塑料尾門第一次走進大眾的視野應該是2014年初,國產奇駿上市之后。你要是在某車之家論壇里搜索“塑料尾門”四個關鍵字,首頁十條檢索結果里六條是來自于奇駿論壇,如圖1。大家都是一臉“你逗我呢”的懵逼表情看著這個塑料的尾門,千萬個不信任。這玩意兒能抗撞?安全嗎?會不會一蹭就爛了?壞了怎么修?更多的,大家偷工減料,糊弄中國人的帽子已經扣出去了。日產也是一臉大寫的冤,倫家歐洲,本土,北美都是這樣的,也沒見這么大的反應啊。我想,可能是,我們的鋼板崇拜教眾都比較虔誠吧。
如果我們把時間往回撥,其實2014款的奇駿,第三代奇駿,根本不是國內第一款上市的應用塑料尾門的車型。早在2009年4月份上市的沃爾沃的XC60就是塑料尾門,稍微晚一點的第一款自主品牌配置塑料尾門的車型,榮威E50電動車于2012年底上市,在比奇駿稍微晚一點2014年4月份發布的PSA集團的旗下高端品牌DS的第一款SUV車型DS6,也是塑料尾門。還有就是,2013年初國內上市的五門版路虎極光也是塑料尾門。如果我們去這些車型的論壇看看,也有反饋車型是塑料尾門的,但是遠沒有奇駿車主的反應強烈。說實話,本人了解到塑料尾門,也是從奇駿開始的。如果我們仔細看上面這幾個車型,能發現一些特點,奇駿是這些車型中最暢銷,最居家,最大眾的車型。其他路虎極光、XC60、DS6、E50等。要么高端豪華消費群體,要么是冷門車型,受眾都是偏小的,所以這些車主的聲音才沒有被大家所聽見,沒有廣泛傳播。
那你可能會問了,既然已經有這么多車型,而且是高端車型都用塑料尾門了,肯定是由一些好處或者有點的,主機廠為什么要把原來的鋼板尾門或者鋁板尾門換成塑料尾門呢?這是個很好的問題,我們下面就好好討論一下。
要開始討論這個問題,我們先要堆砌幾個和汽車無關鍵詞:環境保護,低碳社會,可持續發展,和諧自然……你可能會覺得這些詞又紅又專的感覺,和我們今天要討論的問題沒什么關系啊。那你就錯了,這些我們活著從小就耳熟能詳的,或近幾年才熱起來的詞語,也是全球當下都關注的話題。畢竟,地球只有一個,汽車作為現代社會最普遍的交通工具,其使用的是化石燃料,不可再生,產生的氣體中又有許多對環境有害的成分,自然是全社會關注的焦點。這些焦點對應到汽車上,也是幾個關鍵詞:燃油經濟性,碳排放,材料回收再利用,能源回收……在對應到細節的技術上,就是發動機技術的發展與創新,新型燃料的應用,混合動力系統的應用,電動車的開發,怠速起停系統,剎車能量回收系統,排放控制技術的發展,材料循環使用,以及輕量化。如果我們簡單的畫一個路線圖,塑料尾門的作用會是這樣的。
所以說,隨著歐美越來越嚴格的排放法規,諸如歐六法規的實施。而且歐盟在2009年通過了第443號法規,旨在控制CO2的排放,其遠期目標是到2020年,CO2排放控制在95 g/km. 面對如此嚴苛的法規,主機廠自然會使出全身解數去壓榨整車各個方面的性能,輕量化也自然成了一個重要的方面。而且根據研究結果,汽車每降重10%,燃油效率能提高6%~8%不等;汽車每降重100kg,CO2排放降低8.5g/km, 如圖所示。
所以,從燃油經濟性方面來說,輕量化將是未來的趨勢,所以才有了塑料尾門的誕生。
撥開汽車制造史的迷霧,可以對塑料尾門按照其材料分為以下三類:
1、全熱固性塑料 尾門;
2、熱固性塑料內板+熱塑性塑料外板/擾流板 尾門;
3、全熱塑性塑料 尾門;
基本上,我們所說的塑料尾門,就是這內板,外板,加上擾流板這三大件是塑料件,而不是鈑金件,如圖所示。
初次之外,尾門上還需要集成很多很多東西,從上大小有:天線,高剎燈,玻璃,擋風板,尾燈,攝像頭,電動尾門開關,牌照板,牌照燈等等。總之就是,接口極多。
1.尾門 2.防夾傳感器 6&15.緩沖塊 12.鉸鏈 13&19.門鎖 9.電撐桿 10.氣彈簧 22.密封條
