工程塑料在汽车轻量化中的地位与作用

作者：上海大众动力总成有限公司 朱正德

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 轻量化已是现今汽车生产企业产品发展的一个方向和在技术上着重追求的一项目标，而采用轻质材料替代传统材料以实现零部件轻量化则是达到上述目的的主要途径之一。文章还通过发动机中进气岐管轻量化这一具体案例，就如何提升零部件轻量化轻质材料应用水平的相关问题进行了剖析。 汽车轻量化的趋势 世界铝业工程协会的一项研究表明，（乘用车）整车重量每减少10%，至少可降低油耗6-8%，甚至可达10% 或更多，而燃油效率提高5.5%，排放可降低5-6%，若汽车的整体重量每台能减少100kg，则每百公里的燃油消耗可降低0.3-0.6L。对于作为汽车最重要大总成的发动机，减轻其重量有着很大的意义。一个典型的例子是关于知名的大众汽车“高尔夫（Golf）”品牌小轿车，通过对一年前刚推出的最新一代A7（见图1），与五、六年前的早一代产品Golf A6 的对比，就可以十分清楚地看出。 表1 中的二种车型虽然相隔一代，但为了增强可比性，所选取供比较的具体轿车型号均为相同款式的“手动舒适版”， 二者采用的发动机也也同为本世纪初推出的较新一代EA111 系列的MPI 1.6L 发动机。 从表中可见，尽管两者重量相差尚不到70kg，但轻量化及外形等方面的改进所产生的综合效果达到了降低油耗近12%。在倡导低碳经济的今天，事实上汽车轻量化已成为行业中产品发展的一种趋势和技术上着重追求的一项目标，现今，为实现这一目标主要有以下二个途径： 1，对零部件进行结构优化，对功能相近组件、部件则予以集成化或模块化； 2，选用铝合金、镁合金、工程塑料等轻质材料替代那些传统材料。 作为主要途径之一，藉助采用（或改用）轻质材料来替代传统材料以实现零部件轻量化，尤其是自本世纪初以来，以工程塑料为代表的非金属材料在汽车上的应用已越来越广泛，进而对如何提升它们在汽车制造轻量化领域的应用水平也有了更多的认识和作为。概括地说，可以归纳为这样二点：1）事实上， 包括工程塑料类在内的轻质材料的品种、类别是很多的，而汽车生产厂商在进行具体的选材时，决不应该简单地只考虑轻量化这一点，而需要尽可能地量材录用、量体裁衣`，在能满足使用要求得前提下，企业应尽量降低选用材料的成本，并全方位考虑提高制造过程的经济性；2）随着提高车辆轻量化程度的实际需求日趋迫切，已有越来越多的企业意识到，需要转变以往那种习惯把轻量化的重点主要放在减少大型零部件质量上的思路和做法，应同时考虑如何有效地降低各种中、小零件的重量， 甚至看起来很细小的紧固件也不应被忽视。 从最近投放的一些新款轿车车型可以清楚地发现，其中所耗用的钢铁材料的比例相比之前已有明显的降低。如不久前由德国奥迪公司推出的新一代Audi A2，其采用的钢铁材料比例已降至34%， 而包括塑料复合材料在内的轻质材料则达到52%。而在塑料复合材料中，玻璃纤维增强复合材料又不但是较成熟、且是应用最为普遍的一类，一些工业化国家甚至将其在一辆整车上的用量（即在整车重量上的占比）作为衡量轻量化应用水平的标准之一。从表2 中可以看到，现今复合材料、尤其是玻璃纤维增强复合材料在国内外均颇受重视，且已经在汽车制造业获得了不同程度的应用。 下面将以发动机所配的进气岐管为例，通过这一很典型的零件实现轻量化历程的阐述，对当今汽车零部件如何发挥轻质材料、特别是塑料复合材料的作用，及提升其应用水平进行了探讨和分析。 国内进气岐管轻量化现状 国内真正意义上的现代汽车制造业的诞生始于上世纪八十年代中、后期，所谓的“三大三小”，亦即北京吉普、上海大众等企业就是其中的翘楚。在当时，这些以轿车等乘用车为主导产品的现代化工厂的一个共同点就是：它们均为合资企业—— 尚出现不久的新型经济体，外方都为美、德、法、日等发达工业国家中的知名汽车跨国公司，如美国的克莱斯勒、德国的大众、法国的标致等。