汽車(chē)輕量化對(duì)汽車(chē)節(jié)油、降低排放、改善性能和汽車(chē)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展都具有重要意義，是現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向。世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告指出，汽車(chē)的自身質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低8%，而采用輕量化材料是整車(chē)輕量化的重要手段。汽車(chē)尾門(mén)是提供物品進(jìn)出車(chē)輛后貨艙的通道，保證行李箱內(nèi)物品安全地與外界隔離，是汽車(chē)的重要組成部分。尾門(mén)對(duì)于車(chē)身零件來(lái)說(shuō)相對(duì)獨(dú)立，因此采用新材料不容易產(chǎn)生接觸腐蝕，從而使輕量化材料的應(yīng)用更加容易；相對(duì)于其他門(mén)蓋零件來(lái)說(shuō)尾門(mén)造型更加多變和復(fù)雜，并且需要集成擾流板、玻璃、雨刮和內(nèi)飾等其他內(nèi)、外飾零部件，這也使得尾門(mén)對(duì)輕量化材料的應(yīng)用有更高的要求。
1 汽車(chē)尾門(mén)輕量化材料分類(lèi)和結(jié)構(gòu)
尾門(mén)上常用的輕量化材料按種類(lèi)分主要有金屬材料和非金屬材料。金屬材料尾門(mén)有鋼尾門(mén)、鋁合金尾門(mén)和鎂合金尾門(mén)；非金屬材料尾門(mén)主要有SMC尾門(mén)、PP-LGF尾門(mén)和碳纖維尾門(mén)等。尾門(mén)的結(jié)構(gòu)通常由內(nèi)板、外板和加強(qiáng)板構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。外板的主要作用是滿(mǎn)足造型對(duì)型面的需求，也滿(mǎn)足一些外飾件，如擾流板、玻璃、飾板和尾燈等零件的安裝和定位需求；內(nèi)板是尾門(mén)的重要結(jié)構(gòu)件，對(duì)尾門(mén)的剛度起決定性作用，同時(shí)也為線束、天線、水管和內(nèi)飾等零件提供安裝和定位點(diǎn)；加強(qiáng)板的主要作用是局部補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)強(qiáng)度或者剛度要求較高的區(qū)域提供加強(qiáng)作用。
2 汽車(chē)尾門(mén)輕量化材料的應(yīng)用
鋼尾門(mén)是最常用的尾門(mén)材料，因其原材料價(jià)格低，成型和連接工藝成熟，使其在汽車(chē)上的應(yīng)用極其廣泛。目前在絕大多數(shù)市場(chǎng)上銷(xiāo)售的汽車(chē)，其尾門(mén)材料都是鋼。通常提高鋼尾門(mén)輕量化的方法為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料減薄，減重效率通常在5%−10%。但是隨著結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和材料減薄，零件的性能也會(huì)有不同程度的下降，其減重效率有不可突破的天花板。因此采用輕量化材料是進(jìn)一步提升輕量化效果的選擇，下文將對(duì)不同輕量化材料在尾門(mén)上的應(yīng)用作具體解釋和說(shuō)明。
2.1 鋁合金尾門(mén)
鋁是一種常見(jiàn)的輕量化材料，其密度為2.7g/cm3。鋁合金尾門(mén)相比傳統(tǒng)鋼尾門(mén)減重能夠達(dá)到30%-40%，具有非常好的輕量化效果。鋁合金尾門(mén)在奧迪、奔馳和寶馬品牌的高端車(chē)型中經(jīng)常使用，如奧迪A8L、寶馬740Li和奔馳S450等，合資品牌中的中高端車(chē)型，如別克GL8和別克Ve?lite5、以及國(guó)產(chǎn)車(chē)型中的理想One等也都有應(yīng)用。
