混合動力汽車用塑料螺紋失效案例研究

劉芳,孫東坡,郜可峰

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

混合動力汽車用塑料螺紋失效案例研究

劉芳,孫東坡,郜可峰

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

隨著汽車正朝向更環保、更安全、更舒適以及個性化的方向發展，塑料在汽車上的應用日益廣泛。結合實際混合動力汽車用塑料螺紋失效案例，分析了零件失效原因，提出了相應的優化措施。經過相關試驗驗證，新措施是有效的，為塑料緊固件的開發和實際應用奠定了基礎。

混合動力汽車； 塑料螺紋； 失效；緊固件

0 引言

塑料應用技術的發展與汽車新技術的發展密切相關。當前，汽車正朝著更環保、更安全、更舒適以及個性化方向發展。輕量化技術、行人保護、吸能技術的廣泛應用，為工程塑料的應用帶來了良好機遇。

為了達到整車低油耗、輕量化的目的，同時由于塑料成型容易、耐腐蝕性強、彈性變形等性能，越來越多的零部件的材料從金屬轉向塑料。混合動力汽車上的塑料應用尤為突出，據統計，混合動力車輛上約60%的零部件材料采用塑料[1]。

在塑料零部件的裝配過程中往往會發生脆性斷裂[2]。文中將結合某款混合動力汽車上用的塑料螺紋在裝配過程中的實際失效案例來進行介紹。

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，規格為G1/4B；一端連接塑料螺紋，規格為M18×1.5-6g。使用過程中螺紋管內油壓為0.1 MPa的條件下能夠保證不泄漏，兩端螺紋設計要求的擰緊力矩為5 N·m。零件需要滿足整車16萬公里的壽命要求。

在將塑料件裝配到金屬基體的過程中，力矩扳手為4 N·m時，塑料螺紋在G1/4 B根部發生斷裂。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，對失效斷口進行宏觀分析，如圖2所示。斷口呈脆性，斷裂位置在零件底部。對斷口進行放大觀察，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的條件下發生斷裂，為了驗證零件的性能，對同批次的其他樣件進行了破壞性的失效模擬試驗。失效模擬試驗的失效情況如表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，觀察這些模擬試驗中的失效件斷口，如圖3所示。斷口上同樣發現一些孔洞，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，觀察測量其齒形如圖4所示，零件齒間底部尖銳，無倒角，這將導致零件底部與最后一齒間相接位置應力集中。

通過以上分析，可以初步得出以下結論：

失效件是受外力超過材料負荷導致的斷裂；

零件內部存在較多小孔洞，說明注塑工藝不佳。存在的失效原因有以下幾點：

(1)塑料螺紋根部應力集中，導致螺紋根部斷裂；

(2)零件注塑過程中排氣不良而在零件內部產生氣孔的注塑缺陷，可能是由于注塑模具上沒有排氣裝置或相應的排氣設置不合理；

(3)注塑工藝參數不當導致零件內部產生注塑缺陷；

(4)由于流動時的熔融流動方向與配向關系以及流動速度與冷卻速度的變化導致玻纖排列不良或出現玻纖分布不均的現象，導致注塑件的局部強度降低。

3 注塑工藝分析

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

表2 所采用的注塑工藝參數

采用MoldFlow檢查充填時間、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：充填時間在正常范圍內，有均勻的等值線。沒有出現短射。圖6注射壓力為34.60 MPa,在注塑機壓力承受范圍之內。

為了進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量及力學性能，熔結痕密集處注意排氣。可通過升高此區域模溫、改善產品結構、加強排氣來優化。

如圖9所示為收縮率分布，可以看出收縮率分布不均勻。產品收縮不均造成一定程度的變形，通過實際成型時加強冷卻、使其內部應力緩慢釋放或適當延長保壓時間來改善產品的變形。

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

綜上所述，優化當前產品的途徑有幾下幾種：

(1)在齒根底部增加過渡圓角，以改善應力集中、提高齒根底部強度；

(2)提高熔接痕處模溫及優化排氣裝置來改善產品結構，優化排氣孔道；

(3)注塑成型時加強冷卻，使其內部應力緩慢釋放，或適當延長保壓時間來降低變形。

4 驗證效果

按照上述的優化措施進行零件結構設計優化和注塑工藝優化，加工制造出樣件。隨機抽取100件，按照同樣的方法對樣件進行失效模擬試驗，試驗結果如表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情況進行對比，如圖10所示：新制樣件的總體強度得到了提高，不但平均失效扭矩得到了提高，而且失效扭矩分布相對比較均勻，同時最小失效扭矩也得到了提高。

表3 新制樣件失效情況

對失效斷口進行宏觀檢查，如圖11所示。失效斷口偶爾存在0.1～0.2 mm的孔洞。

為了驗證新樣件能否滿足密封要求，另隨機抽取20件進行氣密檢測。使用5 N·m的擰緊力矩，在0.1 MPa的氣壓下進行水檢，保壓15 s后發現無泄漏。

同時結合混合動力車的整車耐久試驗，該零件能夠滿足整車的壽命要求。

5 結論

結合塑料螺紋的實際失效案例進行了失效原因分析，通過相關途徑提出了相應的優化措施，并經過試驗驗證所采取措施的有效性。不但樣件的強度有所改善，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和實際應用提供了有利條件。

【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.預緊力作用下塑料螺紋連接件的應力分析[J].中國工程機械學報，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，從事自動變速箱液壓系統及零部件的設計與開發工作。E-mail：liufang01@saicmotor.com。