PMMA材料在车身轻量化方面的应用

高云凯邱 娜栾大齐徐 航赵 勇

（1.同济大学；2.赢创德固赛（中国）投资有限公司；3.上海汽车股份有限公司乘用车分公司）

1 前言

节能、环保、安全是未来汽车发展的主题，而汽车轻量化技术是实现这一目的的主要途径，其中车身轻量化更是提高汽车动力性、降低油耗、节约材耗的关键[1]。车身轻量化与使用材料密切相关，如镁合金等金属结构材料[2]、塑料及其复合材料在轻量化中起到了重要作用。采用塑料及其复合材料可减轻汽车零部件约40%的质量，可降低成本40%，因此开发塑料和复合新材料是车身轻量化发展的趋势。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）具有质量轻、光学性能优良、耐候性好等优点，被广泛应用于车身各部件上。

PMMA俗称亚克力或有机玻璃，是一种可回收的热塑性工程塑料。本文介绍了PMMA塑料在汽车尾灯灯罩、内外饰、固定窗、外装遮阳罩、保险杠等方面的应用，并针对PMMA塑料在车门侧窗玻璃上的应用，从材料和产品性能两方面进行了试验研究和仿真分析。

2 PMMA塑料在车身轻量化上的应用

2.1 在尾灯灯罩上的应用

由于PMMA塑料具有优良的光学性能和耐候性[3]，同时质量轻、易于着色，因此汽车尾灯灯罩一般由PMMA塑料制成，这样既减轻了车身质量，又美化了车身外观。

2.2 在内、外饰上的应用

由于PMMA塑料比一般塑料的光泽度高、表面硬度高，在热塑性材料中抗刮擦能力强，因此PMMA塑料广泛应用于汽车内、外饰上，如汽车标牌、车门挡雨板、车窗隔板、反光镜外盖和车顶导板等外饰件以及高光泽装饰盖等内饰件。

2.3 在固定窗上的应用

由PMMA塑料制成的固定窗具有抗紫外线辐射、抗老化风化等特点，目前已应用于长安奔奔车型的固定三角窗上。

2.4 在外装遮阳罩上的应用

利用PMMA塑料优良的光学性能制成的外装遮阳罩[4]，既遮阳又透光，还能彻底滤掉有害紫外线，同时可保证前方视野清晰。

2.5 在汽车保险杠上的应用

多层复合塑料板材（ABS+PMMA）[5]可用于制造汽车后保险杠[6]。该板材具有优良的抗划伤、抗冲击、抗紫外线能力及抗退色能力且环保，因此非常适合汽车工业轻量化对板材的高质量要求，同时可降低汽车零部件的制造成本。

2.6 其它应用

除上述已成熟的应用外，为了对PMMA塑料在未来汽车应用领域开展可行性研究提供参考，PMMA塑料开始用于正在试制的赛车和概念车上。如赢创工业集团将PMMA塑料应用于莲花赛车前风挡和侧窗玻璃，使得乘客的视野清晰，同时耐辐射性能和抗老化风化性能都有提高；通用汽车公司在2010年上海国际橡塑展上展出的一辆双座电动联网概念车[7]的车身和顶棚即由PMMA等塑料加工而成，车身短小轻便。

3 PMMA侧窗玻璃性能研究

虽然PMMA塑料已经成熟应用于汽车天窗和固定窗，但现阶段将PMMA塑料应用于车门移动窗玻璃还较少，主要原因是车门玻璃耐磨性要求较高。为此，从材料性能和制品性能2个方面对PMMA塑料在汽车后门侧窗玻璃上的应用进行试验研究。

3.1 材料性能

由于目前我国还没有针对塑料车窗的法规，为此，参照ECE R43法规[8]对涂层PMMA玻璃片材、PMMA玻璃片材、不加涂层PC玻璃片材及无机玻璃片材分别进行抗磨性试验、人头模拟冲击试验和抗冲击试验，对比4种材料的力学性能。试验方法[8]见表1，抗磨性试验结果见表2。