塑料尾門的發展歷史,基本上也是一路從最早的熱固性塑料,到熱固性塑料,熱塑性塑料相結合,再到全熱塑性塑料這么發展來的。往前推,我們回到1946年的美國底特律,William Bushnell Stout制造出了世界上第一輛覆蓋件均為玻璃纖維復合材料的汽車,Stout Scarab,雖然這臺車僅此一臺能夠使用,但是已經足夠將這位福特汽車董事,兼職飛機設計師留名汽車塑料化的歷史了。另外,這臺車也是世界上第一臺裝配空氣懸架的車型。下圖中正是William Bushnell Stout駕駛著Stout Scarab. 雖然這輛車拉風異常,很吸引人研究,可是這臺車并沒有得到量產。Stout駕駛著它在美國各處旅行,最終行程達到250000英里。
時間來到1953年,通用汽車量產了一款名叫Corvette的超跑,其車身全部使用玻璃纖維復合材料,已達到車身輕量化的目的。這是第一次玻璃纖維復合材料應用在量產車型上,而現在,克爾維特這類超跑都已經開始大量使用碳纖維復合材料來實現車身及其他結構件的輕量化。通過這種輕量化技術,來提升整車的加速性能。下圖為克爾維特第一輛車型下線。
隨后的很多年,越來越多的復合材料被應用到汽車上,雷諾 5上第一個SMC保險杠,奧迪Ur-Quattro上的SMC行李箱蓋等。直到1982年雪鐵論BX上市,才有了真正意義上的第一輛帶塑料尾門的車型。
由博通設計的這款掀背車,在發動機蓋上使用了SMC材料,而在尾門上使用了BMC材料。這里大概解釋一下這兩種材料的區別。SMC 是Sheet molding compound的縮寫,即片狀模塑料。主要原料由SMC專用紗、不飽和樹脂、低收縮添加劑,填料及各種助劑組成。而BMC(DMC)材料 是Bulk(Dough) molding compounds的縮寫,即團狀模塑料。國內常稱作不飽和聚酯團狀模塑料。其主要原料由GF(短切玻璃纖維)、UP(不飽和樹脂)、MD(填料)以及各種添加劑經充分混合而成的料團狀預浸料。從名字出發,形態上,SMC材料主要是片狀的,而BMC主要是團塊狀的(真!廢話),另外一個主要的區別點是,SMC主要使用長玻纖作為增強纖維而BMC一般是短玻纖。這個帶來的效果就是SMC件的物理性能一般比BMC件的要好一點。
雪鐵龍BX之后,越來越多的廠商開始嘗試使用SMC或者BMC件尾門。比如1993年土星的旅行轎車使用SMC尾門。
1996年雷諾Espace使用SMC尾門。
1996年沃爾沃V70使用SMC尾門。
2002年梅甘娜II使用SMC尾門。
這類尾門,全部使用SMC復合材料,俗稱玻璃鋼。特點是剛度高,外觀效果好,產品收縮率低,缺點是密度還是比較高,降重效果一般,而且材料回收難度高,如果采用掩埋式處理,在土壤中百萬年都不會降解,會產生嚴重的土壤污染。而且復合材料的外板由于玻璃纖維的緣故,脆性比較大,塑性不好,不抗撞,一碰,容易裂。種種原因,就導致了內板使用復合材料,外板擾流板使用塑性材料的第二代尾門的出現。
第二代尾門,內板使用SMC材料,模壓工藝成型,外板使用PP或者TPO等熱塑性塑料,注塑工藝成型。內板采用模量高,剛度和強度都比較好的復合材料,提供力學支撐;外板使用熱塑性塑料,提供更加自由的外形設計空間,良好的彈性,輕微碰撞可復原,降低維修成本。而且熱塑性塑料通過注塑成型,方便實現自動化生產,有利于降低生產成本,提高生產效率。尾門系統供應商彼歐稱這種尾門為“Higate”(Hybrid Tailgate)。這種技術第一次被應用是在2004年法國雷諾發布的Modus上。而其尾門供應商,正是彼歐,其采用的正是SMC內板,TPO外板的形式,兩者通過涂膠工藝進行裝配。
接著2007年馬自達5使用了日本本土供應商DaikyoNishikawa為期提供的塑料尾門,也采用了這種技術。
2011年標致508的旅行版也采用了相同的材料和工藝。
2012年路虎極光。
2013年路虎攬勝及攬勝運動版。
2013年標致C4 畢加索。
2013年捷豹XF旅行版。
2013年大發Tanto.
