秦 柳，丁玉梅，肖 勇，焦志偉，虞華春，楊衛(wèi)民＊

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2.寧波格林美孚新材料科技有限公司，浙江 慈溪315300；3.汽車塑化裝備制造重點實驗室，北京100029）

0 前言

轎車車身質(zhì)量約占整車的40%，據(jù)統(tǒng)計約60%的汽車能耗產(chǎn)生于汽車車身［1］。通過減輕汽車車身質(zhì)量，可有效提高汽車的動力利用率，實現(xiàn)汽車節(jié)能減排，降低環(huán)境污染。目前，使用輕質(zhì)材料是實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑之一，國際汽車工業(yè)領(lǐng)域普遍認(rèn)為復(fù)合材料是下一代汽車的主體材料。與此同時，美國和歐洲汽車工業(yè)已成為復(fù)合材料最大用戶，約占復(fù)合材料總產(chǎn)量的30%［2］。

20世紀(jì)80年代末，由復(fù)合材料制造的翼子板、保險杠、引擎蓋、車頂棚、車門便得到了大量的應(yīng)用和推廣，并用復(fù)合材料來實現(xiàn)了轎車車身和卡車駕駛室的制造。戴姆勒－克萊斯勒公司通過聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料模壓注塑生產(chǎn)了第一輛真正意義的塑料汽車“復(fù)合概念車”（CCV）［3］。近年來，國內(nèi)一些重型卡車生產(chǎn)廠家也逐步推出復(fù)合材料駕駛室。同時上海通用和東風(fēng)汽車都準(zhǔn)備研發(fā)復(fù)合材料車身轎車。隨著復(fù)合材料的發(fā)展，預(yù)計2015年，復(fù)合無骨架車身會成為汽車輕量化的發(fā)展趨勢，并且車身通過由多種加工工藝綜合應(yīng)用來共同實現(xiàn)［4］。

汽車車身復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）由于其優(yōu)良性能，應(yīng)用最為廣泛。FRP 制造工藝有很多種。其中成型方法主要有：手糊工藝、片狀模壓料（SMC）、團(tuán)狀模壓料（BMC）、層壓成型、拉擠成型、反應(yīng)注塑、噴射成型、樹脂傳遞模塑成型（RTM）、真空導(dǎo)流成型、樹脂膜浸漬（RFI）成型、纏繞成型等工藝。旋塑成型也應(yīng)用于復(fù)合材料成型各種高品質(zhì)表面的制件，如游艇、料玩具、塑料玩具、汽車車殼等。道達(dá)爾公司采用旋塑成型制造的汽車車身。

隨著旋塑成型技術(shù)的研究和發(fā)展，通過利用旋塑成型技術(shù)制造一體化全塑汽車車身成為了現(xiàn)實。浙江海鷹包裝公司利用旋塑成型技術(shù)開發(fā)了微型電動汽車覆蓋件［5］，北京化工大學(xué)汽車塑化裝備制造重點實驗室通過旋塑成型制造方法已研發(fā)了全塑車身整體一次成型的加工方法，根據(jù)對汽車類型，進(jìn)行了有關(guān)旋塑成型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)、烘箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化分析，以及對全塑車身的成型工藝進(jìn)行了長期探索。

1 車身外觀的輕量化設(shè)計

本文所設(shè)計的全塑汽車車身，其結(jié)構(gòu)需要內(nèi)部C面與汽車底架、內(nèi)部零件部分進(jìn)行有效地連接與配合，同時與所設(shè)計的汽車外殼車體有效結(jié)合在一起，完成汽車車體的設(shè)計，如圖1 所示。通過把汽車的結(jié)構(gòu)部件集成在一起，不僅能保證汽車在整體裝配上的尺寸精度，同時可以簡化汽車零部件的生產(chǎn)流程和研發(fā)步驟。目前旋塑制品的壁厚能達(dá)到2mm 以上，與傳統(tǒng)的汽車外部覆蓋件的厚度基本一致，并可根據(jù)制品需求進(jìn)行壁厚調(diào)整，實現(xiàn)全塑車身的功能、結(jié)構(gòu)的要求，并實現(xiàn)汽車車身的輕量化。

圖1 全塑車身與車體／底架組裝的圖片F(xiàn)ig.1 All－plastic body and assembly of vehicle body／underframe

