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专题论述

蜂窝型聚氨酯发泡材料应用于汽车天窗遮阳板的初步研究

发布时间:2021/6/10 12:02:26 来源:汽车材料网

现代汽车基于人们个性化的需求,越来越多地配置了车顶天窗系统。有一种小尺寸单片玻璃的车顶天窗是需要在内饰顶衬上配置遮阳板部件,以便在乘客需要时提供透光和换气的作用。传统的汽车天窗遮阳板部件通常采用经过电泳漆处理过的铁板或塑料材料作为基板材料,这两种类型的遮阳板重量比较大设计相对复杂且成本高。因此我们设想利用蜂窝型聚氨酯发泡材料作为汽车天窗遮阳板的基板,替代铁板或塑料材料。文章主要就开发这种蜂窝型聚氨酯发泡材料遮阳板部件的过程,以及需要解决的技术问题作初步探讨和研究。

引 言

汽车小尺寸天窗系统的遮阳板部件,有多种多样的材料和结构形式,同以往的铁板或塑料材料的遮阳板相比,蜂窝型聚氨酯发泡材料具有重量轻,成本低的特点,而且也没有降低整体强度及滑动稳定性等产品性能。从轻量化角度,新型遮阳板部件在天窗约10kg总重量基础上,可以降低约7%重量;从成本节省角度,每个遮阳板能节省至少20元的成本,以某款车型一年12万的量来计算,此项改进在单个项目上每年预计可以节省240多万元的成本。通过推广引用到其他类似天窗的开发项目上,预计可以产生更多的效益。

作为汽车天窗的设计制造供应商来讲,采用轻质材料也有很多好处。首先,选择轻质材料替代,能直接降低产品原材料的成本;同时新的材料结构也间接减少零件数量进一步降低成本;其次,轻质材料相对原本材料的产品有更好的操作感和更舒适的外观。

在轻量化已经成为世界汽车发展潮流的时代,天窗遮阳板能实现轻量化设计肯定是一个趋势,从大的方面考虑,天窗产品也需要在汽车的轻量化,社会环保等方面做出贡献。

新概念遮阳板

1、 替代材料的选择

在经过材料筛选及工艺成型分析之后,我们选择了蜂窝型聚氨酯发泡材料作为替代材料并且进行可行性研究。

选择这种材料基于以下考虑:

1)蜂窝型聚氨酯发泡材料密度小,重量轻,符合轻量化理念;

2)相对于纯车顶顶棚类模压纤维材料,由于可嵌入蜂窝纸板,它有更高的密实度,可满足强度要求;

3)蜂窝型聚氨酯发泡材料在模具压合中一步成型,工艺简单且蜂窝纸板节省了纯聚氨酯材料的使用量,零件成本有所降低。

2 、基于功能需求的再设计和结构方案

天窗遮阳板的功能

天窗遮阳板关闭时是用来阻挡从天窗玻璃透射进来的光线,以实现隔光隔热功能,同时还能增强车厢空间的隐私性;当天窗玻璃打开的同时,遮阳板也必须自动打开以保证车厢内的透光性和透气性;有些时候,用户也需要手动打开遮阳板以达到较好的透光性。典型性小尺寸天窗结构如下图1所示。

基于功能需求的天窗遮阳板的特征

基于功能分析,天窗遮阳板应该具有这样的特征:

1)遮阳板基板不能透光;

2)遮阳板面料需要贴合在基板下部,并与整车顶衬保持同样的风格和外观

3)整个遮阳板需要有一定的强度,保证乘客的正常操作;

4)遮阳板在使用过程中会滑动,需要配合的滑动机构如轨道,滑脚等,以便于在天窗其他零件内滑动;

5)遮阳板上需要一个把手,供用户操作遮阳板。

基于特征的天窗遮阳板结构设计

对于上述特征1)通过蜂窝型聚氨酯发泡材料作为遮阳板的基板来实现不透光功能。对于上述特征2)采用整车客户定义的与顶衬同样材质和类型的面料。为了达到上述特征3)的硬度和强度的要求,我们在聚氨酯发泡材料内部成型时嵌入蜂窝型硬纸板,其中蜂窝型硬纸板在增加强度同时又降低了聚氨酯材料用量,最终在不降低产品强度的基础上降低了成本。

对于上述特征4)因为天窗两侧设置有两根铝合金材料的导轨,通过螺钉连接安装在整车车顶及车顶加强板上。遮阳板基板两侧各设置了三个滑脚,滑动的时候仅通过滑脚和导轨滑槽接触而不是面料,以提供稳定的滑动界面。

关于这种新设计遮阳板的滑脚的详细设计和功能实现,在后续章节有具体的介绍。

对于上述特征5)我们选择了环保,外观时尚且操作感好地塑料材质把手,并且在设计中较好地考虑到了人机工程学,方便乘客操作。

最终天窗遮阳板设计方案

新设计遮阳板的结构如下图1所示:

图1新设计遮阳板的结构

从天窗遮阳板俯视图看,布置在两侧的六个滑脚中的前端左右两个是比较特殊的,这两个滑脚提供了遮阳板主要的滑动力。新遮阳板及滑脚和导轨的截面示意图如下:

图2新遮阳板及滑脚和导轨的截面示意图

新设计遮阳板包含了组件把手(图2,结构1)和与面料附和的基板(图2,结构2),以及滑动机构滑脚(图2,结构5内各零件)。滑脚的材料是具有较高润滑性的POM,便于降低在导轨滑槽(图2,结构5)中的滑动摩擦力。为了消除装配以后和导轨滑槽之间过松产生振动噪音的可能,我们在滑脚上端设计了一种弹片形状(图2,结构3和4)的结构,这种结构同时可以中和左右导轨Y向间距和本身滑槽Z向尺寸不均匀产生的误差。