2013年馬自達3。
還有2014年國內上市的特供車型,DS首款SUV車型DS6,也是有彼歐打造的第二代尾門。
我們發現,2004年后這種新型的尾門集體爆發了,作為一名愛學習的工程師,我們必須剝絲抽繭尋找事實的真相,2011年前后肯定發生了什么事情,導致主機廠們開始不得不追求更加極致的輕量化技術。我們用第二張圖往前推,就可以推到燃油和排放上,運用谷歌一搜索你會發現,歐盟國家2004年開始實施歐四排放法規,2009年實施歐五,2014年實施歐六,見圖。
日本2001年將《汽車NOX法》修訂為《汽車NOX和PM法》,2007年又修訂了該法案,進一步加大了排放物的遏制力度;2004年美國實施“Tier2”第二階段排放法規,2009年實施“Tier3”第三階段排放法規。隨著越來越嚴格的排放法規的實施,主機廠不得不在整車各個系統上想辦法,以力求最大化減少排放物和燃油消耗。
2014年歐六排放實施,以及2020年的碳排放目標乃至2050年的碳排放目標,無意識擺放在各大主機廠面前的一道坎。2008年八國領導人峰會上達成的到把2050年把全球溫室氣體排放減少50%作為長期目標的共識,2009年哥本哈根世界氣候大會指定的2012年到2020年全球減排協議的指定——種種跡象表明,我們對環境保護的力度越來越重,尋求燃油效率最大化,有害排放物最小化已經成為全球共同的目標和難題。汽車行業作為能源消耗和排放物貢獻的大戶,自然是責無旁貸,要擔負起自己的責任。
為了這一目標,各主機廠及其供應商不斷探索,研發了第三代尾門,全塑尾門(Full Thermoplastic),內板使用長玻纖增強的PP(LGF+PP),外板和擾流板使用PP或者TPO,全部使用注塑工藝成型,然后使用涂膠工藝進行裝配。長玻纖增強PP與SMC材料相比,剛度模量相差不是太大(根據不同的玻纖比例,效果會很不一樣,有一些低組分玻纖增強的PP件感官上還是偏“軟”),但是密度要比SMC小,一般地尾門適用的SMC材料密度都在1.8左右,而相同比例玻纖增強的PP+LGF密度一般在1.5左右,這是什么概念呢,我拿手里的一個內板算了一下,大概就是可以降重1.3kg左右,如果做過輕量化降重項目的工程狗們都能理解這是什么概念,所以降重效果還是很明顯的;另外由于PP+LGF材料使用各種添加劑要少一點,所以揮發物少,在VOC檢測上有優勢;還有就是采用注塑成型,自動化程度比模壓要高;并別注塑的生產循環速度要比模壓快,加之自動化程度提高,所以在生產效率上也有優勢。總結下來,就是降重效果明顯,而且可以生產節省成本。第一個應用這種全塑性塑料尾門的車型是2012年雷諾新Clio, 其內板是LGF-PP,外板是PP,擾流板是ABS,見圖。
在項目預研階段,雷諾定下了降重10%并且易回收的目標。為了達到這個目標,材料供應商Styron(現已改名Trinseo)與雷諾一起研究開發了兩年,最終開發出了可以量產的全塑尾門。內板、外板和擾流板都是用Trinseo的材料。
2013年尾門供應商彼歐開發了自己的第一款全塑尾門,標致新308的尾門,內板LGF+PP,外板和擾流板PP,材料供應商是SABIC.
同樣是2013年法蘭克福車展,日產發布了其第三代X-trail,搭載著麥格納為其開發的全塑尾門。這款車型14年國內是上市之后就是國產新奇駿,其北美版為Rogue. Rogue的塑料尾門獲得了當年SPE(The Society of Plastic Engineers)的創新大獎。2014年寶馬i3使用麥格納開發的全塑尾門。
至此,基本上三代塑料尾門的編年史我們就已經捋的差不多了,有些遺漏或者不對的地方,由于信息搜集上的限制沒辦法做到完美,遺漏之處還請批評指正。
再回到排放的話題上來,塑料尾門的開發,就是順應全球對汽車減少燃油消耗的訴求以及排放法規越趨嚴格的大勢之下,我們可以看到歐洲和日本的廠商對于此項技術比較熱衷,搜尋資料的過程中發現一個很有意思的網站,其預測了到2020年,那些主機廠可以達到碳排放標準而那些可能達不到。其中法系的標致和雷諾被看好,日系其次。而德系,美系,韓系則可能達不到目標見圖(29)。我們從塑料尾門的開發力度上,也可以說名這一點。從目前的情況看,可以肯定的是未來塑料尾門肯定會越來越普及,SUV和MPV車型,混動和電動車型,都有輕量化的需要來提升油耗,排放或者續航能力,會有越來越多的主機廠去做這樣的嘗試,我們拭目以待吧。