薄板補(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。著重闡述了該類材料補(bǔ)強(qiáng)、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(shí)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(qiáng)度高、質(zhì)量輕的材料 , 如鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼材、工程塑料等;

（2）改進(jìn)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(huì)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(shí)沖擊能量吸收變小 , 容易傷害乘員。采取的補(bǔ)救措施之一就是應(yīng)用復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)高分子材料。

目前采用補(bǔ)強(qiáng)材料增強(qiáng)的部位主要為空腔結(jié)構(gòu)和鈑金蒙皮。補(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)材料。環(huán)氧 - 玻璃纖維復(fù)合增強(qiáng)材料又可分為膨脹型和非膨脹型。按補(bǔ)強(qiáng)效果可分為高、中、低檔補(bǔ)強(qiáng)材料。結(jié)構(gòu)發(fā)泡增強(qiáng)材料主要用于 B 立柱、車梁等空腔結(jié)構(gòu)增強(qiáng) , 具有密度低、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn) , 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(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng) ,以提高鋼板的彎曲強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)材料 LY 2306 系列薄板補(bǔ)強(qiáng)膠片為例 , 對(duì)其應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

2 　薄板補(bǔ)強(qiáng)膠片的應(yīng)用原理和測試

2. 1 　補(bǔ)強(qiáng)膠片補(bǔ)強(qiáng)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(hù)性能 , 成為汽車車身設(shè)計(jì)的重要課題。根據(jù)碰撞安全性的要求 , 車身殼體的設(shè)計(jì)原則是 , 使乘客艙具有較大的剛度 , 在碰撞時(shí)盡量減小變形 , 同時(shí)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(duì)較小 , 在碰撞時(shí)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(shí)乘客艙產(chǎn)生坍塌或變形 , 需要進(jìn)行局部加強(qiáng)。對(duì)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(bǔ)強(qiáng)膠片或其他補(bǔ)強(qiáng)材料對(duì)其接頭、整體進(jìn)行增強(qiáng) ; 對(duì)于車門等大面積鈑金蒙皮部位 , 為使乘客艙側(cè)面較強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)膠片。

補(bǔ)強(qiáng)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(shí)揭去防粘紙 , 將其貼附于需補(bǔ)強(qiáng)的鋼板表面 , 經(jīng)電泳漆烘烤工序時(shí) , 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(qiáng)度和沖擊性能。補(bǔ)強(qiáng)材料的測試標(biāo)準(zhǔn)目前為日產(chǎn) NESM8451 《汽車薄板補(bǔ)強(qiáng)材料標(biāo)準(zhǔn) 》。以我公司 LY 系列補(bǔ)強(qiáng)膠片為例 , 鋼板彎曲強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)后是補(bǔ)強(qiáng)前的 3 ～ 9 倍 ( 不同型號(hào)補(bǔ)強(qiáng)效果不同 ) 。表 1 和圖 1為 LY 2 306(D 型 ) 補(bǔ)強(qiáng)膠片測試數(shù)據(jù)。

（2）能量吸收計(jì)算方法 : 材料達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)壓力對(duì)其做功總和。

由表 1 可看見,

（1）應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)膠片后鋼板剛性增加 , 補(bǔ)強(qiáng)后形變 1 mm 所需力是補(bǔ)強(qiáng)前的 7. 5 倍;

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

由圖 1 可以看出

（1）應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)膠片后鋼板強(qiáng)度增加。如施加 100 N 載荷時(shí) , 補(bǔ)強(qiáng)鋼板形變約 0. 7 mm, 而未補(bǔ)強(qiáng)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(qiáng)的部位粘貼補(bǔ)強(qiáng)膠片可以大大提高部件剛性和彎曲強(qiáng)度 , 在發(fā)生碰撞時(shí)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(bǔ)強(qiáng)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(huì)因延展變薄 , 并產(chǎn)生應(yīng)力集中。在汽車長期運(yùn)行中應(yīng)力集中處易產(chǎn)生振動(dòng)疲勞 , 導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展直至斷裂。在應(yīng)力集中部位粘貼補(bǔ)強(qiáng)膠片可提高鋼板剛度 , 使其對(duì)低頻振動(dòng)不產(chǎn)生響應(yīng) ; 由于補(bǔ)強(qiáng)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(dòng)時(shí) , 橡膠分子將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成分子位移、形變和熱能 , 從而提高薄弱處疲勞強(qiáng)度。此外通過對(duì)鋼板局部補(bǔ)強(qiáng) , 增加了鋼板剛度 , 可降低對(duì)振動(dòng)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(shí)提高了車身阻尼作用 , 衰減了振動(dòng)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(bǔ)強(qiáng)膠片應(yīng)用工藝

（1）施工工序介紹目前薄板補(bǔ)強(qiáng)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(gè)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(gè)工序 , 直接影響著車身質(zhì)量 , 當(dāng)薄板補(bǔ)強(qiáng)膠片應(yīng)用于裝焊工序時(shí) , 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(shí) , 不能脫落也不能污染處理液和電泳漆。LY 2 306 補(bǔ)強(qiáng)膠片經(jīng) 10 多個(gè)主機(jī)廠家實(shí)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(duì)應(yīng)措施

某些車型、部位在首次應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)膠片時(shí) , 經(jīng)烘烤固化后 ,會(huì)出現(xiàn)鋼板變形問題 , 主要原因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)膠片在固化過程中收縮 , 或者補(bǔ)強(qiáng)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(jìn)措施是消除補(bǔ)強(qiáng)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(shí)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(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)膠片。目前我公司補(bǔ)強(qiáng)膠片已基本取代進(jìn)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(jì)效益。除上述 2 家外 , LY 2 306 薄板補(bǔ)強(qiáng)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(píng)。

4 　結(jié)語

（1）薄板補(bǔ)強(qiáng)膠片的應(yīng)用增加了車身局部結(jié)構(gòu)剛性 , 增強(qiáng)車身安全性 , 提高了金屬抗疲勞強(qiáng)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(jìn)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(bǔ)強(qiáng)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。