未來的汽車系統對汽車組件設計要求

未來的汽車系統對汽車組件設計要求

施培文 發表於 2020-11-26 15:06:39

隨著汽車工業的不斷演變，車輛的智能化全球道路上不斷發展。從內燃機驅動到混合動力和全電動驅動的轉變需要越來越新、越來越複雜的組件，比如先進駕駛員輔助系統中（如自動泊車，或在行駛中跟隨其他車輛的能力）的一系列應用。如何靈活地為新興汽車系統開發解決方案是一個關鍵問題，因此，汽車製造商與零部件供應商的合作方式也在不斷發展。

未來的汽車系統需要先進的感應功能。無論傳感器是以照相機、雷達、雷射雷達還是雷射的形式存在，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重要的要素。傳感器的可靠性直接關係到車輛安全和全球道路公共安全。

在這裡，我們將重點介紹三個不斷發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勢、以及控制電子電路板中振動阻尼的集成。我們還將仔細研究仿真過程，以及智能密封解決方案如何在可持續性方面發揮積極作用。

組件創新和功能集成

考慮到所謂的未來汽車需要廣泛使用測量（傳感）和調節（控制）電子技術，用於此類應用的密封組件不僅必須擁有傳統的密封功能，而且還必須滿足廣泛的附加要求和需求。人機互動和機對機交互需要在我們對未來供貨的產品做出根本性的改變，並且需要考慮許多因素。

在自動駕駛領域，這些因素包括：

• 功能集成

• 微型化

• 多部件的材料組合

• 結合不同物理特性的新材料

• 多組件製造工藝

舉個控制電子設備外殼的例子來強調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製成，這種材料製成的殼體有一個穩定的外殼，可以防止敏感的內部部件受環境影響。為了永久地實現這一功能，該材料必須具有足夠高的抗衝擊性和尺寸穩定性，特別是高耐熱性和對任何出現的介質（如噴霧水、鹽水、潤滑脂、礦物油、燃料和清洗劑）的優異耐腐蝕性。

根據應用領域的不同，其他要求（如好的導熱性要求，屏蔽電磁場的高導電性要求，或者輕量化建築應用的低密度要求）也可以發揮作用。由於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動機艙中較大部件上的好方法，例如，由於它們形成了穩定的連接點可以將外殼固定到發動機艙中較大部件上，可防止外殼局部塑性變形，並確保裝配時產生的裝配力可以被均勻地傳遞並分布到外殼上。

外殼的另一關鍵組件是彈性密封件，其功能遠遠超出傳統密封功能。彈性體通常基於覆蓋控制電子設備外殼的整個內部的液體矽膠 (LSR)，形成複雜的三維柔性和彈性結構。除了確保外殼底座與蓋子之間的靜態密封和保護內部外，密封件或密封材料的彈性結構還通過緩衝元件將電子組件固定在適當的位置。這可以抑制破壞性的機械振動，並顯著減少熱能從運行中的電子元件中散發到環境中。 

圖1：電子外殼：通過特製材料的組合實現功能集成

最大程度地降低開發成本

彈性體材料最重要的應用，特別是在密封方面，都是基於其超彈性的機械性能的。對於電子設備或傳感器的外殼，彈性體的彈性可確保在長時間內以及在寬泛的溫度範圍內保持密封壓力，在補償設計公差時提供必要的靈活性，從而節省生產成本。在許多現代應用中，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

• 規定頻率範圍（或波長範圍）內的光學透明度

• 導電性

• 導熱係數

• 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這些性能組合，以滿足特定的要求。但是，這種材料的開發非常耗時耗資，他需要專業知識和合成設備，並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——這是彈性體製造商熟知的一種方法。根據填料的類型、粒度分布、顆粒形狀和顆粒濃度，可根據客戶需求調整所需的材料特性，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展，並提供很好的機會來計算和預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。根據現有材料或對新材料的構想，創建材料結構的模型。基於這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，例如導熱係數或彈性行為。因此，可以在早期優化新材料的成分，可大大減少後續的實驗室工作。

圖2：仿真支持新特性分層材料的開發

確保控制電子電路板的減振

另外，對於特定的應用，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，電路板採用幾何結構，以便在特定應用的整體設計中提供必要的靈活性。集成的 LSR 結構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，為了可靠地實現其功能，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果）

