汽車(chē)塑料后尾門(mén)的輕量化研究

周超群 楊劍飛 李飛 王建彬

摘? 要：汽車(chē)后尾門(mén)是車(chē)身外觀造型的重要組成部分，傳統(tǒng)后尾門(mén)多為鈑金件，成型困難且重量較大，不利于汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)。采用重量較輕的高強(qiáng)度塑料，通過(guò)改善成型工藝、進(jìn)行集成化方案設(shè)計(jì)以及機(jī)構(gòu)優(yōu)化，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下實(shí)現(xiàn)以塑代鋼，可有效降低汽車(chē)后尾門(mén)重量。汽車(chē)后尾門(mén)輕量化研究對(duì)新時(shí)期節(jié)能減排和緩解能源危機(jī)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)后尾門(mén)? 塑料? 輕量化? 集成化

中圖分類(lèi)號(hào)：U465? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）10（a）-0074-03

Abstract： The rear door of the automobile is an important part of the appearance of the body. The traditional rear door is mostly made of sheet metal， which is difficult to form and has a large weight， which is not conducive to the lightweight design of the automobile. The use of light weight high-strength plastics， through improvement of the molding process， integrated scheme design and mechanism optimization， to achieve the replacement of steel under the conditions of structural strength， can effectively reduce the weight of the car's rear door. The lightweight research of automobile rear door is of great significance for energy saving， emission reduction and mitigation of energy crisis in the new period.

Key Words： The rear door of automobile; Plastic; Light weight; Integration

近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活品質(zhì)的提升，汽車(chē)作為耐用消費(fèi)品逐漸走近了千家萬(wàn)戶(hù)，我國(guó)的汽車(chē)生產(chǎn)和保有量處于世界前列。大量的汽車(chē)能耗和尾氣排放對(duì)環(huán)境保護(hù)造成了新的挑戰(zhàn)，汽車(chē)的重量是影響汽車(chē)能耗的關(guān)鍵指標(biāo)。因此，在安全條件下，適當(dāng)降低車(chē)身重量，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)是有效解決汽車(chē)能耗及排放，提高汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要途經(jīng)[1-2]。

汽車(chē)的后尾門(mén)部分涉及零部件較多，是汽車(chē)尾部外觀造型的重要組成，使用時(shí)頻繁開(kāi)啟，故對(duì)汽車(chē)尾門(mén)部分的設(shè)計(jì)要注重美觀和實(shí)用并重。傳統(tǒng)的汽車(chē)尾門(mén)材料多為鈑金制作，成型困難，且不利于汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)。因此，采用重量較輕的高強(qiáng)度塑料，實(shí)現(xiàn)“以塑代鋼”是后尾門(mén)輕量化研究的主要方向。

1? 汽車(chē)后尾門(mén)的結(jié)構(gòu)

汽車(chē)后尾門(mén)部分集成了后擋風(fēng)玻璃、尾門(mén)鎖、尾燈、倒車(chē)燈、倒車(chē)影像攝像頭、雷達(dá)傳感器、后雨刮器及電機(jī)、尾門(mén)線(xiàn)束組件、天線(xiàn)、擾流板、氣彈簧、緩沖塊、其他裝飾亮條等零部件。傳統(tǒng)汽車(chē)尾門(mén)由數(shù)十個(gè)鈑金沖壓件，通過(guò)夾具裝夾、點(diǎn)焊或激光焊接而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且重量較大。由高強(qiáng)度塑料代替鈑金制作汽車(chē)后尾門(mén)既可實(shí)現(xiàn)輕量化，又有效降低尾門(mén)焊接誤差及沖壓和累計(jì)誤差，還可適應(yīng)尾門(mén)造型的變化，提高設(shè)計(jì)自由度，提升汽車(chē)尾部的外觀質(zhì)量。目前，塑料后尾門(mén)已在多款車(chē)型中應(yīng)用。

2? 塑料后尾門(mén)的輕量化研究

隨著個(gè)性化需求的增加，對(duì)汽車(chē)后尾門(mén)結(jié)構(gòu)造型和安全環(huán)保需求提出了更高的要求。塑料后尾門(mén)材料從全熱固性塑料到全熱塑性塑料，經(jīng)歷了多次產(chǎn)品迭代，生產(chǎn)工藝不斷改進(jìn)。塑料尾門(mén)的成型工藝、集成化、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)和新型材料應(yīng)用等方面的技術(shù)將是塑料尾門(mén)重要的研究方向。

