汽车轻量化之内饰篇

赵志刚　刘立涛　刘宏萱

摘 要：新能源汽车的迅猛发展，受到了人们的广泛关注。汽车内饰的轻量化可以降低车体重量，从而提高汽车的动力性，减少燃料的消耗。本文主要对新能源汽车的内饰进行研究，主要从结构轻量化设计，轻量化材料及轻量化加工工艺等方面展开了介绍，并总结了汽车内饰轻量化技术的特点。

关键词：轻量化;内饰;汽车

1 概述

随着人们对环境的越来越重视，环保要求越来越严苛，新能源汽车的发展受到了广大科研工作者的关注。汽车轻量化的前提是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，最大限度的降低整车质量。研究表明，汽车质量减少100kg，每一百公里可节省燃油0.3L，可减少CO2排放8～11kg。因此，对汽车进行轻量化的发展有着非常重要的意义。目前，汽车轻量化设计中，主要是从结构优化、先进的轻量化制造技术及材料替换三个方面进行研究。结构优化主要分为三个方面，尺寸优化、形状优化及拓扑优化。先进的轻量化制造技术是减少材料成型工序。轻量化材料是目前最主要降低车身重量的方法，采用全铝车身，重量可以减轻50%。进一步降低车身重量，最佳的候选材料是纤维增强材料，其具有耐腐蚀性、耐冲击性、隔音效果好等优势。

在新能源汽车的快速发展下，轻量化的设计已经在多款车型上有所展现。汽车车身内饰件大体可分为仪表板和副仪表板、地板护面、侧围护面、车门内饰、顶棚、后围护面、行李箱护面、座椅、立柱饰板等几大部分组成。本文主要介绍车门内饰板、立柱饰板及顶棚的轻量化技术，从结构、制造技术及材料方面来研究内饰件的发展趋势。

2 内饰件结构轻量化设计

轻量化结构设计主要有五類构造，分别是（1）差动构造;（2）整体构造;（3）集成构造;（4）复合构造;（5）实壁体与壳体。轻量化结构设计要根据所设计的零件及其功能，来选择合适的构造方式。

2.1 车门内饰轻量化结构设计

门护板总成由结构件、功能件、装饰件等三大部分组成，设计要考虑功能件与结构件的组合——集成构造。

2.1.1 紧固件位置的优化

优化模式是尺寸优化，结构元素信息包括了壳厚度，梁横截面属性，弹簧刚度，质量，通过Altair有限元软件优化。目标函数是最大一阶振动频率（1stmodefrequency），设计变量是紧固件位置。约束条件是1阶振动频率大于90赫兹，最大热位移小于5.2毫米。把相关参数输入Altair有限软件优化模拟后，可以得出紧固件的布局及紧固件的尺寸大小。

2.1.2 优化凸缘筋的布局

通过拓扑优化的方法，实现结构的形状与材料分布的合理优化，通过Altair有限元软件。目标函数是最小凸缘面积的质量，设计变量是凸缘的厚度。把相关参数输入Altair有限元软件优化模拟后，可以对凸缘筋进行拓扑优化。

2.2 立柱饰板轻量化结构设计

立柱饰板轻量化结构设计一般采用整体构造，整体（一体化）原理是将单一结构件的数量减少到最低，这通常以一件式的方式实现。如今，整体构造原理得到了进一步的发展，即通过造型实现多种功能（孔，轴颈等）的一体化。从实现最小重量来说，整体构造是合适的方法。整体构造是采用同样的材料，zhang研究了苎麻纤维增强复合材料通过整体成型技术（integral molding technology）制备了B立柱饰板，降低了重量，且试验测试其最大承载重量为24.1N/g。

2.3 顶棚轻量化结构设计

顶棚轻量化结构设计常常采用复合构造，及三明治式结构。Borazjani[12]采用三明治式结构设计了顶棚系统，碳/环氧复合面板材料和高密度发泡聚丙烯泡沫层心，面板厚度可到0.6mm，泡沫芯层密度为70Kg/m3，相比钢制部件，其重量仅为其的68%。

3 轻量化加工工艺

3.1 塑料加工

3.1.1 注塑压缩成型

注塑压缩成型是将注塑成型和压缩成型两种形式结合在一起的一种先进的注塑成型技术。当模具未完全闭合时，将其注入熔体中，然后将熔体在均匀的压缩力或均匀的压力保护下挤压到模具腔中。注塑压缩成型技术比注射成型技术具有更小的夹紧力和注塑压力，以减少塑件的内应力。

压制工艺主要用于生产纤维增强塑料部件。生产部件时可以使用机械压力或液压压力，以及两件或者多件组成的模具。为了缩短周期，通常在模具之外对材料进行预热，预热方式有高频预热，微波预热，红外预热，炉具加热或摩擦生热。在螺杆机组中，模塑材料与注塑成型时的相同，并在旋转螺杆的作用下被塑化，然后由作为活塞用的螺杆送入压模。

