汽車副儀表板本體總成的生命周期評(píng)價(jià)

張雷+徐國(guó)浩+張偉偉++張城++魏長(zhǎng)慶

摘 要：為了支持汽車整車及其關(guān)鍵零部件的綠色設(shè)計(jì)研發(fā)，以提高汽車產(chǎn)品的環(huán)境友好性、可再生利用性為目的，本文針對(duì)主要材料為改性PP聚丙烯（Polypropylene，PP）聚丙烯）的兩款汽車副儀表板進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）對(duì)比分析，采用GaBi 4 軟件對(duì)生產(chǎn)制造過程中的物料消耗、能源消耗以及對(duì)外排放進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并利用CML2001方法評(píng)價(jià)了生產(chǎn)制造及回收過程中的環(huán)境影響。對(duì)比分析結(jié)果表明：，A型汽車副儀表板較B型來說，在生產(chǎn)回收過程中，能耗、環(huán)境酸化和溫室效應(yīng)影響較嚴(yán)重，故優(yōu)化現(xiàn)有的原材料制備工藝與成分含量，改良汽車副儀表板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是減少環(huán)境影響的有效途徑。

關(guān)鍵詞：生命周期評(píng)價(jià)；GaBi 軟件；汽車副儀表板；改性聚丙烯PP材料；酸化

中圖分類號(hào)：TH145.4；；U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Life Cycle Assessment of Vice Dashboard Assembly of Automobile

Zhang Lei1，Xu Guohao1，Zhang Weiwei1，Zhang Cheng1，Wei Changqing2

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， ，Hefei University of Technology， ，Hefei 230009， ，Anhui，China；

2. Chery Automobile Co.，Ltd， ，Wuhu 241000，，Anhui， China）

Abstract：In order to support the green design and development of automobile and its key components，to improve the environmental friendliness and renewable of automotive products， this paper is about LCA analysis of the vice dashboard of automobile made of the modified PP （polypropylene）， using GaBi 4 software to make statistical analysis of material consumption， energy consumption and external emissions in the manufacturing process， and taking advantage of the CML2001 method to evaluate the environmental impact in manufacturing and recycling processes. The results show that： Compared with the vice dashboard of automobile of type B， in manufacturing and recycling processes of vice dashboard assembly of automobile of type A， the effects of energy consumption environmental acidification and Greenhouse are more serious， its the effective ways to reduce effects that optimizing the existing preparation technology of materials and improving the structural design of a vice dashboard assembly of automobile.

Key words：life cycle assessment （LCA）； GaBi software； vice dashboard of automobile； modified Polypropylene PP； acidification

0. 引 言

在我國(guó)，汽車工業(yè)是的能源和資源消耗較多，污染物排放也比較嚴(yán)重的部門之一。面對(duì)汽車產(chǎn)量和保有量的高速增長(zhǎng)，我們不得不關(guān)注汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展所必須面臨的生態(tài)環(huán)境問題[1]。雖然新型材料零部件的應(yīng)用使汽車在行駛過程中的油耗降低，在一定程度上節(jié)約了能源和也減少了環(huán)境污染，但其原材料獲取和加工制造階段的能耗和污染物排放量將大于對(duì)傳統(tǒng)材料的獲取和制造[2]。所以對(duì)汽車關(guān)鍵零部件進(jìn)行生命周期分析，是改良汽車材料，提高汽車性能，減輕環(huán)境污染的重要依據(jù)，也是實(shí)現(xiàn)生命周期評(píng)價(jià)方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段應(yīng)用的有效途徑。

1. 改性聚丙烯材料

改性聚丙烯（PP）作為轎車副儀表板的材料，具有熔體流動(dòng)性能好、注塑質(zhì)量高、力學(xué)性能好、尺寸穩(wěn)定性好、耐熱等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，特別是具有更好的強(qiáng)度、剛性和裝飾性，對(duì)提高汽車性能、和質(zhì)量、，保障汽車使用安全和車身輕量化等都有著積極的意義[3]。近年來，將普通聚丙烯經(jīng)過填充、增強(qiáng)、共混改性再作為原料制作汽車、電器、儀表等工業(yè)配套零部件也已成為其重要的應(yīng)用領(lǐng)域。例如使用共聚聚丙烯或經(jīng)過改性的聚丙烯可制作汽車保險(xiǎn)杠、儀表板、方向盤、蓄電池外殼、支架、擋泥板、曲柄、止動(dòng)器、風(fēng)扇葉片、空調(diào)罩殼等[4]，但是常用的改性PP聚丙烯（PP+EPDM）多含有橡膠等材料，橡膠材料的制備多采用硫化的方式，這難免造成生產(chǎn)的過程中放出過多的SO2氣體，造成環(huán)境的酸化污染。

