基于輕量化設(shè)計的復(fù)合輪罩擋泥板性能研究

魏珺儒 劉青松 張銘潔 李文中 李振興 郭秋彥

摘要：針對基于輕量化設(shè)計的吸塑工藝復(fù)合輪罩擋泥板力學性能、抗石擊性能、振動耐久性能、吸音性能、抗風阻變形量進行研究及分析，并與成熟的注塑工藝、模壓工藝進行對比分析。研究表明：復(fù)合輪罩擋泥板綜合性能滿足乘用車輪罩擋泥板的技術(shù)要求，與注塑產(chǎn)品相比，抗石沖擊性能及吸音性能更優(yōu)，質(zhì)量減輕22%，輕量化效果顯著；與模壓產(chǎn)品相比，可節(jié)省開發(fā)周期，更具成本優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：輪罩擋泥板 輕量化 吸塑工藝 抗石沖擊性能 吸音性能

中圖分類號：U466?? 文獻標志碼：B?? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220214

Research on Properties of Composite Wheel-House Fender Based

on Lightweight Design

Wei Junru， Liu Qingsong， Zhang Mingjie， Li Wenzhong， Li Zhenxing， Guo Qiuyan

（Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.， Ltd.， Ningbo 315336）

Abstract： In this research， the key properties of vacuum forming composite wheel house based on lightweight design including mechanical properties， stone impact resistance， vibration endurance， sound insulation performance， wind resistance deformation were studied and analyzed， those properties were compared and analyzed with mature injection molding and compression molding. Research result shows that comprehensive performance of the composite wheel house fender meets the technical requirements of passenger vehicle wheel house fender. Compared with injection molding products， the newly designed products have better stone impact resistance and sound absorption performance， with weight reduction of 22%. Compared with die pressing products， the new product has shorter development cycle and cost advantage.

Key words： Wheel house， Light weight， Vacuum forming， Stone impact resistance， Sound insulation performance

作者簡介：魏珺儒（1990—），女，工程師，碩士學位，研究方向為汽車輕量化性能開發(fā)。

參考文獻引用格式：

魏珺儒， 劉青松， 張銘潔， 等. 基于輕量化設(shè)計的復(fù)合輪罩擋泥板性能研究[J]. 汽車工藝與材料， 2024（4）： 1-7.

WEI J R， LIU Q S， ZHANG M J， et al. Research on Properties of Composite Wheel-House Fender Based on Lightweight Design[J]. Automobile Technology & Material， 2024（4）： 1-7.

1 前言

汽車高速行駛過程中，輪胎在路面帶起的石頭、沙子、泥水會對輪罩、輪胎、車底產(chǎn)生強烈沖擊，砂石撞擊輪胎及輪罩產(chǎn)生的沖擊力會形成噪聲，通過前、后輪弧及翼子板的振動易傳入到駕駛艙，對駕駛艙及乘員艙內(nèi)的人員產(chǎn)生影響。這些異物還可能被輪胎與擋泥板之間的空氣流動卷入發(fā)動機艙內(nèi)，雨天或泥濘路況條件下，泥沙還可能飛濺到翼子板上，造成鈑金銹蝕影響車輛使用。因此，通常在乘用車輪罩鈑金外側(cè)安裝襯板作為防護板，防止車輪高速運轉(zhuǎn)卷出的砂石、泥污等進入發(fā)動機艙內(nèi)，同時對這些異物的撞擊起到緩沖作用，并且降低撞擊聲及輪胎噪聲[1]。

輪罩擋泥板通常采用非金屬材料注塑成光板（個別車型在貼合鈑金一側(cè)增加吸音棉），或采用纖維氈通過模壓工藝進行成型，產(chǎn)品需要貼合車身的輪罩外板鈑金，并滿足輪胎包絡(luò)的設(shè)計要求（輪胎包絡(luò)也稱為輪胎運動包絡(luò)，是指考慮車輛在各種工況行駛下，車輪隨懸架跳動及轉(zhuǎn)向運動時輪胎所占據(jù)的空間位置所形成的包絡(luò)體，輪胎包絡(luò)面決定了輪罩及翼子板內(nèi)腔形狀[2]）。如在產(chǎn)品設(shè)計之初未考慮包絡(luò)設(shè)計要求，車輛行駛中存在與輪胎干涉的風險。產(chǎn)品性能方面，要求耐高、低溫，耐碎石沖擊、低溫沖擊及耐熱老化性能，同時起到一定的隔聲吸聲效果。

