重卡外饰件轻量化设计方法研究

张辉 李贺 刘维栋

摘 要：文章系统分析研究重卡外饰件的轻量化思路，从轻型材料应用、新型工艺应用、结构拓扑优化、集成化设计等方面对外饰件轻量化思路进行分析和探究。重点介绍了玻璃钢件替代材料和外饰件新工艺。文章也介绍了在多年从事轻量化工作中遇到的一些问题，提出了解决思路和开发方向。

关键词：重卡;外饰件;轻量化;新材料

中图分类号：U462.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）17-82-05

Study on Lightweight Method of Heavy Truck Exterior Decoration

Zhang Hui， Li He， Liu Weidong

（Automotive Engineering Research Institute， Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.， Ltd， Shaanxi Xi'an 710220）

Abstract： This paper firstly introduces the lightweight methods of heavy truck exterior decoration：lightweight materials， lightweight processes， structural topology optimization， and integrated design. Then introduce the substitute materials and processes of UP+GF. This paper also introduces the problems and the methods of the lightweight works. This paper provides some lightweight solutions for heavy truck designers and decoration suppliers.

Keywords： Heavy truck; Exterior decoration; Lightweight; New materials

CLC NO.： U462.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）17-82-05

前言

中国经济的发展已经从高速增长转变为高质量增长阶段。对于汽车行业而言，新技术新材料及 轻量化技术对于提高汽车的核心技术和国际竞争力有着重要作用，不仅推动了行业技术更新换代，而且拉动相关产业经济发展和消费升级。

对主机厂而言，环境保护的压力促使国家出台了相关的节能减排政策和标准。GB 20997-2007《轻型商用车辆燃料消耗量限值》 该国家标准是我国第一个控制商用车燃料消耗量的强制性国家标准。汽车的轻量化是节能减排的重要手段之一，可有效帮助主机厂降低汽车的整备质量，进而降低燃油的消耗量和CO2的排放量。对于新能源重卡而言，自重的降低更是直接提高了车辆的续航里程和续航时间，提高了车企在市场的竞争力。

随着新版GB1589-2016的实施，加之国家对于限超治超整治力度的加大，客戶购买重卡时对车辆自重的关注越来越强烈。数据表明，汽车质量每降低10%，可降低油耗6%-8%。自重的降低不仅为客户降低了油耗，针对载货车辆而言，自重的降低也意味着司机出车可载重更多的货物，提升单趟出车的经济效益。

1 重卡外饰件轻量化方法简介

根据统计，重卡外饰件单车重量约在250-300kg（含底盘件和支架），外饰件轻量化就是在保证使用强度和整车安全性等使用前提下，从多维度进行多目标优化，实现自重的降低。

根据笔者多年从事外饰轻量化的经验总结，对外饰件的轻量化技术途径主要可归纳为以下两点：

（1）非金属轻型材料和工艺应用;

（2）结构优化设计和集成化设计。

方法（2）通常用于结构件的轻量化方案，方法（1）通常用于外饰外板件的轻量化方案。综合应用通常可实现单系统降重15-40%，以某车型为例，经过事实以上措施外饰件降重实现了30-40kg降重。

2 非金属轻型材料和工艺技术应用

传统上重卡外饰使用玻璃钢材料较多，而目前主流重卡外饰件以采用SMC模压工艺的居多。SMC产品以其良好的刚性、强度、可靠性在外饰件中占据了一席之地。

2.1 玻璃钢材料及工艺

UP+GF：UP为不饱和聚酯的国际通用缩写，GF为玻璃纤维的国际通用所写。

SMC：Sheet molding compound，片状模塑料，主要原料为GF（玻璃纤维）、UP（不饱和聚酯）、MD（填料）及各种助剂组成。

2.1.1 SMC模压成型工艺介绍

将一副阴阳模安装在压力机上，将SMC片材在模腔中经过加热加压，使之固化定型。模压法可分为热压法、冷压法。

2.1.2 玻璃钢优缺点和应用介绍

（1）材料优点

相比普通塑料材质具有强度高、刚性高、收缩率小、连接点结构设计简单等特点。

（2）材料缺点

生产过程粉尘污染大，后续需切边打磨，且材料难以回收，难降解，只能打成粉末填埋。密度较大自重大，模压产品通常密度在1.8-1.95g/cm3，相比金属件具有优势，相比热塑性塑料自重无优势。

（3）产品应用

材料在重卡外饰上主要应用在前面罩、上车踏步、保险杠、导流罩等外板件上，优势在于布置结构简单，通常不需要完整的骨架+蒙皮结构，自身刚度较好。

但随着材料技术和工艺的不断日新越益更新换代，其自重较大、材料难以回收、喷涂性能不佳等问题逐渐显现。逐渐出现了以热塑性材料为主的轻量化材料代替玻璃钢材料外饰件的趋势，并且新材料在外饰件中的占比逐年提高。

