塑料翼子板設(shè)計(jì)淺談

韓 杰

（風(fēng)度（常州）汽車研發(fā)院有限公司車身工程部，江蘇 常州 213022）

前言

據(jù)國(guó)家信息中心統(tǒng)計(jì)，截止2016年底，我國(guó)汽車保有量已達(dá)到1.94億輛，預(yù)計(jì)2020年這個(gè)數(shù)字將達(dá)到2.5億。如何解決這個(gè)巨大數(shù)字所帶來(lái)的能源消耗、排放污染等問(wèn)題成為一個(gè)日益嚴(yán)峻的課題。有研究表明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高 6%—8%；汽車整備質(zhì)量每減少 100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升。因此近幾年來(lái)，在國(guó)家政策引導(dǎo)下，“節(jié)能減排”開始成為每個(gè)車企所追求的目標(biāo)，這使得汽車輕量化成為汽車設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題。

汽車輕量化是指在保證汽車的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)以及安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性和操控性，減少燃料消耗，降低排氣污染。

對(duì)車身輕量化而言，一是對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，即薄壁化、集成化；二是采用新型材料，如鋁合金、塑料、復(fù)合材料等；三是采用先進(jìn)工藝，如熱成型、激光拼焊等。三種方法中，采用新型材料的減重效果最為明顯，尤其是采用塑料、復(fù)合材料替換原來(lái)的金屬材料，減重效果普遍在40%以上。但是材料的替換不是隨心所欲的，需要考慮安全、性能、工藝等各個(gè)方面的因素。相比于其他零部件而言，翼子板的功能較為單一，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，材料替換帶來(lái)的工藝問(wèn)題也相對(duì)較少，因此塑料翼子板的應(yīng)用成為了一種趨勢(shì)。

本文以某車型翼子板為例，結(jié)合塑料翼子板的材料性能，介紹了塑料翼子板在設(shè)計(jì)時(shí)的一些注意事項(xiàng)，希望能給從事翼子板設(shè)計(jì)的人員有所啟發(fā)和參考。

1 塑料翼子板的設(shè)計(jì)

1.1 吸水率對(duì)外觀幾何品質(zhì)的影響

與金屬翼子板相比，塑料翼子板除了具有更大的熱膨脹系數(shù)以外，還具有一定的吸水性。通過(guò)研究某車型的塑料翼子板發(fā)現(xiàn)，熱膨脹對(duì)外觀幾何品質(zhì)的影響，在采用合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，可以控制在0.3mm以內(nèi)，此時(shí)，吸水性所導(dǎo)致的吸水膨脹成為外觀幾何品質(zhì)不合格的主要原因，尤其是翼子板與前門的配合部位。翼子板與前門配合部位的間隙、面差要求如表1所示。

表1 翼子板與前門配合部位的間隙面差要求

塑料翼子板吸水率對(duì)該處面差的影響如圖1所示。

圖1 吸水率與面差的關(guān)系

從以上可知，當(dāng)吸水率在 1%以下時(shí)，面差可以控制在設(shè)計(jì)要求以內(nèi)；當(dāng)吸水率超過(guò)1%，達(dá)到3%時(shí)，此時(shí)的面差已經(jīng)超過(guò)了2mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)范圍。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該塑料翼子板的吸水率在濕熱條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)逐漸增加，在達(dá)到200個(gè)小時(shí)的時(shí)候，吸水率已經(jīng)增長(zhǎng)到了2%。吸水率隨時(shí)間的變化如圖2所示。

圖2 吸水率隨時(shí)間的變化

由于不同的塑料配比會(huì)得到不同的吸水率，因此設(shè)計(jì)塑料翼子板時(shí)，必須對(duì)材料的吸水特性進(jìn)行充分的研究，以應(yīng)對(duì)存在長(zhǎng)時(shí)間濕熱環(huán)境的銷售市場(chǎng)，如我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)等。

1.2 翼子板與引擎蓋配合部位的設(shè)計(jì)

1.2.1 滑動(dòng)間隙的設(shè)計(jì)

圖3 塑料翼子板受熱膨脹

由于塑料翼子板具有較大的熱膨脹系數(shù)，因此，當(dāng)外界溫度變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，尤其是當(dāng)采用線上涂裝工藝時(shí)，塑料翼子板的變形可以達(dá)到15mm左右，如圖3所示。

熱膨脹變形量計(jì)算公式如下所示：

式中：D為變形量；T1為高溫，T2為低溫，L為長(zhǎng)度，α為熱膨脹系數(shù)。

翼子板的長(zhǎng)度一般在1m左右，涂裝烘干最高溫度 190℃，室溫20℃，PA+PPO的熱膨脹系數(shù)為9×10-5，計(jì)算得：

D=（190-20）×1×9×10-5= 0.0153m =15.3mm

如此大的變形量必須設(shè)計(jì)一種滑動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)確保翼子板不會(huì)因?yàn)闊崤蛎浂a(chǎn)生扭曲。圖4所示為某車型采用的一種滑動(dòng)結(jié)構(gòu)。

