新材料与工艺手册

[轻量化轻卡|重卡] 国内外重型载货汽车外饰系统关键部件用材趋势研究

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发表于 2019-9-26 14:26:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】摘要:外饰系统是重型载货车车身的重要组成部分,承担着装饰、功能、载体和安全四大作用。如何做好外饰系统关键部件的设计选材及合理应用直接影响到节能、环保、安全、舒适等整车特性指标的达成。通过对国内外重型载货车中的前面罩、保险杠、导流系统、脚踏板等外饰系统关键部件的用材趋势研究,为车身外饰系统设计人员在设计选材及改进方面提供一定的参考和借鉴作用。
关键词:外饰件 轻量化 设计选材

1 前言

重型载货汽车外饰件是指通过螺栓、卡扣或者双面胶条连接在重型载货车驾驶室白车身上的外覆盖部件,包括前面罩、保险杠、导流系统、脚踏板、轮罩、挡泥板、前下防护及车灯等。当前,随着重型载货汽车技术的快速发展及消费者对重型载货车整车设计精致化和人性化的要求越来越高,国内外重型载货汽车外饰系统部件呈现出如下发展趋势:

a.造型创新,外观更美观、炫酷,尤其重视进一步降低风阻系数、节能降耗等方面的流线化与集成化设计;

b.环保化,运用生态设计理念,为更好地适应越来越严格的环保法规要求,开发或选用环保材料及工艺;

c.模块化,包括零部件设计、生产、运输等过程的模块化;

d.轻量化,运用结构、材料、工艺一体化设计开发模式,减轻零部件重量,促进新材料、新工艺、新结构的开发与应用;

e.成本、整体设计外包及一体化[1],发达国家向发展中国家产业转移;主机厂全球采购、模块化供货、整体方案设计外包;材料及零部件产业链纵向一体化和在生产线上横向一体化。

结合重型载货车外饰系统各部件所承担的装饰、功能、载体和安全等作用,国内外各大重型载货车企业在车身外饰设计时都在严格坚持标准化、系列化、通用化的“三化”设计原则,同时满足合理性、先进性、维修方便性、可靠性、经济性和制造工艺性等“六性”要求,并引入了诸如面向装配设计(Design For Assemble,DFA)理念、宜人化、非标准紧固件的大量使用、功能高度集成等新理念。而且,这些理念、原则和要求实现了对设计选材用材过程的全覆盖。

汽车塑料化是当今国际汽车制造业的一大发展趋势,尤其在重型载货汽车外饰系统部件用材方面呈现出了显著的非金属化、塑料化趋势。随着材料技术的发展及其制造工艺的进步,越来越多的重型载货汽车外饰件使用了工程塑料、树脂基复合材料来制造并已经成为重型载货车车身部件用材的主力军。特别是以SMC(Sheet Molding Compound)为代表的热固性复合材料及其零部件,因其出色的性价比,目前占据相当大的材料应用比例。纵览车用材料的应用历史,工程塑料及树脂基复合材料等非金属材料能在重型载货车外饰件中快速推广应用,主要得益于其自身存在的诸多技术优势:

a.以塑代钢的主体材料。其密度大多在1.0~1.8 g/cm3之间,且普遍具有较高的比强度和比刚度,利于减轻车体的重量。

b.材料性能可设计性强。可根据组织成分,通过添加不同的填充料(如填料、增强材料)、助剂(如增塑剂、硬化剂等)来实现材料性能及其加工成型性的人为调节,以适应不同部件的使用要求。而某些树脂基复合材料的性能甚至可以通过改变材料的组分、结构、工艺方法及工艺参数等来实现。当然,这包含有许多影响材料最终使用性能的因素,在设计选材及后续管控中需要引起足够重视。

c.制件型体设计的自由性。非金属零部件的制造工艺相对简单且一次完成成型,适合流线型、一体化、局部补强和/或变厚度等的设计与成型,以及复杂结构及嵌件和/或连接件的一体成型,使得形状复杂的部件加工十分便利,可提高整车造型的美观与设计的灵活性,实现更多的功能集成,减少零件的接口设计及装配零件数量。

