薄板補強膠片在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

摘要 : 介紹了一種新型復(fù)合補強材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。著重闡述了該類材料補強、抗疲勞和阻尼的原理及應(yīng)用工藝 , 并列舉了一些成功應(yīng)用實例。

1 　前言

汽車輕量化是節(jié)省能源和降低污染的有效途徑 , 如果汽車總質(zhì)量減輕 10% , 則油耗減少 3% ～ 7% 。目前國外減重主要有 2 種方法:

（1）采用強度高、質(zhì)量輕的材料 , 如鋁合金、鎂合金、高強度鋼材、工程塑料等;

（2）改進汽車結(jié)構(gòu) , 降低材料厚度 , 外板薄壁化 , 結(jié)構(gòu)件中空化等。但鋼板變薄會使車身局部剛度下降 , 車門、頂蓋、側(cè)圍等部位在汽車行駛中易產(chǎn)生噪音和共振 ; 發(fā)生意外碰撞時沖擊能量吸收變小 , 容易傷害乘員。采取的補救措施之一就是應(yīng)用復(fù)合補強高分子材料。

目前采用補強材料增強的部位主要為空腔結(jié)構(gòu)和鈑金蒙皮。補強產(chǎn)品按材料分為環(huán)氧、 PU 結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料和環(huán)氧- 玻璃纖維復(fù)合補強材料。環(huán)氧 - 玻璃纖維復(fù)合增強材料又可分為膨脹型和非膨脹型。按補強效果可分為高、中、低檔補強材料。結(jié)構(gòu)發(fā)泡增強材料主要用于 B 立柱、車梁等空腔結(jié)構(gòu)增強 , 具有密度低、強度高等優(yōu)點 , 可有效增加車身穩(wěn)定性和撞擊安全性。環(huán)氧 - 玻纖復(fù)合補強材料主要用于車門內(nèi)板、門拉手、引擎蓋內(nèi)側(cè)、車頂、輪罩、側(cè)圍等外板補強 ,以提高鋼板的彎曲強度、剛度、抗沖擊性 , 提升車輛安全性能 , 增加鋼板抗疲勞和阻尼效果 , 提升車輛乘坐舒適性（NVH） 性能。此文以本公司環(huán)氧 - 玻纖復(fù)合補強材料 LY 2306 系列薄板補強膠片為例 , 對其應(yīng)用情況進行介紹。

2 　薄板補強膠片的應(yīng)用原理和測試

2. 1 　補強膠片補強應(yīng)用原理、作用及測試在降低車身重量條件下 , 保持或提高汽車的碰撞防護性能 , 成為汽車車身設(shè)計的重要課題。根據(jù)碰撞安全性的要求 , 車身殼體的設(shè)計原則是 , 使乘客艙具有較大的剛度 , 在碰撞時盡量減小變形 , 同時使車身的頭部、尾部等其他離乘員較遠(yuǎn)的部分的剛度相對較小 , 在碰撞時得以產(chǎn)生較大的變形而吸收撞擊能量。顯然 , 在車身立柱和外板鋼板變薄的情況下 , 為避免在汽車碰撞時乘客艙產(chǎn)生坍塌或變形 , 需要進行局部加強。對于 A 、 B 等立柱 , 由于截面尺寸不宜過大 , 一般在其內(nèi)部采用結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料、補強膠片或其他補強材料對其接頭、整體進行增強 ; 對于車門等大面積鈑金蒙皮部位 , 為使乘客艙側(cè)面較強固以便承受較大的撞擊力 , 可以在車門外板內(nèi)側(cè)局部增加補強膠片。

補強膠片是一種 3 層復(fù)合材料 , 最上層為玻璃纖維骨架材料 , 中間是以環(huán)氧樹脂 / 橡膠為基材的粘接層 , 底層為防粘紙。該復(fù)合材料可根據(jù)需要制成各種幾何尺寸和形狀。使用時揭去防粘紙 , 將其貼附于需補強的鋼板表面 , 經(jīng)電泳漆烘烤工序時 , 粘接層固化 , 玻璃纖維、粘接層與鋼材形成復(fù)合結(jié)構(gòu) , 從而增加鋼板剛性、彎曲強度和沖擊性能。補強材料的測試標(biāo)準(zhǔn)目前為日產(chǎn) NESM8451 《汽車薄板補強材料標(biāo)準(zhǔn) 》。以我公司 LY 系列補強膠片為例 , 鋼板彎曲強度補強后是補強前的 3 ～ 9 倍 ( 不同型號補強效果不同 ) 。表 1 和圖 1為 LY 2 306(D 型 ) 補強膠片測試數(shù)據(jù)。

（2）能量吸收計算方法 : 材料達(dá)到屈服點時壓力對其做功總和。

由表 1 可看見,

（1）應(yīng)用補強膠片后鋼板剛性增加 , 補強后形變 1 mm 所需力是補強前的 7. 5 倍;

