新材料与工艺手册

轻量化及塑料玻璃在新能源汽车上的应用分析

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发表于 2016-11-17 08:28:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

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       聚碳酸酯( PC) 材料具有设计自由度高、强度好、密度低、轻量化的特点. 从新能源汽车轻量化的要求出发,分析了新能源汽车的轻量化工作,并从材料、产品性能、标准以及产业化方面研究了PC 材料在新能源汽车轻量化领域的应用前景和存在的问题, PC 塑料车窗机械性能优于传统玻璃,但其抗磨性能和耐候性能较传统玻璃差, PC 塑料车窗的应用目前急需建立自身的标准,同时进一步提高耐候性和耐磨性; PC 塑料车窗导热性较传统玻璃差,塑料车窗电阻丝消耗功率和温度性能明显低于传统玻璃,塑料车窗的除霜除雾功能还有待解决。
  关键词:新能源; 纯电动; 轻量化; 塑料车窗
  现代汽车结构、性能和技术的重要发展方向是轻量化、节能、环保和提高安全性. 汽车的质量和能源消耗成线性关系. 据统计,汽车质量每降低1%则燃耗可降低0. 6% ~ 1. 0%.能耗又与尾气排放密切相关.因此,汽车轻量化对节能和环保意义重大.
  相对而言,纯电动汽车对于轻量化的需求更加迫切,同时也给轻量化技术的广泛应用提供了新的机遇. 为了实现电动汽车的整体减重,提高电动车的整体性能,首先需要全新轻量化车身底盘的设计; 其次是新材料、新技术、新工艺的应用. 本文简单分析了一下新能源汽车的轻量化工作并结合目前开展的塑料车窗应用项目,研究其应用前景和需解决的问题.
  1轻量化要求与发展
  车身质量占汽车总质量的40%左右,车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用. 实现车身结构轻量化主要有两个途径: 一是选用强度更高、重量更轻的新材料,例如铝镁合金高强度钢材等; 二是设计更合理的车身结构,使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以及对车身零部件进行结构和工艺改进等. 第一种途径在目前看来应该是车身轻量化的主流,针对规模化生产的需要,已有很多轻质材料应用于车身制造工业,如高强度钢、铝合金碳纤维等; 第二种途径是利用有限元法和优化设计等方法对车身进行结构分析及优化设计,以减小车身骨架和车身钢板的质量.以上两种途径是相辅相成的,必须采取材料替换与结构改进相结合的方法,才可能在保证汽车整体质量和性能不受影响的前提下,最大限度地减轻各零部件的质量.
  汽车底盘是汽车的支撑部分. 它保证了汽车的坚固性,通过减震从而帮助提高汽车的撞击阻力. 在衡量汽车内的噪音、振动水平( NVH) 的数值中,底盘也是非常重要. NVH 的降低不仅提供了舒适的驾驶感受,而且还降低了连接件的压力,增长了这些组件的使用寿命,而降低NVH 的决定性因素是能量的吸收.能量吸收的水平越高,NVH 降低的程度就越大. 更重要的是,在碰撞中可以更好地进行人员保护.所以相对于电动车而言,它需要专业化底盘设计. 不同于传统汽车,它以满足动力电池、电机、控制器等零部件的布置要求; 同时向电子化、信息化、集成化、网络化、智能化方向发展,满足未来电动汽车的发展要求.
  随着国内外电动汽车的发展,其他轻量化新材料和新技术的应用也逐渐多了起来并趋于成熟( 见表1) . 目前我们重点关注的技术有:
  (1) 塑料翼子板PPO/PA;
  (2) 前端模块化设计;
  (3) 门模块;
  (4) 后尾门模块;
  (5) 整车玻璃塑料化;
  (6) 高强度钢的应用比例逐渐增加;
  (7) 热压成型新工艺的应用;
  (8) 液压成型;
  (9) 激光拼焊;
  (10) 铝镁合金零部件的应用逐渐增多.
