基于輕量化屬性的汽車零部件功能驗證標(biāo)準(zhǔn)研究

吳松，崔厚學(xué)

1.東風(fēng)鴻泰控股集團有限公司 湖北武漢 430056

2.東風(fēng)汽車集團有限公司 湖北武漢 430056

中國汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過長期持續(xù)高速增長，產(chǎn)銷量連續(xù)十余年位居全球第一。隨著汽車保有量的持續(xù)增加，高油耗、高污染等問題接踵而至。為應(yīng)對日益嚴(yán)重的資源、環(huán)境問題，國家相繼出臺了越來越嚴(yán)格的法令、法規(guī)和政策，限制車輛燃油消耗和尾氣排放。汽車輕量化是提高燃油經(jīng)濟性、降低能耗、減少污染及提高駕乘舒適性的重要途徑之一，采用塑料及其他復(fù)合材料可有效減輕汽車自重，是轎車輕量化一個極有前途的發(fā)展方向。

目前汽車零部件輕量化的相關(guān)材料、成形工藝、設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)等均有相當(dāng)積淀，其中具備輕量化特征的產(chǎn)品功能屬性最為主機廠關(guān)注，但輕量化產(chǎn)品的驗證標(biāo)準(zhǔn)目前尚處于起步階段。深入推進輕量化產(chǎn)品驗證標(biāo)準(zhǔn)的編制及推廣工作，將有助于汽車設(shè)計師和工藝師設(shè)計、制造出既美觀大方又節(jié)能環(huán)保、滿足顧客需求的輕量化汽車產(chǎn)品。

發(fā)動機下護板輕量化設(shè)計

1.發(fā)動機下護板零件概述

下護板是位于發(fā)動機底部的防護裝飾板，在國內(nèi)較差路況條件下有極其重要的防護功能，其主要作用如下。

（1）保護發(fā)動機及油底殼 下護板能有效防護汽車行駛過程中因為輪胎碾壓濺起的沙石等硬物敲擊發(fā)動機。雖然這種敲擊可能短時間內(nèi)不會對發(fā)動機產(chǎn)生很大影響，但在長時間的不規(guī)則撞擊后，汽車發(fā)動機容易出現(xiàn)油底殼漏油、功能損害等嚴(yán)重問題。

（2）保持發(fā)動機艙清潔 下護板能有效保持發(fā)動機艙的內(nèi)部清潔，防止路面泥、水、雜物等進入發(fā)動機艙，造成發(fā)動機核心部件受損，影響其使用壽命。

2.發(fā)動機下護板安全性要求

2003年之前，國內(nèi)大部分車企發(fā)動機下護板采用金屬材質(zhì)，通過沖壓、焊接、電泳漆及螺紋聯(lián)接等工序組裝而成。金屬材質(zhì)的護板抗沖擊性能優(yōu)良，可有效保護發(fā)動機和底盤等重要部件，但金屬護板沉重，噪聲共振明顯。

2003年以后，隨著國內(nèi)轎車市場的持續(xù)發(fā)展，汽車安全、舒適性能越來越被廣大消費者所重視，各種主動及被動安全技術(shù)不斷升級換代，其中發(fā)動機下沉設(shè)計技術(shù)被廣泛應(yīng)用。

一般汽車在受到前方撞擊時，前置式發(fā)動機后移，壓縮車內(nèi)生存空間，給駕乘人員造成傷害。汽車設(shè)計人員便為發(fā)動機安排了一個下沉式“陷阱”，從而最大限度避免堅硬的發(fā)動機侵入到駕駛室，為駕乘人員保留更大的生存空間。

配合發(fā)動機下沉技術(shù)的推廣應(yīng)用，對下護板性能要求也越來越高，越來越多的主機廠使用了高強度樹脂成形材料，尤其是在高端車型上。

3.發(fā)動機下護板輕量化設(shè)計

如國內(nèi)某車企新車型發(fā)動機下護板為平板類結(jié)構(gòu)，為保證“以塑代鋼”零部件的設(shè)計強度，使用了高彈性模量長玻纖增強改性聚丙烯材料。

