發(fā)泡聚丙烯材料在汽車空調框架中的應用研究

□ 石 廣

特靈科技亞太工程技術中心 江蘇太倉 215413

1 研究背景

我國新能源汽車經(jīng)過近十年的研究開發(fā)和示范運行,已基本具備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展基礎,電池、電機、電子控制、系統(tǒng)集成等關鍵技術取得重大進步,純電動汽車和插電式混合動力汽車開始具有規(guī)模的投放市場。先進內燃機、高效變速器、輕量化材料、整車優(yōu)化設計、混合動力等技術和產(chǎn)品得到大力推廣,汽車平均燃料消耗量明顯降低。天然氣等替代汽車燃料基本成熟,并初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,形成了一定的市場規(guī)模。當然,從總體上看,我國新能源汽車整車和部分核心零部件關鍵技術尚未突破,產(chǎn)品成本高,社會配套體系不完善,產(chǎn)業(yè)化和市場化發(fā)展受到制約。加之汽車節(jié)能核心技術尚未完全掌握,燃料經(jīng)濟性與國際先進水平相比還有一定差距,節(jié)能型小排量汽車的市場占有率不高。

2016年發(fā)布的 《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》為我國新能源汽車的發(fā)展指明了方向,路線圖提出的未來發(fā)展總體目標之一是新能源汽車逐漸成為主流產(chǎn)品,汽車產(chǎn)業(yè)初步實現(xiàn)電動化轉型。新能源汽車技術路線見表1[1]。近幾年,我國乘用車銷量的增速呈現(xiàn)放緩趨勢,2018 年甚至出現(xiàn)了銷量下降。但是與此同時,新能源汽車銷量增速連年超過50%。我國乘用車與新能源汽車銷量對比如圖1所示,可見新能源汽車已經(jīng)成為我國汽車工業(yè)的一個重要增長點[2-3]。

表1 新能源汽車技術路線

▲圖1 乘用車與新能源汽車銷量對比

2018年,我國加大開放力度,新能源產(chǎn)業(yè)面臨更多挑戰(zhàn)和機遇。如果在保證產(chǎn)品性能及質量的前提下大幅減輕產(chǎn)品整體重力,那么對新能源汽車而言將具現(xiàn)實意義。在新能源汽車領域,車體每減輕100 kg質量,將減少20%的電池成本;車體重力減輕10%,續(xù)航里程可增加5.5%左右[4]。除電動汽車外,產(chǎn)品輕量化對燃油汽車而言也同樣重要。燃油汽車整車重力每減輕10%,燃油消耗可降低6%～8%,排放可減少5%～6%。燃油消耗每減少1 L,二氧化碳排放量可減少2.45 kg[5]。由此可見,大力發(fā)展汽車輕量化技術對傳統(tǒng)汽車和新能源汽車的健康發(fā)展都具有積極的現(xiàn)實意義。

各大汽車空調企業(yè)在開發(fā)新能源汽車空調時,對產(chǎn)品的輕量化設計提出了更高的要求。為此,工程技術人員在新能源汽車項目上嘗試鈑金焊接框架、鉚接拼接框架、玻璃鋼一體成型框架等,雖然能使產(chǎn)品在一定程度上滿足輕量化設計要求,但是距離真正意義上的輕量化設計還較遠。針對上述情況,筆者將發(fā)泡聚丙烯材料應用在汽車空調框架中,替代傳統(tǒng)的鈑金焊接框架和玻璃鋼框架,以實現(xiàn)輕量化。

2 發(fā)泡聚丙烯材料

發(fā)泡聚丙烯是一種環(huán)保材料,易發(fā)生β降解,便于回收利用,環(huán)境友好性優(yōu)于其它泡沫材料,被稱為綠色泡沫[6]。發(fā)泡聚丙烯材料本身無毒無味,不吸水,具有一定的強度,彎曲強度為714 kPa,是一種新型抗壓緩沖泡沫塑料[7-8],使用溫差寬,有很好的耐熱性,形狀恢復穩(wěn)定性好,受多次連續(xù)撞擊和撓曲變形后會很快恢復為原始形狀,不會產(chǎn)生永久變形[9]。

