关于塑料翼子板的设计探讨

于忠娟（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

关于塑料翼子板的设计探讨

于忠娟
（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先着重论述了汽车轻量化在汽车工业中的重要性，尤其是翼子板的设计现已引入塑料翼子板的设计理念。对塑料翼子板的具体产品特性，又分别从重量、工艺、材料、结构和CAE 模拟分析等方面进行探讨。通过某一车型翼子板为例，讲述了塑料翼子板设计上应该注意的事项及其实际运用效果，总结出其在汽车轻量化方面的可实施性及突出优势。

轻量化；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

对于汽车轻量化受到国际国内汽车行业的越来越重视，各国专家纷纷研究，欧洲铝协数据表明，汽车重量每降低100公斤，每百公里可节约0.6升燃油。大量使用轻量化材料制造的汽车，平均每辆可降低重量300公斤（从 1400公斤到1100公斤），寿命期内排放可降低20%。由此可见，伴随轻量化而来的突出优点就是油耗显著降低，汽车车身约占汽车总质量的30%，空载情况下，约70%的油耗用在车身质量上，必须要坚强自重以提高整车燃料经济性为目的。

对车身的轻量化而言，一是可以对车身结构形式进行优化设计，即改进结构、减少零部件数量、使部件薄壁化、小型化、复合化等方式来使车身零部件结构改进；二是采用轻质的金属和非金属材料来达到减重的目的，主要采用高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料、复合材料等。其中塑料的应用范围除了普通的外观覆盖件外， 已经广泛应用于汽车上的功能零部件， 如塑料翼子板、门内模块、前端模块、背胎盒以及背门系统等。塑料翼子板已经在越来越多的汽车产品上得到应用，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。本文将以塑料翼子板为题材， 从设计角度进行详细讲解。

1、塑料翼子板的设计探讨

1.1塑料翼子板的优势

塑料翼子板与传统的钣金翼子板的对比优势主要体现在以下几个方面：

（1）相对于金属件有很大的造型自由度提升；

（2）相对于金属高达40%的减重；

（3）低速碰撞可回弹复原，减免维修费用；

（4）耐侵蚀；

（5）更高的集成程度；

（6）一次成型，降低了模具费用；

（7）强度低，发生碰撞时对行人的伤害性小，提高了车辆的行人保护性能。

1.2现有翼子板的涂装工艺流程

1.2.1常见的白车身涂装工艺流程

白车身→电泳及烘干→底漆喷涂及烘干→色漆喷涂→清漆喷涂及烘干（见图 1）。电泳、底漆和清漆的烘干温度基本设定在140 ℃以上。

图1　金属白车身的生产工艺流程

1.2.2塑料翼子板的涂装工艺流程

根据上述白车身的工艺要求，现有的塑料翼子板喷涂工艺有Online、Inline以及Offline等3种，通过图2所示，说明了塑料翼子板的三种工艺流程。

图2　塑料翼子板的3种工艺流程

（1）Online工艺是在焊装车间，便把塑料翼子板装配到车身上，工艺顺序同钣金翼子板，其对塑料原材料的耐高温要求更高（起码要能够满足金属白车身的电泳烘烤温度要求）。 Online工艺的塑料翼子板需要与金属白车身一起进行在线电泳和喷涂，所以塑料原材所需具备电泳所需的导电功能。同时在油漆完成后需要再次安装、调整，以确保塑料翼子板与车身匹配到位，因此需要OEM在生产流水线上设置装配、调试塑料翼子板的2道工序空间。

（2）Inline工艺是塑料翼子板在电泳烘烤之后，底涂之前装配，其需要在涂装车间增加安装工位及相关的清洗装备，对塑料原材料的耐高温性能要求非常高（起码能够达到白车身的油漆烘烤温度要求）。

（3）Offline 由于是离线喷涂，其实在总装车间装配，OEM完全可以忽略上述在线电泳、油漆、增加工序、预装配及最终装配等因素造成的质量（包括表面质量及匹配尺寸质量）风险，但色差问题为其存在最大的问题。

1.3塑料翼子板的材料及性能

现有的塑料翼子板原材料有PA+PPO、PA+ABS+GF9、TPO+M30。不同工艺的各种塑料翼子板的材料性能对比见表1和图4。从表1和图4可以看出，Online工艺以及Inline工艺所用的塑料原材料的刚性比 Offline 工艺的材料要好，但在强度以及工艺性方面，Offline 的材料比其他两种工艺的材料要好。这主要是由于Online工艺以及Inline工艺所用的材料中存在PA成分，而PA材料的工艺控制性以及尺寸稳定性是比较差的。

