重卡外飾件輕量化設(shè)計(jì)方法研究

張輝 李賀 劉維棟

摘 要：文章系統(tǒng)分析研究重卡外飾件的輕量化思路，從輕型材料應(yīng)用、新型工藝應(yīng)用、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、集成化設(shè)計(jì)等方面對(duì)外飾件輕量化思路進(jìn)行分析和探究。重點(diǎn)介紹了玻璃鋼件替代材料和外飾件新工藝。文章也介紹了在多年從事輕量化工作中遇到的一些問題，提出了解決思路和開發(fā)方向。

關(guān)鍵詞：重卡;外飾件;輕量化;新材料

中圖分類號(hào)：U462.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）17-82-05

Study on Lightweight Method of Heavy Truck Exterior Decoration

Zhang Hui， Li He， Liu Weidong

（Automotive Engineering Research Institute， Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.， Ltd， Shaanxi Xi'an 710220）

Abstract： This paper firstly introduces the lightweight methods of heavy truck exterior decoration：lightweight materials， lightweight processes， structural topology optimization， and integrated design. Then introduce the substitute materials and processes of UP+GF. This paper also introduces the problems and the methods of the lightweight works. This paper provides some lightweight solutions for heavy truck designers and decoration suppliers.

Keywords： Heavy truck; Exterior decoration; Lightweight; New materials

CLC NO.： U462.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-82-05

前言

中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已經(jīng)從高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量增長(zhǎng)階段。對(duì)于汽車行業(yè)而言，新技術(shù)新材料及 輕量化技術(shù)對(duì)于提高汽車的核心技術(shù)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力有著重要作用，不僅推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)更新?lián)Q代，而且拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和消費(fèi)升級(jí)。

對(duì)主機(jī)廠而言，環(huán)境保護(hù)的壓力促使國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)的節(jié)能減排政策和標(biāo)準(zhǔn)。GB 20997-2007《輕型商用車輛燃料消耗量限值》 該國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)第一個(gè)控制商用車燃料消耗量的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。汽車的輕量化是節(jié)能減排的重要手段之一，可有效幫助主機(jī)廠降低汽車的整備質(zhì)量，進(jìn)而降低燃油的消耗量和CO2的排放量。對(duì)于新能源重卡而言，自重的降低更是直接提高了車輛的續(xù)航里程和續(xù)航時(shí)間，提高了車企在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著新版GB1589-2016的實(shí)施，加之國(guó)家對(duì)于限超治超整治力度的加大，客戶購(gòu)買重卡時(shí)對(duì)車輛自重的關(guān)注越來越強(qiáng)烈。數(shù)據(jù)表明，汽車質(zhì)量每降低10%，可降低油耗6%-8%。自重的降低不僅為客戶降低了油耗，針對(duì)載貨車輛而言，自重的降低也意味著司機(jī)出車可載重更多的貨物，提升單趟出車的經(jīng)濟(jì)效益。

1 重卡外飾件輕量化方法簡(jiǎn)介

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，重卡外飾件單車重量約在250-300kg（含底盤件和支架），外飾件輕量化就是在保證使用強(qiáng)度和整車安全性等使用前提下，從多維度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)自重的降低。

根據(jù)筆者多年從事外飾輕量化的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)外飾件的輕量化技術(shù)途徑主要可歸納為以下兩點(diǎn)：

（1）非金屬輕型材料和工藝應(yīng)用;

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和集成化設(shè)計(jì)。

方法（2）通常用于結(jié)構(gòu)件的輕量化方案，方法（1）通常用于外飾外板件的輕量化方案。綜合應(yīng)用通?？蓪?shí)現(xiàn)單系統(tǒng)降重15-40%，以某車型為例，經(jīng)過事實(shí)以上措施外飾件降重實(shí)現(xiàn)了30-40kg降重。

2 非金屬輕型材料和工藝技術(shù)應(yīng)用

傳統(tǒng)上重卡外飾使用玻璃鋼材料較多，而目前主流重卡外飾件以采用SMC模壓工藝的居多。SMC產(chǎn)品以其良好的剛性、強(qiáng)度、可靠性在外飾件中占據(jù)了一席之地。

