吳松，崔厚學(xué)

1.東風(fēng)鴻泰控股集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430056

2.東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430056

中國汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過長期持續(xù)高速增長，產(chǎn)銷量連續(xù)十余年位居全球第一。隨著汽車保有量的持續(xù)增加，高油耗、高污染等問題接踵而至。為應(yīng)對日益嚴(yán)重的資源、環(huán)境問題，國家相繼出臺了越來越嚴(yán)格的法令、法規(guī)和政策，限制車輛燃油消耗和尾氣排放。汽車輕量化是提高燃油經(jīng)濟(jì)性、降低能耗、減少污染及提高駕乘舒適性的重要途徑之一，采用塑料及其他復(fù)合材料可有效減輕汽車自重，是轎車輕量化一個(gè)極有前途的發(fā)展方向。

目前汽車零部件輕量化的相關(guān)材料、成形工藝、設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)等均有相當(dāng)積淀，其中具備輕量化特征的產(chǎn)品功能屬性最為主機(jī)廠關(guān)注，但輕量化產(chǎn)品的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)目前尚處于起步階段。深入推進(jìn)輕量化產(chǎn)品驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)的編制及推廣工作，將有助于汽車設(shè)計(jì)師和工藝師設(shè)計(jì)、制造出既美觀大方又節(jié)能環(huán)保、滿足顧客需求的輕量化汽車產(chǎn)品。

發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板輕量化設(shè)計(jì)

1.發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板零件概述

下護(hù)板是位于發(fā)動(dòng)機(jī)底部的防護(hù)裝飾板，在國內(nèi)較差路況條件下有極其重要的防護(hù)功能，其主要作用如下。

（1）保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)及油底殼 下護(hù)板能有效防護(hù)汽車行駛過程中因?yàn)檩喬ツ雺簽R起的沙石等硬物敲擊發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然這種敲擊可能短時(shí)間內(nèi)不會對發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生很大影響，但在長時(shí)間的不規(guī)則撞擊后，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)油底殼漏油、功能損害等嚴(yán)重問題。

（2）保持發(fā)動(dòng)機(jī)艙清潔 下護(hù)板能有效保持發(fā)動(dòng)機(jī)艙的內(nèi)部清潔，防止路面泥、水、雜物等進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙，造成發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件受損，影響其使用壽命。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板安全性要求

2003年之前，國內(nèi)大部分車企發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板采用金屬材質(zhì)，通過沖壓、焊接、電泳漆及螺紋聯(lián)接等工序組裝而成。金屬材質(zhì)的護(hù)板抗沖擊性能優(yōu)良，可有效保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤等重要部件，但金屬護(hù)板沉重，噪聲共振明顯。

2003年以后，隨著國內(nèi)轎車市場的持續(xù)發(fā)展，汽車安全、舒適性能越來越被廣大消費(fèi)者所重視，各種主動(dòng)及被動(dòng)安全技術(shù)不斷升級換代，其中發(fā)動(dòng)機(jī)下沉設(shè)計(jì)技術(shù)被廣泛應(yīng)用。

一般汽車在受到前方撞擊時(shí)，前置式發(fā)動(dòng)機(jī)后移，壓縮車內(nèi)生存空間，給駕乘人員造成傷害。汽車設(shè)計(jì)人員便為發(fā)動(dòng)機(jī)安排了一個(gè)下沉式“陷阱”，從而最大限度避免堅(jiān)硬的發(fā)動(dòng)機(jī)侵入到駕駛室，為駕乘人員保留更大的生存空間。

配合發(fā)動(dòng)機(jī)下沉技術(shù)的推廣應(yīng)用，對下護(hù)板性能要求也越來越高，越來越多的主機(jī)廠使用了高強(qiáng)度樹脂成形材料，尤其是在高端車型上。

3.發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板輕量化設(shè)計(jì)

如國內(nèi)某車企新車型發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板為平板類結(jié)構(gòu)，為保證“以塑代鋼”零部件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，使用了高彈性模量長玻纖增強(qiáng)改性聚丙烯材料。

如圖1所示，常規(guī)短玻纖增強(qiáng)材料的玻纖長度一般在0.2～0.6mm，顆粒長度在1～3mm，玻纖和顆粒不等長；而長玻纖增強(qiáng)材料顆粒則多數(shù)在6～25mm，玻纖與顆粒長度相等，且纖維單絲之間平行排列。

