基于低成本、輕量化和綠色化汽車外飾件開發(fā)探析

摘 要：本文介紹汽車低成本、輕量化和綠色化內(nèi)涵，從材料、工藝、模塊化三個(gè)方面采用典型實(shí)例針對(duì)汽車外飾的低成本、輕量化和綠色化三個(gè)維度開發(fā)進(jìn)行討論和分析，得出運(yùn)用適當(dāng)流程和方法，對(duì)汽車零部件可以找到能滿足最優(yōu)三角形解決方案。

關(guān)鍵詞：汽車外飾 低成本 輕量化 綠色設(shè)計(jì)

1 引言

白熱化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，促使汽車行業(yè)需要嚴(yán)格控制成本和售價(jià)，以保證項(xiàng)目的NPV（凈現(xiàn)值），面向成本設(shè)計(jì)開發(fā)被重點(diǎn)關(guān)注；不斷升級(jí)消費(fèi)者需求，壓縮汽車的生命周求和又需要不斷升級(jí)配置，又給汽車重量控制帶來極大挑戰(zhàn)，汽車輕量化也需要重點(diǎn)推進(jìn)；日益嚴(yán)苛環(huán)境友好要求，又需要汽車對(duì)人和環(huán)境友好，面向汽車綠色化設(shè)計(jì)也需要重點(diǎn)關(guān)注。本文將重點(diǎn)探析低成本、輕量化和綠色化應(yīng)用于HC7項(xiàng)目的汽車外飾設(shè)計(jì)中。

2 外飾輕量化、面向成本設(shè)計(jì)及綠色化內(nèi)涵

2.1 外飾輕量化內(nèi)涵

外飾輕量化的技術(shù)內(nèi)涵是：在開發(fā)階段，采用輕量化設(shè)計(jì)方法和輕量化技術(shù)對(duì)汽車外飾件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，或在開發(fā)中直接選用輕量化材料、輕量化工藝實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，或在量產(chǎn)階段，采用輕量化技術(shù)優(yōu)化原有產(chǎn)品，最終確保產(chǎn)品綜合性能指標(biāo)的前提下，盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量，最終達(dá)到減重、節(jié)能減排、安全、環(huán)保等綜合指標(biāo)。

2.2 面向成本最優(yōu)外飾開發(fā)內(nèi)涵

面向成本最優(yōu)外飾開發(fā)的技術(shù)內(nèi)涵是：在滿足消費(fèi)者功能和性能前提下，最優(yōu)結(jié)構(gòu)，最優(yōu)工藝，最優(yōu)材料及配置最優(yōu)的組合。

2.3 外飾環(huán)境友好內(nèi)涵

外飾環(huán)境友好的技術(shù)內(nèi)涵是：

（1）生態(tài)健康化。汽車塑料件在高溫環(huán)境下易分解有毒物質(zhì)，影響生態(tài)環(huán)境和生活環(huán)境，為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，所以原材料的選擇應(yīng)無毒無害，不應(yīng)含有重金屬或即使含有量應(yīng)控制在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以下。生態(tài)健康化是汽車塑料件應(yīng)用的核心，因?yàn)樯鷳B(tài)健康化直接潔凈人類生存的環(huán)境。

（2）環(huán)保化。所謂環(huán)?；?，指汽車外飾產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)，均不應(yīng)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生污染，即從原材料的生產(chǎn)、產(chǎn)品加工制造和使用、報(bào)廢件回收再生利用，不造成對(duì)人體及環(huán)境的損害，直至最終處理的生命全過程中均不應(yīng)造成污染;廢棄物可降解腐化，在大自然中自行消融，不污染環(huán)境。

（3）資源利用率最大化。即一方面外飾產(chǎn)品應(yīng)盡量使用可循環(huán)使用塑料原材料；另一方面要求原材料通過與可再生的自然資源采用改性、增強(qiáng)、共混等措施研發(fā)生產(chǎn)新材料;另外，產(chǎn)品報(bào)廢后易于回收再利用，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用率最大化。

