魏珺儒 劉青松 張銘潔 李文中 李振興 郭秋彥

摘要：針對(duì)基于輕量化設(shè)計(jì)的吸塑工藝復(fù)合輪罩擋泥板力學(xué)性能、抗石擊性能、振動(dòng)耐久性能、吸音性能、抗風(fēng)阻變形量進(jìn)行研究及分析，并與成熟的注塑工藝、模壓工藝進(jìn)行對(duì)比分析。研究表明：復(fù)合輪罩擋泥板綜合性能滿足乘用車輪罩擋泥板的技術(shù)要求，與注塑產(chǎn)品相比，抗石沖擊性能及吸音性能更優(yōu)，質(zhì)量減輕22%，輕量化效果顯著；與模壓產(chǎn)品相比，可節(jié)省開發(fā)周期，更具成本優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：輪罩擋泥板 輕量化 吸塑工藝 抗石沖擊性能 吸音性能

中圖分類號(hào)：U466?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B?? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220214

Research on Properties of Composite Wheel-House Fender Based

on Lightweight Design

Wei Junru， Liu Qingsong， Zhang Mingjie， Li Wenzhong， Li Zhenxing， Guo Qiuyan

（Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.， Ltd.， Ningbo 315336）

Abstract： In this research， the key properties of vacuum forming composite wheel house based on lightweight design including mechanical properties， stone impact resistance， vibration endurance， sound insulation performance， wind resistance deformation were studied and analyzed， those properties were compared and analyzed with mature injection molding and compression molding. Research result shows that comprehensive performance of the composite wheel house fender meets the technical requirements of passenger vehicle wheel house fender. Compared with injection molding products， the newly designed products have better stone impact resistance and sound absorption performance， with weight reduction of 22%. Compared with die pressing products， the new product has shorter development cycle and cost advantage.

Key words： Wheel house， Light weight， Vacuum forming， Stone impact resistance， Sound insulation performance

作者簡(jiǎn)介：魏珺儒（1990—），女，工程師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)槠囕p量化性能開發(fā)。

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WEI J R， LIU Q S， ZHANG M J， et al. Research on Properties of Composite Wheel-House Fender Based on Lightweight Design[J]. Automobile Technology & Material， 2024（4）： 1-7.

1 前言

汽車高速行駛過程中，輪胎在路面帶起的石頭、沙子、泥水會(huì)對(duì)輪罩、輪胎、車底產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，砂石撞擊輪胎及輪罩產(chǎn)生的沖擊力會(huì)形成噪聲，通過前、后輪弧及翼子板的振動(dòng)易傳入到駕駛艙，對(duì)駕駛艙及乘員艙內(nèi)的人員產(chǎn)生影響。這些異物還可能被輪胎與擋泥板之間的空氣流動(dòng)卷入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，雨天或泥濘路況條件下，泥沙還可能飛濺到翼子板上，造成鈑金銹蝕影響車輛使用。因此，通常在乘用車輪罩鈑金外側(cè)安裝襯板作為防護(hù)板，防止車輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)卷出的砂石、泥污等進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，同時(shí)對(duì)這些異物的撞擊起到緩沖作用，并且降低撞擊聲及輪胎噪聲[1]。

輪罩擋泥板通常采用非金屬材料注塑成光板（個(gè)別車型在貼合鈑金一側(cè)增加吸音棉），或采用纖維氈通過模壓工藝進(jìn)行成型，產(chǎn)品需要貼合車身的輪罩外板鈑金，并滿足輪胎包絡(luò)的設(shè)計(jì)要求（輪胎包絡(luò)也稱為輪胎運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，是指考慮車輛在各種工況行駛下，車輪隨懸架跳動(dòng)及轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)輪胎所占據(jù)的空間位置所形成的包絡(luò)體，輪胎包絡(luò)面決定了輪罩及翼子板內(nèi)腔形狀[2]）。如在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初未考慮包絡(luò)設(shè)計(jì)要求，車輛行駛中存在與輪胎干涉的風(fēng)險(xiǎn)。產(chǎn)品性能方面，要求耐高、低溫，耐碎石沖擊、低溫沖擊及耐熱老化性能，同時(shí)起到一定的隔聲吸聲效果。

隨著汽車研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，汽車輕量化設(shè)計(jì)要求及乘員艙的舒適度體驗(yàn)要求也越來越高，因此開發(fā)更輕質(zhì)的材料和工藝，以及在保證耐久性能的前提下，提升輪罩擋泥板的吸音隔音效果成為了重要技術(shù)方向。目前輪罩擋泥板主流的成型工藝為注塑和模壓，本文介紹一種吸塑成型工藝的復(fù)合輪罩擋泥板，既可實(shí)現(xiàn)輕量化效果，又起到一定的隔聲作用，并分析其與常用注塑工藝輪罩擋泥板的差異。

