基于強(qiáng)度方面汽車塑料零部件的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)概述

李俊

摘要：在汽車部件中使用塑料材料有利于整個(gè)車輛的低重量并降低生產(chǎn)成本，提高汽車的經(jīng)濟(jì)性。本文基于強(qiáng)度方面對(duì)汽車塑料零部件的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)做了簡要的概述，希望給人們?cè)诮窈蟮墓ぷ髦刑峁┮欢ǖ膮⒖寂c借鑒意義。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)度方面 汽車 塑料 零部件 設(shè)計(jì) 關(guān)鍵技術(shù)

引言

在中國塑料行業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，汽車塑料件設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用和設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法也相對(duì)滯后，對(duì)于許多復(fù)雜的進(jìn)口塑料汽車零件，只能采用相應(yīng)的逆向工程方法。這種方法非常被動(dòng)，沒有自己的研發(fā)力量，很難創(chuàng)新。特別是精密注塑模具的設(shè)計(jì)和處理與國外的產(chǎn)品技術(shù)相差較大。注塑模因其廣泛的應(yīng)用和制造的復(fù)雜性引起了各種塑料模具的廣泛關(guān)注，下面就強(qiáng)度方面對(duì)汽車塑料零部件的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)做簡要敘述。

1.設(shè)計(jì)要求與關(guān)鍵技術(shù)

1.1汽車塑料零部件的設(shè)計(jì)要求

汽車塑料零部件的形狀及其塑模過程十分復(fù)雜，這使得汽車塑料零部件的設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)非常困難的工作。事實(shí)上，要把汽車塑料零部件設(shè)計(jì)得既符合功能要求又要滿足美學(xué)要求，還要便于塑模成型，其難度非常大。當(dāng)然，設(shè)計(jì)要求也非常多。在本節(jié)中將對(duì)各種設(shè)計(jì)要求加以整理，最終歸納為最主要的四類：強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求、與制造有關(guān)的設(shè)計(jì)要求、與裝配有關(guān)的設(shè)計(jì)要求、用于汽車的特殊設(shè)計(jì)要求。

1.2強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)塑料部件時(shí)，控制破壞性能的成功通常取決于塑料部件強(qiáng)度的準(zhǔn)確預(yù)測。 根據(jù)塑料部件的不同負(fù)載條件，負(fù)載可以細(xì)分為五類：短負(fù)載，長負(fù)載，循環(huán)負(fù)載，沖擊負(fù)載和溫度負(fù)載。 在設(shè)計(jì)汽車塑料零件時(shí)，首先要考慮的是強(qiáng)度設(shè)計(jì)，這與以下幾個(gè)方面不同。

（1）短期應(yīng)力一應(yīng)變行為

短期負(fù)荷是指塑料件在搬運(yùn)、組合和使用時(shí)施加的負(fù)荷。例如，車門把手在開關(guān)門時(shí)受到的作用力，各種儀表齒輪在工作時(shí)所承受的載荷等。其設(shè)計(jì)一般參考材料的應(yīng)力與應(yīng)變圖。這一點(diǎn)和金屬零部件的設(shè)計(jì)類似。但與金屬材料相比，塑料的抗應(yīng)變能力非常低，尤其是在高溫下。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要考慮以下兩點(diǎn)：

（a）應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，按照材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)；

（b）應(yīng)充分考慮零部件的使用環(huán)境、溫度、加工方法、化學(xué)環(huán)境對(duì)機(jī)械性能的影響。

（2）長期力學(xué)性能

長期力學(xué)性能是指在比例極限以內(nèi)，塑料件長時(shí)間承受外力載荷，以及塑料件在成形和組合過程中造成的內(nèi)應(yīng)力和殘留應(yīng)力。主要失效形式表現(xiàn)為蠕變和應(yīng)力松弛。例如，空氣濾清器罩由于長時(shí)間受到空氣擠壓，會(huì)發(fā)生徑向蠕變，使直徑有所增加；后擋板的撓曲會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大；在o形密封壓縮時(shí)，應(yīng)力一般應(yīng)能阻止泄漏，應(yīng)力松弛作用卻使應(yīng)力不斷減小。

（3）循環(huán)負(fù)荷

當(dāng)塑料件承受反復(fù)或循環(huán)載荷作用時(shí)，應(yīng)考慮在其壽命內(nèi)預(yù)計(jì)承受負(fù)荷的次數(shù)，即材料的疲勞特性。在汽車塑料零部件上，各種皮帶輪、皮帶、輪胎簾布、塑料活塞環(huán)等，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮材料的疲勞特性。塑料件承受循環(huán)負(fù)荷時(shí)，應(yīng)考慮下列三點(diǎn)建議：

（a）承受短間距和長期間的反復(fù)性負(fù)荷，應(yīng)使用疲勞曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)；

（b）注意圓角的設(shè)計(jì)以避免應(yīng)力集中；

（c）承受高頻或高振幅的周期性負(fù)荷時(shí)，會(huì)生熱而縮短壽命。改用薄壁設(shè)計(jì)和耐疲勞的導(dǎo)熱性材料可以改善塑料件的散熱功能。

（4）沖擊負(fù)荷

沖擊強(qiáng)度是描述材料承受高速?zèng)_擊負(fù)荷的能力，沖擊負(fù)荷的加載速度比通常測試其他機(jī)械性能的速度要快得多。應(yīng)避免在高應(yīng)力區(qū)施加高速負(fù)荷和沖擊性負(fù)荷。在各個(gè)汽車塑料零部件中典型的承受沖擊載荷的零件為前后保險(xiǎn)杠。

