车顶如何轻量化？多种创新材料与工艺展示

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高质量和轻量化一直以来是都是汽车制造者的追求，目前轻量化已成为汽车节能减排的重要手段。研究表明，汽车减重100kg可降低油耗0.15L。因此，诸如镁金，钛合金，碳纤维复合材料等轻质材料越来越受欢迎。但新材料的成本普遍较高，限制了其在大规模生产中的应用。尽管如此，伟巴斯特（Webasto）以轻量化为目标，在汽车天窗新材料的应用方面做了许多尝试和创新。

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 全景天窗的轻量化技术 

为了开发具有前瞻性的解决方案，将轻质结构与安全性和舒适性联系起来，汽车天窗供应商与世界各地的汽车制造商密切合作，尝试天窗新材料的应用。聚碳酸酯（PC）是近年来较受欢迎的天窗材料。此外，蜂窝纸复合材料（PHC）以及玻纤增强复合材料具有较好的机械性能、热性能和光学性能，其在车身覆盖件上的应用也成为一个较好的参考。

玻璃也是汽车天窗材料中的一个重要角色，Webasto开发了用于屋顶区域的安全玻璃Webasto Glas Protec｡ 与传统的复合安全玻璃相比实现减重约10%-15%｡

本文介绍三种轻量化天窗创新材料和工艺解决方案：

　　- PU复合材料车顶盖

　　- 聚碳酸酯天窗和面板

　　- 玻璃-塑料复合材料天窗：Webasto Glas Protec

 高耐久、高经济性的轻量化PU复合材料 

PU复合材料以高刚度，低重量，良好的3-D可模塑性和声学以及隔热性能而著称。一般采用壳-芯的夹层结构，可集成紧固元件。材料的刚度基本上通过嵌入基质中的增强纤维和夹层厚度来实现。增强纤维包括：无机纤维（例如玻璃纤维），有机增强纤维（例如碳纤维）或天然纤维（大麻，亚麻等）组成。

为实现减重，芯层材料一般选择发泡材料或蜂窝纸板。发泡材料具有轻量化和隔热的优势，但其温度稳定性和成本方面稍差。而蜂窝纸板性能稳定，其独特的结构可实现较好的抗压性能，同时玻纤增强的PU外壳可达到较好的防水作用。

更重要的是这种PU复合材料重量轻、刚度高，适用于大于2m2的车身外覆盖件，且具有成本优势，特别是对于中小批量的订单。

在最新的Jeep Renegade中，Webasto首次推出了一种可以打开的两件式车顶系统，其元件可以完全拆卸并存放在汽车后备箱中。该车顶就采用了蜂窝纸芯层+玻纤增强PU复合材料外壳的结构，如图1所示。其外表面覆盖热成型和防风雨的薄膜，内表面采用植绒处理，以配合内饰设计。

考虑到这种结构设计可能造成不同温度条件下的曲率变化，通过FEM计算，其在各条件下的密封性能均表现良好，如图2和图3所示。该PU复合材料车顶相对于钢质车顶减重约50%，是纸蜂窝（PHC）首次用于汽车覆盖件的批量化生产。到目前为止，PHC主要用作天窗顶篷的轻质材料。

 聚碳酸酯（PC）天窗 

聚碳酸酯是一种透明的、高抗击性塑料，其密度仅为1.2g/cm3，相同部件比玻璃钢轻 。其极高的抗冲击性较适合作为天窗材料，在发生事故时能够较好的保护乘员。表面涂覆清漆涂层可实现较好的抗刮擦性、耐候性和抗紫外性能。此外，PC材料还可实现全景天窗、大角度弯曲等天窗造型设计。

smart fortwo的第一个聚碳酸酯天窗系统于2007年在Webasto Schierling工厂下线。最新一代的车型还配备了由聚碳酸酯制成的全景天窗。面积为1.20平方米，厚度为5.25毫米，重9.80千克。但真正的技术亮点是其将红外线吸收剂集成在聚碳酸酯中，使得天窗具有吸收太阳辐射的功能，从而防止汽车内部升温。内部温度的控制可减少空调的使用，进一步降低燃料消耗，利于生态环境。