2.1 玻璃鋼材料及工藝

UP+GF：UP為不飽和聚酯的國(guó)際通用縮寫，GF為玻璃纖維的國(guó)際通用所寫。

SMC：Sheet molding compound，片狀模塑料，主要原料為GF（玻璃纖維）、UP（不飽和聚酯）、MD（填料）及各種助劑組成。

2.1.1 SMC模壓成型工藝介紹

將一副陰陽模安裝在壓力機(jī)上，將SMC片材在模腔中經(jīng)過加熱加壓，使之固化定型。模壓法可分為熱壓法、冷壓法。

2.1.2 玻璃鋼優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用介紹

（1）材料優(yōu)點(diǎn)

相比普通塑料材質(zhì)具有強(qiáng)度高、剛性高、收縮率小、連接點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

（2）材料缺點(diǎn)

生產(chǎn)過程粉塵污染大，后續(xù)需切邊打磨，且材料難以回收，難降解，只能打成粉末填埋。密度較大自重大，模壓產(chǎn)品通常密度在1.8-1.95g/cm3，相比金屬件具有優(yōu)勢(shì)，相比熱塑性塑料自重?zé)o優(yōu)勢(shì)。

（3）產(chǎn)品應(yīng)用

材料在重卡外飾上主要應(yīng)用在前面罩、上車踏步、保險(xiǎn)杠、導(dǎo)流罩等外板件上，優(yōu)勢(shì)在于布置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常不需要完整的骨架+蒙皮結(jié)構(gòu)，自身剛度較好。

但隨著材料技術(shù)和工藝的不斷日新越益更新?lián)Q代，其自重較大、材料難以回收、噴涂性能不佳等問題逐漸顯現(xiàn)。逐漸出現(xiàn)了以熱塑性材料為主的輕量化材料代替玻璃鋼材料外飾件的趨勢(shì)，并且新材料在外飾件中的占比逐年提高。

2.2 纖維增強(qiáng)熱塑性塑料

2.2.1 纖維增強(qiáng)熱塑性塑料

以PP、PA、ABS等熱塑性塑料作為機(jī)體，通過填充增強(qiáng)纖維等改性方法獲得機(jī)械性能更高的新增強(qiáng)塑料。

目前在外飾產(chǎn)品上應(yīng)用最多的是以PP、PA為基材，填充短玻纖或長(zhǎng)玻纖進(jìn)行增強(qiáng)，常用的有LFT-PP-GF30，PA6-GF30。

以長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯（以下簡(jiǎn)稱LFT-PP-GF30）材料為例，其參數(shù)如下表：

2.2.2 LFT-PP特性

產(chǎn)品由于玻纖保留長(zhǎng)度長(zhǎng)，在沖擊強(qiáng)度、剛度、強(qiáng)度方面性能優(yōu)異，力學(xué)曲線見圖3：

相比普通短玻纖增強(qiáng)PP，其制件在變形控制方面較為優(yōu)良，產(chǎn)品注塑后的變形較小，尺寸穩(wěn)定，裝配后間隙面差表現(xiàn)好。

2.2.3 產(chǎn)品應(yīng)用

相比SMC產(chǎn)品，采用LFT-PP材料的產(chǎn)品密度可由1.8- 1.95g/cm3降至1.2-1.4 g/cm3，降重比例可達(dá)20-35%，同時(shí)此材料在剛強(qiáng)度方面性能較好。

在下圖所示保險(xiǎn)杠產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用，外板由原來的金屬+玻璃鋼結(jié)構(gòu)改為L(zhǎng)FT-PP外板結(jié)構(gòu)，同時(shí)骨架進(jìn)行輕量化拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)總成降重10kg，外板降重貢獻(xiàn)度80%。

鑒于以上優(yōu)良的降重性能，目前已在保險(xiǎn)杠、翼子板、導(dǎo)流罩、前面罩?jǐn)_流板和上車踏步等外飾系統(tǒng)上得到了廣泛應(yīng)用。

2.2.4 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決思路

長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯在外飾件應(yīng)用上目前較為成熟，但在應(yīng)用過程中應(yīng)注意其易變形和外表面縮印等特點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)避免過于狹長(zhǎng)，同時(shí)截面應(yīng)具備翻邊結(jié)構(gòu)，減少平面結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。同時(shí)在結(jié)構(gòu)上噴漆件應(yīng)減少加強(qiáng)筋的布置，如必須時(shí)需嚴(yán)格控制加強(qiáng)筋的厚度和拔模角等工藝參數(shù)，連接點(diǎn)結(jié)構(gòu)根部應(yīng)具有減瘦結(jié)構(gòu)。

2.3 PHC蜂窩夾層材料

2.3.1 蜂窩夾層技術(shù)