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  2轻量化工作的机遇与挑战
  新能源汽车行业正处在一个快速发展的阶段,中国和国际汽车集团的差距在新能源汽车领域的表现并不像传统燃油车那么巨大,大部分都处在同一起跑线上,甚至在某些领域,比如电池技术方面还取得了一些国际领先技术. 但如果不抓住未来的5 ~ 10 年时间,将会在新能源汽车领域的差距再次被国际汽车集团拉大,中国汽车业将失去这一历史机遇. 电动汽车作为未来5 ~ 10 年发展的重点,轻量化技术的应用将越来越受到重视.
  目前国内所有汽车厂,几乎都涉及了新能源领域,轻量化也是大家所共同追求的目标,但也存在一些问题,笔者认为主要有三个方面.
  2.1轻量化技术与国际先进水平存在一定的差距
  主要表现: 零部件设计开发及试验能力; 在材料开发、模具制造、工艺设备、新技术的应用成熟度方面差距明显; 目前多数轻量化新材料和新技术的研究多数都是国外的成果,国内缺少原始的参数和试验数据,只能将零部件拿到国外的公司设计开发,模具和工艺设备基本靠进口,模具和工艺设备的制造能力目前国内落后国际很多. 这就导致了国内轻量化技术的应用成本增加,投资变大. 目前,国际上全铝车身、模块化设计、塑料翼子板、热压成型高强度钢的应用技术已经相当成熟,也有不少成功应用的车型,而国内自主开发应用的车型却寥寥无几. 所以需要国家相关部门的关注,加大上游研发的支持力度,特别是在新材料、模具制造、设备制造水平上实现国内自主开发、生产.
  2.2 轻量化技术的产业化问题
  主要表现: 一些先进轻量化技术只能在国外生产和制造,国内受设计能力、模具制造能力、以及设备,资金的限制,尚无一家具备生产能力; 无法实现国内的产业化,新的轻量化方案也只能是纸上谈兵. 需要国家相关部门的关注和推动整个汽车产业链的发展与建设. 只有整个汽车产业链上的核心技术实现了国内产业化,我们的民族汽车工业才能不受制于人,同时减低电动车的成本,推动整个电动汽车行业的健康发展.
  2.3 轻量化技术相关标准法规
  新能源汽车是高新技术密集型产品,设计面很广,技术更新发展也很快,因此要不断制定和修订相关标准,以便更好的适应和推动行业的健康发展. 目前一场没有硝烟的标准化争夺战已经打响,知识产权的保护刻不容缓的摆在国内企业的面前. 失去标准法规这个新能源行业的制高点,我们将会付出惨痛的代价,中国在这方面的教训已经足够深刻. 所幸的是目前国内也十分重视电动汽车标准化的建设,许多科研单位和企业在开展电动汽车的研发和产业化的同时,也在积极学习和借鉴国外电动车标准的成果和经验. 积极开展我们自己的电动车标准化工作有利于我国电动汽车产业的发展.
  国家相关部门应重点关注和推进完善标准法规体系,加强标准法规的制订力度和完善各企业间地合作,切实加强标准法规对行业的指导作用,争取在短时间内基本建立起与产业发展和能源规划相适应的节能与新能源汽车标准体系; 同时积极参与国际合作,在国际标准争夺战中取得有利地位.
  本文列举在以PC 为材料的塑料车窗技术应用研究方面的情况,重点探讨了塑料车窗在国内的应用前景和需进一步解决的问题.
  3PC 视窗技术发展
  聚碳酸酯简称PC,是一种无定型、无臭、无毒、高度透明的无色或微黄色热塑性工程塑料. 它具有以下特点: 优良的物理机械性能,蠕变性小,尺寸稳定; 良好的耐热性和耐低温性,无明显熔点,在220 ~ 230℃呈熔融状态; 由于分子链刚性大,树脂熔体黏度大; 吸水率、收缩率小,尺寸精度高,尺寸稳定性好,薄膜透气性小; 属自熄性材料; 对光稳定,但不耐紫外光; 耐油、耐酸,不耐强碱、氧化性酸及胺、酮类,溶于氯化烃类和芳香族溶剂,长期在水中易引起水解和开裂. 它的缺点是因抗疲劳强度差,容易产生应力开裂,抗溶剂性差,耐磨性欠佳.通过改性和镀层后可应用于汽车车窗,它在未来10 年的主要应用是: 天窗,固定车窗( 除前风挡) ,车身面板等( 见图1) ; 聚碳酸酯作为汽车车窗应用的需求量预期到了2018 年将达到约100kt.目前比较成熟的塑料车窗开发流程为: 构思→设计理念→材料选择→产品设计→技术开发→模具设计→注塑成型→涂层→成品.