3、最终天窗遮阳板的工业化生产及装配方式

新设计遮阳板工业化生产及装配方式如下所示:

1)一次成型蜂窝型聚氨酯发泡材料的基板,内部的材料为发泡的聚氨酯和蜂窝型硬纸板。在成型过程中,蜂窝型硬纸板和聚氨酯发泡材料被模具压紧密实。工厂只需投资发泡机和基板模具来一次成型基板组件。

2)将与顶棚材料类似的面料与基板复合,同时将侧边辅助滑角面料包覆好;工厂只需投资复合模具来将两者复合成总成,然后由切边机切除多余的边角料。

3)手工将塑料把手卡入遮阳板基板的凹坑仿形特征中,通过螺钉固定在遮阳板基板上。

4)手工将两个塑料滑脚卡接在遮阳板的前侧。

预计只需要四个生产工位及三个操作员,在两分钟内即可实现新设计遮阳板的全过程生产及组装。

设计方案中的主要技术问题及分析解决

1、重点产品设计需求定义

在天窗遮阳板产品各种要求中,我们选取其中一个对天窗最重要也是最难的功能要求进行深入研究,即确定遮阳板在天窗轨道内的滑动力,同时保证在各种工况下维持稳定。

基于拉动遮阳板的人机工程,客户有最大30N的具体的力值要求,但最小值需要从理论计算来最终确定。客户对天窗遮阳板有以下的要求:遮阳板在汽车正常或非正常行驶的过程中,不允许由于惯性而和导轨产生相对位移,从而导致对乘客产生可能的碰撞和夹手伤害。

从理论上计算上,天窗遮阳板和天窗导轨之间需要多大的静摩擦力,才能保证遮阳板在汽车正常或非正常行驶过程中不会自动滑动是可以通过公式来评估的,即力学公式F=ma(其中F是静摩擦力,a是遮阳板的加速度,m是遮阳板重量)。当计算出临界值的静摩擦力时,就可以知道遮阳板滑动力达到多大时,就克服了临界静摩擦力开始了自动滑行。

首先我们假定天窗遮阳板在紧急刹车时的加速度与汽车加速度a一致,而遮阳板重量m实测约为0.8kg。根据整车规范输入,经测试汽车的固有性能参数,比如从100km/h的速度急刹车到0km/h的时间,结合V=at的速度公式,得出极限加速度a约为1g(g为重力加速度,为9.8m/s2)。由此经计算得出,汽车在急刹车的过程中,天窗遮阳板至少需要8N的静摩擦力临界值。结合整车客户对天窗遮阳板的滑动力规范的上限值要求,即人机工程最大的操作力,此滑动力技术要求的目标范围被定义为8N~30N。

2、设计新产品的技术问题

在实际的设计验证过程中,新概念遮阳板样品在下线后,实测的滑动力大概在15-20N之间,可以满足技术要求范围,但是当整个天窗总成组装完成,经过存储一段时间,到达整车产线后,滑动力下降到5-10N之间。主要原因是存储过程中,由于环境温度的变化,特别是高温的影响,滑动力在自然衰减并且下降到超出标准的程度,这种情况不可接受,因此必须寻找方案解决这个问题。

3、设计分析及改进

为了解决上述提到的滑动摩擦力不稳定的问题,接下来对运动过程中受到的滑动力来源进行深入研究。

天窗遮阳板滑动力来源

截取遮阳板滑脚在导轨滑槽里装配的细节图,如下图:其中G是遮阳板本身的重力,Fd是装配后弹片结构由于变形而受到上导轨滑槽面的挤压力,Fu是下导轨滑槽面向上的支撑力。由于遮阳板在垂直方向上没有位移,我们知道Fu= Fd+G。

图3 遮阳板滑脚在导轨内的受力图

根据摩擦学,摩擦系数u只和接触面的两种材料有关,而和面积没有关系。由此我们可以得出遮阳板在滑动过程中受到的摩擦力:f=u Fu+uFd,再将公式Fu= Fd+G代入,可得出如下结论:f=2u Fd+uG。在这个例子中,u和G都是固定值。唯一可变的是公式中的Fd,由于滑角POM塑料材料弹片结构,在外力(如路面振动)以及环境(如温度,湿度)变化的作用下,必定会产生蠕变。变形产生后,上滑槽面对滑脚的挤压力即Fd会逐渐衰减,逐步导致了天窗遮阳板的滑动力衰减。

控制滑动力不稳定因素

针对上述分析根本原因,如果控制Fd不随着时间在外力以及环境变化作用下变化,就可以解决遮阳板滑动力衰减的问题。最终我们的解决方案产生了,在上述塑料弹片形状(图3,结构4)下面再增加一个仿形的小金属弹片零件。由于弹片是合金材料,在外力以及环境变化中非常稳定,所以挤压力Fd非常稳定,不产生衰减。

最终样品的验证证明了这点,在经过环境交变以及振动试验之后,遮阳板的滑动力仍然可以稳定在10N以上,滑动力问题解决了。

结论与展望

新型蜂窝型聚氨酯发泡材料的遮阳板, 通过一系列的设计改进研究,在经过验证后正式在天窗项目上实施并量产,由于这种新设计遮阳板质量轻,成本低,给公司带来了良好的经济效益和客户体验。在整个新概念遮阳板开发的探讨过程中,我们基于产品性能的需求,深入分析改进了具体结构和产品实现方式,最终完美解决遇到的技术难题。此材料和结构应用的创新,可作为汽车天窗产品开发创新的范例,为后续更多新技术应用或者创新发明提供了参考。




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