汽車內(nèi)外飾輕量化設計及工藝探討

穆鈺　王永偉

摘 要：汽車內(nèi)外飾輕量化是汽車整車輕量化的重要組成部分，其為降低汽車的整車質量，從而提高汽車的動力性能，減少燃料的消耗起重要的作用。汽車內(nèi)外飾的輕量化設計趨勢是汽車工業(yè)發(fā)展的必然要求。文章就對汽車內(nèi)外飾輕量化的設計和相關工藝進行分析研究，總結目前汽車輕量化設計中應用的主要材料以及微發(fā)泡注塑、薄壁化注塑等的輕量化工藝，為汽車內(nèi)外飾輕量化的設計提供一定的參考。

關鍵詞：碳纖維;薄壁化;微發(fā)泡;輕量化

1 內(nèi)外飾輕量化的設計原則

1.1 人機交互原則

所謂人機交互就是駕駛者或乘客在使用汽車時與車輛系統(tǒng)的“對話”，這種對話必須合理、簡單、易用，因而設計過程必須充分考慮這三個基本人機交互原則。汽車輕量化設計絕不能違背這些原則或者說犧牲人機交互的某些原則，可以說輕量化設計難度要比一般意義的設計要大得多，輕量化設計就是在滿足原有指標基礎上增加指標條件，而這些條件都是充分必要條件。

1.2 節(jié)能環(huán)保原則

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展成為我國工業(yè)發(fā)展的基本策略，而節(jié)能環(huán)保則是可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。輕量化設計過程必須考慮運用此材料和工藝的各個環(huán)節(jié)是否可以保證節(jié)能環(huán)保，任何一個環(huán)節(jié)如果對環(huán)境造成不良影響將導致設計推行艱難，最終有可能導致設計永遠停留在設計階段，不能導入生產(chǎn)的輕量化設計沒有任何意義。所以輕量化設計過程對國家環(huán)保政策的充分了解非常必要，對工藝實現(xiàn)過程是否滿足國家環(huán)保政策也顯得關鍵。目前汽車工業(yè)對產(chǎn)品裝車過程VOC（揮發(fā)性有機化合物）排放是否達標有明確的指標要求。

1.3 安全法規(guī)原則

汽車內(nèi)外飾輕量化必須在滿足國家安全法規(guī)的前提下，減重才有意義。安全性保障是汽車內(nèi)飾輕量化設計的一個基本的原則。這一原則不僅要求內(nèi)飾的材料本身的強度要符合要求，而且要求產(chǎn)品本身設計可以作為其他產(chǎn)品的載體，可以滿足一定的負荷要求。除了承載的載荷之外，對于內(nèi)外飾設計的安裝（固定）強度也有著一定的要求，最基本的就是要能承受車輛高速運行過程中產(chǎn)生的主動和被動沖擊載荷，強度和穩(wěn)定性都能符合設計驗證（DV）要求。要求設計的過程使用有限元分析對產(chǎn)品符合設計驗證指標有極其重要的意義。

2 汽車內(nèi)外飾輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 鋁合金替代鋼材

鋁合金作為輕質金屬，是汽車輕量化的理想替代材料。鋁合金在汽車領域的用量在逐步增加，且種類越來越多樣化，汽車車身使用鋁合金作為主要材料的趨勢正在形成。

2.2 熱塑性塑料的應用

熱塑性輕量化塑料LFT-PP，以金發(fā)的材料為例，其增強玻璃纖維長度達6-25mm（SFT-PP是0.2-0.6mm），由于出色的力學性能、機械性能和熱老化性能成為比較理想的輕量化產(chǎn)品的原材料。LFT-PP材料目前應用范圍是“以塑代鋼”，如前端模塊，后尾門。目前汽車市場上，眾多的品牌如日產(chǎn)、雷諾、標致等相繼研發(fā)出LFT-PP的塑料后尾門，相比鋼制后尾門，減重達30%，其作為注塑工藝應用在后背門上是前瞻性的輕量化工藝;注塑后尾門有輕量化、模塊化、產(chǎn)品精度高等特點。

