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发表于 2020-3-16 08:45:59 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车外饰的历史与发展

王琛 郝旭飞
(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 510640)
中国汽车材料网【摘要】本文阐述了保险杠、格栅、前端模块、气动饰件等汽车外饰件的演化历程及现状,讲述了汽车外饰件未来在气动、装饰、集成、轻量等方面的发展路线和研究方向。
主题词:汽车外饰 历史 现状 发展

1885年,德国人卡尔·本茨购买了奥托的内燃机的专利,并将一个内燃机和加速器安装在一辆三轮马车上。1886年1月29日德国曼海姆专利局批准了卡·本茨1885年研制成功的第一辆单缸三轮汽车的专利,世界上第一辆汽车的发明权出现。这一天成为现代汽车的诞生日[1-2]。此后130多年,汽车外饰件一直不断增加、不断演化、不断发展、不断革新。

汽车外饰件包括狭义汽车外饰件与广义汽车外饰件。狭义汽车外饰件指前后保外罩、前端骨架、尾翼扰流板、侧裙、防擦条、轮眉、饰条、立柱饰板、格栅、导流板、挡泥板等与整车空气动力学性能相关或发挥装饰功能的结构件;广义汽车外饰件不仅包括上述结构件,同时还包括雨刮、后视镜、前后组合灯、雾灯等功能件。本文主要阐述狭义汽车外饰件。


1.汽车外饰的演化1.1 前后保险杠

随着汽车外饰的不断发展与演化,防撞梁与保险杠一直被混淆、误解多年,至今仍有很多读者、工程师等对此无法清晰地认识。前后保险杠,英文名为Front/Rear bumper fascia,意即前后保蒙皮,而保险杠名词中的“杠”的中文意思可以在新华字典中得到解答“一种较粗的棍子/杆子”。防撞梁,英文为Bumper beam,Bumper的英文释义为a bar fixed to the front and back of a car,etc.,to reduce the effect if it hits anything,“Beam”指“梁,杆”,Bumper beam意即保险杠。从这个角度讲,防撞梁应该为真正意义的保险杠。经过130多年的发展,汽车外饰件不断演变,而保险杠的所指也逐渐被人混淆,本文对保险杠的历史进行梳理,以更正保险杠的定义。

1.1.1 外露的“保险杠”

(1)20世纪初—20世纪40年代

汽车诞生时采用马车型车身,没有保险杠。那个年代汽车行驶速度很慢,卡尔·本茨发明的第一辆汽车最高车速仅16 km/h,不及电动自行车[3]。

1901年英国人Frederick Simms发明了最早的保险杠,其结构非常简单,一条铁皮或一块铁栅栏或一根工字钢就是保险杠。

20世纪后期一些高档汽车开始在车身前方加金属杆,以保护车头及前轮被碰撞和剐蹭。保险杠在那个年代就是一根横在车前的圆棒。为了美观通常对保险杠表面进行电镀处理。因此保险杠是这根金属杆最原始也是最贴切的定义,Bumper beam(俗称的防撞梁)应该是真正意义上的保险杠。

20世纪20年代保险杠的造型开始复杂化,横截面由圆形变成工字梁结构。保险杠的形状由“直”变“弯”,不仅外观效果美观且在碰撞中也有更好的力学表现。

(2)20世纪40年代—20世纪60年代

流线型车身设计使翼子板与车身连为一体,20世纪40年代后期,保险杠“附着”到车头成为车头造型的一部分[4]。在车头车尾加装两个铁块虽然有些实用,但显得过于突兀。于是美国人突发奇想在20世纪50年代研究出在保险杠上加防撞锥结构,以增强汽车安全性。

50年代的汽车历史总要把美国和欧洲分开讲,保险杠也不例外。战后的欧洲保险杠的造型十分简洁,多半是一根简洁的横向电镀杆看起来却简约美观;50年代美国进入疯狂的火箭车时代,保险杠造型非常浮夸,不仅大且形状复杂。纵向短杆演变成火箭头造型,加上大面积的电镀条,一副“全副武装”的样子。

1.1.2 内藏的“保险杠”

