長玻纖增強材料在汽車塑料尾門中的應用

邵萌，王燕文

(上海世科嘉車輛技術研發(fā)有限公司，上海 200123)

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長玻纖增強材料在汽車塑料尾門中的應用

邵萌，王燕文

(上海世科嘉車輛技術研發(fā)有限公司，上海 200123)

摘要：對汽車尾門采用的新型長玻纖增強聚丙烯熱塑性復合材料(PP-LGF材料)的輕量化技術進行介紹和分析。說明PP-LGF材料在滿足塑料尾門性能要求的同時，降低汽車尾門的質量，給造型提供了更多的自由度，有著非常廣闊的應用前景。

關鍵詞：汽車輕量化; 長玻纖增強聚丙烯；塑料尾門；復合材料

0引言

在當前面臨全球氣候變暖以及能源危機的大形勢下，汽車的排放有著越來越嚴格的要求。以歐盟為例，2020年，歐盟范圍內銷售的95%的新車，其平均單車碳排放需控制在95 g/km之內。超出標準的碳排放量中，超出的第1 克罰金為5歐元，第2 克罰金15歐元，第3 克罰金25歐元，從第4 克開始，每克罰金為95歐元。同樣，中國的《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量核算辦法》確定的節(jié)能汽車發(fā)展目標是：到2020年，當年生產的乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/(102km)。

汽車輕量化是降低汽車排放、提高燃油效率的最有效措施之一,是汽車技術發(fā)展上的一個關鍵方向。研究表明: 汽車的自身質量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%[1]。對應歐盟的CO2排放指標，汽車的自身質量每減少100 kg，CO2排放可以降低10 g/km[2]。

在輕量化要求的同時，汽車的可靠性、安全性、舒適性的要求也在提升。這就要求在汽車設計中采用各種新型的結構和材料，在減輕質量的同時保證其強度、剛度等各種性能的平衡。在這方面，一種長玻纖增強聚丙烯熱塑性復合材料(簡稱PP-LGF材料)是一種重要的技術。近年來，兼顧了低密度和高強度特性的長玻纖增強聚丙烯熱塑性復合材料開始用于汽車的各個部件，越來越多的車型采用該材料生產前端模塊、儀表板骨架等，并且開始探索將該材料用于其他各結構件。其中一個新型的研究熱點就是塑料尾門。

1塑料尾門技術發(fā)展及對比分析

縱觀全球，各個整車廠陸續(xù)對塑料尾門進行許多嘗試和應用。從材料技術的角度，基本可以分成兩代。

第一代，尾門的內外板由SMC或GMT構成。該技術早在20世紀90年代就已出現(xiàn)，該GMT技術以玻璃纖維(氈)為增強材料，熱塑性樹脂為基體，通過加溫、加壓制成復合材料，取代部分金屬材料，獲得一定的減重效果。采用該技術的主要車型有標志的508 SW、雪鐵龍的C4畢加索、切諾基吉普車、日產的Murano以及國內的榮威E50等。

但由于該技術采用的是模壓工藝，工藝上的限制導致無法實現(xiàn)復雜的立體結構，影響了減重效果和復雜造型的實現(xiàn)。另外，模壓工藝生產周期長，對大規(guī)模生產節(jié)拍有一定的制約。再加上近年來日趨嚴格的ELV法規(guī)對回收利用的要求，各個公司開始嘗試第二代解決方案。

第二代，尾門采用聚丙烯塑料外板，內板由長玻纖增強聚丙烯熱塑性復合材料(PP-LGF材料)構成。該PP-LGF材料技術采用注塑成型技術，將PP-LGF材料注塑直接成型制作尾門內板。由于PP-LGF材料有著優(yōu)異的機械性能，同時注塑成型技術賦予其極自由的成形形狀，可局部實現(xiàn)復雜的加強結構，再加上更小的密度，減重效果優(yōu)異，目前已是塑料尾門主流方向，包括之前采用第一代技術的公司也紛紛嘗試PP-LGF材料技術的尾門。目前，采用該技術的已量產的車型主要有：新一代日產奇駿、寶馬i3、福特Kuga、標志雪鐵龍308s、雷諾新Clio以及斯巴魯R1等。

采用該PP-LGF材料技術的尾門，實現(xiàn)了顯著的減重效果、更好的生產效率以及表面質量提升到可直接外露的水平(無需內飾板裝飾)，目前已成為塑料尾門的設計趨勢。文中也將針對該材料方案展開分析和介紹。

2PP-LGF材料塑料尾門性能分析

2.1PP-LGF材料優(yōu)點及應用

由于PP材料本身有著熱塑性材料的特點，再添加長玻纖材料在其中，使其產生了優(yōu)異的機械性能和耐高低溫性能。其特點如下：

(1)密度小、強度高。尾門常用的PP-LGF材料密度在1.2 kg/m3左右，僅為SMC的1/4，鋼材的1/6，而彎曲模量可以達到8 000 MPa以上。

(2)結構設計自由。PP-LGF材料采用注塑工藝，可以成型出復雜結構和曲面，實現(xiàn)優(yōu)化的剛度質量比，達到很好的減重。

(3)生產效率高。PP-LGF材料采用注塑工藝，已經在汽車零部件上大量應用，生產效率完全可以滿足大規(guī)模生產的節(jié)拍要求。

(4)耐熱穩(wěn)定性好。PP-LGF材料在常規(guī)聚丙烯內添加了長波纖組分，大大提高了其耐熱性能，長期使用溫度提高到100 ℃以上，甚至已可以滿足發(fā)動機艙的環(huán)境應用要求。

