復合材料尾門設計應用趨勢研究

劉晶，庫才旗，彭丹，張靜

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

節能、環保已然成為21世紀汽車工業發展的必然趨勢，汽車輕量化是實現節能環保的有效途徑，復合材料在汽車輕量化的進程中起到了重要作用。世界鋁業協會的報告指出，汽車的自身質量每減少10%，燃油的消耗可降低8%[1-2]。傳統普通鋼板車身結構通過結構優化設計和采用高強度鋼板一般可以減重10%以上，采用全鋁車身可以實現25%以上的減重效果，而使用纖維增強塑料復合材料可以達到50%以上的減重效果。現有汽車尾門大多采用鈑金沖壓焊接成形，零部件數量多，質量大，造型自由度低[3]。塑料復合材料因其密度低、比剛度、比強度高，廣泛用于汽車輕量化，近年來出現了眾多輕量化的塑料尾門，與傳統汽車鈑金尾門相比具有以下優勢：

(1)輕量化：通過使用纖維增強材料替代傳統鋼質材料，同時考慮塑料尾門零部件整體集成優化可減輕30%～50%以上質量(5～8 kg)[4]。另外，汽車質量降低可帶來良好的用戶體驗：油耗降低/續航里程增加，加速性能提升，開閉尾門的操作力減小等。

(2)造型新穎：由于纖維增強材料厚度可變，造型自由度高，選用傳統材料可能無法制造出的外觀造型能夠得到實現。塑料尾門復雜的造型曲線以及時尚靚麗的外觀能夠滿足用戶對汽車造型越來越高的要求[5-6]；

(3)集成化：采用塑料尾門使得尾門的零部件個數減少，尾門接口和縫隙去除，增強尾門部件的一體感；此外，采用塑料尾門可提高制造效率：沖壓車間不再需要沖壓；涂裝車間無需尾門涂裝，降低涂裝工藝節拍[7]；同時采用塑料之后，用高強輕質可實現整體注塑成型，大幅減少零部件數量，減輕總裝車間零部件裝配壓力，表1列舉了復合材料尾門相比于傳統汽車尾門集成化之后的制造工藝優勢。

此外，塑料尾門的耐腐蝕性強，對汽車電器件無電磁干擾、彈性好、低速碰撞時可復原。既降低了維修概率，又節省了維修成本[8]。

塑料尾門主要存在以下缺點：(1)成本高，盡管復合材料尾門模具相對于傳統鈑金件尾門的模具成本要低，但是采用復合材料的成本為傳統鈑金件的3～5倍，導致尾門總成相比于鈑金件尾門成本高[9]，表2為不同材料尾門成本初步估計；(2)主機廠缺乏塑料尾門開發經驗，適合復合材料的分析規范及評價指標還有待完善。

1 塑料尾門應用現狀及發展趨勢

1.1 國內外車企塑料尾門應用

塑料尾門近年來隨著汽車輕量化的發展，應用越來越多。通過調查對比國內外近幾年上市的數款塑料尾門車型，主要車型和復合材料尾門的相關信息見表3。

表3 復合材料尾門應用車型統計

調查發現SUV車型中采用塑料尾門的較多，其中多為緊湊型和中型SUV，主要原因是SUV車型更容易發揮塑料尾門輕量化、集成化、造型設計自由的優勢[10]。同時由于現在電動汽車續航里程的要求，導致對汽車輕量化要求越來越高，再加上復合材料在汽車上的應用越來越多，因此許多新能源汽車也開始采用復合材料尾門來減輕車身質量。

1.2 塑料尾門選材

塑料尾門的用材大致經歷了3個階段，如圖1所示。

第一代塑料尾門內外板均采用SMC材料，雪鐵龍BX在20世紀90年代首次應用該技術來實現尾門輕量化從而提升整車加速性能的目的。但這種材料密度較高，降重效果一般，而且制造工藝采用模壓成型，工藝上的限制導致無法實現尾門的立體結構，嚴重影響到尾門減重效果以及外飾外觀等。另外模壓工藝的生產周期較長，對大規模生產節拍有一定的制約[11]。再加上近年來日趨嚴格的 ELV 法規對回收利用的要求，該項技術已逐漸被淘汰。