2. 副儀表板總成的生命周期評(píng)價(jià)

2.1. 生命周期評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)（ Life Cycle Assessment LCA ）是一種評(píng)價(jià)產(chǎn)品、工藝過程或活動(dòng)從原材料的采集和加工到生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售、使用、回收、養(yǎng)護(hù)、循環(huán)利用和最終處理整個(gè)生命周期系統(tǒng)有關(guān)的環(huán)境負(fù)荷的過程[5]。ISO 對(duì)LCA 的定義是：：匯總和評(píng)估一個(gè)產(chǎn)品（或服務(wù)）體系在其整個(gè)生命周期間的所有投入及產(chǎn)出對(duì)環(huán)境造成潛在影響的方法[6]。一個(gè)完整的生命周期評(píng)價(jià)LCA包括4個(gè)組成部分： ：目標(biāo)與范圍的確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋[7]。

（1）目標(biāo)與范圍定義

該階段是對(duì)LCA研究的目標(biāo)和范圍進(jìn)行界定，是LCA研究中的第一步，也是最關(guān)鍵的部分。

（2）清單分析

清單分析是對(duì)所研究系統(tǒng)中輸入和輸出數(shù)據(jù)建立清單的過程。清單分析主要包括數(shù)據(jù)的收集和計(jì)算，以此來量化產(chǎn)品系統(tǒng)中的相關(guān)輸入和輸出。

（3）影響評(píng)價(jià)

影響評(píng)價(jià)的目的是根據(jù)清單分析階段的結(jié)果對(duì)產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。這一過程將清單數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具體的影響類型和指標(biāo)參數(shù)，更便于認(rèn)識(shí)產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響。

（4）結(jié)果解釋

根據(jù)目的和范圍要求對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，分析產(chǎn)品生命周期中的重大問題，進(jìn)而形成結(jié)論和建議[8]。

2.2. 汽車副儀表板總成

汽車副儀表板總成是指位于駕駛座旁邊的用于安裝手剎制動(dòng)和換檔換擋桿等部件的儀表板，，包括副儀表板 、煙灰缸內(nèi)外殼、電子按鈕板、橡膠墊及彈簧卡子等配件，，這些部件大部分為塑料件[9]。隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，，對(duì)副儀表板總成件的質(zhì)量要求也越來越高，PP改性材料以其良好的加工性能、沖擊性能以及密度小等優(yōu)點(diǎn)在汽車副儀表板制造中用量較大[10]。

2.3. 目標(biāo)與范圍的確定

本文選用本體材料為PP+EPDM-T20和GMT（PP+GF）的某兩款汽車副儀表板總成作為研究對(duì)象，目的是通過對(duì)這該兩款車型副儀表板總成的LCA生命周期評(píng)價(jià)，分析副儀表板總成生命周期階段的能源和環(huán)境影響，為車企產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員選用產(chǎn)品材料和改進(jìn)車型零部件結(jié)構(gòu)提供參考依據(jù)。

汽車副儀表板總成的整個(gè)生命周期過程如圖1所示。根據(jù)研究目的確定研究范圍，其重點(diǎn)是原材料，以及產(chǎn)品生產(chǎn)制造、使用和回收處理的全過程。與其他它各階段相比，銷售和運(yùn)輸階段對(duì)環(huán)境的影響較小，故本文可對(duì)其忽略不計(jì)。因此，把汽車副儀表板總成的整個(gè)生命周期過程分為原材料獲取、加工制造、使用和回收處理4個(gè)階段。

圖1 副儀表板總成的生命周期過程

某兩款車型的不同材料副儀表板總成的主要參數(shù)見表1，表中的數(shù)據(jù)來源于某汽車廠。生命周期評(píng)價(jià)LCA的功能單位確定為單件汽車副儀表板總成的產(chǎn)品質(zhì)量（（kg））。

