用于汽车NVH的车身制造RIM工艺

发布时间:2013-02-22
广汽菲亚特汽车有限公司贺前勇。北京兴信易成机电工程有限公司刘海涛。陶氏(DOW)化学中国有限公司杨晓军,乐传华。固瑞克(Graco)流体设备中国有限公司刘星宇, 詹力。

随着国内汽车制造业的蓬勃发展,新技术和新工艺不断得到应用,提升了车辆的制造水平。从最近的车展不难看出汽车制造技术全球化的趋势,无论是哪个国家的新技术都可能被全球数家汽车制造企业所采纳。本文为汽车制造企业介绍一种新工艺——RIM(reaction inject molding 反应注射成型)工艺,此工艺采用DOW化学新型聚氨酯发泡材料,阻断车身噪声传播途径来达到改善车内噪声的目的。另有结构加强应用,本文不做赘述。

随着人们物质需求的不断增长,增加车辆结构的安全性、提高乘坐的舒适性和降低能源消耗成为所有汽车制造企业的重点目标。国外众多的中、高档车型(如DAIMLER-CHRYSLER旗下的300C、R2,General Motor旗下的凯迪拉克,以及欧洲的奥迪和标致等)都采用RIM工艺解决NVH相关问题,即在车体空腔内填充美国DOW公司24:1(体积比)双组分聚氨酯泡沫,从而达到减重、隔音和整体降噪等目的。

汽车空腔封阻的NVH原理

人类只能听到20~20 000 Hz的声音,分布在8个或24个频率带;人耳对高频带的声音感觉灵敏,特别是2 500~4 000 Hz的声音最敏感,对低频带的声音感觉较为迟钝。

当车辆高速行驶时,由车身周围气流分离导致压力变化而产生的噪音就是通常所说的风噪,车辆与周围的空气流场产生剧烈的相互作用,流场在汽车表面形成一个边界层,并产生强大的分离流、涡流及湍流。另外,现代主流汽车车身设计采用单体化车身(unitized-body),车身侧围板是由内外薄壁钢板冲压组焊而成,存在旁路空腔结构。由于空腔的贯通,空气在侧围空腔通道产生高速气流场,就是通常所说的空腔共鸣噪声;而车辆在高速行驶状态下空腔的孔洞会把风噪、发动机噪声、振动噪声和排气噪声放大,并传送到驾驶员和乘客的耳中,使车内安静舒适性降低。同时,发动机噪声,轮胎噪声和路噪甚至灰尘也通过侧围空腔通道向车内传播。因此,空腔阻断与车身密封对降低车内噪声而言尤为重要。

研究指出,空气传播的噪声与车速的六次方成正比,即车速增加一倍,声压级增加18 dB[3]。当汽车启动时即产生机械运动噪声,如发动机噪声随车速提高而增大;当汽车行驶速度大于50 km/ h 时,轮胎噪声逐渐显现,当车速超过80 km/ h 时,轮胎噪声则成为汽车行驶噪声的主要成分;当汽车行驶速度超过100 km/ h 时,高速气流场噪声会迅速增大,当汽车速度在120 km/ h 左右,它与轮胎噪声声压级相同,当汽车速度再继续增加,此类噪声就会超过其它噪声成为主要的噪声源。

对空腔进行有效封堵(见图1),可最大程度减少刺耳的中、高频噪声,才能使车内显得更安静,提高乘坐的舒适性。

RIM注射工艺对车体上重要的声音传导部位进行多点泡沫原液注射。根据车体部位的型腔体积计算得出注射点及注射量,注射量大致从30 g~200 g不等;泡沫原料为双组分,两组分的体积比为24:1,要求瞬间混合射出(如注射量为30 ml,则A组分为28.8 ml,B组分仅为1.2 ml)。原料在充分混合后发生放热的化学反应,体积迅速膨胀(若自由发泡体积将增大到34倍之多),要求设计车体型腔时考虑原料流道和排气工艺孔。