蜂窩夾層技術(shù)是將傳統(tǒng)工業(yè)的蜂窩狀或瓦楞狀的芯材（紙質(zhì)、鋁、PP或泡沫），在芯材的上下兩面各覆蓋一層玻璃纖維氈，然后由聚氨酯噴涂系統(tǒng)浸潤(rùn)，并將此夾層結(jié)構(gòu)放入模具中，在130-140攝氏度下直接模壓成型的材料和工藝技術(shù)。（見下圖6）

蜂窩紙板結(jié)構(gòu)內(nèi)部為空心孔結(jié)構(gòu)，自重較低，且等重下截面剛度較強(qiáng)，同時(shí)具備模具費(fèi)用低，制造周期短等特點(diǎn)，以下以重卡車門裝飾板示例，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

2.3.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決思路

綜合上述分析，蜂窩夾層板材料在自重和整體截面剛度上具有優(yōu)勢(shì)，但在價(jià)格上較貴，故在產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品定位和產(chǎn)品年量綱進(jìn)行綜合選擇。

2.4 PDCPD聚雙環(huán)戊二烯材料

PDCPD為雙環(huán)戊二烯（DCPD）之均聚物或共聚物。為一種交聯(lián)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)工程塑料。

PDCPD制品在生產(chǎn)中一般采用RIM工藝，基于高純度的DCPD（≥98%）經(jīng)過開環(huán)移位聚合反應(yīng)（ROMP）制得，原料多為雙組分體系（A、B液），其工藝過程為：

PDCPD是一種機(jī)械物理綜合性能很好的新型工程材料，同時(shí)擁有高抗沖擊強(qiáng)度、高熱變形溫度和很好的抗老化性能。制件工藝靈活、簡(jiǎn)單，特別適宜制成高強(qiáng)度、大面積的超薄制件。

2.4.1 PDCPD材料應(yīng)用

在汽車工業(yè)，工程機(jī)械制造業(yè)、醫(yī)療和體育器材、石化管道及民用設(shè)施等領(lǐng)域展現(xiàn)了極為廣闊的應(yīng)用前景。尤其在美國(guó)卡特彼勒、特雷克斯、德國(guó)利勃海爾、瑞典沃爾沃、山特維克和日本建機(jī)、小松等著名公司對(duì)PDCPD工程塑料的研發(fā)與應(yīng)用已有很多年。

2.4.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決思路

PDCPD材料整體彈性模量較低，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用時(shí)多采用內(nèi)外板結(jié)構(gòu)或加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)行充分的CAE強(qiáng)度、剛度論證。見下圖：

PDCPD材料性能較為優(yōu)良，在降自重和表面噴涂性能方面具有一定優(yōu)勢(shì)。但目前由于原材料依賴進(jìn)口，整體成本高于SMC產(chǎn)品和PP+GF產(chǎn)品。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和集成化設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

車身輕量化系數(shù)，該參數(shù)最早由寶馬公司提出，是指車身輕量化系數(shù)用來評(píng)價(jià)車身輕量化的技術(shù)水平。車身輕量化系數(shù)：

（1）

M是不包含翼子板的車體重量（kg），CT是車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度（N·m/（?）），A是車身投影面積。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在給定的邊界和約束條件下，按照多目標(biāo)（重量最輕、成本最低、剛度最大）任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

具體到外飾件結(jié)構(gòu)，可分為以下兩類：

3.1.1 塑料外板件的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

塑料外板件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般是在給定造型面、DTS定義、周邊環(huán)境的輸入后，按照選定工藝和材料、確定零件料厚、安裝點(diǎn)布置、加強(qiáng)筋布置的順序進(jìn)行方案和細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖14。

合理的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要關(guān)注的是料厚做到最薄、重量做到最輕、安裝點(diǎn)布置到最合理、產(chǎn)品的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

3.1.2 固定支架類的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定支架類的輕量化設(shè)計(jì)主要從零件的材料適應(yīng)性設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化四方面設(shè)計(jì)。

（1）材料適應(yīng)性設(shè)計(jì)

通常外飾件固定支架以鈑金支架、管類支架和鑄鋼件為主，隨著輕量化需求的不斷深入，以鋁代鋼、以塑代鐵的趨勢(shì)越來越普及。

材料的變更必然帶來結(jié)構(gòu)的變化，鋁和塑料的強(qiáng)度相應(yīng)的弱于鋼和鐵，結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行增強(qiáng)，同時(shí)不同材料的工藝也具備差異性。