圖1 玻纖維

和傳統(tǒng)的短玻纖增強(qiáng)材料相比，長玻纖增強(qiáng)改性聚丙烯具備優(yōu)良的綜合性能，特別是優(yōu)異的耐沖擊性能和動(dòng)態(tài)疲勞性能；用長玻纖增強(qiáng)材料制成的產(chǎn)品燃燒后，依然能保持制品的骨架結(jié)構(gòu)，阻燃性較好；而且新材料價(jià)格相對低廉。

輕量化發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板在空間布局及零件表面加熱上存在困難，在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)有針對性地采取了以下解決方案，不但解決了新材料下護(hù)板設(shè)計(jì)和制造困難，對發(fā)動(dòng)機(jī)艙其他部件的輕量化設(shè)計(jì)和加工也有一定的借鑒作用。

（1）新材料抗變形能力 主要表現(xiàn)為使用金屬材料成形的零件，其強(qiáng)度可支撐平板類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而使用樹脂材料成形零件如使用平板類型的結(jié)構(gòu)，在壁厚為2.5mm的情況下，成形過程中的變形將不可避免（見圖2）。通過CAE模擬分析，新材料成形時(shí)局部變形量達(dá)21.652mm，大大超出了零件成形允許的公差范圍。

圖2 樹脂材料結(jié)構(gòu)變形

我們在輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中研究了以下兩種方案來解決變形問題：

1）在零件表面Z+方向采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)以改善零件變形。設(shè)計(jì)方案：零件表面Z+向尺寸增加到7mm（含2.5mm的壁厚），零件變形由21mm減少到6mm，變形有了較大改善。

通過ANSYS軟件進(jìn)行空間校核，因發(fā)動(dòng)機(jī)行駛過程中有振動(dòng)位移，下護(hù)板需要和發(fā)動(dòng)機(jī)之間保持安全距離，通過反推論證Z+向高度變化范圍為5mm（含2.5mm的壁厚）。如按5mm來設(shè)計(jì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，經(jīng)CAE分析最大變形量將達(dá)14mm，不滿足產(chǎn)品需求，此方案被排除。

2）在零件表面Z-方向采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)來改善零件變形。設(shè)計(jì)方案：零件表面Z-向尺寸增加到10mm（含2.5mm的壁厚），零件變形由21mm減少到6mm，變形也有較大改善。

通過ANSYS軟件校核，因該款轎車的離地最低點(diǎn)正位于下護(hù)板底部，離地距離190mm，為滿足整車功能要求，通過反推論證Z-向高度變化范圍為6.5mm（含2.5mm的壁厚）。如按6mm來設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，經(jīng)CAE分析最大變形量將達(dá)12mm,不滿足產(chǎn)品需求，故此方案也被排除。

3）組合式方案。設(shè)計(jì)方案：在零件Z+向CAE模擬變形最大部位鉚接一厚度為1.5mm的45鋼條，另外分別在零件Y方向兩端設(shè)計(jì)輔助加強(qiáng)筋，筋高4mm，寬度10mm，從而有效加強(qiáng)了零件剛度。如圖3所示。

圖3 組合式方案改善樹脂材料結(jié)構(gòu)變形

經(jīng)過調(diào)整設(shè)計(jì)，C A E模擬該零件最大變形量為4.5mm，實(shí)際零件最大變形3.9mm，滿足了裝車需求。

（2）新材料耐高溫輻射能力 新材料熱變形溫度為135℃，雖遠(yuǎn)大于普通玻纖材料，但是由于護(hù)板零件下表面有排氣管穿過，高溫工作狀態(tài)的排氣管離零件表面最近距離為31mm（見圖4）。經(jīng)CAE模擬計(jì)算，零件表面最大輻射溫度達(dá)到369℃，遠(yuǎn)大于零件熱變形溫度，新材料易受熱變形老化。

圖4 樹脂材料結(jié)構(gòu)耐受排氣管輻射高溫

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)嘗試了多種方案來解決下護(hù)板表面耐高溫的問題：如在零件表面排氣管投影面積上增加一層散熱鋁箔，零件表面采用凸凹狀結(jié)構(gòu)以增加其散熱面積，工藝上使用熱鉚接將鋁箔涂敷在零件表面避免行駛過程中振動(dòng)脫落。

