于忠娟（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

關(guān)于塑料翼子板的設(shè)計(jì)探討

于忠娟
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先著重論述了汽車輕量化在汽車工業(yè)中的重要性，尤其是翼子板的設(shè)計(jì)現(xiàn)已引入塑料翼子板的設(shè)計(jì)理念。對(duì)塑料翼子板的具體產(chǎn)品特性，又分別從重量、工藝、材料、結(jié)構(gòu)和CAE 模擬分析等方面進(jìn)行探討。通過某一車型翼子板為例，講述了塑料翼子板設(shè)計(jì)上應(yīng)該注意的事項(xiàng)及其實(shí)際運(yùn)用效果，總結(jié)出其在汽車輕量化方面的可實(shí)施性及突出優(yōu)勢(shì)。

輕量化；塑料翼子板；CAE分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.013

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-32-03

引言

對(duì)于汽車輕量化受到國際國內(nèi)汽車行業(yè)的越來越重視，各國專家紛紛研究，歐洲鋁協(xié)數(shù)據(jù)表明，汽車重量每降低100公斤，每百公里可節(jié)約0.6升燃油。大量使用輕量化材料制造的汽車，平均每輛可降低重量300公斤（從 1400公斤到1100公斤），壽命期內(nèi)排放可降低20%。由此可見，伴隨輕量化而來的突出優(yōu)點(diǎn)就是油耗顯著降低，汽車車身約占汽車總質(zhì)量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身質(zhì)量上，必須要堅(jiān)強(qiáng)自重以提高整車燃料經(jīng)濟(jì)性為目的。

對(duì)車身的輕量化而言，一是可以對(duì)車身結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即改進(jìn)結(jié)構(gòu)、減少零部件數(shù)量、使部件薄壁化、小型化、復(fù)合化等方式來使車身零部件結(jié)構(gòu)改進(jìn)；二是采用輕質(zhì)的金屬和非金屬材料來達(dá)到減重的目的，主要采用高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、工程塑料、復(fù)合材料等。其中塑料的應(yīng)用范圍除了普通的外觀覆蓋件外， 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車上的功能零部件， 如塑料翼子板、門內(nèi)模塊、前端模塊、背胎盒以及背門系統(tǒng)等。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 RSA ClioII /Clio III/ Megane II/Laguna II/PSA 307/807/C4、 VWTouareg / Phaeton/New beetle、BMW 6系列/3系列/ New X5 等等。本文將以塑料翼子板為題材， 從設(shè)計(jì)角度進(jìn)行詳細(xì)講解。

1、塑料翼子板的設(shè)計(jì)探討

1.1塑料翼子板的優(yōu)勢(shì)

塑料翼子板與傳統(tǒng)的鈑金翼子板的對(duì)比優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）相對(duì)于金屬件有很大的造型自由度提升；

（2）相對(duì)于金屬高達(dá)40%的減重；

（3）低速碰撞可回彈復(fù)原，減免維修費(fèi)用；

（4）耐侵蝕；

（5）更高的集成程度；

（6）一次成型，降低了模具費(fèi)用；

（7）強(qiáng)度低，發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)行人的傷害性小，提高了車輛的行人保護(hù)性能。

1.2現(xiàn)有翼子板的涂裝工藝流程

1.2.1常見的白車身涂裝工藝流程

白車身→電泳及烘干→底漆噴涂及烘干→色漆噴涂→清漆噴涂及烘干（見圖 1）。電泳、底漆和清漆的烘干溫度基本設(shè)定在140 ℃以上。

圖1　金屬白車身的生產(chǎn)工藝流程

1.2.2塑料翼子板的涂裝工藝流程

根據(jù)上述白車身的工藝要求，現(xiàn)有的塑料翼子板噴涂工藝有Online、Inline以及Offline等3種，通過圖2所示，說明了塑料翼子板的三種工藝流程。