2 吸塑工藝復(fù)合輪罩擋泥板

2.1 吸塑成型工藝

作為塑料常用成型工藝技術(shù)之一的吸塑成型工藝，采用真空吸塑的技術(shù)方法，原材料采用熱塑性塑料片材。吸塑成型工藝技術(shù)在20世紀(jì)初就已出現(xiàn)，直到20世紀(jì)60年代才發(fā)展起來，主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，當(dāng)前真空吸塑的成型工藝技術(shù)已實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，通過提高吸塑機(jī)的溫度控制精度，解決吸塑設(shè)備傳送方式的技術(shù)難題，成型高拉伸及高精度吸塑制品的工藝技術(shù)解決了不同塑料材料以及厚片材料的加工工藝問題[3]。吸塑成型技術(shù)目前主要應(yīng)用于汽車內(nèi)飾以及塑料包裝等領(lǐng)域，在汽車外飾件上的應(yīng)用較為罕見，本文針對(duì)該工藝的技術(shù)原理及產(chǎn)品性能進(jìn)行詳細(xì)介紹及分析研究。

2.2 吸塑成型技術(shù)原理

吸塑成型工藝（圖1）主要采用抽真空加熱吸塑的技術(shù)方法，是一種熱成型加工工藝。利用熱塑性塑料片材制造開口塑料殼體制品，將塑料片材裁成一定尺寸加熱軟化后，借助片材兩面氣壓差和機(jī)械壓力，使其成型后貼在特定的模具輪廓面上，經(jīng)過冷卻定型并切邊修整后完成吸塑制品加工制作[3]。

在加工過程中，塑料片加熱后快速抽走其與模具間的空氣，造成真空狀態(tài)形成壓力差，塑料片貼在模具成型面上等待冷卻定型，如圖2所示[3]。

采用吸塑工藝成型的輪罩擋泥板選材及工藝流程見圖3，原材料為熱塑性聚丙烯（Polypropylene，PP）和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）板材，兩種板材復(fù)合后進(jìn)行剪切，再進(jìn)行單模凸模吸塑成型，吸塑成型的模具與普通雙模不同，僅需要單模凸模即可，成型件再進(jìn)行激光切割，制成成品[4]。

與模壓成型工藝進(jìn)行對(duì)比，吸塑工藝的優(yōu)點(diǎn)為開發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量相當(dāng)、無涉水脫落風(fēng)險(xiǎn)；與常用注塑成型工藝對(duì)比，吸塑成型的優(yōu)點(diǎn)為產(chǎn)品厚度較薄、質(zhì)量較輕、成本低、開發(fā)周期短。本方案為PP復(fù)合PET進(jìn)行吸塑成型，PET層屬于纖維制成的無紡布類別，相比于普通注塑光板的隔聲效果好，缺點(diǎn)為材料強(qiáng)度較低，成品一致性略差。

綜合對(duì)比如表1所示，模壓工藝的產(chǎn)品外觀一致性較好，與注塑產(chǎn)品相比，在吸音降噪、抗沖擊性方面有一定的改善，產(chǎn)品整體質(zhì)量較輕，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮前輪罩涉水脫落問題，但生產(chǎn)工序多、加工邊料大、有一定的產(chǎn)能局限、成本較高，適用于較大批量生產(chǎn)車型；注塑工藝生產(chǎn)周期短、廢料少、產(chǎn)品一致性好，但受成型工藝及模具限制，產(chǎn)品厚度偏大、產(chǎn)品質(zhì)量大、開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)高、模具設(shè)變不易操作、開發(fā)周期長(zhǎng)，隔聲性能只能通過增加吸音棉實(shí)現(xiàn)，成本高，適用于大批量生產(chǎn)車型，可分?jǐn)偰＞哔M(fèi)用降低成本；吸塑復(fù)合工藝在輪罩護(hù)板的應(yīng)用上是新興技術(shù)，模具開發(fā)周期短、開發(fā)成本低、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)輕量化，尤其是復(fù)合PET層后，與注塑工藝相比，在吸音降噪及抗沖擊性方面有一定改善，但產(chǎn)品一致性相對(duì)較差，適用于大批量生產(chǎn)且開發(fā)周期要求高的車型。