2.4 HC7項(xiàng)目主要外飾件

根據(jù)主流整車廠劃分方法，HC7項(xiàng)目外飾件主要有兩類，①裝飾件：包括前后保險(xiǎn)杠，保險(xiǎn)杠橫梁，保險(xiǎn)杠格柵，擾流板，底部倒流板，中部護(hù)板，側(cè)裙護(hù)板，輪罩，行李架，前端模塊等；②功能件：前后雨刮，洗滌系統(tǒng)，整車玻璃，整車外飾燈具，天窗，內(nèi)外后視鏡，加油口小門等。外飾重量一般達(dá)到100-130kg左右，預(yù)計(jì)成本13000元左右，材料主要涉及剛鐵、鋁、塑料等。

3 面向外飾件輕量化、低成本和綠色化開發(fā)策略

根據(jù)“生命周期評(píng)價(jià)及生命周期成本分析集成方法研究[1]”中全生命周期環(huán)境評(píng)估，結(jié)合“生命周期評(píng)價(jià)在塑料研究中的應(yīng)用進(jìn)展[2]”，“工程材料LCA中環(huán)境效益的分析與研究[3]”和“基于LCA的汽車前端模塊輕量化方案對(duì)比研究[4]”可以看出，基于全生命周期，環(huán)境友好性熱塑性材料優(yōu)于鋼鐵，鋼鐵優(yōu)于鋁合金零部件。從論文“Flows and waste reduction strategies of PE， PP and PET plastics under plastics limit order in china[5]”，基于全生命周期，PP環(huán)境友好性優(yōu)于PET。

3.1 最優(yōu)材料法探析

3.1.1 后保險(xiǎn)杠緩沖梁

汽車后保險(xiǎn)杠緩沖梁包括安裝在車輛后端的幾個(gè)部件，通常采用鋼材、鋁材、高強(qiáng)度塑料構(gòu)成，設(shè)計(jì)要求其具有足夠的剛性，當(dāng)車輛發(fā)生接觸和低速碰撞時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致車輛受到嚴(yán)重?fù)p傷，對(duì)保護(hù)汽車車身、尾門、排氣系統(tǒng)、照明系統(tǒng)在碰撞中起著至關(guān)重要的作用。

針對(duì)我國(guó)后保險(xiǎn)杠緩沖梁，政府法規(guī)要求滿足低速碰撞法規(guī)GB17354 -1998，等同于歐盟法規(guī)ECE R42；在歐洲，低速碰撞政府法規(guī)為ECE R42，歐盟還有保險(xiǎn)協(xié)會(huì)RCAR針對(duì)車輛低速碰撞進(jìn)行評(píng)級(jí)。

針對(duì)后保險(xiǎn)杠，可以選擇可重復(fù)使用GMT（Glass Mat reinforced Thermoplastics）原材料進(jìn)行替換開發(fā)鋼鐵或者鋁，研究表明，采用GMT替代鋼鐵件，滿足GB17354 -1998，輕量化效果為40%，而且單件成本降低12%，且一次性投資費(fèi)用減少30%以上；而采用GMT替代鋼鐵件，同時(shí)滿足GB17354-2008 和RCAR，減重幅度為24%，單件成本降低8%左右，模具費(fèi)降低20%[6]。VAVE方案研究見下表1。

3.1.2 加油口小門

汽車加油口小門是遮擋在汽車油箱加注口上面一個(gè)汽車零部件，主要供汽車加油槍進(jìn)出，遮蔽油箱加注口的作用，起防盜作用。一般由加油口門外板、加油口門內(nèi)板、加油口門鉸鏈活動(dòng)部、加油口門鉸鏈固定部、加油口門鉸鏈銷軸、彈簧等構(gòu)成，一般裝配于汽車側(cè)圍或保險(xiǎn)杠上。

針對(duì)充電口蓋，HC7項(xiàng)目選用PC+PBT（低溫漆噴涂），替代鈑金沖壓的充電口蓋（高溫漆噴涂），可以實(shí)現(xiàn)單件減重幅度31%以上，在全生命周期環(huán)境友好性優(yōu)于鈑金充電口蓋，且可以解決夏天鈑金充電口燙手的售后問題，但成本相對(duì)鈑金充電蓋上升20%。

