车用非金属部件设计选材优化思路的探讨

摘要：从非金属材料轻量化应用途径入手，对工程塑料、复合材料等汽车非金属材料的特性和应用进行了梳理与汇总，基于零部件的工作条件、开发目标完善了车用非金属材料的性能指标体系，依据非金属材料的应力-应变特性曲线并结合成型工艺、负载条件、使用温度及强度值离散性等因素系统地提出了车用非金属部件设计安全系数的选取原则，并建立了以满足部件功能与结构为主、兼顾成本要素的设计选材开发模型，为汽车工程设计人员在设计选材与优化时提供必要的指导与帮助。

关键词：非金属材料汽车零部件

轻量化

中图分类号：U465

文献标识码：B

DOI ：10.19710/ki.1003-8817.20170173

车用非金属部件设计选材优化思路的探讨

郑学森

毕芸

王宝昆

（北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心,北京101400）

作者简介：郑学森（1968—），男，硕士学位，教授级高级工程师，研究方向为车用非金属材料及其制品的开发与应用研究。

1前言

汽车轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性

能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。节油、减排、提升性能是汽车轻量化设计的三大目标方向[1]。使用轻质材料是当前实现汽车轻量化的重要途径之一，而以工程塑料、复合材料为代表的非金属材料现已成为汽车轻量化设计的首选材料。

材料是整车系统及其零部件设计的基础，汽车技术的进步有力推动了材料技术的发展。整车系统及其零部件开发时设计选用各种非金属材料，通过与零部件结构、制造工艺的有机结合与合理运用，在给定的性能要求、使用环境及经济条件限制、保证整车性价比的前提下，有效实现零部件

和整车轻量化。非金属材料轻量化应用途径主要包括但不局限于以下几种。

a .以塑代钢：如采用高性能复合材料替代弹簧钢生产汽车板簧，采用碳纤维复合材料替代高强度电焊钢管生产汽车传动轴等[2]，可实现相应部件高达50%以上的降重幅度。

b .以塑代塑：如采用短玻纤增强PP 替代常规SMC 生产重卡翼子板，采用低密度SMC 替代常规SMC 生产重卡导流系统，采用轻质GMT 替代麻毡板生产汽车顶棚[3]，采用LFT 替代短玻纤增强尼龙生产汽车进气管等，这些以塑代塑方法可实现零部件的进一步减重。

c .材料的复合化：通过推广应用新型塑料合金和玻璃钢/复合材料以及多种非金属材料组合，增强非金属材料对零部件功能与结构的适应性，持续拓展非金属材料的轻量化应用深度与广度。

d .发泡技术：通过运用塑料微孔发泡成型[4,5]、泡沫塑料复合成型等新颖工艺技术，进一步降低

零部件质量。

e .薄壁化设计：充分利用非金属材料及其工艺的可设计性，通过零部件的薄壁化设计实现降重，如中空结构或泡沫/蜂窝夹芯结构部件的薄壁化设计，承载受力较弱部位的变厚度减薄设计，采用韧性更好的非金属材料对零部件进行减薄设计等。

f .一体化设计：合理运用非金属材料一次性成型特点，通过结构优化实现总成部件的一体化设计与制造，达到轻量化目的。如将重卡SMC 前面罩本体和塑料格栅一体化设计，在减少装配数量与工序、降低工装模具开发投入的同时，还可实现总成件的降重降本[6]。

综上所述，通过非金属材料轻量化应用可以实现更多的功能集成，减少零件的接口设计，减少装配零件，增强功能性，具备更好的成本优势。一辆汽车有多达上万个零部件，用于汽车的材料品种和规格多达四千多种，并不存在一种材料完全替代另一种材料的可能，而是特色竞呈、交相辉映。非金属材料的最大特点是可设计性和品种与工艺多样化，设计选用时须从材料、结构、工艺等多维度综合

考虑。近年来，随着汽车产量的持续提升和轻量化呼声的不断高涨，工程塑料、复合材料等非金属材料在汽车应用需求越来越大，占比越来越高，但在繁荣景象的背后也要意识到相关问题与风险，主要表现在非金属材料的设计自由度大带来了对零部件功能、结构、成本影响的不可预见性，特别是非金属材料分类分级标准及其管控体系建立的滞后，材料/零部件供应商和主机厂之间又存在供需方面的沟通缺失，导致所选材料在汽车轻量化应用的预期价值目标难以完整体现，失败的应用案例也屡见不鲜。这就要求供需各方加深相互认知，优化设计选材思路，最终实现共赢。

2常用汽车非金属材料特性分类介绍

当前，汽车非金属材料已经形成了类型多样

化，兼顾结构与功能，涵盖传统材料与新型材料的庞大材料体系集群。汽车设计开发人员要做好车用非金属部件设计选材，首先应了解工程塑料、复合材料等非金属材料的基本特性与工艺特性（表1、表2），

