汽車照明技術(shù)、透明塑料與汽車輕量化

汽車輕量化的現(xiàn)狀和意義

作為科技發(fā)展的便利性產(chǎn)物，汽車作為一種物理交通工具，在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和日常生活中的重要性已經(jīng)無需置疑。發(fā)展的重要方向是舒適、安全、智能化和經(jīng)濟(jì)性。而隨著全球?qū)Σ豢稍偕茉幢Ｗo(hù)意識(shí)和環(huán)境要求的提高，低能耗和低排放已經(jīng)是安全和智能化之外的最重要技術(shù)任務(wù)。全球都在大力推進(jìn)動(dòng)力技術(shù)和發(fā)展新能源汽車技術(shù)，不管是燃料汽車、混合動(dòng)力汽車、純電汽車等類型，減輕重量始終是不變的主題，使用高強(qiáng)度鋼材、鎂合金鋁合金金屬低比重、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、硬泡沫包覆增強(qiáng)、以塑代鋼、新型復(fù)合沖壓焊接等等工藝在保證安全性的前提下使汽車減重達(dá)15-53%，很多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在材料、工藝、技術(shù)、設(shè)計(jì)等方面取得了大量的成就。



領(lǐng)克尾燈厚壁導(dǎo)光塊組合

美國(guó)福特汽車公司的全順車在歐洲的試驗(yàn)結(jié)果表明：滿足歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)條件下，每百公里油耗Y與自身質(zhì)量x(kg)滿足以下關(guān)系：Y = 0.003X + 3.3434，汽車整車重量降低10%，燃油利用效率可提高6%～8%，尾氣排放減少約5％，原材料成本可降低約10％。油耗的下降，同時(shí)意味著CO2、氮氧化物(NOx)等有害氣體排放量的下降，對(duì)環(huán)保要求的降低油耗和減少碳排放發(fā)揮重要作用。針對(duì)各種類型車的大量試驗(yàn)結(jié)果表明，車輛的油耗與汽車的質(zhì)量呈一定的線性關(guān)系。因此，通過降低汽車自重，即通過輕量化的手段來降低油耗，成為汽車行業(yè)最為熱門的研究課題。當(dāng)前，汽車的輕量化已經(jīng)成為車企應(yīng)對(duì)各國(guó)政府節(jié)能減排政策的重要途徑。歐盟已經(jīng)批準(zhǔn)一項(xiàng)加強(qiáng)二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，到2020年歐盟地區(qū)新車單位里程二氧化碳排放都必須控制在每公里95克的水平。如果按照燃燒-排放計(jì)算，該排放水平大約對(duì)應(yīng)百公里油耗4升。根據(jù)歐洲環(huán)境署（EEA）提供的數(shù)據(jù)，2012年歐洲新車平均二氧化碳排放水平為132.2克/公里，較2009年改善9%，2020年則將削減28.1%。日本汽車企業(yè)也一直把輕量化列為汽車整體設(shè)計(jì)中一項(xiàng)非常重要的指導(dǎo)綱領(lǐng)。根據(jù)規(guī)定，日本的車主要按期繳納汽車重量稅、汽車稅等。這些稅費(fèi)與車體重量和排氣量大小有關(guān)，車身越重、排氣量越大，繳的錢越多。比如重量稅，使用時(shí)間長(zhǎng)、車體重的豪華車尾氣排放量較大，差不多每年要交8萬日元 ，而新的微型車僅需交1.2萬日元，兩者相差6倍多。近幾年，中國(guó)政府也出臺(tái)了一系列的節(jié)能減排措施，例如積極鼓勵(lì)新能源汽車的發(fā)展、限制車企平均油耗等等。



聚碳酸酯車窗車頂

照明技術(shù)、透明塑料與輕量化

因?yàn)槁殬I(yè)原因，在汽車工業(yè)所涉及的主要是汽車內(nèi)外照明技術(shù),以透明塑料取代無機(jī)玻璃，本文就汽車車燈照明技術(shù)、透明塑料與輕量化來與大家交流分享一些想法。