如圖5所示，經(jīng)CAE模擬分析，改進(jìn)后零件表面最高溫度為130℃，低于新材料的熱變形溫度135℃，滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

圖5 樹脂材料結(jié)構(gòu)熱變形模擬

基于輕量化的發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板功能性標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證

新車型極限行駛速度為250km/h，行駛過程中下護(hù)板由于受空氣動(dòng)力學(xué)影響，零件表面持續(xù)承受較大的壓力，同時(shí)還受到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的熱輻射，存在加速老化的風(fēng)險(xiǎn)。因此下護(hù)板主要功能要求是抗壓、抗老化，將此零件功能標(biāo)準(zhǔn)研究重點(diǎn)放在強(qiáng)度負(fù)載及抗老化性試驗(yàn)上。

（1）強(qiáng)度負(fù)載分析 根據(jù)該車型標(biāo)配三款發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)過程中下護(hù)板的空氣動(dòng)力學(xué)特征，通過建立相關(guān)數(shù)字模型和ANSYS軟件模擬分析，將動(dòng)態(tài)過程負(fù)載轉(zhuǎn)化為靜態(tài)負(fù)載，得出以下結(jié)論。

1）在常溫靜態(tài)下，零件表面0.8m2的面積壓力負(fù)載450N，靜置后最大變形量小于等于10mm。

2）在靜態(tài)持續(xù)120℃高溫情況下，零件表面0.8m2的面積上負(fù)載450N壓力，經(jīng)過1000h熱老化，靜置后零件最大變形量≤17mm。

（2）抗老化分析 在下護(hù)板抗老化的核心性能試驗(yàn)基礎(chǔ)上，兼顧零件環(huán)境及其他功能性要求，編制了關(guān)于此部件的功能試驗(yàn)大綱及具體操作步驟，其中核心的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)條款列舉如下。

1）交替熱濕老化試驗(yàn)。試驗(yàn)要求：零件性能不能出現(xiàn)任何下降，最大變形量≤10mm。

步驟S1，將樣品放置在高溫高濕箱（40℃，95%）下處理16h。

步驟S2，在S1結(jié)束后取出樣品在23℃、濕度50%條件下放置1h。

步驟S3，將樣品放置在低溫箱-20℃下處理3h。

步驟S4，在S3結(jié)束后取出樣品在23℃、濕度50%條件下放置1h。

步驟S5，將樣品放置在高溫箱100℃下處理6h。

步驟S6，在S5結(jié)束后取出樣品在23℃、濕度50%條件下放置1h。

步驟S7，重復(fù)S1～S6共10個(gè)老化循環(huán)。

2）持續(xù)熱濕老化試驗(yàn)。試驗(yàn)要求：零件性能不能出現(xiàn)任何下降，最大變形量≤17mm。

步驟S1，將試件固定在夾具上。

步驟S2，按照零件的主要方向（如長度和寬度）在零件上劃二條給定距離的標(biāo)記，用相應(yīng)儀器測量。

步驟S3，把試驗(yàn)件放入烘箱120℃下處理1000h，然后135℃下處理22h。

步驟S4，將零件從烘箱中取出使其回到環(huán)境溫度下。

步驟S5，觀察零件表面，然后重新測量標(biāo)記間距及零件尺寸。

（3）抗輻射阻燃性試驗(yàn) 試驗(yàn)要求：零件性能不能出現(xiàn)任何下降，零件表面無任何可視變化。

步驟S1，將樣品放入試驗(yàn)箱并在支架上裝配固定。

步驟S2，在樣品正反兩面分別安裝熱電偶。

步驟S3，開啟熱源及溫控器達(dá)到指定溫度，繼續(xù)試驗(yàn)30min。

步驟S4，連續(xù)記錄熱電偶1和電偶2的溫度。

步驟S5，照射結(jié)束時(shí)，取下熱電偶和調(diào)節(jié)器探頭。

步驟S6，將樣件留在試驗(yàn)箱中1h。

步驟S7，在照射區(qū)域選擇一個(gè)橫切區(qū)，在其厚度上測試材料狀態(tài)；試驗(yàn)過程中，能監(jiān)視到所有出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象（煙霧，燃燒開始，火苗等），當(dāng)材料開始燃燒時(shí)停止試驗(yàn)。

