長玻纖增強PP材料腳踏板的研制開發(fā)

李菁華 楊兆國 金文杰 劉 敏 羅 浩

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

1 前言

目前，商用車腳踏板大量采用鋁制材料，鋁制腳踏板成型難度大，質(zhì)量重且成本較高。為更好地實現(xiàn)汽車零件的輕量化，考慮采用強度較高、成型容易的長玻纖增強PP材料替代鋁制材料。為此，對國內(nèi)外的長玻纖增強PP材料進行了多項性能測試，從中選擇適宜的材料試制了腳踏板，并對其進行了老化性能試驗、疲勞壽命試驗及25萬km裝車道路試驗。

2 材料的選擇

與金屬材料和熱固性復(fù)合材料相比，以聚丙烯樹脂為基材的不同纖維增強的熱塑性復(fù)合材料具有密度低、質(zhì)量輕、比強度高、耐腐蝕、易成型且周期短、沖擊韌性好、可再生利用等特點。

目前，汽車中的塑料部件多采用短纖維增強熱塑性塑料。在短纖維增強熱塑性塑料的制造過程中，通常采用螺桿注射成型的普通工藝，纖維在擠出機中與樹脂混煉時，由于螺桿和機筒之間的剪切，纖維受到損傷而由原來的6 mm長變成0.2～1 mm（一般在0.7 mm以下）長。由于增強塑料的性能與纖維長度有關(guān)，所以短纖維很難用于結(jié)構(gòu)件。

為此，開發(fā)了長玻纖增強聚丙烯及其注射成型技術(shù)，制備出增強玻纖長度約為10 mm的聚丙烯原料，保證了制品中的玻纖長度為3～5 mm，是采用普通工藝所得玻纖長度的10倍，制品的抗沖擊強度可提高3倍。

長玻纖增強材料的制造方法有粒料法和直接法兩種。粒料法是先制成半成品粒料，然后再用粒料成型為制品；直接法是在生產(chǎn)線上配混玻璃纖維、塑料及添加劑后直接成型為制品，省去了制作粒料的中間環(huán)節(jié)。由于直接法對生產(chǎn)設(shè)備要求較高，因此本文采用粒料法生產(chǎn)長玻纖增強材料。

粒料法生產(chǎn)的長玻纖增強材料早期曾采用電纜式包覆法生產(chǎn)粒料，但目前比較先進的工藝是拉擠工藝技術(shù)。在拉擠工藝生產(chǎn)過程中，玻璃纖維被強制散開，使每根纖維都被覆樹脂，因而在注射成型時纖維受螺桿的損傷降到最低程度。與常規(guī)的短纖增強材料不同，長玻纖增強材料中的長纖維相互纏繞形成了纖維骨架，能更好地限制各向異性收縮，顯著降低翹曲。本文采用拉擠工藝生產(chǎn)長玻纖增強粒料。圖1為粒料中纖維的分布方式。

因腳踏板的設(shè)計為鏤空設(shè)計，所以只有保證纖維的均勻性才能保證零件的耐負荷性，且保證玻纖不會產(chǎn)生外露現(xiàn)象。由于腳踏板承載踩踏負荷，受較大的沖擊力，因而對材料的機械強度要求較高。表1為測試的不同材料供應(yīng)商生產(chǎn)的長玻纖增強PP材料的性能數(shù)據(jù)。其中，RTP和TICONA提供的長玻纖增強材料性能穩(wěn)定、機械強度較高，能夠滿足腳踏板制件的使用要求。為此選擇了TICONA提供的40%長玻纖增強PP材料進行下一步的產(chǎn)品成型，并對產(chǎn)品性能、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量等進行試驗。

表1 不同材料供應(yīng)商生產(chǎn)的長玻纖增強PP材料性能

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的關(guān)鍵是不僅要保證外觀質(zhì)量，而且能夠使產(chǎn)品最大限度地分散承載載荷，保證制品在注塑生產(chǎn)中玻纖分布均勻，減少應(yīng)力集中點的存在，提高制品的使用壽命。

由于所研制的長玻纖增強PP材料腳踏板要代替原金屬制件，因而必須保證其與金屬制件的可互換性，所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計以金屬腳踏板的外形尺寸為基礎(chǔ)，連接點以車架為基準，采用螺釘連接方式。

設(shè)計要求為：一級腳踏板需要在側(cè)面加4個孔，用于固定腳踏板裝飾罩；一級腳踏板與車身支架管梁連接時留魚眼坑，且要保證固定點安裝部位避開加強筋；二級腳踏板安裝點的設(shè)計應(yīng)保證增大腳踏板與車身支架的連接強度。由于腳踏板的使用工況為經(jīng)常踩踏承載，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計既要考慮減重，又需考慮增加強度。根據(jù)以上要求，設(shè)計了U型槽與剛性直邊交叉結(jié)構(gòu)腳踏板，如圖2所示。

