混合動(dòng)力汽車用塑料螺紋失效案例研究

劉芳,孫東坡,郜可峰

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

混合動(dòng)力汽車用塑料螺紋失效案例研究

劉芳,孫東坡,郜可峰

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

隨著汽車正朝向更環(huán)保、更安全、更舒適以及個(gè)性化的方向發(fā)展，塑料在汽車上的應(yīng)用日益廣泛。結(jié)合實(shí)際混合動(dòng)力汽車用塑料螺紋失效案例，分析了零件失效原因，提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。經(jīng)過(guò)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，新措施是有效的，為塑料緊固件的開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

混合動(dòng)力汽車； 塑料螺紋； 失效；緊固件

0 引言

塑料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展與汽車新技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。當(dāng)前，汽車正朝著更環(huán)保、更安全、更舒適以及個(gè)性化方向發(fā)展。輕量化技術(shù)、行人保護(hù)、吸能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為工程塑料的應(yīng)用帶來(lái)了良好機(jī)遇。

為了達(dá)到整車低油耗、輕量化的目的，同時(shí)由于塑料成型容易、耐腐蝕性強(qiáng)、彈性變形等性能，越來(lái)越多的零部件的材料從金屬轉(zhuǎn)向塑料?；旌蟿?dòng)力汽車上的塑料應(yīng)用尤為突出，據(jù)統(tǒng)計(jì)，混合動(dòng)力車輛上約60%的零部件材料采用塑料[1]。

在塑料零部件的裝配過(guò)程中往往會(huì)發(fā)生脆性斷裂[2]。文中將結(jié)合某款混合動(dòng)力汽車上用的塑料螺紋在裝配過(guò)程中的實(shí)際失效案例來(lái)進(jìn)行介紹。

1 失效背景信息

該零件為雙頭連接塑料螺紋(材料PA66GF30)：一端連接金屬螺紋，規(guī)格為G1/4B；一端連接塑料螺紋，規(guī)格為M18×1.5-6g。使用過(guò)程中螺紋管內(nèi)油壓為0.1 MPa的條件下能夠保證不泄漏，兩端螺紋設(shè)計(jì)要求的擰緊力矩為5 N·m。零件需要滿足整車16萬(wàn)公里的壽命要求。

在將塑料件裝配到金屬基體的過(guò)程中，力矩扳手為4 N·m時(shí)，塑料螺紋在G1/4 B根部發(fā)生斷裂。斷裂件的斷口如圖1所示。

2 失效分析

為了鎖定樣件的失效原因，對(duì)失效斷口進(jìn)行宏觀分析，如圖2所示。斷口呈脆性，斷裂位置在零件底部。對(duì)斷口進(jìn)行放大觀察，可以看到斷口處有較多的孔洞，較大的孔洞直徑在0.5 mm左右。

失效樣件在低于額定5 N·m的條件下發(fā)生斷裂，為了驗(yàn)證零件的性能，對(duì)同批次的其他樣件進(jìn)行了破壞性的失效模擬試驗(yàn)。失效模擬試驗(yàn)的失效情況如表1所示，其中平均失效扭矩為13.95 N·m。模擬失效所有零件的斷裂位置和斷裂形式與失效件相似，觀察這些模擬試驗(yàn)中的失效件斷口，如圖3所示。斷口上同樣發(fā)現(xiàn)一些孔洞，但是孔洞比失效件少很多，而且孔洞的直徑較失效樣件小，約為0.2～0.3 mm，如圖3所示。

失效扭矩/(N·m)<88～1212～15>15樣品數(shù)量1143154

宏觀檢查塑料失效件的螺紋根部：將零件冷鑲，剖開，觀察測(cè)量其齒形如圖4所示，零件齒間底部尖銳，無(wú)倒角，這將導(dǎo)致零件底部與最后一齒間相接位置應(yīng)力集中。

通過(guò)以上分析，可以初步得出以下結(jié)論：

失效件是受外力超過(guò)材料負(fù)荷導(dǎo)致的斷裂；

零件內(nèi)部存在較多小孔洞，說(shuō)明注塑工藝不佳。存在的失效原因有以下幾點(diǎn)：

(1)塑料螺紋根部應(yīng)力集中，導(dǎo)致螺紋根部斷裂；

(2)零件注塑過(guò)程中排氣不良而在零件內(nèi)部產(chǎn)生氣孔的注塑缺陷，可能是由于注塑模具上沒(méi)有排氣裝置或相應(yīng)的排氣設(shè)置不合理；

(3)注塑工藝參數(shù)不當(dāng)導(dǎo)致零件內(nèi)部產(chǎn)生注塑缺陷；

(4)由于流動(dòng)時(shí)的熔融流動(dòng)方向與配向關(guān)系以及流動(dòng)速度與冷卻速度的變化導(dǎo)致玻纖排列不良或出現(xiàn)玻纖分布不均的現(xiàn)象，導(dǎo)致注塑件的局部強(qiáng)度降低。

