基于強度方面汽車塑料零部件的設計與關鍵技術概述

李俊

摘要：在汽車部件中使用塑料材料有利于整個車輛的低重量并降低生產成本，提高汽車的經濟性。本文基于強度方面對汽車塑料零部件的設計與關鍵技術做了簡要的概述，希望給人們在今后的工作中提供一定的參考與借鑒意義。

關鍵詞：強度方面 汽車 塑料 零部件 設計 關鍵技術

引言

在中國塑料行業(yè)快速發(fā)展的同時，汽車塑料件設計技術的發(fā)展，應用和設計理論與設計方法也相對滯后，對于許多復雜的進口塑料汽車零件，只能采用相應的逆向工程方法。這種方法非常被動，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計和處理與國外的產品技術相差較大。注塑模因其廣泛的應用和制造的復雜性引起了各種塑料模具的廣泛關注，下面就強度方面對汽車塑料零部件的設計和關鍵技術做簡要敘述。

1.設計要求與關鍵技術

1.1汽車塑料零部件的設計要求

汽車塑料零部件的形狀及其塑模過程十分復雜，這使得汽車塑料零部件的設計成為一項非常困難的工作。事實上，要把汽車塑料零部件設計得既符合功能要求又要滿足美學要求，還要便于塑模成型，其難度非常大。當然，設計要求也非常多。在本節(jié)中將對各種設計要求加以整理，最終歸納為最主要的四類：強度設計要求、與制造有關的設計要求、與裝配有關的設計要求、用于汽車的特殊設計要求。

1.2強度設計要求

在設計塑料部件時，控制破壞性能的成功通常取決于塑料部件強度的準確預測。 根據塑料部件的不同負載條件，負載可以細分為五類：短負載，長負載，循環(huán)負載，沖擊負載和溫度負載。 在設計汽車塑料零件時，首先要考慮的是強度設計，這與以下幾個方面不同。

（1）短期應力一應變行為

短期負荷是指塑料件在搬運、組合和使用時施加的負荷。例如，車門把手在開關門時受到的作用力，各種儀表齒輪在工作時所承受的載荷等。其設計一般參考材料的應力與應變圖。這一點和金屬零部件的設計類似。但與金屬材料相比，塑料的抗應變能力非常低，尤其是在高溫下。在設計時應主要考慮以下兩點：

（a）應力一應變關系，按照材料的應力一應變曲線進行強度設計；

（b）應充分考慮零部件的使用環(huán)境、溫度、加工方法、化學環(huán)境對機械性能的影響。

（2）長期力學性能

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

（3）循環(huán)負荷

當塑料件承受反復或循環(huán)載荷作用時，應考慮在其壽命內預計承受負荷的次數，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，在設計時必須考慮材料的疲勞特性。塑料件承受循環(huán)負荷時，應考慮下列三點建議：

（a）承受短間距和長期間的反復性負荷，應使用疲勞曲線進行設計；

（b）注意圓角的設計以避免應力集中；

（c）承受高頻或高振幅的周期性負荷時，會生熱而縮短壽命。改用薄壁設計和耐疲勞的導熱性材料可以改善塑料件的散熱功能。

（4）沖擊負荷

沖擊強度是描述材料承受高速沖擊負荷的能力，沖擊負荷的加載速度比通常測試其他機械性能的速度要快得多。應避免在高應力區(qū)施加高速負荷和沖擊性負荷。在各個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杠。

當設計此類塑料件時需要考慮使用較大的圓角半徑及較和緩的厚度變化，以避免應力集中。例如在設計保險杠時，應注意加強筋底部與面罩連接時用圓角過渡，并且整個保險杠的厚度不均勻度應控制在1：1.5-1：2范圍內。

（5）溫度負荷

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

2關鍵技術分析

我國的塑膠模具生產能力還十分有限，高精度的模具主要還依靠進口；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)主要還依據設計者有限的經驗和比較簡單的計算公式進行產品和工藝開發(fā)。但是在注射成型生產實際中，塑料熔體的流動性能千差萬別，塑料件和模具的結構千變萬化，工藝條件各不相同，僅憑有限的經驗和簡單的公式難以對這些因素作全面的考慮和處理，設計者經驗的積累和公式的總結無法跟上塑料材料的發(fā)展和塑料件復雜程度及精度要求的提高，因此開發(fā)過程中要反復試模和修模，導致生產周期長、費用高，產品質量難以得到保證，對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)先進國家，如日本，美國，德國等早己把CAD/CAM/CAE技術引入模具行業(yè)從根本上改變了傳統(tǒng)的

產品開發(fā)和模具生產方式，大大提高了產品質量，縮短了產品開發(fā)周期，降低了生產成本，強有力地推動了模具行業(yè)的發(fā)展。不難發(fā)現開發(fā)汽車塑料零部件的關鍵技術主要有兩方面：產品的初步設計和CAE分析。詳細設計似乎是開發(fā)過程中最關鍵的一環(huán)，其實這個過程的難度并不大，只要前期的工作做好了，這個過程對設計人員來說只要按部就班地完成就行。產品的初步設計確定了產品開發(fā)過程的基調，為以后的CAE分析和詳細設計打下基礎。在這個過程中，我們當前的普遍做法是按照經驗方法設計.經驗固然重要，但是隨著當前材料技術的快速發(fā)展，很多新配方的材料不斷涌現。即使經驗再豐富的設計者也很難把握好設計的尺度.因此，在這個過程中我們更傾向于用分析方法設計。它主要依靠應力和應變的經典公式和有限元法，充分利用現有三維軟件的功能把各個設計細節(jié)進行量化。

對于塑料部件，CAE分析主要是指模具流動分析，并在初步設計中完成產品的結構分析。流分析CAE技術分析由數值方法手段的流動，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，計算出的塑料部件和形狀的張力分布，并預測的翹曲產品。曲線的失真，因此，分析的工藝條件下，材料參數和對產品的質量模具結構的影響，以實現優(yōu)化產品和模具的結構的目的，優(yōu)選地，在模制過程參數。應用CAE軟件時應考慮到分析結果可能無法100%重現所有問題。該應用的重點是有效地提出問題的可行解決方案，以便改善問題的及時性。與通用CAE軟件一樣，MLC軟件可分為三個階段：預處理，計算和后處理。其中，預處理部分，有限元模型的確定和材料性質的輸入是影響分析準確性的最重要因素。

3.總結

在中國加入世界貿易組織的背景下，國內汽車行業(yè)塑料零件制造商將不可避免地面臨強大的外國競爭對手的強大挑戰(zhàn)。 只有充分學習國外先進的設計方法和設計理念，總結國內設計經驗，我們才能不斷提高設計能力，有能力自主開發(fā)新產品，在激烈的競爭中站穩(wěn)腳跟。

參考文獻：

[1] 董躍農.輕武器裝備第四次浪潮：消防單兵系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.