2 全塑車身關(guān)鍵部位的一體化

全塑汽車車身一體化的設(shè)計主要包括汽車外表面與汽車內(nèi)表面的設(shè)計，外表面的設(shè)計是基于所掃描的汽車點云數(shù)據(jù)來做逆向設(shè)計，汽車的內(nèi)表面設(shè)計是根據(jù)所涉及的汽車的零部件和安裝在汽車車體上的零部件進(jìn)行的設(shè)計。下面主要從車身上的燈罩、擋泥板、翼子板一體化的例子做講解說明。

2.1 車身與燈罩

通過汽車的發(fā)展史，我們可以發(fā)現(xiàn)汽車燈罩的設(shè)計已經(jīng)融入到汽車車身設(shè)計當(dāng)中，并且其設(shè)計帶來的造型美感已經(jīng)逐步成為人們選擇汽車的標(biāo)準(zhǔn)。并且隨著材料發(fā)展和技術(shù)的突破，汽車的前照燈及其燈罩的形式和造型也越來越時尚，越來越新穎［7］。

通過對所采集的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）模型重建是三維逆向工程中最關(guān)鍵、最困難的一個環(huán)節(jié)。首先需對掃描所采集的車燈點云數(shù)據(jù)進(jìn)行光順、降噪、濾波等操作，如圖2 所示，根據(jù)點云的邊界、曲率、斷面拾取其特征位置，方便構(gòu)建CAD 模型。

圖2 汽車前大燈燈罩優(yōu)化后的點云圖Fig.2 Car headlight's point clouds before optimization

再通過Imageware軟件的曲線構(gòu)建和編輯功能來構(gòu)建符合需求的曲線。最后通過其曲面構(gòu)建功能快速構(gòu)建Class A 曲面，如圖3所示，并且其曲面檢測功能可實時檢測曲面與點云的誤差，保證曲面的品質(zhì)。

圖3 汽車前大燈燈罩平面建模圖Fig.3 Modeling for the lampshade of the car headlight

汽車前照燈的車燈在車身上的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)所采購的汽車透鏡產(chǎn)品的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時通過光學(xué)軟件ASAP 對模型進(jìn)行模擬分析，使其能夠滿足汽車的車燈設(shè)計的相關(guān)法規(guī)要求。例如車大燈的燈座結(jié)構(gòu)等，如圖4所示。

圖4 汽車前大燈燈座構(gòu)建Fig.4 Design of the auto front lamp holder

2.2 車身與擋泥板

擋泥板作為汽車不可缺少的外購零部件，要求其具有耐老化、抗腐蝕、耐油污、較高的力學(xué)性能，尤其是需要較高的拉伸彈性模量，以及較好的撓曲性等特點。過去通常采用薄鐵板制作，隨著汽車輕量化的要求，現(xiàn)在通常采用橡膠板來作為擋泥板。張華［8］等對旋塑成型的汽車擋泥板進(jìn)行試驗研究，得出通過共混料可以實現(xiàn)擋泥板的功能的結(jié)論。

對于擋泥板的結(jié)構(gòu)設(shè)計首先需要確定車輪上跳到極限位置所需要占用的空間，從而確定車輪與輪罩之間的運(yùn)動間隙是否足夠，由此決定前后輪罩的邊界尺寸，指導(dǎo)擋泥板的結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計。為了更好地獲得直觀、全面的輪胎幾何信息。通過UG 軟件建立其虛擬樣機(jī)模型，帶轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的懸架虛擬樣機(jī)模型包括：前輪、電池底架、轉(zhuǎn)向器總成、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿、減震器總成等。所采用的汽車輪胎的型號為155／65 R13。按照國家標(biāo)準(zhǔn)的尺寸，即輪胎外徑為531.7mm，輪胎的斷面寬度為155 mm。在UG 軟件車輛設(shè)計自動化模塊中通過輪胎包絡(luò)體命令創(chuàng)建包含輪胎運(yùn)動全程的特征包絡(luò)體。通過添加合適的運(yùn)動副，輸入相關(guān)的參數(shù)。得到輪胎的跳動的變化的包絡(luò)體。如圖5所示，不僅可以校核底架的空間布置情況，同時對輪罩和擋泥板的設(shè)計提供了依據(jù)。

