薄板补强胶片在汽车工业中的应用

摘要 : 介绍了一种新型复合补强材料在汽车工业中的应用。着重阐述了该类材料补强、抗疲劳和阻尼的原理及应用工艺 , 并列举了一些成功应用实例。

1 　前言

汽车轻量化是节省能源和降低污染的有效途径 , 如果汽车总质量减轻 10% , 则油耗减少 3% ～ 7% 。目前国外减重主要有 2 种方法:

（1）采用强度高、质量轻的材料 , 如铝合金、镁合金、高强度钢材、工程塑料等;

（2）改进汽车结构 , 降低材料厚度 , 外板薄壁化 , 结构件中空化等。但钢板变薄会使车身局部刚度下降 , 车门、顶盖、侧围等部位在汽车行驶中易产生噪音和共振 ; 发生意外碰撞时冲击能量吸收变小 , 容易伤害乘员。采取的补救措施之一就是应用复合补强高分子材料。

目前采用补强材料增强的部位主要为空腔结构和钣金蒙皮。补强产品按材料分为环氧、 PU 结构发泡材料和环氧- 玻璃纤维复合补强材料。环氧 - 玻璃纤维复合增强材料又可分为膨胀型和非膨胀型。按补强效果可分为高、中、低档补强材料。结构发泡增强材料主要用于 B 立柱、车梁等空腔结构增强 , 具有密度低、强度高等优点 , 可有效增加车身稳定性和撞击安全性。环氧 - 玻纤复合补强材料主要用于车门内板、门拉手、引擎盖内侧、车顶、轮罩、侧围等外板补强 ,以提高钢板的弯曲强度、刚度、抗冲击性 , 提升车辆安全性能 , 增加钢板抗疲劳和阻尼效果 , 提升车辆乘坐舒适性（NVH） 性能。此文以本公司环氧 - 玻纤复合补强材料 LY 2306 系列薄板补强胶片为例 , 对其应用情况进行介绍。

2 　薄板补强胶片的应用原理和测试

2. 1 　补强胶片补强应用原理、作用及测试在降低车身重量条件下 , 保持或提高汽车的碰撞防护性能 , 成为汽车车身设计的重要课题。根据碰撞安全性的要求 , 车身壳体的设计原则是 , 使乘客舱具有较大的刚度 , 在碰撞时尽量减小变形 , 同时使车身的头部、尾部等其他离乘员较远的部分的刚度相对较小 , 在碰撞时得以产生较大的变形而吸收撞击能量。显然 , 在车身立柱和外板钢板变薄的情况下 , 为避免在汽车碰撞时乘客舱产生坍塌或变形 , 需要进行局部加强。对于 A 、 B 等立柱 , 由于截面尺寸不宜过大 , 一般在其内部采用结构发泡材料、补强胶片或其他补强材料对其接头、整体进行增强 ; 对于车门等大面积钣金蒙皮部位 , 为使乘客舱侧面较强固以便承受较大的撞击力 , 可以在车门外板内侧局部增加补强胶片。

补强胶片是一种 3 层复合材料 , 最上层为玻璃纤维骨架材料 , 中间是以环氧树脂 / 橡胶为基材的粘接层 , 底层为防粘纸。该复合材料可根据需要制成各种几何尺寸和形状。使用时揭去防粘纸 , 将其贴附于需补强的钢板表面 , 经电泳漆烘烤工序时 , 粘接层固化 , 玻璃纤维、粘接层与钢材形成复合结构 , 从而增加钢板刚性、弯曲强度和冲击性能。补强材料的测试标准目前为日产 NESM8451 《汽车薄板补强材料标准 》。以我公司 LY 系列补强胶片为例 , 钢板弯曲强度补强后是补强前的 3 ～ 9 倍 ( 不同型号补强效果不同 ) 。表 1 和图 1为 LY 2 306(D 型 ) 补强胶片测试数据。

（2）能量吸收计算方法 : 材料达到屈服点时压力对其做功总和。

由表 1 可看见,

（1）应用补强胶片后钢板刚性增加 , 补强后形变 1 mm 所需力是补强前的 7. 5 倍;