(5)表面質量較高。PP-LGF材料流動性好，成品表面質量可以達到內飾板的標準，作為結構件可以直接外露而無需內飾件遮蓋。

(6)材料利用率高達95%，生產損耗小。

正因為有著如上優(yōu)點，PP-LGF材料在汽車上的應用也越來越廣。幾乎所有的主機廠均有采用PP-LGF材料的成功案例，其主要應用涵蓋了前端模塊、保險杠梁、儀表板、車門模塊、底護板、電池托架等各個部位。

2.2PP-LGF材料塑料尾門與金屬尾門對比

就材料本身屬性來說，塑料的強度沒有金屬高，但是通過改變厚度或優(yōu)化結構完全可以達到與金屬相同的強度，并且質量還更輕。因此，通過結構的優(yōu)化設計，PP-LGF材料完全可以達到金屬尾門的結構強度要求。同時，PP-LGF材料可以針對局部做不等厚度、局部加強的設計，使得材料的力學利用效率提高。另外，相比之下，金屬尾門則只能做成統(tǒng)一的厚度，這樣會造成某些部分設計過度(指某些部位強度遠大于安全標準，額外增加成本)。

另外，在實現(xiàn)相當的機械性能的基礎上，PP-LGF材料的塑料尾門相比于傳統(tǒng)的金屬尾門有著更多的優(yōu)勢：

(1)減重，降低整車油耗和CO2排放。降低整車質量是目前各個主機廠追求的目標。PP-LGF材料的密度大約只有鐵的1/7，相同機械性能最高可以達到50%的減重，但考慮到高溫、疲勞等復雜工況的要求，采用PP-LGF材料的尾門整體基本可以實現(xiàn)約30%的減重。

一個典型的例子是日產的某車型，其尾門采用PP-LGF材料的內板和TPO(Thermoplastics Polyolefin)的外板，實現(xiàn)了相比金屬30%的減重，并且提高了10%的燃油經濟性[3]。另一個在中國的例子，最新上市的標致雪鐵龍的某車型尾門(如圖1所示)，塑料尾門的質量只有12 kg，相比于原金屬的尾門減重了25%[4]。

(2)集成度高、設計性強、降低造車成本?，F(xiàn)在，無論是汽車的動力總成還是電子系統(tǒng)，對于集成度的要求越來越高，以此來減少部件的數量，達到降本、減重的效果，在尾門上同樣有這樣的需求。PP-LGF材料的塑料尾門相比金屬尾門能夠在集成度上做得更出色，金屬部件需要用10個的話，塑料部件只需要3個甚至2個即可，這也就意味著在組裝車身時可以節(jié)省大量時間。一個典型例子：車尾門上方都有一塊擾流板，若是金屬尾門，那么這塊擾流板需要采用額外的工序加裝上去；而采用PP-LGF材料的塑料尾門方案，則尾門和擾流板可實現(xiàn)一體化，節(jié)省了多余的工序。另外，金屬尾門在外形設計上局限性較大，設計時很難達到理想的空氣動力學造型。而且，金屬尾門的邊緣需要采用許多密封件來保證車門的密封性，塑料尾門則無需這些密封件，因為它的強可塑性讓車門邊緣非常平整和光滑，不存在密封性問題。同時，可塑性強也使得塑料尾門能夠設計成更多變的造型。

(3)復原性好，用車成本少。 在城市中，90%的車輛碰撞都是低速碰撞。金屬材料由于沒有彈性，一旦發(fā)生形變則無法還原，重新塑形、噴漆昂貴。熱塑性材料的低模量使得此類塑料尾門在低速碰撞之后有自動復原的功能：即在受到較低速度的沖擊時，塑料會彈性變形，吸收大量的沖擊能量，然后恢復原形。另外，塑料的耐腐蝕性也要遠遠大于金屬，即便表層漆面受損，也不會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，從而節(jié)省一部分保養(yǎng)開支。

3PP-LGF材料塑料尾門的開發(fā)及設計

3.1塑料尾門的整體設計

在設計上，傳統(tǒng)尾門原金屬部分通常由兩部分構成：尾門內板和尾門外板。而高度集成的塑料尾門同樣由尾門內板和尾門外板構成，其中尾門外板根據造型分塊的不同，可以拆分成上外板和下外板；尾門內板為PP-LGF材料，尾門外板為低線性膨脹系數的聚丙烯材料。塑料尾門主要部件爆炸圖如圖2所示。

尾門內板主要作用是承載和提供強度剛度支持，選用PP-LGF材料，在實現(xiàn)可塑性的同時，提供高強度的性能。在結構設計上，需要布置大量的空間加強筋以提高效率。如圖2中結構，尾門內板的上部和尾門內板的D柱區(qū)域是重點加強區(qū)域，加強筋的結構、深度、走向都需要經過CAE拓撲仿真來優(yōu)化。