圖4 滑動(dòng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于滑動(dòng)結(jié)構(gòu)而言，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的滑動(dòng)間隙是極為重要的。過(guò)大的間隙會(huì)導(dǎo)致翼子板安裝不牢，而過(guò)小的間隙則無(wú)法完全釋放翼子板的變形?；瑒?dòng)間隙的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)因素（見圖5）：（1）塑料翼子板注塑成型后的收縮量；（2）塑料翼子板受熱后的膨脹變形量，特別是采用線上涂裝時(shí)的膨脹變形量；（3）塑料翼子板受冷時(shí)的收縮變形量，一般考慮銷售市場(chǎng)的實(shí)際情況；（4）極限狀態(tài)下的安全間隙，一般預(yù)留2～3mm。

圖5 滑動(dòng)間隙的考慮因素

綜上可知：

安裝點(diǎn)后部配合間隙=安全間隙+受熱膨脹變形量+成型收縮量；

安裝點(diǎn)前部配合間隙=安全間隙+受冷收縮變形量+成型收縮量；

1.2.2 剛度設(shè)計(jì)

由于塑料翼子板在受熱時(shí)會(huì)向車外方向膨脹，導(dǎo)致翼子板與引擎蓋配合部位的間隙面差超出設(shè)計(jì)范圍，因此需要對(duì)該部位進(jìn)行一定的剛度設(shè)計(jì)。如圖6所示，翻邊高度a最好在20mm以內(nèi)，最大不能超過(guò)40mm；翻邊角度θ要設(shè)計(jì)的盡量大，越大剛度越好；設(shè)計(jì)一定的加強(qiáng)筋，建議使用三角筋，利于涂裝，加強(qiáng)筋的間隔建議在 500mm左右。此外，在翼子板前部端頭區(qū)域，考慮模具的結(jié)構(gòu)，一般需要設(shè)計(jì)出一個(gè)缺口，如圖7所示，導(dǎo)致此處剛度較差，因此需考慮在此處增加一個(gè)支架，以阻止翼子板在該位置的變形。

圖6 翼子板與引擎蓋配合部位斷面圖

圖7 翼子板前部缺口示意圖

1.2.3 運(yùn)動(dòng)間隙的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)金屬翼子板時(shí)，翼子板后部與引擎蓋的運(yùn)動(dòng)間隙一般要求在2.5mm以上即可，極限甚至可以做到1.5mm，但對(duì)于塑料翼子板而言，由于熱膨脹系數(shù)較大，此處的運(yùn)動(dòng)間隙需要重新定義。計(jì)算公式如下；

塑料翼子板運(yùn)動(dòng)間隙=2.5+a×(高溫-低溫)×熱膨脹系數(shù)（見圖8）

圖8 塑料翼子板運(yùn)動(dòng)間隙示意圖

1.3 翼子板后部安裝點(diǎn)的剛度設(shè)計(jì)

翼子板后部安裝點(diǎn)是翼子板重要的安裝基準(zhǔn)，控制著翼子板與前門的間隙面差，因此其安裝點(diǎn)需要具有一定的剛度。通常情況下，會(huì)采用設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋的方式增加剛度，但測(cè)試發(fā)現(xiàn)，對(duì)于塑料翼子板而言，加強(qiáng)筋會(huì)引起該位置的應(yīng)力集中，在低溫的時(shí)候容易出現(xiàn)裂紋，因此建議采用增加料厚的方式來(lái)增加安裝點(diǎn)的剛度。

1.4 翼子板下部安裝點(diǎn)的設(shè)計(jì)

對(duì)于金屬翼子板，下部安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)或兩個(gè)都可以，但對(duì)于塑料翼子板而言，考慮到塑料翼子板的變形，下部安裝點(diǎn)建議設(shè)計(jì)為兩個(gè)，并且中心距盡可能大，以應(yīng)對(duì)溫度變化時(shí)翼子板出現(xiàn)的扭曲，如圖9所示。

圖9 翼子板下部安裝點(diǎn)

1.5 應(yīng)對(duì)行人頭部保護(hù)的設(shè)計(jì)

在造型時(shí)，應(yīng)盡量避免使翼子板處于行人頭部保護(hù)區(qū)域之內(nèi)。如果無(wú)法避免，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析可知，只要塑料翼子板與機(jī)艙硬質(zhì)表面的距離達(dá)到60mm以上，就能夠降低HIC值，達(dá)到行人保護(hù)法規(guī)的要求。

2 結(jié)束語(yǔ)

在節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，輕量化將是未來(lái)汽車發(fā)展的方向，“以塑帶鋼”憑借其明顯的減重效果會(huì)越來(lái)越受到各大汽車企業(yè)的重視，但塑料與金屬在性能上有很大不同，如更大的熱膨脹系數(shù)、一定的吸水性等。本文通過(guò)研究某車型的翼子板，介紹了塑料特有性能對(duì)塑料翼子板外觀設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)的影響，并提出了改善的建議。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，塑料翼子板的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越成熟。

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