基于性能要求的汽车尾门轻量化设计研究

前言

随着全球汽车保有量的不断增多，全球能源危机和环境污染日益严重，因此对汽车节能减排的要求也不断提高。据统计，汽车重量每减轻10%，油耗可降低6%-8%，尾气排放可下降4%。汽车轻量化是汽车节能减排的重要措施，也是当代汽车发展的必然趋势。汽车轻量化设计主要有2 种方式：（1）设计更加合理的结构，从而避免过设计；（2）采用新材料替换原有传统材料，通常采用铝合金、镁合金、复合材料等轻型材料或高强度钢替代普通低碳钢提高性能，减轻重量[1]。

二种方式中轻量化效果最为明显的为第二种，同时也是最具有挑战的一种，必须在改变零部件材料的同时满足刚度性能指标。因此本文以某车型尾门为研究对象，将钢材质的尾门内外板替换为塑料材质，在保证刚度满足性能目标的前提下，实现尾门的减重。

1 塑料尾门的设计开发

1.1 传统钢材质尾门总成结构

尾门总成由尾门外板与内板焊接总成构成（图1），外板与内板焊接总成通过包边工艺实现连接，尾门内板总成由内板与加强件通过点焊构成。尾门外板材质为B170P1，板厚为0.7mm；尾门内板材质为DC06，板厚为0.6mm。

1.2 塑料尾门设计

对于尾门设计来说，不论是传统钢材料尾门还是塑料材质尾门，其性能要求都是一样的，例如刚度、模态和耐久等性能。对于塑料尾门，如何满足刚度性能，往往是塑料尾门设计的难点。

图1 钢材质尾门总成结构图

1.2.1塑料尾门内、外板材质确定

目前市场上配置塑料尾门的车型，尾门外板材料均为PP热塑性材料，尾门内板根据选用的成型工艺不同，往往选择热塑性材料的PP+LGF或热固性材料SMC[2]。本尾门轻量化方案中，尾门外板采用PP+EPDM+TD20材料，尾门内板采用PP-LGF40-0455材料，尾门加强件的材料与原钢结构加强件材质相同。尾门内、外板及加强件的材料技术参数见表1。

1.2.2塑料尾门内、外板厚度确定

在以往的设计中，将传统钢板冲压零件替换为低密度合金板材冲压件时，替换后的板材厚度可以通过等刚度替换理论的下式（1）计算得出。

（1）

式中：

Ep为层合板等效模量；

Es为原结构材料的弹性模量；

hp，hs为横截面高度（或厚度）[3]。

若基于等刚度替换理论确定塑料尾门内、外板的厚度，这样计算得出的内外板厚度会很厚，无法满足注塑工艺要求。因此，等刚度替换理论不适合塑料尾门设计，塑料尾门内外板厚度确定应以注塑工艺要求为基准确定。选择料厚时需考虑注塑模具压力，外板表面抗凹性及浇口布置等因素，通常塑料尾门内外板要满足注塑工艺要求，主体厚度需设计在3mm以下。结合竞品车测量数据，最终选定塑料尾门外板主体厚度为3mm，尾门内板主体厚度为2.5mm。

1.2.3塑料尾门结构设计

在塑料尾门设计时，如不考虑车型配置分色要求，尾门可以设计为集成扰流板、左右侧饰板、牌照灯饰板及部分内饰。由于原车型后扰流板及左右侧饰板与尾门本体分色不同，综合考虑成型工艺因素，仅将牌照灯饰板与尾门外板集成一体（图2）。尾门内板与尾门加强件采用螺钉紧固连接（图3），尾门外板与尾门内板采用聚氨酯胶粘合连接，聚氨酯胶技术参数为：弹性模量5MPa、泊松比 0.393（23度）、密度1.26g/ml。

图2 尾门外板方案图

图3 尾门内板总成结构图

2 尾门刚度性能分析

2.1 塑料尾门有限元模型的建立

将塑料尾门几何模型导入Hypermesh前处理软件中，经过抽取中面，几何清理及网格划分等操作，其中网格划分尽量采用四边形单元，且三角形单元数不超过单元总数的5%。尾门模型主要包括内板、外板及加强板等。建立局部坐标系：取尾门锁点与铰链轴建立局部坐标系。在该局部坐标系中，x’方向为铰链轴方向，y’方向为铰链轴与锁点确定平面的法线方向。

2.2 性能分析标准

2.2.1尾门弯曲刚度分析

约束条件见图4，载荷工况：在尾门锁点处施加y’向300N的载荷。

图4 弯曲刚度约束条件和载荷工况

2.2.2尾门双侧扭转刚度分析

约束条件见图5，载荷工况：在尾门两侧缓冲块位置沿y’方向施加240Nm扭矩。

文章来源：《塑料》 网址: http://www.slzzs.cn/qikandaodu/2020/1107/617.html