客车顶置空调壳体选材及工艺分析

赵 贵

(河南中鼎智建科技有限公司，郑州 450000)

客车顶置空调的传统材料为铝合金和玻璃钢。铝合金壳体材料成本高，制造工序多；玻璃钢壳体生产周期长，质量不稳定。上述问题制约了顶置空调壳体的批量化、低成本生产。研究、探索和应用新型的材料及制造工艺，成为客车空调行业迫在眉睫的需求。本文成功将热固性复合材料SMC及热塑性复合材料LFT-D应用于客车空调壳体的批量化制作，取得良好的经济效益和社会效益。

1 客车顶置空调壳体选材基本要求

1) 力学性能。客车顶置空调壳体是顶置空调的骨架和空调有关部件的安装基础，在吊装、安装、冲击、振动等工况下壳体要保持其内部零部件完好，具有足够的强度、韧性等力学性能是壳体材料选择的首要因素。

2) 轻量化。为降低整车重心，保证行车稳定性，位于客车车顶的空调壳体选材轻量化要求就尤其突出。另外，空调壳体作为较大的结构件，从节能角度出发，也要求其选材必须考虑轻量化。

3) 隔热性能。空调在制冷时，蒸发舱内温度与车顶外部环境温度差可以达到30 ℃以上。因此，良好的隔热性能是空调壳体选材必须考虑的一项重要指标。

4) 环保性能。随着环保要求的提高，空调壳体材料的异味，对人体有害物质(如笨、甲醛、TVOC等)的挥发情况，其制造过程是否污染环境，产品报废后能否被回收利用和能否被自然环境降解等环保性能，也要综合考虑。

2 壳体材料及成型工艺分析

2.1 客车顶置空调传统壳体

客车顶置空调传统壳体材料为铝合金和玻璃钢。铝合金壳体常用于高端产品，玻璃钢壳体常用于经济型产品。

2.1.1 铝合金壳体

铝合金壳体是以厚度为2～3 mm的铝合金板进行剪切、折弯、拼焊等加工而成。使用铝合金板，其力学性能满足使用要求；铝合金板比钢板密度低，与钢板相比可实现轻量化目标；其制作工艺无需模具，设计灵活性强，非常适用于小批量生产。

但使用铝合金材料制作的空调壳体要满足隔热要求则价格高、工序多，且需辅助使用大量密封胶及保温棉。因此其综合成本高，环保性也会变差。

2.1.2 玻璃钢壳体

玻璃钢是一种以不饱和树脂作为基材，玻璃纤维织物作为增强材料的复合材料。因其强度相当于钢材，色泽、形态类似于玻璃，又具有耐腐蚀、隔热等性能，故俗称玻璃钢。

玻璃钢的成型工艺一般为手工糊制和机制。因客车空调壳体结构复杂，一般采用手工糊制，其成型过程为：在模具(单独凹模)上涂刷树脂，再在树脂上铺设一层玻璃纤维织物，并使玻璃纤维与树脂充分浸润，然后手持工具碾压排除气泡，使玻璃纤维与树脂浸透；再涂一层树脂，铺一层玻璃纤维，再进行手工碾压浸透，如此操作直至达到设计厚度(一般铺3层，4～5 mm厚)。最后等待树脂固化定型(4～12 h)。

手工糊制玻璃钢壳体在制造和应用过程中主要存在3个问题：

1) 生产周期长且人工成本高，需等待制品凝固，不利于大批量生产。

2) 树脂在自然环境下固化，会向空气中排放气味浓烈的挥发性化学物质，且壳体报废后无法回收降解，不符合环保要求。

3) 手工糊制过程无法充分排除气泡，会在产品中形成夹层，进而导致空调壳体漏水，存在质量隐患。

以上问题严重制约手工糊制玻璃钢壳体在客车空调中的应用。2014年，宇通客车淘汰了所有涉及车内空气质量的玻璃钢制品。

2.2 客车顶置空调新型模压壳体

本文分析两种新型壳体材料及成型工艺。

2.2.1 热固性复合材料及模压成型工艺

以热固性塑料为基材的片状模塑料SMC，是一种将树脂和切断的玻璃纤维及粉状填料充分混合，做成未固化粘稠状态的复合材料。其以优良的机械性能和经济的制造成本，成为客车空调壳体新材料的首选。

