未來(lái)的汽車系統(tǒng)對(duì)汽車組件設(shè)計(jì)要求

隨著汽車工業(yè)的不斷演變，車輛的智能化全球道路上不斷發(fā)展。從內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)到混合動(dòng)力和全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變需要越來(lái)越新、越來(lái)越復(fù)雜的組件，比如先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)中（如自動(dòng)泊車，或在行駛中跟隨其他車輛的能力）的一系列應(yīng)用。如何靈活地為新興汽車系統(tǒng)開(kāi)發(fā)解決方案是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因此，汽車制造商與零部件供應(yīng)商的合作方式也在不斷發(fā)展。

未來(lái)的汽車系統(tǒng)需要先進(jìn)的感應(yīng)功能。無(wú)論傳感器是以照相機(jī)、雷達(dá)、激光雷達(dá)還是激光的形式存在，如何將這些組件進(jìn)行固定、封裝或者是密封都是確保他們最佳性能至關(guān)重要的要素。傳感器的可靠性直接關(guān)系到車輛安全和全球道路公共安全。

在這里，我們將重點(diǎn)介紹三個(gè)不斷發(fā)展中的汽車組件示例：先進(jìn)功能的集成、涉及材料特性的仿真優(yōu)勢(shì)、以及控制電子電路板中振動(dòng)阻尼的集成。我們還將仔細(xì)研究仿真過(guò)程，以及智能密封解決方案如何在可持續(xù)性方面發(fā)揮積極作用。

組件創(chuàng)新和功能集成

考慮到所謂的未來(lái)汽車需要廣泛使用測(cè)量（傳感）和調(diào)節(jié)（控制）電子技術(shù)，用于此類應(yīng)用的密封組件不僅必須擁有傳統(tǒng)的密封功能，而且還必須滿足廣泛的附加要求和需求。人機(jī)交互和機(jī)對(duì)機(jī)交互需要在我們對(duì)未來(lái)供貨的產(chǎn)品做出根本性的改變，并且需要考慮許多因素。

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，這些因素包括：

? 功能集成

? 微型化

? 多部件的材料組合

? 結(jié)合不同物理特性的新材料

? 多組件制造工藝

舉個(gè)控制電子設(shè)備外殼的例子來(lái)強(qiáng)調(diào)下可以如何整合這些附加要求。這種外殼通常使用熱塑性材料制成，這種材料制成的殼體有一個(gè)穩(wěn)定的外殼，可以防止敏感的內(nèi)部部件受環(huán)境影響。為了永久地實(shí)現(xiàn)這一功能，該材料必須具有足夠高的抗沖擊性和尺寸穩(wěn)定性，特別是高耐熱性和對(duì)任何出現(xiàn)的介質(zhì)（如噴霧水、鹽水、潤(rùn)滑脂、礦物油、燃料和清洗劑）的優(yōu)異耐腐蝕性。

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，其他要求（如好的導(dǎo)熱性要求，屏蔽電磁場(chǎng)的高導(dǎo)電性要求，或者輕量化建筑應(yīng)用的低密度要求）也可以發(fā)揮作用。由于這種外殼通常是較大組件的一部分，因此這些殼體必須有集成連接點(diǎn)以便安裝到周圍的總成上。注塑包封的金屬襯套是將外殼安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙中較大部件上的好方法，例如，由于它們形成了穩(wěn)定的連接點(diǎn)可以將外殼固定到發(fā)動(dòng)機(jī)艙中較大部件上，可防止外殼局部塑性變形，并確保裝配時(shí)產(chǎn)生的裝配力可以被均勻地傳遞并分布到外殼上。