（2）弯曲强度增加 , 粘贴补强胶片钢板的最大破坏载荷为 340 N, 比未补强钢板(110 N) 增加了 2. 1 倍。

由图 1 可以看出

（1）应用补强胶片后钢板强度增加。如施加 100 N 载荷时 , 补强钢板形变约 0. 7 mm, 而未补强的形变约 6. 8 mm 。

（2）抗冲击性增加 , 吸收能量由 0. 39 J 变为1. 41 J, 提高了 2. 62 倍。由此可见 , 在需要局部增强的部位粘贴补强胶片可以大大提高部件刚性和弯曲强度 , 在发生碰撞时通过材料被破坏吸收更多的冲击能量 , 可有效提高车身的安全性能指标。

2. 2 　补强胶片增加钢板抗疲劳性和乘坐舒适性（NVH）

车身外板蒙皮在冲压过程中 , 在弯角和边缘等部位钢板会因延展变薄 , 并产生应力集中。在汽车长期运行中应力集中处易产生振动疲劳 , 导致裂纹产生、扩展直至断裂。在应力集中部位粘贴补强胶片可提高钢板刚度 , 使其对低频振动不产生响应 ; 由于补强胶片含有橡胶等高分子材料 , 具有阻尼作用 , 当产生振动时 , 橡胶分子将振动能转换成分子位移、形变和热能 , 从而提高薄弱处疲劳强度。此外通过对钢板局部补强 , 增加了钢板刚度 , 可降低对振动的敏感性 ; 还可提高钢板的固有共振频率 , 使其不易产生车体与外界噪声的共振和共鸣 ; 同时提高了车身阻尼作用 , 衰减了振动频率和振幅。通过上述综合作用 , 提高了汽车车身的抗振、降噪和 NVH 性能。

2. 3 　薄板补强胶片应用工艺

（1）施工工序介绍目前薄板补强材料按应用工序分为 2 类 : 涂装车间类型和装焊车间类型。 2 者区别在于固化条件不同。

2 者区别见表 2 。

汽车制造过程中 , 涂装车间清洁度直接影响到汽车涂装的制造成本和质量 , “洁净涂装车间 ”是一个发展趋势。所谓“洁净涂装车间 ”是指将与涂漆没有直接关系的材料的施工由涂装车间提前到焊装车间或后移到总装车间 , 以减少影响涂装车间清洁度的操作。

（2）与前处理匹配介绍

车身电泳工序是汽车制造工艺中重要的一个工序 , 直接影响着车身质量 , 当薄板补强胶片应用于装焊工序时 , 在经过各种处理液 ( 冷水、热水、脱脂液、除锈液、磷化液等 ) 、电泳液的冲刷和侵蚀时 , 不能脱落也不能污染处理液和电泳漆。LY 2 306 补强胶片经 10 多个主机厂家实际应用表明 , 与槽液、电泳液匹配良好。

（3）产品应用可能出现的问题及对应措施

某些车型、部位在首次应用补强胶片时 , 经烘烤固化后 ,会出现钢板变形问题 , 主要原因为补强胶片在固化过程中收缩 , 或者补强胶片形状不合理 , 如面积过大、未预留应力分散孔等。改进措施是消除补强胶片固化收缩问题 , 使之尽量接近钢板冷热收缩系数 ; 也可以通过调整胶片形状来改善上述问题。

3 　应用实例

2002 年 , 金杯客车有限公司在售后服务中发现 , 客车后门外板牌照处出现裂纹。原因主要是冲压后钢板变薄 , 车后门长期的开关导致钢板疲劳。经在该部位外板内侧粘贴补强胶片后 , 自 2003 年起未再出现类似问题。

郑州日产的帕拉丁车型在引擎盖、车门等很多部位都使用了薄板补强胶片。目前我公司补强胶片已基本取代进口产品 , 为郑州日产公司节省了近 30% 的采购成本 , 取得了良好的经济效益。除上述 2 家外 , LY 2 306 薄板补强胶片已在哈飞赛豹、华晨俊捷、北汽福田、一汽吉林轻型、五十铃、厦门金龙等多家汽车厂成功应用 , 获得一致好评。

4 　结语

（1）薄板补强胶片的应用增加了车身局部结构刚性 , 增强车身安全性 , 提高了金属抗疲劳强度 , 阻止裂纹的产生 , 降低了行驶噪音 , 改善了乘坐舒适性 , 为汽车制造技术的进步提供了一种新材料。

（2） 5 年多的应用证明 ,LY 2 306 薄板补强胶片性能符合国外相关标准 , 施工方便 , 应用效果良好 , 可以广泛推广应用。