智能汽车对组件的设计提出了哪些要求

作者: 施培文, 德特威勒亚洲区业务开发经理关键字：智能汽车

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。
 
未来的汽车系统需要先进的感应功能。无论传感器是以照相机、雷达、激光雷达还是激光的形式存在，如何将这些组件进行固定、封装或者是密封都是确保他们最佳性能至关重要的要素。传感器的可靠性直接关系到车辆安全和全球道路公共安全。
 
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。
 
组件创新和功能集成
 
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。
 
外壳的另一关键组件是弹性密封件，其功能远远超出传统密封功能。弹性体通常基于覆盖控制电子设备外壳的整个内部的液体硅胶 (LSR)，形成复杂的三维柔性和弹性结构。除了确保外壳底座与盖子之间的静态密封和保护内部外，密封件或密封材料的弹性结构还通过缓冲元件将电子组件固定在适当的位置。这可以抑制破坏性的机械振动，并显著减少热能从运行中的电子元件中散发到环境中。 

 
图1：电子外壳：通过特制材料的组合实现功能集成

最大程度地降低开发成本
 
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。
 
通常，通过在弹性体基体中加入特殊填料，可以更有效地获得所需的附加材料特性——这是弹性体制造商熟知的一种方法。根据填料的类型、粒度分布、颗粒形状和颗粒浓度，可根据客户需求调整所需的材料特性，同时简化通常需要密集型劳动的过程。
 
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

确保控制电子电路板的减振
 
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）

在产品开发过程的早期考虑仿真
 
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。
 
将可持续性纳入未来移动出行解决方案
 
电动汽车的主要关注点之一是产生积极的环境影响，在此，组件开发时涉及的工艺可以帮助实现这些目标。可持续性始于材料，然后随着组件开发过程的发展而不断发展。通过优化上述提到的工艺以及打算产生的设计，在某些情况下，开发团队其实可以减少交付最佳性能所需的材料量。
 
从设计的角度来看，专门从事密封组件的工程师一直在寻找整合生物基材料的方法，他们应该有能力从零开始开发特制材料，以满足客户的特定需求。理想情况下，他们内部还将拥有可以与材料专家合作清除临界物质，并识别那些在化学品注册、评估、授权和限制 (REACH) 等要求下可能过时的物质的合规专家。如果他们发现某种材料在将来可能吃紧，则不会将其用于开发材料。合适的供应商应该是你保持领先地位不可或缺的合作伙伴—设计满足将来以及当前的法规要求的材料。
 
在环境可持续性方面，智能密封解决方案也会产生积极影响。弹性体内的传感器活性层可以检测力、触摸甚至泄漏，在某些情况下还可以检测密封表面存在的介质，从而提高预测性维护的能力。这是电池组中十分需要的功能，例如，任何形式的泄漏都可能导致功能下降甚至过热。 
 
当整合到密封解决方案时，诸如芯片和传感器之类的电子组件还可以检测温度和压力之类的因素。如果我们再次以电池组为例，那么监测热条件至关重要，因为只有在特定的温度范围内才能实现最佳功能。监控组件状态的能力不仅面向车辆驾驶员，而且面向整个系统，所以可以在实际需要时安排服务或维护，而不是按猜测来确定时间间隔。
 
最终，未来的汽车将与我们今天熟悉的那些内燃机汽车明显不同。从终端用户感受来看表面上汽车的本质即A到B的出行方式并未改变，但随着技术向全自动驾驶汽车的发展，在表面之下，世界正发生着变化。因此，制造商及其供应商之间的合作方式必须改变，应该更专注于联合研发的合作方式，这些未来愿景将以前所未有的速度和效率实现。