【技研】智能化移动出行将如何改变组件设计

未来汽车将如何改变组件设计？

实现安全、可持续和智能化的移动出行

作者：施培文, 德特威勒密封技术亚洲区业务开发经理 

邮箱：mobility@datwyler.com

施培文，毕业于车辆工程专业，从事汽车行业15年，专注于橡胶密封产品应用和开发。

随着汽车工业的不断演变，车辆的智能化全球道路上不断发展。从内燃机驱动到混合动力和全电动驱动的转变需要越来越新、越来越复杂的组件，比如先进驾驶员辅助系统中（如自动泊车，或在行驶中跟随其他车辆的能力）的一系列应用。如何灵活地为新兴汽车系统开发解决方案是一个关键问题，因此，汽车制造商与零部件供应商的合作方式也在不断发展。

在这里，我们将重点介绍三个不断发展中的汽车组件示例：先进功能的集成、涉及材料特性的仿真优势、以及控制电子电路板中振动阻尼的集成。我们还将仔细研究仿真过程，以及智能密封解决方案如何在可持续性方面发挥积极作用。

考虑到所谓的未来汽车需要广泛使用测量（传感）和调节（控制）电子技术，用于此类应用的密封组件不仅必须拥有传统的密封功能，而且还必须满足广泛的附加要求和需求。人机交互和机对机交互需要在我们对未来供货的产品做出根本性的改变，并且需要考虑许多因素。

在自动驾驶领域，这些因素包括：

• 功能集成

• 微型化

• 多部件的材料组合

• 结合不同物理特性的新材料

• 多组件制造工艺

举个控制电子设备外壳的例子来强调下可以如何整合这些附加要求。这种外壳通常使用热塑性材料制成，这种材料制成的壳体有一个稳定的外壳，可以防止敏感的内部部件受环境影响。为了永久地实现这一功能，该材料必须具有足够高的抗冲击性和尺寸稳定性，特别是高耐热性和对任何出现的介质（如喷雾水、盐水、润滑脂、矿物油、燃料和清洗剂）的优异耐腐蚀性。根据应用领域的不同，其他要求（如好的导热性要求，屏蔽电磁场的高导电性要求，或者轻量化建筑应用的低密度要求）也可以发挥作用。由于这种外壳通常是较大组件的一部分，因此这些壳体必须有集成连接点以便安装到周围的总成上。注塑包封的金属衬套是将外壳安装在发动机舱中较大部件上的好方法，例如，由于它们形成了稳定的连接点可以将外壳固定到发动机舱中较大部件上，可防止外壳局部塑性变形，并确保装配时产生的装配力可以被均匀地传递并分布到外壳上。

图1：电子外壳：通过特制材料的组合实现功能集成

弹性体材料最重要的应用，特别是在密封方面，都是基于其超弹性的机械性能的。对于电子设备或传感器的外壳，弹性体的弹性可确保在长时间内以及在宽泛的温度范围内保持密封压力，在补偿设计公差时提供必要的灵活性，从而节省生产成本。在许多现代应用中，例如在自动驾驶中，将不同的物理材料特性组合在一起来实现功能集成这一点尤为重要。除弹性外，这些弹性体材料还必须要有其他额外的物理性能：

• 超弹性

• 灵活性

• 粘弹性

• 机械阻尼特性

• 规定频率范围（或波长范围）内的光学透明度

• 导电性

• 导热系数

• 绝缘性或磁性

可以通过专门合成的新型聚合物材料来实现这些性能组合，以满足特定的要求。但是，这种材料的开发非常耗时耗资，他需要专业知识和合成设备，并且所达到的性能可能依然十分有限。

仿真可以支持这类具有新特性的材料的发展，并提供很好的机会来计算和预测填料在聚合物基体中的作用。这加速了这种多相或分层材料的开发。根据现有材料或对新材料的构想，创建材料结构的模型。基于这种所谓的代表性体积元素 (RVE) 和组件（基体和填料）的固有特性，可以使用有限元分析来计算所需的特性，例如导热系数或弹性行为。因此，可以在早期优化新材料的成分，可大大减少后续的实验室工作。

图2：仿真支持新特性分层材料的开发

另外，对于特定的应用，弹性体的粘弹性材料特性起着重要的作用，尤其是减震特性。材料的某些减震特性可能是需要的，以防止组件在行驶过程中和在共振条件下振动太大。这种应用的一个例子是将减震元件集成到电子电路的印刷电路板中。在以下示例中，电路板采用几何结构，以便在特定应用的整体设计中提供必要的灵活性。集成的 LSR 结构可以提供必要的灵活性，同时具有阻尼功能，可防止在共振情况下因振幅扩大而造成的损坏。传感和/或控制电子装置安装在外壳内，为了可靠地实现其功能，有必要从外壳和车辆振动中将其机械地分离。

图 3：几何设计和材料特性对共振特性的影响（传感器电子电路的仿真结果）

用于下一代汽车的新组件和零件的开发可能是个昂贵且耗时的过程。在这里，为了消除对多个单模开发需求，相关的测试和分析，与精通仿真领域的专业组件供应商合作，可以大大加快上市速度，同时减少开发阶段及以后的资本支出。

如果我们看一下仿真过程本身以及它如何促进新零件及其部件的开发，那么最终目的是要设计、可视化和优化虚拟概念，然后支持其转化为实际产品和流程。通过将 CAD 工具（提供几何图形）与仿真工具相结合来创建特定零件的虚拟模型，就有可能在造出它们之前准确地算出其功能。

CAD 之后，作为建模阶段的一部分，我们必须将特定的材料属性分配给组件的不同部分。因此，必须执行一系列测试，然后对必要的材料进行建模。这是重要的先决条件，通常只能通过专业的组件制造商提供。

对于许多应用程序和产品，经验丰富的供应商使用自己的特制材料，因此客户无法从外部获得详细的材料信息。因此，供应商需要装备精良的内部团队，有能力承担这些仿真用材料的所有测试和数学建模。反过来，这些团队也可以为客户提供测试和建模服务，从而为整个过程提供额外的支持。

谈到零件的功能和设计，基于有限元方法的结构-机械计算可对密封元件的特性进行微调，并优化其性能和设计，从而使初稿快速发展成令人信服的设计方案。需要考虑许多方面和影响因素——首先是给定的安装空间，所施荷载的影响（例如位移、压力或温度），以及所用材料的性能。最重要的是要确保在 -40℃(-40⁰F) 至 150℃(302⁰F) 的温度范围内的功能和密封完整性，同时考虑到所有的设计公差。还必须仔细观察材料在生产过程中的表现，因此强烈建议进行末流分析。可以分析从模具填充到优化热塑性和弹性体成型工艺所用模具的所有细节，有效地模拟整个制造过程，包括所用模具的热管理以及模具温度分布等细节，以确保质量的稳定性。

在与供应商的合作关系中进行产品开发对客户的好处显而易见，尤其是在密封应用方面。密封性能通常是设计中考虑的最后一个元素，由于该元素执行得太晚，可能引发的问题很多，而且千差万别，因此通常需要一个并非最佳设计选项的解决方案。所有这些尺寸标注问题都可以在开发阶段以相应的设计自由度轻松解决，但在系统的某些组件或重要零件的设计已经冻结后，后期阶段解决起来就困难得多。通过让供应商参与进来并在开发过程的早期运用他们的具体知识，便可能从一开始就优化设计，以确保实现全局最优而不是局部最优。