据此确定概念设计阶段的材料初选范围。

通用工程

塑料POM

PBT PET PC PU

与醇等溶胀坚韧有弹性，耐磨抗蠕变，吸湿性低，但热稳定性差，不耐酸碱，加工温度范围窄绝缘性能较好，对汽油、发动机油的耐受性好。但成型加工困难，且PET 易水解有类似有色金属的强度，兼备延展性及

强韧性，透明。但自润滑性差，有应力开裂

倾向

耐油、韧性、耐磨、耐老化，粘合性好；但耐湿热性较差强度好、耐热难燃、耐磨抗蠕变；但有应须干燥，熔融温度高注塑、模压或挤塑，成型前后需热处理注塑为主，PET 用前须干燥，PBT 结晶速度高，粘性低注塑为主，熔融温度高，成型困难注塑、模压或发泡等，工艺性良好注塑、挤塑为主，加工成型部件等，也作塑料合金用料齿凸轮、轴承、杠杆等滑动和滚动

机械部件汽车分电盘和点火线圈、各种汽车内外装部件灯罩或塑料玻璃，或与ABS 、PA 等用作塑料合金以成型件或泡沫、合成革等形式用

于内饰各部位耐热、阻燃、绝缘、抗冲及尺寸精度

3车用非金属材料性能指标体系

车用非金属部件的设计选材应基于零部件的工作条件、开发目标进行，进而明确材料品种规格和性能指标。除满足受力情况、工作环境和特殊性能要求及工艺性能之外，还应关注法规、环保和成本方面的相关要求。

非金属材料不同于传统的金属材料，其主要结合键是共价键和分子键。由于其分子量很大且大分子间的作用力也达到相当的程度，因此具有一定的力学特性。高分子材料具有密度低（一般在1.0～2.0g/cm 3之间），比强度高，低模量有弹性，绝缘性和耐腐蚀性好，但不耐热、不耐燃，易老化等特征。因此，为了识别非金属材料特性对其零部件失效的影响并将功能与结构需求准确地分解到材料要求中，需要建立有别于金属材料的性能指标体系（表3）。

4车用非金属部件设计安全系数的选取

原则

设计安全系数是机械设计中产品可靠性的一个重要指标，表征的是零件或构件的失效应力与设计应力的比值[7]。设计安全系数的确定主要取决于材料类型与特性，也与产品的复杂程度、种类、寿命周期及可修复性等因素相关。

大多数结构钢和铝合金等金属材料的应力-应变曲线有明显的屈服，这类材料制成的零件或构件的失效应力为屈服极限，即所谓的屈服原则。它们的设计安全系数一般在1.5～2.5范围内选择；针对单纯抗变形而无抗疲劳应用场合的部件，其设计安全系数甚至可降至1.2～2.0之间；而针对动态部件或压力容器等及其他重要安全部件，则应取3.0以上。

而大多数非金属材料的应力-

应变曲线没有

类型

热固性复

合材料

品种SMC BMC

RTM 手糊FRP 喷射FRP 缠绕FRP CFRP

基本材料特性描述

配方自由设计，是综合性价比最高的热固性玻璃钢；制件致密性好，可在线高温烤漆，但性脆配方自由设计，可实现高填充，成本较SMC 低，表面好，强度一般一般使用纤维毡和/或复合毡增强，生产投入较SMC

模压小，但成本更高，效率低，致密性较差

可单独或复合使用纤维布/毡增强，可设计性强；制件质量一致性差，层间强度低，背面毛糙；漆后表面易起泡短切纤维增强，制件强度一般，厚薄不匀，背面毛糙，漆后表面易起泡使用连续纤维，制件强度高，避免常规玻璃钢层间应力不足而导致的应力破坏碳纤维复合材料的机械强度高，尤其是模量方面，但成本要比传统玻璃钢/复合材料高很多主要工艺特性描述

于带预置件和筋台等结构的成

型注塑、压注为主，成型效率较高，适于薄壁制件成型RTM 成型效率中等，不易成型分筋台或薄壁结构，后加工麻烦对结构适应性强，但生产效

率低，作业环境差，制件质量对作业人员技能依赖性大生产效率和作业环境好于手糊，逐渐被弃用FRP 缠绕质量取决于缠绕设备水平和设计分析能力分湿法（如HP-RTM ）或干法（如预浸料、SMC ）成型，现行各

种玻璃钢工艺都适用。

汽车应用推荐建议

以车身外覆盖件

应用为主

车灯反射罩、线圈包覆等

适于中小批量、大中型外覆盖件或结构件

仅适于试制样件

或小批量生产件

适于中小批量、大型外覆盖件适于气瓶、传动轴等罐/柱状结构件车身模块及板簧、

传动轴等结构部件