3.1.2 微发泡工艺

门饰板微发泡工艺包括物理发泡和化学发泡。相比其他减重方案，微发泡减重效果最为明显，筋壁厚比可达1：1，不易发生翘曲缩痕，产品尺寸稳定性好。

物理发泡为将氮气或者二氧化碳，与熔融状态的塑料均匀混合后，注入模具成型的过程，其减重约8-12%。物理发泡过程需额外投入发泡设备，且产品不能作为外观件。化学发泡是以化学发泡剂为气源，得到产品内部呈气孔结构、表面呈韧结皮状的塑料制件，其减重约20-30%，但是产品模具成本高。

3.1.3 挤压注塑成型

挤出主要用于聚合物熔体的输出和混合，以及着色和脱气，主要利用旋转螺杆的作用，根据数量，只带一个螺杆的简单结构的机器占主导地位。将聚合物熔体加工成型为半成品（如板、薄膜、型材、外壳或涂层），是利用一个法兰安装在挤出机上的模具经过适当的后续处理来实现的。挤出生产线的核心部件是挤出机。最常见的类型是单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。单螺杆挤出机的特征是结构形式简单，几乎是唯一作为塑化挤出机使用的挤出机。双螺杆挤出机有两个同向或反向旋转的螺杆，主要用于混合，即用于掺入添加剂、着色剂、填料或增强材料。

此外，还有许多特殊结构类型，如环形挤出机，行星辊挤出机，柱塞式挤出机，捏合机，销钉式挤出机等。

3.2 纤维增强塑料的加工

短纤维增强、长纤维增强和连续纤维增强这些概念的方式往往各不相同。除了生产和加工之外，基于所用的基质，纤维的类型以及在部件中所能达到的纤维长度，所涉及的纤维复合材料还有技术上的区别。然而，在使用长纤维增强材料时，部件中的纤维长度分布取决于工艺参数和几何边缘条件。冲击挤压工艺的目标是生产准各向同性的部件。在此类部件中，根据纤维长度分布和模具填充过程，会产生流动引起的各向异性。

采用天然麻纤维添加辅材，通过热压和模内注塑一次成型门饰板，具有质量轻，韧性强及环保等优势。麻纤维注塑门饰板材料选用麻纤维+PP，采用模压或模压注塑混合成型。主要优点为NVH性能好、安全、舒适、环保。但是麻纤维材料成本高，且麻纤维成型后表面必须增加包覆PVC表皮，导致产品成本较普通PP材料上升170-200%。BMW集团已经使用10000公吨的自然纤维生产汽车零件，汉麻纤维含量的增加，可以提高零件的拉伸性和抗弯曲性。寶马7系-S车上使用了24Kg的自然纤维材料，Ford使用红麻纤维材料在Mondeo车的门护板上。剑麻纤维材料拥有很好的拉伸性能，且具备良好的耐酸、耐碱、耐盐水等特性，BMW集团已在多款车型上使用了剑麻纤维材料。Mercedes Benz内饰门板采用了亚麻/剑麻增强环氧树脂复合材料，重量减轻了20%。

纳米纤维素（CNCs）已经广泛应用于是各行各业，一般通过酸水解法制备，原材料来源于木材、棉花等。该材料具有许多优异的性能，如表面积大、抗拉强度高、刚度大、优异的胶体稳定性等。汽车行业，纳米纤维素增强聚合物复合材料能显著降低车身重量，Daimler，Fiat，General Motors，BMW，Toyota和Volkswagen都使用了CNCs增强复合材料。

4 总结

综上所述，汽车内饰轻量化设计旨在通过减轻汽车的整体质量，来达到降低能耗的效果，满足现代社会环境保护和可持续发展的理念和社会要求。内饰件的发展有以下几个特点：

1.结构设计方面，车门内饰件通过合理布置紧固件的位置和凸缘筋的位置及尺寸，可以增强其刚度，提高耐撞性。立柱饰板采用整体成型技术，可以减少加工工序。顶棚采用复合构造，既能减轻重量，又不会降低刚度;

2.天然纤维复合材料在内饰领域应用广泛，且也能满足安全性能要求。特别是麻纤维在汽车内饰上的应用，抗拉强度、抗弯性能及拉伸强度都有提高;

3.轻量化加工工艺目的是减少成型工序。针对材料的特性，选择合适的加工方法至关重要。

参考文献：

[1]黄志亮，景一柱，周广洲，丁闰，汽车内饰轻量化工艺研究，科技创新与应用（28） （2017）61-61.

[2]姚凌云，塑料在汽车轻量化设计中的应用，西南汽车信息（2018年第8期总第389期），2018.

[3]G. Belingardi， A.T. Beyene， E.G. Koricho， B. Martorana， Lightweight solutions for vehicle frontal bumper，（2017）365-393.

[4]B.克莱恩，轻量化设计，2010.

[5]A. Ramezani Kakroodi， Y. Kazemi， D. Rodrigue， Mechanical， rheological， morphological and water absorption properties of maleated polyethylene/hemp composites： Effect of ground tire rubber addition， Composites Part B： Engineering 51（2013）337-344.