表1 某兩款汽車副儀表板總成的主要參數(shù)

參數(shù) A款車型副儀表板本體總成 B款車型副儀表板本體總成

單件副儀表板本體總成質(zhì)量/kg 2.228 2.562

主要成分 PP+EPDM PP+GF

生產(chǎn)工藝 注塑成型 沖壓成型

結(jié)構(gòu)特征 上下本體聯(lián)接造型 整體造型

汽車壽命/a 15 15

回收方式 回收再成型 回收再成型

注： 汽車壽命按15 a行駛30 0000 km

用改性聚丙烯制造注塑成型儀表板的工藝過程為：原料干燥-注塑成型-修整-包裝[11]。

2.4. 清單分析

2.4.1. 原材料及其生產(chǎn)階段

由于生產(chǎn)的配方保密，因此本文只列出部分原材料數(shù)據(jù)。兩款車型副儀表板本體總成的主要零部件及其原材料清單如見表2和表3所示。副儀表板本體總成原材料提取階段的主要污染物排放和能耗見表4。

表2 A款車型單件副儀表板本體總成所需的原材料

所需材料名稱 材料質(zhì)量/kg 所含主要物質(zhì)名稱 物質(zhì)質(zhì)量/kg 備注

PP+EPDM-T20 1.805 填充熱塑性塑料

聚丙烯 1.173 3 含量比例65%

乙烯丙烯共聚物 0.180 5 含量比例10%

滑石粉 0.306 9 含量比例17%

ABS 0.169 非填充熱塑性塑料

丙烯晴/丁二烯/苯乙烯共聚物 0.152 1 含量比例90%

65Mn 0.09 低合金鋼

鐵 0.087 8 含量比例97.6%

電鍍鋅 0.035 鋅合金

鋅 0.034 8 含量比例99.4%

45CrNi 0.002 高合金鋼

鐵 0.001 9 含量比例96.5%

電鍍鋅鎳 0.002 鋅合金

鋅 0.001 9 含量比例92.8%

PE 0.016 非填充熱塑性塑料

聚乙烯 0.016 0 含量比例100%

45鋼 0.001 低合金鋼

鐵 0.0010 含量比例98.6%

EPDM 0.004 橡膠

乙烯丙烯共聚物 0.0018 含量比例45%

炭黑 0.0010 含量比例25%

注：PP-聚丙烯，EPDM-三元乙丙橡膠，T-滑石粉。，ABS-丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯。，PE-聚乙烯。

表3 B款車型單件副儀表板本體總成所需的原材料

所需材料名稱 材料質(zhì)量/kg 所含主要物質(zhì)名稱 物質(zhì)質(zhì)量/kg 備注

PP+GF 2.014 玻璃鋼

聚丙烯 1.409 8 含量比例70%

玻璃纖維 0.604 2 含量比例30%

ABS 0.465 非填充熱塑性塑料

丙烯晴/丁二烯/苯乙烯共聚物 0.418 5 含量比例90%

70G30HSLR 0.09 填充熱塑性塑料

尼龍 0.061 2 含量比例68%

玻璃纖維 0.026 1 含量比例29%

金屬鋅 0.0008 鋅合金

鋅 0.000 8 含量比例99.4%

POM 0.0042 非填充熱塑性塑料

多聚甲醛 0.004 1 含量比例98%

聚氨酯 0.01 非填充熱塑性塑料

二氧化鈦 0.006 0 含量比例60%

聚氨酯 0.003 9 含量比例39%

SWRCH18A 0.0285 低合金鋼

鐵 0.028 1 含量比例98.5%

EPDM 0.011 橡膠

乙烯丙烯共聚物 0.004 9 含量比例45%

炭黑 0.002 7 含量比例25%

注：POM-聚甲醛。，70G30HSLR-尼龍樹脂。，ABS-丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯。，SWRCH18A –冷鐓鋼。

