未來的汽車系統(tǒng)對汽車組件設(shè)計要求

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)燃機驅(qū)動到混合動力和全電動驅(qū)動的轉(zhuǎn)變需要越來越新、越來越復(fù)雜的組件，比如先進駕駛員輔助系統(tǒng)中（如自動泊車，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)開發(fā)解決方案是一個關(guān)鍵問題，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。

未來的汽車系統(tǒng)需要先進的感應(yīng)功能。無論傳感器是以照相機、雷達、激光雷達還是激光的形式存在，如何將這些組件進行固定、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，我們將重點介紹三個不斷發(fā)展中的汽車組件示例：先進功能的集成、涉及材料特性的仿真優(yōu)勢、以及控制電子電路板中振動阻尼的集成。我們還將仔細(xì)研究仿真過程，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

考慮到所謂的未來汽車需要廣泛使用測量（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。人機交互和機對機交互需要在我們對未來供貨的產(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

舉個控制電子設(shè)備外殼的例子來強調(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任何出現(xiàn)的介質(zhì)（如噴霧水、鹽水、潤滑脂、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)動機艙中較大部件上的好方法，例如，由于它們形成了穩(wěn)定的連接點可以將外殼固定到發(fā)動機艙中較大部件上，可防止外殼局部塑性變形，并確保裝配時產(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，其功能遠遠超出傳統(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)密封和保護內(nèi)部外，密封件或密封材料的彈性結(jié)構(gòu)還通過緩沖元件將電子組件固定在適當(dāng)?shù)奈恢?。這可以抑制破壞性的機械振動，并顯著減少熱能從運行中的電子元件中散發(fā)到環(huán)境中。

圖1：電子外殼：通過特制材料的組合實現(xiàn)功能集成

最大程度地降低開發(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械性能的。對于電子設(shè)備或傳感器的外殼，彈性體的彈性可確保在長時間內(nèi)以及在寬泛的溫度范圍內(nèi)保持密封壓力，在補償設(shè)計公差時提供必要的靈活性，從而節(jié)省生產(chǎn)成本。在許多現(xiàn)代應(yīng)用中，例如在自動駕駛中，將不同的物理材料特性組合在一起來實現(xiàn)功能集成這一點尤為重要。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

? 機械阻尼特性

? 規(guī)定頻率范圍（或波長范圍）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

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

通常，通過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，同時簡化通常需要密集型勞動的過程。

仿真可以支持這類具有新特性的材料的發(fā)展，并提供很好的機會來計算和預(yù)測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計算所需的特性，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)的實驗室工作。

圖2：仿真支持新特性分層材料的開發(fā)

確?？刂齐娮与娐钒宓臏p振

另外，對于特定的應(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程中和在共振條件下振動太大。這種應(yīng)用的一個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，同時具有阻尼功能，可防止在共振情況下因振幅擴大而造成的損壞。傳感和/或控制電子裝置安裝在外殼內(nèi)，為了可靠地實現(xiàn)其功能，有必要從外殼和車輛振動中將其機械地分離。

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

在產(chǎn)品開發(fā)過程的早期考慮仿真

用于下一代汽車的新組件和零件的開發(fā)可能是個昂貴且耗時的過程。在這里，為了消除對多個單模開發(fā)需求，相關(guān)的測試和分析，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，同時減少開發(fā)階段及以后的資本支出。

如果我們看一下仿真過程本身以及它如何促進新零件及其部件的開發(fā)，那么最終目的是要設(shè)計、可視化和優(yōu)化虛擬概念，然后支持其轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品和流程。通過將 CAD 工具（提供幾何圖形）與仿真工具相結(jié)合來創(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)行一系列測試，然后對必要的材料進行建模。這是重要的先決條件，通常只能通過專業(yè)的組件制造商提供。

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

談到零件的功能和設(shè)計，基于有限元方法的結(jié)構(gòu)-機械計算可對密封元件的特性進行微調(diào)，并優(yōu)化其性能和設(shè)計，從而使初稿快速發(fā)展成令人信服的設(shè)計方案。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，同時考慮到所有的設(shè)計公差。

還必須仔細(xì)觀察材料在生產(chǎn)過程中的表現(xiàn)，因此強烈建議進行末流分析。可以分析從模具填充到優(yōu)化熱塑性和彈性體成型工藝所用模具的所有細(xì)節(jié)，有效地模擬整個制造過程，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)系中進行產(chǎn)品開發(fā)對客戶的好處顯而易見，尤其是在密封應(yīng)用方面。密封性能通常是設(shè)計中考慮的最后一個元素，由于該元素執(zhí)行得太晚，可能引發(fā)的問題很多，而且千差萬別，因此通常需要一個并非最佳設(shè)計選項的解決方案。所有這些尺寸標(biāo)注問題都可以在開發(fā)階段以相應(yīng)的設(shè)計自由度輕松解決，但在系統(tǒng)的某些組件或重要零件的設(shè)計已經(jīng)凍結(jié)后，后期階段解決起來就困難得多。通過讓供應(yīng)商參與進來并在開發(fā)過程的早期運用他們的具體知識，便可能從一開始就優(yōu)化設(shè)計，以確保實現(xiàn)全局最優(yōu)而不是局部最優(yōu)。

將可持續(xù)性納入未來移動出行解決方案

電動汽車的主要關(guān)注點之一是產(chǎn)生積極的環(huán)境影響，在此，組件開發(fā)時涉及的工藝可以幫助實現(xiàn)這些目標(biāo)?？沙掷m(xù)性始于材料，然后隨著組件開發(fā)過程的發(fā)展而不斷發(fā)展。通過優(yōu)化上述提到的工藝以及打算產(chǎn)生的設(shè)計，在某些情況下，開發(fā)團隊其實可以減少交付最佳性能所需的材料量。

從設(shè)計的角度來看，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)該有能力從零開始開發(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)，并識別那些在化學(xué)品注冊、評估、授權(quán)和限制 (REACH) 等要求下可能過時的物質(zhì)的合規(guī)專家。如果他們發(fā)現(xiàn)某種材料在將來可能吃緊，則不會將其用于開發(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)計滿足將來以及當(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產(chǎn)生積極影響。彈性體內(nèi)的傳感器活性層可以檢測力、觸摸甚至泄漏，在某些情況下還可以檢測密封表面存在的介質(zhì)，從而提高預(yù)測性維護的能力。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)致功能下降甚至過熱。

當(dāng)整合到密封解決方案時，諸如芯片和傳感器之類的電子組件還可以檢測溫度和壓力之類的因素。如果我們再次以電池組為例，那么監(jiān)測熱條件至關(guān)重要，因為只有在特定的溫度范圍內(nèi)才能實現(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，而且面向整個系統(tǒng)，所以可以在實際需要時安排服務(wù)或維護，而不是按猜測來確定時間間隔。

最終，未來的汽車將與我們今天熟悉的那些內(nèi)燃機汽車明顯不同。從終端用戶感受來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，這些未來愿景將以前所未有的速度和效率實現(xiàn)。

編輯：hfy