汽車輕量化下塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉志明

（上汽大眾汽車有限公司，上海 210805）

引言

隨著汽車造型的日益復(fù)雜化，塑料件占據(jù)整車重量和成本的比例越來越高。塑料件的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)整車設(shè)計(jì)的意義重大。汽車外飾零件中大量應(yīng)用的聚丙烯等塑料材料，具有較好的韌性，適合做鉸鏈結(jié)構(gòu)。鉸鏈結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以將原本的兩個(gè)或多個(gè)零件集成為一個(gè)零件，有效降低了零件重量，同時(shí)減少了模具數(shù)量。另外某些特殊的鉸鏈結(jié)構(gòu)可以輔助外飾零件在總裝線上進(jìn)行安裝定位，節(jié)約了安裝工時(shí)。

1 塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可行性

1.1 塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)

塑料鉸鏈也稱為塑料合頁，其采用聚丙烯（PP）共聚物或其他聚合物材料等，通過熱壓延、熱沖壓、擠壓、注塑等方式加工制造[1]。其結(jié)構(gòu)原理為在零件局部沿一個(gè)直線帶進(jìn)行減料厚，使得零件能夠以料厚減薄處為旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。其典型應(yīng)用有：塑料工具箱的箱蓋與箱體之間的柔性連接，速食食品的一次性塑料餐勺的折疊設(shè)計(jì)等。

圖1 塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)

塑料鉸鏈的兩個(gè)關(guān)鍵尺寸：寬度尺寸和厚度尺寸。其中鉸鏈寬度值為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，通常為1.5mm左右，如寬度太大，會(huì)增加熔融塑料的流動(dòng)阻力[1]。鉸鏈中心處的厚度在0.25mm -0.38mm時(shí)，鉸鏈的彎折次數(shù)可達(dá)最大值，某些產(chǎn)品可滿足數(shù)萬次彎折，但制品的實(shí)際壽命取決于設(shè)計(jì)、工藝和材料等問題的處理[2]。對(duì)于大尺寸注塑件，零件主體料厚一般在2.5mm-3mm之間，彎折次數(shù)要求不高時(shí)，鉸鏈料厚可達(dá)0.8mm-1.0mm。塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)利用了共聚物塑料突出的抗彎曲疲勞特性，在鉸鏈兩側(cè)的部件可以繞鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)。這種連接結(jié)構(gòu)可以防止非轉(zhuǎn)動(dòng)方向的位移，具有較高的抗撕裂強(qiáng)度。

1.2 汽車塑料零件適用性

汽車外飾部件中采用了大量塑料材料，比如保險(xiǎn)杠、散熱器格柵、前端模塊骨架、門飾板、底部護(hù)板、輪罩殼等。隨著汽車輕量化的發(fā)展，某些品牌乘用車的翼子板、后蓋等也采用了塑料制件。圖2為某車型部分塑料外飾件示例。

圖2 汽車塑料外飾件示例

聚丙烯（PP）及其共聚物在汽車外飾零件中應(yīng)用范圍最廣，用量最大，適于制作鉸鏈結(jié)構(gòu)。ABS、ASA、PC、PMMA等塑料材料韌性較差，不適于鉸鏈結(jié)構(gòu)的制作。表1列出了部分常見汽車塑料材料的鉸鏈適用性。

表1 外飾塑料材料鉸鏈適用性

2 塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)的開發(fā)案例一

我們以某車型的后保險(xiǎn)杠導(dǎo)流板集成了底部護(hù)板為例，來介紹塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)應(yīng)用于汽車外飾的設(shè)計(jì)方法。

2.1 常規(guī)兩體式零件方案

在方案樣車設(shè)計(jì)階段，我們首先考慮傳統(tǒng)的導(dǎo)流板和底部護(hù)板設(shè)計(jì)方案：導(dǎo)流板設(shè)計(jì)為零件水平方向出模，底部護(hù)板設(shè)計(jì)為零件垂直方向出模。導(dǎo)流板下部邊緣在70mm寬度范圍內(nèi)做了加強(qiáng)筋，以保證后保險(xiǎn)杠的整體強(qiáng)度。底部護(hù)板在后保險(xiǎn)杠總成安裝完成之后進(jìn)行安裝，其與導(dǎo)流板相鄰的區(qū)域件有60mm重疊量，采用5處夾片螺母與螺釘進(jìn)行固定。連接方案如圖3所示。