2.3 復合材料的應用

復合材料是由2種或2種以上不同性質的材料組成，其綜合性能優(yōu)于原組成材料，并滿足不同的要求。其中，碳纖維復合材料（CFRP）因其質量輕、高強度（鋼的5倍）、高模量和良好的耐熱、耐腐蝕性等特點，是眾多輕量化材料中性能最好，減重最明顯的復合材料。碳纖維制作的車身和金屬車身相比能減重30-50%。由于碳纖維復合材料制造成本高昂，且生產(chǎn)工藝復雜耗時，在汽車中還未能大量推廣，僅在稀有的非量產(chǎn)車型和特別版車型上使用，如F1賽車、超級跑車等。但隨著碳纖維制造工藝的突破，制造成本的下降，各大汽車品牌商紛紛加入碳纖維零部件的開發(fā)，相信在不久的將來這種具有優(yōu)異性能的復合材料將成為內(nèi)外飾輕量化的重要一員。

3 內(nèi)外飾輕量化注塑的相關工藝

3.1 微發(fā)泡（MuCell）注塑工藝

（1）微發(fā)泡注塑工藝的優(yōu)點。微發(fā)泡注塑成型工藝總結起來有三大優(yōu)點：一是大幅改善產(chǎn)品尺寸精度;二是大幅降低鎖模成本;三是大幅縮短成型時間。（2）原理。微發(fā)泡注塑成型是通過泡孔擴張來代替注塑機保壓，不需要多余的充填壓力，并且可使壓力分布均勻通過中間層的泡孔結構降低產(chǎn)品的材料密度，實現(xiàn)可控制的發(fā)泡率來減輕產(chǎn)品重量，模穴壓力降低30%-80%，內(nèi)應力大幅降低。微發(fā)泡注塑成型工藝的流程較為簡單，首先就是需要將超臨界的流體融到塑料主體材料的溶膠中，然后再通過高壓噴射裝置將混合好的溶膠材料噴入模具中，形成微發(fā)泡。而后，隨著模具中的壓力和溫度趨于穩(wěn)定，模具中的微泡處在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)下，至此，注塑工藝基本完成。（3）應用。微發(fā)泡工藝一般應用在內(nèi)外飾的非外觀結構件上，如儀表板骨架、保險杠支架、門護板支架等。

3.2 薄壁注塑工藝

（1）優(yōu)點。薄壁注塑工藝是汽車內(nèi)外飾輕量化設計的一項重要的塑料成型工藝，其一般的設計原則是減少產(chǎn)品主體壁厚的三分之一，通常能減重10%-15%。薄壁注塑成型工藝的最主要優(yōu)點就是實現(xiàn)了塑料的“薄”，在滿足了使用性能的基礎上使用的塑料原料較少，由于減輕了重量也就降低了成本，滿足汽車內(nèi)外飾輕量化設計的基本要求以及環(huán)保性的要求，而且工藝與普通注塑工藝一脈相承，可實現(xiàn)大批量的生產(chǎn)。（2）原理。薄壁化注塑工藝的主要難點在模具設計與制造上，模腔的材料一定要選擇具有良好機械性能的，例如2738，否則難以承受注塑時較大的壓力;因為薄壁材料的壁厚較小，所以對模具的制造精度有較高的要求，通常要求壁厚在±0.1mm以內(nèi)。在實際的注塑時，因為壁厚較薄，要選擇流動性好的注塑原材料，對注塑工藝也有比較高的要求，比普通注塑產(chǎn)品的制造難度要稍大。（3）應用。薄壁化工藝一般應用在汽車保險杠本體上，應用薄壁化工藝，保險杠能減重10%。

4 結語

汽車內(nèi)外飾輕量化是汽車整車輕量化不可或缺的重要組成部分，雖然內(nèi)外飾的減重比例對比車身而言相對有限，但不能忽視內(nèi)外飾的減重貢獻。隨著內(nèi)外飾材料的更新?lián)Q代，設計工藝的創(chuàng)新優(yōu)化，有限元分析的廣泛應用，汽車內(nèi)外飾在輕量化道路上必將持續(xù)創(chuàng)新，汽車內(nèi)外飾輕量化研發(fā)必然大放異彩。

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