DOW新型聚氨酯发泡材料特性

材料属性

原料采用DOW经过认证的24:1低MDI聚氨酯泡沫系统(DOW 24:1 Low MDI Foam)。这种新型聚氨酯泡沫材料的环保型体现在,它采用Iso预聚体替代反应型MDI单体, 在聚氨酯的生成过程中大大减少了自由MDI的释出量。自由MDI的含量由通常聚合型的55%降低到4%,这远远低于OSHA(美国职业安全和健康署)所规定的限制要求。DOW的材料实验数据显示,自由MDI在汽车制造厂每天的释出量只有1ppb(10亿分之一)。这不仅对车间的操作人员不形成任何毒性伤害,而且降低了汽车制造厂在工艺上的设备投入,只需要最低限度的通风或无需通风设施。

另外,A, B两个组分在使用过程中,只需尽量避免操作者皮肤接触。A组分材料遇湿气固化,因此需要采用氮气保护储存;B组分具有挥发性,材料储存温度为95~105 ºF(35~40 ℃),材料储存容器压力为2~4 psi(100 PSI约7 bar),材料保质期长达180天。

材料在空腔阻断中作用机理

双组分聚氨酯发泡材料,可以在常温下快速反应发泡并快速成型。当其应用于侧围旁路空腔密封时,则是一项非常有效的进行气流阻隔、抑制空气传播通道的技术。在阻断通道的同时,由于聚氨酯发泡材料具有多孔吸声材料的内部结构,即具有许多微小的间隙和连续的气泡,由于材料本身的内摩擦和材料小孔中的空气与孔壁间的摩擦,使声波能量受到很大的吸收并衰减,这种吸声材料能有效地吸收入射到它上面的声能,这就使它具有良好的高频吸声性能。这是因为,当声波入射到多孔材料表面时,主要是两种机理引起声波的衰减:首先是由于声波产生的振动引起小孔或间隙内的空气运动,造成和孔壁的摩擦,紧靠孔壁和纤维表面的空气受孔壁的影响不易动起来,由于摩擦和粘滞力的作用,使相当一部分声能转化为热能,从而使声波衰减,反射声减弱达到吸声的目的;其次,小孔中的空气和孔壁与纤维之间的热交换引起的热损失,也使声能衰减。

设备与工艺的优点

该工艺采用美国固瑞克Graco的24:1高压发泡系统HFRTM,该设备一般成组(2台一组)在线使用,按工厂生产工艺调整设备配置(见图2)。操作人员可根据不同车型选择相应的注射序列,单人操作即可完成车身多点的自动定量加注,各点不同的注射量和注射精度采用自动控制(见图3)。

固瑞克公司的HFRTM高压发泡系统是针对此应用而专门开发的新一代高质量的计量、混合与分注系统,它是标准配置的产品,与传统的定制系统相比,技术和功能大大改进,价格却更低,能使客户以较低的原始投资切换至吸声泡沫应用。新系统在体积上也做了改进,占地面积的缩小为客户节省了宝贵的空间。可在现有的生产线上做改造,而无需等到新的车间规划再做考虑。

该系统使用专用控制器来监控系统,中文操作界面,在配料时会自动进行微调和校正,以实现一致的料流和压力,其精确的固定分配比率,可避免出现废料及返工,更可提高泡沫的质量。由于其模块化的设计,该设备操作时较以往更为灵活简便,有效降低了材料施工成本,从而也有助于整车制造成本的降低。

设备本体包括原料储存装置、计量装置、加热装置、配比装置、定量注射装置、显示控制装置、液压装置和循环组件等,可根据产量另外配置外置式大容量原料存储系统和补料系统,补料系统通常需要根据现场状况单独设计。整车厂可根据产量变化成组增加设备,兴信可提供完善的安装调试和技术服务。