表1 试验方法

表2 抗磨性试验结果

试验结果表明，在人头模拟冲击试验和抗冲击试验中，4种材料的试验结果都符合评判标准。由表2可知，在抗磨性试验（4种材料各3块样件）中，PC玻璃片材外表面连续磨耗1000转后的雾度大于2%，抗磨性不合格；PMMA玻璃片材、涂层的PMMA玻璃片材和无机玻璃片材外表面连续磨耗1000转后的雾度均小于2%，PMMA玻璃片材和涂层PMMA玻璃片材内表面连续磨耗100转后的雾度均小于4%，均符合标准规定，而且加涂层PMMA与无机玻璃耐磨性相近，说明加涂层PMMA玻璃符合汽车侧窗玻璃对耐磨性的要求。

在同等条件下对PMMA、PC和无机玻璃3种材料的其它性能进行了对比，结果见表3。由表3可知，与无机玻璃相比，PMMA的密度小，其理论减重50%，轻量化效果显著；PMMA在易成型性、耐冲击性等方面更具有优势，且抗磨性与无机玻璃相近；与PC玻璃相比，PMMA在抗磨性、耐候性、刚性等方面更具有优势。由此可知，PMMA综合了无机玻璃和PC的优点，是理想的玻璃材料。

表3 3种材料的性能对比结果

3.2 制品性能

以某A级车后门侧窗玻璃为例，从PMMA玻璃的热学性能、力学性能和声学性能方面对其在移动窗玻璃上的应用进行试验和仿真分析。

3.2.1 热学性能

在温度分别为-17.9℃、25℃、50℃的环境仓内对PMMA玻璃和无机玻璃进行热协调试验（图1），研究经过10000次升降后PMMA玻璃和无机玻璃的热协调性能，试验结果见表4。由表4可知，PMMA玻璃在不同温度下升降电流变化不大，即平顺性变化不大，表明PMMA玻璃的热协调性比无机玻璃好。

表4 不同温度下PMMA玻璃和无机玻璃热协调性能对比结果

3.2.2 力学性能

考虑到PMMA玻璃刚度比无机玻璃小，在升降过程中可能存在与密封条、窗框产生偏差干涉问题，因此从玻璃运动偏差、升降平顺性、密封条变形、疲劳耐久性、密封条截面优化等方面进行分析。

3.2.2.1 玻璃运动偏差分析

选取玻璃上12行4列点（图2），由三坐标测量仪测得玻璃运动过程中与窗框的偏差[9]，结果如图3所示。图3中黑点表示玻璃上点的位置，线条长短表示该点偏差值大小，由于无机玻璃线条比PMMA玻璃的线条长，即PMMA玻璃的运动偏差小于无机玻璃。

3.2.2.2 升降平顺性分析

通过测量玻璃的升降电流曲线来衡量玻璃的升降平顺性[10]。由表4可知，常温下经10000次升降后PMMA玻璃的升降电流比无机玻璃的小很多，说明PMMA玻璃比无机玻璃的平顺性好，升降周期缩短，电流变化平缓。

3.2.2.3 疲劳耐久性分析

利用疲劳耐久试验机 （图4）分别对PMMA玻璃和无机玻璃进行 3000、5000、10000次升降后再测量玻璃的运动偏差和升降电流，并观察密封条状态。结果表明，经过10000次升降后，PMMA玻璃的运动偏差变化程度和升降电流变化程度均比无机玻璃小，性能较稳定；而无机玻璃在3500次升降后开始出现异响，密封条局部严重磨耗。因此，PMMA玻璃比无机玻璃疲劳耐久性好。

3.2.2.4 密封条仿真与截面优化

上述试验中选取的是与无机玻璃相配合的密封条，而PMMA玻璃在应用过程中需要设计与其相配合的密封条截面形状，因此通过对与PMMA玻璃相配合的密封条进行动力学仿真 （图5），研究了PMMA玻璃与密封条的干涉情况[11]，进而设计与PMMA玻璃最匹配的密封条形状。图6为优化前、后的密封条截面形状，其中1、2、3、4表示密封条截面优化部分。可知，与优化前相比，优化后密封条的应力减小，玻璃运动对密封条磨耗降低。

