汽車輕量化對汽車節(jié)油、降低排放、改善性能和汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展都具有重要意義，是現(xiàn)代汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向。世界鋁業(yè)協(xié)會的報告指出，汽車的自身質(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輕量化的重要手段。汽車尾門是提供物品進(jìn)出車輛后貨艙的通道，保證行李箱內(nèi)物品安全地與外界隔離，是汽車的重要組成部分。尾門對于車身零件來說相對獨(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；相對于其他門蓋零件來說尾門造型更加多變和復(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，這也使得尾門對輕量化材料的應(yīng)用有更高的要求。
1 汽車尾門輕量化材料分類和結(jié)構(gòu)
尾門上常用的輕量化材料按種類分主要有金屬材料和非金屬材料。金屬材料尾門有鋼尾門、鋁合金尾門和鎂合金尾門；非金屬材料尾門主要有SMC尾門、PP-LGF尾門和碳纖維尾門等。尾門的結(jié)構(gòu)通常由內(nèi)板、外板和加強(qiáng)板構(gòu)成（見圖1）。外板的主要作用是滿足造型對型面的需求，也滿足一些外飾件，如擾流板、玻璃、飾板和尾燈等零件的安裝和定位需求；內(nèi)板是尾門的重要結(jié)構(gòu)件，對尾門的剛度起決定性作用，同時也為線束、天線、水管和內(nèi)飾等零件提供安裝和定位點；加強(qiáng)板的主要作用是局部補(bǔ)強(qiáng)，對強(qiáng)度或者剛度要求較高的區(qū)域提供加強(qiáng)作用。
2 汽車尾門輕量化材料的應(yīng)用
鋼尾門是最常用的尾門材料，因其原材料價格低，成型和連接工藝成熟，使其在汽車上的應(yīng)用極其廣泛。目前在絕大多數(shù)市場上銷售的汽車，其尾門材料都是鋼。通常提高鋼尾門輕量化的方法為結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料減薄，減重效率通常在5%−10%。但是隨著結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化和材料減薄，零件的性能也會有不同程度的下降，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，下文將對不同輕量化材料在尾門上的應(yīng)用作具體解釋和說明。
2.1 鋁合金尾門
鋁是一種常見的輕量化材料，其密度為2.7g/cm3。鋁合金尾門相比傳統(tǒng)鋼尾門減重能夠達(dá)到30%-40%，具有非常好的輕量化效果。鋁合金尾門在奧迪、奔馳和寶馬品牌的高端車型中經(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型，如別克GL8和別克Ve?lite5、以及國產(chǎn)車型中的理想One等也都有應(yīng)用。
鋁合金尾門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。但是同樣因為鋁板本身的特點會導(dǎo)致產(chǎn)品比較脆，其斷裂延伸率僅為22%（見圖2），約為常用鋼尾門材料的一半，在沖壓過程中容易開裂，所以其成型性相比鋼尾門較差。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，鑄鋁在尾門上的應(yīng)用可以通過設(shè)計壁厚來實現(xiàn)集成加強(qiáng)件（見圖3），達(dá)到減少零件數(shù)量的目的，但是因為鑄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
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，一種是鑄造成型鎂合金尾門；另外一種是薄板熱脹成型鎂合金尾門。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的某款三廂車后蓋上也得到了量產(chǎn)應(yīng)用（見圖4）。相對鑄造成型，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，相對鑄造鎂合金尾門來說減重效率會更高。
但是由于鎂合金的表面質(zhì)量不好，無法達(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，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)（見圖5）。
2.3 SMC復(fù)合材料尾門
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SMC材料的可設(shè)計性也很好，可以通過設(shè)計料厚和結(jié)構(gòu)，將在金屬上需要拆分的加強(qiáng)板設(shè)計到一個內(nèi)板上，實現(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，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，將模具加熱使樹脂受熱發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，并通過模具加壓實現(xiàn)一定形狀的成型。通過模壓成型的零件，通常需要切邊和去毛刺，還需要通過后沖孔來完成零件開孔的需求，因此無法實現(xiàn)精確的零件尺寸公差。
SMC在材料配方中不可避免地會用到醛，因此需考慮SMC零件會有VOC氣味。目前有一些國內(nèi)的整車企業(yè)在研發(fā)低VOC的SMC產(chǎn)品配方，相信其成功開發(fā)能解決一部分對VOC較為敏感的汽車企業(yè)的需求。