SMC片材主要成分也是不饱和树脂和玻璃纤维。与玻璃钢不同的是，SMC的树脂中添加了低收缩剂、缓固化剂等添加剂，使得树脂可以在常温时不固化，高温时快速固化；另外，SMC中的玻璃纤维为短切纤维(长度5～10 mm)，而非玻璃钢中的连续纤维织物。

其成型工艺如图1所示，将SMC片材放置于可加热(约160 ℃)的钢制模具(凸模和凹模)中，压力机滑块迅速下行下压，在800 kg/m压力下闭合模具并保温(约160 ℃)保压(5～10 min)，使SMC片材中的填料和短切纤维随着树脂流动充满模腔并在高温下快速固化形成制品后直接脱模取出，然后在空气中自然冷却约20 min，实现完全定型。

图1 SMC模压壳体的成型

以上工艺得到的SMC模压壳体的力学性能高于玻璃钢壳体，重量与玻璃钢壳体持平。因产品在压力机和模具下成型，生产效率大幅提高，可达到15 min一件，产品质量稳定性也得以保证。2012年，宇通客车和中通客车开始小批量应用SMC模压壳体空调，之后SMC模压壳体迅速成为玻璃钢壳体的替代产品，并且取代了一些铝合金壳体。

由于钢制模具成本较高(200万元以上)，只有同一款产品大批量(5 000件以上)生产时，模具成本才划算，这限制了该种材料及工艺在客车空调中的大面积应用。

另外，由于热固性复合材料固化后无法再还原，所以其壳体制品报废后无法回收再利用，只能粉碎填埋。从环保角度考虑，热固性材料将会被可回收的热塑性材料替代。

2.2.2 热塑性复合材料及模压成型工艺

长纤维增强热塑性在线直接模压成型复合材料(LFT-D)与玻璃钢相比，其基材由玻璃钢的树脂改为PP塑料，增强材料由连续纤维织物改为5～10 mm长纤维段；与SMC相比，其基材由SMC的热固性树脂改为热塑性PP，增强材料都为5～10 mm的长纤维段。其成型工艺流程如图2所示，具体为：以PP塑料颗粒为原料，用螺杆机将PP颗粒加热熔化，混入在线切断的长玻纤(长度5～10 mm),再用双螺杆机将PP与玻璃纤维混合搅拌，输出200 ℃左右半熔融状态的混合料，迅速用机器手抓取投入模具模腔中，压力机快速闭合模具并加压(压力1 000 kg/m)，使半熔融状态的混合料充满模腔，冷却5 min左右即可定型出模。

图2 LFT-D工艺流程

LFT-D及其成型技术将传统注射成型的热塑性材料PP改为在线模压成型，这样就可以在PP中加入30%比例的长纤维，保证了制品的力学性能。在轻量化方面，与SMC材料相比，制品材料密度由1 900 kg/m降为1 400 kg/m，壳体减重25%。同时，热塑性基材制品报废后，可以回收再利用，符合环保要求。

但由于LFT-D的成型设备投入及模具设计制造成本较高，故该产品只适用于大批量生产。2014年，宇通客车旗下的科林空调率先进行了LFT-D壳体的试制和应用，随后，LFT-D壳体空调先后在双回风空调、全电空调、校车空调等产品中分别替代SMC及铝合金壳体，年产近4 000台，占比80%，实现了大批量应用。

随着电动客车的推广，客车空调壳体材料的轻量化或将成为未来壳体材料选择的首要因素。将目前轻量化效果最优的热塑性复合材料LFT-D继续进行轻量化，可将基材PP改为发泡PP(EPP)，相比LFT-D，EPP空调壳体还可减重至少50%，同时，EPP良好的保温性能也非常适合于空调壳体。但为保证空调壳体的力学性能，需要进行EPP内置铝合金型材框架的研究。

2.3 综合对比

1) 玻璃钢因有有害物质挥发、制作过程人工成本高、不可回收等缺点，在客车空调壳体上的应用将不断减少甚至被淘汰。

2) 铝合金壳体的材料及生产成本高，但可设计性能好，模具成本低，依然是小批量产品的首选材料。

3) SMC壳体力学性能良好，生产设备简单，生产效率高，材料成本低，适合于传统客车空调壳体的大批量应用。

4) LFT-D壳体因其显著的轻量化及环保优势，在电动客车空调壳体大批量生产中成为首选材料。

3 结束语

在空调壳体材料选择时，除了考虑上述各性能要求外，还需考虑该型空调壳体的量产规模，并预测未来的发展方向。此外，材料的选择是基于产品设计结构的，若产品结构出现大的改变，材料的选择也应与之相匹配。