早期汽车前端安装一根用于防护的金属杆,为了美观,在车身前后部位增加金属外罩与车身相连接。20世纪60年代至20世纪90年代,汽车前端开始发生变化,1963年法兰克福车展亮相的第一代保时捷911是最早使用塑料外罩(即今天的前后保蒙皮)的车型。70年代后石油危机爆发,人们更加重视减重降阻。同时得益于材料的进步,塑料外罩得到广泛的应用,而原有的保险杠(即今天俗称的防撞梁)被前后保蒙皮隐藏在汽车内部[5],塑料良好的成形性使汽车前后保蒙皮进入新的发展阶段,同时也标志着汽车外饰进入新的时代。

1.1.3 与车身同色的前/后保蒙皮

1994年,保时捷在第四代911车型(即964车型)上率先尝试将保险杠涂装为车身色。保时捷993的造型将保险杠与车身融为一体,使车身更为流线,风阻显著降低。此后法拉利、兰博基尼等开始纷纷采用这样的设计。至此与车身同色的前后保外罩一直发展到今天。

1.2 格栅

1.2.1 国外品牌的发展

格栅通常装在汽车前脸中央,空气穿过格栅,向散热器、进气歧管等提供新鲜、低温的空气。汽车诞生时格栅并未出现,早期阶段主要是横幅式与直瀑式格栅,如图2所示。

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图1 汽车前后保险杠的发展历程

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图2 汽车格栅的发展历程

随着车身设计不断发展,设计师们将不同品牌的特征赋予了格栅。格栅的存在不仅发挥着通风和保护水箱等功能,且逐渐发展成汽车品牌家族化设计元素的表征[6]。

1910年劳斯莱斯银魂首次展现了家族式格栅。格栅设计借鉴古希腊的帕特农神庙结构,镀铬条就像顶着房梁的柱子一样,黄金矩形在格栅上得到了完美体现

1927年沃尔沃首款车型OV4通过格栅的一条对角线固定车标,后期逐渐演变为车标的一部分,后续尽管格栅造型有所变化但这却成为沃尔沃最标志性的元素。

1933年宝马发布的303车型体现了双肾格栅造型,这款车确立了格栅的元素,并几乎可以取代宝马logo的代表性。近百年来双肾格栅的元素设计被应用于宝马所有车型中成为经典。这样的“鼻孔”再加上天使眼大灯在汽车界无疑有着极高的辨识度。宝马公司的始终不渝的坚持,使它的家族式前脸设计成为汽车品牌中成功的案例。

奔驰虽然是第一个汽车品牌,但早期阶段的奔驰汽车设计简单,格栅的设计很简洁。奔驰汽车具有标志性的百叶窗式格栅只有80余年的历史。

[size=1em]1937年阿尔法·罗密欧8C 2900B从赛车大型的水箱格栅造型中提炼出倒三角元素。之后一直延续着类似的倒三角造型,但造型更为简约。

[size=1em]20世纪40年代Jeep开始使用“七竖孔”这一设计。后续发展历程中七竖孔格栅从一而终地出现在Jeep的各个车型上,方方正正的车头、正中的车标以及前脸那一排7个矩形孔的设计充斥着满满的霸气。如同一位粗犷且充满着阳刚之气的汉子,总能引起路人的注目。

[size=1em]1950年阿斯顿·马丁推出DB车系的首款车型DB2,自此在近70年的车型更替中无一例外地全部融入了经典的倒梯形的格栅元素。

[size=1em]早期的格栅主要是作为进气、散热的功能件,主要为金属结构件,且格栅与车身、与蒙皮等前端分界明显。格栅发展到中后期,尤其是防撞梁(即保险杠)内藏于前/后保蒙皮内部、前/后保蒙皮塑料后之后,格栅也开始了以塑代钢的发展,且逐步与前保蒙皮融为一体,嵌入在汽车前端的塑料件中,格栅不仅成为进气和散热的功能件,同时也成为了装饰、防护等作用的外饰前端件。