d.增强吸能、减震、降噪等功能。碳纤维增强环氧树脂吸能约120 kJ/kg,玻璃纤维增强热塑性树脂吸能可达到250 kJ/kg,而钢材的吸收效率为20 kJ/kg[2]。非金属制件的弹性变形特性对强烈撞击有较大的缓冲作用,可避免或减少冲击碰撞对人体或整车的伤害。另外,非金属材料还具有阻尼减振、吸音隔音、阻隔密封等功能效果,是运用被动降噪来改善整车NVH和舒适性的重要途径。

e.良好的装饰效果和耐腐性能。可以通过内着色、模内涂饰、表面涂漆或涂布、化学电镀、金属喷涂、丝网印刷等多种方法实现工程塑料及树脂基复合材料部件与车身其他部件色彩及外观的协调一致,作业相对简便。另外,与传统金属钢板相比,非金属材料及其制件不存在锈蚀问题。

重型载货汽车外饰件的设计选材是一个复杂的综合过程。下面就前面罩、保险杠、导流系统、脚踏板等外饰系统关键部件的主体用材趋势做一重点介绍。


2 前面罩总成部件的设计选材

前面罩是重型载货汽车驾驶室前部正中央的外饰覆盖件总成。它主要由前面罩本体,外部塑料装饰板、格栅和前标,以及背部金属支撑板总成、锁扣、铰链、撑杆和拉带等三大部分组成,起到遮蔽装饰、通风散热及翻转检修等相应的功能作用。在整车设计追求平台化和模块化的今天,通过对整车平台主体造型和外观风格的规划以及运用模块化设计技术来满足不同细分市场的个性化、多样化需求。而前面罩总成作为重型载货车外饰模块最主要的部件,其外形、结构变化都是实现这些个性化、多样化需求的重要途径。其中的原因主要有两条,一是前面罩的现用材料和工艺对其外形、结构变化有足够的适应性,二是前面罩总成外形、结构变化带来的投入要比驾驶室白车身设计变更少很多。

为保证安全,国内重型载货汽车企业在前面罩等外覆盖件设计时须执行标准GB 20182—2006《商用车驾驶室外部突出物》[3],同时还应制定并执行《重型载货车产品前端装饰件技术条件》等企业标准。

当前,国内外各大主机厂重型载货汽车前面罩本体的主流设计用材依然是SMC材料,图1为应用示例。这是因为SMC模压作为目前性价比最高、最具竞争力的用材工艺,不仅可以满足前面罩本体流线型和背部复杂筋台结构等的设计,实现A级表面质量,还可实现与散热格栅一体化设计和成型[4],实现背部金属加强件与本体的粘接,且综合制造成本低;另外,由于SMC制件刚性强,很好地适应了扰流角板、外装饰板、散热格栅和商标等周边塑料部件的集成应用与柔性装配。特别是随着低密度SMC、中温固化SMC、快速固化SMC、碳玻混杂SMC、在线生产SMC(SMC-D)、低挥发型无苯乙烯SMC以及模内涂饰技术(IMC)等[5]方面的技术创新和应用推广,为持续的减重降本和性能提升等提供了坚实的技术基础。

图1 长头车前端罩板总成,本体材料:SMC TCA@

斯堪尼亚R/G和P系列车型的前面罩采用了分块结构,其上部依然采用SMC材料,而其下部柔性分块使用了短玻纤增强尼龙材料。依维柯Stralis改型款的前面罩采用聚双环戊二烯反应注射成型(PDCPD-RIM),该材料技术在国内也有尝试性开发应用[6-7],若替代SMC可实现40%左右的降重效果,但由于目前的PDCPD-RIM制件所用的量产原材料需要进口,目前的制造成本高,市场认知度还较低。

扰流角板(外侧板)部件的设计选材主要包括SMC模压(如解放J6、豪沃A7)、ABS注塑(如东风天龙)、PA66注塑(如欧曼EST)等,各具特色。

散热器格栅和外装饰板则多采用经济可行的EPDM改性PP,也有采用耐热性ABS、PC/ABS、玻纤增强PA等材质;商标则通常采用电镀及ABS注塑成型[3,8]。


3 保险杠总成部件的设计选材

汽车保险杠是安装在车辆前后部的安全装置。它不仅吸收和减缓外界冲击力、防护车身及电器、减轻碰撞对行人及车辆的伤害,还起到一定的美观作用。保险杠设计时应严格按照国家法规要求,采用具有抗冲吸能功能的材料、工艺以及结构集成,同时兼顾利于减少风阻的流线型外观设计以及与整车造型相匹配的色彩和质感的设计。重型载货车车装前保险杠,同时配装前后下部防护装置(执行标准GB 26511—2011《商用车前下部防护要求》和GB 11567—2017《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》)。