外殼的另一關(guān)鍵組件是彈性密封件，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)密封功能。彈性體通?；诟采w控制電子設(shè)備外殼的整個(gè)內(nèi)部的液體硅膠 (LSR)，形成復(fù)雜的三維柔性和彈性結(jié)構(gòu)。除了確保外殼底座與蓋子之間的靜態(tài)密封和保護(hù)內(nèi)部外，密封件或密封材料的彈性結(jié)構(gòu)還通過(guò)緩沖元件將電子組件固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩＿@可以抑制破壞性的機(jī)械振動(dòng)，并顯著減少熱能從運(yùn)行中的電子元件中散發(fā)到環(huán)境中。

圖1：電子外殼：通過(guò)特制材料的組合實(shí)現(xiàn)功能集成

最大程度地降低開(kāi)發(fā)成本

彈性體材料最重要的應(yīng)用，特別是在密封方面，都是基于其超彈性的機(jī)械性能的。對(duì)于電子設(shè)備或傳感器的外殼，彈性體的彈性可確保在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)以及在寬泛的溫度范圍內(nèi)保持密封壓力，在補(bǔ)償設(shè)計(jì)公差時(shí)提供必要的靈活性，從而節(jié)省生產(chǎn)成本。在許多現(xiàn)代應(yīng)用中，例如在自動(dòng)駕駛中，將不同的物理材料特性組合在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)功能集成這一點(diǎn)尤為重要。除彈性外，這些彈性體材料還必須要有其他額外的物理性能：

? 超彈性

? 靈活性

? 粘彈性

? 機(jī)械阻尼特性

? 規(guī)定頻率范圍（或波長(zhǎng)范圍）內(nèi)的光學(xué)透明度

? 導(dǎo)電性

? 導(dǎo)熱系數(shù)

? 絕緣性或磁性

可以通過(guò)專門合成的新型聚合物材料來(lái)實(shí)現(xiàn)這些性能組合，以滿足特定的要求。但是，這種材料的開(kāi)發(fā)非常耗時(shí)耗資，他需要專業(yè)知識(shí)和合成設(shè)備，并且所達(dá)到的性能可能依然十分有限。

通常，通過(guò)在彈性體基體中加入特殊填料，可以更有效地獲得所需的附加材料特性——這是彈性體制造商熟知的一種方法。根據(jù)填料的類型、粒度分布、顆粒形狀和顆粒濃度，可根據(jù)客戶需求調(diào)整所需的材料特性，同時(shí)簡(jiǎn)化通常需要密集型勞動(dòng)的過(guò)程。

仿真可以支持這類具有新特性的材料的發(fā)展，并提供很好的機(jī)會(huì)來(lái)計(jì)算和預(yù)測(cè)填料在聚合物基體中的作用。這加速了這種多相或分層材料的開(kāi)發(fā)。根據(jù)現(xiàn)有材料或?qū)π虏牧系臉?gòu)想，創(chuàng)建材料結(jié)構(gòu)的模型?；谶@種所謂的代表性體積元素 (RVE) 和組件（基體和填料）的固有特性，可以使用有限元分析來(lái)計(jì)算所需的特性，例如導(dǎo)熱系數(shù)或彈性行為。因此，可以在早期優(yōu)化新材料的成分，可大大減少后續(xù)的實(shí)驗(yàn)室工作。

圖2：仿真支持新特性分層材料的開(kāi)發(fā)

確?？刂齐娮与娐钒宓臏p振

另外，對(duì)于特定的應(yīng)用，彈性體的粘彈性材料特性起著重要的作用，尤其是減震特性。材料的某些減震特性可能是需要的，以防止組件在行駛過(guò)程中和在共振條件下振動(dòng)太大。這種應(yīng)用的一個(gè)例子是將減震元件集成到電子電路的印刷電路板中。在以下示例中，電路板采用幾何結(jié)構(gòu)，以便在特定應(yīng)用的整體設(shè)計(jì)中提供必要的靈活性。集成的 LSR 結(jié)構(gòu)可以提供必要的靈活性，同時(shí)具有阻尼功能，可防止在共振情況下因振幅擴(kuò)大而造成的損壞。傳感和/或控制電子裝置安裝在外殼內(nèi)，為了可靠地實(shí)現(xiàn)其功能，有必要從外殼和車輛振動(dòng)中將其機(jī)械地分離。