3.1.3 行李架

汽車行李架就是裝配在汽車頂部，主要用于固定行李的支撐架或部件，多配置在兩廂版的旅行車、SUV和MPV等上。

行李架目前主要材料鋼鐵件，鋁件和塑料件，選用塑料取代鋼鐵或者鋁合金，減重幅度15%-37.5%左右，如下表2表示。

3.1.4 尾門

汽車尾門一般由外板，內(nèi)板和玻璃構(gòu)成。一般裝配于汽車尾端，多配置在兩廂版的旅行車、SUV和MPV等上。

目前主流材料和鋼鐵，在輕量化技術(shù)推動(dòng)下，全熱塑性尾門已經(jīng)在2014款Nissan奇駿得到了很好的應(yīng)用，不僅造型美觀，成本具有優(yōu)勢(shì)，而且實(shí)現(xiàn)相對(duì)于鋼鐵尾門輕量化30%，且該款尾門得到SPE科技創(chuàng)新獎(jiǎng)，目前在榮威E50，PSA旗下DS6， 沃爾沃xc60均采用了塑料尾門。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由塑料取代鋼鐵尾門，輕量化效果23%-30%，且10%成本優(yōu)勢(shì)，環(huán)境友好性提升。

3.1.5 新型綠色材料應(yīng)用

免噴涂材料，它是一種可以直接注塑成產(chǎn)品，不需要噴漆的環(huán)保材料。它的應(yīng)用主要是替代一部分噴漆件，而減少油漆對(duì)環(huán)境的污染。新型綠色免噴涂材料不但具有可回收性，成本比產(chǎn)品噴漆便宜，環(huán)境友好，成本降低，重量不變。在外飾領(lǐng)域，可用于側(cè)裙，門把手，保險(xiǎn)杠底護(hù)板等零部件上，HC7項(xiàng)目保險(xiǎn)杠和側(cè)裙均使用免噴涂PC+ABS材料。

3.1.6 汽車輪罩護(hù)板

汽車輪罩護(hù)板是大型薄壁件，位于可見區(qū)域，屬于汽車外飾件。汽車輪罩護(hù)板位于汽車輪胎上方，貼附于車身，每輛車配置前后左右共4件，它的主要功能是遮擋泥沙和石子擊打車身鈑金，降低噪聲，還有一定裝飾和美觀的功能；一般來說，汽車使用壽命在10年以上，對(duì)輪罩護(hù)板需要具備10年以上的耐候性要求。目前汽車輪罩護(hù)板主要使用材料和工藝有以下方案：一是采用PP+EPDM 材料注塑工藝；二是采用HDPE材料的吸塑工藝；三是采用PET材料熱壓工藝。從輕量化和綠色化角度，PET熱壓工藝的輪罩，是最理想方案。

三種原材料都是熱塑性綠色材料，PP料密度為1.05g/cm3，而HDPE片材密度為0.95 g/cm3，而克重1200g/m2的PET毛氈0.43g/cm3。

HC7項(xiàng)目在PP和PET中，依據(jù)成本，環(huán)境友好性和重量三角形理論，選擇PET材料，零件重量可比PP材料減輕50%，項(xiàng)目成本和PP基本保持一致，環(huán)境友好性PET稍低于PP。

3.1.7 汽車底部導(dǎo)流板

2000年之前底部導(dǎo)流板的主要功能是提升空氣動(dòng)力性，保護(hù)下車身，減少油耗，提升整車NVH性能，使用材料一般為PP，SMC，GMT，LFT;從2000年到2020年，功能集成提升空氣動(dòng)力性，保護(hù)下車身，輕量化，材料有SMC，GMT，LFT，織物；2020年以后，未來將是提升空氣動(dòng)力性，保護(hù)下車身，高剛性，輕量化，可回收利用，優(yōu)異NVH性能等集成化底部導(dǎo)流板。因此采用PET材料底部護(hù)板可以實(shí)現(xiàn)綠色化和輕量化。

