汽车塑料后尾门的轻量化研究

近年来，随着社会的发展和人们生活品质的提升，汽车作为耐用消费品逐渐走近了千家万户，我国的汽车生产和保有量处于世界前列。大量的汽车能耗和尾气排放对环境保护造成了新的挑战，汽车的重量是影响汽车能耗的关键指标。因此，在安全条件下，适当降低车身重量，实现汽车轻量化设计是有效解决汽车能耗及排放，提高汽车燃油经济性的重要途经[1-2]。

汽车的后尾门部分涉及零部件较多，是汽车尾部外观造型的重要组成，使用时频繁开启，故对汽车尾门部分的设计要注重美观和实用并重。传统的汽车尾门材料多为钣金制作，成型困难，且不利于汽车的轻量化设计。因此，采用重量较轻的高强度塑料，实现“以塑代钢”是后尾门轻量化研究的主要方向。

1 汽车后尾门的结构

汽车后尾门部分集成了后挡风玻璃、尾门锁、尾灯、倒车灯、倒车影像摄像头、雷达传感器、后雨刮器及电机、尾门线束组件、天线、扰流板、气弹簧、缓冲块、其他装饰亮条等零部件。传统汽车尾门由数十个钣金冲压件,通过夹具装夹、点焊或激光焊接而成，结构复杂且重量较大。由高强度塑料代替钣金制作汽车后尾门既可实现轻量化，又有效降低尾门焊接误差及冲压和累计误差，还可适应尾门造型的变化，提高设计自由度，提升汽车尾部的外观质量。目前，塑料后尾门已在多款车型中应用。

2 塑料后尾门的轻量化研究

随着个性化需求的增加，对汽车后尾门结构造型和安全环保需求提出了更高的要求。塑料后尾门材料从全热固性塑料到全热塑性塑料，经历了多次产品迭代，生产工艺不断改进。塑料尾门的成型工艺、集成化、结构轻量化设计和新型材料应用等方面的技术将是塑料尾门重要的研究方向。

图1 塑料后尾门主要结构

图2 塑料后尾门集成

2.1 塑料后尾门成型工艺研究

塑料后尾门成型工艺是指产品的制造工艺，塑料成型工艺主要包括热压和注塑，塑料后尾门的成型工艺按时间发展经历了3个不同的阶段，第一代产品为全热固性的热压塑料尾门，第二代产品为热固性的热压塑料内板+热塑性注塑塑料外板/扰流板塑料尾门，第三代产品为全热塑性注塑塑料尾门[3-5]。经过三代成型工艺的不断完善，塑料后尾门成型工艺基本成熟，产品性能指标与整车匹配性较好，且轻量化水平得到显著提高[6-7]。图1所示为第三代塑料后尾门主要结构，包括内板、外板、扰流板三个主要的注塑塑料部件。

2.2 塑料后尾门的集成化研究

塑料后尾门集成化是指将塑料后尾门模块进行集成，各部件通过直接安装在塑料后尾门上，形成一个整体部件。图2所示即为集成化的塑料后尾门，其根据功能需求不同包括后挡风玻璃、后雨刮、上外板、刹车灯、门把手、牌照灯、下外板、气弹簧、尾灯、密封条、门锁及其支架、线束管路、防碎线、门铰链、雨刮电机、后背门内护板组件等部件。通过把塑料后尾门模块进行集成化，有效利用汽车尾部空间，实现后尾门轻量化。

2.3 塑料后尾门结构轻量化设计

塑料后尾门结构轻量化设计就是通过计算机CAE分析软件对产品结构和形状进行优化，实现塑料尾门结构的轻量化。目前，结构优化技术主要包括拓扑优化、形貌优化和尺寸优化。拓扑优化是在需要优化的设计空间下，达到不同的性能要求，满足材料分布的最优化的一种计算方法；形貌优化是指对产品内部几何结构形状以及其边界的形状分析优化方法；尺寸优化是指通过调整板件厚度以及梁结构的截面尺寸等参数来改进性能的优化方法，此优化过程并不改变结构的拓扑之间关系和拓扑本身的形状。采用有限元技术对结构进行优化分析，使产品的各性能指数在设计阶段进行有效的定量分析，可以大幅度缩减开发周期、降低开发成本，在汽车轻量化设计领域应用普遍[8-10]。

2.4 新型材料的应用

塑料后尾门的材质与其成型工艺密切相关，随着成型工艺的不断发展，其材质也从早期的热固性塑料，到热固性塑料与热塑性塑料相结合，再到全热塑性塑料，构成塑料尾门的发展进程。其中，第一代产品热固性塑料，采用SMC复合材料（玻璃钢），优点是外观效果良好、刚度高、产品收缩率低，但由于密度太高，减重效果不明显，而且回收难度高，脆性大易碎、耐冲击性差。第二代产品对第一代产品进行材质改进，使用复合材料，外板扰流板使用塑性材料，轻量化效果得到明显改善。第三代塑料尾门内板采用PP长玻纤、外板采用矿物填充的PP材料，使后尾门在轻量化、结构强度、环保、造型自由度等方面性能显著提升[11-12]。

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