重型载货车保险杠总成作为一种重要的安全装置,它主要由外板本体和金属横梁两部分组成,通常没有乘用车保险杠总成泡沫缓冲支架中间层。针对重型载货车保险杠外板本体的设计选材,最重要的是要有良好的抗冲击性能。其选材用材经历了由钢板冲压焊接向改性PP注塑、SMC模压或RTM成型的塑料化应用过程[9]。当前,欧美及国内重型载货车主机厂的保险杠外板本体主要以SMC模压为主,这主要得益于以SMC为代表的树脂基复合材料的振动衰减系数大,受冲击时能够吸收大量的冲击能量[2]的材料特性。为实现“牺牲自己,保护他人(物)”的理念、有的汽车保险杠部件生产企业还为之专门开发了韧性SMC;针对一些批量需求较小的车型,国外厂家在部件开发时选用经济性相对更好的RTM工艺,其前期工装模具投入要比SMC模压低得多。另外,为适应整车降重降本等实际需要,有些车型借鉴乘用车保险杠选材用材经验而使用了EPDM改性PP材料,如福田戴姆勒公司的ETX车型的各种保险杠主要用材就是(PP+EPDM)-TD20。

SMC、改性PP等材料在重型载货车保险杠应用中具有良好的抗冲吸能性及制造成本较低等优势,但也存在一些缺陷和不足。比如说SMC材质的脆裂性会导致部件的抗石击性差,所以针对使用工况条件更为恶劣的自卸车,其保险杠主体选材更倾向于采用传统的钢板冲压件。在日本,由于其钢铁技术成熟发达,大多重型载货车车型的保险杠至今仍然坚持以钢板冲压焊接为主,SMC和改性PP等为辅的设计选材格局。

另外,在国外一些知名重型载货车企业的引领下,重型载货车保险杠总成三段分体结构设计引起了国内车身设计和材料研究人员的关注。这种多材料组合设计和多部件连接集成应用技术将成为重型载货车保险杠未来趋势之一,进而会促进外饰用材的多样化和混合化的发展。


4 导流系统部件的设计选材

重型载货车导流系统主要包括导流罩、导流板和侧护板等部件。导流系统的使用既可增加整车美观度,同时还起到进一步减少风阻和节约能耗的作用。国内外研究分析与统计表明:载货车增加使用导流罩后可节约油耗3~6%;若同时配合使用导流板和侧护板,则可节约油耗7~10%[10]。

重型载货车导流系统主体用材为树脂基复合材料类材料,但在不同时期的具体用材与工艺有所差异[11]:玻璃钢手糊成型(HL-FRP)和喷射成型(SP-FRP)作为重型载货车导流系统的初始选材和过渡选材,目前在市场上已不多见;进入本世纪之后形成了以SMC模压成型为主的主流设计,这主要是因为SMC材料及其工艺特点决定的,如:设计自由度高,适应性强;模压成型效率高,制造成本相对较低。

近来,重型载货车导流系统的选材用材呈现出显著的不局限于SMC材料的多样化趋势。奔驰Actros的导流系统中应用了玻璃钢+中空PU发泡复合结构,其特点是轻量化效果明显且部件刚性非常好。福田戴姆勒公司也开展了该项技术应用的尝试性研究,从表1和表2列出的对比测试数据看,强度指标值达到或超过了奔驰样件水平,但发泡密度要大于对标样件,而且发泡均匀性没有对标样件好,而且由于玻璃钢层成型效率低、缺乏高效发泡装置导致PU发泡质量较差,尚未完全达到量产水平。

