汽車輕量化之內飾篇

趙志剛　劉立濤　劉宏萱

摘 要：新能源汽車的迅猛發(fā)展，受到了人們的廣泛關注。汽車內飾的輕量化可以降低車體重量，從而提高汽車的動力性，減少燃料的消耗。本文主要對新能源汽車的內飾進行研究，主要從結構輕量化設計，輕量化材料及輕量化加工工藝等方面展開了介紹，并總結了汽車內飾輕量化技術的特點。

關鍵詞：輕量化;內飾;汽車

1 概述

隨著人們對環(huán)境的越來越重視，環(huán)保要求越來越嚴苛，新能源汽車的發(fā)展受到了廣大科研工作者的關注。汽車輕量化的前提是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，最大限度的降低整車質量。研究表明，汽車質量減少100kg，每一百公里可節(jié)省燃油0.3L，可減少CO2排放8～11kg。因此，對汽車進行輕量化的發(fā)展有著非常重要的意義。目前，汽車輕量化設計中，主要是從結構優(yōu)化、先進的輕量化制造技術及材料替換三個方面進行研究。結構優(yōu)化主要分為三個方面，尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化及拓撲優(yōu)化。先進的輕量化制造技術是減少材料成型工序。輕量化材料是目前最主要降低車身重量的方法，采用全鋁車身，重量可以減輕50%。進一步降低車身重量，最佳的候選材料是纖維增強材料，其具有耐腐蝕性、耐沖擊性、隔音效果好等優(yōu)勢。

在新能源汽車的快速發(fā)展下，輕量化的設計已經(jīng)在多款車型上有所展現(xiàn)。汽車車身內飾件大體可分為儀表板和副儀表板、地板護面、側圍護面、車門內飾、頂棚、后圍護面、行李箱護面、座椅、立柱飾板等幾大部分組成。本文主要介紹車門內飾板、立柱飾板及頂棚的輕量化技術，從結構、制造技術及材料方面來研究內飾件的發(fā)展趨勢。

2 內飾件結構輕量化設計

輕量化結構設計主要有五類構造，分別是（1）差動構造;（2）整體構造;（3）集成構造;（4）復合構造;（5）實壁體與殼體。輕量化結構設計要根據(jù)所設計的零件及其功能，來選擇合適的構造方式。

2.1 車門內飾輕量化結構設計

門護板總成由結構件、功能件、裝飾件等三大部分組成，設計要考慮功能件與結構件的組合——集成構造。

2.1.1 緊固件位置的優(yōu)化

優(yōu)化模式是尺寸優(yōu)化，結構元素信息包括了殼厚度，梁橫截面屬性，彈簧剛度，質量，通過Altair有限元軟件優(yōu)化。目標函數(shù)是最大一階振動頻率（1stmodefrequency），設計變量是緊固件位置。約束條件是1階振動頻率大于90赫茲，最大熱位移小于5.2毫米。把相關參數(shù)輸入Altair有限軟件優(yōu)化模擬后，可以得出緊固件的布局及緊固件的尺寸大小。

2.1.2 優(yōu)化凸緣筋的布局

通過拓撲優(yōu)化的方法，實現(xiàn)結構的形狀與材料分布的合理優(yōu)化，通過Altair有限元軟件。目標函數(shù)是最小凸緣面積的質量，設計變量是凸緣的厚度。把相關參數(shù)輸入Altair有限元軟件優(yōu)化模擬后，可以對凸緣筋進行拓撲優(yōu)化。

2.2 立柱飾板輕量化結構設計

立柱飾板輕量化結構設計一般采用整體構造，整體（一體化）原理是將單一結構件的數(shù)量減少到最低，這通常以一件式的方式實現(xiàn)。如今，整體構造原理得到了進一步的發(fā)展，即通過造型實現(xiàn)多種功能（孔，軸頸等）的一體化。從實現(xiàn)最小重量來說，整體構造是合適的方法。整體構造是采用同樣的材料，zhang研究了苧麻纖維增強復合材料通過整體成型技術（integral molding technology）制備了B立柱飾板，降低了重量，且試驗測試其最大承載重量為24.1N/g。

2.3 頂棚輕量化結構設計

頂棚輕量化結構設計常常采用復合構造，及三明治式結構。Borazjani[12]采用三明治式結構設計了頂棚系統(tǒng)，碳/環(huán)氧復合面板材料和高密度發(fā)泡聚丙烯泡沫層心，面板厚度可到0.6mm，泡沫芯層密度為70Kg/m3，相比鋼制部件，其重量僅為其的68%。

3 輕量化加工工藝

3.1 塑料加工

3.1.1 注塑壓縮成型

注塑壓縮成型是將注塑成型和壓縮成型兩種形式結合在一起的一種先進的注塑成型技術。當模具未完全閉合時，將其注入熔體中，然后將熔體在均勻的壓縮力或均勻的壓力保護下擠壓到模具腔中。注塑壓縮成型技術比注射成型技術具有更小的夾緊力和注塑壓力，以減少塑件的內應力。

壓制工藝主要用于生產(chǎn)纖維增強塑料部件。生產(chǎn)部件時可以使用機械壓力或液壓壓力，以及兩件或者多件組成的模具。為了縮短周期，通常在模具之外對材料進行預熱，預熱方式有高頻預熱，微波預熱，紅外預熱，爐具加熱或摩擦生熱。在螺桿機組中，模塑材料與注塑成型時的相同，并在旋轉螺桿的作用下被塑化，然后由作為活塞用的螺桿送入壓模。

