新材料与工艺手册

[轻量化轻卡|重卡] 重卡外饰件轻量化设计方法研究

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发表于 2020-11-16 11:54:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车材料网】重卡外饰件轻量化设计方法研究
张辉,李贺,刘维栋
(陕西重型汽车有限公司 汽车工程研究院,陕西 西安 710220)
摘 要:文章系统分析研究重卡外饰件的轻量化思路,从轻型材料应用、新型工艺应用、结构拓扑优化、集成化设计等方面对外饰件轻量化思路进行分析和探究。重点介绍了玻璃钢件替代材料和外饰件新工艺。文章也介绍了在多年从事轻量化工作中遇到的一些问题,提出了解决思路和开发方向。
关键词:重卡;外饰件;轻量化;新材料
前言
中国经济的发展已经从高速增长转变为高质量增长阶段。对于汽车行业而言,新技术新材料及 轻量化技术对于提高汽车的核心技术和国际竞争力有着重要作用,不仅推动了行业技术更新换代,而且拉动相关产业经济发展和消费升级。
对主机厂而言,环境保护的压力促使国家出台了相关的节能减排政策和标准。GB 20997-2007《轻型商用车辆燃料消耗量限值》该国家标准是我国第一个控制商用车燃料消耗量的强制性国家标准。汽车的轻量化是节能减排的重要手段之一,可有效帮助主机厂降低汽车的整备质量,进而降低燃油的消耗量和CO2的排放量。对于新能源重卡而言,自重的降低更是直接提高了车辆的续航里程和续航时间,提高了车企在市场的竞争力。
随着新版GB1589-2016的实施,加之国家对于限超治超整治力度的加大,客户购买重卡时对车辆自重的关注越来越强烈。数据表明,汽车质量每降低10%,可降低油耗6%-8%。自重的降低不仅为客户降低了油耗,针对载货车辆而言,自重的降低也意味着司机出车可载重更多的货物,提升单趟出车的经济效益。
1 重卡外饰件轻量化方法简介
根据统计,重卡外饰件单车重量约在250-300kg(含底盘件和支架),外饰件轻量化就是在保证使用强度和整车安全性等使用前提下,从多维度进行多目标优化,实现自重的降低。
根据笔者多年从事外饰轻量化的经验总结,对外饰件的轻量化技术途径主要可归纳为以下两点:
(1)非金属轻型材料和工艺应用;
(2)结构优化设计和集成化设计。
方法(2)通常用于结构件的轻量化方案,方法(1)通常用于外饰外板件的轻量化方案。综合应用通常可实现单系统降重15-40%,以某车型为例,经过事实以上措施外饰件降重实现了30-40kg降重。
2 非金属轻型材料和工艺技术应用
传统上重卡外饰使用玻璃钢材料较多,而目前主流重卡外饰件以采用SMC模压工艺的居多。SMC产品以其良好的刚性、强度、可靠性在外饰件中占据了一席之地。
2.1 玻璃钢材料及工艺
UP+GF:UP为不饱和聚酯的国际通用缩写,GF为玻璃纤维的国际通用所写。
SMC:Sheet molding compound,片状模塑料,主要原料为GF(玻璃纤维)、UP(不饱和聚酯)、MD(填料)及各种助剂组成。
表1 各种纤维强度对比

2.1.1 SMC模压成型工艺介绍
将一副阴阳模安装在压力机上,将SMC片材在模腔中经过加热加压,使之固化定型。模压法可分为热压法、冷压法。
图1 SMC工艺导流罩生产模具

2.1.2玻璃钢优缺点和应用介绍
(1)材料优点
相比普通塑料材质具有强度高、刚性高、收缩率小、连接点结构设计简单等特点。
(2)材料缺点
生产过程粉尘污染大,后续需切边打磨,且材料难以回收,难降解,只能打成粉末填埋。密度较大自重大,模压产品通常密度在1.8-1.95g/cm3,相比金属件具有优势,相比热塑性塑料自重无优势。
(3)产品应用
材料在重卡外饰上主要应用在前面罩、上车踏步、保险杠、导流罩等外板件上,优势在于布置结构简单,通常不需要完整的骨架+蒙皮结构,自身刚度较好。
但随着材料技术和工艺的不断日新越益更新换代,其自重较大、材料难以回收、喷涂性能不佳等问题逐渐显现。逐渐出现了以热塑性材料为主的轻量化材料代替玻璃钢材料外饰件的趋势,并且新材料在外饰件中的占比逐年提高。
图2 玻璃钢导流罩制件