由于腳踏板承載時固定點位置的扭矩較大，易產(chǎn)生裂紋，因此根據(jù)樣件的使用要求，設(shè)計了一種新的連接方式——后嵌裝螺母結(jié)構(gòu)（見圖3）。與預(yù)埋螺母工藝相比，此結(jié)構(gòu)具有操作簡便、易裝配、省時、生產(chǎn)效率高、適合大批量生產(chǎn)等特點，而且為保證樣件的強度，在安裝點附近進行局部加厚，使用平墊片、方螺母卡口安裝。

4 長玻纖增強PP材料腳踏板成型工藝試驗

通過MFlow流動性分析，根據(jù)長玻纖材料的特點，采用側(cè)進膠、直沖式圓柱形澆口制做了長玻纖增強PP材料腳踏板模具。圖4為試制用二級腳踏板模具照片。

利用模具試制產(chǎn)品，對第1輪和第2輪注塑的產(chǎn)品進行了負荷壓力試驗，但被試產(chǎn)品的承載負荷未達到預(yù)期要求，因此對產(chǎn)品設(shè)計進行了改進：將外圍U型梁的總寬度從18 mm增加到20 mm，以提高外側(cè)邊的受力強度；將外側(cè)邊的料厚從4.3 mm增加到5.3 mm，加大了外側(cè)邊與U型內(nèi)筋板的厚度差，以有效防止表面收縮痕；原設(shè)計方案的5個裝配孔位置偏下，受力時易產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，為此將裝配孔位置提高了5 mm，以提高承載力；加大了U型槽與剛性直邊交叉處的交角弧度，以解決應(yīng)力集中問題；將產(chǎn)品的脫模斜度增大到1°，使產(chǎn)品脫模更加容易。

在試制基地進行了產(chǎn)品成型工藝試驗，并經(jīng)過幾輪調(diào)整后生產(chǎn)出工藝合格的腳踏板產(chǎn)品，獲得了穩(wěn)定的工藝參數(shù)，見表2。

表2 工藝參數(shù)

腳踏板成型工藝試驗結(jié)果表明，成型工藝性穩(wěn)定，工藝參數(shù)易調(diào)整及控制，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，安裝點位置無偏差，能夠滿足產(chǎn)品的安裝要求。

5 產(chǎn)品性能試驗

為驗證所研制的腳踏板是否滿足產(chǎn)品的使用要求，對樣件進行了各項性能試驗。

5.1 老化性能試驗

老化性能試驗條件及結(jié)果如表3所列。

表3 老化性能試驗結(jié)果

經(jīng)檢測，所研制的腳踏板在耐熱性、耐寒沖擊性、耐氣候老化性、耐熱老化性、耐溶劑性、耐冷熱交變性等方面均未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，產(chǎn)品性能優(yōu)異。

5.2 疲勞壽命試驗

采用MTS零部件試驗臺15 kN作動器進行了腳踏板的疲勞壽命試驗。通過對實車踩踏工況的分析，制訂的疲勞壽命試驗條件為：位移控制精度（靜態(tài)）為0.5%F.S，疲勞試驗載荷方波為0～1 600 N，疲勞試驗頻率為10次/min。腳踏板固定加載方式如圖5所示。

經(jīng)過設(shè)定的10萬次疲勞壽命試驗后，腳踏板未出現(xiàn)異常缺陷，試驗次數(shù)增加至20萬次后仍未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。由此可見，長玻纖增強PP材料腳踏板完全能夠滿足使用工況。

5.3 裝配及道路試驗

經(jīng)過25萬km的工地路及省道公路的道路試驗，未發(fā)現(xiàn)所研制腳踏板發(fā)生變形、開裂、磨損、滑脫等異常使用情況；該制件狀態(tài)與初始裝配制件基本一致，未發(fā)現(xiàn)變形、變色、粉化、龜裂等異常情況，四周固定點裝配位置均未見損壞或異常變化。

6 結(jié)束語

對國內(nèi)外數(shù)種長玻纖增強PP材料進行了性能測試，并對該材料的成型工藝及制品性能等進行了綜合評價。結(jié)果表明，所研制的長玻纖增強PP腳踏板產(chǎn)品性能達到了標準要求；長玻纖增強PP腳踏板質(zhì)量為0.7 kg，鋁制腳踏板質(zhì)量為1.5 kg，長玻纖增強PP腳踏板實現(xiàn)了降重50%、成本降低20%的目標。

1 胡朝暉，姜勇，郭飛飛.玻纖增強PP復(fù)合材料的制備及其性能研究.塑料工業(yè)，2011，39（11）：35～36.

2 李金釗.玻纖增強聚丙烯料的研制.工程塑料應(yīng)用，1997，25（3）：13～16.

3 申欣，孫文強，李艷霞，等.高抗沖玻纖增強聚丙烯的研制.工程塑料應(yīng)用，2001，29（10）：8～10.