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商用车车身塑料使用现状与趋势

东风汽车有限公司商用车研发中心 陈涛

                                                                                                                                                                                 

   

在中国,商用车目前是具有自主知识品牌的主力车型。商用车的使用目的是货物运输,使用环境远比乘用车恶劣。同时,国产商用车面临着产业升级和价格压力。在这种现实条件下,塑料作为一种设计自由度高、易加工材料,在新车身开发和老车身改型的过程中,得到了广泛的使用。

目前,商用车年产量在170万辆左右,包括了轻、中、重、微等车型。在提高运输经济性的过程中,重型车快速增长,其他车型相对保持在一个平稳增长的趋势。

商用车车身发展趋势主要为:

1. 车身安全性提高,安全性不仅仅是保护自己,也要注意保护对方。

2. 轿车化,一般认为,商用车为生产型工具,轿车为消费型工具,因此轿车具有比商用车天生的乘坐舒适性、外观造型等要求。随着社会需求的进步,商用车大量用于长途运输,为了减轻疲劳,对车身舒适性的要求逐步提高,同时对于外观造型也越来越关注。商用车的轿车化主要表现为 :外部造型轿车化,内饰布置轿车化,车身装备轿车化。

商用车车身发展对塑料的要求

近年来,国内各大主机厂通过新车身开发,努力扩大市场份额,突破了长期以来车身发展相对整车的落后局面。这些都对塑料材料在车身中的应用提出了新的要求。

商用车身开发中,塑料材料的应用目前主要集中在内外装饰件、电子器件的绝缘和装饰外壳等,这也是车用塑料材料的主要应用领域。在材料的基本性能上,很大程度上参考了轿车车身材料,并且考虑到商用车使用状况,使用、改进材料性能。对于老车型,往往通过内饰、外装的重新设计,扩大车身品种,在这个过程中,可以迅速应用成熟的塑料材料和塑料产品,也是塑料应用的一个重要方面。乘用车方面,为了降低自重、降低油耗、简化生产流程、提高安全性,努力开发使用新型塑料作为功能件和车身大型覆盖件,尽管这一应用还受到技术、价格等多方面的影响,仍然成为开发重点。对于商用车车身而言,车身刚性和安全性也主要通过高强度钢来保证,塑料材料对于降低重量具有一定作用,但是这并不是塑料材料扩大应用的主要原因。商用车中,目前仍然是利用塑料材料设计自由度和集成化等降低成本、提高内饰舒适性等。因此,本文所论述的车身塑料应用主要还是指车身附件中的塑料应用。

一、车身塑料使用现状

商用车塑料产品发展的最新特点是产品大型化和装配集成化。目前车身塑料制品中,1m以上的产品已经非常普遍,部分塑料产品长度已经达到2m以上。同时,产品集成化程度提高,像仪表板这样的总成已经集成为一体进行线下装配,也导致塑料产品具有更加复杂的结构。这样,不仅仅要求材料具有高流动、高刚性等基本性能要求,材料的颜色也必须有很好的稳定性。先进的加工工艺用于保证制品性能,降低扭曲等现象。下面仅仅就几种使用量较大的材料,介绍目前车身塑料使用现状。

1、改性PP材料

车身塑料材料中,目前使用最多的是改性PP系列材料。使用部件包括仪表板、车门护板、装饰面板等大型内饰部件和保险杠、水箱面罩、挡泥板等外装部件。以改性PP为主的聚烯烃材料已经占到车用塑料使用量的50%以上。改性PP材料目前在使用中,特别注重以下特点:

高流动性,目前改性PP材料的熔融指数往往达到20~30g/10min。这样,可以提高产品的熔接痕强度,降低表面熔接线。为了保证材料制品表观颜色的要求,对改性PP基础材料的选择也有更严格的要求,需要使用专门合成的PP材料满足改性要求。


性能要求合理化,对于不同部位的产品,材料性能要求更为合理。例如,仪表板使用的改性PP已经达到了2G的弯曲模量和25KJ/m2的冲击强度,而门护板则要求在5KJ/m2左右的冲击强度即可。这样可以有效控制成本,并满足制品性能要求。