 PC面板 

除了A级外观的玻璃组件外，伟巴斯特德国工厂还提供PC轻质面板，为包括大众在内的14款车型供货。面板在前部和侧面与倾斜/滑动天窗相邻，创造了与车辆顶部的无缝过渡。这使整个屋顶表面具有高品质的实心玻璃外观。这种三维形状的面板使用玻璃材料是无法实现的，如图4。

目前，用于汽车制造的聚碳酸酯的比例约为15%。专家们认为，在未来五年内，这一份额将增加到约20%。聚碳酸酯还有更多应用潜力有待挖掘，例如，集成尾灯设计、可通过铰链移动的侧窗、集成加热线的PC部件等。Webasto正在积极研究聚碳酸酯的更多应用可能。

 玻璃-塑料复合材料天窗：Webasto Glas Protec 

玻璃一直以来都是汽车工业必不可少的材料，透明的玻璃车顶可营造车内丰富的光线和亮度，增加驾乘舒适感。调查显示，汽车玻璃的平均使用面积在不断增加，从1985年的3.50m2增加到了现在的4.60m2。但玻璃重量较大，不利于轻量化。因此，Webasto开发了一款轻量化玻璃替代品Webasto Glas Protec。这是一种玻璃-塑料复合材料，与传统安全玻璃相比，可实现减重10-15%。其表面覆盖一层抗撕裂的PET膜，即使在玻璃破碎时也能将其固定在一起，从而保护乘客免受飞行玻璃碎片的伤害。出于薄膜的保护作用，天窗可使用更薄的玻璃板（＜3mm），从而降低重量。同时，专利穿孔锚固技术可实现有效连接。由Webasto Glas Protec制成的天窗可以达到1.60米的长度，如图5所示。

然而，汽车天窗技术在关注重量的同时，功能化和生态化方面也同样备受关注。例如，在Webasto Glas Protec材料的薄膜中添加特殊涂层吸收红外辐射以降低车内温度，减少空调的能量消耗。此外，开发人员还在进行机光伏技术与Webasto Glas Protec结合使用等方面的研究。

这种新型玻璃自2005年以来实现了批量应用，如路虎揽胜，梅赛德斯R级和福特林肯等车型。Jaguar XJ轿车的Webasto Glas Protec制成的全景天窗已成为标配。

 多元化车顶模块解决方案（MOR） 

Webasto打造的多元化车顶模块解决方案（MOR）可实现一辆车型适配多个车顶。统一安装界面设计，不同的车顶模块随时在装配线上实现安装。这给整车设计灵活性带来了较大的提升，使其在整个产品生命周期过程中可以对不断变化的市场趋势和客户需求做出快速响应，从而显著增强单一款车型的吸引力。

Webasto在MOR中整合了所有轻质结构技术。此外，车顶元件的表面还可以配备太阳能电池，产生的太阳能可以直接供应给电池，从而降低燃料消耗。这种太阳能车顶被欧盟列为生态创新技术。太阳能车顶的二氧化碳节省潜力相当可观：汽油发动机平均减少2.3克/公里二氧化碳，柴油减少约1.6克/公里。

 小结 

在未来一段时间内，节省燃料和减少二氧化碳排放仍将是汽车行业面临的主要问题之一。因此，轻量化技术将发挥着重要作用。作为一家创新型供应商，Webasto将可持续解决方案的开发和实施作为使命，成功开发了聚碳酸酯、PU复合材料以及Webasto Glas Protec轻质材料。同时，随着新能源汽车的发展，对汽车轻量化提出了更高的要求，Webasto将在轻质材料应用和可持续发展方面继续迎接新的挑战！

素材来源 | 汽车材料网

作者 | 付正婷

编辑整理 | 萨米工业云

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