2.2 纤维增强热塑性塑料
2.2.1纤维增强热塑性塑料
以PP、PA、ABS等热塑性塑料作为机体,通过填充增强纤维等改性方法获得机械性能更高的新增强塑料。
目前在外饰产品上应用最多的是以PP、PA为基材,填充短玻纤或长玻纤进行增强,常用的有LFT-PP-GF30,PA6-GF30。
以长玻纤增强聚丙烯(以下简称LFT-PP-GF30)材料为例,其参数如下表:
表2 LFT-PP-GF30性能参数表

2.2.2 LFT-PP特性
产品由于玻纤保留长度长,在冲击强度、刚度、强度方面性能优异,力学曲线见图3:
图3 材料特性曲线图

相比普通短玻纤增强PP,其制件在变形控制方面较为优良,产品注塑后的变形较小,尺寸稳定,装配后间隙面差表现好。
图4 LFT-GF-PP产品和普通GF-PP产品

2.2.3产品应用
相比SMC产品,采用LFT-PP材料的产品密度可由1.8- 1.95g/cm3降至1.2-1.4 g/cm3,降重比例可达20-35%,同时此材料在刚强度方面性能较好。
在下图所示保险杠产品进行应用,外板由原来的金属+玻璃钢结构改为LFT-PP外板结构,同时骨架进行轻量化拓扑优化,实现总成降重10kg,外板降重贡献度80%。
图5 采用LFT-PP的保险杠外板

鉴于以上优良的降重性能,目前已在保险杠、翼子板、导流罩、前面罩扰流板和上车踏步等外饰系统上得到了广泛应用。
2.2.4设计难点及解决思路
长玻纤增强聚丙烯在外饰件应用上目前较为成熟,但在应用过程中应注意其易变形和外表面缩印等特点。
在设计过程中产品结构应避免过于狭长,同时截面应具备翻边结构,减少平面结构的产生。同时在结构上喷漆件应减少加强筋的布置,如必须时需严格控制加强筋的厚度和拔模角等工艺参数,连接点结构根部应具有减瘦结构。
2.3 PHC蜂窝夹层材料
2.3.1蜂窝夹层技术
蜂窝夹层技术是将传统工业的蜂窝状或瓦楞状的芯材(纸质、铝、PP或泡沫),在芯材的上下两面各覆盖一层玻璃纤维毡,然后由聚氨酯喷涂系统浸润,并将此夹层结构放入模具中,在130-140摄氏度下直接模压成型的材料和工艺技术。(见下图6)
图6 蜂窝夹层板产品结构

蜂窝纸板结构内部为空心孔结构,自重较低,且等重下截面刚度较强,同时具备模具费用低,制造周期短等特点,以下以重卡车门装饰板示例,分析其优缺点。
表3 蜂窝夹层板和SMC对比

2.3.2设计难点及解决思路
综合上述分析,蜂窝夹层板材料在自重和整体截面刚度上具有优势,但在价格上较贵,故在产品应用时应结合产品定位和产品年量纲进行综合选择。
2.4 PDCPD聚双环戊二烯材料
PDCPD为双环戊二烯(DCPD)之均聚物或共聚物。为一种交联三维网状结构工程塑料。
图7 PDCPD分子结构图

PDCPD制品在生产中一般采用RIM工艺,基于高纯度的DCPD(≥98%)经过开环移位聚合反应(ROMP)制得,原料多为双组分体系(A、B液),其工艺过程为:
图8 PDCPD注射成型示意图

PDCPD是一种机械物理综合性能很好的新型工程材料,同时拥有高抗冲击强度、高热变形温度和很好的抗老化性能。制件工艺灵活、简单,特别适宜制成高强度、大面积的超薄制件。
表4 P-DCPD材料与常用材料理化性能对比表

2.4.1 PDCPD材料应用
在汽车工业,工程机械制造业、医疗和体育器材、石化管道及民用设施等领域展现了极为广阔的应用前景。尤其在美国卡特彼勒、特雷克斯、德国利勃海尔、瑞典沃尔沃、山特维克和日本建机、小松等著名公司对PDCPD工程塑料的研发与应用已有很多年。
图9 基于PDCPD材料的外饰件应用产品