有鉴于此，无论在轿车产品和制造技术上都有着较高的起点，一般具有七十年代末、八十年代初的水平。事实上，尽管那时“普桑”所配的乃是现今已停产多年的早几代的发动机，但相对紧凑的结构和较轻的重量，特别铝合金材料在大至缸盖、进气岐管，小到水管接头等小零件的普遍应用， 已在一定程度上体现了企业在产品开发、设计过程中，关注和逐步实施零部件轻量化的一种趋势。 近年来，随着汽车轻量化日益受到重视和技术上的快速发展，在零部件的生产中利用轻质材料替代那些传统材料已取得很大进展。而且需指出的一点是，在金属（合金）和工程塑料这两大类轻质材料中，后者在汽车上的应用势头更猛。这是基于以下几个技术方面的考虑： 1）相比前者，在保证零部件需要满足的功能的基础上，应用工程塑料，特别是其中的增强纤维复合材料（FRP），将不但能达到明显的降低整车或总成重量的结果，还具有较高的综合性能。表3 是二种典型轻质材料——玻璃纤维增强复合材料、铝合金——的主要力学性能与钢材之间的对比。从中可清楚地看到，作为当今应用普遍程度很高的一种富有代表性的纤维复合材料，所具有的密度小、比强度高的优势十分明显，虽然其“比刚度”低些，但只要用于合适的汽车零部件，就将获得极佳的轻量化效果； 2）塑料复合材料由于可以采用注塑或模压等一次性整体成形方法，并大大减少了后续机械加工过程，与金属材料的成形工艺相比要简单得多； 3）可方便地成形复杂曲面，并能实现相关零部件的集成化， 即提高了整车和总成的模块化程度； 4）降低了材料自身和制造的成本。 通过近期一项以进气岐管为研究对象的汽车零部件轻量化的行业调研获知，迄止上世纪九十年代末，包括上海大众、一汽大众、上海通用等主流企业在内的绝大多数国内汽车厂，它们生产的发动机所配的进气岐管材质仍然与之前的相同，即采用铝合金。然而，仅在短短的10 年内，情况就发生了根本的变化， 调查结果表明，早在2010 年中后期，进气岐管的材质就已基本完成了由铝合金向纤维复合材料的过渡，现今已仅有很少数企业的个别型号发动机尚在应用铝合金进气岐管，如奇瑞汽车现有二款产品（分别为481/484 和272）采用铝合金的（可见图2）。另外372 等三款都只有部分尚在应用，最低的仅10%，显然转变为工程塑料已不需要太长时间。至于象江淮汽车、长安铃木等均已经只剩下不过一、二种发动机还在用此类进气岐管。 事实上，在大众系统等少数企业，如上海大众、一汽大众所生产多年的EA827、EA113 等发动机系列产品，在被新一代的产品EA888、EA111 于2010 中后期完全取代前，其上配装的进气岐管仍然是铝合金，而新一代的发动机则完全改成了纤维复合材料。但多数合资或自主品牌产品生产厂还是选择了通过对原有产品（包括发动机）材质、制造工艺的修改来达到既定的目标。除了上面提到的奇瑞汽车外，“吉利”已于2007 年完成了对现生产的所有发动机的进气岐管由铝合金改为工程塑料的进程，而比亚迪则稍迟些，约在新世纪一〇年代初完成了对最后一款产品进气岐管的材质变更。若与国外那些工业发达国家的主要汽车制造企业的产品相比，在这一很有代表性的轻量化举措上，大约有近十年的时差。 众所周知，由于我国现代汽车工业的建立和成长均是在广泛地、有效地吸取了国外相关的先进经验后才逐步形成的，这就在很大程度上加快了发展的速度。在这次进行的以进气岐管为对象的零部件轻量化行业调研中，就发现了一个颇为有趣的情况，即所有被调查到的企业，其生产发动机上所配的进气岐管的材质几乎都采用一种相同的属于“纤维增强复合材料(FRP)” 类型的工程塑料，代号为：PA6+GF30，即“尼龙单（体）6” 加“30% 玻璃纤维（作为）增强材料”，也有极个别工厂采用的是PA6+GF35，即“尼龙单6 加35% 玻璃纤维增强材料”， 其实这两者的差别不大。 