PMMA材料在車身輕量化方面的應(yīng)用

高云凱邱 娜欒大齊徐 航趙 勇

（1.同濟(jì)大學(xué)；2.贏創(chuàng)德固賽（中國(guó)）投資有限公司；3.上海汽車股份有限公司乘用車分公司）

1 前言

節(jié)能、環(huán)保、安全是未來(lái)汽車發(fā)展的主題，而汽車輕量化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目的的主要途徑，其中車身輕量化更是提高汽車動(dòng)力性、降低油耗、節(jié)約材耗的關(guān)鍵[1]。車身輕量化與使用材料密切相關(guān)，如鎂合金等金屬結(jié)構(gòu)材料[2]、塑料及其復(fù)合材料在輕量化中起到了重要作用。采用塑料及其復(fù)合材料可減輕汽車零部件約40%的質(zhì)量，可降低成本40%，因此開發(fā)塑料和復(fù)合新材料是車身輕量化發(fā)展的趨勢(shì)。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）具有質(zhì)量輕、光學(xué)性能優(yōu)良、耐候性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于車身各部件上。

PMMA俗稱亞克力或有機(jī)玻璃，是一種可回收的熱塑性工程塑料。本文介紹了PMMA塑料在汽車尾燈燈罩、內(nèi)外飾、固定窗、外裝遮陽(yáng)罩、保險(xiǎn)杠等方面的應(yīng)用，并針對(duì)PMMA塑料在車門側(cè)窗玻璃上的應(yīng)用，從材料和產(chǎn)品性能兩方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究和仿真分析。

2 PMMA塑料在車身輕量化上的應(yīng)用

2.1 在尾燈燈罩上的應(yīng)用

由于PMMA塑料具有優(yōu)良的光學(xué)性能和耐候性[3]，同時(shí)質(zhì)量輕、易于著色，因此汽車尾燈燈罩一般由PMMA塑料制成，這樣既減輕了車身質(zhì)量，又美化了車身外觀。

2.2 在內(nèi)、外飾上的應(yīng)用

由于PMMA塑料比一般塑料的光澤度高、表面硬度高，在熱塑性材料中抗刮擦能力強(qiáng)，因此PMMA塑料廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)、外飾上，如汽車標(biāo)牌、車門擋雨板、車窗隔板、反光鏡外蓋和車頂導(dǎo)板等外飾件以及高光澤裝飾蓋等內(nèi)飾件。

2.3 在固定窗上的應(yīng)用

由PMMA塑料制成的固定窗具有抗紫外線輻射、抗老化風(fēng)化等特點(diǎn)，目前已應(yīng)用于長(zhǎng)安奔奔車型的固定三角窗上。

2.4 在外裝遮陽(yáng)罩上的應(yīng)用

利用PMMA塑料優(yōu)良的光學(xué)性能制成的外裝遮陽(yáng)罩[4]，既遮陽(yáng)又透光，還能徹底濾掉有害紫外線，同時(shí)可保證前方視野清晰。

2.5 在汽車保險(xiǎn)杠上的應(yīng)用

多層復(fù)合塑料板材（ABS+PMMA）[5]可用于制造汽車后保險(xiǎn)杠[6]。該板材具有優(yōu)良的抗劃傷、抗沖擊、抗紫外線能力及抗退色能力且環(huán)保，因此非常適合汽車工業(yè)輕量化對(duì)板材的高質(zhì)量要求，同時(shí)可降低汽車零部件的制造成本。

2.6 其它應(yīng)用

除上述已成熟的應(yīng)用外，為了對(duì)PMMA塑料在未來(lái)汽車應(yīng)用領(lǐng)域開展可行性研究提供參考，PMMA塑料開始用于正在試制的賽車和概念車上。如贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)將PMMA塑料應(yīng)用于蓮花賽車前風(fēng)擋和側(cè)窗玻璃，使得乘客的視野清晰，同時(shí)耐輻射性能和抗老化風(fēng)化性能都有提高；通用汽車公司在2010年上海國(guó)際橡塑展上展出的一輛雙座電動(dòng)聯(lián)網(wǎng)概念車[7]的車身和頂棚即由PMMA等塑料加工而成，車身短小輕便。