密度成为重要指标。为了有效降低材料成本,在材料性能严格要求的同时,材料密度也成为一项重要的指标。目前,国内商用车塑料材料的价格已经占到塑料零部件价格的1/2,因此材料密度对于制品成本控制具有重要的作用。

上述几个方面的要求往往是相互限制,因此对于材料的配方设计、制品加工等都提出了比以前更为严格的要求。同时,随着材料合成技术和加工技术的进步,部分内饰产品也开始用纯PP材料,进一步降低了材料成本。

2、ABS类材料

ABS的品种多,表面处理效果好,价格低。因此在车身材料中一直广受欢迎。由于ABS耐候性差,目前商用车中已经广泛使用高耐候的AES、ASA等材料作为ABS的补充。当产品需要表面处理时,例如水转印膜、喷涂时,采用ABS;不需要表面处理时,选用ASA、AES等。

3、SMC等玻纤增强材料

SMC综合性能远超过其他工程塑料、并且是可以在线喷漆的材料,在商用车车身开发中一直占有重要的位置。目前车用SMC的弯曲模量一般超过10GPa,冲击强度高达60KJ/m2以上,可以制备保险杠、支柱、发动机面罩、各类挡板等大表面积的制品。其他热塑性玻纤增强工程塑料也由于强度高,在实际使用中得到了广泛的应用,例如PC/PET-GF10、PP-GF30等材料。

二、车身塑料材料的使用趋势

车身塑料的使用除了性能要求和工艺要求等客观条件,还受到材料使用趋势等影响。这种趋势往往会形成强制的要求。目前在车身用塑料材料中,下面几个趋势正在成为现实。

材料统一性

这种统一包括基础材料和填料使用类型统一,用来方便回收增值。目前,内饰用塑料材料已经向着聚烯烃材料的方向统一,主要是改性PP、PE材料、聚烯烃弹性体等。外装材料目前仍然有多种材料在不同的车型中使用,目前主要的使用品种为改性PP、SMC、ABS类等。车用材料的回收已经成为一项法规性项目,塑料材料由于回收方便,可以在这方面做出一定贡献。

车身内饰空间的环境保护

目前,由于内饰附件已经基本塑料化,塑料制品在加工装配过程和使用过程中,会挥发出大量的有机物(VOC)。有效降低VOC已经是内饰材料的一个重大课题。目前,国内外许多材料厂商都在致力于低味道、低挥发性改性材料和环境友好型粘接剂等材料,满足车身内饰的环境保护要求。对于抗菌面料的研究也在努力推进中。

低成本材料方案

塑料制品的价格优势主要表现在加工装配简单。但是塑料本身是一种高价材料,并且材料价格对制品价格的影响较大。塑料材料的价格已经占到塑料零部件价格的1/3~1/2,这也说明车用塑料制品加工技术相对落后、制品功能性差导致增值过程太低,限制了车用塑料制品采用更优异的加工技术提高产品性能。低成本方案现在主要有两种方式,第一是采用更低廉的材料,比如回收材料等。这种低附加值创新只能进一步恶化国内零部件环境。第二是采用性能更优异的材料,通过降低产品用料来降低材料成本,同时提高加工技术。这种创新型低成本材料方案是塑料供应商和制品加工厂商一直在从事的方向,但是目前仍然收到价格限制而进步缓慢。

三、车身塑料应用的饱和性分析

目前,车身附件的塑料材料使用已经达到了一个很高的水平。塑料材料要扩大在商用车车身的应用,在可以预见的一段时间内,仍受到技术限制。分析车身附件塑料的饱和性,对于材料的进一步使用和发展都有重要的意义。

1、材料使用部位的饱和性分析

目前,车身内饰和外部装饰中,大表面积零件的塑料使用也已经得到了饱和程度。仅仅有部分零件尚未塑料化。主要包括各类支撑固定板、仪表板梁及其支架总成、座椅支架等各类支架等。这些部位由于收到一定的拉、压、弯等应力,往往采用金属部件。事实上,象座椅支架这样的产品,已经开始尝试塑料材料。目前,长玻纤增强塑料(LFT)已经广泛使用在国外轿车领域,对于这些支架产品是非常合适的一类材料,由于新材料的成本和加工技术的不断进步,车身内饰外装部件实现全部塑料化已经非常接近。