對于尾門外板，主要用以實現(xiàn)外觀造型。由于聚丙烯材料的高流動性，可以實現(xiàn)很多鈑金所不能實現(xiàn)的形狀和結構，可以給造型增加極大的自由度。對于塑料尾門外板的材料，需要

特別注意的是塑料會存在比鈑金明顯的熱脹冷縮，塑料尾門外板應選用和內板線性膨脹系數接近的材料，從而避免不同的變形引起外觀質量上的缺陷。

3.2塑料尾門工藝

塑料尾門的內外板均采用注塑工藝。尾門內外板之間采用膠粘合工藝?？紤]到PP-LGF材料各向異性的特點，一般需用專用的模流分析軟件來進行仿真，指導模具的開發(fā)和設計，控制零件的尺寸和性能。尤其尾門組裝后系統(tǒng)的翹曲尺寸分析，應當納入整個仿真以獲得最佳控制效果[5]。

3.3塑料尾門的結構分析

塑料尾門作為一個活動的功能件，其邊界條件和工況遠比一般的結構件復雜。在結構設計中應參考金屬尾門的工況進行分析和結構設計。但在具體設計中，重點考慮力的傳遞路徑，同時需考慮到塑料在不同溫度下的機械性能差異，以較安全的系數進行設計。

設計的模擬和計算，一般有兩種方法相互校核：一種是基于變形量的剛度分析，即采用有限元分析工具計算尾門在施加特定載荷的工況下所產生的變形量，進而計算出產品相應的剛度；另一種是基于應力的破壞分析，即采用有限元分析工具計算尾門在施加特定載荷的工況下所產生的應力，并和材料的特性進行比對，進而分析產品的強度[6]。

尾門的結構分析工況眾多，文中不一一列舉。為突出塑料尾門的特點，以關鍵指標扭轉剛度分析為例，該工況如圖3所示，分析該工況下某車型尾門的極限變形量：根據該工況，分別展開基于變形量的剛度分析和基于應力的破壞分析。基于變形量的剛度分析，考慮到塑料的特性，分別對23、60及80 ℃溫度下的情形進行分析，結果如圖3所示，尤其是最惡劣的80 ℃工況，最大變形量仍小于設計指標，剛度滿足設計要求。另外其內應力遠遠小于材料的破壞應力，強度也滿足設計要求。

綜上，塑料尾門的設計，應充分發(fā)揮塑料材料的特點，集成各種周邊零件，同時優(yōu)化內部結構強化布置，以實現(xiàn)質量和成本的最優(yōu)。

4PP-LGF材料塑料尾門前景展望

利用以塑代鋼技術實現(xiàn)汽車輕量化，是當前汽車新材料應用研究的熱點。而PP-LGF材料憑借著優(yōu)異的材料特性、卓越

的減重效果、良好的加工性以及日益優(yōu)化的系統(tǒng)成本，已成為以塑代鋼的焦點。

在歐美國家，PP-LGF的塑料尾門已經開始部分量產應用，而當前國內的塑料尾門開發(fā)剛剛起步。隨著國家日益嚴格的節(jié)能減排要求、國內對PP-LGF材料尾門技術的認知度不斷提高,以及PP-LGF塑料尾門產業(yè)環(huán)境日漸成熟，PP-LGF材料塑料尾門必將憑借著可靠、高效、輕量化、美觀的特點，獲得廣泛的應用。

參考文獻:

【1】馮美斌.汽車輕量化技術中新材料的發(fā)展及應用[J].汽車工程,2006,28(3):213-220.

【2】American Chemistry Council.Chemistry and Light Vehicle[R].USA,2012.

【3】TENORIO A C,LIPKA DD.Nissan Liftgate Points to Bright Future for Olefin Plastics[R].SAE International Technical Paper,2014-01-1059.

【4】HAUTE M.All-thermoplastic Tailgate Brings Peugeot a 20% Weight Saving[N].PlasticEurope,2013-11-09.

【5】BRANDS D.Assessment of Warpage Severity in Assembled Lightweight Products Using Long Glass Fiber-filled PP[C]//AWPP,2013.

【6】高秀琴.有限單元法原理及應用簡明教程[M].北京：化學工業(yè)出版社,2008.

PP-LGF Application in Automotive Plastic Tailgate

SHAO Meng, WANG Yanwen

(Shanghai SICAR Automotive Research Co.,Ltd., Shanghai 200123,China)

Keywords:Light weight; PP-LGF; Plastic tailgate; Composite material

Abstract:A new light weight solution with PP-LGF material for automotive tailgate was introduced. PP-LGF material can not only meet the performance requirement of tailgate, but also reduce the part weight and increase the styling freedom, which will be widely used in future.

收稿日期：2016-03-03

作者簡介：邵萌(1980—)，男，碩士， 研究方向為汽車設計、新型材料、輕量化。E-mail：asimon@126.com。

中圖分類號:U465.6

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)05-086-04