根據(jù)以往項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，此設(shè)計(jì)可以保證兩零件之間的連接強(qiáng)度，避免涉水等惡劣使用條件下底部護(hù)板脫落。其不足之處在于，導(dǎo)流板與底部護(hù)板之間重疊區(qū)域重約190g，且固定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量多，導(dǎo)致單車成本上升；其次，底部護(hù)板模具尺寸大，費(fèi)用約一百萬人民幣。

圖3 兩體式零件方案

2.2 鉸鏈軸的選擇

在做正式量產(chǎn)車數(shù)據(jù)時(shí)，我們嘗試使用鉸鏈結(jié)構(gòu)來集成導(dǎo)流板和底部護(hù)板。方案的關(guān)鍵在于找到一個(gè)合理的旋轉(zhuǎn)軸線來布置鉸鏈結(jié)構(gòu)。從方案樣車的布置來看，導(dǎo)流板和底部護(hù)板的連接重疊區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)寬約60mm，半徑約3200mm的較為平坦的弧形帶，適于布置一個(gè)合理的旋轉(zhuǎn)軸。由于導(dǎo)流板和底部護(hù)板料厚均為2.5mm，一般選擇在不可見面處減料形成鉸鏈，因此旋轉(zhuǎn)軸一般布置在可見面往里偏0.5mm處。經(jīng)過反復(fù)嘗試，得到了一個(gè)可行的旋轉(zhuǎn)軸。

2.3 模具位置的確定

在確定好旋轉(zhuǎn)軸后，下一步將被集成零件，即底部護(hù)板從安裝位置繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)至合理位置，作為注塑模具中生產(chǎn)零件的位置。此步驟的目的是使得底部護(hù)板可以和導(dǎo)流板從同一副模具里生產(chǎn)出來，即滿足水平方向出模條件。經(jīng)過嘗試和校核，底部護(hù)板旋轉(zhuǎn)89°可以滿足水平方向出模。當(dāng)零件從模具生產(chǎn)出來后，只需要反向旋轉(zhuǎn)89°即到達(dá)安裝位置。模具位置和安裝位置的關(guān)系如圖4所示。

圖4 模具位置的確定

2.4 輔助固定的設(shè)計(jì)

鉸鏈本身即為其連接的兩部分的一種有效固定，其僅有沿鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸方向的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。當(dāng)零件的兩部分與車身或其他周邊件分別固定完成時(shí)，在鉸鏈軸處的旋轉(zhuǎn)自由度基本已被限制住。為保險(xiǎn)起見，通常我們會(huì)在鉸鏈軸附近設(shè)計(jì)若干個(gè)輔助固定點(diǎn)。當(dāng)把零件從模具位置旋轉(zhuǎn)至安裝位置后，輔助固定卡扣將零件固定至安裝位置，防止零件回彈。本例中設(shè)計(jì)了3個(gè)輔助固定卡扣，如圖5所示。

圖5 輔助固定卡扣

2.5 仿真計(jì)算

由于塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化了兩個(gè)零部件的連接方式，省去了重疊冗余的塑料結(jié)構(gòu)和卡扣、螺釘?shù)龋瑢?dǎo)致整個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度等發(fā)生改變，因此需要對(duì)相關(guān)的一些工況進(jìn)行仿真計(jì)算。當(dāng)鉸鏈結(jié)構(gòu)應(yīng)用于前保險(xiǎn)杠時(shí)，要特別注意其對(duì)行人保護(hù)的影響，因?yàn)樾腥吮Ｗo(hù)計(jì)算對(duì)不同車型在不同部位的剛度要求常常是不確定的。此外，也需要對(duì)前后保險(xiǎn)杠進(jìn)行國家法規(guī)擺錘及企業(yè)內(nèi)部高低溫?cái)[錘進(jìn)行仿真計(jì)算，避免批量零件出現(xiàn)擺錘失效等。圖6所示為本例的高低溫?cái)[錘模擬結(jié)果。