3 PMMA側(cè)窗玻璃性能研究

雖然PMMA塑料已經(jīng)成熟應(yīng)用于汽車天窗和固定窗，但現(xiàn)階段將PMMA塑料應(yīng)用于車門移動(dòng)窗玻璃還較少，主要原因是車門玻璃耐磨性要求較高。為此，從材料性能和制品性能2個(gè)方面對(duì)PMMA塑料在汽車后門側(cè)窗玻璃上的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.1 材料性能

由于目前我國(guó)還沒有針對(duì)塑料車窗的法規(guī)，為此，參照ECE R43法規(guī)[8]對(duì)涂層PMMA玻璃片材、PMMA玻璃片材、不加涂層PC玻璃片材及無(wú)機(jī)玻璃片材分別進(jìn)行抗磨性試驗(yàn)、人頭模擬沖擊試驗(yàn)和抗沖擊試驗(yàn)，對(duì)比4種材料的力學(xué)性能。試驗(yàn)方法[8]見表1，抗磨性試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 試驗(yàn)方法

表2 抗磨性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，在人頭模擬沖擊試驗(yàn)和抗沖擊試驗(yàn)中，4種材料的試驗(yàn)結(jié)果都符合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。由表2可知，在抗磨性試驗(yàn)（4種材料各3塊樣件）中，PC玻璃片材外表面連續(xù)磨耗1000轉(zhuǎn)后的霧度大于2%，抗磨性不合格；PMMA玻璃片材、涂層的PMMA玻璃片材和無(wú)機(jī)玻璃片材外表面連續(xù)磨耗1000轉(zhuǎn)后的霧度均小于2%，PMMA玻璃片材和涂層PMMA玻璃片材內(nèi)表面連續(xù)磨耗100轉(zhuǎn)后的霧度均小于4%，均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而且加涂層PMMA與無(wú)機(jī)玻璃耐磨性相近，說(shuō)明加涂層PMMA玻璃符合汽車側(cè)窗玻璃對(duì)耐磨性的要求。

在同等條件下對(duì)PMMA、PC和無(wú)機(jī)玻璃3種材料的其它性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表3。由表3可知，與無(wú)機(jī)玻璃相比，PMMA的密度小，其理論減重50%，輕量化效果顯著；PMMA在易成型性、耐沖擊性等方面更具有優(yōu)勢(shì)，且抗磨性與無(wú)機(jī)玻璃相近；與PC玻璃相比，PMMA在抗磨性、耐候性、剛性等方面更具有優(yōu)勢(shì)。由此可知，PMMA綜合了無(wú)機(jī)玻璃和PC的優(yōu)點(diǎn)，是理想的玻璃材料。

表3 3種材料的性能對(duì)比結(jié)果

3.2 制品性能

以某A級(jí)車后門側(cè)窗玻璃為例，從PMMA玻璃的熱學(xué)性能、力學(xué)性能和聲學(xué)性能方面對(duì)其在移動(dòng)窗玻璃上的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)和仿真分析。

3.2.1 熱學(xué)性能

在溫度分別為-17.9℃、25℃、50℃的環(huán)境倉(cāng)內(nèi)對(duì)PMMA玻璃和無(wú)機(jī)玻璃進(jìn)行熱協(xié)調(diào)試驗(yàn)（圖1），研究經(jīng)過(guò)10000次升降后PMMA玻璃和無(wú)機(jī)玻璃的熱協(xié)調(diào)性能，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知，PMMA玻璃在不同溫度下升降電流變化不大，即平順性變化不大，表明PMMA玻璃的熱協(xié)調(diào)性比無(wú)機(jī)玻璃好。