RIM注射工艺在汽车制造厂有时又被称为泡沫膨胀胶注射工艺,材料有车身加强和降噪功用之分,一般安排在涂装的末道工序或总装的第一道工序。此工艺属于型腔发泡,设计注射点和注射量时,需考虑聚氨酯泡沫膨胀后对车体产生的应力。

RIM注射工艺一次成型、不可逆。一般情况下,无法对注射入车体的泡沫的发泡效果进行解剖检查,因此要严格执行Dow公司化学原料的使用要求,并按工艺设备的调试及检测步骤操作。RIM注射工艺实施效果的检测方法有气密法和声压法。

采用RIM注射工艺的汽车制造企业国外已有大量应用:

如克莱斯勒在Newark、Brampton、Toledo、SHAP和Windsor等地的工厂,车型如Dodge Dakota;

通用(GM)在Lansing、Hamtramk、和Delta等地的工厂,车型如Cadillac CTS;

福特(Ford)在Avon Lake和Oakville等地的工厂的多种车型;

雷诺(Renault)在Sandouville工厂的R25车型;

标致(Peugeot)在Mulhouse、Sochaux、Poissy和Madrid(西班牙)等地的工厂,车型如205、405(日产量800台)、306(日产量1200台);

雪铁龙(Citroen)在Rennes、Aulnay和Vigo等地的工厂,车型如XM、ZX、XANTIA(日产量1100台)

目前国内有上汽通用、北京奔驰、东南汽车、广汽菲亚特采用该工艺。菲亚特使用此工艺的车型为菲翔,单车材料灌注量1.5公斤,全车12个灌注密封点,实现产能32JPH。

与其他空腔封堵材料的比较

由图4~图6看出,注射型泡沫的充填效果更好,且质地均匀,不需要用单独的模具进行预制成型,注射量可以任意调整,特别适用于多车型的混线生产。内挂式充填材料,不管是两维发泡材料还是三维发泡材料,都需要烘烤后发泡,发泡效果因车型结构和发泡材料性能会有较大差异,充填效果重复性差,导致车辆个体的降噪效果有差异。另外,内挂式充填材料芯部支架多为尼龙制造,虽然耐热性可以满足要求,但对声音的阻隔性能却较差。

另外,相比较目前空腔封阻较多应用的两次注塑膨胀隔断片,聚氨酯发泡材料不仅具有三维膨胀可靠封阻的优点,更具有前者所不具备的良好的吸声特性,使之在抑制噪音通过空气传播途径中显示出优异的表现。图7、8所示为局部采用聚氨酯发泡材料和两维膨胀隔断片的侧围分解剖视图。

汽车NVH测试结果举例

加速状态

如图9所示,在加速状态下,从图表中可以看出绿色曲线,从采用双组分DOW聚氨酯RIM发泡工艺的试验车的采集数据,比基准样车红色曲线的频域声压级要减少3~5分贝。

如图10所示,在110公里/小时巡航状态下,从图表中可以看出绿色曲线,从采用聚氨酯RIM发泡工艺的试验车的采集数据,比基准样车红色曲线的频域声压级要减少3~4分贝。

6.结论

对汽车的车内噪声控制能力直接反映了整车质量控制水平,在行业内受到广泛的关注。空腔阻断是控制噪声车内噪声空气传播的重要方法,可以有效改善整车NVH性能。其中,车身空腔阻断位置设计和阻断材料选用对空腔阻断效果至关重要。

整套双组分聚氨酯RIM发泡注射工艺的优点总结如下:

  • 3维可靠封阻,得益于材料高达34倍以上的膨胀倍率
  • 良好的吸声性能
  • 多车型可共用聚氨酯发泡材料的注射装置
  • 无模具投入,材料成本低
  • 注射模式可随时调整
  • 可以直接延用在未来车型平台而无需注射设备改造

在汽车制造的实际应用中,采用双组分聚氨酯RIM发泡工艺解决车身空腔封阻问题,可以很好的提高整车的NVH性能。由于整体RIM方案的优越性和可靠性,此工艺已经被越来越多的国内外汽车制造厂所采用。

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