2.4.2设计难点及解决思路
PDCPD材料整体弹性模量较低,在结构应用时多采用内外板结构或加强筋结构,同时进行充分的CAE强度、刚度论证。见下图:
图10 加强筋结构

图11 内外板结构

PDCPD材料性能较为优良,在降自重和表面喷涂性能方面具有一定优势。但目前由于原材料依赖进口,整体成本高于SMC产品和PP+GF产品。
图12 前面罩刚度分析

3 结构优化设计和集成化设计3.1 结构优化设计
车身轻量化系数,该参数最早由宝马公司提出,是指车身轻量化系数用来评价车身轻量化的技术水平。车身轻量化系数:
(1)
M是不包含翼子板的车体重量(kg),CT是车身静态扭转刚度(N·m/(o)),A是车身投影面积。
结构优化设计就是在给定的边界和约束条件下,按照多目标(重量最轻、成本最低、刚度最大)任务进行设计。
图13 多目标优化思路

具体到外饰件结构,可分为以下两类:
3.1.1塑料外板件的轻量化结构设计
塑料外板件的结构设计一般是在给定造型面、DTS定义、周边环境的输入后,按照选定工艺和材料、确定零件料厚、安装点布置、加强筋布置的顺序进行方案和细节结构设计,见图14。
图14 外板类零件轻量化结构设计流程图

合理的轻量化结构设计主要关注的是料厚做到最薄、重量做到最轻、安装点布置到最合理、产品的强度和刚度满足设计和使用要求。
3.1.2固定支架类的轻量化结构设计
固定支架类的轻量化设计主要从零件的材料适应性设计、拓扑优化、尺寸优化、形状优化四方面设计。
(1)材料适应性设计
通常外饰件固定支架以钣金支架、管类支架和铸钢件为主,随着轻量化需求的不断深入,以铝代钢、以塑代铁的趋势越来越普及。
材料的变更必然带来结构的变化,铝和塑料的强度相应的弱于钢和铁,结构需要进行增强,同时不同材料的工艺也具备差异性。
(2)拓扑优化
零部件的拓扑优化(topology optimization)是一种根据给定的负载、约束和性能指标,对零部件的材料分布进行优化的数学方法。
拓扑优化可以采用壳单元或实体单元来定义设计空间,并用均匀化法、变密度法、渐进结构优化法等方法定义材料的流动规律。
(3)形状优化
形状优化是指在满足约束条件的边界中求出最佳几何外形,是材料最省或应力最低。
在钣金类零件中,寻找最优的加强筋分布方法,在减重的同时满足刚度、强度和模态的要求。如翼子板支架连接板的设计、上车踏板固定支架板的设计、保险杠内板的设计、侧导流罩支架的设计,都需要典型的形状优化来达到轻量化的目的。
(4)尺寸优化
尺寸优化是指对零部件的截面尺寸进行优化设计,在降低重量的同时,达到使用性能和力学参数不改变的目的。
针对悬臂类固定支架,其截面往往对系统的刚度和模态有重大影响,因此针对截面尺寸的优化尤为关键。分析结果见下图15。
图15 针对某零件的尺寸优化分析

3.2 集成化设计
外饰件的集成化设计分系统内和系统外集成设计。
系统内集成设计是指在当前系统内起固定支撑类的零部件进行合并集成化设计,一个零件上集成多个安装点或固定点。
图16 上车踏步集成翻转油泵操纵

图17 后视镜集成电器摄像头

系统外集成设计是指跨系统的集成化设计,如上车踏板底盘部分支架上集成了翻转油泵(见图16),后视镜底座集成了电器系统摄像头的设计(见图17)。
整车的前端附件目前采用的集成化的设计形式,不仅集成了前横梁,前脱钩和前方钻支座,同时集成了保险杠的安装支座,部分车型甚至集成了一级上车踏步的连接点。
集成化的设计带来的优点是整车或系统的布置更加紧凑和合理,零部件的布置空间和走向更为合理。缺点是在一个系统发生变更后往往被集成的系统需要被动的变更,增加了产品或零部件的品种。各系统在后续开发或产品拓展过程中需紧密配合以保证对接无误。
4 结论
以上为笔者在多年从事外饰件轻量化实践过程中的一些总结和积累,与行业内同行设计人员分享和共勉。重卡外饰件的轻量化工作任重而道远,探索之路上需不断总结和前行。

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