SMC為熱固性材料，不滿足綠色化設(shè)計(jì)，在此不作討論。PP料密度為1.05g/cm3，GMT密度一般在1.05-1.25左右，LFT密度一般在1.12-1.22之間，就輕量化而言，PP零件最輕。而我們用PET織物制造底部倒流板可以更輕，而克重1200g/m2的PET毛氈0.43g/cm3，相對(duì)PP零件，減重非常明顯。

HC7項(xiàng)目在PP和PET中，依據(jù)成本，環(huán)境友好性和重量三角形理論，選擇PET材料，零件重量可比PP材料減輕60%，項(xiàng)目成本和PP基本保持一致，環(huán)境友好性PET稍低于PP。

3.1.8 汽車玻璃

目前汽車玻璃主要是無機(jī)玻璃，密度為2.4g/cm3，根據(jù)法規(guī)，在前門位置靠前，暫不能用塑料中PC或PMMA取代。

針對(duì)后門玻璃，三角窗玻璃及尾門玻璃，可以考慮用PC或者PMMA替代，技術(shù)可行且設(shè)計(jì)自由度大，且PC或PMMA的密度為1.2g/cm3，可以減重50%而且可以降低對(duì)環(huán)境污染。目前，國(guó)內(nèi)車型已經(jīng)在尾門玻璃和三角窗玻璃上實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。例如上汽E50與贏創(chuàng)PLEXIGLAS寶克力材料的結(jié)合便是塑料替代無機(jī)玻璃成功應(yīng)用。

塑料玻璃比無機(jī)玻璃設(shè)計(jì)自由度大，全生命周期對(duì)環(huán)境的影響小，輕量化效果明顯。

3.2 最優(yōu)工藝法探析

3.2.1 真空吸塑工藝

中部護(hù)板位于車身地板正下面，用來保護(hù)車身，目前中部護(hù)板主要使用材料和工藝有以下方案：一是PP+T20注塑成型，二是SMC熱壓成型，三是GMT熱壓成型，四是LFT注塑成型，五是HDPE真空吸塑。SMC是熱固性材料，不滿足綠色化，GMT和LFT比PP和HDPE的密度大，不滿足輕量化要求。注塑成型對(duì)于大型薄壁件模具成本較高，且PP料密度為1.05g/cm3，而HDPE片材密度為0.95g/cm3，取代原有PP，可以降低重量9%左右，成本降低10%，環(huán)境友好性相當(dāng)。因此HDPE真空吸塑也是底護(hù)板一種解決思路。

3.2.2 微發(fā)泡工藝

本文探討微發(fā)泡技術(shù)，它是一種物理發(fā)泡，因此在制造過程中對(duì)環(huán)境影響小，它是一種自結(jié)皮技術(shù)。微發(fā)泡該技術(shù)由于通過向零件填充氣體，而能實(shí)現(xiàn)較好的強(qiáng)度和剛度，可以使汽車輕量化15%，成本降低10%左右，全生命周期環(huán)境影響大幅優(yōu)于噴漆件。

微發(fā)泡技術(shù)在內(nèi)飾儀表板中，遮陽(yáng)板應(yīng)用比較成熟，在外飾領(lǐng)域，目前用于HC7項(xiàng)目的外后視鏡支架，保險(xiǎn)杠系能盒等，減重效果達(dá)到30%，成本降低20%，環(huán)境友好性優(yōu)于噴漆件。

3.2.3 振動(dòng)摩檫焊接

普通焊接對(duì)環(huán)境影響較大，而無污染振動(dòng)摩檫焊接通過運(yùn)動(dòng)摩檫產(chǎn)生熱量達(dá)到焊接所要求的熔融溫度，對(duì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生污染。塑料焊接對(duì)零件重量影響不大，但環(huán)境友好型大力提升，成本比普通焊接有提升。包括線性振動(dòng)摩檫焊接，軌道式振動(dòng)摩檫焊接。

目前市場(chǎng)對(duì)外觀、功能要求越來越嚴(yán)格，汽車外飾件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、強(qiáng)度要求高，如燈具，保險(xiǎn)杠，擾流板等，直接成型加工設(shè)備還不能達(dá)到要求，往往需要制造多個(gè)零件。然后采用塑料焊接而成，HC7項(xiàng)目尾燈震動(dòng)摩擦焊技術(shù)來提升零件生命周期環(huán)境友好性。