3 主要性能研究

輪罩擋泥板應(yīng)用于車輪及車身之間，經(jīng)常受到石子、泥沙等的強(qiáng)烈沖擊，尤其是在路況較差的駕駛情況下，惡劣的環(huán)境對(duì)輪罩擋泥板的抗沖擊、耐久振動(dòng)脫落、吸音性能等要求更高，針對(duì)吸塑工藝復(fù)合PET輪罩擋泥板在嚴(yán)苛試驗(yàn)條件下的性能進(jìn)行研究分析。

3.1 力學(xué)性能

原材料選用中石化公司的PP顆粒料及德陽永盛無紡制品有限公司的PET無紡布，試驗(yàn)樣條分別采用微注塑機(jī)及切割機(jī)進(jìn)行制備。

沖擊測(cè)試參考GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》。試樣在測(cè)試前進(jìn)行預(yù)處理，條件為溫度23 ℃，濕度50%，時(shí)間為16 h，沖擊的缺口選用A型，擺錘的能量選擇5.5 J[5]；材料的拉伸強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率的測(cè)試參考GB/T 1040.1—2018《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第1部分： 總則》及GB/T 1040.2—2022《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第2部分： 模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》，試樣尺寸參考1A，采用拉力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)速度50 mm/min，標(biāo)距50 mm[6]；PET的拉伸強(qiáng)度測(cè)試參考國(guó)標(biāo)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（條樣法）》，試驗(yàn)速度300 m/min， 樣件的寬度采用50 mm; 撕裂強(qiáng)度測(cè)試參考國(guó)標(biāo)GB/T 3917.2—2009《紡織品 織物撕破性能 第2部分：褲形試樣（單縫）撕破強(qiáng)力的測(cè)定》，試驗(yàn)速度為100 mm/min，樣品的尺寸為200 mm×50 mm×1.5 mm。試驗(yàn)結(jié)果如表2～表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果均滿足輪罩擋泥板產(chǎn)品的材料性能要求。

3.2 抗石擊性能

將PP與PET復(fù)合片材剪裁成樣片進(jìn)行碎石沖擊試驗(yàn)。該試驗(yàn)采用耐碎石沖擊試驗(yàn)機(jī)（圖4），試樣安裝與石子沖擊方向成90°，石子采用直徑為9～12 mm的花崗巖或大理石，以490 kPa的沖擊力，每次700 g的石子質(zhì)量，平均每次沖擊7～10 s，共進(jìn)行5個(gè)循環(huán)測(cè)試，每個(gè)循環(huán)在試驗(yàn)前樣品需分別進(jìn)行以下3種預(yù)處理：

a. 試樣在23 ℃，50%RH條件下預(yù)處理16 h，放入抗石擊測(cè)定儀進(jìn)行抗石擊試驗(yàn)；

b. 試樣在低溫-30 ℃環(huán)境中，保持16 h，放入抗石擊測(cè)定儀進(jìn)行抗石擊試驗(yàn)；

c. 試樣在常溫水的環(huán)境中浸泡16 h后取出，之后在低溫-30 ℃的環(huán)境下保持8 h，放入抗石擊測(cè)定儀進(jìn)行抗石擊試驗(yàn)。

試驗(yàn)完成后需要觀察試驗(yàn)樣件的表面是否存在開裂、出洞等缺陷，判斷是否影響產(chǎn)品性能。

3.3 低溫抗沖擊性能

輪罩擋泥板布置在車身外部，面臨各種惡劣天氣及路況，所以驗(yàn)證低溫情況下的沖擊性能可以充分模擬這種嚴(yán)苛路況（圖5）。零件在低溫（-30 ℃）環(huán)境下存放至少4 h， 使其達(dá)到溫度平衡后，使用直徑60 mm，質(zhì)量900 g的鋼球以一定的能量（1.35 J）給予沖擊，沖擊高度根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)后要求產(chǎn)品外觀無明顯變化，功能正常，不可出現(xiàn)開裂、剝離、折斷和永久變形等缺陷（圖6）。

沖擊高度計(jì)算公式為：

h=E/mg??????????????????????????????????? （1）

式中：h為沖擊高度，E為沖擊能量，m為鋼球質(zhì)量，g為重力加速度。

試驗(yàn)結(jié)果：外觀檢查無開裂、剝離、折斷、永久變形等現(xiàn)象。

3.4 振動(dòng)耐久性能

將PP與PET復(fù)合的輪罩擋泥板產(chǎn)品固定于振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，振動(dòng)參數(shù)見表4。表中，X為X軸水平縱向方向振動(dòng)，Y為Y軸水平橫向方向振動(dòng)，Z為縱向方向振動(dòng)方向；f為振動(dòng)頻率，S為功率譜密度。