诚如前面已介绍过的，即使是塑料复合材料也是有多个可供工业产品或生活物品的品种选用，PA 作为“尼龙”的英文缩写只是其中一种，其它常用的、也是人们较为熟悉的还有PC（聚碳酸酯）和PBT（聚对苯二甲酸二丁酯) 等。而由于在塑料中加入了某种纤维作为增强材料，故对提高其力学性能起到了很大的作用，就如表1 中所示。实际上“FRP”已成为用于机动车辆上的工程塑料的主流。图3 是上汽乘用车南汽（明爵）动力总成工厂所生产发动机的进气岐管，其材质为PA6+GF35。 “经济适用”原则 毫无疑问，以玻璃纤维增强复合材料取代铝合金作为进气岐管的基体材料乃是实施汽车轻量化中的一个很大的成果。被工程塑料所取代的铝合金虽然本身也是一种轻质材料，但将两者对比，前者的优势十分明显。首先是零部件轻量化的效果，进一步减重将可达到50% 左右，至于材料自身和制造成本的降低，虽然各企业间因加工方法会稍有些差异，但最少可下降一倍则是无疑的。而在确保了零部件基本功能的前提下，还会进一步提高零件的减振性和吸能性，这是与采用工程塑料直接相关的。 然而需要指出的一点是，即使玻璃纤维增强复合材料乃是FRP 家族中迄今在汽车中最常用的一种，但鉴于人们对机动车辆安全性的极端看重、关注，以及长期以来已把汽车看作是一种金属体的固有认识，导致不少人似乎对FRP 家族中的另外一种，即“碳纤维增强复合材料（CFRP）”听到得更多，也更“熟悉”。不可否认，CFRP 是一种性能极其优越的新型复合材料， 其主要的一些性能指标甚至超过了钢（参见表4）。 其实，碳纤维增强复合材料不但在汽车行业，它在航空、航天等领域也有着广阔的应用前景。鉴于机动车辆、尤其是轿车车身（包括“四门二盖”）和底盘（车架、悬挂等）的材料对于应具备的强度、弹性模量、耐冲击性、耐候性和尺寸稳定性等有极高的要求，相比之下，CFRP 是唯一合适的复合材料。可另一方面，相比已十分成熟的玻璃纤维增强复合材料，即使在汽车轻量化发展和应用水平最高的德国，CFRP 也尚处于起步阶段，虽然各国的大汽车厂近年也不断有CFRP 车身的概念车推出，但迄今只有奥迪、宝马等企业以小批量方式生产一、二款跑车等非主流车型。个中的根本原因还是由于在碳纤维材料技术和工艺成形技术等方面所遇到的诸多难题，特别需强调指出的一点是，由此将涉及到的成本、价格问题。 众所周知，汽车、特别是轿车乃是一种面向广大公众市场的消费类产品，具有大批量生产的特点，尽管现今人们对节能减排、安全性等的认可、重视程度已大大提高，但“生产厂必须按照具有竞争力的成本来制造产品”的基本原则还得是同样遵循。这就决定了企业在制定和执行以采用新型材料实现汽车轻量化的规划时，必然需要以规模经济为标准来进行轻质材料的选择，坚定地以能否可以承受的成本进行大规模生产为主要标准。即就是今后碳纤维增强复合材料臻于成熟，也不会改变上述玻璃纤维增强复合材料等轻质材料大量应用的情况。 更需指出的是，生产厂还会继续努力与原材料供应厂商相配合，开发出经济性更好的适用材料，以进一步降低制造成本。近年来，即在2010 年初前后，德国大众配合知名的材料供应厂商巴斯夫和博禄，通过聚丙烯的增强改性，成功地用于部分轿车车型的进气岐管，替代了原来的玻璃纤维增强复合材料PA6+GF30，即是一个典型的案例。 广泛应用于工业产品、日用品和包装材料等场合的热塑性塑料又可分成通用塑料和工程塑料两类，两者之间主要差别在能适宜的工作温度，普通塑料适合的工作环境温度要比工程塑料为低。总的来讲，通用塑料中如PP（聚丙烯）,PVC（聚乙烯） 等品种都属于有机化学中的聚烯烃范畴，它们的综合性能稍差， 即除了工作环境温度的适用区较窄外，力学性能和尺寸稳定性等指标也较低，因此只能在一部分工作环境要求不太高的汽车零部件上获得应用。 