如圖1所示，常規(guī)短玻纖增強材料的玻纖長度一般在0.2～0.6mm，顆粒長度在1～3mm，玻纖和顆粒不等長；而長玻纖增強材料顆粒則多數(shù)在6～25mm，玻纖與顆粒長度相等，且纖維單絲之間平行排列。

圖1 玻纖維

和傳統(tǒng)的短玻纖增強材料相比，長玻纖增強改性聚丙烯具備優(yōu)良的綜合性能，特別是優(yōu)異的耐沖擊性能和動態(tài)疲勞性能；用長玻纖增強材料制成的產(chǎn)品燃燒后，依然能保持制品的骨架結(jié)構(gòu)，阻燃性較好；而且新材料價格相對低廉。

輕量化發(fā)動機下護板在空間布局及零件表面加熱上存在困難，在進行輕量化設(shè)計時有針對性地采取了以下解決方案，不但解決了新材料下護板設(shè)計和制造困難，對發(fā)動機艙其他部件的輕量化設(shè)計和加工也有一定的借鑒作用。

（1）新材料抗變形能力 主要表現(xiàn)為使用金屬材料成形的零件，其強度可支撐平板類型結(jié)構(gòu)設(shè)計，而使用樹脂材料成形零件如使用平板類型的結(jié)構(gòu)，在壁厚為2.5mm的情況下，成形過程中的變形將不可避免（見圖2）。通過CAE模擬分析，新材料成形時局部變形量達21.652mm，大大超出了零件成形允許的公差范圍。

圖2 樹脂材料結(jié)構(gòu)變形

我們在輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計中研究了以下兩種方案來解決變形問題：

1）在零件表面Z+方向采用加強結(jié)構(gòu)以改善零件變形。設(shè)計方案：零件表面Z+向尺寸增加到7mm（含2.5mm的壁厚），零件變形由21mm減少到6mm，變形有了較大改善。

通過ANSYS軟件進行空間校核，因發(fā)動機行駛過程中有振動位移，下護板需要和發(fā)動機之間保持安全距離，通過反推論證Z+向高度變化范圍為5mm（含2.5mm的壁厚）。如按5mm來設(shè)計加強結(jié)構(gòu)，經(jīng)CAE分析最大變形量將達14mm，不滿足產(chǎn)品需求，此方案被排除。

2）在零件表面Z-方向采用加強結(jié)構(gòu)來改善零件變形。設(shè)計方案：零件表面Z-向尺寸增加到10mm（含2.5mm的壁厚），零件變形由21mm減少到6mm，變形也有較大改善。

通過ANSYS軟件校核，因該款轎車的離地最低點正位于下護板底部，離地距離190mm，為滿足整車功能要求，通過反推論證Z-向高度變化范圍為6.5mm（含2.5mm的壁厚）。如按6mm來設(shè)置加強結(jié)構(gòu)，經(jīng)CAE分析最大變形量將達12mm,不滿足產(chǎn)品需求，故此方案也被排除。

3）組合式方案。設(shè)計方案：在零件Z+向CAE模擬變形最大部位鉚接一厚度為1.5mm的45鋼條，另外分別在零件Y方向兩端設(shè)計輔助加強筋，筋高4mm，寬度10mm，從而有效加強了零件剛度。如圖3所示。

圖3 組合式方案改善樹脂材料結(jié)構(gòu)變形

經(jīng)過調(diào)整設(shè)計，C A E模擬該零件最大變形量為4.5mm，實際零件最大變形3.9mm，滿足了裝車需求。

（2）新材料耐高溫輻射能力 新材料熱變形溫度為135℃，雖遠大于普通玻纖材料，但是由于護板零件下表面有排氣管穿過，高溫工作狀態(tài)的排氣管離零件表面最近距離為31mm（見圖4）。經(jīng)CAE模擬計算，零件表面最大輻射溫度達到369℃，遠大于零件熱變形溫度，新材料易受熱變形老化。