对于轿车上不断推进的全塑车身,商用车目前并不具备可比性。但是像车门这样的大型制件,采用塑料成型有一定的可行性。部分车身部件也已经采用SMC等作为成型部件使用多年。全塑车身发展过程中研究的高级加工技术,也推动了其他车身塑料部件进步。

2、材料使用类型的饱和性分析

同一制品使用的塑料材料中,往往可以采用不同的塑料类型。一般说来,任何一个制品都可以有2~3种材料满足使用要求。例如,发动机面罩可以采用SMC、ABS喷涂、改性PP、AES等材料,保险杠材料也可以采用金属、SMC、改性PP、PC/PBT等多种材料。目前已经形成了多材料相互竞争的局面。在设计初期,考虑成本、产量、车型配置,并预测后续产品改进等因素,进行合理的选择。随着新材料的不断进步,有更多的材料供车身产品选择。

3、塑料制品的问题与解决方案

虽然车身附件中塑料制品得到了广泛的使用,但是在使用中仍然存在许多问题。这些问题会导致客户对塑料制品的满意度下降,设计人员怀疑塑料制品的性能。一般来说,这种满意程度下降的直接反应就是改换为金属制品或者采用更高等级的塑料制品,从而增加了产品成本。

例如,对于PP材料而言,无论如何改性,总是存在着低温脆性和高温刚性的矛盾,后结晶现象也造成尺寸稳定性相对较差。虽然针对不同制品采取了不同的材料方案和设计方案,外部装饰件的部分改性PP制品总不是令人满意。目前,新开发的商用车身(特别是中高档商用车)在重要外装件的使用中,明显降低了改性PP产品,而使用SMC作为保险杠、AES作为面罩等。从设计人员的反馈来看,改性PP的外装制品已经是低挡产品的别称。通过加工技术的进步来提高改性PP制品满意度的工作作为一个相对落后的领域,应该给予相当的注意。

塑料制品使用过程中的高维修费用也是一个问题,特别是保险杠这样的重要产品。虽然塑料保险杠可以在发生事故时可以起到保护对方的作用。但是绝大部分用户对塑料保险杠使用过程中的易损坏性和高维修费用总是不满意。

从产品设计角度看来,目前最重要的依然是基于装配的设计(DFA),设计重点在于装配和运动干涉等信息,车身设计人员关注制品最后使用状态,却往往在设计初期无法预测塑料产品在制造过程中带来的潜在风险。塑料材料的使用都是通过制品制造体现出来,所有的零部件必须制备合格,才可以满足设计和使用要求。在材料选择和性能匹配已经相对完善的今天,基于制造的设计(DFM)就成为塑料应用的新课题。从现有发展看来,车身塑料制品的DFM主要表现在产品成型新工艺和CAE模拟两个方面。

在成型工艺方面,低压成型技术一直是塑料产品成型加工中大力发展的领域。气体辅助成型、注塑-压制工艺、模内装饰工艺等,都是低压成型技术的具体应用。其中气体辅助成型已经得到了广泛的使用。新工艺的实行,可以突破塑料制品原有设计限制,给车身塑料制品带来质的提高。

CAE模拟技术包括应力分析CAE和模流模拟CAE,也已经在生产中得到了应用。CAE技术有助于对制品强度和加工过程中出现的问题预测。目前,车身塑料制品的质量控制已经达到了量化阶段。CAE模拟可以有限控制开发风险,降低产品试制次数。

当成型加工和CAE模拟都用于产品开发阶段时,材料、制品设计、加工形成了三位一体的高级阶段。目前国内的商用车车身塑料产品设计正在向这方面迅速发展。

结束语:商用车车身塑料应用目前已经进入了一个较高的平台,相对饱和的使用量和多品种的塑料材料选择对商用车车身附件的开发提供了可靠的保障。同时,基于制造的设计(DFM)将是下一步车身塑料制品开发的重要手段。这将更进一步提高塑料产品的可靠性,解决用户关心的实际问题。

 
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