試驗(yàn)步驟如下：

按圖7 溫度循環(huán)A要求，此環(huán)境下，Z方向振動(dòng)12 h；

將樣件從試驗(yàn)臺(tái)取下，靜置在以下溫度/濕度要求的環(huán)境箱中依次循環(huán)226 h；

a. 在23 ℃/50%相對(duì)濕度條件下保持2 h；

b. 氣候循環(huán)：85%相對(duì)濕度，+40 ℃和相對(duì)濕度95%，+60 ℃的條件下分別保持5 h，進(jìn)行6次循環(huán)（共60 h）；

c. 溫度循環(huán)：在T-max和-30 ℃條件下分別保持8小時(shí)，進(jìn)行2.5次循環(huán)（共40 h）；

d. 氣候循環(huán)：85%相對(duì)濕度，+40 ℃和相對(duì)濕度95%，+60 ℃的條件下分別保持5 h，進(jìn)行6次循環(huán)（共60 h）；

e. 溫度循環(huán)：在T-max和-30 ℃條件下分別保持8 h，進(jìn)行2.5次循環(huán)（共40 h）；

f. 在23 ℃/50%相對(duì)濕度條件下保持24 h；

重復(fù)a步驟；d步驟參照?qǐng)D8的溫度循環(huán)B要求并在該環(huán)境下，進(jìn)行X方向的持續(xù)振動(dòng)8 h；

按圖8溫度循環(huán)B要求，此環(huán)境下，Y方向振動(dòng)8 h。

振動(dòng)耐久臺(tái)架試驗(yàn)后，進(jìn)行外觀檢查有無破損、異響等問題（圖9～圖10）。

試驗(yàn)后復(fù)合輪罩擋泥板的整體形貌無變化，外觀檢查無破損，抖動(dòng)無異響，通過了振動(dòng)試驗(yàn)，保證了產(chǎn)品長(zhǎng)期使用耐久可靠性。

3.5 吸音性能

除以上產(chǎn)品性能外，輪罩擋泥板如能兼顧良好的吸隔聲效果，對(duì)降低路噪、胎噪以及石子沖擊噪聲起到一定降低作用，將對(duì)該零件的應(yīng)用賦予更大價(jià)值。PP復(fù)合PET的材料組合結(jié)構(gòu)，由于PET材料的形態(tài)是纖維，在PET材料層內(nèi)具有大量微細(xì)孔的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中，聲波在進(jìn)入纖維與相鄰纖維的空隙過程中，與周邊纖維的空隙產(chǎn)生空氣摩擦，并在微觀層面上，材料分子鏈內(nèi)部也產(chǎn)生摩擦，因此可通過摩擦產(chǎn)生的阻力將聲音高效轉(zhuǎn)化為熱能，從而降低汽車在行駛過程中的噪聲對(duì)駕乘者的影響[7-8]。因此，在無吸音棉的情況下，也能提升其吸聲系數(shù)，從而提升吸聲效果（圖11）。

吸聲系數(shù)計(jì)算公式如下[7]：

[α=EaE0]??????????????????????????????? （2）

式中：Ea為吸收能量，E0為入射到材料的總聲能。

本研究采用PP及PET復(fù)合吸塑與常用PP-TD20材料注塑2種成型工藝進(jìn)行樣品制備，并進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試。參考GB/T 20247—2006《聲學(xué) 混響室吸聲測(cè)量》[9]，采用Alpha Cabin箱作為設(shè)備聲學(xué)測(cè)試艙，如圖12所示，分別制備3 mm等厚度，尺寸為1 m×1.2 m的2個(gè)長(zhǎng)方形樣板進(jìn)行吸聲系數(shù)的對(duì)比測(cè)試，如圖13所示測(cè)試結(jié)果按公式（3）計(jì)算：

α=0.149 96[VS1T1-1T0]?????????????????? （3）

式中：V為Alpha Cabin箱的體積，S為樣件測(cè)試面積，T1為Alpha Cabin箱體內(nèi)被測(cè)材料聲壓級(jí)從初始狀態(tài)衰減60 dB所需時(shí)間，T0為無被測(cè)材料時(shí)聲壓級(jí)從初始狀態(tài)衰減60 dB所需時(shí)間[7，9]。

測(cè)試采用400～10 000 Hz頻率段進(jìn)行，測(cè)試完成后，對(duì)PP+PET與PP-TD20的吸聲系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表5。