圖4 樹脂材料結(jié)構(gòu)耐受排氣管輻射高溫

設(shè)計團隊嘗試了多種方案來解決下護板表面耐高溫的問題：如在零件表面排氣管投影面積上增加一層散熱鋁箔，零件表面采用凸凹狀結(jié)構(gòu)以增加其散熱面積，工藝上使用熱鉚接將鋁箔涂敷在零件表面避免行駛過程中振動脫落。

如圖5所示，經(jīng)CAE模擬分析，改進后零件表面最高溫度為130℃，低于新材料的熱變形溫度135℃，滿足了產(chǎn)品設(shè)計要求。

圖5 樹脂材料結(jié)構(gòu)熱變形模擬

基于輕量化的發(fā)動機下護板功能性標(biāo)準(zhǔn)驗證

新車型極限行駛速度為250km/h，行駛過程中下護板由于受空氣動力學(xué)影響，零件表面持續(xù)承受較大的壓力，同時還受到發(fā)動機排氣管的熱輻射，存在加速老化的風(fēng)險。因此下護板主要功能要求是抗壓、抗老化，將此零件功能標(biāo)準(zhǔn)研究重點放在強度負載及抗老化性試驗上。

（1）強度負載分析 根據(jù)該車型標(biāo)配三款發(fā)動機參數(shù)及運動過程中下護板的空氣動力學(xué)特征，通過建立相關(guān)數(shù)字模型和ANSYS軟件模擬分析，將動態(tài)過程負載轉(zhuǎn)化為靜態(tài)負載，得出以下結(jié)論。

1）在常溫靜態(tài)下，零件表面0.8m2的面積壓力負載450N，靜置后最大變形量小于等于10mm。

2）在靜態(tài)持續(xù)120℃高溫情況下，零件表面0.8m2的面積上負載450N壓力，經(jīng)過1000h熱老化，靜置后零件最大變形量≤17mm。

（2）抗老化分析 在下護板抗老化的核心性能試驗基礎(chǔ)上，兼顧零件環(huán)境及其他功能性要求，編制了關(guān)于此部件的功能試驗大綱及具體操作步驟，其中核心的實驗標(biāo)準(zhǔn)條款列舉如下。

1）交替熱濕老化試驗。試驗要求：零件性能不能出現(xiàn)任何下降，最大變形量≤10mm。

步驟S1，將樣品放置在高溫高濕箱（40℃，95%）下處理16h。

步驟S2，在S1結(jié)束后取出樣品在23℃、濕度50%條件下放置1h。

步驟S3，將樣品放置在低溫箱-20℃下處理3h。

步驟S4，在S3結(jié)束后取出樣品在23℃、濕度50%條件下放置1h。

步驟S5，將樣品放置在高溫箱100℃下處理6h。

步驟S6，在S5結(jié)束后取出樣品在23℃、濕度50%條件下放置1h。

步驟S7，重復(fù)S1～S6共10個老化循環(huán)。

2）持續(xù)熱濕老化試驗。試驗要求：零件性能不能出現(xiàn)任何下降，最大變形量≤17mm。

步驟S1，將試件固定在夾具上。

步驟S2，按照零件的主要方向（如長度和寬度）在零件上劃二條給定距離的標(biāo)記，用相應(yīng)儀器測量。

步驟S3，把試驗件放入烘箱120℃下處理1000h，然后135℃下處理22h。

步驟S4，將零件從烘箱中取出使其回到環(huán)境溫度下。

步驟S5，觀察零件表面，然后重新測量標(biāo)記間距及零件尺寸。

（3）抗輻射阻燃性試驗 試驗要求：零件性能不能出現(xiàn)任何下降，零件表面無任何可視變化。

步驟S1，將樣品放入試驗箱并在支架上裝配固定。

步驟S2，在樣品正反兩面分別安裝熱電偶。

步驟S3，開啟熱源及溫控器達到指定溫度，繼續(xù)試驗30min。

步驟S4，連續(xù)記錄熱電偶1和電偶2的溫度。

步驟S5，照射結(jié)束時，取下熱電偶和調(diào)節(jié)器探頭。

步驟S6，將樣件留在試驗箱中1h。

步驟S7，在照射區(qū)域選擇一個橫切區(qū)，在其厚度上測試材料狀態(tài)；試驗過程中，能監(jiān)視到所有出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象（煙霧，燃燒開始，火苗等），當(dāng)材料開始燃燒時停止試驗。