2.1 塑料后尾門(mén)成型工藝研究

塑料后尾門(mén)成型工藝是指產(chǎn)品的制造工藝，塑料成型工藝主要包括熱壓和注塑，塑料后尾門(mén)的成型工藝按時(shí)間發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)不同的階段，第一代產(chǎn)品為全熱固性的熱壓塑料尾門(mén)，第二代產(chǎn)品為熱固性的熱壓塑料內(nèi)板+熱塑性注塑塑料外板/擾流板塑料尾門(mén)，第三代產(chǎn)品為全熱塑性注塑塑料尾門(mén)[3-5]。經(jīng)過(guò)三代成型工藝的不斷完善，塑料后尾門(mén)成型工藝基本成熟，產(chǎn)品性能指標(biāo)與整車(chē)匹配性較好，且輕量化水平得到顯著提高[6-7]。圖1所示為第三代塑料后尾門(mén)主要結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)板、外板、擾流板三個(gè)主要的注塑塑料部件。

2.2 塑料后尾門(mén)的集成化研究

塑料后尾門(mén)集成化是指將塑料后尾門(mén)模塊進(jìn)行集成，各部件通過(guò)直接安裝在塑料后尾門(mén)上，形成一個(gè)整體部件。圖2所示即為集成化的塑料后尾門(mén)，其根據(jù)功能需求不同包括后擋風(fēng)玻璃、后雨刮、上外板、剎車(chē)燈、門(mén)把手、牌照燈、下外板、氣彈簧、尾燈、密封條、門(mén)鎖及其支架、線(xiàn)束管路、防碎線(xiàn)、門(mén)鉸鏈、雨刮電機(jī)、后背門(mén)內(nèi)護(hù)板組件等部件。通過(guò)把塑料后尾門(mén)模塊進(jìn)行集成化，有效利用汽車(chē)尾部空間，實(shí)現(xiàn)后尾門(mén)輕量化。

2.3 塑料后尾門(mén)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

塑料后尾門(mén)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)就是通過(guò)計(jì)算機(jī)CAE分析軟件對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和形狀進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)塑料尾門(mén)結(jié)構(gòu)的輕量化。目前，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)主要包括拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化是在需要優(yōu)化的設(shè)計(jì)空間下，達(dá)到不同的性能要求，滿(mǎn)足材料分布的最優(yōu)化的一種計(jì)算方法;形貌優(yōu)化是指對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)形狀以及其邊界的形狀分析優(yōu)化方法;尺寸優(yōu)化是指通過(guò)調(diào)整板件厚度以及梁結(jié)構(gòu)的截面尺寸等參數(shù)來(lái)改進(jìn)性能的優(yōu)化方法，此優(yōu)化過(guò)程并不改變結(jié)構(gòu)的拓?fù)渲g關(guān)系和拓?fù)浔旧淼男螤?。采用有限元技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，使產(chǎn)品的各性能指數(shù)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行有效的定量分析，可以大幅度縮減開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本，在汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用普遍[8-10]。

2.4 新型材料的應(yīng)用

塑料后尾門(mén)的材質(zhì)與其成型工藝密切相關(guān)，隨著成型工藝的不斷發(fā)展，其材質(zhì)也從早期的熱固性塑料，到熱固性塑料與熱塑性塑料相結(jié)合，再到全熱塑性塑料，構(gòu)成塑料尾門(mén)的發(fā)展進(jìn)程。其中，第一代產(chǎn)品熱固性塑料，采用SMC復(fù)合材料（玻璃鋼），優(yōu)點(diǎn)是外觀效果良好、剛度高、產(chǎn)品收縮率低，但由于密度太高，減重效果不明顯，而且回收難度高，脆性大易碎、耐沖擊性差。第二代產(chǎn)品對(duì)第一代產(chǎn)品進(jìn)行材質(zhì)改進(jìn)，使用復(fù)合材料，外板擾流板使用塑性材料，輕量化效果得到明顯改善。第三代塑料尾門(mén)內(nèi)板采用PP長(zhǎng)玻纖、外板采用礦物填充的PP材料，使后尾門(mén)在輕量化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、環(huán)保、造型自由度等方面性能顯著提升[11-12]。

3? 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的鈑金結(jié)構(gòu)后尾門(mén)相比較，塑料后尾門(mén)通過(guò)成型工藝優(yōu)化、集成化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及新型材料應(yīng)用等手段，使后尾門(mén)在輕量化方面的優(yōu)點(diǎn)十分突出，在兩種尾門(mén)同時(shí)滿(mǎn)足性能要求的前提下，塑料后尾門(mén)可比鈑金后尾門(mén)減重30%左右，有效提升了汽車(chē)輕量化水平。汽車(chē)輕量化是解決汽車(chē)燃油消耗以及尾氣嚴(yán)重排放問(wèn)題的有效手段，是新時(shí)期應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染的可靠措施[13]。

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