SMC尾門有兩代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品，其尾門內(nèi)外板都由SMC材料成型，由于SMC材料良好的耐溫性，使得SMC尾門可以隨整車進(jìn)行噴漆和涂裝。并且可以使用與金屬尾門同樣的安裝工藝，在整車企業(yè)的車身或者油漆車間進(jìn)行裝配，其整車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；因此市場上出現(xiàn)了第二代SMC尾門，其內(nèi)板為SMC材料，外板為PP。PP為注塑成型，成型后可以通過線下涂裝，涂裝后與SMC內(nèi)板粘接成總成，再運(yùn)送至整車企業(yè)的總裝車間安裝上車。PP解決了SMC材料作為外板容易產(chǎn)生外觀缺陷的問題，但是由于PP材料無法耐受整車企業(yè)油漆車間的高溫，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
PP-LGF尾門是近幾年來新興的一種尾門材料，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（見圖6）。目前已經(jīng)上市采用PP-LGF尾門的車型有日產(chǎn)奇駿、標(biāo)志308S以及別克某車型等。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)計中可以利用注塑工藝的優(yōu)勢，設(shè)計壁厚和各種加強(qiáng)筋，提高零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，同時利用金屬加強(qiáng)板對需要補(bǔ)強(qiáng)的位置實施加強(qiáng)，以達(dá)到與金屬尾門相當(dāng)?shù)男阅堋?/div>
PP-LGF尾門相對傳統(tǒng)鋼尾門的優(yōu)勢為造型自由度更高、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)尾門集成一部分外飾和內(nèi)飾的情況下，PP-LGF尾門可以減少零件數(shù)量，提升開發(fā)效率，并且在最理想的情況下將尾門上的所有零件放在尾門供應(yīng)商處安裝，而在整車企業(yè)實現(xiàn)尾門模塊化裝配，提升裝配效率。但是PP-LGF尾門在熱膨脹方面也存在不足，需要在設(shè)計中注意高低溫變形，避免在極限工況下尾門開合過程中與周邊零件發(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，從而解決問題。
2.5 碳纖維復(fù)合材料尾門
碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(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，將提取出來的白色丙烯酸纖維細(xì)線經(jīng)過拉伸、烘烤，直至變成黑色，就形成了碳纖維——這是一種比人類頭發(fā)還細(xì)，但比鋼鐵還堅硬的材料，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。但由于價格和生產(chǎn)過程繁復(fù)等原因在批量生產(chǎn)上并未有較好的應(yīng)用，價格和生產(chǎn)效率成為制約碳纖發(fā)展的瓶頸。新款普銳斯PHV尾門采用CFRP減重3kg。但是因為碳纖維對環(huán)境不友好，很難被自然分解，因此零件報廢和回收將成為難點。
對于連續(xù)碳纖成型的尾門，一般先對碳纖維進(jìn)行編制、鋪層（見圖7），最后通過RTM工藝成型零件。對于非連續(xù)的玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料尾門，可以通過注塑成型。
通過CAE探索了碳纖維尾門的可行性。結(jié)果顯示，碳纖維尾門完全能夠達(dá)到尾門的強(qiáng)度和剛度要求。但是從成本和收益來說，碳纖維尾門的性價比較低，距離未來的大規(guī)模應(yīng)用還需要一段時間。
3 汽車尾門輕量化材料發(fā)展趨勢
目前市場上的車型中鋼尾門仍然占主導(dǎo)地輕量化材料的尾門也各有優(yōu)勢，鋁尾門和碳纖維尾門在減重方面效率更高；而PP-LGF尾門在造型和集成化方面則更有優(yōu)勢。隨著新能源汽車的興起，對尾門的輕量化、智能化以及造型多樣化提出了更高的要求。
通過注塑成型的非金屬材料更適合做尾門外板（如PP等），更適合造型多樣的變化要求；同時非金屬材料還具有透波甚至透光的特點，能夠為整車造型和智能化提供更多的拓展空間。而對于尾門內(nèi)板和加強(qiáng)板來說，主要承載著滿足結(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。
從未來尾門輕量化材料的發(fā)展趨勢來看，混合材料將成為一種趨勢（見圖8）。單種材料各有優(yōu)勢和劣勢，混合材料尾門則能利用每種材料的特點，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，使尾門的輕量化達(dá)到更優(yōu)的水平。
4 結(jié)語
尾門輕量化材料只是整車輕量化的一部分。目前汽車行業(yè)正在經(jīng)歷著從傳統(tǒng)燃油車到清潔能源車轉(zhuǎn)換的歷史階段，對整車各個零部件都有著不同的挑戰(zhàn)，而零件輕量化就是其中一個重要的需求。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，將會有更多適合輕量化設(shè)計的材料出現(xiàn)，輕量化尾門也會出現(xiàn)更多的組合，進(jìn)而給客戶提供更優(yōu)質(zhì)的體驗。