隨著汽車研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，汽車輕量化設(shè)計要求及乘員艙的舒適度體驗要求也越來越高，因此開發(fā)更輕質(zhì)的材料和工藝，以及在保證耐久性能的前提下，提升輪罩擋泥板的吸音隔音效果成為了重要技術(shù)方向。目前輪罩擋泥板主流的成型工藝為注塑和模壓，本文介紹一種吸塑成型工藝的復(fù)合輪罩擋泥板，既可實現(xiàn)輕量化效果，又起到一定的隔聲作用，并分析其與常用注塑工藝輪罩擋泥板的差異。

2 吸塑工藝復(fù)合輪罩擋泥板

2.1 吸塑成型工藝

作為塑料常用成型工藝技術(shù)之一的吸塑成型工藝，采用真空吸塑的技術(shù)方法，原材料采用熱塑性塑料片材。吸塑成型工藝技術(shù)在20世紀初就已出現(xiàn)，直到20世紀60年代才發(fā)展起來，主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展與進步，當前真空吸塑的成型工藝技術(shù)已實現(xiàn)高度自動化，通過提高吸塑機的溫度控制精度，解決吸塑設(shè)備傳送方式的技術(shù)難題，成型高拉伸及高精度吸塑制品的工藝技術(shù)解決了不同塑料材料以及厚片材料的加工工藝問題[3]。吸塑成型技術(shù)目前主要應(yīng)用于汽車內(nèi)飾以及塑料包裝等領(lǐng)域，在汽車外飾件上的應(yīng)用較為罕見，本文針對該工藝的技術(shù)原理及產(chǎn)品性能進行詳細介紹及分析研究。

2.2 吸塑成型技術(shù)原理

吸塑成型工藝（圖1）主要采用抽真空加熱吸塑的技術(shù)方法，是一種熱成型加工工藝。利用熱塑性塑料片材制造開口塑料殼體制品，將塑料片材裁成一定尺寸加熱軟化后，借助片材兩面氣壓差和機械壓力，使其成型后貼在特定的模具輪廓面上，經(jīng)過冷卻定型并切邊修整后完成吸塑制品加工制作[3]。

在加工過程中，塑料片加熱后快速抽走其與模具間的空氣，造成真空狀態(tài)形成壓力差，塑料片貼在模具成型面上等待冷卻定型，如圖2所示[3]。

采用吸塑工藝成型的輪罩擋泥板選材及工藝流程見圖3，原材料為熱塑性聚丙烯（Polypropylene，PP）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）板材，兩種板材復(fù)合后進行剪切，再進行單模凸模吸塑成型，吸塑成型的模具與普通雙模不同，僅需要單模凸模即可，成型件再進行激光切割，制成成品[4]。

與模壓成型工藝進行對比，吸塑工藝的優(yōu)點為開發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量相當、無涉水脫落風險；與常用注塑成型工藝對比，吸塑成型的優(yōu)點為產(chǎn)品厚度較薄、質(zhì)量較輕、成本低、開發(fā)周期短。本方案為PP復(fù)合PET進行吸塑成型，PET層屬于纖維制成的無紡布類別，相比于普通注塑光板的隔聲效果好，缺點為材料強度較低，成品一致性略差。

綜合對比如表1所示，模壓工藝的產(chǎn)品外觀一致性較好，與注塑產(chǎn)品相比，在吸音降噪、抗沖擊性方面有一定的改善，產(chǎn)品整體質(zhì)量較輕，設(shè)計時需考慮前輪罩涉水脫落問題，但生產(chǎn)工序多、加工邊料大、有一定的產(chǎn)能局限、成本較高，適用于較大批量生產(chǎn)車型；注塑工藝生產(chǎn)周期短、廢料少、產(chǎn)品一致性好，但受成型工藝及模具限制，產(chǎn)品厚度偏大、產(chǎn)品質(zhì)量大、開發(fā)風險相對高、模具設(shè)變不易操作、開發(fā)周期長，隔聲性能只能通過增加吸音棉實現(xiàn)，成本高，適用于大批量生產(chǎn)車型，可分攤模具費用降低成本；吸塑復(fù)合工藝在輪罩護板的應(yīng)用上是新興技術(shù)，模具開發(fā)周期短、開發(fā)成本低、產(chǎn)品實現(xiàn)輕量化，尤其是復(fù)合PET層后，與注塑工藝相比，在吸音降噪及抗沖擊性方面有一定改善，但產(chǎn)品一致性相對較差，適用于大批量生產(chǎn)且開發(fā)周期要求高的車型。