3.2.3 声学性能

对PMMA玻璃的声学性能进行验证，分析在实际应用中能否满足汽车玻璃的声学要求，以保证乘客的舒适性。

根据 GB/T 19899.3（ISO140—3），在同济大学声学所对PMMA玻璃和无机玻璃的隔声性能进行测试（图7）。试验结果表明，PMMA玻璃的计权隔声量Rw（C；Ctr）为 25.3（-1；-3）dB，而无机玻璃的为 26.8（-2；-4）dB。对比2种材料玻璃制品的隔声量曲线（图8）可知，PMMA玻璃在高频段隔声量稍有下降，但在人耳比较敏感的中低频噪声环境中，与传统无机玻璃隔声性能相当，因此对车内噪声影响较小。

此外，在全消声室内对PMMA玻璃和无机玻璃的辐射噪声进行测试（图9）。测试方法是采用激振器对车门进行激励，在距车窗玻璃中心不同距离处，利用传声器测量因车门玻璃振动而辐射噪声值。对比PMMA玻璃与无机玻璃声辐射曲线 （图10）可知，在0.75 m的范围内，PMMA玻璃的A声级比无机玻璃A声级高约1～2 dB，表明在相同激励下，PMMA玻璃比无机玻璃声辐射能力要强，这与PMMA玻璃刚度小有很大关系。可选择硬度较小的的密封条材料来减缓由车门传到侧窗玻璃上的振动，从而降低声辐射；也可通过适当增大PMMA玻璃厚度提高其刚度，以降低振动幅度，从而减小辐射噪声。

4 结束语

针对PMMA塑料在汽车玻璃上的应用进行了试验研究。研究表明，加涂层PMMA玻璃的耐磨性与无机玻璃相近，在轻量化、耐冲击性等方面优于无机玻璃；由PMMA塑料制成的玻璃破碎时不会产生尖锐碎片，使其安全性得到提高。

通过分析PMMA侧窗玻璃的力学性能、热学性能和声学性能可知，PMMA玻璃与窗框、密封条的协调性能比无机玻璃好，热协调性能提高，且升降更平顺，在基本保证性能的同时能够有效地减轻车身质量。

1 高云凯.汽车车身结构分析.北京:北京理工大学出版社，2005.

2 高云凯，李彩玉，孙芳，等.基于变形镁合金的座椅靠背骨架轻量化设计.汽车技术，2010（4）:57～61.

3 宋义飞，李中斌，史荣波.非透明PMMA材料在汽车上的应用.中国汽车工程学会.安徽:汽车内外饰产品及新材料国际研讨会，2009:69～70.

4 李帮山.国外重型载货车用非金属材料.汽车工艺与材料，2005（1）:20～22.

5 肖俊恒.减振橡胶设计方法的研究.中国铁道科学，2001（6）:111～116.

6 高斌，吴百中.基于新型免涂装复合塑料板材的吸塑成型汽车零件技术.轻工机械，2009，20（3）:84～90.

7 治明.通用EN-V微型电动概念车.国外塑料2010，28（6）:65.

8 ECE R43，Uniform provisions concerning the approval of safety glazing materials and their installation on vehicles.

9 Qiu Na， Luan Daqi， Gao Yunkai.A Test Method for Auto⁃motive Door Glass Motion Deviation.Chinese Construction machinery society.ShangHai:Proceedings of 2011 Interna⁃tional Conference on Advances in Construction Machinery and Vehicle Engineering.2011:393～396.

10 Kaushlendra Singh，Experimental Assessment Of Door Window Glass Smooth Operation And Tracking，SAE1999-01-3161.

11 Makoto Kanamori， Yukio Isomura， Katsuhiro Suzuki， Dy⁃namic Finite Element Analysis of Window Regulator Link⁃age System Using LS-DYNA，SAE980308.