鋁合金尾門(mén)的成型工藝有沖壓成型和鑄造成型。目前大多數(shù)產(chǎn)品使用的是鋁板沖壓成型，常用的鋁板厚度為0.8-1.5mm，鋁板沖壓具有成本低、效率高及表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。但是同樣因?yàn)殇X板本身的特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品比較脆，其斷裂延伸率僅為22%（見(jiàn)圖2），約為常用鋼尾門(mén)材料的一半，在沖壓過(guò)程中容易開(kāi)裂，所以其成型性相比鋼尾門(mén)較差。除了沖壓成型的鋁板，還有薄板鑄鋁，也可以用作鋁內(nèi)板的成型材料，鑄鋁在尾門(mén)上的應(yīng)用可以通過(guò)設(shè)計(jì)壁厚來(lái)實(shí)現(xiàn)集成加強(qiáng)件（見(jiàn)圖3），達(dá)到減少零件數(shù)量的目的，但是因?yàn)殍T件的表面有較多的孔隙，并不適合用作外板，只能與沖壓鋁板配合使用。
2.2 鎂合金尾門(mén)
鎂是所有結(jié)構(gòu)金屬中最輕的，密度只有1.738g/cm3。其密度是鋁的2/3、鋼的2/9。鎂具有較高的比強(qiáng)度和比彈性模量、良好的剛性、較高的阻尼性能和減振抗沖擊能力。在相同的結(jié)構(gòu)下，與先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼、鋁、塑料聚合物和玻璃纖維加固聚合物（GFRP）相比，鎂合金具有更優(yōu)的減重效果。
根據(jù)鎂合金的成型工藝，目前有兩種鎂合金尾門(mén)，一種是鑄造成型鎂合金尾門(mén)；另外一種是薄板熱脹成型鎂合金尾門(mén)。鑄造在鎂合金的成型工藝上占主導(dǎo)地位，目前已經(jīng)量產(chǎn)應(yīng)用的有克萊斯勒的大捷龍等；鎂合金板熱脹成型工藝在通用汽車(chē)的某款三廂車(chē)后蓋上也得到了量產(chǎn)應(yīng)用（見(jiàn)圖4）。相對(duì)鑄造成型，鎂合金板熱脹成型的零件，其壁厚最薄可以達(dá)到1.2-2.5mm，因其壁厚更薄，相對(duì)鑄造鎂合金尾門(mén)來(lái)說(shuō)減重效率會(huì)更高。
但是由于鎂合金的表面質(zhì)量不好，無(wú)法達(dá)到外觀面的要求。因此只能作為結(jié)構(gòu)件內(nèi)板使用，外板則采用鋼或者鋁材料。當(dāng)與異種材料連接時(shí)，需要注意鎂合金的防腐處理，以免出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕反應(yīng)（見(jiàn)圖5）。
2.3 SMC復(fù)合材料尾門(mén)
SMC（Sheet Molding Compound）材料是一種熱固性材料，具有優(yōu)異的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕性。同時(shí)SMC材料的可設(shè)計(jì)性也很好，可以通過(guò)設(shè)計(jì)料厚和結(jié)構(gòu)，將在金屬上需要拆分的加強(qiáng)板設(shè)計(jì)到一個(gè)內(nèi)板上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成并降低制造成本及縮短尺寸公差等。一些歐系品牌更多采用SMC尾門(mén)，比如路虎、諦艾仕和沃爾沃等都有相應(yīng)的產(chǎn)品推出。
SMC零件一般采用模壓成型工藝，這是一種介于沖壓工藝和注塑工藝之間的特殊成型工藝，零件原材料通過(guò)預(yù)加工被切割成大小和厚度不等的片狀材料放入模具中，將模具加熱使樹(shù)脂受熱發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，并通過(guò)模具加壓實(shí)現(xiàn)一定形狀的成型。通過(guò)模壓成型的零件，通常需要切邊和去毛刺，還需要通過(guò)后沖孔來(lái)完成零件開(kāi)孔的需求，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的零件尺寸公差。