3 主要性能研究

輪罩擋泥板應(yīng)用于車輪及車身之間，經(jīng)常受到石子、泥沙等的強烈沖擊，尤其是在路況較差的駕駛情況下，惡劣的環(huán)境對輪罩擋泥板的抗沖擊、耐久振動脫落、吸音性能等要求更高，針對吸塑工藝復(fù)合PET輪罩擋泥板在嚴苛試驗條件下的性能進行研究分析。

3.1 力學性能

原材料選用中石化公司的PP顆粒料及德陽永盛無紡制品有限公司的PET無紡布，試驗樣條分別采用微注塑機及切割機進行制備。

沖擊測試參考GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強度的測定》。試樣在測試前進行預(yù)處理，條件為溫度23 ℃，濕度50%，時間為16 h，沖擊的缺口選用A型，擺錘的能量選擇5.5 J[5]；材料的拉伸強度及伸長率的測試參考GB/T 1040.1—2018《塑料 拉伸性能的測定 第1部分： 總則》及GB/T 1040.2—2022《塑料 拉伸性能的測定 第2部分： 模塑和擠塑塑料的試驗條件》，試樣尺寸參考1A，采用拉力試驗機，試驗速度50 mm/min，標距50 mm[6]；PET的拉伸強度測試參考國標GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》，試驗速度300 m/min， 樣件的寬度采用50 mm; 撕裂強度測試參考國標GB/T 3917.2—2009《紡織品 織物撕破性能 第2部分：褲形試樣（單縫）撕破強力的測定》，試驗速度為100 mm/min，樣品的尺寸為200 mm×50 mm×1.5 mm。試驗結(jié)果如表2～表3所示。

試驗結(jié)果均滿足輪罩擋泥板產(chǎn)品的材料性能要求。

3.2 抗石擊性能

將PP與PET復(fù)合片材剪裁成樣片進行碎石沖擊試驗。該試驗采用耐碎石沖擊試驗機（圖4），試樣安裝與石子沖擊方向成90°，石子采用直徑為9～12 mm的花崗巖或大理石，以490 kPa的沖擊力，每次700 g的石子質(zhì)量，平均每次沖擊7～10 s，共進行5個循環(huán)測試，每個循環(huán)在試驗前樣品需分別進行以下3種預(yù)處理：

a. 試樣在23 ℃，50%RH條件下預(yù)處理16 h，放入抗石擊測定儀進行抗石擊試驗；

b. 試樣在低溫-30 ℃環(huán)境中，保持16 h，放入抗石擊測定儀進行抗石擊試驗；

c. 試樣在常溫水的環(huán)境中浸泡16 h后取出，之后在低溫-30 ℃的環(huán)境下保持8 h，放入抗石擊測定儀進行抗石擊試驗。

試驗完成后需要觀察試驗樣件的表面是否存在開裂、出洞等缺陷，判斷是否影響產(chǎn)品性能。

3.3 低溫抗沖擊性能

輪罩擋泥板布置在車身外部，面臨各種惡劣天氣及路況，所以驗證低溫情況下的沖擊性能可以充分模擬這種嚴苛路況（圖5）。零件在低溫（-30 ℃）環(huán)境下存放至少4 h， 使其達到溫度平衡后，使用直徑60 mm，質(zhì)量900 g的鋼球以一定的能量（1.35 J）給予沖擊，沖擊高度根據(jù)式（1）進行計算，試驗后要求產(chǎn)品外觀無明顯變化，功能正常，不可出現(xiàn)開裂、剝離、折斷和永久變形等缺陷（圖6）。

沖擊高度計算公式為：

h=E/mg??????????????????????????????????? （1）

式中：h為沖擊高度，E為沖擊能量，m為鋼球質(zhì)量，g為重力加速度。

試驗結(jié)果：外觀檢查無開裂、剝離、折斷、永久變形等現(xiàn)象。

3.4 振動耐久性能

將PP與PET復(fù)合的輪罩擋泥板產(chǎn)品固定于振動試驗臺上進行試驗，振動參數(shù)見表4。表中，X為X軸水平縱向方向振動，Y為Y軸水平橫向方向振動，Z為縱向方向振動方向；f為振動頻率，S為功率譜密度。