圖2　塑料翼子板的3種工藝流程

（1）Online工藝是在焊裝車間，便把塑料翼子板裝配到車身上，工藝順序同鈑金翼子板，其對(duì)塑料原材料的耐高溫要求更高（起碼要能夠滿足金屬白車身的電泳烘烤溫度要求）。 Online工藝的塑料翼子板需要與金屬白車身一起進(jìn)行在線電泳和噴涂，所以塑料原材所需具備電泳所需的導(dǎo)電功能。同時(shí)在油漆完成后需要再次安裝、調(diào)整，以確保塑料翼子板與車身匹配到位，因此需要OEM在生產(chǎn)流水線上設(shè)置裝配、調(diào)試塑料翼子板的2道工序空間。

（2）Inline工藝是塑料翼子板在電泳烘烤之后，底涂之前裝配，其需要在涂裝車間增加安裝工位及相關(guān)的清洗裝備，對(duì)塑料原材料的耐高溫性能要求非常高（起碼能夠達(dá)到白車身的油漆烘烤溫度要求）。

（3）Offline 由于是離線噴涂，其實(shí)在總裝車間裝配，OEM完全可以忽略上述在線電泳、油漆、增加工序、預(yù)裝配及最終裝配等因素造成的質(zhì)量（包括表面質(zhì)量及匹配尺寸質(zhì)量）風(fēng)險(xiǎn)，但色差問題為其存在最大的問題。

1.3塑料翼子板的材料及性能

現(xiàn)有的塑料翼子板原材料有PA+PPO、PA+ABS+GF9、TPO+M30。不同工藝的各種塑料翼子板的材料性能對(duì)比見表1和圖4。從表1和圖4可以看出，Online工藝以及Inline工藝所用的塑料原材料的剛性比 Offline 工藝的材料要好，但在強(qiáng)度以及工藝性方面，Offline 的材料比其他兩種工藝的材料要好。這主要是由于Online工藝以及Inline工藝所用的材料中存在PA成分，而PA材料的工藝控制性以及尺寸穩(wěn)定性是比較差的。

表1　不同工藝的各種塑料翼子板的材料性能對(duì)比

圖3　線性膨脹系數(shù)對(duì)照?qǐng)D

1.4固定形式

1.4.1定位設(shè)計(jì)

定位點(diǎn)的選擇是塑料翼子板正常安裝和使用的基本條件， 它對(duì)整個(gè)塑料翼子板的結(jié)構(gòu)和公差設(shè)置起著決定性的作用?？紤]到翼子板與A 立柱和前門間隙的重要性，結(jié)合塑料材料線性膨脹系數(shù)較大的特性， 通常將塑料翼子板的定位點(diǎn)選擇在A 立柱附近，塑料翼子板的結(jié)構(gòu)和安裝孔的公差都將以此定位點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖4所示：

圖4　塑料翼子板定位圖

1.4.2 滑塊緊固方式設(shè)計(jì)

由于塑料翼子板在online inline 的工藝方案下，需通過涂裝車間，在冷熱巨大的溫差下，塑料翼子板的熱膨脹變形量較大，需要設(shè)計(jì)特殊的滑動(dòng)結(jié)構(gòu)來釋放由于熱膨脹所帶來的零部件尺寸變大和冷卻后的尺寸收縮，從而有效防止塑料翼子板在線噴涂時(shí)的變形。熱膨脹變形量計(jì)算公式如下：

D =(T1 -T2 )×L ×α

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

以1m尺寸，進(jìn)入涂裝烘房為例，變形數(shù)值為：

D=［180-（-30）］×1×9.6×10-5=0.020m。

180℃為烘房一般設(shè)定溫度，-30℃為外部環(huán)境的極限低溫。

對(duì)此需要設(shè)計(jì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)來應(yīng)對(duì)經(jīng)過涂裝車間較高的溫度變化。現(xiàn)設(shè)計(jì)基本有兩種滑塊方式，一為塑料滑扣式（見圖5）；二為金屬滑片式（見圖6）。