汽車照明或光學(xué)系統(tǒng)主要包括車窗玻璃、擋風(fēng)玻璃、車燈、氛圍燈等。



塑料透鏡和鍍鋁裝飾在大燈中的應(yīng)用

替代材料

PC（聚碳酸酯）:20世紀(jì)80年代，能源危機(jī)促使日本正式明確提出了汽車輕量化概念，設(shè)計(jì)出對(duì)能耗與原材料有效節(jié)省的新車型。采用注塑工藝生產(chǎn)汽車大燈，提高了自動(dòng)化程度，進(jìn)一步提升了企業(yè)燈具輕量化設(shè)計(jì)水平。PC由于具有較強(qiáng)的抗沖擊能力要相當(dāng)于250倍的無機(jī)玻璃，最早代替玻璃應(yīng)用在前燈外罩中，反射罩和支架本體均采用塑料注塑成型，燈罩與燈體用粘膠粘接或焊接進(jìn)行裝配，比傳統(tǒng)玻璃車燈減重達(dá)20-60%。此外，車燈造型中的裝飾功能部分利用了PC極好的光學(xué)與著色性能，利用透明有色的PC制作裝飾條,或噴底漆、鍍鋁方式的靈活應(yīng)用；反射鏡壓鑄件鍍鋁制作改為PC、BMC、PEEK、LCP等注塑后鍍鋁，與早期鑄鋁件電鍍相比減輕質(zhì)量高達(dá)80%以上，并且生產(chǎn)工藝大大簡(jiǎn)化。燈具中改變燈泡的發(fā)光顏色相對(duì)比較復(fù)雜，而指示燈需要發(fā)出特定顏色的燈光，而利用有色透明PC或PMMA的顏色對(duì)注塑工藝來說是非常便捷的事情。在這些透明有色的塑料中，色母料的耐熱性和耐候性非常重要。作為外表件使用時(shí)多數(shù)采用表面涂覆硬膜的PC，從而進(jìn)一步提高了耐擦傷性和耐候性，比玻璃鏡片更亮，更抗破碎，有更好的形狀精度塑造性。而且可吸收沖擊能量和振動(dòng)能量，以減輕碰撞時(shí)對(duì)人體的傷害，提高汽車的安全系數(shù)。反射件和飾圈等零件則采用電鍍或者鍍鋁，在車燈中，除了散熱元件，基本都可以被塑料件代替，減重技術(shù)相對(duì)成熟。



巴斯頓多層注塑厚壁件

PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯）:俗稱亞克力或有機(jī)玻璃，是一種無定型、有香味、無毒、透明的熱塑性塑料。它具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能、介電和電絕緣性能，優(yōu)良的光學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)。與PC一道，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)光條、透鏡等注塑生產(chǎn)，通過改性和鍍層以后，PMMA不僅在汽車內(nèi)外飾、汽車車燈等提高汽車美觀的部件上得到廣泛應(yīng)用，而且已逐步應(yīng)用到側(cè)窗、天窗、三角窗、后窗、車內(nèi)氛圍燈、HUD抬頭顯示器等結(jié)構(gòu)性及功能性部件上，為減輕汽車質(zhì)量、提高汽車各方面性能發(fā)揮著積極的作用。例如我們?cè)?ldquo;ABB”（Audi Benz BMW奧迪奔馳寶馬）等汽車中大規(guī)模應(yīng)用贏創(chuàng)8N(PMMA)和拜爾的2245、2045于導(dǎo)光條和透鏡的生產(chǎn)。在透明塑料用于車窗和天窗和擋風(fēng)玻璃時(shí)，與傳統(tǒng)玻璃相比，重量減輕40%～50%，例如別克新一代GL8的后三角窗采用了PC制造后，減輕了40%（3kg）。這對(duì)降低燃料消耗起了積極的作用，有助于環(huán)境保護(hù)。由于塑料易于加工，適合設(shè)計(jì)制造曲率極大的車窗，從而滿足設(shè)計(jì)師不同造型設(shè)計(jì)的需求。與此同時(shí)，PMMA其對(duì)紫外線穩(wěn)定并且清澈透明的特性非常出色。目前4、5、6mm贏創(chuàng)PMMA用于車窗原材料均已經(jīng)通過歐盟ECER43《關(guān)于安全玻璃及材料認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》法規(guī)認(rèn)證測(cè)試。



海拉25LED智能大燈

LSR 液體硅橡膠：光學(xué)級(jí)液體硅膠注塑透鏡作為一種新光學(xué)材料，具有僅次于玻璃的透明度，而且長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫或紫外線下依然穩(wěn)定和不變色，有一定的柔軟性，耐劃傷和耐開裂。尤其是該材料的低粘度特性，可以通過很薄的填充路徑或填充很微小的空間結(jié)構(gòu)，意味著可以用來成型一些異形矩陣高精度透鏡，而這正是新的AI照明所需要的，而且尺寸小重量輕。

工藝設(shè)計(jì)的靈活性

由于可以方便的制造出設(shè)計(jì)者所需要的形狀，結(jié)合可靠性與耐久性試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)， 對(duì)燈具部件的疲勞強(qiáng)度有效考核等壽命設(shè)計(jì),在整車壽命要求下，除了易損件之外，其他零部件的壽命也趨向接近， 防止了一些燈具零部件不必要的長(zhǎng)壽命， 同樣可以降低耗材，減輕了重量。