試驗步驟如下：

按圖7 溫度循環(huán)A要求，此環(huán)境下，Z方向振動12 h；

將樣件從試驗臺取下，靜置在以下溫度/濕度要求的環(huán)境箱中依次循環(huán)226 h；

a. 在23 ℃/50%相對濕度條件下保持2 h；

b. 氣候循環(huán)：85%相對濕度，+40 ℃和相對濕度95%，+60 ℃的條件下分別保持5 h，進行6次循環(huán)（共60 h）；

c. 溫度循環(huán)：在T-max和-30 ℃條件下分別保持8小時，進行2.5次循環(huán)（共40 h）；

d. 氣候循環(huán)：85%相對濕度，+40 ℃和相對濕度95%，+60 ℃的條件下分別保持5 h，進行6次循環(huán)（共60 h）；

e. 溫度循環(huán)：在T-max和-30 ℃條件下分別保持8 h，進行2.5次循環(huán)（共40 h）；

f. 在23 ℃/50%相對濕度條件下保持24 h；

重復(fù)a步驟；d步驟參照圖8的溫度循環(huán)B要求并在該環(huán)境下，進行X方向的持續(xù)振動8 h；

按圖8溫度循環(huán)B要求，此環(huán)境下，Y方向振動8 h。

振動耐久臺架試驗后，進行外觀檢查有無破損、異響等問題（圖9～圖10）。

試驗后復(fù)合輪罩擋泥板的整體形貌無變化，外觀檢查無破損，抖動無異響，通過了振動試驗，保證了產(chǎn)品長期使用耐久可靠性。

3.5 吸音性能

除以上產(chǎn)品性能外，輪罩擋泥板如能兼顧良好的吸隔聲效果，對降低路噪、胎噪以及石子沖擊噪聲起到一定降低作用，將對該零件的應(yīng)用賦予更大價值。PP復(fù)合PET的材料組合結(jié)構(gòu)，由于PET材料的形態(tài)是纖維，在PET材料層內(nèi)具有大量微細孔的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中，聲波在進入纖維與相鄰纖維的空隙過程中，與周邊纖維的空隙產(chǎn)生空氣摩擦，并在微觀層面上，材料分子鏈內(nèi)部也產(chǎn)生摩擦，因此可通過摩擦產(chǎn)生的阻力將聲音高效轉(zhuǎn)化為熱能，從而降低汽車在行駛過程中的噪聲對駕乘者的影響[7-8]。因此，在無吸音棉的情況下，也能提升其吸聲系數(shù)，從而提升吸聲效果（圖11）。

吸聲系數(shù)計算公式如下[7]：

[α=EaE0]??????????????????????????????? （2）

式中：Ea為吸收能量，E0為入射到材料的總聲能。

本研究采用PP及PET復(fù)合吸塑與常用PP-TD20材料注塑2種成型工藝進行樣品制備，并進行吸聲系數(shù)測試。參考GB/T 20247—2006《聲學 混響室吸聲測量》[9]，采用Alpha Cabin箱作為設(shè)備聲學測試艙，如圖12所示，分別制備3 mm等厚度，尺寸為1 m×1.2 m的2個長方形樣板進行吸聲系數(shù)的對比測試，如圖13所示測試結(jié)果按公式（3）計算：

α=0.149 96[VS1T1-1T0]?????????????????? （3）

式中：V為Alpha Cabin箱的體積，S為樣件測試面積，T1為Alpha Cabin箱體內(nèi)被測材料聲壓級從初始狀態(tài)衰減60 dB所需時間，T0為無被測材料時聲壓級從初始狀態(tài)衰減60 dB所需時間[7，9]。

測試采用400～10 000 Hz頻率段進行，測試完成后，對PP+PET與PP-TD20的吸聲系數(shù)進行對比分析，結(jié)果見表5。

總結(jié)分析吸音測試結(jié)果（圖14），在頻率段400 ～10 000 Hz測試范圍內(nèi)，PP+PET復(fù)合吸塑樣品的吸聲系數(shù)大體是隨著頻率的提高而增加的趨勢，在高頻率段的效果更好，而PP-TD20注塑樣品的吸聲系數(shù)隨頻率提高而下降，尤其是在頻率1 000 Hz以上時，下降的趨勢更明顯。因此，無論高頻還是低頻段，PP+PET復(fù)合片材的吸聲系數(shù)均明顯高于PP-TD20，在高頻段2 000 Hz以上優(yōu)勢更加明顯，在高頻段PP+PET平均的吸聲系數(shù)比PP-TD20高80%以上。

汽車行駛過程中，在車內(nèi)輪罩位置附近的噪聲在高頻段時居多，因此，PP+PET復(fù)合的輪罩擋泥板相較于PP-TD20注塑件，可有效提升吸音效果，對降低噪聲影響及提升乘坐舒適性起到了積極作用。同時，對輪罩區(qū)域的NVH性能要求不嚴苛的車型，采用PP+PET復(fù)合吸塑輪罩擋泥板替代PP-TD20注塑件，在不增加吸音棉的情況下，既能提升吸隔音效果，又能優(yōu)化單車成本。