表1 玻璃钢+中空发泡复合结构导流板强度性能均值对比


表2 玻璃钢+中空发泡复合结构导流板密度、厚度均值对比

另外,福田戴姆勒公司已在GTL车型上成功采用改性PP水辅注塑成型技术替代SMC模压技术生产导流罩,这种以塑代塑的实践不仅取得了显著的降重降本效果,而且材料环保可回收再利用,但因制件刚度不足而针对面积大或长径比大的部件需辅以外部刚性加强结构。国内也有采用玻纤增强PBT+PET生产重型载货车导流罩的报道,得到的制件不仅外观好,而且耐热性优良、尺寸稳定[12]。国内重型载货车侧护板较少使用,且大多采用钢板冲压件的简易设计,真正参照国外采用RTM等复合材料工艺及其结构的少之又少。

为适应导流系统轻量化以及环保化新材料的集成应用与推广,对重型载货车导流罩、导流板的分体、分型设计也是未来研究的一个重要方向。


5 脚踏系统部件的设计选材

脚踏系统是安装在紧靠重型载货车车辆前保险杠两侧、便于驾乘人员上下车之用的外装部件。它是进入驾驶室的唯一途径,同时还起到保护和美化车体的作用。它通常由脚踏板、脚踏板护罩和安装支架等三部分组成。脚踏板装在护罩上并通过安装支架承载、受力。鉴于脚踏系统经常会因为一些磕碰或刮蹭而损坏的使用特点,在设计选材时须加以重点考虑。

脚踏系统的设计重点包括尺寸设计和组合形式两个方面。基于安全考虑,尺寸设计方面需关注以下设计要求[13]:踏板大小、踏板行程和阻力(防滑设计)。同时,在脚踏系统设计时要有对周边运动零件覆盖或包覆的护罩。组合形式方面需要考虑一体化、集成化设计,如上下一体化设计,踏板与护罩一体化设计及踏板系统与邻近部件(如轮罩、挡泥板)集成化一体设计。

当前脚踏系统各部件选材用材呈现以下趋势。其中:脚踏板以碳钢、不锈钢或铝合金为主,部分采用诸如PA66+GF30、PC/ASA等塑料材料,而且碳纤维复合材料脚踏板先行研究业已开启;而脚踏板护罩多用改性PP材料,而有较高承载要求时则采用玻纤增强PP、玻纤增强ABS以及SMC等[3],而脚踏板护罩安装支架则仍以钢(或铁)制件为主。


6 结束语

重型载货汽车外饰系统关键部件的设计选材是在尺寸保证和功能优化以及合规设计等前提下,基于轻量化、环保化等核心目标推进传统材料的升级和新型材料的替换。在倡导节能减排的大趋势下,轻量化、环保化正成为一股全球风潮。

目前的外饰系统关键部件轻量化技术主要围绕以下两个方面:一是在使用材料不变的情况下,对零部件结构和材料的加工工艺进行优化设计;二是寻找使用能够满足使用要求的更轻的材料。低密度、薄壁化、微发泡是当前及今后一段时间内车用塑料轻量化开发应用的三大方向。在重型载货车外饰系统关键部件轻量化设计的同时还须处理好的一些关键细节,如:减重和成本增加之间的最佳结合点、节能与环保的协调性、驾驶舒适性、高被动安全标准以及A级表面质量等。

生态设计是实现整车全生命周期管理不可或缺的一个环节,同时也是实现材料与零部件环保化的重要举措。针对重型载货汽车外饰系统关键部件的设计选材应考虑选用可回收性好甚至可再生的材料,尽量减少材料种类并使用兼容性好的材料,避免或减量使用有毒有害材料或物质,选择环境友好型材料,减少或最好不使用外饰涂层。

重型载货汽车外饰系统关键部件的设计选材不仅要考虑性能、外观、工艺等基本特性,更要着重关注法规、环保和成本等特殊要求。一个好的重型载货车企业需要建立完善的围绕结构-材料-工艺和成本-效率-规模等一体化的材料技术基础研究和先行研究机制,充分运用产学研用合作模式,推进传统材料及其工艺与结构的升级应用,推进新型材料与工艺技术的替换应用,通过材料及其零部件的产业化应用升级促进汽车轻量化、环保化等技术的发展!



来源:《汽车工艺与材料》;作者:郑学森 张喆 马永孝(北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心,北京 101400)




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