3.1.2 微發(fā)泡工藝

門飾板微發(fā)泡工藝包括物理發(fā)泡和化學發(fā)泡。相比其他減重方案，微發(fā)泡減重效果最為明顯，筋壁厚比可達1：1，不易發(fā)生翹曲縮痕，產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好。

物理發(fā)泡為將氮氣或者二氧化碳，與熔融狀態(tài)的塑料均勻混合后，注入模具成型的過程，其減重約8-12%。物理發(fā)泡過程需額外投入發(fā)泡設備，且產(chǎn)品不能作為外觀件?；瘜W發(fā)泡是以化學發(fā)泡劑為氣源，得到產(chǎn)品內部呈氣孔結構、表面呈韌結皮狀的塑料制件，其減重約20-30%，但是產(chǎn)品模具成本高。

3.1.3 擠壓注塑成型

擠出主要用于聚合物熔體的輸出和混合，以及著色和脫氣，主要利用旋轉螺桿的作用，根據(jù)數(shù)量，只帶一個螺桿的簡單結構的機器占主導地位。將聚合物熔體加工成型為半成品（如板、薄膜、型材、外殼或涂層），是利用一個法蘭安裝在擠出機上的模具經(jīng)過適當?shù)暮罄m(xù)處理來實現(xiàn)的。擠出生產(chǎn)線的核心部件是擠出機。最常見的類型是單螺桿擠出機和雙螺桿擠出機。單螺桿擠出機的特征是結構形式簡單，幾乎是唯一作為塑化擠出機使用的擠出機。雙螺桿擠出機有兩個同向或反向旋轉的螺桿，主要用于混合，即用于摻入添加劑、著色劑、填料或增強材料。

此外，還有許多特殊結構類型，如環(huán)形擠出機，行星輥擠出機，柱塞式擠出機，捏合機，銷釘式擠出機等。

3.2 纖維增強塑料的加工

短纖維增強、長纖維增強和連續(xù)纖維增強這些概念的方式往往各不相同。除了生產(chǎn)和加工之外，基于所用的基質，纖維的類型以及在部件中所能達到的纖維長度，所涉及的纖維復合材料還有技術上的區(qū)別。然而，在使用長纖維增強材料時，部件中的纖維長度分布取決于工藝參數(shù)和幾何邊緣條件。沖擊擠壓工藝的目標是生產(chǎn)準各向同性的部件。在此類部件中，根據(jù)纖維長度分布和模具填充過程，會產(chǎn)生流動引起的各向異性。

采用天然麻纖維添加輔材，通過熱壓和模內注塑一次成型門飾板，具有質量輕，韌性強及環(huán)保等優(yōu)勢。麻纖維注塑門飾板材料選用麻纖維+PP，采用模壓或模壓注塑混合成型。主要優(yōu)點為NVH性能好、安全、舒適、環(huán)保。但是麻纖維材料成本高，且麻纖維成型后表面必須增加包覆PVC表皮，導致產(chǎn)品成本較普通PP材料上升170-200%。BMW集團已經(jīng)使用10000公噸的自然纖維生產(chǎn)汽車零件，漢麻纖維含量的增加，可以提高零件的拉伸性和抗彎曲性。寶馬7系-S車上使用了24Kg的自然纖維材料，F(xiàn)ord使用紅麻纖維材料在Mondeo車的門護板上。劍麻纖維材料擁有很好的拉伸性能，且具備良好的耐酸、耐堿、耐鹽水等特性，BMW集團已在多款車型上使用了劍麻纖維材料。Mercedes Benz內飾門板采用了亞麻/劍麻增強環(huán)氧樹脂復合材料，重量減輕了20%。

納米纖維素（CNCs）已經(jīng)廣泛應用于是各行各業(yè)，一般通過酸水解法制備，原材料來源于木材、棉花等。該材料具有許多優(yōu)異的性能，如表面積大、抗拉強度高、剛度大、優(yōu)異的膠體穩(wěn)定性等。汽車行業(yè)，納米纖維素增強聚合物復合材料能顯著降低車身重量，Daimler，F(xiàn)iat，General Motors，BMW，Toyota和Volkswagen都使用了CNCs增強復合材料。

4 總結

綜上所述，汽車內飾輕量化設計旨在通過減輕汽車的整體質量，來達到降低能耗的效果，滿足現(xiàn)代社會環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的理念和社會要求。內飾件的發(fā)展有以下幾個特點：

1.結構設計方面，車門內飾件通過合理布置緊固件的位置和凸緣筋的位置及尺寸，可以增強其剛度，提高耐撞性。立柱飾板采用整體成型技術，可以減少加工工序。頂棚采用復合構造，既能減輕重量，又不會降低剛度;

2.天然纖維復合材料在內飾領域應用廣泛，且也能滿足安全性能要求。特別是麻纖維在汽車內飾上的應用，抗拉強度、抗彎性能及拉伸強度都有提高;

3.輕量化加工工藝目的是減少成型工序。針對材料的特性，選擇合適的加工方法至關重要。

參考文獻：

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