2.2 纤维增强热塑性塑料

2.2.1 纤维增强热塑性塑料

以PP、PA、ABS等热塑性塑料作为机体，通过填充增强纤维等改性方法获得机械性能更高的新增强塑料。

目前在外饰产品上应用最多的是以PP、PA为基材，填充短玻纤或长玻纤进行增强，常用的有LFT-PP-GF30，PA6-GF30。

以长玻纤增强聚丙烯（以下简称LFT-PP-GF30）材料为例，其参数如下表：

2.2.2 LFT-PP特性

产品由于玻纤保留长度长，在冲击强度、刚度、强度方面性能优异，力学曲线见图3：

相比普通短玻纤增强PP，其制件在变形控制方面较为优良，产品注塑后的变形较小，尺寸稳定，装配后间隙面差表现好。

2.2.3 产品应用

相比SMC产品，采用LFT-PP材料的产品密度可由1.8- 1.95g/cm3降至1.2-1.4 g/cm3，降重比例可达20-35%，同时此材料在刚强度方面性能较好。

在下图所示保险杠产品进行应用，外板由原来的金属+玻璃钢结构改为LFT-PP外板结构，同时骨架进行轻量化拓扑优化，实现总成降重10kg，外板降重贡献度80%。

鉴于以上优良的降重性能，目前已在保险杠、翼子板、导流罩、前面罩扰流板和上车踏步等外饰系统上得到了广泛应用。

2.2.4 设计难点及解决思路

长玻纤增强聚丙烯在外饰件应用上目前较为成熟，但在应用过程中应注意其易变形和外表面缩印等特点。

在设计过程中产品结构应避免过于狭长，同时截面应具备翻边结构，减少平面结构的产生。同时在结构上喷漆件应减少加强筋的布置，如必须时需严格控制加强筋的厚度和拔模角等工艺参数，连接点结构根部应具有减瘦结构。

2.3 PHC蜂窝夹层材料

2.3.1 蜂窝夹层技术

蜂窝夹层技术是将传统工业的蜂窝状或瓦楞状的芯材（纸质、铝、PP或泡沫），在芯材的上下两面各覆盖一层玻璃纤维毡，然后由聚氨酯喷涂系统浸润，并将此夹层结构放入模具中，在130-140摄氏度下直接模压成型的材料和工艺技术。（见下图6）

蜂窝纸板结构内部为空心孔结构，自重较低，且等重下截面刚度较强，同时具备模具费用低，制造周期短等特点，以下以重卡车门装饰板示例，分析其优缺点。

2.3.2 设计难点及解决思路

综合上述分析，蜂窝夹层板材料在自重和整体截面刚度上具有优势，但在价格上较贵，故在产品应用时应结合产品定位和产品年量纲进行综合选择。

2.4 PDCPD聚双环戊二烯材料

PDCPD为双环戊二烯（DCPD）之均聚物或共聚物。为一种交联三维网状结构工程塑料。

PDCPD制品在生产中一般采用RIM工艺，基于高纯度的DCPD（≥98%）经过开环移位聚合反应（ROMP）制得，原料多为双组分体系（A、B液），其工艺过程为：

PDCPD是一種机械物理综合性能很好的新型工程材料，同时拥有高抗冲击强度、高热变形温度和很好的抗老化性能。制件工艺灵活、简单，特别适宜制成高强度、大面积的超薄制件。

2.4.1 PDCPD材料应用

在汽车工业，工程机械制造业、医疗和体育器材、石化管道及民用设施等领域展现了极为广阔的应用前景。尤其在美国卡特彼勒、特雷克斯、德国利勃海尔、瑞典沃尔沃、山特维克和日本建机、小松等著名公司对PDCPD工程塑料的研发与应用已有很多年。

2.4.2 设计难点及解决思路

PDCPD材料整体弹性模量较低，在结构应用时多采用内外板结构或加强筋结构，同时进行充分的CAE强度、刚度论证。见下图：

PDCPD材料性能较为优良，在降自重和表面喷涂性能方面具有一定优势。但目前由于原材料依赖进口，整体成本高于SMC产品和PP+GF产品。

3 结构优化设计和集成化设计

3.1 结构优化设计

车身轻量化系数，该参数最早由宝马公司提出，是指车身轻量化系数用来评价车身轻量化的技术水平。车身轻量化系数：

（1）

M是不包含翼子板的车体重量（kg），CT是车身静态扭转刚度（N·m/（?）），A是车身投影面积。

结构优化设计就是在给定的边界和约束条件下，按照多目标（重量最轻、成本最低、刚度最大）任务进行设计。

具体到外饰件结构，可分为以下两类：

3.1.1 塑料外板件的轻量化结构设计

塑料外板件的结构设计一般是在给定造型面、DTS定义、周边环境的输入后，按照选定工艺和材料、确定零件料厚、安装点布置、加强筋布置的顺序进行方案和细节结构设计，见图14。

合理的轻量化结构设计主要关注的是料厚做到最薄、重量做到最轻、安装点布置到最合理、产品的强度和刚度满足设计和使用要求。

3.1.2 固定支架类的轻量化结构设计

固定支架类的轻量化设计主要从零件的材料适应性设计、拓扑优化、尺寸优化、形状优化四方面设计。

（1）材料适应性设计

通常外饰件固定支架以钣金支架、管类支架和铸钢件为主，随着轻量化需求的不断深入，以铝代钢、以塑代铁的趋势越来越普及。

材料的变更必然带来结构的变化，铝和塑料的强度相应的弱于钢和铁，结构需要进行增强，同时不同材料的工艺也具备差异性。