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PC液晶膜集成调光车顶应用于汽车的关键技术研究
聚碳酸酯(PC)材料具有密度低、透明度高、韧性好、耐冲击、隔音隔热等性能优势,广泛应用于汽车灯具、车窗等内外饰零件"。电致变色技术作为太阳能、光能控制技术也越来越多地在建筑及汽车领域得到了应用。基于未来汽车轻量化、节能环保、舒适性的要求,本文将PC材料和电致变色的液晶膜这两项新技术集成调光车顶在整车上进行应用,并对其关键技术进行研究。
1技术方案
1.1集成调光车顶方案
如图1所示,调光车顶通过上下PC板夹层液晶变色膜实现,液晶膜跟PC之间通过EVA 胶膜抽真空加热固化进行胶合。光线透过率通过控制液晶变色膜(PDILC)的工作电压实现,成形后EVA胶和PC板材均为透明状。

基于某汽车集团某车型(下称车型R)车身结构,匹配设计了图1结构的调光车顶。该车顶面积较大,PC板的厚度直接影响车顶的强度和刚度。参照欧标ECE R43《关于安全玻璃材料及其在车辆上安装认证的统一规定》和 GB/T 5137.1~5137.3《汽车安全玻璃试验方法》,针对不同的上下片PC板材厚度h1、h2集成的车顶,在低温( -35℃)、常温(23℃)、高温(85℃)条件下分别进行了关键因素——机械强度和外板刚度的虚拟分析和选型设计。
图2为落球实验示意图,在顶盖几何中心位置处,重量227 g、直径 38 mm的钢球从5m高度自由落下砸中玻璃车顶,换算成初始速度为10 m/s.测试模拟车顶落球试验时的机械性能,小球不允许穿透玻璃,允许出现裂纹。

CAE分析结果如表1所示,PC下/上片厚度分别为2 mm/4 mm,3 mm/4 mm ,3 mm/3.5 mm 的3个方案下层玻璃的应力控制在合理范围内,小球均不会穿透玻璃,满足应用的机械强度要求。

图3为该集成车顶外板刚度性能的分析示意图。在集成调光车顶外表面选择P1、P2、P33个测试点,载荷通过探头垂直施加在外板表面上,探头为外径100 mm、厚 15 mm的刚性圆盘,初始刚度不低于30 N/mm ,加载力为150N时变形不超过9.5 mm。


分析结果如表2所示,PC板材下/上片厚度h1/h2分别为3 mm/4 mm方案满足外板刚度测试要求,而2 mm/4 mm、3 mm/3.5 mm2种方案综合刚度不足以达到应用要求。

结合以上分析,选用PC板材下/上片厚度h1/h2 为3 mm/4 mm的方案集成特定车型R的调光车顶。
1.2整车装配方案
基于前文分析设计集成调光车顶,现需要装配至车型R整车上进行分析测试。图4所示为车型R改制方案示意图,集成调光车顶总成替换车型R的全景天窗总成,并对钣金蒙皮、横梁、内饰顶棚等进行匹配设计,取消天窗加强框。集成调光车顶总成通过6个螺钉固定至车身钣金,并通过胶粘工艺将下片PC与车身连接、密封。

集成调光车顶总成至车型R后对比原车R如表3所示:
(1)原车全景天窗的可开启功能不再具备,原车遮阳帘开启和关闭仅两种透光量模式,调光车顶具备无级调节透光率功能;
(2)透光面积增大0. 3 m2(相对增加37.5% );
(3)简化了原车天窗加强框、遮阳帘、天窗开启机构等零部件,使得头部空间增大了25 mm;
(4)实现了整车轻量化,减重14.4 kg(相对车顶总成减重36.48% )。

2车身结构模态试验分析
为了衡量集成调光车顶应用于整车后对车身动态特性和结构刚性这两项关键性能的影响,按照车身结构模态试验方法相关标准,对车型R装配集成调光车顶的车身结构模态进行了试验。如图5所示,对车身采用自由–自由约束,激振器激励的方式,通过响应传感器采集相关响应信息。
对采集的信息进行处理后得到装配集成调光

车顶车身模态的总和频率响应函数(SUM FRF)和模态指示函数(MIF)的曲线如图6所示。


基于此图谱使用总体多自由度模态参数估计方法(时域或频域)计算各阶固有频率和相应模态振型,对车身关键模态(0 ~60 Hz)进行了分析、识别,结果见表4。


(1)装配集成调光车顶的车身关键整体模态频率均低于原车频率。存在整车NVH 水平下降风险;
(2)一阶扭转频率下降3.66 Hz。车顶最低模态27.48 Hz与怠速激励频率接近,存在板件共振从而加大怠速噪声的风险;
( 3)装配集成调光车顶的车身模态分布密度高于原车,增大了整车共振几率。
综上,集成调光车顶作为大板件在整车上的应用还需考虑如下因素;
( 1)增强自身刚度(如PC板厚度增加),避免模态过多;
(2》增强车顶安装梁刚度,或增加横梁机构、加强框架等增大刚度。
3整车高低温存储试验
集成调光车顶在应用过程中面临的另一关键技术是耐候性。参照汽车零件耐候交变试验相关标准,对装配集成调光车顶的车型R整车进行了高低温存储试验。通过试验环境温湿度的循环交变,检验整车及集成调光车顶相关零部件在经历各种恒定或交变的极端气候条件下发生的变化,从而评估其耐气候性能。
在湿度30%~80%,温度-35 ~80℃交替变化的试验条件下进行了10个循环(1个循环720 min)的存储试验。试验结果如下:
(1 )如图7所示,在第4个循环完成后,车顶右侧和后侧在PC与车身饭金连接处出现了部分开胶现象,并持续到第10个循环;
(2)如图8所示,试验完成后,集成调光车顶PC上下板之间有气泡产生,尤其以液品膜边缘最为密集。
结合材料特性,对比传统风挡和车窗玻璃,分析原因如下:
( 1 )PC材料热膨胀系数为普通工业玻璃的4~6倍,热胀冷缩现象比较明显。由于集成调光车顶为大板件,高低温交变条件下热应力导致边缘伸缩量较大,拉裂PC板材与车身饭金连接胶层;
( 2)PC上下片夹层液晶调光膜进行集成时,采用真空抽压热熔EVA胶胶合的工艺连接。真空度不够导致卖层中残留气体较多,高温环境下气体膨胀产生气泡。

综上,PC集成车顶在实车应用考虑耐候性时还需保证装配工艺这一关键因素:PC板材料特性不同于传统风窗玻璃,在胶粘工艺基础上可考虑螺栓连接等其他连接工艺,胶的种类选取也应当与PC材料特性匹配。

4结语
针对集成PC板材与液晶变色膜的调光车顶在整车应用(车型R)的关键技术研究,得出如下结论:
( 1)车顶采用上/下片4 mm/ 3 mm厚度PC板夹层液晶变色膜,并通过EVA胶胶合的集成方案,可以满足落球分析的强度要求和外板刚度测试要求,且具有轻量化、增大透光面积、简化机构增大车内空间的优势。
(2)通过车身模态试验评估,集成调光车顶作为大板件存在模态较多且偏低的现象,整车应用有共振风险,还需通过增强自身刚度或附加加强机构来优化整车模态性能。
〔3)整车高低温存储耐候性测试出现PC与车身饭金连接开胶、液晶膜夹层起泡问题,在极端工况下的应用还需结合材料特性在调光车顶集成和整车装配的工艺上改进优化。
参考文献
[1]李印鹏,向丽琴.P院材料汽车三角窗设计[J.工程材料应用,2015i3);70一72.


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