總結(jié)分析吸音測(cè)試結(jié)果（圖14），在頻率段400 ～10 000 Hz測(cè)試范圍內(nèi)，PP+PET復(fù)合吸塑樣品的吸聲系數(shù)大體是隨著頻率的提高而增加的趨勢(shì)，在高頻率段的效果更好，而PP-TD20注塑樣品的吸聲系數(shù)隨頻率提高而下降，尤其是在頻率1 000 Hz以上時(shí)，下降的趨勢(shì)更明顯。因此，無論高頻還是低頻段，PP+PET復(fù)合片材的吸聲系數(shù)均明顯高于PP-TD20，在高頻段2 000 Hz以上優(yōu)勢(shì)更加明顯，在高頻段PP+PET平均的吸聲系數(shù)比PP-TD20高80%以上。

汽車行駛過程中，在車內(nèi)輪罩位置附近的噪聲在高頻段時(shí)居多，因此，PP+PET復(fù)合的輪罩擋泥板相較于PP-TD20注塑件，可有效提升吸音效果，對(duì)降低噪聲影響及提升乘坐舒適性起到了積極作用。同時(shí)，對(duì)輪罩區(qū)域的NVH性能要求不嚴(yán)苛的車型，采用PP+PET復(fù)合吸塑輪罩擋泥板替代PP-TD20注塑件，在不增加吸音棉的情況下，既能提升吸隔音效果，又能優(yōu)化單車成本。

由于前輪風(fēng)阻較大，氣流通過前格柵進(jìn)入機(jī)艙會(huì)直接沖擊前輪罩擋泥板，前輪罩擋泥板會(huì)受到一定的風(fēng)阻壓力，為了驗(yàn)證并避免在高速工況下因輪罩擋泥板發(fā)生變形進(jìn)而干涉輪胎導(dǎo)致?lián)跄喟迥p的情況發(fā)生，本研究針對(duì)一定車速時(shí)風(fēng)阻力加壓條件下，前輪罩護(hù)板的變形量進(jìn)行了CAE建模仿真分析評(píng)估，主要采用流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果中的氣動(dòng)載荷映射到輪罩擋泥板上，用于結(jié)構(gòu)計(jì)算的條件，可計(jì)算出氣動(dòng)載荷對(duì)輪罩擋泥板施壓引起的輪罩擋泥板變形。計(jì)算選用的工況條件為高速180 km/h。圖15所示為氣動(dòng)載荷模擬加載點(diǎn)位置示意，圖16為輪罩變形量仿真分析結(jié)果。

從仿真分析結(jié)果來看，輪罩擋泥板的外側(cè)最大變形量為3.88 mm，擋泥板的最大內(nèi)側(cè)變形量為3.26 mm，發(fā)生變形的位置主要集中在安裝點(diǎn)附近及輪罩前側(cè)，輪罩前側(cè)受風(fēng)阻氣動(dòng)載荷影響較大，因此該位置更容易發(fā)生變形干涉輪胎。本次分析結(jié)果的變形量很小，因此無干涉風(fēng)險(xiǎn)。輪罩擋泥板產(chǎn)品變形量受制于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝點(diǎn)位置及強(qiáng)度等，因此，采用這種吸塑復(fù)合的輪罩擋泥板需根據(jù)不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能要求以及輪胎包絡(luò)布置限制要求去具體分析，綜合考量，設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。

本文針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的輕量化效果進(jìn)行了分析，復(fù)合吸塑輪罩擋泥板的密度及設(shè)計(jì)厚度均低于PP-TD20注塑件，單車4個(gè)輪罩擋泥板的質(zhì)量共減輕1.22 kg，輕量化比例達(dá)到22%，吸塑工藝采用的單模具比注塑模具費(fèi)用低280萬元，單車4個(gè)零件（含模具分?jǐn)?0萬輛車）最終成本核算降低24元（表6）。

4 結(jié)束語

根據(jù)汽車輪罩擋泥板的技術(shù)要求，本文綜合驗(yàn)證了吸塑復(fù)合輪罩擋泥板的力學(xué)性能、抗沖擊性能、耐久性能及吸音性能。試驗(yàn)表明：該工藝方案在符合產(chǎn)品技術(shù)要求同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)22%輕量化效果。

本研究工藝方案與模壓工藝輕量化效果相當(dāng)，但不存在涉水后下沉脫落的風(fēng)險(xiǎn)；與注塑工藝比較，輕量化效果顯著，吸音性能更優(yōu)，但力學(xué)性能略差，需注意如替代注塑方案，根據(jù)不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝點(diǎn)位置及輪胎包絡(luò)布置要求等，綜合考量，適當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以避免極端高速工況下干涉輪胎，產(chǎn)生磨損的風(fēng)險(xiǎn)。

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