  如图1 所示,因为前风挡法规和安全性的要求,目前,前风挡在现有技术水平下还无法应用; 前三角窗和前车门玻璃因为耐磨性要求和驾驶员的视野要求等,正在研发;市场已经有所应用的,主要是车体后半部的车窗和固定车窗以及全景天窗等.相对于无机玻璃,聚碳酸酯PC 玻璃具有以下优势:
  ( 1) 设计自由度提高,功能整合;
  ( 2) 韧性,抗冲击性提高;
  ( 3) 减重效果明显,可降低整车重心,减少二氧化碳排放; 聚碳酸酯比重为1. 2g /cm3 ; 无机玻璃比重为2. 5g /cm3,理论减重50%,实际应用中减重效果为30% ~ 40%;
  ( 4) 可回收,环保,循环利用;
  ( 5) 提高安全性.
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  随着产品性能和制造工艺的不断完善,塑料车窗正在向着模块化的方向发展( 见图2) .图2 中的全景塑料天窗采取模块化设计,集成了刹车指示灯、室内照明灯、线束、天线等都有所体现,设计自由度高,可以充分发挥塑料车窗的优势.当然PC 也存在一定的不足:
  ( 1) 耐候性不如无机玻璃;
  ( 2) 耐磨、耐刮擦性不如无机玻璃;
  ( 3) 拉伸模量与无机玻璃区别明显.
  针对PC 的这些缺点,一方面可以通过与其他有机物共聚、均聚、共混来克服; 一方面需要优化模具和工艺设计; 另外针对耐候性和耐磨性的不足,需要合适的涂层技术.但国内最缺乏的就是涂层技术的产业化应用. 目前效果最好的是湿涂层技术,通过它的处理,PC 玻璃的耐刮擦及耐候性可得到极大改善; 在聚碳酸酯上施涂湿涂层的可加工性及应用已经在国外得到证实和实车应用,车窗玻璃可实现减重40%.
  4塑料车窗性能研究
  4.1材料性能
  本次研究样品以后风挡为对象,塑料后风挡以PC( 聚碳酸酯) 改性材料作为原材料. 原材料性能测试结果见表2.
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  因为聚碳酸酯自身存在的耐刮擦和耐候性不足,就决定了需要PC 玻璃涂层技术,采用淋涂工艺、双层涂镀技术可取得较好的耐候、耐磨效果.
  通过在中国国内的市场调查,目前PC 玻璃产业化的最大不足点是在涂层技术方面; 模具、注塑机等设备国内仅少数几家具备一定的设计和生产能力; 最新型的注塑工艺为旋转注塑、多层注塑,同时注塑时可动态给模具加热,模具加热有利于提高产品合格率和成品质量,国内目前还没有这项工艺. 实际应用和本次测试的塑料车窗都是带涂层的产品.
  4.2产品性能
  后风挡因为有除霜除雾的要求,所以塑料车窗可分为带电阻丝和不带电阻丝两种.
  不带电阻丝
  塑料玻璃因为其用途与传统玻璃是一致的,所以车窗玻璃的大部分性能要求,塑料车窗也必须满足,只是具体的标准还需大量的试验数据提供参考. 塑料车窗基本性能要求包括: 人头模型冲击试验、落球试验、霰袋冲击试验、磨损试验、抗穿透试验、防火试验、耐湿性、耐热试验、耐化学性试验、耐候性、透射比、光畸变等.
  通过试验我们发现PC 塑料后风挡具有良好的抗冲击性能和光学性能,PC 塑料后风挡与传统玻璃相比光学性能优越,透光率达到90%以上; 落球试验和霰袋冲击试验结果没有差异,且PC 后风挡同时也满足人头模型冲击试验和抗穿透试验; PC 后风挡机械性能优于传统玻璃; 但其抗磨性能和耐辐照性能较传统玻璃较差.当然我们是沿用现有标准和试验方案进行分析的,通过整个过程我们也感到直接套用现有传统玻璃的性能要求和试验方法,并不完全适合塑料车窗. 所以需要通过大量的数据积累和研究实际的使用环境,制定符合实际使用要求的标准和试验方法; 同时也必须从塑料车窗产品性能本身出发继续改善其自身的耐磨性和耐候性,才能推动塑料车窗的实际应用.