SMC在材料配方中不可避免地會(huì)用到醛，因此需考慮SMC零件會(huì)有VOC氣味。目前有一些國(guó)內(nèi)的整車(chē)企業(yè)在研發(fā)低VOC的SMC產(chǎn)品配方，相信其成功開(kāi)發(fā)能解決一部分對(duì)VOC較為敏感的汽車(chē)企業(yè)的需求。
SMC尾門(mén)有兩代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品，其尾門(mén)內(nèi)外板都由SMC材料成型，由于SMC材料良好的耐溫性，使得SMC尾門(mén)可以隨整車(chē)進(jìn)行噴漆和涂裝。并且可以使用與金屬尾門(mén)同樣的安裝工藝，在整車(chē)企業(yè)的車(chē)身或者油漆車(chē)間進(jìn)行裝配，其整車(chē)工藝的兼容性非常好。但是SMC材料作為外觀面，容易產(chǎn)生表面缺陷；因此市場(chǎng)上出現(xiàn)了第二代SMC尾門(mén)，其內(nèi)板為SMC材料，外板為PP。PP為注塑成型，成型后可以通過(guò)線下涂裝，涂裝后與SMC內(nèi)板粘接成總成，再運(yùn)送至整車(chē)企業(yè)的總裝車(chē)間安裝上車(chē)。PP解決了SMC材料作為外板容易產(chǎn)生外觀缺陷的問(wèn)題，但是由于PP材料無(wú)法耐受整車(chē)企業(yè)油漆車(chē)間的高溫，必須在線下涂裝，因此其零件成本較高。
2.4 PP-LGF復(fù)合材料尾門(mén)
PP-LGF尾門(mén)是近幾年來(lái)新興的一種尾門(mén)材料，常用的內(nèi)板是PP混合30%或者40%的玻纖，外板為PP材料，加強(qiáng)板是金屬（見(jiàn)圖6）。目前已經(jīng)上市采用PP-LGF尾門(mén)的車(chē)型有日產(chǎn)奇駿、標(biāo)志308S以及別克某車(chē)型等。PP-LGF內(nèi)板常用的成型工藝為注塑成型，可以與金屬加強(qiáng)板一起嵌件注塑成型，也可以單獨(dú)注塑成型。
PP-LGF內(nèi)板常用的厚度為2.5-3.5mm，設(shè)計(jì)中可以利用注塑工藝的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)壁厚和各種加強(qiáng)筋，提高零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，同時(shí)利用金屬加強(qiáng)板對(duì)需要補(bǔ)強(qiáng)的位置實(shí)施加強(qiáng)，以達(dá)到與金屬尾門(mén)相當(dāng)?shù)男阅堋?/div>
PP-LGF尾門(mén)相對(duì)傳統(tǒng)鋼尾門(mén)的優(yōu)勢(shì)為造型自由度更高、零件集成度更高、輕量化程度更高以及組裝模塊化程度高等。當(dāng)尾門(mén)集成一部分外飾和內(nèi)飾的情況下，PP-LGF尾門(mén)可以減少零件數(shù)量，提升開(kāi)發(fā)效率，并且在最理想的情況下將尾門(mén)上的所有零件放在尾門(mén)供應(yīng)商處安裝，而在整車(chē)企業(yè)實(shí)現(xiàn)尾門(mén)模塊化裝配，提升裝配效率。但是PP-LGF尾門(mén)在熱膨脹方面也存在不足，需要在設(shè)計(jì)中注意高低溫變形，避免在極限工況下尾門(mén)開(kāi)合過(guò)程中與周邊零件發(fā)生干涉。并且由于非金屬材料和金屬材料的斷裂屬性不一樣，因此要特別關(guān)注安全碰撞的結(jié)果，以便根據(jù)碰撞的分析結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)，從而解決問(wèn)題。
2.5 碳纖維復(fù)合材料尾門(mén)
碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）是先進(jìn)復(fù)合材料的典型代表，碳纖維的原材料為石油提取物，將提取出來(lái)的白色丙烯酸纖維細(xì)線經(jīng)過(guò)拉伸、烘烤，直至變成黑色，就形成了碳纖維——這是一種比人類(lèi)頭發(fā)還細(xì)，但比鋼鐵還堅(jiān)硬的材料，碳纖維具有密度小、力學(xué)性能優(yōu)異、耐熱及耐低溫等優(yōu)點(diǎn)。但由于價(jià)格和生產(chǎn)過(guò)程繁復(fù)等原因在批量生產(chǎn)上并未有較好的應(yīng)用，價(jià)格和生產(chǎn)效率成為制約碳纖發(fā)展的瓶頸。新款普銳斯PHV尾門(mén)采用CFRP減重3kg。但是因?yàn)樘祭w維對(duì)環(huán)境不友好，很難被自然分解，因此零件報(bào)廢和回收將成為難點(diǎn)。
對(duì)于連續(xù)碳纖成型的尾門(mén)，一般先對(duì)碳纖維進(jìn)行編制、鋪層（見(jiàn)圖7），最后通過(guò)RTM工藝成型零件。對(duì)于非連續(xù)的玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料尾門(mén)，可以通過(guò)注塑成型。
通過(guò)CAE探索了碳纖維尾門(mén)的可行性。結(jié)果顯示，碳纖維尾門(mén)完全能夠達(dá)到尾門(mén)的強(qiáng)度和剛度要求。但是從成本和收益來(lái)說(shuō)，碳纖維尾門(mén)的性?xún)r(jià)比較低，距離未來(lái)的大規(guī)模應(yīng)用還需要一段時(shí)間。
3 汽車(chē)尾門(mén)輕量化材料發(fā)展趨勢(shì)
目前市場(chǎng)上的車(chē)型中鋼尾門(mén)仍然占主導(dǎo)地輕量化材料的尾門(mén)也各有優(yōu)勢(shì)，鋁尾門(mén)和碳纖維尾門(mén)在減重方面效率更高；而PP-LGF尾門(mén)在造型和集成化方面則更有優(yōu)勢(shì)。隨著新能源汽車(chē)的興起，對(duì)尾門(mén)的輕量化、智能化以及造型多樣化提出了更高的要求。
通過(guò)注塑成型的非金屬材料更適合做尾門(mén)外板（如PP等），更適合造型多樣的變化要求；同時(shí)非金屬材料還具有透波甚至透光的特點(diǎn)，能夠?yàn)檎?chē)造型和智能化提供更多的拓展空間。而對(duì)于尾門(mén)內(nèi)板和加強(qiáng)板來(lái)說(shuō)，主要承載著滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能要求的任務(wù)，因此強(qiáng)度更好的金屬和碳纖維材料更適合。
從未來(lái)尾門(mén)輕量化材料的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，混合材料將成為一種趨勢(shì)（見(jiàn)圖8）。單種材料各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，混合材料尾門(mén)則能利用每種材料的特點(diǎn)，在合適的位置選用合適的材料，發(fā)揮每一種材料的優(yōu)點(diǎn)，使尾門(mén)的輕量化達(dá)到更優(yōu)的水平。
4 結(jié)語(yǔ)
尾門(mén)輕量化材料只是整車(chē)輕量化的一部分。目前汽車(chē)行業(yè)正在經(jīng)歷著從傳統(tǒng)燃油車(chē)到清潔能源車(chē)轉(zhuǎn)換的歷史階段，對(duì)整車(chē)各個(gè)零部件都有著不同的挑戰(zhàn)，而零件輕量化就是其中一個(gè)重要的需求。相信隨著金屬材料和非金屬材料的進(jìn)一步研發(fā)和成本優(yōu)化，將會(huì)有更多適合輕量化設(shè)計(jì)的材料出現(xiàn)，輕量化尾門(mén)也會(huì)出現(xiàn)更多的組合，進(jìn)而給客戶(hù)提供更優(yōu)質(zhì)的體驗(yàn)。