由于上述種種原因，導致各大主機廠開始開發內板使用復合材料，外板擾流板使用塑性材料的第二代尾門，即通常所說的“Higate”塑料尾門。內板使用SMC材料，模壓工藝成型，外板使用PP或者TPO等熱塑性塑料，注塑工藝成型。內板采用彈性模量高，剛度和強度都比較好的復合材料，提供力學支撐;外板使用熱塑性塑料，提供更加自由的外形設計空間，良好的彈性，輕微碰撞可復原，降低維修成本。而且熱塑性塑料通過注塑成型，方便實現自動化生產，有利于降低生產成本，提高生產效率[12-14]。該技術第一次被應用是在2004年雷諾的Modus車型，采用的正是SMC內板、TPO外板的形式，兩者通過涂膠工藝進行裝配。其他代表車型有2007年馬自達5、2012款路虎極光、2013年標致C4畢加索等。

由于2014年歐洲開始實施歐六排放標準，以及2020年的碳排放目標乃至2050年的碳排放目標的提出，主機廠不得不在整車各個系統上想辦法，以力求最大化減少排放物和燃油消耗[15]。為實現這一目標，各主機廠及其供應商不斷探索，研發了第三代尾門：全TP塑料尾門，內板使用長玻纖增強的PP(LGF+PP)，外板和擾流板使用PP或者TPO，全部使用注塑工藝成型，然后使用涂膠工藝進行裝配。尾門常用的長玻纖增強PP材料與SMC材料相比(見表4)，彎曲模量可以達到8 000 MPa以上，密度為1.2 kg/m3左右，僅為SMC的1/4，鋼材的1/6，降重效果比較明顯，另外由于PP+LGF

材料使用的添加劑要少一點，所以揮發物少，在VOC檢測上有優勢;采用注塑成型，自動化程度比模壓要高;并且注塑的生產循環速度要比模壓快，加之自動化程度提高，所以在生產效率上也有優勢[16-18]。因此塑料尾門正朝著全TP尾門方向發展。目前采用該技術的已量產的車型主要有:新一代日產奇駿、寶馬i3、標致雪鐵龍308s、福特Kuga、雷諾新Clio以及斯巴魯R1等。

表4 尾門不同材料屬性對比

1.3 塑料尾門制造工藝

復合材料尾門工藝方案主要有LFT-G與LFT-D兩種，具體工藝步驟分別如圖2和圖3所示。綜合對比兩種工藝的優缺點，結果見表5。其中，LFT-G工藝方案采用熱塑性塑料熔體和玻璃纖維無捻粗紗在特制的模頭內進行包覆、浸漬，然后進行牽伸、切粒的生產工藝。短切后的粒子可以采用注塑或模壓的工藝制成各種產品，較為簡單，工裝的數量也較少，且制造周期短，但成型的尾門性能不如LFT-D。LFT-D采用一套復雜的模壓工藝流程：在雙螺桿擠出機內將玻璃纖維無捻粗紗和熱塑性塑料進行混合浸漬，然后將混合料直接采用注塑或模壓的工藝制成各種產品，復合材料制造現場如圖4所示。但在窗框處需增加塑料加強板來彌補工藝缺陷，同時模壓工藝無法開孔，因此工裝時需額外增加開孔步驟。雖然性能較好，但預計成本、制造周期等各方面都不如LFT-G[19-21]，推薦使用LFT-G工藝方案。

圖2 塑料尾門LFT-G工藝

圖3 塑料尾門LFT-D工藝

表5 LFT-D工藝和LFT-G工藝對比

圖4 塑料復合材料制造

2 塑料尾門結構設計要點

塑料尾門的結構設計除了與材料相關外，還與整車造型設計、布置以及功能相關。通過研究對標分析現有市場上數款量產車型的塑料尾門結構，以下一些尾門結構的設計及布置應重點關注。

2.1 尾門分塊結構設計

根據造型不同，塑料尾門可以實現不同的分塊：(1)內、外板各為一個整體，外板同時集成擾流板，如圖5(a)所示，代表車型為日產新奇駿；(2)外板分上下兩塊，內板為整體結構，同時在上外板集成擾流板[22]，如圖5(b)所示，代表車型為標志308S;(3)外板分為兩塊，內板為整體結構，外板不集成擾流板如圖5(c)所示，代表車型為路虎極光。