1.2.2 中国自主品牌的发展

中国自主品牌汽车起步晚,品牌元素与家族式设计同样晚于国外的汽车品牌。1978年改革开放以来,中国的汽车工业开始得到了稳定和长足的发展。进入21世纪,中国自主品牌汽车得到了迅猛的发展,中国的汽车品牌已经得到大众的认可,中国自主品牌的汽车元素被国内外越来越多的消费者熟知。

中国一汽的新车型前脸以凌厉的车灯和保险杠搭配点阵式镀铬大嘴格栅,与侧面、尾部相呼应凸显出运动风格,整体造型显得更加年轻、时尚。

东风汽车的前脸采用双横幅式格栅与两侧大灯连为一体,灯组内部结构采用较为平直的线条,视觉拓宽车头,前脸增加了整体的气势与精致感,整车效果厚重感十足。

[size=1em]吉利汽车家族式的前脸拥有着超高的辨识度,回形水波纹的进气格栅在汽车界也是绝无仅有。沃尔沃被吉利收购后,投产的沃尔沃S100前脸设计也使用了吉利涟漪状进气格栅。

[size=1em]广汽传祺作为年轻的品牌,近年来得到迅速发展而被广大消费者熟知。传祺家族式“凌云翼”代表了广汽的企业精神,广汽传祺虽然起步晚但一直处在上升势头,传祺的设计一直在体现既大气又精致,既主流又具有自己的特点。

[size=1em]上汽荣威的前脸采用富有辨识度的镀铬格栅连接两侧灯组,将两侧前大灯融贯一体,彰显大气。前脸的细节设计运用了荣威家族式的“律动设计”风格,横幅进气格栅与前大灯组成飞翼式造型,沿袭了高雅的设计风格。

[size=1em]北汽家族式前脸采用凌云点阵进气格栅和黑色回旋镖式雾灯装饰,整体前脸偏向于高扬的气质,整个车身整体的视觉效果立体而饱满,营造出整体动感姿态。

[size=1em]长安汽车的新车型采用全新的前脸,前格栅内部采用横幅式设计,并配有镀铬饰条装饰动感的雾灯设计。

1.3 气动饰件

1.3.1 从无到有

汽车诞生后很多主机厂通过增加气缸数量和排量来提升车速,但这造成汽车重量过大,加速性能下降。在不断探索提高车速有效方式中空气动力学被应用到汽车上。

早期汽车轮胎裸露、车型方正且车顶高,空气阻力巨大。因此早期空气动力学用于降低风阻,即在车上覆盖光滑的外衣,将外露的零件包裹[7],如图3所示。

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图3 气动饰件的演化

流线型能有效覆盖车轮,降低整车风阻[8],而且能避免鱼雷车的缺陷,因此追求急速的汽车都采用这种全覆盖的外观,如图3所示。

为提升汽车的空气动力学性能,汽车外侧包裹的部件越来越多,这些部件的出现和演化代表着汽车外饰件的发展与演变。

1937年奥迪的前身Auto Union生产了一台搭载16缸发动机、配合流线型车身的赛车,如图3所示,创造了406.3 km/h的纪录。但再次创纪录时因侧风而失控,设计师认为这样的车尾造型有助于降低空气阻力。事实由于车型尾部造成空气摩擦而会增加风阻。

1956年机械师Michel May在读大学时堂兄购买了一台保时捷550 Spyder,他从机翼产生升力得到灵感,将机翼反转得到反向力让汽车增加抓地力,如3所示。

1.3.2 气动性不断提升

[size=1em]美国赛车品牌Chaparral的车手Jim Hall是将汽车空气动力学进行二次革新的主要人物。1963年Jim Hall打造的赛车Chaparral的空气动力学性能成为致胜绝招。后来,Chaparral 2C赛车采用人工实时调节的后扰流板。刹车和弯道时增加尾翼迎角增加下压力,直道减少迎角降低风阻。

1.3.3 发展现状

[size=1em]进入21世纪越来越多的车企开始使用气动饰件提高车辆的空气动力学表现,减小车身阻力,提升整车燃油经济性和动力性、操控性。目前,气帘、气坝、Air Breather、尾部扩散器和底护板等气动饰件开始被应用在常规量产车型中[9-10],如图4所示。