表4 不同溫度下PMMA玻璃和無(wú)機(jī)玻璃熱協(xié)調(diào)性能對(duì)比結(jié)果

3.2.2 力學(xué)性能

考慮到PMMA玻璃剛度比無(wú)機(jī)玻璃小，在升降過(guò)程中可能存在與密封條、窗框產(chǎn)生偏差干涉問(wèn)題，因此從玻璃運(yùn)動(dòng)偏差、升降平順性、密封條變形、疲勞耐久性、密封條截面優(yōu)化等方面進(jìn)行分析。

3.2.2.1 玻璃運(yùn)動(dòng)偏差分析

選取玻璃上12行4列點(diǎn)（圖2），由三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)得玻璃運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與窗框的偏差[9]，結(jié)果如圖3所示。圖3中黑點(diǎn)表示玻璃上點(diǎn)的位置，線條長(zhǎng)短表示該點(diǎn)偏差值大小，由于無(wú)機(jī)玻璃線條比PMMA玻璃的線條長(zhǎng)，即PMMA玻璃的運(yùn)動(dòng)偏差小于無(wú)機(jī)玻璃。

3.2.2.2 升降平順性分析

通過(guò)測(cè)量玻璃的升降電流曲線來(lái)衡量玻璃的升降平順性[10]。由表4可知，常溫下經(jīng)10000次升降后PMMA玻璃的升降電流比無(wú)機(jī)玻璃的小很多，說(shuō)明PMMA玻璃比無(wú)機(jī)玻璃的平順性好，升降周期縮短，電流變化平緩。

3.2.2.3 疲勞耐久性分析

利用疲勞耐久試驗(yàn)機(jī) （圖4）分別對(duì)PMMA玻璃和無(wú)機(jī)玻璃進(jìn)行 3000、5000、10000次升降后再測(cè)量玻璃的運(yùn)動(dòng)偏差和升降電流，并觀察密封條狀態(tài)。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)10000次升降后，PMMA玻璃的運(yùn)動(dòng)偏差變化程度和升降電流變化程度均比無(wú)機(jī)玻璃小，性能較穩(wěn)定；而無(wú)機(jī)玻璃在3500次升降后開始出現(xiàn)異響，密封條局部嚴(yán)重磨耗。因此，PMMA玻璃比無(wú)機(jī)玻璃疲勞耐久性好。

3.2.2.4 密封條仿真與截面優(yōu)化

上述試驗(yàn)中選取的是與無(wú)機(jī)玻璃相配合的密封條，而PMMA玻璃在應(yīng)用過(guò)程中需要設(shè)計(jì)與其相配合的密封條截面形狀，因此通過(guò)對(duì)與PMMA玻璃相配合的密封條進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真 （圖5），研究了PMMA玻璃與密封條的干涉情況[11]，進(jìn)而設(shè)計(jì)與PMMA玻璃最匹配的密封條形狀。圖6為優(yōu)化前、后的密封條截面形狀，其中1、2、3、4表示密封條截面優(yōu)化部分?？芍?，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后密封條的應(yīng)力減小，玻璃運(yùn)動(dòng)對(duì)密封條磨耗降低。

3.2.3 聲學(xué)性能

對(duì)PMMA玻璃的聲學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證，分析在實(shí)際應(yīng)用中能否滿足汽車玻璃的聲學(xué)要求，以保證乘客的舒適性。

根據(jù) GB/T 19899.3（ISO140—3），在同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)所對(duì)PMMA玻璃和無(wú)機(jī)玻璃的隔聲性能進(jìn)行測(cè)試（圖7）。試驗(yàn)結(jié)果表明，PMMA玻璃的計(jì)權(quán)隔聲量Rw（C；Ctr）為 25.3（-1；-3）dB，而無(wú)機(jī)玻璃的為 26.8（-2；-4）dB。對(duì)比2種材料玻璃制品的隔聲量曲線（圖8）可知，PMMA玻璃在高頻段隔聲量稍有下降，但在人耳比較敏感的中低頻噪聲環(huán)境中，與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)玻璃隔聲性能相當(dāng)，因此對(duì)車內(nèi)噪聲影響較小。