  带电阻丝
  塑料后风挡除需要除霜除雾功能外,仍然需要考虑其他性能要求.它包括: 耐清洗液、过电压、加热丝消耗功率、温度性能、不透明率、融化效率、插片强度、加热丝插片抗弯曲试验、电热耐久性等要求.
  通过整个试验发现PC 塑料后风挡因为塑料的导热性较传统玻璃差,塑料玻璃与电阻丝的结合技术还不是很完善,其消耗功率和温度性能明显低于传统玻璃,而消耗功率低导致通电后其主表面温度低,不能起到很好的除霜效果. 因此建议PC 后风挡若想达到理想的除霜效果,其消耗功率应在不影响整车功率的条件下高于传统玻璃的要求,但需要考虑与整车电源功率匹配.
  图3 所示为我们对带加热丝的后风挡进行除霜除雾试验时的情况. 试验过程中主表面温度为32. 8℃,两侧插片附件温度为56. 4℃. 因为塑料导热性较传统玻璃差,所以除霜除雾性能有待提高.
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  5. 结束语
  轻量化是新能源汽车发展的必然要求,前期结构设计、新材料、新工艺,新技术的开发需要上游材料厂、整车厂、零部件企业及整个产业链的协调发展与协作,也特别需要国家相关政策法规的引导和支持.
  作为整车轻量化的一个手段,塑料车窗的应用前景广阔. 鉴于试验条件的局限性,最终结果不免存在一定误差,但是通过本次试验,已经可以初步获得以下几点结果.
  (1) 塑料车窗在新能源汽车上可应用零部件: 全景天窗、后风挡玻璃、侧固定车窗,整体较传统钢化玻璃实际应用中减重效果为30% ~ 40%; 单件成本需要最终国内产业化后确认.
  (2) 塑料车窗的应用主要存在三个问题: 标准和试验方法的建立问题、国内产业链建设问题、成本问题. 这三方面问题应加以突破和发展,塑料车窗必像汽车大灯一样,迎来快速发展.
  (3) 塑料车窗的耐磨性和耐候性是主要存在的两个难点,还需依赖涂层技术的发展,以满足车窗的耐候和耐刮擦等性能要求; 国内应该加强涂层技术研究,不断改善和提高塑料车窗的耐磨性和耐候性.
  (4) 塑料车窗的除霜除雾功能还需加强研究和改善性能.
  (5) 目前塑料车窗实际应用过程中面临无标准可依的问题,照搬传统玻璃的标准和试验方法显然不完全适合塑料车窗. 如何确定适合塑料车窗的统一的要求和试验方法急需相关部门和企业共同制定完善.并且后期塑料车窗3C 认证问题也需尽快解决.
  (6) 通过研究,我们认为塑料车窗现阶段比较适合B 柱之后的固定车窗,特别适合造型复杂、自由度高的设计,同时可实现零部件的集成模块化,这样虽然塑料车窗单件成本提高了,但通过减少零部件的数量,整车成本仍可得到较好控制,从而推动塑料车窗的应用和实现整车轻量化目的.
  模块可灵活构成不同的专业能力,覆盖该专业能力的所有模块有机地组合成本专业的模块化教学体系,最终构建成模块化人才培养方案,以培养学生专业能力、综合素质、严谨的工作作风、实事求是的科学态度和不拘一格的创新精神. 因此,只有构建适合各专业特点的模块化教学模式,才能提高应用型高等院校教学质量,培养出社会所需的高质量的工程应用型专业人才。

发表于 2017-2-14 20:50:03 | 显示全部楼层
不错  缺少一点热塑和热固的分类及应用
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发表于 2017-4-15 19:24:02 | 显示全部楼层
谢谢分享,特别感谢无私的分享者。
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发表于 2017-5-26 08:36:11 | 显示全部楼层
期待能读到原文,好好学习
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