（4）阻燃性試驗(yàn) 試驗(yàn)要求：火苗在38mm處自動(dòng)熄滅。

步驟S1，從零件上剪裁365mm×102mm的樣板。

步驟S2，在樣板上38mm處和254mm處做上標(biāo)。

步驟S3，點(diǎn)燃樣板燃燒并記時(shí)。

步驟S4，燃燒超過38mm后測量距離,計(jì)算速度。

（5）耐車身振動(dòng)試驗(yàn) 試驗(yàn)要求：試驗(yàn)中和試驗(yàn)后，不允許出現(xiàn)任何機(jī)械損壞。

步驟S1，將試件固定在夾具上。

步驟S2，將夾具和三綜合環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)臺面通過螺栓緊固連接，并保證試件的Z軸方向與臺面振動(dòng)方向一致。

步驟S3，開動(dòng)三綜合環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)箱，使試樣在規(guī)定的環(huán)境溫濕度變化過程中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)16h。

步驟S4，在S3結(jié)束后翻轉(zhuǎn)夾具使試件的X軸方向與臺面振動(dòng)方向一致，并與臺面緊固連接，重復(fù)S3。

步驟S5，在S4結(jié)束后翻轉(zhuǎn)夾具使試件的Y軸方向與臺面振動(dòng)方向一致，并與臺面緊固連接，重復(fù)S3。

步驟S6，試驗(yàn)過程結(jié)束，觀察樣品損壞情況。

（6）耐液體浸泡性能 試驗(yàn)要求：試驗(yàn)結(jié)束后，不允許出現(xiàn)任何部件脫落及材料蝕變，下護(hù)板不能有大于5%的增重。

步驟S1，將一塊脫脂棉帶放在工作面上以形成復(fù)合試樣。

步驟S2，用所選擇的流體浸濕脫脂棉（非揮發(fā)性流體包括油、制動(dòng)液、氯化鋅等。

步驟S3，將復(fù)合試樣置于聚乙烯袋中并用焊鉗密封。

步驟S4，使整個(gè)組合體以試驗(yàn)文件中規(guī)定的老化條件：100℃±2℃的烘箱中4m±5m。

步驟S5，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，打開袋子，取下脫脂棉并檢查材料表面。

步驟S6，試驗(yàn)結(jié)束后，將其放置在當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度(浸泡試驗(yàn)情況下，從流體中拿出零件)下4h，并且觀察零件的質(zhì)變情況。

（7）耐潮濕試驗(yàn) 試驗(yàn)要求：濕度循環(huán)變化時(shí)護(hù)板的質(zhì)量波動(dòng)小于1%，允許材料痕跡。

步驟S1,將試樣在110℃下干燥，直到質(zhì)量穩(wěn)定。

步驟S2,然后在23℃下，將試樣浸泡在無機(jī)鹽水中24h。

步驟S3,浸泡/干燥測試：將護(hù)板在110℃下干燥，直到質(zhì)量穩(wěn)定。之后連續(xù)進(jìn)行20個(gè)循環(huán)。

步驟S4，在無機(jī)鹽水中浸泡零件（或樣件）1h。

步驟S5，瀝干5m。

步驟S6，80℃下干燥3h。

按以上功能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對輕量化下護(hù)板進(jìn)行逐項(xiàng)檢測，結(jié)果顯示各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。相關(guān)試驗(yàn)有力支持了下護(hù)板輕量化設(shè)計(jì)及功能性標(biāo)準(zhǔn)編制。該研究成果已成功運(yùn)用在東風(fēng)標(biāo)致508，東風(fēng)雪鐵龍C5、C6全系列及東風(fēng)1號等高端車型上。產(chǎn)品投放后得到用戶一致好評，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效果。

結(jié)語

零部件輕量化是汽車五化的重要內(nèi)容之一。隨著汽車整車和零部件產(chǎn)業(yè)不斷升級，如何為主機(jī)廠提供一攬子輕量化解決方案是零部件轉(zhuǎn)型升級的當(dāng)務(wù)之急。本研究總結(jié)了部分輕量化零部件的功能性實(shí)現(xiàn)路徑及驗(yàn)證實(shí)施方法，為零部件輕量化提供方向性引導(dǎo)，為后續(xù)類似零件的開發(fā)及降成本工作提供了新的思路及方法。