（4）阻燃性試驗 試驗要求：火苗在38mm處自動熄滅。

步驟S1，從零件上剪裁365mm×102mm的樣板。

步驟S2，在樣板上38mm處和254mm處做上標(biāo)。

步驟S3，點燃樣板燃燒并記時。

步驟S4，燃燒超過38mm后測量距離,計算速度。

（5）耐車身振動試驗 試驗要求：試驗中和試驗后，不允許出現(xiàn)任何機械損壞。

步驟S1，將試件固定在夾具上。

步驟S2，將夾具和三綜合環(huán)境振動試驗臺面通過螺栓緊固連接，并保證試件的Z軸方向與臺面振動方向一致。

步驟S3，開動三綜合環(huán)境振動試驗箱，使試樣在規(guī)定的環(huán)境溫濕度變化過程中進行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的隨機振動16h。

步驟S4，在S3結(jié)束后翻轉(zhuǎn)夾具使試件的X軸方向與臺面振動方向一致，并與臺面緊固連接，重復(fù)S3。

步驟S5，在S4結(jié)束后翻轉(zhuǎn)夾具使試件的Y軸方向與臺面振動方向一致，并與臺面緊固連接，重復(fù)S3。

步驟S6，試驗過程結(jié)束，觀察樣品損壞情況。

（6）耐液體浸泡性能 試驗要求：試驗結(jié)束后，不允許出現(xiàn)任何部件脫落及材料蝕變，下護板不能有大于5%的增重。

步驟S1，將一塊脫脂棉帶放在工作面上以形成復(fù)合試樣。

步驟S2，用所選擇的流體浸濕脫脂棉（非揮發(fā)性流體包括油、制動液、氯化鋅等。

步驟S3，將復(fù)合試樣置于聚乙烯袋中并用焊鉗密封。

步驟S4，使整個組合體以試驗文件中規(guī)定的老化條件：100℃±2℃的烘箱中4m±5m。

步驟S5，在試驗結(jié)束時，打開袋子，取下脫脂棉并檢查材料表面。

步驟S6，試驗結(jié)束后，將其放置在當(dāng)時的環(huán)境溫度(浸泡試驗情況下，從流體中拿出零件)下4h，并且觀察零件的質(zhì)變情況。

（7）耐潮濕試驗 試驗要求：濕度循環(huán)變化時護板的質(zhì)量波動小于1%，允許材料痕跡。

步驟S1,將試樣在110℃下干燥，直到質(zhì)量穩(wěn)定。

步驟S2,然后在23℃下，將試樣浸泡在無機鹽水中24h。

步驟S3,浸泡/干燥測試：將護板在110℃下干燥，直到質(zhì)量穩(wěn)定。之后連續(xù)進行20個循環(huán)。

步驟S4，在無機鹽水中浸泡零件（或樣件）1h。

步驟S5，瀝干5m。

步驟S6，80℃下干燥3h。

按以上功能試驗標(biāo)準(zhǔn)對輕量化下護板進行逐項檢測，結(jié)果顯示各項指標(biāo)均滿足要求。相關(guān)試驗有力支持了下護板輕量化設(shè)計及功能性標(biāo)準(zhǔn)編制。該研究成果已成功運用在東風(fēng)標(biāo)致508，東風(fēng)雪鐵龍C5、C6全系列及東風(fēng)1號等高端車型上。產(chǎn)品投放后得到用戶一致好評，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟和環(huán)境效果。

結(jié)語

零部件輕量化是汽車五化的重要內(nèi)容之一。隨著汽車整車和零部件產(chǎn)業(yè)不斷升級，如何為主機廠提供一攬子輕量化解決方案是零部件轉(zhuǎn)型升級的當(dāng)務(wù)之急。本研究總結(jié)了部分輕量化零部件的功能性實現(xiàn)路徑及驗證實施方法，為零部件輕量化提供方向性引導(dǎo)，為后續(xù)類似零件的開發(fā)及降成本工作提供了新的思路及方法。