圖 3：幾何設(shè)計(jì)和材料特性對(duì)共振特性的影響（傳感器電子電路的仿真結(jié)果）

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期考慮仿真

用于下一代汽車的新組件和零件的開(kāi)發(fā)可能是個(gè)昂貴且耗時(shí)的過(guò)程。在這里，為了消除對(duì)多個(gè)單模開(kāi)發(fā)需求，相關(guān)的測(cè)試和分析，與精通仿真領(lǐng)域的專業(yè)組件供應(yīng)商合作，可以大大加快上市速度，同時(shí)減少開(kāi)發(fā)階段及以后的資本支出。

如果我們看一下仿真過(guò)程本身以及它如何促進(jìn)新零件及其部件的開(kāi)發(fā)，那么最終目的是要設(shè)計(jì)、可視化和優(yōu)化虛擬概念，然后支持其轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品和流程。通過(guò)將 CAD 工具（提供幾何圖形）與仿真工具相結(jié)合來(lái)創(chuàng)建特定零件的虛擬模型，就有可能在造出它們之前準(zhǔn)確地算出其功能。

CAD 之后，作為建模階段的一部分，我們必須將特定的材料屬性分配給組件的不同部分。因此，必須執(zhí)行一系列測(cè)試，然后對(duì)必要的材料進(jìn)行建模。這是重要的先決條件，通常只能通過(guò)專業(yè)的組件制造商提供。

對(duì)于許多應(yīng)用程序和產(chǎn)品，經(jīng)驗(yàn)豐富的供應(yīng)商使用自己的特制材料，因此客戶無(wú)法從外部獲得詳細(xì)的材料信息。因此，供應(yīng)商需要裝備精良的內(nèi)部團(tuán)隊(duì)，有能力承擔(dān)這些仿真用材料的所有測(cè)試和數(shù)學(xué)建模。反過(guò)來(lái)，這些團(tuán)隊(duì)也可以為客戶提供測(cè)試和建模服務(wù)，從而為整個(gè)過(guò)程提供額外的支持。

談到零件的功能和設(shè)計(jì)，基于有限元方法的結(jié)構(gòu)-機(jī)械計(jì)算可對(duì)密封元件的特性進(jìn)行微調(diào)，并優(yōu)化其性能和設(shè)計(jì)，從而使初稿快速發(fā)展成令人信服的設(shè)計(jì)方案。需要考慮許多方面和影響因素——首先是給定的安裝空間，所施荷載的影響（例如位移、壓力或溫度），以及所用材料的性能。最重要的是要確保在 -40℃(-400F) 至 +150℃(3020F) 的溫度范圍內(nèi)的功能和密封完整性，同時(shí)考慮到所有的設(shè)計(jì)公差。

還必須仔細(xì)觀察材料在生產(chǎn)過(guò)程中的表現(xiàn)，因此強(qiáng)烈建議進(jìn)行末流分析?？梢苑治鰪哪＞咛畛涞絻?yōu)化熱塑性和彈性體成型工藝所用模具的所有細(xì)節(jié)，有效地模擬整個(gè)制造過(guò)程，包括所用模具的熱管理以及模具溫度分布等細(xì)節(jié)，以確保質(zhì)量的穩(wěn)定性。