但是，在将某一种聚烯烃通过填充、增强、增韧等方式进行有针对性的改性后，由于明显地提高了它们的各项性能，从而极大地扩大了其适用范围，甚至可用于一些结构件。此时往往就将它们称为聚烯烃工程塑料，在这其中，改性聚丙烯材料（用代号PP 表示）是最重要的一种。而利用玻璃纤维的增强改性产生的复合材料PP+GF35，即“聚丙烯加上35% 玻璃纤维增强材料”，又颇有典型性，下面将以其替代已很成熟的玻璃纤维增强复合材料PA6+GF30 用于发动机进气岐管为例，说明这里所包含着的重要意义。 众所周知，材料的弹性模量E 可以在很大程度上作为其力学性能的一个表征，而为了适应进气岐管在机动车辆内的工作环境，还必须强调耐温这项指标，即能满足发动机的长期工作温度要求，多数情况下约在-40--140 度的范围。图4 反映了三种玻璃纤维增强复合材料弹性模量E 的对比，其中蓝色虚线的含义是：表示了已为众多国内外企业的应用实践所充分验证其可行性的复合材料PA6+GF30 在工作环境下的变化，从中可见就是在达到140 度时，E 值仍比3000 稍高。黑色实线代表了一种“普通”型的聚丙烯 玻纤增强材料PP+GF30 的情况，曲线的走势表明该材料无法满足所需的使用环境，即使在100 度时已很勉强。 为此，供应厂商专门研制了能适用于耐温要求的复合材料PP+GF35，从图4 中的红色虚线可见，就是在140 度时，与蓝色虚线的对应值差别也不大，完全能满足需求。经过自2009 年起在欧洲、2012 年起在中国的一些主流企业的实际使用，证明了其可靠性，鉴于厂商已将这种材料申请了专利，故在称呼它时既可用PP+GF35，也可称为Fibremod TM GB306 SAF。图5 是已成功地用于大众和斯柯达旗下多款车型，如Polo、Golf、Jetta、Fabia 等车型的1.4L 和1.6L 发动机上所配用的PP+GF35 改性复合材料进气岐管。 现今，越来越多的聚丙烯及改性复合材料已被用于汽车零部件，对业界来说，无论是从企业的降本增效还是从汽车轻量化这一产品的发展目标，此趋势都有着积极的意义。这是因为： 1）聚丙烯的原料来源丰富，采用的聚合工艺相对高效且简单，而形成的复合材料也易于成型加工，故整个制造成本就较低。以进气岐管为例， 相比PA6+GF30，在改用聚丙烯改性复合材料后，整个成本下降了20%； 2）研究和试制表明，通过多种多样的改性手段，如填充，增强，增韧，以及特殊的添加剂，将可获得长期耐热老化等优异的物理、力学性能， 从而扩大了应用范围； 3）聚丙烯在所有的聚合物中， 其密度是最低的，仅为0.9g/cm3，即使经过改性后，也在1.1-1.2g/cm3 之间， 相比其它的复合材料，减重效果提高了15% 左右； 4）较之其它的工程塑料减振和吸振的效果更好，就以进气岐管采取的PA 改性复合材料为例，在改用了PP+GF35 后，噪音可整整下降5 分贝； 5）聚丙烯的耐化学药品性好， 不会与添加剂和填料发生反应； 6）无论聚丙烯自身还是其改性复合材料，均为环境友好材料，因此可以多次循环使用。 结语 实现汽车轻量化已成为当今国内外汽车产业界的一个战略目标，而作为轻量化的主要方式之一，藉助车身、各大总成和零部件采用轻质材料来减重，也已经取得了长足的进步。但客观地说，迄今在这一领域不但尚有诸多技术难题有待攻克，对于一些国内企业来讲还需解决若干理念上的问题。其中之一就是在实施轻量化过程中务必同时考虑制造成本等涉及工厂运行的核心问题， 若为了取得有限的节能减排的效果而付出了过高地成本代价， 甚至影响到产品的安全性，那显然是不可取的。因此，在确保轻量化零部件基本功能的前提下，按量材选用、量体裁衣的原则，通过选择相对经济、适用的复合材料以替代之前的材料（也可能就是一种轻质材料）才是一条正确的途径。(end)

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