發(fā)泡聚丙烯產(chǎn)品為半硬質成形,具有適度的硬度和柔軟性,不會擦傷、碰傷與其接觸的物體。發(fā)泡聚丙烯顆粒密度為7 kg/m3～130 kg/m3,發(fā)泡倍數(shù)為8～45,密度可根據(jù)發(fā)泡倍數(shù)實現(xiàn)可異性設計。30倍發(fā)泡聚丙烯泡沫密度為31 kg/m3,是玻璃鋼密度的1/58、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料密度的1/34、鋁密度的1/98、鋼密度的1/250。由此可見,發(fā)泡聚丙烯在常見的結構材料中密度非常低。

市場上不同用途的發(fā)泡聚丙烯珠粒,價格為4萬元/t～8萬元/t,發(fā)泡聚丙烯成品樣品階段價格為50～60元/kg,具有較好的經(jīng)濟效益。

3 汽車行業(yè)應用

優(yōu)異的性能使發(fā)泡聚丙烯材料在汽車工業(yè)、包裝工業(yè)和建筑工業(yè)中得到了廣泛應用?；谳^好的抗沖擊性和能量吸收性,發(fā)泡聚丙烯可以用作汽車保險杠及緩沖包裝襯墊?；谳^高的耐熱性和表面柔順性,發(fā)泡聚丙烯可以用作微波爐的食品餐具?；诟吒魺嵝院湍芰课招?發(fā)泡聚丙烯可以用作建筑的保溫和隔聲材料[10]。發(fā)泡聚丙烯材料自身的密度隨著發(fā)泡倍數(shù)的變化而變化,發(fā)泡聚丙烯成型產(chǎn)品在汽車行業(yè)中的應用見表2。

表2 發(fā)泡聚丙烯成型產(chǎn)品在汽車行業(yè)中的應用

4 汽車空調框架應用

針對某一汽車項目的空調框架結構底盤,分別采用金屬拼接框架、玻璃鋼一體成型框架、發(fā)泡聚丙烯一體成型框架,進行分析。

4.1 金屬拼接框架

金屬拼接框架如圖2所示,底盤結構體積為2.4×107mm3。傳統(tǒng)的金屬拼接框架主要分為鋁框架和鍍鋅板框架兩種。鋁的密度為2.7×103kg/m3,底盤框架整體質量為64.8 kg。鍍鋅板的密度為7.85×103kg/m3,底盤框架整體質量為188 kg。

▲圖2 金屬拼接框架

4.2 玻璃鋼一體成型框架

玻璃鋼一體成型框架如圖3所示,底盤結構體積為6.6×107mm3。玻璃鋼的密度為2.0×103kg/m3,底盤框架整體質量為132 kg。

▲圖3 玻璃鋼一體成型框架

4.3 發(fā)泡聚丙烯一體成型框架

上述兩類框架均無法明顯減輕整機產(chǎn)品的質量,如果采用發(fā)泡聚丙烯一體成型框架,那么在保證產(chǎn)品性能及結構強度的前提下,可以減輕整體產(chǎn)品質量。

發(fā)泡聚丙烯一體成型框架如圖4所示,底盤結構體積為22×107mm3。采用密度為31 kg/m3的30倍發(fā)泡聚丙烯,底盤框架整體質量為7 kg。為了提高生產(chǎn)效率,降低安裝成本,可同時設計一款與框架匹配的上蓋結構,形成嵌入式裝配。假設上蓋結構體積與底盤一致,應用發(fā)泡聚丙烯材料,車載空調產(chǎn)品結構質量為14 kg。

▲圖4 發(fā)泡聚丙烯一體成型框架

鋁框架的價格約為3 000元,使用發(fā)泡聚丙烯材料,產(chǎn)品結構價格為840元,成本優(yōu)勢顯而易見。汽車空調應用發(fā)泡聚丙烯材料案例如圖5所示。

▲圖5 汽車空調應用發(fā)泡聚丙烯材料案例

5 結束語

筆者對發(fā)泡聚丙烯材料在汽車空調框架中的應用進行了研究。應用發(fā)泡聚丙烯材料,不僅能夠明顯減輕產(chǎn)品的整體質量,而且能夠提高經(jīng)濟效益。在滿足產(chǎn)品性能、安全等要求的同時,減輕產(chǎn)品質量,對各大整車企業(yè)而言無疑具有吸引力,符合當今新能源汽車輕量化設計發(fā)展的大趨勢。