由于前輪風阻較大，氣流通過前格柵進入機艙會直接沖擊前輪罩擋泥板，前輪罩擋泥板會受到一定的風阻壓力，為了驗證并避免在高速工況下因輪罩擋泥板發(fā)生變形進而干涉輪胎導致?lián)跄喟迥p的情況發(fā)生，本研究針對一定車速時風阻力加壓條件下，前輪罩護板的變形量進行了CAE建模仿真分析評估，主要采用流場計算結(jié)果中的氣動載荷映射到輪罩擋泥板上，用于結(jié)構(gòu)計算的條件，可計算出氣動載荷對輪罩擋泥板施壓引起的輪罩擋泥板變形。計算選用的工況條件為高速180 km/h。圖15所示為氣動載荷模擬加載點位置示意，圖16為輪罩變形量仿真分析結(jié)果。

從仿真分析結(jié)果來看，輪罩擋泥板的外側(cè)最大變形量為3.88 mm，擋泥板的最大內(nèi)側(cè)變形量為3.26 mm，發(fā)生變形的位置主要集中在安裝點附近及輪罩前側(cè)，輪罩前側(cè)受風阻氣動載荷影響較大，因此該位置更容易發(fā)生變形干涉輪胎。本次分析結(jié)果的變形量很小，因此無干涉風險。輪罩擋泥板產(chǎn)品變形量受制于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝點位置及強度等，因此，采用這種吸塑復(fù)合的輪罩擋泥板需根據(jù)不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能要求以及輪胎包絡(luò)布置限制要求去具體分析，綜合考量，設(shè)計最優(yōu)方案。

本文針對該項技術(shù)的輕量化效果進行了分析，復(fù)合吸塑輪罩擋泥板的密度及設(shè)計厚度均低于PP-TD20注塑件，單車4個輪罩擋泥板的質(zhì)量共減輕1.22 kg，輕量化比例達到22%，吸塑工藝采用的單模具比注塑模具費用低280萬元，單車4個零件（含模具分攤10萬輛車）最終成本核算降低24元（表6）。

4 結(jié)束語

根據(jù)汽車輪罩擋泥板的技術(shù)要求，本文綜合驗證了吸塑復(fù)合輪罩擋泥板的力學性能、抗沖擊性能、耐久性能及吸音性能。試驗表明：該工藝方案在符合產(chǎn)品技術(shù)要求同時，可實現(xiàn)22%輕量化效果。

本研究工藝方案與模壓工藝輕量化效果相當，但不存在涉水后下沉脫落的風險；與注塑工藝比較，輕量化效果顯著，吸音性能更優(yōu)，但力學性能略差，需注意如替代注塑方案，根據(jù)不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝點位置及輪胎包絡(luò)布置要求等，綜合考量，適當進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以避免極端高速工況下干涉輪胎，產(chǎn)生磨損的風險。

參考文獻：

[1] 萬玉峰， 王少松， 姜海濤. 轎車針刺非織造布外輪罩材料設(shè)計及吸聲性能比較[J]. 合成纖維， 2020， 49（6）： 49-5.

[2] 張海濤， 鄧立濤， 秦立友， 等. 汽車輪胎包絡(luò)制作理論的分析研究[J]. 汽車實用技術(shù)， 2015（4）： 146-147.

[3] 王如明， 王克儉. 塑料片材吸塑成型技術(shù)[J]. 塑料包裝， 2020， 30（3）： 1-3.

[4] 張偉， 馬皓. 一種汽車擋泥板的制造方法： CN101722653A[P]. 2010-06-09.

[5] 中國石油和化學工業(yè)協(xié)會. 塑料 懸臂梁沖擊強度的測定： GB/T 1843—2008[S]. 北京： 中國標準出版社， 2008.

[6] 中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會. 塑料 拉伸性能的測定第1部分： 總則： GB/T 1040.1—2018[S]. 北京： 中國標準出版社， 2018.

[7] 謝新星， 楊杉苗， 張曲， 等. 車用輕量化ABA材料吸隔聲特性的計算方法研究[J]. 湖北汽車工業(yè)學院學報， 2018， 32（4）： 35-40.

[8] 孫曉波. 汽車針刺地毯吸聲性能改進研究[J]. 時代汽車， 2022（4）： 164-166.

[9] 中國科學院. 聲學 混響室吸聲測量： GB/T 20247—2006[S]. 北京： 中國標準出版社， 2006.