汽車塑料翼子板的應(yīng)用研究

劉 陽，柴 凱，王 哲，孫曉琳

（1.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110000；2.沈陽航天新樂有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000）

前言

為應(yīng)對汽車燃料消耗快速增長及由此引起的能源和環(huán)境問題，國家制定了到 2020年乘用車平均燃料消耗量達到 5 L/100 km的目標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計，汽車每減輕其總重量的10%，燃油消耗量可降低 6%～8%[1]。車身輕量化正是面對這一挑戰(zhàn)的必由之路，其中以塑代鋼正是其中很重要的一項措施，即采用塑料、復(fù)合材料替換原來的金屬。

本文針對某 SUV車型將鋼質(zhì)翼子板優(yōu)化設(shè)計為塑料翼子板，通過CAE仿真驗證性能合格，然后從零件數(shù)目、重量、成本、性能等方面與鋼質(zhì)翼子板進行比較，為今后汽車塑料翼子板的全面應(yīng)用提供借鑒。

1 塑料翼子板簡介

1.1 塑料翼子板介紹

汽車翼子板是遮蓋車輪的車身外板，通常與前門、A柱、發(fā)蓋、前大燈及前保險杠配合，其主要功能為裝飾，同時承擔(dān)部分外飾零件的載體（輪眉、擋泥板、擋風(fēng)板等），在行人保護試驗中，其具有吸能作用。翼子板一般采用金屬材質(zhì)。相比于其他零部件而言，翼子板的功能較為單一，結(jié)構(gòu)也相對簡單，材料替換帶來的工藝問題也相對較少，因此塑料翼子板的應(yīng)用成為一種趨勢[2]。塑料翼子板已經(jīng)在越來越多的汽車產(chǎn)品上得到應(yīng)用，如路虎極光、標(biāo)致307、BMWX5、三菱勁炫、蔚來ES8、奇瑞eQ1等。

1.2 塑料翼子板的技術(shù)路線

塑料翼子板的按照成型工藝的不同分為注塑和模壓兩種，其中注塑材料主要為PA+PPO、PP+EPDM-T30，模壓材料主要為 SMC。按照噴涂工藝的不同可以分為 On-line、In-line、Off-line三種方式，翼子板分別在電泳前、電泳后和總裝線裝配到白車身上。

2 塑料翼子板優(yōu)化設(shè)計

2.1 技術(shù)路線選擇

在某SUV車型設(shè)計時，考慮到輕量化的需求，計劃將鋼質(zhì)翼子板優(yōu)化設(shè)計為塑料翼子板?？紤]到 On-line和 In-line工藝需要使用耐高溫且價格昂貴的 PA+PPO，涂裝工藝難度高且在設(shè)計時需要考慮熱膨脹變形使用特殊的安裝固定方式，如圖1所示，同時需要配合特殊標(biāo)準(zhǔn)件，如圖2所示。而Off-line工藝采用價格便宜且應(yīng)用廣泛的PP+EPDM-T30，至于色差問題可以通過質(zhì)量控制來保證，而無需過于擔(dān)憂（在汽車保險杠蒙皮上已經(jīng)得到充分的證明）。

圖1 翼子板涂裝后的安裝固定方式[3]

圖2 翼子板涂裝后的安裝固定方式[2]

所以本車型按照 Off-line工藝進行優(yōu)化設(shè)計，塑料翼子板材料采用PP+EPDM-T30.零件壁厚設(shè)定為2.5 mm，材料屬性如表1所示：

表1 PP+EPDM-T30的性能參數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 設(shè)計輸入

在原始設(shè)計中，基于DC04材料設(shè)計出了鋼制翼子板系統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，根據(jù)前期設(shè)計輸入和工藝可行性分析確定優(yōu)化設(shè)計的塑料翼子板可以集成下列零件，包括：翼子板、翼子板安裝支架、保險杠支架和翼子板密封件。如圖3所示。

圖3 塑料翼子板集成零件

2.2.2 數(shù)據(jù)設(shè)計

基于造型，成型工藝要求，周邊零件配合間隙以及運動件包絡(luò)，首先制作翼子板零件的主斷面和安裝概念描述，如圖4、圖5所示。然后基于主斷面和安裝概念來最終完成塑料翼子板的數(shù)據(jù)設(shè)計。

圖4 主斷面示意圖

圖5 安裝概念描述

3 性能分析

塑料翼子板零件數(shù)據(jù)設(shè)計完成后使用 CAE來對零件進行性能分析以保證滿足設(shè)計要求。基于對翼子板的要求，OEM對零件的CAE分析項目一般包括剛度分析和行人保護分析兩類。

3.1 剛度分析

對翼子板的剛度分析主要包括兩個工況：指壓剛度和外表面拋光剛度，其分析結(jié)果滿足設(shè)計要求，分析結(jié)果如圖 6和圖7所示：

圖6 指壓剛度分析

圖7 外表面拋光剛度分析

3.2 行人保護分析

和翼子板相關(guān)的行人保護分析項是行人保護頭部碰撞分析。通過SABIC公司的實驗對比分析可知（如圖8所示），只要塑料翼子板的翻邊設(shè)計達到80 mm以上，就能夠輕易地降低HIC值，達到行人保護法規(guī)的要求[4]。

圖8 SABIC 公司頭部碰撞試驗對比分析

但是上述研究是基于頭部碰撞器的碰撞點直接位于翼子板Z向最高點處，同時塑料翼子板厚度3 mm，選擇SABIC公司的PA+PPO材料所做的研究。然而在實際汽車開發(fā)過程中，設(shè)計人員往往會通過調(diào)整發(fā)動機罩和翼子板的造型特征線，來盡量減小GB/T 24550《汽車對行人的碰撞保護》要求的頭部碰撞區(qū)域，避開硬點。經(jīng)過計算，在本車型中所有頭部碰撞點均處在發(fā)動機罩內(nèi)部，具體位置如圖9所示。也就是說在類似造型的車型中，可以將塑料翼子板按照普通外裝飾零件來設(shè)計。

圖9 頭部碰撞點位置圖

圖9 成本對比

4 對比分析

進過設(shè)計及仿真分析驗證，可以將鋼質(zhì)翼子板優(yōu)化設(shè)計為塑料翼子板，塑料翼子板在極大地減少了總成下零件數(shù)量的同時重量也降低了48.5%。

表2 不同翼子板方案對比

然后將零件價格和開發(fā)費用（模具工裝費等）按照產(chǎn)量進行分?jǐn)偅梢缘贸霾煌夹g(shù)路線的翼子板成本對比如下圖所示（以鋼制翼子板單件價格為100%）。

5 結(jié)論

（1）塑料翼子板技術(shù)路線建議優(yōu)先選擇PP+EPDM-T30材料的off-line工藝，基于造型約束可以按照普通外裝飾零件來設(shè)計而無需考慮頭部碰撞實驗。

（2）在保證性能達標(biāo)的前提下可以將鋼質(zhì)翼子板優(yōu)化設(shè)計為塑料翼子板，同時通過提高集成度，在保證零件數(shù)量大幅減少的同時重量降低了48.5%。

（3）off-line塑料翼子板在總銷量3萬輛和18萬輛時與無漆的鋼制翼子板和整個鋼制翼子板系統(tǒng)成本相當(dāng)。

隨著中國汽車市場的激烈競爭，汽車產(chǎn)品的改款周期已經(jīng)縮短至2～3年，而18年至19年兩年單車型銷量低于15 W輛的車型占全部車型的 87.7%。本文的結(jié)論可以有力的推進塑料翼子板在實際車型中的廣泛應(yīng)用。