3 注塑工藝分析

此案例涉及到的澆注系統(tǒng)為一出二冷流道系統(tǒng)。其中烘料溫度為(143±3)℃，料筒溫度為(285±5)℃，保壓時(shí)間為3s,所采用的主要注塑參數(shù)如表2所示。

表2 所采用的注塑工藝參數(shù)

采用MoldFlow檢查充填時(shí)間、注射壓力及鎖模力的分布，分別如圖5—7所示。

從圖5可以看出：充填時(shí)間在正常范圍內(nèi)，有均勻的等值線。沒(méi)有出現(xiàn)短射。圖6注射壓力為34.60 MPa,在注塑機(jī)壓力承受范圍之內(nèi)。

為了進(jìn)一步分析失效件孔洞存在的原因，有必要掌握氣穴分布、熔解痕的位置及收縮率的分布。

如圖7所示，圈內(nèi)的氣穴密集處需要注意排氣。

如圖8所示為熔接痕分布，熔解痕的存在直接影響到塑料件的外觀質(zhì)量及力學(xué)性能，熔結(jié)痕密集處注意排氣?？赏ㄟ^(guò)升高此區(qū)域模溫、改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)排氣來(lái)優(yōu)化。

如圖9所示為收縮率分布，可以看出收縮率分布不均勻。產(chǎn)品收縮不均造成一定程度的變形，通過(guò)實(shí)際成型時(shí)加強(qiáng)冷卻、使其內(nèi)部應(yīng)力緩慢釋放或適當(dāng)延長(zhǎng)保壓時(shí)間來(lái)改善產(chǎn)品的變形。

此外還需考慮注塑過(guò)程中模腔溫度的控制、排氣裝置的設(shè)置、澆注口的位置等信息。此處不再進(jìn)行詳述。

綜上所述，優(yōu)化當(dāng)前產(chǎn)品的途徑有幾下幾種：

(1)在齒根底部增加過(guò)渡圓角，以改善應(yīng)力集中、提高齒根底部強(qiáng)度；

(2)提高熔接痕處模溫及優(yōu)化排氣裝置來(lái)改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，優(yōu)化排氣孔道；

(3)注塑成型時(shí)加強(qiáng)冷卻，使其內(nèi)部應(yīng)力緩慢釋放，或適當(dāng)延長(zhǎng)保壓時(shí)間來(lái)降低變形。

4 驗(yàn)證效果

按照上述的優(yōu)化措施進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和注塑工藝優(yōu)化，加工制造出樣件。隨機(jī)抽取100件，按照同樣的方法對(duì)樣件進(jìn)行失效模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示， 其中平均失效扭矩為16.83 N·m。與之前的失效模擬試驗(yàn)情況進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示：新制樣件的總體強(qiáng)度得到了提高，不但平均失效扭矩得到了提高，而且失效扭矩分布相對(duì)比較均勻，同時(shí)最小失效扭矩也得到了提高。

表3 新制樣件失效情況

對(duì)失效斷口進(jìn)行宏觀檢查，如圖11所示。失效斷口偶爾存在0.1～0.2 mm的孔洞。

為了驗(yàn)證新樣件能否滿足密封要求，另隨機(jī)抽取20件進(jìn)行氣密檢測(cè)。使用5 N·m的擰緊力矩，在0.1 MPa的氣壓下進(jìn)行水檢，保壓15 s后發(fā)現(xiàn)無(wú)泄漏。

同時(shí)結(jié)合混合動(dòng)力車的整車耐久試驗(yàn)，該零件能夠滿足整車的壽命要求。

5 結(jié)論

結(jié)合塑料螺紋的實(shí)際失效案例進(jìn)行了失效原因分析，通過(guò)相關(guān)途徑提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證所采取措施的有效性。不但樣件的強(qiáng)度有所改善，而且宏觀條件下的注塑缺陷大大降低，為塑料緊固件的開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用提供了有利條件。

【1】 Kagan Val A，Weitzel Stephan P.New Developments in Mechanical Fastening of Thermoplastics:Aluminum Self-Tapping Screws Trump Steel[R].SAE Technical：2002-01-0720.

【2】 胡友安，牛文宣.預(yù)緊力作用下塑料螺紋連接件的應(yīng)力分析[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2012,10(1)：81-85.

StudyonPlasticScrewFailureforHybridCar

LIU Fang,SUN Dongpo,GAO Kefeng

(SAIC Motor Technical Centre,Shanghai 201804,China)

With the car is developed toward greener,safer,more comfortable and personalized direction,the application of plastics in automotive is increasingly widespread.With a plastic screw failure case in hybrid car,the cause of failure was analyzed and corresponding optimization measures were proposed.The relevant experimental verification shows that the measures are effective.It lays foundation for the development and practical application of plastic fasteners.

Hybrid car； Plastic screw；Failure；Fasteners

2014-10-14

劉芳(1982—)，女， 碩士，助理工程師，從事自動(dòng)變速箱液壓系統(tǒng)及零部件的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。E-mail：liufang01@saicmotor.com。