在與供應(yīng)商的合作關(guān)系中進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)對(duì)客戶的好處顯而易見(jiàn)，尤其是在密封應(yīng)用方面。密封性能通常是設(shè)計(jì)中考慮的最后一個(gè)元素，由于該元素執(zhí)行得太晚，可能引發(fā)的問(wèn)題很多，而且千差萬(wàn)別，因此通常需要一個(gè)并非最佳設(shè)計(jì)選項(xiàng)的解決方案。所有這些尺寸標(biāo)注問(wèn)題都可以在開(kāi)發(fā)階段以相應(yīng)的設(shè)計(jì)自由度輕松解決，但在系統(tǒng)的某些組件或重要零件的設(shè)計(jì)已經(jīng)凍結(jié)后，后期階段解決起來(lái)就困難得多。通過(guò)讓供應(yīng)商參與進(jìn)來(lái)并在開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期運(yùn)用他們的具體知識(shí)，便可能從一開(kāi)始就優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)而不是局部最優(yōu)。

將可持續(xù)性納入未來(lái)移動(dòng)出行解決方案

電動(dòng)汽車的主要關(guān)注點(diǎn)之一是產(chǎn)生積極的環(huán)境影響，在此，組件開(kāi)發(fā)時(shí)涉及的工藝可以幫助實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)?？沙掷m(xù)性始于材料，然后隨著組件開(kāi)發(fā)過(guò)程的發(fā)展而不斷發(fā)展。通過(guò)優(yōu)化上述提到的工藝以及打算產(chǎn)生的設(shè)計(jì)，在某些情況下，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)其實(shí)可以減少交付最佳性能所需的材料量。

從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，專門從事密封組件的工程師一直在尋找整合生物基材料的方法，他們應(yīng)該有能力從零開(kāi)始開(kāi)發(fā)特制材料，以滿足客戶的特定需求。理想情況下，他們內(nèi)部還將擁有可以與材料專家合作清除臨界物質(zhì)，并識(shí)別那些在化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、授權(quán)和限制 (REACH) 等要求下可能過(guò)時(shí)的物質(zhì)的合規(guī)專家。如果他們發(fā)現(xiàn)某種材料在將來(lái)可能吃緊，則不會(huì)將其用于開(kāi)發(fā)材料。合適的供應(yīng)商應(yīng)該是你保持領(lǐng)先地位不可或缺的合作伙伴—設(shè)計(jì)滿足將來(lái)以及當(dāng)前的法規(guī)要求的材料。

在環(huán)境可持續(xù)性方面，智能密封解決方案也會(huì)產(chǎn)生積極影響。彈性體內(nèi)的傳感器活性層可以檢測(cè)力、觸摸甚至泄漏，在某些情況下還可以檢測(cè)密封表面存在的介質(zhì)，從而提高預(yù)測(cè)性維護(hù)的能力。這是電池組中十分需要的功能，例如，任何形式的泄漏都可能導(dǎo)致功能下降甚至過(guò)熱。

當(dāng)整合到密封解決方案時(shí)，諸如芯片和傳感器之類的電子組件還可以檢測(cè)溫度和壓力之類的因素。如果我們?cè)俅我噪姵亟M為例，那么監(jiān)測(cè)熱條件至關(guān)重要，因?yàn)橹挥性谔囟ǖ臏囟确秶鷥?nèi)才能實(shí)現(xiàn)最佳功能。監(jiān)控組件狀態(tài)的能力不僅面向車輛駕駛員，而且面向整個(gè)系統(tǒng)，所以可以在實(shí)際需要時(shí)安排服務(wù)或維護(hù)，而不是按猜測(cè)來(lái)確定時(shí)間間隔。

最終，未來(lái)的汽車將與我們今天熟悉的那些內(nèi)燃機(jī)汽車明顯不同。從終端用戶感受來(lái)看表面上汽車的本質(zhì)即A到B的出行方式并未改變，但隨著技術(shù)向全自動(dòng)駕駛汽車的發(fā)展，在表面之下，世界正發(fā)生著變化。因此，制造商及其供應(yīng)商之間的合作方式必須改變，應(yīng)該更專注于聯(lián)合研發(fā)的合作方式，這些未來(lái)愿景將以前所未有的速度和效率實(shí)現(xiàn)。

編輯：hfy