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图4 气动饰件

1.4 前端模块

[size=1em]前端模块的发展很晚,模块化的前端概念由大众公司最先提出并于1990年代开发出了全金属的前端支架,并成为第一家应用前端模块(大众VW和奥迪车型)的制造商。随后前端模块被欧洲、亚洲及北美等汽车制造商广泛采纳。

[size=1em]1992年大众Golf首次将前照灯、空调冷凝器、水冷器、发动机罩锁和其它功能件集成一个安装支架的前端模块。前端模块由模块供应商完成组装并送到整车厂总装线,再由整车厂组装到车身。通常采用螺栓将前端模块连接到翼子板支架(车身侧外板)和纵梁。

[size=1em]2000款奥迪A2的前端骨架是由钢和短玻纤增强PA6注塑成型的组合结构,它将钢的结构完整性与复合材料成型性好的优势集于一体如图5所示,实现减重30%和降本5%。

[size=1em]2002款宝马Mini Cooper的前端骨架是由粒状长纤维增强聚丙烯注塑成型的全复合材料结构,不含钢嵌件。该车型是首次将PP-30%LFT作为前端模块的材料(图5),实现了减重30%和降成本25%,与以前的系统相比减少了20个部件。

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图5 前端模块的演化

[size=1em]2004款Kia Cerato的前端支架是第一次用模内组装(嵌入成型)技术生产的塑料/金属前端骨架(钢和30%玻纤增强PA6注塑成型),如图5所示。该骨架的刚性/质量比在当时的性能是最好的。它实现减重40%和降成本30%,实现了材料的回收利用。

[size=1em]2005款大众Polo的前端骨架是钢与长玻纤增强PP粘接的混合系统,是世界上第一个粘接的混合支架,如图5所示。它采用一种结构粘合剂,最大程度地实现了金属与LFT-PP的强力粘接,降低了应力集中,而且载荷的分布也更好,同时还提高了刚性和承载能力。

[size=1em]进入21世纪汽车前端模块的发展迅速,作为汽车模块化的核心部件成为了各大整车厂研究的重点。前端骨架化装配对传统装配工艺提出了调战,由小集成逐步演化为大集成,装配在前端模块的结构件越来越多,笨重的钣金件变成了轻质的塑料件,前端模块承载与发挥的作用越来越大。同时,这也对前端模块的材料和工艺提出了更高要求[11]。

[size=1em]2007款Jeep Wrangler的前端骨架是第一个用于“Body-on-frame”汽车上的组合结构支架。它由PPLFT注塑而成型,然后采用一种可不再对材料表面进行预处理的粘合剂粘接到钢加强结构,提高了产品的刚性和耐久性,与所替代的焊接钢支架相比减重15%并降成本25%。

[size=1em]2007款Ford Edge的前端骨架是一种全复合材料长玻纤增强PP的骨架,与钢或混合材料支架相比重量和成本均得以降低,也提高了福特汽车生产线的装配效率。

[size=1em]长安汽车2011年车展展示了配有全塑前端模块的CX30紧凑型轿车,将22个金属零部件组成一个注塑成型部件,极大地简化了前端结构实现减重40%(约4 kg)。


2 汽车外饰的发展
2.1 气动性

[size=1em]空气动力学性能一直是汽车外饰件的考虑因素,未来汽车外饰件的气动性将得到更多的提升,尤其在几个方面将得到体现:

[size=1em](1)气动饰件数量增加。隐藏式门把手、导流板、气帘、尾部扩散器、Air Breather等气动饰件将随着技术的成熟而被越来越多的在量产车型上得到应用;

[size=1em](2)外饰件的结构/造型设计将更加注重空气动力学。外饰件的结构将越来越多地根据空气的流动性来进行设计,如扁平化/小型化的后视镜、结构复杂但可降低风阻的气坝和底护板等设计将越来越多[12-13]。