（2）彎曲強度增加 , 粘貼補強膠片鋼板的最大破壞載荷為 340 N, 比未補強鋼板(110 N) 增加了 2. 1 倍。

由圖 1 可以看出

（1）應(yīng)用補強膠片后鋼板強度增加。如施加 100 N 載荷時 , 補強鋼板形變約 0. 7 mm, 而未補強的形變約 6. 8 mm 。

（2）抗沖擊性增加 , 吸收能量由 0. 39 J 變?yōu)?. 41 J, 提高了 2. 62 倍。由此可見 , 在需要局部增強的部位粘貼補強膠片可以大大提高部件剛性和彎曲強度 , 在發(fā)生碰撞時通過材料被破壞吸收更多的沖擊能量 , 可有效提高車身的安全性能指標(biāo)。

2. 2 　補強膠片增加鋼板抗疲勞性和乘坐舒適性（NVH）

車身外板蒙皮在沖壓過程中 , 在彎角和邊緣等部位鋼板會因延展變薄 , 并產(chǎn)生應(yīng)力集中。在汽車長期運行中應(yīng)力集中處易產(chǎn)生振動疲勞 , 導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生、擴展直至斷裂。在應(yīng)力集中部位粘貼補強膠片可提高鋼板剛度 , 使其對低頻振動不產(chǎn)生響應(yīng) ; 由于補強膠片含有橡膠等高分子材料 , 具有阻尼作用 , 當(dāng)產(chǎn)生振動時 , 橡膠分子將振動能轉(zhuǎn)換成分子位移、形變和熱能 , 從而提高薄弱處疲勞強度。此外通過對鋼板局部補強 , 增加了鋼板剛度 , 可降低對振動的敏感性 ; 還可提高鋼板的固有共振頻率 , 使其不易產(chǎn)生車體與外界噪聲的共振和共鳴 ; 同時提高了車身阻尼作用 , 衰減了振動頻率和振幅。通過上述綜合作用 , 提高了汽車車身的抗振、降噪和 NVH 性能。

2. 3 　薄板補強膠片應(yīng)用工藝

（1）施工工序介紹目前薄板補強材料按應(yīng)用工序分為 2 類 : 涂裝車間類型和裝焊車間類型。 2 者區(qū)別在于固化條件不同。

2 者區(qū)別見表 2 。

汽車制造過程中 , 涂裝車間清潔度直接影響到汽車涂裝的制造成本和質(zhì)量 , “潔凈涂裝車間 ”是一個發(fā)展趨勢。所謂“潔凈涂裝車間 ”是指將與涂漆沒有直接關(guān)系的材料的施工由涂裝車間提前到焊裝車間或后移到總裝車間 , 以減少影響涂裝車間清潔度的操作。

（2）與前處理匹配介紹

車身電泳工序是汽車制造工藝中重要的一個工序 , 直接影響著車身質(zhì)量 , 當(dāng)薄板補強膠片應(yīng)用于裝焊工序時 , 在經(jīng)過各種處理液 ( 冷水、熱水、脫脂液、除銹液、磷化液等 ) 、電泳液的沖刷和侵蝕時 , 不能脫落也不能污染處理液和電泳漆。LY 2 306 補強膠片經(jīng) 10 多個主機廠家實際應(yīng)用表明 , 與槽液、電泳液匹配良好。

（3）產(chǎn)品應(yīng)用可能出現(xiàn)的問題及對應(yīng)措施

某些車型、部位在首次應(yīng)用補強膠片時 , 經(jīng)烘烤固化后 ,會出現(xiàn)鋼板變形問題 , 主要原因為補強膠片在固化過程中收縮 , 或者補強膠片形狀不合理 , 如面積過大、未預(yù)留應(yīng)力分散孔等。改進措施是消除補強膠片固化收縮問題 , 使之盡量接近鋼板冷熱收縮系數(shù) ; 也可以通過調(diào)整膠片形狀來改善上述問題。

3 　應(yīng)用實例

2002 年 , 金杯客車有限公司在售后服務(wù)中發(fā)現(xiàn) , 客車后門外板牌照處出現(xiàn)裂紋。原因主要是沖壓后鋼板變薄 , 車后門長期的開關(guān)導(dǎo)致鋼板疲勞。經(jīng)在該部位外板內(nèi)側(cè)粘貼補強膠片后 , 自 2003 年起未再出現(xiàn)類似問題。

鄭州日產(chǎn)的帕拉丁車型在引擎蓋、車門等很多部位都使用了薄板補強膠片。目前我公司補強膠片已基本取代進口產(chǎn)品 , 為鄭州日產(chǎn)公司節(jié)省了近 30% 的采購成本 , 取得了良好的經(jīng)濟效益。除上述 2 家外 , LY 2 306 薄板補強膠片已在哈飛賽豹、華晨俊捷、北汽福田、一汽吉林輕型、五十鈴、廈門金龍等多家汽車廠成功應(yīng)用 , 獲得一致好評。

4 　結(jié)語

（1）薄板補強膠片的應(yīng)用增加了車身局部結(jié)構(gòu)剛性 , 增強車身安全性 , 提高了金屬抗疲勞強度 , 阻止裂紋的產(chǎn)生 , 降低了行駛噪音 , 改善了乘坐舒適性 , 為汽車制造技術(shù)的進步提供了一種新材料。

（2） 5 年多的應(yīng)用證明 ,LY 2 306 薄板補強膠片性能符合國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) , 施工方便 , 應(yīng)用效果良好 , 可以廣泛推廣應(yīng)用。