表1　不同工艺的各种塑料翼子板的材料性能对比

图3　线性膨胀系数对照图

1.4固定形式

1.4.1定位设计

定位点的选择是塑料翼子板正常安装和使用的基本条件， 它对整个塑料翼子板的结构和公差设置起着决定性的作用。考虑到翼子板与A 立柱和前门间隙的重要性，结合塑料材料线性膨胀系数较大的特性， 通常将塑料翼子板的定位点选择在A 立柱附近，塑料翼子板的结构和安装孔的公差都将以此定位点为基准进行设计。如图4所示：

图4　塑料翼子板定位图

1.4.2 滑块紧固方式设计

由于塑料翼子板在online inline 的工艺方案下，需通过涂装车间，在冷热巨大的温差下，塑料翼子板的热膨胀变形量较大，需要设计特殊的滑动结构来释放由于热膨胀所带来的零部件尺寸变大和冷却后的尺寸收缩，从而有效防止塑料翼子板在线喷涂时的变形。热膨胀变形量计算公式如下：

D =(T1 -T2 )×L ×α

式中，D为变形量，T1为高温，T2为低温，L为长度，α为热膨胀系数。

以1m尺寸，进入涂装烘房为例，变形数值为：

D=［180-（-30）］×1×9.6×10-5=0.020m。

180℃为烘房一般设定温度，-30℃为外部环境的极限低温。

对此需要设计滑动机构来应对经过涂装车间较高的温度变化。现设计基本有两种滑块方式，一为塑料滑扣式（见图5）；二为金属滑片式（见图6）。

图5　塑料滑扣式　

　图6　金属滑片式

两种方式允许在喷涂烘烤的过程中，膨胀变形引起的滑动，当温度常温时，恢复到原尺寸。并且塑料滑扣式利用可断裂的紧固件，在发生15 km/hr前撞的情况下保护翼子板，同样其塑料滑扣式比金属滑片式在成本费用上较高。

1.5塑料翼子板行人保护的结构设计

根据行人保护头部区域要求，儿童碰撞区可以有不超过1/2的面积HIC小于1700g，其余面积HIC不大于1000g，而整个碰撞区要满足：不超过1/3 面积的HIC小于1700g，其余面积HIC不大于1000g。 如图7所示：

图7　行人保护头部碰撞区划分

图8　头部碰撞试验对比分析

为了对行人起到保护的作用，对塑料翼子板设计相关的吸能区域，以达到保护行人目的。从图8所示可以看出，塑料翼子板能够利用自身良好的抗冲击性来减少行人保护的HIC 值，提高行人头部碰撞保护的能力。对于涉及到法规要求的翼子板，通过实验对比分析可知，塑料翼子板的翻边设计达到60mm 以上，就能够轻易地降低HIC 值，达到行人保护法规的要求。

1.6塑料翼子板实物变形量

要实现塑料翼子板的运用可行性，关键在于其装配可靠性，尤其是 online/inline方案，温度的影响尤为重要。针对此其热涨变形量的影响，便是考察的重点。其通过CAE分析，其高温过后理论变形量，见图 9。再通过实物过涂装线测量前实验前后 XY三方向的变形量。具体可参见图 10，图11表明CAE分析结果与实际实验结果的数据对比状况。

图9　模拟分析变形量（常温）

图10　实际过涂装线后变形量　

图11　CAE分析结果与实际实验结果的数据对比

根据上述结果对比，能够看出塑料翼子板的变化量是较为稳定，并且是前期设计时，可预设与周边部件的间隙面差，以达到变形后与周围部件配合良好的目的。

2、结论

随着现在汽车工业的发展，对汽车轻量化的要求也越来来越高。塑料翼子板现已成为轻量化的可实施部件，其在减重、防腐性、行人保护等方面具有金属翼子板无法比拟的优点，其在国外车型上有较为广泛的运用，现在国内也有初步的发展，相信轻量化的思想将运用的汽车上其他更多的部件上。为社会环保做出更大的贡献。

[1] 汽车工程手册编委会.汽车工程手册—设计篇[M].北京:人民交通出版社,2001(01).

[2] 黄世霖,张金换.汽车碰撞与安全[M].北京:清华大学出版社,2000.

[3] 周达飞.汽车用塑料——塑料在汽车中的应用[M].北京:化学工业出版社,2003.

[4] 戈晓岚.材料工程学[M].北京:机械工业出版社,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，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心车身电子院。