當(dāng)設(shè)計(jì)此類塑料件時(shí)需要考慮使用較大的圓角半徑及較和緩的厚度變化，以避免應(yīng)力集中。例如在設(shè)計(jì)保險(xiǎn)杠時(shí)，應(yīng)注意加強(qiáng)筋底部與面罩連接時(shí)用圓角過渡，并且整個(gè)保險(xiǎn)杠的厚度不均勻度應(yīng)控制在1：1.5-1：2范圍內(nèi)。

（5）溫度負(fù)荷

與金屬零件相比，塑料零件的性能對(duì)溫度更敏感，溫度變化對(duì)尺寸和機(jī)械性能有顯著影響。這里提到的溫度負(fù)荷包括高溫和低溫，塑料變軟需要溫度，溫度越高塑料越軟，對(duì)于塑料的脆性來說，溫度低則塑料更容易變脆?？紤]汽車塑料部件的極端高溫和極低溫度。例如，儀表板必須設(shè)計(jì)成能承受由發(fā)動(dòng)機(jī)輻射的熱量引起的熱負(fù)荷，后保險(xiǎn)杠暴露在排氣管附近的高溫氣體的熱負(fù)荷下。在寒冷天氣駕駛時(shí)，外部部件，如前后保險(xiǎn)杠，車輪罩，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣格柵等，必須能夠不同程度地抵抗低溫負(fù)荷。

2關(guān)鍵技術(shù)分析

我國的塑膠模具生產(chǎn)能力還十分有限，高精度的模具主要還依靠進(jìn)口；日本的模具水平處于世界一流水平。究其原因，我國的模具行業(yè)主要還依據(jù)設(shè)計(jì)者有限的經(jīng)驗(yàn)和比較簡單的計(jì)算公式進(jìn)行產(chǎn)品和工藝開發(fā)。但是在注射成型生產(chǎn)實(shí)際中，塑料熔體的流動(dòng)性能千差萬別，塑料件和模具的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，工藝條件各不相同，僅憑有限的經(jīng)驗(yàn)和簡單的公式難以對(duì)這些因素作全面的考慮和處理，設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的積累和公式的總結(jié)無法跟上塑料材料的發(fā)展和塑料件復(fù)雜程度及精度要求的提高，因此開發(fā)過程中要反復(fù)試模和修模，導(dǎo)致生產(chǎn)周期長、費(fèi)用高，產(chǎn)品質(zhì)量難以得到保證，對(duì)于成型大型塑料件和精密塑料件，問題更加突出。而國外很多工業(yè)先進(jìn)國家，如日本，美國，德國等早己把CAD/CAM/CAE技術(shù)引入模具行業(yè)從根本上改變了傳統(tǒng)的

產(chǎn)品開發(fā)和模具生產(chǎn)方式，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，強(qiáng)有力地推動(dòng)了模具行業(yè)的發(fā)展。不難發(fā)現(xiàn)開發(fā)汽車塑料零部件的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩方面：產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)和CAE分析。詳細(xì)設(shè)計(jì)似乎是開發(fā)過程中最關(guān)鍵的一環(huán)，其實(shí)這個(gè)過程的難度并不大，只要前期的工作做好了，這個(gè)過程對(duì)設(shè)計(jì)人員來說只要按部就班地完成就行。產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)確定了產(chǎn)品開發(fā)過程的基調(diào)，為以后的CAE分析和詳細(xì)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。在這個(gè)過程中，我們當(dāng)前的普遍做法是按照經(jīng)驗(yàn)方法設(shè)計(jì).經(jīng)驗(yàn)固然重要，但是隨著當(dāng)前材料技術(shù)的快速發(fā)展，很多新配方的材料不斷涌現(xiàn)。即使經(jīng)驗(yàn)再豐富的設(shè)計(jì)者也很難把握好設(shè)計(jì)的尺度.因此，在這個(gè)過程中我們更傾向于用分析方法設(shè)計(jì)。它主要依靠應(yīng)力和應(yīng)變的經(jīng)典公式和有限元法，充分利用現(xiàn)有三維軟件的功能把各個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行量化。

對(duì)于塑料部件，CAE分析主要是指模具流動(dòng)分析，并在初步設(shè)計(jì)中完成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析。流分析CAE技術(shù)分析由數(shù)值方法手段的流動(dòng)，壓力和在腔塑料的冷卻過程，如有限元法，有限差分法和邊界元法，計(jì)算出的塑料部件和形狀的張力分布，并預(yù)測的翹曲產(chǎn)品。曲線的失真，因此，分析的工藝條件下，材料參數(shù)和對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量模具結(jié)構(gòu)的影響，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)品和模具的結(jié)構(gòu)的目的，優(yōu)選地，在模制過程參數(shù)。應(yīng)用CAE軟件時(shí)應(yīng)考慮到分析結(jié)果可能無法100%重現(xiàn)所有問題。該應(yīng)用的重點(diǎn)是有效地提出問題的可行解決方案，以便改善問題的及時(shí)性。與通用CAE軟件一樣，MLC軟件可分為三個(gè)階段：預(yù)處理，計(jì)算和后處理。其中，預(yù)處理部分，有限元模型的確定和材料性質(zhì)的輸入是影響分析準(zhǔn)確性的最重要因素。

3.總結(jié)

在中國加入世界貿(mào)易組織的背景下，國內(nèi)汽車行業(yè)塑料零件制造商將不可避免地面臨強(qiáng)大的外國競爭對(duì)手的強(qiáng)大挑戰(zhàn)。 只有充分學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念，總結(jié)國內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們才能不斷提高設(shè)計(jì)能力，有能力自主開發(fā)新產(chǎn)品，在激烈的競爭中站穩(wěn)腳跟。

參考文獻(xiàn)：

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