复合材料尾门轻量化设计

来源：上海汽车集团股份有限公司技术中心

作者：邢号彬 付燕鹏 谭敦松 傅强 杨永超 陈健

汽车尾门是汽车的重要组成部分，承担着开启装载货物以及乘客进出的功能。尾门一般分为内板、外板、加强板3部分，均为钣金冲压结构，料厚在0.65～0.8mm 之间。

大部分尾门采用后装式扰流板，少量车型金属外板集成扰流板。本文汽车尾门内板采用PP+LGF 材料，外板采用 PP+EPDM+TD20材料，内外板采用聚氨酯胶压合连接。

其中，尾门内板铰链区域、气弹簧区域、锁安装区域、雨刮电机安装区域增加金属加强板局部加强。

经过CAE分析复合材料尾门各项指标满足性能要求，与钣金尾门相比复合材料尾门重量减少5kg( -30%) 。

此外，复合材料尾门还集成扰流板、左侧饰板、右侧饰板、牌照灯饰板、尾门内扣手等内外饰 5个总成，同时造型自由度大幅提高。

1. PP+LGF与钢主要性能对比

表1

通过表1塑料与钣金主要参数对比，可以看出PP+LGF的密度仅为钣金的1/7~1/6，弹性模量为钣金的1/25，因此应用PP+LGF时，在主料厚上需要增厚，同时需要增大腔体，以增加塑料尾门的扭转刚度。

为满足钣金标准，铰链、气弹簧、雨刮及锁固定点需要局部增加加强筋及金属加强板。此外，塑料的热膨胀系数是钣金的3倍，从23℃升温到80℃时，尾门在宽度方向会延长2.2mm，制定尾门与周边零件的尺寸和公差时需额外考虑热膨胀因素的影响。 

2. 结构设计

（1）料厚选择

塑料尾门外板料厚主要受注塑成型工艺限制，选择料厚时需综合考虑注塑模具压力、外板表面抗凹性、浇口布置等因素。

内板是尾门最主要承力结构，需要满足尾门的功能性要求，以及周边饰板、锁、玻璃、气弹簧等的安装，内板料厚选择时需要考虑尾门整体刚度目标及周边零件安装需求。 

内、外板均为注塑成型，在受力较大区域可以局部增加料厚，例如铰链区域、气弹簧区域、雨刮电机安装区域及锁加强板区域等，局部料厚增加到3.2mm。本项目的内、外板主料厚均为2.8mm。

（2）加强板加强方案

PP+LGF的弹性模量仅为金属的1/25，在侧梁等承受扭矩较大区域需增加金属加强板加强。如图1所示，金属加强板预先冲压成型，在内板注塑时将冲压成型的金属加强板放入注塑机，在侧梁区域嵌入铰链/气弹簧加强板，以增加侧梁区域的扭矩刚度。嵌入加强板表面增加加强筋，以提高加强板与内板连接强度。

图1 塑料尾门与钣金尾门断面对比

因受模具空间限制，加强板无法全部嵌入式注塑，在雨刮电机区域和尾门锁区域，通过铆接工艺在内板注塑完成后再增加雨刮电机加强板和尾门锁加强板。

（3）周边零件连接

PP+LGF的弹性模量较低，而气弹簧安装点的M8安装螺栓的动态扭矩有26~34N·m，极易产生局部压溃，需要格外注意。本项目在铰链安装点区域和气弹簧安装点区域采用拉铆螺母工艺，内板开过孔，拉铆螺母直接作用于嵌入的铰链/气弹簧加强板，提高了连接的可靠性，如图2所示。

图2 拉铆螺母连接示意图

（4）周边零件集成

塑料尾门集成了扰流板、左侧饰板、右侧饰板、牌照灯饰板、尾门内扣手等内外饰5个总成，零件数量减少了20% ，极大地简化了零件之间连接的复杂结构，提高了装配效率，同时也达到了良好的减重效果。

3. 尾门性能参数

（1）尾门刚度分析

塑料尾门整体方案确定以后，完成CAE建模，CAE对塑料尾门的刚度进行分析，约束铰链位置和锁扣位置，尾门左右两角点分别施加方向相反的 220 N 的力，约束点如图3所示。

图3 塑料尾门CAE分析结果

CAE分析表明 PP+LGF尾门的整体刚度完全能够满足尾门的设计要求，分析结果与钣金尾门相近。

（2）尾门模态分析

匹配周边零件之后，CAE 也对 Trim Body 状态的PP + LGF 尾门的模态进行了分析，结果如图4所示。

图4 塑料尾门模态

CAE对3种工况下的塑料尾门刚度进行了分析，CAE分析结果如表2所示。

表2

CAE分析结果表明PP+LGF的尾门一阶模态为30.1Hz，满足尾门的设计目标。

（3）尾门热变形分析

PP+LGF材料的热膨胀系数是钣金尾门的3倍，在制定塑料尾门与侧围、后保、顶盖等周边零件间隙和面差名义值时需要考虑热膨胀对面差和间隙的影响。塑料尾门的工作工况为-30～+80 ℃，CAE对塑料尾门从23 ℃升温到80 ℃的热膨胀情况进行了分析，CAE分析结果如图5所示。

图5 塑料热膨胀分析

CAE分析的热膨胀结果与理论分析近似，对热变形较大区域进行加强处理，以尽量减少形变。同时，在设计初期尾门运动校核时，塑料尾门与周边零件的间隙应适当放大，以确保高温情况下，尾门运动过程中与周边零件无干涉。

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