LUMILEDS的電子控制LED像素?zé)粼?br />
新光源的發(fā)展和減重的關(guān)系

隨著LED、激光等燈源技術(shù)的發(fā)展，車燈中的玻璃透鏡也在大規(guī)模被塑料透鏡取代，尤其是LED燈源生產(chǎn)已經(jīng)變得經(jīng)濟(jì)，透鏡工作溫度得以大幅度降低，注塑透鏡成型效率高，與玻璃透鏡相比生產(chǎn)過程能耗低，工序少，污染少，尤其是可以注塑獲得復(fù)雜零件，直接與之間裝配或粘結(jié)焊接，減少裝配件數(shù)量和降低安裝成本，重量只有塑料透鏡的五分之一，在隨動(dòng)轉(zhuǎn)向大燈中顯著降低了對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的沖擊震動(dòng)強(qiáng)度要求。同樣，由于燈源及導(dǎo)光條工藝技術(shù)的發(fā)展，氛圍燈采用三色或多色LED組合可調(diào)節(jié)照明通過氛圍導(dǎo)光條進(jìn)行內(nèi)飾布局設(shè)計(jì)，可以隨意設(shè)置出千萬種顏色氛圍效果，而尺寸和重量?jī)H為傳統(tǒng)氛圍結(jié)構(gòu)的十分之一左右。OLED在指示燈和裝飾燈上的應(yīng)用也同樣變的更加豐富，輕巧和更具立體感，如下圖的尾燈就采用了OLED和LED組合技術(shù)，功耗低，重量輕。



LED導(dǎo)光技術(shù)和OLED自發(fā)光技術(shù)



汽車電子技術(shù)發(fā)展引起的變化

在目前汽車電子電氣所占比例逐漸加重的情況下，可以利用全新的設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)而達(dá)到以電子化替代機(jī)械功能的目的，最終可以有效減少機(jī)械零件，減輕重量。目前馬瑞利、海拉、歐司朗包括奔馳、寶馬、奧迪等公司都陸續(xù)推出了一些ADB大燈，部分已經(jīng)投入量產(chǎn)應(yīng)用，從奧迪9光束、84像素,到正在測(cè)試的1024像素智能投射大燈，曾經(jīng)熱門的高端隨動(dòng)轉(zhuǎn)向或指向性照明均被加入了更加精確的像素式照明技術(shù)元素，甚至直接被迭代替換，沒有復(fù)雜的機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，取而代之的是高像素的電子照明系統(tǒng)，發(fā)熱量低，重量輕，安全性更高。



目前奔馳旗下車型應(yīng)用的幾何多光束LED大燈（MULTIBEAM LED）具有84個(gè)可獨(dú)立控制的LED發(fā)光單元，新技術(shù)使這一數(shù)字縮減到3個(gè)，但每個(gè)LED發(fā)光單元中包含了1024個(gè)可控光點(diǎn)，通過這種方式，全新的智能像素LED大燈能夠更加精確的照亮前方道路。



照明、透明塑料與新能源車

汽車輕量化不僅適用于傳統(tǒng)燃油汽車，對(duì)新能源電動(dòng)汽車來說，減輕車身重量，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化同樣很重要，因?yàn)樗P(guān)系著新能源汽車較主要的續(xù)航問題。輕量化技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)研究得出，重量的減輕直接意味著續(xù)航里程的增加。如純電動(dòng)汽車,整車重量若降低10kg，續(xù)駛里程則可增加2．5km，提升電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，除了加強(qiáng)電池和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之外，減輕重量是關(guān)鍵，上面我們說到，車燈的照明技術(shù)不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和材料被塑料代替，已經(jīng)使得車燈重量大幅降低，那新照明技術(shù)的發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力汽車新與新能源汽車又有什么不同呢？除了最重要的減重對(duì)續(xù)航里程帶來的好處外，新照明技術(shù)的低能耗更會(huì)顯著減少照明系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)電系統(tǒng)的消耗占用，從而將更多的電量用于驅(qū)動(dòng)續(xù)航，尤其是新的LED或激光大燈的像素化技術(shù)變革，汽車大燈不在需要反射碗，布局可以更為靈活和小巧，減重和本身的低功耗特點(diǎn)更顯優(yōu)勢(shì)。巴斯頓在計(jì)劃開發(fā)大型專用注塑機(jī)，研究透明塑料代替玻璃車窗甚至整體車頂方面的技術(shù)，如果得以成熟經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用，除了簡(jiǎn)化制造工藝和減少制造本身對(duì)能源的消耗，對(duì)汽車整體減重貢獻(xiàn)將超過50Kg以上。



結(jié)論

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016年中國(guó)消耗5.56億噸石油，其中約一半為汽車所消耗。隨著資源緊缺和環(huán)境惡化，節(jié)能減排成為當(dāng)前汽車工業(yè)發(fā)展的主旋律，新能源作為我國(guó)戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，成為實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措。車燈照明和透明塑料替代技術(shù)也將在節(jié)能減排的輕量化征途中貢獻(xiàn)自己的力量。

（本文作者系寧波巴斯頓機(jī)械科技有限公司總經(jīng)理商鐵虎）