3.2.4 熱流道順序控制綠色技術(shù)

目前熱流道順序控制綠色技術(shù)廣泛應(yīng)用于外飾零部件中的保險(xiǎn)杠和擾流板等零部件。提升了產(chǎn)品的合格率，降低了報(bào)廢率，從而降低制造環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境的影響，可降低產(chǎn)品成本，而且厚度更加均勻，促進(jìn)零部件輕量化，該技術(shù)應(yīng)用于HC7項(xiàng)目的保險(xiǎn)杠制造中，可減少原材料浪費(fèi)，提升環(huán)境友好性。

3.3 模塊化

（1）前端系統(tǒng)的模塊化。汽車前端模塊位于汽車前部，可以把大燈，冷卻系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋開啟系統(tǒng)，喇叭，前端導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)，保險(xiǎn)杠防撞梁，洗滌系統(tǒng)等集成起來，并對(duì)前保進(jìn)行支撐。前端模塊最初使用金屬件沖壓焊接，隨著技術(shù)進(jìn)步，出現(xiàn)全塑的GMT和LFT前端模塊。HC7項(xiàng)目采用一種金屬塑料的混合前端模塊得到許多整車廠應(yīng)用，是因?yàn)楫a(chǎn)品綜合金屬和塑料優(yōu)點(diǎn)，在成本，輕量化和性能上達(dá)到一個(gè)平衡。前端框架采用塑料或者塑料與金屬混合，能夠最大程度提升系統(tǒng)集成度和降低總成的重量，是汽車輕量化一個(gè)發(fā)展方向。

（2）尾門系統(tǒng)的集成化。尾門系統(tǒng)可以把外板，內(nèi)板，擾流板，天線，高剎燈，玻璃，擋風(fēng)板，尾燈，攝像頭，電動(dòng)尾門開關(guān)，牌照板，牌照燈等集成起來，但尾門系統(tǒng)的集成化需要金屬外板和內(nèi)板的塑化，一方面通過零件自身輕量化，另一方面集成輕量化，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)減重30%左右，系統(tǒng)成本降低成本15%左右，熱塑性材料比例提升極大促進(jìn)全生命周期環(huán)境友好性。

4 結(jié)論與展望

基于汽車輕量化、綠色化和低成本外飾的開發(fā)工作應(yīng)該隨著汽車技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展不斷提升和優(yōu)化。隨著環(huán)境可持續(xù)發(fā)展不斷受到國(guó)家和企業(yè)重視，汽車研發(fā)必須以“綠色化”為主題，結(jié)合產(chǎn)品全生命周期對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行開發(fā)。

具體到汽車的外飾件開發(fā)，汽車外飾件的綠色化和輕量化以零部件的成本、功能和要求為基礎(chǔ)，充分考慮產(chǎn)品最優(yōu)結(jié)構(gòu)、最優(yōu)材料、新生產(chǎn)設(shè)備、新成型工藝、回收再利用等重要因素，最終實(shí)現(xiàn)外飾產(chǎn)品的綠色化和輕量化。

參考資料：

[1]侯倩.生命周期評(píng)價(jià)及生命周期成本分析集成方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2015：17.

[2]丁邵蘭等.生命周期評(píng)價(jià)在塑料研究中的應(yīng)用進(jìn)展[J].塑料科技，2010（5）：100-101.

[3]余顯芳.工程材料LCA中環(huán)境效益的分析與研究[J].環(huán)境工程，2009（5）：120.

[4]何玉松.基于LCA的汽車前端模塊輕量化方案對(duì)比研究[J].上海汽車，2017（12）：41.

[5]Jianwen chu.Flows and waste reduction strategies of PE， PP and PET plastics under plastics limit order in china[J] .Resource，conservation and recyling， 2023（1）：50.

[6]范軍鋒等. 低成本后保險(xiǎn)杠緩沖梁輕量化研究[J].汽車工藝與材料，2015（4），12-17.

[7]劉道春.車用綠色塑料的研發(fā)及其加工成型方法[J].塑料制造，2015（8），55.