圖6 擺錘計(jì)算模擬

2.6 可制造性分析

零件的料厚在鉸鏈處突然收窄，不利于注塑料流填充模具。因此需要對(duì)零件進(jìn)行合理的澆口布置，并進(jìn)行模流分析仿真。通常的做法是將澆口布置在使料流垂直于鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸線的方向，使聚合物分子沿著流動(dòng)方向高度定向。如果澆口平行于旋轉(zhuǎn)軸方向布置，則在鉸鏈處容易出現(xiàn)缺料等注塑缺陷[1]。圖7所示為本方案的模流分析過程。

圖7 料流填充時(shí)間仿真

3 塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)的應(yīng)用案例二

除了將塑料鉸鏈應(yīng)用于導(dǎo)流板與底部護(hù)板等大型零件的集成設(shè)計(jì)之外，也可以應(yīng)用于單個(gè)零件上的定位筋片，在總裝線上輔助零件的定位。下面對(duì)比介紹了某車型固定條采用傳統(tǒng)工裝定位的方案和另一車型固定條應(yīng)用鉸鏈結(jié)構(gòu)的定位方案。

3.1 工裝定位方案

在傳統(tǒng)的固定條定位方案中，保險(xiǎn)杠固定條安裝到車身后圍板上，其左右向靠自身固定孔與后圍板上的焊接銷釘進(jìn)行定位，垂直方向的位置則需要匹配后蓋高度進(jìn)行定位。后蓋和車身縫隙匹配調(diào)整完成后，其垂直方向位置有約±3mm的公差。因此在安裝固定條時(shí)，需要使用兩個(gè)定位工裝卡在后蓋下邊緣和固定條之間，使得工裝和后蓋、固定條之間貼緊，從而確定固定條的垂直方向位置，然后使用螺母固定住后保險(xiǎn)杠固定條。如圖8所示。此過程中，需要裝配人員拿取工裝、安裝工裝，最后還要移除并放置好工裝，耗時(shí)約8秒。

圖8 采用工裝定位固定條與后蓋間隙

3.2 塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)定位方案

工裝定位方案需要裝配人員取出工裝、安裝工裝、移除工裝，操作過程十分繁瑣。我們?cè)诹硪粋€(gè)車型上采用了更好的定位方法，即在固定條上直接集成定位筋片，從而替代定位工裝。定位筋片上布置有塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)，方便定位完成后將定位筋片收起。如圖9所示。

圖9 塑料鉸鏈定位筋定位

具體實(shí)施方法如下：

（1）固定條安裝到后圍板焊接銷釘上，將兩處定位筋片頂住后蓋下邊沿，從而實(shí)現(xiàn)自身的垂直方向定位。

（2）用螺母將固定條緊固完成，然后將定位筋片在鉸鏈軸處折彎并用卡扣固定，避免與隨后安裝的保險(xiǎn)杠蒙皮發(fā)生干涉。

整個(gè)操作過程快速便捷，同時(shí)也很好地實(shí)現(xiàn)了定位功能。

4 結(jié)語

汽車外飾零件尺寸通常較大，將相鄰零件通過鉸鏈連接進(jìn)行集成，可以產(chǎn)生明顯的減重效果。此外，大尺寸零件的模具非常昂貴，通過鉸鏈結(jié)構(gòu)集成零件從而減少模具數(shù)量，可以節(jié)約巨大的成本。在案例一中通過鉸鏈結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減重 190g，同時(shí)節(jié)省了底部護(hù)板的模具費(fèi)用近百萬。在案例二中通過塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)筋片代替定位工裝，單車裝配時(shí)間可以節(jié)約8秒。塑料鉸鏈結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景非常廣闊，筆者將繼續(xù)探索其在汽車設(shè)計(jì)中的更多應(yīng)用。