在產品開發過程的早期考慮仿真

用於下一代汽車的新組件和零件的開發可能是個昂貴且耗時的過程。在這裡，為了消除對多個單模開發需求，相關的測試和分析，與精通仿真領域的專業組件供應商合作，可以大大加快上市速度，同時減少開發階段及以後的資本支出。

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，那麼最終目的是要設計、可視化和優化虛擬概念，然後支持其轉化為實際產品和流程。通過將 CAD 工具（提供幾何圖形）與仿真工具相結合來創建特定零件的虛擬模型，就有可能在造出它們之前準確地算出其功能。

CAD 之後，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，必須執行一系列測試，然後對必要的材料進行建模。這是重要的先決條件，通常只能通過專業的組件製造商提供。

對於許多應用程式和產品，經驗豐富的供應商使用自己的特製材料，因此客戶無法從外部獲得詳細的材料信息。因此，供應商需要裝備精良的內部團隊，有能力承擔這些仿真用材料的所有測試和數學建模。反過來，這些團隊也可以為客戶提供測試和建模服務，從而為整個過程提供額外的支持。

談到零件的功能和設計，基於有限元方法的結構-機械計算可對密封元件的特性進行微調，並優化其性能和設計，從而使初稿快速發展成令人信服的設計方案。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) 的溫度範圍內的功能和密封完整性，同時考慮到所有的設計公差。

還必須仔細觀察材料在生產過程中的表現，因此強烈建議進行末流分析。可以分析從模具填充到優化熱塑性和彈性體成型工藝所用模具的所有細節，有效地模擬整個製造過程，包括所用模具的熱管理以及模具溫度分布等細節，以確保質量的穩定性。

在與供應商的合作關係中進行產品開發對客戶的好處顯而易見，尤其是在密封應用方面。密封性能通常是設計中考慮的最後一個元素，由於該元素執行得太晚，可能引發的問題很多，而且千差萬別，因此通常需要一個並非最佳設計選項的解決方案。所有這些尺寸標註問題都可以在開發階段以相應的設計自由度輕鬆解決，但在系統的某些組件或重要零件的設計已經凍結後，後期階段解決起來就困難得多。通過讓供應商參與進來並在開發過程的早期運用他們的具體知識，便可能從一開始就優化設計，以確保實現全局最優而不是局部最優。

將可持續性納入未來移動出行解決方案

電動汽車的主要關注點之一是產生積極的環境影響，在此，組件開發時涉及的工藝可以幫助實現這些目標。可持續性始於材料，然後隨著組件開發過程的發展而不斷發展。通過優化上述提到的工藝以及打算產生的設計，在某些情況下，開發團隊其實可以減少交付最佳性能所需的材料量。

從設計的角度來看，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，他們應該有能力從零開始開發特製材料，以滿足客戶的特定需求。理想情況下，他們內部還將擁有可以與材料專家合作清除臨界物質，並識別那些在化學品註冊、評估、授權和限制 (REACH) 等要求下可能過時的物質的合規專家。如果他們發現某種材料在將來可能吃緊，則不會將其用於開發材料。合適的供應商應該是你保持領先地位不可或缺的合作夥伴—設計滿足將來以及當前的法規要求的材料。

在環境可持續性方面，智能密封解決方案也會產生積極影響。彈性體內的傳感器活性層可以檢測力、觸摸甚至洩漏，在某些情況下還可以檢測密封表面存在的介質，從而提高預測性維護的能力。這是電池組中十分需要的功能，例如，任何形式的洩漏都可能導致功能下降甚至過熱。 

當整合到密封解決方案時，諸如晶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，那麼監測熱條件至關重要，因為只有在特定的溫度範圍內才能實現最佳功能。監控組件狀態的能力不僅面向車輛駕駛員，而且面向整個系統，所以可以在實際需要時安排服務或維護，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即A到B的出行方式並未改變，但隨著技術向全自動駕駛汽車的發展，在表面之下，世界正發生著變化。因此，製造商及其供應商之間的合作方式必須改變，應該更專注於聯合研發的合作方式，這些未來願景將以前所未有的速度和效率實現。

編輯：hfy

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