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SMC材料在某電動汽車發動機罩蓋上的應用

SMC材料在某電動汽車發動機罩蓋上的應用

在某新型純電動汽車上使用了SMC材料替代傳統的鋼板作為汽車發動機罩板件的材料,從而實現了相比傳統汽車的鋼板發動機罩減重23%的目標。其次根據SMC材料與鋼板不相同的成型特性,優化設計了發動機罩里板的結構,從而相較鋼板發動機罩取消了鎖加強板、鉸鏈加強板和撐桿支撐板等板件,簡化了發動機罩板件結構。同時本方案發動機罩里、外板之間采用粘膠連接,與傳統機罩折邊、涂膠、點焊和鉚接結合的方式相比,連接工藝大大簡化。 
目前,實現汽車節能減排有兩個可行方法:一是提高能量利用率或者采用更清潔高效的能源;二是在不降低汽車車身強度和安全性能的前提下,盡量降低汽車車身重量。據資料介紹,汽車自重減輕100 kg,行駛100 km,可節油0.3 kg;自重減輕10%,燃料經濟效益提高10%[1]。要降低汽車自重,除了采用結構優化設計外,目前最有效的手段就是在汽車上大量使用輕量化材料,如塑料基體復合材料等,其中,片狀模塑料(SMC)便是應用最廣泛的一種。 
SMC是60年代在西德發展起來的一種新型玻璃鋼模壓材料。國外汽車市場上以美國使用SMC最多,65%的轎車采用SMC作為發動機面罩,SMC在汽車上的應用,幾乎涵蓋了美國所有車廠,尤其以重型卡車上面使用最多,原三大車廠莫不如此。歐洲市場以德國、法國、英國、意大利、瑞典為主,在梅賽德斯-奔馳、寶馬、大眾、標致、蓮花、菲亞特、曼恩等車廠的轎車、客車和載貨車上大量應用。國內市場,隨著上個世紀80年代末國家汽車產業發展政策的重大轉型,國外汽車巨頭紛紛進入中國,帶來了復合材料在汽車上的大量應用,SMC得到大的發展,尤其是近幾年來發展勢頭更加迅猛[2]。 
在新型電動汽車開發項目中,采用SMC代替傳統汽車的鋼板作為發動機罩的內、外板結構材料,以實現輕量化的目的。 
1、 SMC材料介紹 
SMC材料是一種干法制造不飽和聚酯玻璃鋼制品的模塑料。20世紀60年代初,這種塑料首次在歐洲出現,之后美國和日本相繼發展了這種塑料材料的加工工藝。目前,SMC材料被廣泛應用于車輛、建筑、電子、電器等行業中。 
SMC具有輕質、高強、耐腐蝕、成本低及可大規模生產等特點 ,使其在汽車等工業上替代鋼鐵、減輕自身質量的過程中脫穎而出。
針對發動機罩板件的受力特點,某純電動車所采用SMC材料在抗彎強度和抗沖擊強度兩個方面通過調整材料配比進行了增強。同時SMC材料相較鋼板而言有很輕的密度,故SMC是代替鋼板材料用作新能源汽車發動機罩材料的優良選擇。 
2 某純電動車發動機罩板件方案介紹 
2.1 總體方案介紹 
純電動車發動機罩外板和內板分別采用料厚為2.5 mm和2.0 mm的SMC材料,它們之間通過粘膠連接。與傳統的鋼制發動機罩板相比,該內、外板之間不需鎖加強板、鉸鏈加強板、撐桿安裝支架等結構,且側面通過雙面膠固定機罩側密封條實現密封,以達到電動汽車前機艙更高的防水要求。 
2.2 板件結構 
某純電動車發動機罩采用抗彎性能跟鋼板相當的SMC材料,考慮到機罩外板指壓剛的要求,外板料厚定義為2.5mm,里板料厚定義為2mm。機罩里板通過設計沉臺、十字筋等加強結構,以保證機罩里板的剛度及強度要求。與傳統的鋼板機罩里板總成相比,取消了發動機罩鎖加強板、鉸鏈加強板和撐桿安裝板等加強板件。 
2.3 里外板連接 
傳統鋼板發動機罩里、外板之間通過折邊、涂膠結合的方式連接,同時鎖加強板、鉸鏈加強板和撐桿安裝支架等與里板之間采用點焊連;谝环N結構膠良好的耐候性和高強度的粘接性能,某純電動車發動機罩里、外板之間的連接方式與傳統鋼板機罩不同,其里、外板之間完全采用粘膠連接。 
2.4 側邊密封防水 
一些普通燃料汽車一般采用U形結構的鈑金防止雨水等通過側面分縫進入前機艙,新型電動汽車前機艙蓋和前翼子板分別采用SMC和PA66等塑料材料,成型方式不同決定了這些零部件局部結構與傳統鈑金件會不相同;同時相較于傳統燃料汽車,電動汽車前機艙電器元件更多,相應防水密封等級也更高。某純電動車用粘接側密封條結構在滿足前機艙防水密封性和非金屬材料成型性基礎上能大大簡化機艙側面分縫斷面結構,減少零件數量。該防水結構已經申請了實用新型專利。 
3、SMC材料在發動機罩上應用的效果 
3.1 機械性能 
3.1.1 板件結構和連接方式 
該電動車發動機罩板件去掉了鎖加強板、鉸鏈加強板和撐桿安裝支架等結構,使機罩結構大大簡化;同時其里外板之間采用粘膠連接,與傳統機罩折邊、涂膠、點焊和鉚接結合的方式相比,連接方式與工藝大大簡化。 
3.1.2 板件剛度強度CAE分析 
對該SMC發動機罩的自由模態、安裝剛度、扭轉剛度、沖擊剛度和掌壓剛度進行CAE分析。 
綜上,引擎蓋安裝變形、沖擊分析及掌壓分析均滿足目標設定要求;目前缺少非金屬引擎蓋的扭轉剛度目標值,但從其模態頻率及其他工況變形均較小來判斷,認為滿足剛度要求,有待試驗加以驗證。 
3.2 重量性能 
將某純電動車發動機罩重量與一個與該機罩形狀大小相同,外板料厚0.7 mm,里板料厚0.6 mm,鎖加強板、鉸鏈加強板和撐桿支架預估質量為1.1 kg的鋼板件發動機罩重量相比較,SMC材料機罩與傳統鋼板發動機罩相比,重量降低至少23%以上。 
4 結論 
通過采用SMC替代鋼板作為生產新型電動汽車的材料,并結合SMC材料的成型特性、材料物化性能等采用膠粘連接工藝,使板件結構和連接工藝大大簡化。 
在簡化板件結構的同時,SMC材料發動機罩與傳統鋼板機罩相比重量減輕至少1.7 kg,為本純電動車型降低車身重量,增加續航里程貢獻了力量。同時也為車身其他相關零部件使用SMC材料減重提供了參考。 

 

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