由于對旋塑成型工藝和汽車結(jié)構(gòu)的要求，對于汽車車身與擋泥板的一體化采用分開成型的方法，把擋泥板與汽車的地板一起旋塑成型，最終與汽車車身連接配合，如圖6所示。這樣不僅降低了汽車車身的制造難度，生產(chǎn)過程的生產(chǎn)難度，與此同時也方便了汽車模具的設(shè)計，便于汽車內(nèi)模的開模。

2.3 車身與翼子板

目前，汽車塑料件的應(yīng)用已經(jīng)逐漸從起汽車內(nèi)飾件向外飾件拓展，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸應(yīng)用在保險杠、后備箱蓋、車門模塊、頂蓋等。塑料翼子板也已經(jīng)被奔馳、寶馬、雷諾、大眾等公司實際應(yīng)用了，并逐漸被廣大消費者認(rèn)同［9］。翼子板塑化的可以實現(xiàn)汽車的輕量化，降低汽車的自身質(zhì)量；提高與保險杠的裝配精度；可以比傳統(tǒng)鐵質(zhì)翼子板有更復(fù)雜的造型；并且由于塑料自身具有較好的緩沖性能，可以更好地起到保護(hù)作用。隨著材料和成型技術(shù)的發(fā)展，車身外覆蓋件的一體化也逐步實現(xiàn)，一體化后的翼子板通過車身與翼子板結(jié)合為一體，具有如下的優(yōu)勢：

圖5 麥弗遜獨立懸架模型與輪胎包絡(luò)體Fig.5 Macpherson independent suspension model and tire envelope

圖6 獨立旋塑底板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Pictures of the independent plastic body floor

（1）節(jié)約成本，通過把翼子板與汽車車身一體化后，消除了對于翼子板的單獨模具的研發(fā)，裝備的投資等，提高其市場的適應(yīng)性和競爭力；

（2）集成化，翼子板與汽車車身一體化后，可使得翼子板與前后保險杠、側(cè)圍總成等合為一體，大大減少了汽車車身覆蓋件的數(shù)量，同時避免了由于裝配零件帶來的裝配誤差，使得汽車車身整體與汽車底盤、保險杠進(jìn)行裝配，可提高了其安裝精度；

（3）自由造型，塑料可以比金屬材料有更好的外觀造型，當(dāng)把翼子板與汽車的車身一體化后，比傳統(tǒng)的汽車的設(shè)計有更多設(shè)計自由度，能讓汽車造型更加優(yōu)美復(fù)雜。

翼子板在汽車車身的主要作用是防止在汽車行駛過程中，泥漿、砂石飛濺到車廂底部，翼子板通常是由具有一定彈性塑性材料制成，例如：聚氨酯彈性體。旋塑成型可實現(xiàn)多種層壁結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 旋塑成型產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Internal structure of rotational molding product

通過汽車外殼和汽車行業(yè)內(nèi)C面的一體化，可實現(xiàn)翼子板由多層不同特性的結(jié)構(gòu)疊加而成，通過不同材料的特性實現(xiàn)汽車車身隔離熱量、降低噪音、保障汽車行駛安全。

3 結(jié)論

（1）復(fù)合材料全塑車身具有耐沖擊、耐腐蝕、可設(shè)計性強(qiáng)、輕質(zhì)、高效、集成度高等優(yōu)點，因此全塑車身無論是從外形設(shè)計、功能性能，還是對汽車車身減重都有明顯的作用；

（2）全塑車身外觀與C 面一體化，是把汽車車身的外觀特征和相關(guān)零部件集成在全塑車身上，在滿足車身結(jié)構(gòu)與功能前提下，結(jié)合旋塑成型工藝的特點、旋塑模具的設(shè)計及加工要求，合理地調(diào)整車身的結(jié)構(gòu)，簡化集成有關(guān)零部件的設(shè)計安裝，使其易于全塑車身的工藝成型，并通過采用旋塑成型工藝的特有的多層結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)全塑車身耐沖擊、耐腐蝕等性能。

［1］ 劉西文.塑料在“輕量化”汽車中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢［J］.中國塑料，2010，24（12）：8－13.Liu Xiwen.Application and Developing Trend of Plastics Used in Light Weight Automobiles［J］.China Plastics 2010，24（12）：8－13.

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