圖5　塑料滑扣式　

　圖6　金屬滑片式

兩種方式允許在噴涂烘烤的過程中，膨脹變形引起的滑動(dòng)，當(dāng)溫度常溫時(shí)，恢復(fù)到原尺寸。并且塑料滑扣式利用可斷裂的緊固件，在發(fā)生15 km/hr前撞的情況下保護(hù)翼子板，同樣其塑料滑扣式比金屬滑片式在成本費(fèi)用上較高。

1.5塑料翼子板行人保護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)行人保護(hù)頭部區(qū)域要求，兒童碰撞區(qū)可以有不超過1/2的面積HIC小于1700g，其余面積HIC不大于1000g，而整個(gè)碰撞區(qū)要滿足：不超過1/3 面積的HIC小于1700g，其余面積HIC不大于1000g。 如圖7所示：

圖7　行人保護(hù)頭部碰撞區(qū)劃分

圖8　頭部碰撞試驗(yàn)對(duì)比分析

為了對(duì)行人起到保護(hù)的作用，對(duì)塑料翼子板設(shè)計(jì)相關(guān)的吸能區(qū)域，以達(dá)到保護(hù)行人目的。從圖8所示可以看出，塑料翼子板能夠利用自身良好的抗沖擊性來減少行人保護(hù)的HIC 值，提高行人頭部碰撞保護(hù)的能力。對(duì)于涉及到法規(guī)要求的翼子板，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析可知，塑料翼子板的翻邊設(shè)計(jì)達(dá)到60mm 以上，就能夠輕易地降低HIC 值，達(dá)到行人保護(hù)法規(guī)的要求。

1.6塑料翼子板實(shí)物變形量

要實(shí)現(xiàn)塑料翼子板的運(yùn)用可行性，關(guān)鍵在于其裝配可靠性，尤其是 online/inline方案，溫度的影響尤為重要。針對(duì)此其熱漲變形量的影響，便是考察的重點(diǎn)。其通過CAE分析，其高溫過后理論變形量，見圖 9。再通過實(shí)物過涂裝線測量前實(shí)驗(yàn)前后 XY三方向的變形量。具體可參見圖 10，圖11表明CAE分析結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比狀況。

圖9　模擬分析變形量（常溫）

圖10　實(shí)際過涂裝線后變形量　

圖11　CAE分析結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)上述結(jié)果對(duì)比，能夠看出塑料翼子板的變化量是較為穩(wěn)定，并且是前期設(shè)計(jì)時(shí)，可預(yù)設(shè)與周邊部件的間隙面差，以達(dá)到變形后與周圍部件配合良好的目的。

2、結(jié)論

隨著現(xiàn)在汽車工業(yè)的發(fā)展，對(duì)汽車輕量化的要求也越來來越高。塑料翼子板現(xiàn)已成為輕量化的可實(shí)施部件，其在減重、防腐性、行人保護(hù)等方面具有金屬翼子板無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，其在國外車型上有較為廣泛的運(yùn)用，現(xiàn)在國內(nèi)也有初步的發(fā)展，相信輕量化的思想將運(yùn)用的汽車上其他更多的部件上。為社會(huì)環(huán)保做出更大的貢獻(xiàn)。

[1] 汽車工程手冊(cè)編委會(huì).汽車工程手冊(cè)—設(shè)計(jì)篇[M].北京:人民交通出版社,2001(01).

[2] 黃世霖,張金換.汽車碰撞與安全[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.

[3] 周達(dá)飛.汽車用塑料——塑料在汽車中的應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[4] 戈曉嵐.材料工程學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

Discussion on Plastic Fender Design

Yu Zhongjuan
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper focuses on the automotive lightweight importance in the automotive industry. In particular fender design has been introduced plastic fender design. Plastic fender for specific product characteristics, and separately from the weight, processes, materials, structures and other aspects of CAE simulation analysis to explore. Through a car fender, for example, tells the plastic fender design should pay attention to its practical application results. Summed up in the car weight reduction can be implemented and outstanding advantages.

light weight; plastic fender; CAE analysis

U463.8

A

1671-7988（2015）12-32-03

于忠娟，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心車身電子院。