP長玻纖、外板采用礦物填充的PP材料，使后尾門在輕量化、結構強度、環保、造型自由度等方面性能顯著提升[11-12]。

3? 結語

與傳統的鈑金結構后尾門相比較，塑料后尾門通過成型工藝優化、集成化、結構優化以及新型材料應用等手段，使后尾門在輕量化方面的優點十分突出，在兩種尾門同時滿足性能要求的前提下，塑料后尾門可比鈑金后尾門減重30%左右，有效提升了汽車輕量化水平。汽車輕量化是解決汽車燃油消耗以及尾氣嚴重排放問題的有效手段，是新時期應對能源危機和環境污染的可靠措施[13]。

參考文獻

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