表4 副儀表板本體總成原材料提取階段主要污染物排放和能耗 （單位：kg）

污染物與能耗 PP+EPDM材料提取階段 PP+GF材料提取階段

能耗/MJ 322.669 149.927

污染物 CO2 2.450 CO2 1.147

CO 8.37×10-4 CO 1.76×10-4

SO2 3.64×10-3 SO2 1.18×10-4

NO 2.77 E-11 NO 6.65 E-12

注：數(shù)據(jù)來源于GaBi4軟件數(shù)據(jù)庫。

2.4.2. 汽車副儀表板總成制造階段

A款汽車副儀表板本體總成主要是上下兩塊副儀表板組成，如見表5所示，其主要材料為聚丙烯（PP）作為基體，混有橡膠（EPDM）增韌劑和礦物粉填料。其主體部件的主要生產(chǎn)主要工藝采用注塑成型，將干燥后的塑料粒子在注塑機(jī)中通過螺桿剪切和料桶加熱熔融后注入模具中冷卻成型，。工藝流程為：：注塑（儀表板本體等零件）→ 焊接（主要零件）→ 裝配（相關(guān)零件）[12]。而B款汽車副儀表板本體總成則是整體沖壓造型，所含結(jié)構(gòu)如見表6所示，其主要材料為聚丙烯（PP）作為基體，并混有玻璃纖維（GF）。其工藝制造流程為：將玻璃纖維氈和PP片材疊合后，經(jīng)加熱、加壓、浸漬、冷卻定型和切斷等工序制成GMT片材，然后采用沖壓成型工藝，按樣板將GMT片料下料，加熱到一定溫度裝模，快速合模加壓，經(jīng)冷卻、脫模、切邊和修整得到GMT制品。運(yùn)用GaBi4軟件對(duì)汽車副儀表板本體總成生產(chǎn)過程進(jìn)行建模，如圖2所示。

圖2 汽車副儀表板本體總成生產(chǎn)過程的GaBi4軟件模型

由于汽車副儀表板本體總成零部件數(shù)量太多，本文主要考慮主要零部件機(jī)加工過程中的耗電量，具體數(shù)據(jù)如見表5和表6所示。

表5 A型副儀表板本體總成關(guān)鍵零部件加工制造階段所需能耗

零件 材料 重量/kg 數(shù)量 能耗/MJ

副儀表板上本體 PP+EPDM-T20 0.583 1 1.024 214

副儀表板下本體 PP+EPDM-T20 1.040 1 1.827 072

副儀表板前擋板 ABS 0.120 1 0.186 408

墊塊 PE 0.004 4 0.007 236

杯托總成 ABS/PP+EPDM-T20 0.1 1 0.162 472

電話儲(chǔ)藏室總成 ABS/PP+EPDM-T20 0.138 1 0.223 561

表6 B型副儀表板本體總成關(guān)鍵零部件加工制造階段所需能耗

零件 材料 重量/kg 數(shù)量 能耗/MJ

副儀表板本體 PP+GF 1.208 1 3.408 521

鉸鏈銷 70G30HSLR 0.013 1 0.031 485

扶手箱包覆骨架 ABS 0.225 1 0.349 515

杯托總成 ABS/PP+GF 0.21 1 0.592 441

儲(chǔ)物盒 ABS/PP+GF 0.44 1 1.231 492

2.4.3. 汽車副儀表板總成使用階段

副儀表板總成在汽車使用壽命期間一般不會(huì)出現(xiàn)中途更換的情況。由于副儀表板總成在使用過程中不產(chǎn)生負(fù)面的環(huán)境影響，本文暫且忽略該階段的環(huán)境影響。

2.4.4. 汽車副儀表板總成回收階段

由于汽車產(chǎn)量和用量的急速增長(zhǎng)，報(bào)廢汽車典型塑料零部件的回收利用對(duì)資源與環(huán)境的影響已日益凸顯。廢舊汽車最理想的回收方式就是原零件重用或再制造，再制造就是將已經(jīng)損耗的產(chǎn)品重新恢復(fù)到既有利用價(jià)值又有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的狀態(tài)，是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的高級(jí)形式[13]。

儀表板因涉及種各種材料而成為汽車上較難回收的零件之一。PP類儀表板的回收再利用，一般采用將廢舊PP儀表板粉碎，添加由70%～92%的石蠟聚合物和8%～30%的無機(jī)填料組合的混合物，之后加熱熔融和捏煉，生產(chǎn)樹脂合成物，并將其用作生產(chǎn)新儀表板的基體[14]。單件汽車副儀表板總成粉碎過程消耗電能為0.068 kW·h，加熱熔融過程消耗電能1.50 kW·h。處理好廢舊汽車典型塑料零部件對(duì)利用再生資源、減少環(huán)境污染和改善人類生存環(huán)境具有非常重大的意義。