2.2 装饰性

[size=1em]Panoz与Feynlab合作在油漆中使用一种记忆聚合物涂层,受热时能恢复原始结构从而消除表面划痕。这种涂层很适合轻微划痕及漩涡痕迹。车漆自修复技术采用一种特殊的涂层保护剂[14]。一种高密度的透明合成树脂,以网状结构涂抹在汽车油漆的外层。该技术将使汽车表层更难被划伤,即使出现划痕,超强力的网状树脂也会逐渐回弹和自修复。

[size=1em]福特公司与德国巴斯夫公司合作研制一种在黑漆层表面涂透明的特殊漆可使反射光大放异彩的新技术,并推出了变色车。变色龙特效涂装工艺是利用多层特殊汽车漆使汽车向不同角度反射不同颜色的光,汽车在不同角度就可呈现出不同的色彩。

[size=1em]随着技术的成熟与工艺成本的降低,自修复油漆、变色龙涂料等汽车外饰表面处理技术未来将在汽车上得到越来越多的应用[15-16]。

2.3 集成化

[size=1em]通用汽车工厂在系统中下单后,麦格纳外饰Dex-Sys工厂就将装配好的汽车前脸(包括很多传感器、雾灯和各种线束的保险杠)在2 h后运到总装线。通用工厂收到的是已经组装好的前脸,工人只需把这个模块化的部件整体装到白车身车上。同样,作为日产奇骏的供应商,包括尾灯和车窗的汽车尾门模块由麦格纳生产,装配后直接送往日产的总装线。模块化的部件省去了繁杂的安排、装配,为主机厂简化了生产流程、节省了装配时间。

[size=1em]随着汽车产业链的发展及外饰件的集成度越来越高,模块化集成设计与供货必将成为未来的发展方向。随着模块化的发展,汽车外饰件的造型也将更加规整,凌乱的东西总归无法与速度感的物体匹配。浑然一体势必是汽车外饰的永恒追求。随着材料和成型技术的发展,汽车前端骨架所能集成的部件将越来越多,散热器、中冷器、机盖锁、大灯、防撞梁、前保险杠、格栅、导流板、喇叭、洗涤壶、进气歧管等部件将逐步集成在前端骨架上,前端骨架的结构与功能的集成度也将越来越多[17]。

[size=1em]汽车外饰的集成不仅体现在结构集成方面,还体现在产品的功能与性能集成,随着技术的发展,汽车外饰件不只发挥着装饰功能,还将发挥更多功能与作用,例如:随着电子电器的发展与成熟,汽车上搭载的雷达、传感器将越来越多,但为了不影响汽车的外观造型,通常需要将这些电子设备影藏在外饰件的背后,这促进了透波外饰件的发展[18]。随着新能源汽车的普及和推广,发光格栅、发光主标、指纹识别立柱饰板等外饰件越来越多地应用在量产车型中,这加快了透光外饰件的发展[19]。

2.4 轻量化

[size=1em]复合材料具有比强度、比刚度高、性能可靠和易于整体成形等优异特性,用于汽车外饰件可显著降低外饰件及整车质量。玻璃纤维增强热塑性复合材料、长玻璃纤维复合材料、碳纤维增强复合材料等轻量化材料目前在保险杠、前端骨架、底护板、行李架、扰流板等外饰件中已经开始应用[20-22]。随着技术成熟及成本降低,复合材料在汽车外饰的轻量化中将应用更广。

[size=1em]随着汽车轻量化的深入,轻量化制造工艺将越来越多地应用于汽车外饰件的生产。

[size=1em](1)微发泡注塑成型工艺:一种革新的精密注塑技术,突破了传统注塑的局限,显著减轻了制件质量、缩短成形周期,极大地改善制件的翘曲和尺寸稳定性。

[size=1em](2)低压双层注塑模具技术:将传统手工包覆、阴模阳模真空吸附的零件一次性在模具内注塑完成。采用这种技术生产的产品的装饰性、美观性得到极大的提高,也减轻了产品的质量。

3 结论

[size=1em]在汽车发展134年的里程中,汽车外饰件从无到有,不断发展,并在整车中占有了举足轻重的重要地位,本文阐述了狭义的外饰件的演变及现状,并讲述了外饰件的发展方向与未来,对读者及作者既是梳理也可启发。





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