此外，在全消聲室內(nèi)對(duì)PMMA玻璃和無(wú)機(jī)玻璃的輻射噪聲進(jìn)行測(cè)試（圖9）。測(cè)試方法是采用激振器對(duì)車門進(jìn)行激勵(lì)，在距車窗玻璃中心不同距離處，利用傳聲器測(cè)量因車門玻璃振動(dòng)而輻射噪聲值。對(duì)比PMMA玻璃與無(wú)機(jī)玻璃聲輻射曲線 （圖10）可知，在0.75 m的范圍內(nèi)，PMMA玻璃的A聲級(jí)比無(wú)機(jī)玻璃A聲級(jí)高約1～2 dB，表明在相同激勵(lì)下，PMMA玻璃比無(wú)機(jī)玻璃聲輻射能力要強(qiáng)，這與PMMA玻璃剛度小有很大關(guān)系?？蛇x擇硬度較小的的密封條材料來(lái)減緩由車門傳到側(cè)窗玻璃上的振動(dòng)，從而降低聲輻射；也可通過(guò)適當(dāng)增大PMMA玻璃厚度提高其剛度，以降低振動(dòng)幅度，從而減小輻射噪聲。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)PMMA塑料在汽車玻璃上的應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明，加涂層PMMA玻璃的耐磨性與無(wú)機(jī)玻璃相近，在輕量化、耐沖擊性等方面優(yōu)于無(wú)機(jī)玻璃；由PMMA塑料制成的玻璃破碎時(shí)不會(huì)產(chǎn)生尖銳碎片，使其安全性得到提高。

通過(guò)分析PMMA側(cè)窗玻璃的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和聲學(xué)性能可知，PMMA玻璃與窗框、密封條的協(xié)調(diào)性能比無(wú)機(jī)玻璃好，熱協(xié)調(diào)性能提高，且升降更平順，在基本保證性能的同時(shí)能夠有效地減輕車身質(zhì)量。

1 高云凱.汽車車身結(jié)構(gòu)分析.北京:北京理工大學(xué)出版社，2005.

2 高云凱，李彩玉，孫芳，等.基于變形鎂合金的座椅靠背骨架輕量化設(shè)計(jì).汽車技術(shù)，2010（4）:57～61.

3 宋義飛，李中斌，史榮波.非透明PMMA材料在汽車上的應(yīng)用.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì).安徽:汽車內(nèi)外飾產(chǎn)品及新材料國(guó)際研討會(huì)，2009:69～70.

4 李幫山.國(guó)外重型載貨車用非金屬材料.汽車工藝與材料，2005（1）:20～22.

5 肖俊恒.減振橡膠設(shè)計(jì)方法的研究.中國(guó)鐵道科學(xué)，2001（6）:111～116.

6 高斌，吳百中.基于新型免涂裝復(fù)合塑料板材的吸塑成型汽車零件技術(shù).輕工機(jī)械，2009，20（3）:84～90.

7 治明.通用EN-V微型電動(dòng)概念車.國(guó)外塑料2010，28（6）:65.

8 ECE R43，Uniform provisions concerning the approval of safety glazing materials and their installation on vehicles.

9 Qiu Na， Luan Daqi， Gao Yunkai.A Test Method for Auto?motive Door Glass Motion Deviation.Chinese Construction machinery society.ShangHai:Proceedings of 2011 Interna?tional Conference on Advances in Construction Machinery and Vehicle Engineering.2011:393～396.

10 Kaushlendra Singh，Experimental Assessment Of Door Window Glass Smooth Operation And Tracking，SAE1999-01-3161.

11 Makoto Kanamori， Yukio Isomura， Katsuhiro Suzuki， Dy?namic Finite Element Analysis of Window Regulator Link?age System Using LS-DYNA，SAE980308.