3. 環(huán)境影響評(píng)價(jià)

對(duì)兩款汽車副儀表板總成進(jìn)行全生命周期分析后，選取對(duì)環(huán)境影響較大的幾種污染物作為研究對(duì)象。表7列出了兩款副儀表板本體總成污染物排放量，圖3為兩款副儀表板本體總成污染物對(duì)比分析數(shù)據(jù)圖。結(jié)果數(shù)據(jù)顯示：A型汽車副儀表板總成較B型產(chǎn)生更多的污染物，其對(duì)環(huán)境的影響也比B型大。

表7 兩款副儀表板總成污染物排放量 （單位：kg）

主要污染物 A型副儀表板總成 B型副儀表板總成

CO2 80.357 89 38.306 860

CO 1.931 672 0.053 755

CH4 3.006 130 0.089 875

SO2 4.535 942 0.343 631

NOx 6.283 110 0.223 391

圖3 兩款汽車副儀表板總成污染物對(duì)比數(shù)據(jù)圖

運(yùn)用LCA軟件GaBi4對(duì)兩款汽車副儀表板總成進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，可得到主要材料為改性PP的汽車副儀表板總成生命周期階段對(duì)能源與環(huán)境的影響評(píng)價(jià)結(jié)果。最終將其全生命周期環(huán)境影響按照CML2001[CML2001 - Dec. 07，Western Europe（EU）]生命周期影響評(píng)價(jià)方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評(píng)估，結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩款汽車副儀表板總成的環(huán)境影響對(duì)比圖

由圖4可知，生產(chǎn)汽車副儀表板本體總成過程所產(chǎn)生的主要環(huán)境影響主要為溫室效應(yīng)與環(huán)境酸化，而原材料PP/EPDM較PP/GF對(duì)環(huán)境造成的影響更為明顯。其主要原因?yàn)檫@主要是因?yàn)镻P/EPDM材料的生產(chǎn)主要采用動(dòng)態(tài)硫化的方法[15]，在制備過程中能耗較大并附帶會(huì)產(chǎn)生大量SO2氣體。

4. 結(jié)束語結(jié)論

一.（1）汽車零部件原材料的制備、生產(chǎn)制造、使用和回收過程都對(duì)環(huán)境有影響， 需進(jìn)行全生命周期分析才能做出全面合理的評(píng)價(jià)。

二.（2）由汽車副儀表板總成生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，溫室效應(yīng)和酸化的環(huán)境影響較為顯著。

三.（3）GaBi軟件基于LCA方法對(duì)汽車副儀表板本體總成進(jìn)行生命周期分析，找出了其生命過程中對(duì)環(huán)境影響最大的階段和影響類型，從而為制定汽車零部件綠色生產(chǎn)方案做準(zhǔn)備。

四.（4）造成環(huán)境影響的原因主要是汽車副儀表板生產(chǎn)工藝過程中原材料的獲取及生產(chǎn)造成的。因此，要降低環(huán)境影響可以改進(jìn)其PP/EPDM材料的生產(chǎn)工藝、，調(diào)整改性PP材料的成分含量、，使用PP/GF材料替代，提高生產(chǎn)效率，提高能源的利用效率。

五.（5）由A型副儀表板本體總成與B型結(jié)構(gòu)特征比較可知，對(duì)汽車生產(chǎn)制造商而言，可以優(yōu)化副儀表板總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)注塑模具，將副儀表板上下本體融合，形成整體副儀表板本體，以減少主體材料與連接緊固件的使用量，達(dá)到汽車副儀表板設(shè)計(jì)集安全性、綠色性、舒適性與輕量化于一身的目的。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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作者簡(jiǎn)介：

責(zé)任作者：張 雷（1978-），男，，安徽合肥人，。博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與制造。

Tel：13956088853

E-mail：zhlei@hfut.edu.cn

通訊作者：徐國(guó)浩（1988-），，男，， 山東煙臺(tái)人，。碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化。

Tel：13696508198

E-mail：guohaodaxia.student@sina.com

通訊地址：安徽省合肥市合肥工業(yè)大學(xué)屯溪路124信箱