圖5 塑料尾門內外板分塊設計

2.2 內飾板集成

結構設計時將內板與左/右飾板和上飾板做成一體，這樣既不失美觀，同時又可以達到減輕質量和降低成本的目的。但集成內飾板后，尾門設計時需要考慮以下問題：(1)造型時需要考慮出模角度；(2)在內外板之間需預埋線束；(3)需要預留空間來安裝維修雨刮、鎖、尾燈等。

2.3 擾流板集成

將擾流板與尾門外板集成，做成一體式結構，可以進一步降低質量和成本，同時減少裝配和密封問題，如圖6所示。但需要考慮集成擾流板后的影響：(1)尾門裝配順序發生變化，后風擋玻璃安裝粘貼在外板上面；(2)影響高位制動燈的安裝布置方式；(3)車頂處的膠水在壓合過程中容易擠跑膠水，形成虛粘的情況造成漏水。

圖6 擾流板與尾門外板集成

2.4 尾門配重塊設計

由于塑料尾門相較于傳統鈑金件尾門質量大幅度減輕，因此在開關過程中可能存在尾門振動的情況。為解決上述問題，目前主要采取的措施就是尾門內板上安裝配重塊，吸收尾門在開關過程中的振動[23]。如圖7所示為日產新奇駿安裝在尾門內板底部的配重塊，質量大約為0.2 kg，在減輕振動的同時，對輕量化不會造成較大的影響。

圖7 日產新奇駿尾門配重塊

2.5 包邊結構變化

塑料尾門內板與外板通過黏膠連接，黏膠的寬度和厚度分別取10～30 mm和1.0～3.0 mm。考慮材料特性，外板不可能形成像鈑金件外板那樣的包邊結構。因此為了減少黏接外露和溢膠，以防影響美觀,日產新奇駿、英菲尼迪QX50等車型的尾門外板都采用增加翻邊，用來遮擋內外板涂膠間隙、內板邊界結構，如圖8所示。

圖8 尾門翻邊

2.6 塑料尾門新結構

塑料尾門相較于傳統鈑金尾門，除了上述新型設計及布置方式外，發現少數車型塑料尾門還有以下兩點結構：(1)尾門外板貼片：日產新奇駿、英菲尼迪QX50均在擾流板處增加厚度約0.1 mm的鋁箔貼片，可以起到隔熱作用，如圖9(a)所示；(2)T型墊圈：奇瑞小螞蟻、英菲尼迪QX50在尾門內板上鉸鏈、氣彈簧、門鎖安裝孔增加T型墊圈(厚度分別為1.0 mm和1.5 mm)，用以提升局部安裝強度，如圖9(b)所示。

圖9 塑料尾門新結構

3 復合材料尾門應用前景

隨著汽車制造技術向模塊化、集成化、輕量化的發展，汽車復合材料的應用已然成為各大汽車制造商車身部件模塊化的重要方向,表6統計了現階段各國塑料復合材料在汽車上的用量，可以看到中國相較于其他汽車工業強國還存在較大差距。

表6 塑料復合材料用量統計(以玻纖增強塑料為主)

為加快我國汽車工業的發展，國家制造強國建設戰略咨詢委員會、工業和信息化部于2017年12月聯合發布了《節能與新能源汽車技術路線圖》，將發展復合材料技術、實現復合材料混合車身及碳纖維零部件的大范圍應用作為我國新能源汽車輕量化技術的遠期重點發展目標，如圖10所示；路線圖中對輕量化技術的總體規劃，要求新能源汽車企業需要在以纖維增強復材為主的超輕復材方面開展相應的技術提升與產業布局,并進行相應的產線適應性規劃。可以預見未來汽車車身部件復合材料占比會越來越大，汽車全TP塑料尾門將成為主流。

圖10 輕量化技術總路線

4 結束語

文中重點介紹了復合材料尾門的發展歷史，應用現狀及其技術發展趨勢。通過分析對比目前市面上存在的量產復合材料尾門的結構及特點，歸納總結了復合材料尾門現階段主要適用的汽車車型以及復合材料尾門開發階段需要重點關注的結構設計要點，為中國自主品牌汽車大規模開發應用復合材料尾門打下良好的基礎。