摘要 : 介紹了一種新型復合補強材料在汽車(chē)工業(yè)中的應用。著(zhù)重闡述了該類(lèi)材料補強、抗疲勞和阻尼的原理及應用工藝 , 并列舉了一些成功應用實(shí)例。

1 　前言

汽車(chē)輕量化是節省能源和降低污染的有效途徑 , 如果汽車(chē)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(jìn)汽車(chē)結構 , 降低材料厚度 , 外板薄壁化 , 結構件中空化等。但鋼板變薄會(huì )使車(chē)身局部剛度下降 , 車(chē)門(mén)、頂蓋、側圍等部位在汽車(chē)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。采取的補救措施之一就是應用復合補強高分子材料。

目前采用補強材料增強的部位主要為空腔結構和鈑金蒙皮。補強產(chǎn)品按材料分為環(huán)氧、 PU 結構發(fā)泡材料和環(huán)氧- 玻璃纖維復合補強材料。環(huán)氧 - 玻璃纖維復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。結構發(fā)泡增強材料主要用于 B 立柱、車(chē)梁等空腔結構增強 , 具有密度低、強度高等優(yōu)點(diǎn) , 可有效增加車(chē)身穩定性和撞擊安全性。環(huán)氧 - 玻纖復合補強材料主要用于車(chē)門(mén)內板、門(mén)拉手、引擎蓋內側、車(chē)頂、輪罩、側圍等外板補強 ,以提高鋼板的彎曲強度、剛度、抗沖擊性 , 提升車(chē)輛安全性能 , 增加鋼板抗疲勞和阻尼效果 , 提升車(chē)輛乘坐舒適性（NVH） 性能。此文以本公司環(huán)氧 - 玻纖復合補強材料 LY 2306 系列薄板補強膠片為例 , 對其應用情況進(jìn)行介紹。

2 　薄板補強膠片的應用原理和測試

2. 1 　補強膠片補強應用原理、作用及測試在降低車(chē)身重量條件下 , 保持或提高汽車(chē)的碰撞防護性能 , 成為汽車(chē)車(chē)身設計的重要課題。根據碰撞安全性的要求 , 車(chē)身殼體的設計原則是 , 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(chē)身的頭部、尾部等其他離乘員較遠的部分的剛度相對較小 , 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(chē)身立柱和外板鋼板變薄的情況下 , 為避免在汽車(chē)碰撞時(shí)乘客艙產(chǎn)生坍塌或變形 , 需要進(jìn)行局部加強。對于 A 、 B 等立柱 , 由于截面尺寸不宜過(guò)大 , 一般在其內部采用結構發(fā)泡材料、補強膠片或其他補強材料對其接頭、整體進(jìn)行增強 ; 對于車(chē)門(mén)等大面積鈑金蒙皮部位 , 為使乘客艙側面較強固以便承受較大的撞擊力 , 可以在車(chē)門(mén)外板內側局部增加補強膠片。

補強膠片是一種 3 層復合材料 , 最上層為玻璃纖維骨架材料 , 中間是以環(huán)氧樹(shù)脂 / 橡膠為基材的粘接層 , 底層為防粘紙。該復合材料可根據需要制成各種幾何尺寸和形狀。使用時(shí)揭去防粘紙 , 將其貼附于需補強的鋼板表面 , 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合結構 , 從而增加鋼板剛性、彎曲強度和沖擊性能。補強材料的測試標準目前為日產(chǎn) NESM8451 《汽車(chē)薄板補強材料標準 》。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 ) 補強膠片測試數據。

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

由表 1 可看見(jiàn),

（1）應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）應用補強膠片后鋼板強度增加。如施加 100 N 載荷時(shí) , 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(jiàn) , 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(shí)通過(guò)材料被破壞吸收更多的沖擊能量 , 可有效提高車(chē)身的安全性能指標。

2. 2 　補強膠片增加鋼板抗疲勞性和乘坐舒適性（NVH）

車(chē)身外板蒙皮在沖壓過(guò)程中 , 在彎角和邊緣等部位鋼板會(huì )因延展變薄 , 并產(chǎn)生應力集中。在汽車(chē)長(cháng)期運行中應力集中處易產(chǎn)生振動(dòng)疲勞 , 導致裂紋產(chǎn)生、擴展直至斷裂。在應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(dòng)不產(chǎn)生響應 ; 由于補強膠片含有橡膠等高分子材料 , 具有阻尼作用 , 當產(chǎn)生振動(dòng)時(shí) , 橡膠分子將振動(dòng)能轉換成分子位移、形變和熱能 , 從而提高薄弱處疲勞強度。此外通過(guò)對鋼板局部補強 , 增加了鋼板剛度 , 可降低對振動(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(chē)體與外界噪聲的共振和共鳴 ; 同時(shí)提高了車(chē)身阻尼作用 , 衰減了振動(dòng)頻率和振幅。通過(guò)上述綜合作用 , 提高了汽車(chē)車(chē)身的抗振、降噪和 NVH 性能。

2. 3 　薄板補強膠片應用工藝

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

2 者區別見(jiàn)表 2 。

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

（2）與前處理匹配介紹

車(chē)身電泳工序是汽車(chē)制造工藝中重要的一個(gè)工序 , 直接影響著(zhù)車(chē)身質(zhì)量 , 當薄板補強膠片應用于裝焊工序時(shí) , 在經(jīng)過(guò)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 補強膠片經(jīng) 10 多個(gè)主機廠(chǎng)家實(shí)際應用表明 , 與槽液、電泳液匹配良好。

（3）產(chǎn)品應用可能出現的問(wèn)題及對應措施

某些車(chē)型、部位在首次應用補強膠片時(shí) , 經(jīng)烘烤固化后 ,會(huì )出現鋼板變形問(wèn)題 , 主要原因為補強膠片在固化過(guò)程中收縮 , 或者補強膠片形狀不合理 , 如面積過(guò)大、未預留應力分散孔等。改進(jìn)措施是消除補強膠片固化收縮問(wèn)題 , 使之盡量接近鋼板冷熱收縮系數 ; 也可以通過(guò)調整膠片形狀來(lái)改善上述問(wèn)題。

3 　應用實(shí)例

2002 年 , 金杯客車(chē)有限公司在售后服務(wù)中發(fā)現 , 客車(chē)后門(mén)外板牌照處出現裂紋。原因主要是沖壓后鋼板變薄 , 車(chē)后門(mén)長(cháng)期的開(kāi)關(guān)導致鋼板疲勞。經(jīng)在該部位外板內側粘貼補強膠片后 , 自 2003 年起未再出現類(lèi)似問(wèn)題。

鄭州日產(chǎn)的帕拉丁車(chē)型在引擎蓋、車(chē)門(mén)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(jìn)口產(chǎn)品 , 為鄭州日產(chǎn)公司節省了近 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(mén)金龍等多家汽車(chē)廠(chǎng)成功應用 , 獲得一致好評。

4 　結語(yǔ)

（1）薄板補強膠片的應用增加了車(chē)身局部結構剛性 , 增強車(chē)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(chē)制造技術(shù)的進(jìn)步提供了一種新材料。

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